黑河上游冰溝流域3 種林地土壤有機(jī)碳分布特征與土壤特性的關(guān)系

王 鳳，孟浩峰，侯德明，趙 靜，秦嘉海

(1.河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅 張掖734000;2.張掖市農(nóng)業(yè)節(jié)水與土壤肥料管理站，甘肅 張掖734000)

土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的核心，是全球碳循環(huán)的重要組成部分，其積累和分解直接影響全球碳平衡，目前，土壤有機(jī)碳已成為環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)［1-4］。黑河上游的甘肅、青海、內(nèi)蒙古是諸內(nèi)陸河的發(fā)源地，目前，在全球氣候變化的大背景下，特別是人類活動(dòng)日益頻繁的干擾和破壞使得黑河上游生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，森林面積急劇萎縮。有關(guān)黑河上游祁連山的生態(tài)、土壤、植被和水源涵養(yǎng)功能等方面的研究報(bào)道較多［5-14］，而黑河上游冰溝流域土壤有機(jī)碳分布特征與土壤特性的關(guān)系未見文獻(xiàn)報(bào)道，為此，以黑河上游冰溝流的針葉林、森林灌叢、闊葉林為研究對(duì)象，旨在探索3 種林地土壤有機(jī)碳分布特征及其與土壤特性之間的關(guān)系，為黑河上游冰溝流域水源涵養(yǎng)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省祁連縣黑河上游冰溝流域，100°11'24. 4″ － 100°23'55. 2″ E，38°02'18. 3″ －38°10'39″ N，海拔3 105 ～3 479 m，年均氣溫0. 5℃，降水量290.2 ～467.8 mm，年均蒸發(fā)量1 051.7 mm，平均相對(duì)濕度60%，日照時(shí)間2 600 h，成土巖石是石灰?guī)r、千枚巖、砂巖，成土母質(zhì)是殘積母質(zhì)和坡積母質(zhì)，土壤類型是亞高山灌叢草甸土和森林灰褐土［15］。針葉林樹種有青海云杉(Picea crassifolia)、祁連圓柏(Sabina przewalskii);闊葉林樹種有山楊(Populus davidiana)、高山柳(Salix caceae)、杯腺柳(S. cupularis);灌木林樹種有沙棘(Hippophae rhamnoides)、肋果沙棘(H. neurocarpa)、銀露梅(Potentilla grabra)、金露梅(P. fruticosa)等。

1.2 樣品采集方法

2011 年7 月在青海省祁連縣祁連山區(qū)的冰溝流域，利用GPS 定位，選擇具有代表性的針葉林、森林灌叢、闊葉林3 種林地為樣品采集區(qū)，按照典型選樣的方法，在每個(gè)樣品采集區(qū)內(nèi)設(shè)置20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，將樣方土表枯落物層去除，每個(gè)樣方布置3 個(gè)樣點(diǎn)(3 次重復(fù))，從地表開始向下挖掘土壤剖面，按照0 －10、10 －20、20 －30、30 －40、40 －50、50－60 cm 間距自下而上逐層采集土樣，每層分別采集土樣3 kg，用四分法帶回1 kg 混合土樣室內(nèi)化驗(yàn)分析。土壤容重、團(tuán)聚體測(cè)定用環(huán)刀采集原狀土，樣品采集區(qū)基本情況見表1。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

土壤容重采用環(huán)刀法;＞0.25 mm 團(tuán)聚體采用約爾得法;物理性沙粒采用甲種比重計(jì)法;pH 采用電位法(5∶ 1 水土比浸提);自然含水量采用烘干法;土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化－外加熱法:全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀法［16］。

土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式為［17］:

表1 樣品采集區(qū)情況Table 1 Sample collection area

式中，SOC 為土壤有機(jī)碳密度(kg·m－2);T 為土層 厚度(cm);q 為土壤容重(g·m－3);C 為土壤有機(jī)碳平均含量(g·kg－1);d 為直徑＞2 mm 石礫含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，土壤有機(jī)碳與土壤特性關(guān)系采用線性回歸分析方法，不同土層土壤特性的差異顯著性采用多重比較，LSR 檢驗(yàn)，按照楊曉梅等［18］、王淑芳等［19］土壤有機(jī)碳和土壤物理性質(zhì)均值計(jì)算方法，本研究中3 種林地0 －60 cm 土層土壤有機(jī)碳和土壤理化性質(zhì)均為均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林地土壤有機(jī)碳含量及分布特征

土壤有機(jī)碳是表征土壤肥力的重要指標(biāo)［20］。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 6 個(gè)土層有機(jī)碳含量分別為19. 63 ～97. 14、18. 62 ～68. 81 和14.33 ～53.37 g · kg－1，均 表 現(xiàn) 為 針 葉 林 ＞森林灌叢＞闊葉林，其中，針葉林有機(jī)碳均值為44.04 g·kg－1，是森林灌叢和闊葉林的1.26 和1.70 倍，這種變化規(guī)律與不同林地的郁閉度和枯落物積累量有關(guān)。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －10 cm土層有 機(jī) 碳 含 量 分 別 為97. 14、68. 81 和53. 37 g·kg－1，是剖面有機(jī)碳均值的2.21、1.97 和2.06倍，說明3 種林地有機(jī)碳含量有很強(qiáng)的表聚性，而針葉林的表聚性最強(qiáng)。另外，3 種林地不同層次有機(jī)碳含量均隨著剖面垂直深度的增加而遞減，但不同林地減少程度不同，且在相同土層深度，不同林地有機(jī)碳含量差異亦較大(表2)。

2.2 不同林地土壤有機(jī)碳密度及分布特征

針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 6 個(gè)土層有機(jī)碳密度分別為3. 70 ～13. 22、3. 55 ～9. 49 和2.80 ～8.62 kg·m－2，表現(xiàn)為針葉林＞森林灌叢＞闊葉林，其中，針葉林有機(jī)碳密度均值為7. 18 kg·m－2，是森林灌叢和闊葉林的1.24 和1.58 倍(表3)。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －10 cm 土層有機(jī)碳密度分別為13.22、9.49 和8.62 kg·m－2，是剖面有機(jī)碳密度均值的1.84、1.64 和1.89 倍，說明3 種林地有機(jī)碳密度與有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)相同，也表現(xiàn)出很強(qiáng)的表聚性。3 種林地有機(jī)碳密度均隨著土層剖面垂直深度的增加而降低。另外，3種林地0 －20 cm 土層有機(jī)碳密度在5.32 ～13.22kg·m－2，高于我國(guó)針葉林植被下有機(jī)碳密度(3.77 kg·m－2)、闊葉林植被下有機(jī)碳密度(4.70 kg·m－2)、灌叢植被下有機(jī)碳密度(2.56 kg·m－2)［21］。

表2 不同林地土壤有機(jī)碳含量Table 2 Soil organic carbon content of different forest g·kg －1

表3 不同林地土壤有機(jī)碳密度Table 3 Soil organic carbon density of different forest kg·m －2

2.3 不同林地土壤有機(jī)碳與土壤特性的關(guān)系

2.3.1 土壤有機(jī)碳與容重的關(guān)系 土壤容重是表征土壤松緊程度的重要指標(biāo)［22］。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 － 60 cm 6 個(gè)土層土壤容重分別為0.89 ～1.41、0.93 ～1.48 和1.10 ～1.59 g·cm－3，大體表現(xiàn)為針葉林＜森林灌叢＜闊葉林(表4)，其中，針葉林剖面容重為1.22 g·cm－3，與森林灌叢和闊葉林比較，分別降低了3.94%和8.96%，森林灌叢剖面容重為1.27 g·cm－3，與闊葉林比較，降低了5.22%。3 種林地不同層次容重均隨著剖面垂直深度的增加而增大，0 －10 與50 －60 cm 比較，差異顯著(P ＜0.05)，究其原因與各土層土壤的孔隙度、林木根系的生長(zhǎng)狀況有關(guān)。將針葉林、森林灌叢、闊葉林有機(jī)碳含量與容重進(jìn)行線性回歸方程擬合，得到的回歸方程分別為y =1.463 8 －0.004 9x，y=1.584 2 －0.008 3x，y=1.601 8 －0.009 3x，相關(guān)系數(shù)分別為－0.926 4(P ＜0.05)、－0.931 5(P ＜0.05)、－0.885 6(P ＜0.05)，說明3 種林地土壤有機(jī)碳與容重之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3.2 土壤有機(jī)碳與自然含水量的關(guān)系 自然含水量即土壤含水量，是測(cè)定土壤容重的重要指標(biāo)。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 6 個(gè)土層自然含水量大體表現(xiàn)為針葉林＞森林灌叢＞闊葉林(表4)，其中，針葉林剖面自然含水量均值為28.58%，分別是森林灌叢、闊葉林的1.16 和1.29 倍，森林灌叢均值為24.65%，是闊葉林的1.11 倍，這種變化規(guī)律與不同林地枯落物積累量和持水量有關(guān)。3 種林地不同層次自然含水量均隨著剖面垂直深度的增加而遞減，0 －10 與50 －60 cm 比較，差異顯著(P ＜0.05)。將針葉林、森林灌叢、闊葉林有機(jī)碳含量與自然含水量進(jìn)行線性回歸分析，得到的回歸方程分別為y = 15. 409 3 + 0. 267 2x，y = 12.373 7 +0.350 6x，y=12.937 6 +0.342 0x，相關(guān)系數(shù)分別為0.866 2(P ＜0.05)、0.916 7(P ＜0.05)、0.937 1(P＜0.05)，說明3 種林地有機(jī)碳含量與自然含水量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2.3.3 土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體的關(guān)系 土壤團(tuán)聚體是表征肥沃土壤的指標(biāo)之一［23］。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 6 個(gè)土層＞0.25 mm 團(tuán)聚體含量分別為31.81% ～45.16%、30.02% ～44.13%和27.20% ～38.77%，除20 －30 cm 土層外，其余土層均表現(xiàn)為針葉林＞森林灌叢＞闊葉林(表4)，其中，針葉林剖面＞0.25 mm 團(tuán)聚體含量為36.65%，與森林灌叢、闊葉林比較，分別增加了3. 27% 和9.04%。3 種林地不同層次＞0.25 mm 團(tuán)聚體均隨著剖面垂直深度的加深而遞減，0 －10 與50 －60 cm比較，差異顯著(P ＜0.05)。將針葉林、森林灌叢、闊葉林有機(jī)碳含量與＞0.25 mm 團(tuán)聚體含量進(jìn)行線性回歸分析，得到的回歸方程分別為y =30.436 7 +0.126 7x，y =27. 355 5 +0. 213 2x，y=27. 274 3 +0.220 3x，相 關(guān) 系 數(shù) 分 別 為0.926 1(P ＜0. 05)、0.931 3(P ＜0.05)、0.867 6(P ＜0.05)，說明3 種林地有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2.3.4 土壤有機(jī)碳與物理性沙粒的關(guān)系 土壤物理性砂粒含量可以表征土壤的發(fā)育程度，土壤物理性砂粒含量愈少，土壤發(fā)育程度愈好［24］。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 土層物理性沙粒含量分別為22. 63% ～33. 21%、25. 21% ～35. 65% 和26.54% ～38.65%，表現(xiàn)為針葉林＜森林灌叢＜闊葉林(表4)，其中，針葉林剖面物理性沙粒含量均值為27.82%，分別比森林灌叢、闊葉林降低了6.49%和12.13%，這種變化規(guī)律與不同林地土壤的發(fā)育程度有關(guān)。3 種林地不同層次物理性沙粒含量均隨著剖面垂直深度的加深而遞增，0 －10 與50 －60 cm比較，差異顯著(P ＜0.05)。將針葉林、森林灌叢、闊葉林3 種林地有機(jī)碳含量與物理性沙粒含量進(jìn)行線性回歸分析，得到的回歸方程分別為y =32.792 5 －0.101 4x，y =34.566 5 －0.126 1x，y =38.072 1 －0. 228 8x，相關(guān)系數(shù)分別為－0. 899 2(P ＜0.05)、－0.802 2(P ＜0.05)、－0.828 1(P ＜0.05)，說明3 種林地有機(jī)碳含量與物理性沙粒之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3.5 土壤有機(jī)碳與全氮的關(guān)系 土壤全氮是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要指標(biāo)。在一定程度上土壤氮素的水平會(huì)影響土壤中有機(jī)碳的含量［25］。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 土層全氮含量分別在1. 57 ～7. 78、1. 49 ～5. 51 和1. 15 ～4. 27 g·kg－1，表現(xiàn)為針葉林＞森林灌叢＞闊葉林(表4)，其中，針葉林剖面全氮均值為3.93 g·kg－1，分別是森林灌叢、闊葉林的1.29 和1.75 倍，這種變化規(guī)律與有機(jī)碳變化規(guī)律相一致。3 種林地不同層次全氮均隨著剖面垂直深度的加深而遞減，0 －10 與50 －60 cm 比較，差異顯著(P ＜0.05)，這是由于全氮在剖面上的變化與該土壤的林木根系生長(zhǎng)狀況和有機(jī)碳含量有關(guān)。將針葉林、森林灌叢、闊葉林有機(jī)碳含量與全氮進(jìn)行線性回歸方程擬合，得到的回歸方程分別為y =0.001 9 +0.080 1x，y =0.001 6 +0.080 0x，y =0. 001 +0. 800 6x，相關(guān)系數(shù)分別為0.999 9(P ＜0.05)、0.999 7(P ＜0.05)、0.998 9(P＜0.05)，說明3 種林地土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2.3.6 土壤有機(jī)碳與pH 的關(guān)系 土壤pH 是表征土壤化學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)［26］。針葉林、森林灌叢、闊葉林0 －60 cm 6 個(gè)土層pH 表現(xiàn)為針葉林＜森林灌叢＜闊葉林(表4)，其中，針葉林pH 均值為7.02，分別比森林灌叢、闊葉林降低了0. 99% 和3.17%。3 種林地不同層次pH 均隨著剖面垂直深度的加深而增大，0 －10 與50 －60 cm 比較，差異顯著(P ＜0.05)。將針葉林、森林灌叢、闊葉林有機(jī)碳含量與pH 值進(jìn)行線性回歸分析，得到的回歸方程分別為y=7.12 －0.002 2x，y=7.176 4 －0.002 5x，y=7.345 2 －0.003 7x，相關(guān)系數(shù)分別為－0.846 9(P ＜0.05)、－0.625 8(P ＜0.05)、－0.913 3(P ＜0.05)，說明3 種林地有機(jī)碳含量與土壤pH 值之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳含量是生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動(dòng)態(tài)平衡值［27-28］，是表征土壤肥力的重要指標(biāo)［29］，研究結(jié)果表明，3 種林地0 －60 cm 土層有機(jī)碳含量均值表現(xiàn)為針葉林＞灌木林＞闊葉林，說明同一林區(qū)不同樹種有機(jī)碳含量不盡相同，針葉林比灌木林和闊葉林更有利于土壤有機(jī)碳的積累。3 種林地0－10 cm 有機(jī)碳含量是50 －60 cm 土層的兩倍左右，說明3 種林地有機(jī)碳表現(xiàn)出很強(qiáng)的表聚性，地表枯落物對(duì)土壤表層有機(jī)碳累積發(fā)揮了很強(qiáng)的作用，不合理的人為活動(dòng)容易造成有機(jī)碳的損失，應(yīng)最大限度地減少不合理的人為干擾活動(dòng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，維持土壤碳儲(chǔ)量。3 種林地有機(jī)碳含量隨土壤剖面垂直深度增加而逐漸降低，與丁訪軍等［30］和黃從德等［31］的研究結(jié)果一致，可能是隨著土層深度的增加，林木的枯落物和根系數(shù)量減少，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量下降。3 種林地0 －20 cm 土層有機(jī)碳密度高于我國(guó)針葉林、闊葉林、灌叢林植被下有機(jī)碳密度，說明青海省祁連縣黑河上游冰溝流域降水量充沛，森林郁閉度和林下植被覆蓋度大，枯落物存量充足。3 種林地土壤有機(jī)碳與土壤含水量、團(tuán)聚體、全氮之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這種變化規(guī)律與大部分研究結(jié)果一致［32-35］。因?yàn)橥寥浪钟绊懼脖簧锪?，生物量的增加通常?huì)導(dǎo)致植物殘?bào)w和土壤有機(jī)碳輸入量的增加。土壤團(tuán)聚體是表征肥沃土壤的指標(biāo)之一，團(tuán)聚體發(fā)達(dá)的土壤保水肥能力強(qiáng)［36］，森林植被下枯落物在微生物的作用下合成了土壤腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)中的酚羥基、羧基、甲氧基、羰基、羥基、醌基等功能團(tuán)解離后帶負(fù)電荷，吸附了土壤中的Ca2+，形成較穩(wěn)定的團(tuán)聚體。土壤中氮主要以有機(jī)態(tài)存在，一般占全氮含量的95%以上，土壤全氮含量的消長(zhǎng)取決于土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化，因此，土壤全氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。3 種林地土壤有機(jī)碳與土壤容重、物理性沙粒、pH 之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這種變化規(guī)律與顏淑云等［37］、張成娥和陳小利［38］、何躍軍等［39］研究結(jié)果相一致。土壤容重可以表征土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性、通氣性和植物根系生長(zhǎng)的阻力狀況，是表征土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤容重大通常表明土壤存在著退化趨勢(shì)，且容重愈大，土壤退化愈為嚴(yán)重［40］。土壤物理性沙粒含量是判斷土壤熟化程度的重要指標(biāo)之一，研究結(jié)果表明，針葉林植被下的土壤物理性沙粒含量低，土壤發(fā)育程度好，有機(jī)碳含量高。土壤有機(jī)碳含量與土壤pH 值呈負(fù)相關(guān)，其原因是在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤表層的含碳有機(jī)化合物中的單寧、樹脂被真菌分解產(chǎn)生的有機(jī)酸，抑制了其他微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。

表4 不同林地土壤剖面理化性質(zhì)的變化特征Table 4 Change characteristics of soil physical chemical properties of different woodland soil profile

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