海拔影響毛竹林土壤有機碳組成的研究

林振清

(福建省建甌市林業(yè)局，建甌 353100)

海拔影響毛竹林土壤有機碳組成的研究

林振清

(福建省建甌市林業(yè)局，建甌 353100)

地理海拔是毛竹(Phyllostachyheterocyclacv.pubescens)生態(tài)系統(tǒng)重要的環(huán)境影響因素，同時影響著竹林土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)及碳循環(huán)。研究采集了建甌市3處高中低不同海拔的毛竹林土壤樣品，利用化學分級，將土壤有機碳組成分為松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)及緊結(jié)合態(tài)，旨在了解海拔高度對竹林土壤有機碳循環(huán)的影響。結(jié)果表明，隨海拔高度增加，毛竹林土壤碳儲量隨之增加，高海拔竹林土壤碳儲量比對低海拔增加了50.6%(0～60 cm)。土壤中松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)及緊結(jié)合態(tài)有機碳組份含量以高海拔為高，但隨土壤剖面深度增加逐漸降低。然而，不同結(jié)合態(tài)有機碳占全碳的百分比則與海拔高度無關(guān)，松結(jié)合態(tài)及穩(wěn)結(jié)合態(tài)有機碳比率則隨土壤深度增加而增加。由此說明，海拔高度影響著有機碳的含量，土壤則影響著有機碳的儲存形態(tài)。

毛竹林；碳儲量；海拔高度；有機碳組成

土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)是地球表層最重要的碳庫(1 550 Pg C)，約二倍于大氣中的碳量(760 Pg C)[1]。因而，土壤碳庫的任何變化均會對大氣CO2濃度產(chǎn)生影響。據(jù)估算，森林生態(tài)系統(tǒng)中碳庫(787 Pg C)占到地球陸地碳量2/3[2]，所以，增加森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫是降低大氣CO2濃度、緩解溫室效應(yīng)的重要措施。與天然林相比，由于人為定向管理，人工林具有更高固碳增匯潛力[3-4]，從而使之成為重要的應(yīng)對方法。在我國，竹林是重要的人工林之一，因其具有生長快速及采伐利用周期短的特點，在人工林的固碳增匯中可能起著更為重要的作用[5-6]。我國是世界上第一大竹產(chǎn)國，擁有竹林面積500多萬hm2，大型散生的毛竹林(Phyllostachyheterocyclacv.pubescens)占70%左右，面積超過300萬hm2[7]。盡管全球的森林面積在下降，而我國竹林面積則每年以3%左右速度在增加[6]，因此，竹林固碳的潛力也在被不斷放大。由于竹林在固碳增匯中所起的重要作用，對毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳增匯的潛力有著不少的研究[5-6,8-10]。然而，由于毛竹生長環(huán)境的差異，毛竹生物量及土壤固碳潛力均存在較大的變異，因此，有關(guān)毛竹生長環(huán)境與固碳潛力之間的關(guān)系還有待深入研究。海拔是主導(dǎo)竹林立地環(huán)境溫度與水分的重要因素，對毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳增匯有著必然的影響，但相關(guān)研究還很少涉及。因此，本文選擇福建省建甌市3個海拔高度的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)，比較分析海拔對毛竹林土壤有機碳及組成的影響，以期為有效評價我國毛竹林生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯潛力及地方規(guī)劃決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

采樣地為福建省北部的建甌市，是我國南方重點林區(qū)，有“筍都竹鄉(xiāng)”與“綠色金庫”之稱。建甌市森林覆蓋率為77.8%，有毛竹林面積8.63×104hm2，其面積和立竹量均居全國縣市首位。竹業(yè)經(jīng)濟已經(jīng)成為建甌市的地方支柱產(chǎn)業(yè)，也是當?shù)氐闹攸c培育方向。建甌市地位于東經(jīng)117°58′～118°57′、北緯26°38′～27°20′之間，屬典型的亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)。當?shù)啬昶骄鶜鉁貫?9.3 ℃，降雨量為1 600～1 800 mm，日照1 612 h，無霜期286 d。該市為我國南方典型的丘陵山區(qū)，靠近武夷山脈，氣候環(huán)境非常適合于毛竹生長。當?shù)孛裆L的主要海拔范圍為200～1 200 m之間。

1.2 取樣方法

本次研究調(diào)查采樣時間為2015年4月。根據(jù)毛竹林的海拔分布范圍，本研究選擇了福建省建甌市3個典型海拔高度的毛竹林，即低海拔199 m、中海拔447 m和高海拔761 m。在每個所選擇的海拔高度中，分別隨機選擇3個代表性毛竹純林為研究樣點，并考慮具有相近背景，包括經(jīng)營的環(huán)境與管理方法；在每個研究樣地再隨機選擇3個研究樣方，樣方面積為10 m×10 m；在每個樣方中，土壤取樣利用分層采樣法，土壤層次按0～10、10～20、20～40及40～60 cm共4層劃分，同時利用環(huán)刀法進行土壤容重取樣。

1.3 樣品分析

土壤容重采用環(huán)刀法；本研究將土壤有機碳劃分為：松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)及緊結(jié)合態(tài)，劃分方法采用熊毅-傅積平改進法測定[11]，即用0.1 mol·L-1NaOH及0.1 mol·L-1NaOH+0.1 mol·L-1Na4P2O7混合液分別連續(xù)提取松結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)有機碳，殘留態(tài)有機碳為緊結(jié)態(tài)有機碳。有機碳采用元素分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計用SPSS進行分析，并采用AVONVA進行顯著性差異的檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔毛竹林土壤有機碳的組份

由表1可見，毛竹林土壤的總有機碳含量隨海拔高度增加而增加，在低海拔時的19.04 g·kg-1增加到高海拔時的34.37 g·kg-1(0～10 cm土壤)。在本研究的海拔范圍內(nèi)，土壤碳儲量是隨海拔高度的增加而增加。陳雙林等[12]結(jié)果表明，在武夷山的高海拔(700～780 m)毛竹林土壤中有機質(zhì)要顯著高于低海拔(90～120 m)。吳建國[13]研究表明隨著海拔升高，土壤有機碳周轉(zhuǎn)周期變長，即高海拔地區(qū)土壤碳殘留期較長，因而使得土壤中會積累更多的有機質(zhì)。同時，松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)及緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量也均隨海拔高度增加而增加，低海拔下土壤松結(jié)合態(tài)有機碳含量為5.65 g·kg-1，高海拔時為8.96 g·kg-1。從中也可以看出，不同結(jié)合形態(tài)的有機碳含量是與總有機碳量相關(guān)，兩者成正比關(guān)系。由表2結(jié)果來看，不同結(jié)合態(tài)有機碳百分比(單一組份與總組含量的百分比)與海拔沒有相關(guān)性，其中松結(jié)合態(tài)為42.8%～47.0%，穩(wěn)結(jié)合態(tài)為5.21%～6.75%，緊結(jié)合態(tài)為47.7%～51.9%，這就是說海拔高度對毛竹林土壤中有機碳結(jié)合形態(tài)沒有顯著影響。

表1 不同海拔高度毛竹林土壤有機碳組成含量

表2 不同海拔高度毛竹林土壤有機碳組成百分比

2.2 不同深度毛竹林土壤有機碳的組份

圖1表示了不同結(jié)合態(tài)有機碳在土壤剖面中的含量分布情況。從中可以看出，3種形態(tài)有機碳均隨土壤剖面深度的增加而下降，松結(jié)合態(tài)由7.74 g kg-1下降4.54 g·kg-1，穩(wěn)結(jié)合態(tài)由0.79 g·kg-1下降0.56 g·kg-1，緊結(jié)合態(tài)由10.87 g·kg-1下降4.62 g·kg-1。這與有機碳全量在土壤剖面中的分布有相同的規(guī)律。然而，不同形態(tài)的有機碳百分比在剖面中卻有完全不同的規(guī)律(圖2)，其中松結(jié)合態(tài)與穩(wěn)結(jié)合態(tài)有機碳隨剖面深度的增加而增加，而緊結(jié)合態(tài)則是隨剖面深度的增加在減少。由此說明，有機碳組份結(jié)構(gòu)在土壤中的分布與土壤性質(zhì)相關(guān)，而與海拔高度無關(guān)。

圖1 不同結(jié)合態(tài)有機碳在土壤剖面中的含量分布Fig.1 The distribution of the organic carbon with different binding states at various soil depth

圖2 不同結(jié)合態(tài)有機碳在土壤剖面中的比率分布Fig.2 The proportion of the organic carbon with different binding states at various soil depth

3 討 論

已有較多的研究結(jié)果表明，土壤中有機碳含量隨海拔高度增加而增加[14-15]，本研究也給出了相似的結(jié)果。土壤碳庫的增加可能是由于毛竹生物量隨海拔高度增加而增加，同時，隨海拔高度的增加，溫度降低，凋落物分解減少。這種解釋在其它研究中可以得到印證[16]。

土壤有機質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成可以反映其在一定環(huán)境條件下的保存與轉(zhuǎn)化，主要與土壤性質(zhì)相關(guān)。本研究結(jié)果表明，海拔高度在一定范圍內(nèi)并不會影響到土壤有機質(zhì)組成，這也主要與在此研究范圍內(nèi)土壤性質(zhì)相似有關(guān)。相反，在土壤剖面分布結(jié)果來看，土壤性質(zhì)隨深度增加存在較大的變化，這種變化也影響到了有機碳的組成。松結(jié)合態(tài)與穩(wěn)結(jié)合態(tài)有機碳隨土壤剖面深度的增加而增加(圖2)，表明這部分有機碳與其在剖面的移動性密切相關(guān)。因此，本研究結(jié)果說明毛竹林土壤有機碳隨海拔高度增加而增加，但對有機碳組成影響很小，而土壤性質(zhì)則對有機碳組成有著重要影響。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，毛竹林土壤碳儲量隨海拔高度增加而增加。土壤中松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)及緊結(jié)合態(tài)有機碳以高海拔為高，但隨土壤剖面深度增加逐漸降低。然而，不同結(jié)合態(tài)有機碳占全碳的比率與海拔高度無關(guān)，松結(jié)合態(tài)及穩(wěn)結(jié)合態(tài)有機碳比率則隨土壤深度增加而增加。說明，海拔高度影響著有機碳的儲量，土壤則影響著有機碳的儲存形態(tài)。

[1] 周萍.南方典型稻田土壤有機碳固定機制研究[D].博士學位論文,南京農(nóng)業(yè)大學,2009.

[2] 吳明.中北亞熱帶3種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積特征及土壤有機碳穩(wěn)定性研究[D].博士學位論文,南京農(nóng)業(yè)大學,2009.

[3] 王紹強,周成虎.中國陸地土壤有機碳庫的估算[J].地理研究,1999,18(4):349-356.

[4] 方晰,田大倫,項文化.速生階段杉木人工林碳素密度、貯量和分布[J].林業(yè)科學,2002,38(3):14-19.

[5] 陳先剛,張一平,張小全,等.過去50年中國竹林碳儲量變化[J].生態(tài)學報,2008,28(11):5 218-5 227.

[6] 王兵,魏文俊,邢兆凱,等.中國竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(4):1 680-1 684.

[7] 江澤慧.世界竹藤[M].沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社,2002.

[8] 周國模,姜培坤.毛竹林的碳密度和碳貯量及其空間分布[J].林業(yè)科學,2004,40(6):20-24.

[9] 漆良華,劉廣路,范少輝,等.同撫育措施對閩西毛竹林碳密度、碳貯量與碳格局的影響[J].生態(tài)學雜志,2009,28(8):1 482-1 488.

[10] 周國模,姜培坤,徐秋芳.竹林生態(tài)系統(tǒng)中碳的固定與轉(zhuǎn)化[M].北京:科學出版社,2010：92-93.

[11] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,1999：146-226.

[12] 陳雙林,郭子武,楊清平.毛竹林土壤酶活性變化的海拔效應(yīng)[J].生態(tài)學雜志,2010,29(3):529-533.

[13] 吳建國.土壤有機碳和氮分解對溫度變化的響應(yīng)趨勢與研究方法[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2007,18(12):2 896-2 904.

[14] 盧慧,叢靜,薛亞東,等.海拔對神農(nóng)架表層土壤活性有機碳含量的影響[J].林業(yè)科學,2014,8(50):162-167.

[15] 武小鋼,郭晉平,田旭平,等.蘆芽山土壤有機碳和全氮沿海拔梯度變化規(guī)律[J].生態(tài)環(huán)境學報,2014,23(1):50-57.

[16] 孫慧蘭,李衛(wèi)紅,楊余輝,等.伊犁山地不同海拔土壤有機碳的分布[J].地理科學,2012,5(32):603-608.

Effects of Elevation on Soil Organic Matter Composition inPhyllostachyheterocyclacv.pubescensForests

LIN Zhen-qin

(Forestry Bureau of Jian-ou City, Jian-ou 353100, Fujiang, China)

Elevation is one of the most important environmental factors influencing plant growth and soil organic carbon turnover. Soil samples in high, mid and low elevation stands ofPhyllostachyheterocyclacv.pubescenswere collected from Jian-ou City, Fujian Province, China. Using the chemical fractionation method, the soil organic carbons were classified as loose, stable and close combined components. The results showed that the soil organic carbon storage increased with the elevation, and it was 50.6% higher at the highest site than that at the lowest site. The loose, stable and close combined carbon contents increased with increasing elevation, but decreased with soil depth. However, the ratios of various combined carbon to total carbon showed unrelated to elevation, but increased with soil depth. Thus, the elevation influenced greatly the soil organic matter content of the bamboo forests, while the soil properties determined the soil organic matter composition.

Elevation; Soil Composition;Phyllostachyheterocyclacv.pubescens; Soil organic matter

2015-08-21

林振清(1963-)，男，高級工程師，長期從事竹業(yè)管理及研究。