天山云杉森林土壤有機碳沿海拔的分布規(guī)律及其影響因素

阿米娜木·艾力，常順利，*，張毓?jié)?，?瑤，何 平

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊市830046;2.新疆林科院森林生態(tài)研究所，烏魯木齊市830063)

土壤有機碳是全球氣候變化的敏感指標(biāo)［1］。有機碳庫的動態(tài)變化可對生態(tài)系統(tǒng)主要功能、組成和發(fā)展方向產(chǎn)生顯著的影響［2］，與大氣成分進行活性交換的土壤有機碳大約占到陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的2/3［3］，所以土壤有機碳的微小變化將會極大地緩和或加速大氣CO2濃度的提高，進而改變?nèi)蛱佳h(huán)［4］。

土壤有機碳來自植物分泌物及殘體的歸還，其儲量主要受植被光合利用率、群落分布、水位波動規(guī)律［5］，以及氣候、土壤、人類活動等因素的影響［6-8］。因此，人類活動干擾以及外界環(huán)境條件的變化，均可對陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳庫產(chǎn)生影響［2］。在山地生態(tài)系統(tǒng)研究工作中，很難排除森林類型變化的影響，而只考慮水熱梯度變化條件下土壤有機碳的空間分布規(guī)律。王海燕［9］等提出了氣候變化影響下落葉松-云杉混交林土壤有機碳密度變化情況。王文凡［10］等提出同一山地不同植被類型土壤有機碳密度存在差異性。

天山是植被類型單一、結(jié)構(gòu)簡單的山地生態(tài)系統(tǒng)，土壤有機碳的變化受到氣候條件與云杉純林生長趨勢的影響。目前針對于具有單一植被類型的山地生態(tài)系統(tǒng)進行土壤有機碳密度變化的研究還極少，本研究通過云杉純林不同海拔平均胸徑、樹高的調(diào)查統(tǒng)計分析與水熱配比關(guān)系結(jié)合在一起，綜合考慮氣候與單一植被類型云杉純林的變化對土壤有機碳密度的影響，研究土壤有機碳密度沿海拔的分布規(guī)律。為正確評估天山土壤總有機碳密度變化提供一定的參考，并為該領(lǐng)域研究工作中排除植被的影響而只考慮氣候?qū)ν寥烙袡C碳變化的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集地概況

以中國森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站研究站(E87°07'—87°28'，N43°14'—43°26')為依托進行樣品采集。樣品采集地位于天山北坡烏魯木齊縣板房溝林場，海拔1800—2800 m，屬溫帶大陸性氣候，年總輻射量達(dá)5.85×105 J/cm2·a，年均氣溫約為2—3℃，歷年極端最高溫為30.5℃，極端最低溫為-30.2℃，年降水量400—600 mm，最大積雪深度為65 cm，林下土壤為山地灰褐色森林土。該區(qū)植被類型以天山云杉(Picea Schrenkiana)純林為主的溫帶針葉林，郁閉度介于0.4—0.8，其凋落物的分解是土壤中生成較厚的腐殖質(zhì)的重要途徑。主要地被植物有黑果小檗(Berberis heteropoda)、紅果小檗(Berberis nummularia)、忍冬(Lonicera sp.)、天山花楸(Sorbus tianschanica)、黑果荀子(Cotoneastermelanocarpus)、薔薇(Rosa sp.)、繡線菊(Spiraeahypericifolia)、老鸛草(Geranium dahuricum)、天山雨衣草(Alchemilla tianschanica)、羊角芹(Aegopodiumpodagraria)等［11］。

1.2 土樣采集方法

2011年7 月，在水西溝采樣區(qū)，按照一定的海拔梯度以及土壤顏色的變化情況進行采樣區(qū)的劃分。從云杉林海拔1800 m下限到2800 m上限，按每200 m一個海拔梯度，在每個梯度內(nèi)選取了3塊20 m×20 m的樣地;在每塊樣地內(nèi)，按照S型方法布設(shè)了3個土壤采樣點，各挖1 m深土壤剖面，分5層取土樣，共計取得225個土樣;在每塊樣地內(nèi)的3個土壤采樣點中隨機選取一個剖面進行分層環(huán)刀取樣，分層計算土壤容重，并以此代表該樣地的各層土壤容重。樣品帶回實驗室風(fēng)干后過2mm篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣地調(diào)查方法

在研究區(qū)從其森林分布的下限到上限，選取一條東西寬200 m的樣帶，以50 m垂直海拔梯度為間隔，設(shè)置20 m×20 m的固定樣地44個，對應(yīng)于各海拔梯度的樣方數(shù)見表1。對每個樣方進行每木檢尺，調(diào)查因子主要包括樹高、胸徑、冠幅、枝下高、病蟲害狀況等，按胸徑、樹高對調(diào)查數(shù)據(jù)進行分級統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 樣方調(diào)查統(tǒng)計表Table1 The result of sample plot survey

1.4 土樣測試方法

土壤總有機碳根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7857—1987［12］與LY/T1237—1999［13］采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法:在外加熱條件下(油浴溫度為175—180℃、沸騰5 min)用一定濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機質(zhì)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定。通過所消耗的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積得有機碳含量。硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積與有機碳含量的關(guān)系式為:

式中，Wc.o為有機碳含量(g/kg)，0.8000為重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)，5.0為重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(mL)，V0為空白試驗消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL)，Vt為土樣試驗消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL)，0.003為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量(g/mmol)，1.1為氧化校正系數(shù)，m為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)，k為風(fēng)干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數(shù)。

在土壤有機碳含量的基礎(chǔ)上，1 m深度土壤標(biāo)準(zhǔn)剖面不同層次土壤密度、厚度和非石礫所占的比例相乘得土壤有機碳密度SOCDk。

式中，SOCDk為第k層土壤有機碳密度(kg/m)，k為土壤層次，Ck為第k層土壤有機碳含量(g/kg)，Dk為第k層土壤密度(g/cm3)，Ek為第k層土層厚度(cm)，Gk為第k層土層中直徑大于2 mm石礫所占體積百分比(%)。

1.5 生物量計算方法

劉廣路［14］利用相對生長模型建立的天山云杉純林生物量的回歸模型W=0.075352(D2H)0.906442(W為生物量(kg)，D為胸徑(cm)，H為樹高(m))。本研究采用此模型，利用不同海拔云杉林標(biāo)準(zhǔn)木的胸徑和樹高的數(shù)據(jù)，來估計云杉林單木平均地上生物量。在單木平均地上生物量的基礎(chǔ)上，得林份總生物量和單位面積生物量。即林分總生物量=整個研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)單木生物量×整個研究區(qū)云杉林總株數(shù);單位面積生物量=(單木生物量×云杉林總株數(shù))/樣地總面積。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

氣象數(shù)據(jù)來自李艷忠［15］等從中科院新疆生地所地理信息系統(tǒng)實驗室?guī)焖玫臄?shù)據(jù)。綜合考慮降水量與溫度對植物的影響，分別表征年平均干濕度的Kira(K1)［16］干濕度指數(shù)和修正的生物干濕度指數(shù)(BK)［17-19］來表示地表干濕程度，從而判斷不同海拔梯度上有機碳密度的變化與氣候間的關(guān)系。

式中，P為年降水量，ET為有效溫度，ti為i月份的平均溫度。

本研究中所得到的數(shù)據(jù)采用Excel圖標(biāo)和SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行多重比較和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各海拔梯度土壤剖面的有機碳密度變化規(guī)律

標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面上，各海拔梯度的土壤有機碳密度隨著剖面深度的增加呈減少的趨勢(圖1)。海拔1800—2000 m的土壤有機碳密度從10.76—28.33 kg/m2(平均值為16.78 kg/m2)減少到3.12—7.36 kg/m2(平均值為5.24 kg/m2);海拔2000—2200 m的土壤有機碳密度從9.98—17.92 kg/m2(平均值為14.80 kg/m2)減少到2.10—3.13 kg/m2(平均值為2.60 kg/m2);海拔2200—2400 m的土壤有為碳密度從8.72—11.26 kg/m2(平均值11.06 kg/m2)減少到2.77—4.33 kg/m2(平均值為3.34 kg/m2);海拔2400—2600 m的土壤有機碳密度從10.68—19.04 kg/m2(平均值14.95 kg/m2)減少到1.94—3.18 kg/m2(平均值為2.50 kg/m2);海拔2600—2800 m的土壤有為碳密度從11.64—13.20 kg/m2(平均值12.19 kg/m2)減少到1.28—2.52kg/m2(平均值為1.75 kg/m2)。海拔1800—2000 m土壤有機碳密度在標(biāo)準(zhǔn)剖面0—80 cm的四個土層中沒有顯著性差異;海拔2000—2200 m，2200—2400 m，2600—2800 m的標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面40—100 cm的3個土層中沒有顯著性差異;海拔2400—2600 m的標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面20—80 cm的3個土層中沒有顯著性差異。雖然不同海拔不同土壤深度有機碳密度的變化不存在顯著差異性，但隨著土壤深度的加深有機碳密度的整體性變小的趨勢遵循了隨著土壤深度的增加有機碳密度變小的規(guī)律。這與土壤不同深度的理化性質(zhì)(容重、石礫含量、含水量)、微生物活性和凋落物的分解速率等有關(guān)。

圖1 同一海拔不同土層的有機碳密度變化規(guī)律Fig.1 Soil organic carbon density variation of same altitudes at the different depth

2.2 同層土壤的有機碳密度沿海拔梯度的變化規(guī)律

不同海拔梯度標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面中同一土層的土壤有機碳密度呈先減少后增加再減少的趨勢(圖2)。0—80 cm的4個土層中土壤有機碳密度在海拔1800—2000 m和2400—2600 m的梯度上出現(xiàn)雙峰值，而在80—100 cm的土層中海拔1800—2000 m和2200—2400 m梯度上出現(xiàn)雙峰值。不同海拔土壤0—80 cm的4個土層中土壤有機碳密度的平均值變化無顯著性差異，在海拔1800—2000 m和2200—2400 m兩個梯度上80—100 cm土層中的土壤有機碳密度平均值變化無顯著性差別，而海拔2200—2400 m和其余的3個海拔梯度的土壤有機碳密度平均值無顯著性差別。每個海拔梯度上同一土壤剖面土壤有機碳密度的變化規(guī)律最終導(dǎo)致從海拔下線到海拔上線的總有機碳密度呈現(xiàn)出先減少后增加再減少的趨勢。

圖2 不同海拔同一土壤深度的有機碳密度變化規(guī)律Fig.2 Soil organic carbon density variation of different altitudes at the same depth

標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面中土壤有機碳主要儲存在于土壤表層中(圖3)。0—20 cm土層有機碳密度占全剖面所含的有機碳密度比例從30%(2200—2400 m)增加到43%(2600—2800 m);20—40 cm的比例從25%(1800—2000 m)增加到30%(2600—2800 m);最下3層所占的比例為25%到40%，可見土壤表層有機碳密度占全剖面的比例超過一半以上。這主要是以“表聚現(xiàn)象”所致［15］，即植物的凋落物歸還于土壤表層，在表層形成較厚的凋落葉層，經(jīng)分解在土壤表層富集有機質(zhì)從而形成相應(yīng)大的有機碳密度。

2.3 總土壤有機碳密度沿海拔的變化規(guī)律

隨著海拔梯度的增加總土壤有機碳密度呈先減少后增加再減少的趨勢(圖3)?？偼寥烙袡C碳密度平均在28.59—48.87 kg/m2之間，其中1800—2000 m海拔總有機碳密度最高，而海拔2600—2800 m的最低，整個變化趨勢來看，各海拔有機碳密度變化沒有顯著性差異。

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)的植被類型是以天山云杉純林為主，可以避免受到其它植被的干擾，所以氣候條件和云杉純林的分布、長勢是影響土壤有機碳密度變化的主要因素。

3.1 影響有機碳密度沿海拔分異的氣候因素

氣候的變化通過影響天山云杉純林的生長，凋落物的累積和分解而直接影響到土壤有機碳在不同海拔梯度上的分布情況。各海拔隨著梯度的增加年均溫度逐漸降低，到了2470 m左右時年均溫度為零;隨著海拔梯度的增加年均降水量出現(xiàn)先升高再下降的趨勢(圖3)。

在不同海拔梯度上土壤有機碳密度的變化與氣候單因素降水量和溫度具有一定的相關(guān)性(表2)，根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)的分析，所知土壤有機碳密度變化跟降水量呈負(fù)相關(guān)，而跟溫度變化呈正相關(guān)。

表2 土壤有機碳密度與氣候要素和地表干濕度指數(shù)之間的相關(guān)矩陣Table2 The correlation matrix between the soil total organic carbon density and climatic factors surface humidity index

由于僅僅利用氣候的單因素不能對不同海拔土壤總有機碳密度變化的影響進行估測，因此，考慮綜合指標(biāo)地表干濕度指數(shù)對土壤有機碳密度的影響。為了能更好地評價氣候要素對植被的影響，選取了最熱月7月份的均溫，此月森林帶上下線相差為8.3℃，大于年均溫，是對Kira干濕度指數(shù)和修正的生物干濕度指數(shù)的變化作用較大的溫度。由于不同海拔月均溫不同，所以K1和BK存在一定的差異(表3)。

由于土壤總有機碳密度隨海拔的變化情況跟地表干濕度指數(shù)有關(guān)，所以氣候的變化導(dǎo)致不同海拔梯度上土壤總有機碳密度的差異性，即K1和BK與總土壤有機碳密度具有相關(guān)性(表2)。

在此基礎(chǔ)上進一步分析不同海拔梯度氣候與土壤總有機碳密度間的相關(guān)性后發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳密度跟地表干濕度指數(shù)具有負(fù)相關(guān)，表明溫度和降水各指標(biāo)與土壤有機碳密度變化的作用在所有云杉純林區(qū)均具有同步性。

3.2 影響有機碳密度沿海拔分異的群落因素

天山北坡的云杉林分布的上限和下限受溫度和降水的綜合影響［20-21］，喬木的胸徑和樹高能較好地指示森林帶溫度和降水特征［22-23］，也是影響土壤有機碳密度變化的重要指標(biāo)，所以在研究區(qū)對不同海拔的樹木進行每木調(diào)查，繪制了不同海拔樹木胸徑與樹高關(guān)系的曲線圖(圖3)。由圖3可知，從海拔下限1800 m到海拔上限2800 m，平均樹高從14.99 m降低到8.25 m;平均胸徑從海拔下限到海拔上限出現(xiàn)了先下降后增加再下降的趨勢，跟不同海拔土壤總有機碳密度變化趨勢大體上保持一致。

表3 不同海拔地表干濕度指數(shù)Table3 The surface dry humidity index at different altitudes

圖3 各層土壤有機碳密度占全剖面的百分比與不同海拔總土壤有機碳密度，年降水量，年均溫度以及云杉林平均胸徑樹高的變化規(guī)律Fig.3 Layers of soil organic carbon density as a percentage of the total cross-section and total organic carbon density，annual pricipitation，mean annual temperature，Picea schrenkiana DBH and tree height variation with different altitude

生物量是一定時間，一定空間一種或數(shù)種生物有機體總干物質(zhì)的重量［24］，也是量度生態(tài)系統(tǒng)碳匯和碳素循環(huán)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)［25］。對植物群落生物量進行研究，可以揭示生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)功能過程的變化規(guī)律［26］。因此，按照符合天山云杉林生物量的估測模型，對各海拔云杉林地上生物量進行估算(表4)，發(fā)現(xiàn)地上生物量呈隨著海拔梯度的增加逐漸減少的趨勢。海拔1800—2000 m的最高，而2600—2800 m的最低。最高和最低含量跟有機碳密度變化情況保持一致。

土壤有機碳密度變化與生物量存在緊密的聯(lián)系。通過不同海拔云杉林單位面積上的生物量與有機碳密度的Pearson相關(guān)性分析(P＜0.05)，得生物量與有機碳密度呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.768)。即生物量的變化規(guī)律可直接反應(yīng)土壤有機碳密度的變化規(guī)律。

表4 不同海拔云杉林地上生物量Table4 Aboveground biomass of spruce forest at different altitudes

3.3 影響有機碳密度沿海拔分異因素的綜合分析

土壤總有機碳密度的變化是氣候與樹高、胸徑共同作用的結(jié)果，因此導(dǎo)致不同海拔梯度有機碳密度大小存在差異性。海拔1800—2000 m平均樹高最高、平均胸徑占第3位，而BK相對整個海拔梯度而言較小，云杉林生物量最高，所以此梯度含有的有機碳密度最大。海拔2200—2400 mBK最大，云杉林平均胸徑最高、平均樹高占第3位，導(dǎo)致生物量的降低，因此，所具有的有機碳密度不是最多。海拔2400—2600 m平均胸徑占第2位、平均樹高占第4位，生物量跟平均樹高的地位一樣占第4位，對于整個研究區(qū)而言BK最小，導(dǎo)致有機碳密度在整個梯度上占第2位。海拔2600—2800 m雖然BK相對而言較小，但是平均胸徑、平均樹高和生物量都均最低，所以土壤有機碳密度最小。

3.4 結(jié)論

本文通過不同海拔梯度云杉林的株樹、平均胸徑、樹高調(diào)查與李艷忠［15］等提出的森林帶發(fā)育于與氣候土壤的關(guān)系時所提供的氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對天山北坡水西溝區(qū)土壤有機碳密度與影響因素氣候和云杉純林胸徑和樹高的關(guān)系進行了探討。結(jié)果表明:

(1)1m深度的標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面上，各海拔梯度的土壤有機碳密度隨著剖面深度的增加呈減少的趨勢。平均有機碳密度從海拔1800—2000 m10—20 cm土壤深度的16.78 kg/m2減少到海拔2600—2800 m土壤深度80—100 cm的1.75 kg/m2。不同海拔各層土壤有機碳密度不顯著，都出現(xiàn)先下降后增加再下降的趨勢，導(dǎo)致總土壤有機碳密度具有同樣的變化趨勢。海拔1800—2000 m所具有的有機碳密度最大(48.87 kg/m2)，其次是海拔2400—2600 m(41.66 kg/m2)，2600—2800 m的最小(28.59 kg/m2)。

(2)土壤有機碳主要集中土壤表面(0—40 cm)。出現(xiàn)“表聚現(xiàn)象”，土壤表面所具有的有機碳密度所占的比例(60%—70%)超過總有機碳密度的一般以上。

(3)不同海拔云杉林的平均胸徑、樹高以及氣候水熱配比關(guān)系均出現(xiàn)一定的變化，土壤有機碳密度的變化跟生物量成正比而跟地表干濕度指數(shù)成反比關(guān)系。云杉林的生長趨勢與氣候的共同影響下導(dǎo)致不同海拔土壤有機碳密度差異性存在。

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