秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度影響因素

唐朋輝，黨坤良，王連賀，馬　俊西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，楊凌　712100

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秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度影響因素

唐朋輝，黨坤良*，王連賀，馬俊
西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，楊凌712100

摘要:以秦嶺南坡紅樺林為研究對(duì)象，利用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查法獲得林分、地形、土壤相關(guān)數(shù)據(jù)，分析紅樺林土壤有機(jī)碳密度(SOCD)分異特征及其與林分因子和地形因子間的關(guān)系。結(jié)果表明:秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度總體均值為(69.02±12.90)t/hm2，原始紅樺林土壤有機(jī)碳密度均值為(76.21±10.83)t/hm2，次生紅樺林為(65.24±12.32)t/hm2，原始紅樺林土壤有機(jī)碳密度比次生紅樺林高16.81%，t-檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩者存在顯著差異;在不同林區(qū)間，紅樺林土壤有機(jī)碳密度亦存在顯著差異(P＜0.05)。從地形因子看，紅樺林土壤有機(jī)碳密度在不同坡位和坡向間未表現(xiàn)出顯著差異，而海拔和坡度對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度有較為顯著的影響。土壤有機(jī)碳密度與海拔、林齡、喬木生物量和草本生物量呈顯著正相關(guān)，與坡度和林分密度呈顯著負(fù)相關(guān);主成分分析表明:特征值大于1的四個(gè)主成分對(duì)土壤有機(jī)碳密度的方差累積貢獻(xiàn)率為85.62%，海拔、坡度、林分密度和郁閉度是影響秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度的主要因子;通過(guò)逐步回歸分析得到利用海拔、坡度、林齡、林分密度、喬木生物量和草本生物量估算紅樺林土壤有機(jī)碳密度的模型:SOCD=0.015E－0.332G－0.026FD+0.304SA+0.105BA+21.673BH+36.358。

關(guān)鍵詞:秦嶺南坡;紅樺林;土壤有機(jī)碳密度;地形因子;林分因子

唐朋輝，黨坤良，王連賀，馬俊.秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(4):1030-1039.

Tang P H，Dang K L，Wang L H，Ma J.Factors affecting soil organic carbon density in Betula albo-sinensis forests on the southern slope of the Qinling Mountains.Acta Ecologica Sinica，2016，36(4):1030-1039.

全球尺度上的研究表明，土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)。提高土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性，對(duì)正確評(píng)價(jià)土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、全球碳循環(huán)以及全球環(huán)境變化中的作用具有重要意義［1-5］。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地上最大的碳儲(chǔ)庫(kù)和碳吸收匯［6］。森林植被碳儲(chǔ)量約占全球植被碳儲(chǔ)量的77%，森林土壤碳儲(chǔ)量約占全球土壤碳儲(chǔ)量的39%［7］。森林土壤有機(jī)碳庫(kù)在維持森林立地生產(chǎn)力以及全球碳平衡過(guò)程中起著重要的作用［8-9］。因而森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其影響因素的研究成已成為全球有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)［10-11］。地形和植被對(duì)森林土壤有機(jī)碳有著顯著的影響作用，研究不同地形條件和植被條件下的森林土壤有機(jī)碳是預(yù)測(cè)和分析全球碳循環(huán)的重要組成部分［12-16］。

秦嶺林區(qū)森林有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳密度及其分布特征已有學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究［17-21］，但研究地點(diǎn)主要集中在秦嶺中段南坡的火地塘林區(qū)，其研究區(qū)域不僅較小，而且研究對(duì)象多處于低山區(qū)域，且在已有研究中，很少涉及森林土壤有機(jī)碳密度與地形因子和林分因子間的相互影響關(guān)系。關(guān)于秦嶺南坡中山及亞高山區(qū)域森林土壤有機(jī)碳密度的研究尚缺乏報(bào)道，特別是對(duì)秦嶺林區(qū)大空間尺度森林有機(jī)碳密度的研究更少，這對(duì)準(zhǔn)確估算秦嶺林區(qū)森林土壤有機(jī)碳密度帶來(lái)一定的局限性。紅樺林主要分布在秦嶺林區(qū)中山和亞高山海拔區(qū)域，是構(gòu)成秦嶺山地森林垂直帶譜分布之一，其分布面積不僅較大，而且分布較廣。研究秦嶺林區(qū)紅樺林土壤有機(jī)碳密度不僅能深入了解秦嶺林區(qū)森林土壤碳儲(chǔ)存能力，而且對(duì)準(zhǔn)確估算秦嶺林區(qū)森林土壤有機(jī)碳密度具有重要意義。本研究以秦嶺南坡紅樺林為研究對(duì)象，通過(guò)大尺度野外調(diào)查，估算紅樺林土壤有機(jī)碳密度，比較原始紅樺林和次生紅樺林土壤有機(jī)碳密度差異，分析地形因子和林分因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響，探索影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的主要因子，建立紅樺林土壤有機(jī)碳密度的估算模型，以期為秦嶺林區(qū)紅樺林土壤碳庫(kù)科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西秦嶺山地南部，地理位置為33°25'—33°54'N，107°31'—108°41'E;海拔732—3071 m;年平均氣溫8.0—11.5℃，極端高溫37.6—41.3℃，極端低溫－21.7—－25.1℃;年降水總量800—1200 mm，全年降水日數(shù)93—140 d;無(wú)霜期187—210 d，植物生長(zhǎng)期130—206 d。研究區(qū)土壤類型主要為棕色森林土，平均土層厚度60—100 cm，成土母巖主要為花崗巖、片麻巖、變質(zhì)砂巖等。研究區(qū)植被屬典型山地溫帶落葉闊葉林，主要成林樹(shù)種有銳齒櫟(Quercus aliena var.acuteserrata)、紅樺(Betula albo-senesis)、油松(Pinus tabulaeformis)、華山松(Pinus armandii)、巴山冷杉(Abies fargesii)和太白紅杉(Larix chinensis)等［22］。紅樺林主要分布在秦嶺林區(qū)中山和亞高山區(qū)域，絕大部分森林為天然次生林，僅在高海拔人煙稀少和交通不便地區(qū)分布部分原始林。

1.2研究方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

在秦嶺南坡紅樺林分布較廣、面積較大的不同林區(qū)，選取最具有代表性的林分作為調(diào)查研究對(duì)象，所選林分既有天然次生林也有原始林，各林區(qū)概況見(jiàn)表1。按照不同地形條件(海拔、坡向、坡位、坡度)和林分條件(林齡、林分密度、林分郁閉度)設(shè)置調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地面積為20 m×30 m，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的四個(gè)角及中心共布設(shè)5個(gè)土壤取樣點(diǎn);為比較不同林區(qū)紅樺林土壤層有機(jī)碳密度差異，并滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)樣本數(shù)量要求，在調(diào)查的四個(gè)林區(qū)共設(shè)置研究標(biāo)準(zhǔn)地122塊，其中寧東旬陽(yáng)壩林區(qū)24塊其中原始林6塊、寧陜火地塘林區(qū)30塊其中原始林10塊、太白黃柏塬林區(qū)30塊其中原始林10塊、佛坪觀音山林區(qū)38塊其中原始林16塊。共挖掘土壤剖面610個(gè)，研究樣地的分布見(jiàn)圖1。

圖1　陜西秦嶺南坡地理區(qū)域范圍及調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地布設(shè)示意圖Fig.1　Southern slope of Qinling Mountains in Shaanxi and standard layout diagram of Betula albo-sinensis forest

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

利用GPS確定每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的位置，用海拔儀和羅盤儀測(cè)定每塊標(biāo)準(zhǔn)地的海拔、坡度、坡位、坡向等地形因子，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林木株數(shù)計(jì)算林分密度;測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各喬木的冠幅，并計(jì)算林分郁閉度;用生長(zhǎng)錐測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)胸徑最大的10%林木的年齡，取其平均值作為林分年齡［23-24］;在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地四角和中心共布設(shè)5塊2 m×2 m小樣方，調(diào)查灌木層和草本層的蓋度及種類;將樣方內(nèi)所有灌木、草本連根挖出，分別稱量灌木根、枝干和葉鮮重，以及草本地上和地下鮮重;枯落物全部收集并稱鮮重，分別取樣200 g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室在85℃烘干后，進(jìn)行生物量的測(cè)定。利用樣地調(diào)查資料及陳存根等［25］建立的相應(yīng)生物量模型估算每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)喬木層的生物量。

1.2.3立地因子劃分

按照《西北主要樹(shù)種培育技術(shù)》［26］立地因子等級(jí)劃分方法，并結(jié)合本研究野外調(diào)查實(shí)際，本文立地因子的劃分如下:坡位按下坡位(地形圖上距離坡頂大于2/3處及其以下的坡面)、中坡位(上坡位與下坡位之間的坡面部分)、上坡位(地形圖上距離坡頂1/3處及其以上的坡面)劃分為3個(gè)等級(jí);坡向分為陰坡(西北、正北、東北、正東)和陽(yáng)坡(東南、正南、西南、正西)兩個(gè)等級(jí)。

1.2.4土壤有機(jī)碳密度計(jì)算

土壤碳密度的計(jì)算:按照土壤自然發(fā)生過(guò)程分A(腐殖質(zhì)層)、B(淀積層)、C(母質(zhì)層)3個(gè)層次，分層分別取樣，并測(cè)定各土層厚度;用環(huán)刀法測(cè)土壤容重;土樣風(fēng)干后篩選出其中的植物根，大于2 mm的礫石，用容積法測(cè)定植物根和礫石的體積含量［27］;風(fēng)干土樣磨碎后過(guò)200目篩，用德國(guó)Elementar公司的Liquic TOCⅡ型總有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳，土壤各層碳密度計(jì)算公式如下:

式中，SOCD為整個(gè)土壤剖面的土壤有機(jī)碳密度(t/hm2)，n=3，ρi為第i層的土壤平均容重(g/cm3)，θi為第i層＞2mm的石礫含量(%)，ci為第i層的土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，di為第i層的土壤厚度(cm)。各層土壤有機(jī)碳密度之和即為總土壤有機(jī)碳密度。每個(gè)樣地5個(gè)樣點(diǎn)土壤有機(jī)碳密度的平均值為樣地土壤總有機(jī)碳密度。

1.2.5數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL和SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用獨(dú)立樣本t－檢驗(yàn)比較原始紅樺林和次生紅樺林及不同坡向土壤有機(jī)碳密度的差異;用one-way ANOVA分析不同林區(qū)、不同土層和不同坡位紅樺林土壤有機(jī)碳密度的差異;用簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)分析海拔、坡度和林分因子與紅樺林土壤有機(jī)碳密度間的關(guān)系;對(duì)影響秦嶺紅樺林土壤有機(jī)碳密度的地形因子和林分因子進(jìn)行主成分分析和逐步回歸分析，尋找影響土壤有機(jī)碳密度的主要因子。

2　結(jié)果與分析

2.1秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度分異特征

通過(guò)測(cè)定和計(jì)算，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度(SOCD)總體均值為(69.02±12.90)t/hm2，最大值為104.73 t/hm2，最小值為42.36 t/hm2，變異系數(shù)為17.52%。在不同土層，紅樺林土壤A層有機(jī)碳密度均值為(31.52±6.57)t/hm2，占紅樺林土壤總有機(jī)碳密度的45.67%，B層為(27.18±6.49)t/hm2，占紅樺林土壤總有機(jī)碳密度的39.38%，C層為(10.32±2.65)t/hm2，占紅樺林土壤總有機(jī)碳密度的14.95%;方差分析表明:紅樺林不同土層有機(jī)碳密度間存在顯著差異(P＜0.05)。在不同林區(qū)，紅樺林土壤有機(jī)碳密度差異較大(表2)，順序依次為佛坪觀音山林區(qū)(75.82±12.30)t/hm2，太白黃柏塬林區(qū)(69.63±12.78)t/hm2，寧陜火地塘林區(qū)(67.95± 10.25)t/hm2，寧東旬陽(yáng)壩林區(qū)(58.80±10.29)t/hm2;方差分析結(jié)果表明:秦嶺南坡不同林區(qū)紅樺林土壤有機(jī)碳密度間存在顯著差異(P＜0.05)(表2)。在不同齡級(jí)紅樺林中，原始林土壤有機(jī)碳密度均值為(76.21± 10.83)t/hm2，次生林土壤有機(jī)碳密度均值為(65.24±12.32)t/hm2，原始紅樺林土壤有機(jī)碳密度比次生紅樺林高16.81%;t-檢驗(yàn)結(jié)果表明:原始紅樺林土壤有機(jī)碳密度與次生紅樺林土壤有機(jī)碳密度間存在顯著差異(P＜0.05)(表3)。

表2　不同林區(qū)及不同土層的紅樺林土壤有機(jī)碳密度分異特征Table2　Soil organic carbon density of Betula albo-sinensis forest in different region and laye

表3　原始紅樺林和次生紅樺林土壤有機(jī)碳密度Table3　Soil organic carbon density in virgin forest and secondary forest

2.2影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的因素分析

2.2.1坡向和坡位對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:陰坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度平均值為(70.59±11.91)t/hm2，陽(yáng)坡為(66.90±13.96)t/hm2; t-檢驗(yàn)結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳密度在不同坡向間不存在顯著差異(P＞0.05)(表4)。從不同坡位來(lái)看，紅樺林土壤有機(jī)碳密度在上坡位平均值為(68.02±12.98)t/hm2，中坡位為(69.51±14.51)t/hm2，下坡位為(69.76±10.66)t/hm2;方差分析結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳密度在不同坡位間亦不存在顯著差異(P＞0.05)(表4)，紅樺林土壤有機(jī)碳密度在不同坡向和坡位未表現(xiàn)出差異可能與紅樺林多分布在地形條件較為平緩的地段有關(guān)。

表4　紅樺林土壤有機(jī)碳密度不同坡向和坡位的分異特征Table4　Soil organic carbon density in different slope aspect and slope position

2.2.2海拔和坡度對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響

海拔和坡度的變化會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生明顯影響，在秦嶺南坡紅樺林分布的海拔范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳密度隨海拔升高逐漸增大;簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳密度與海拔存在顯著的正相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.382;紅樺林土壤有機(jī)碳密度與坡度存在顯著負(fù)相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)為－0.184(表5)。偏相關(guān)分析可以消除其他變量的影響，真實(shí)地反映兩個(gè)變量間相關(guān)的性質(zhì)和密切程度［28］，為進(jìn)一步分析紅樺林土壤有機(jī)碳密度與海拔和坡度間的關(guān)系，對(duì)影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的因子進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)表明:在控制其他因子后，海拔和坡度與紅樺林有機(jī)碳密度間相關(guān)性仍然顯著，其偏相關(guān)系數(shù)分別為0.217，－0.349(表5)。

表5　紅樺林土壤有機(jī)碳密度與海拔和坡度的Pearson相關(guān)系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)Table5　Pearson correlation and partial correlation between elevation，gradient and soil organic carbon density

2.2.3林分因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響

林分因子對(duì)森林土壤碳密度亦會(huì)產(chǎn)生顯著影響。紅樺林土壤有機(jī)碳密度隨林齡、喬木生物量、灌木生物量、草本生物量和枯落物量的增加逐漸增大，隨郁閉度和林分密度的增大而逐漸減小;簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳密度與林齡、喬木生物量、草本生物量和枯落物量呈顯著正相關(guān)，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.573，0.374，0.205，0.212;與郁閉度、林分密度呈顯著負(fù)相關(guān)，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為－0.206，－0.571;與灌木生物量間的相關(guān)關(guān)系不顯著(表6)。為進(jìn)一步研究紅樺林土壤有機(jī)碳密度與林分因子間的關(guān)系，對(duì)影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的因子進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果表明:在排除其他因子影響后，紅樺林土壤有機(jī)碳密度與林齡、喬木生物量和草本生物量間仍然呈顯著正相關(guān)，其偏相關(guān)系數(shù)分別為0.300，0.340，0.245;與林分密度呈顯著負(fù)相關(guān)，其偏相關(guān)系數(shù)為－0.346(表6)。

2.3影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度因子的主成分分析

森林生態(tài)系統(tǒng)中的各環(huán)境因子不僅單獨(dú)影響土壤有機(jī)碳密度變化，而且存在交互作用，為降低各因子間

表6　紅樺林土壤有機(jī)碳密度與林分因子的Pearson相關(guān)系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)Table6　Pearson correlation and partial correlation between forest factors and soil organic carbon density

多重共線性的影響，明確各因子的影響程度，對(duì)影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的11個(gè)因子(其中對(duì)坡向和坡位進(jìn)行量化處理，分別以坡向與正北之間的夾角以及坡位距坡頂距離占坡面長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)作為坡向和坡位的值)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后(為消除量綱的影響)做主成分分析，結(jié)果表明:所有主成分中特征值大于1的主成分有4個(gè)，其方差累積貢獻(xiàn)率為85.62%，能反映不同因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度影響效應(yīng)的絕大部分信息，為了更清楚地解釋各變量在各主成分上的載荷意義，對(duì)主成分載荷做方差最大化正交旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后得到主成分在各變量上的載荷(表7)。

表7　地形因子和林分因子主成分載荷矩陣、特征值及貢獻(xiàn)率Table7　The principle component loading matrix，eigenvalue，contribution rate for topographical and forest factors

在第一主成分中海拔和坡度的載荷較高，海拔對(duì)降雨量［29］和氣溫的影響會(huì)影響蒸發(fā)量和土壤溫度［30］，坡度會(huì)影響土壤水分和養(yǎng)分的分配［28］，因此第一主成分可認(rèn)為是土壤水分和養(yǎng)分對(duì)土壤有機(jī)碳影響效應(yīng)的反映;第二主成分中郁閉度和林分密度載荷較高，郁閉度和林分密度通過(guò)影響林下光照對(duì)土壤溫度產(chǎn)生影響，因此可認(rèn)為第二主成分是土壤溫度對(duì)土壤有機(jī)碳影響效應(yīng)的反映;第三主成分中林齡載荷較高，林齡越大，森林土壤有機(jī)碳積累時(shí)間越長(zhǎng)，因此可認(rèn)為第三主成分是碳積累時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)碳影響效應(yīng)的反映，第四主成分中喬木生物量和草本生物量載荷較高，植物殘?bào)w的分解和根系分泌物是土壤碳的主要來(lái)源［31］，因此第四主成分可認(rèn)為是土壤有機(jī)碳來(lái)源對(duì)土壤有機(jī)碳影響效應(yīng)的反映。4個(gè)主成分中第一和第二主成分反映的信息量占總信息量的59.12%，所以可認(rèn)為海拔、坡度、林分密度和郁閉度是影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的主要因子。

2.4影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度因子的逐步回歸

在自然條件下，森林生態(tài)系統(tǒng)中影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的因子發(fā)生著復(fù)雜變化，且交互在一起制約著紅樺林土壤有機(jī)碳密度，僅僅分析其中單個(gè)因子的影響規(guī)律，并不能完全弄清不同因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的控制機(jī)制。因此對(duì)主成分分析得到的影響紅樺林土壤碳密度的主要因子進(jìn)行逐步回歸分析，通過(guò)t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)，得到紅樺林土壤有機(jī)碳密度(SOCD)關(guān)于海拔(E)、坡度(G)、林齡(SA)、林分密度(FD)、喬木生物量(BA)和草本生物量(BH)的6個(gè)回歸模型(表8)，且各模型均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。

表8　紅樺林土壤有機(jī)碳密度影響因子的逐步回歸分析Table8　The stepwise regression analysis for main influencing factors of SOCD

上述研究結(jié)果表明:不同因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響并不完全相同，從回歸方程中各因子的系數(shù)可看出，紅樺林土壤有機(jī)碳密度與林齡、喬木生物量、海拔和草本生物量正相關(guān)，與林分密度和坡度負(fù)相關(guān)，與偏相關(guān)分析的結(jié)果一致。通過(guò)比較各回歸方程的多元相關(guān)系數(shù)，第六個(gè)回歸方程的多元相關(guān)系數(shù)最大，更能準(zhǔn)確反映環(huán)境因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響，方程包含了林齡、林分密度、坡度、喬木生物量、海拔和草本生物量6個(gè)因子，表明紅樺林土壤有機(jī)碳密度是不同因子綜合影響的結(jié)果。

3　討論

秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度總體均值為(69.02±12.90)t/hm2，高于侯琳等［32］估算的秦嶺火地塘油松天然次生林土壤有機(jī)碳密度(60.49 t/hm2)。在自然條件下，特定氣候區(qū)域內(nèi)的植被類型決定著歸還土壤的凋落物和根系分泌物的數(shù)量和質(zhì)量及腐殖質(zhì)的形成與分解活躍機(jī)制，植被類型的差異會(huì)導(dǎo)致土壤剖面有機(jī)碳分布格局的差異［33-34］，秦嶺南坡紅樺林森林類型與油松林的差異是導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳碳密度產(chǎn)生差異的主要原因。秦嶺南坡原始紅樺林的土壤有機(jī)碳密度顯著高于次生紅樺林，與齊光等對(duì)大興安嶺興安落葉松林的研究結(jié)果一致［29］，說(shuō)明秦嶺南坡次生紅樺林土壤碳儲(chǔ)能力還有巨大的潛力可挖，可采取科學(xué)合理的森林經(jīng)營(yíng)措施，促進(jìn)其演替進(jìn)程，進(jìn)一步增強(qiáng)其土壤的碳儲(chǔ)能力。

研究表明，陸地土壤有機(jī)碳密度一般隨降水量增加而增加，在降水量相同的條件下，溫度越高土壤有機(jī)碳含量越低，溫度和降水的綜合作用決定了陸地土壤碳含量分布的地理地帶性特征［30，35］，根據(jù)董立民［35］等對(duì)秦嶺林區(qū)年降水量隨海拔的變化規(guī)律的研究，秦嶺南坡紅樺林分布的海拔區(qū)間年降雨量基本無(wú)顯著差異，因此溫度成為影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的主要因素。而黃湘等對(duì)塔里木河檉柳群落土壤碳通量的研究發(fā)現(xiàn)，較高的氣溫造就較高的土壤溫度會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量，加快土壤養(yǎng)分礦化，從而導(dǎo)致土壤貧瘠化，而隨海拔升高氣溫降低，土壤溫度也隨之降低，有利于土壤有機(jī)碳的積累［36］。杜有新等對(duì)廬山森林土壤有機(jī)碳的研究亦表明隨海拔升高土壤有機(jī)碳逐漸增加［31］。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度與海拔呈顯著正相關(guān)，反映了海拔通過(guò)影響林內(nèi)溫度而對(duì)土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生的影響。侯琳等［32］對(duì)火地塘油松林土壤碳的研究發(fā)現(xiàn)，坡度平緩地區(qū)土層較厚，灌草種類比較豐富，有利于水肥蓄積，而坡度較陡的地區(qū)土層薄而貧瘠，林下植被以灌木為主，灌草種類豐富度低，土壤有機(jī)碳密度較低，這也是秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度與坡度間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性的主要原因。

森林土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于植物、動(dòng)物、微生物殘?bào)w和根系分泌物，并處于不斷分解與形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此森林土壤有機(jī)碳是森林生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動(dòng)態(tài)平衡值［37-39］。不同的植被和氣候條件下，森林土壤有機(jī)碳的積累量也會(huì)存在很大差異［40］。森林土壤表層的動(dòng)植物殘?bào)w分解和根系分泌物量是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源，喬木、灌木和草本的生物量主要影響根系分泌物量，而郁閉度和林分密度通過(guò)影響林下光照，控制著動(dòng)植物殘?bào)w的分解，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度與喬木生物量和草本生物量呈顯著正相關(guān)，與郁閉度、林分密度呈顯著負(fù)相關(guān)，在一定程度上體現(xiàn)了上述研究結(jié)論。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度與林齡呈顯著正相關(guān)，其主要原因是隨林齡增大，植被通過(guò)根系向土壤輸入的有機(jī)碳積累量增多，劉恩等［41］對(duì)南亞熱帶不同林齡紅錐人工林土壤碳儲(chǔ)量的研究得出基本一致的結(jié)論。偏相關(guān)分析結(jié)果表明:在排除其他因子的影響后，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度與海拔、林齡、喬木生物量和草本生物量呈顯著正相關(guān)，與坡度和林分密度呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他因子間的相關(guān)關(guān)系不顯著，其原因可能是影響秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度的各因子間存在相關(guān)關(guān)系，其他因子對(duì)土壤碳密度的影響主要通過(guò)這幾個(gè)因子來(lái)體現(xiàn)。

4　結(jié)論

通過(guò)估算秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度，分析地形因子和林分因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳密度的影響，主要得出以下結(jié)論:

秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度為(69.02±12.90)t/hm2，原始紅樺林土壤有機(jī)碳密度((76.21±10.83)t/ hm2)高出次生紅樺林((65.24±12.32)t/hm2)16.81%，表明次生紅樺林土壤的碳儲(chǔ)能力還可以進(jìn)一步提高。

秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度與海拔、林齡、喬木生物量和草本生物量呈顯著正相關(guān)，與坡度和林分密度呈顯著負(fù)相關(guān);在影響紅樺林土壤碳密度的地形因子和林分因子中海拔、坡度、林分密度和郁閉度是影響紅樺林土壤有機(jī)碳密度的主要因子;紅樺林土壤有機(jī)碳密度與其主要影響因子間的關(guān)系可以用回歸方程: SOCD=0.015E－0.332G－0.026FD+0.304SA+0.105BA+21.673BH+36.358

表達(dá)，該方程可作為估算秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳密度的參考模型。

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Factors affecting soil organic carbon density in Betula albo-sinensis forests on the southern slope of the Qinling Mountains

TANG Penghui，DANG Kunliang*，WANG Lianhe，MA Jun
College of Forestry，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China

Abstract:Soil organic carbon，the main part of the terrestrial ecosystem carbon pool，is an essential component of the terrestrial carbon cycle，and one of the most important components of research on global change.Accurate estimation of soil organic carbon storage is important for determining the role that soil organic carbon plays in the terrestrial ecosystem carbon cycle，and thus in changes in the global environment.Forest soil organic carbon storage changes according to topography and forest conditions;therefore，research on forest organic carbon in a variety of such conditions is essential to determine the relationship between soil organic carbon storage，and factors related to topography and forest conditions.Betula albo-sinensis forest is one of the principal forest types in the Qinling Mountains.This study aimed to analyze the distribution patterns of soil organic carbon density(SOCD)，and to reveal the relationship between soil organic carbon density and factors influencing Betula albo-sinensis forest on the southern slopes of the Qinling Mountains.We investigated topographical，stand，and soil factors of 122 plots，each of which was 20×30 m.Inventory data(i.e.，elevation，gradient，slope position，slope aspect，canopy density，plant cover，biomass，mean height，and mean diameter at breast height)of Betula albosinensis individuals in each plot were measured and recorded.Soil samples were tested for SOCD，moisture density，and bulk density.Results indicated that the average SOCD was(69.02±12.90)t/hm2.In virgin forest，the average SOCD wasbook=1031,ebook=143(76.21±10.83)t/hm2，in secondary forest，(65.24±12.32)t/hm2.The difference in average SOCD between them was significant.The average SOCD decreased with soil depth increasing，and the average SOCD for soil layers A-C was(31.52± 6.57)，(27.18±6.49)，and(10.32±2.65)t/hm2，respectively.The average SOCD(t/hm2)differed by forest region (Xunyangba=(58.80±10.29)，Huoditang=(67.95±10.25)，Huangbaiyuan=(69.63±12.78)，and Guanyinshan= (75.82±12.30)).One-way ANOVA analysis showed that differences in average SOCD were significant for the four forest regions and soil layers，but not significant for slope positions.Differences in SOCD between shady and sunny slopes were insignificant，based on t-tests.Correlation analysis showed that SOCD was positively correlated with elevation，stand age，arbor biomass，and herb biomass，but negatively correlated with surface gradient and forest density.Principal component analysis showed that elevation and gradient were the first principal components affecting SOCD.Canopy density and forest density were the second principal components，stand age the third，and arbor biomass and herb biomass the fourth.These four principal components accounted for 85.62%of the variance of SOCD.Stepwise regression analysis showed that the effect of different factors on soil organic carbon density was unclear.However，stand age，elevation，gradient，arbor biomass，and herb biomass were the predominant factors affecting SOCD.

Key Words:south slope of Qinling Mountains;Betula albo-sinensis forest;soil organic carbon density;topographical factors;forest factors

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:dangkl@126.com

收稿日期:2014-06-27;網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-07-09

基金項(xiàng)目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201204502)

DOI:10.5846/stxb201406271326