長白山西部不同林型土壤有機(jī)碳和全氮的分布特征

宋彥彥，張 言，趙忠林，管清成*，李英愛，徐麗娜

(1.吉林松江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，吉林 長春 130022；2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130022)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，土壤圈是地球表面最大的碳庫，總碳儲(chǔ)量(TC)約為2 300 Pg(1 m土體)[1]。植物的生長發(fā)育主要營養(yǎng)源是土壤中的有機(jī)碳和氮素，因此，這2項(xiàng)指標(biāo)不僅是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)重要參考指標(biāo)之一，而且是土地可持續(xù)利用管理的主要理論依據(jù)[2]。碳氮比值影響著土壤中有機(jī)碳和氮的循環(huán)，常被看作土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)[3-4]。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫，W.H.Schlesinge[5]指出以有機(jī)碳儲(chǔ)存于土壤中約有1 400～1 500 Gt，是全球陸地植被碳庫的2～3倍，R.K.Dixon[6]通過總結(jié)大量文獻(xiàn)得到森林土壤碳庫約占全球陸地土壤有機(jī)碳庫的73%。不同生境條件下林分類型不同其樹種的異質(zhì)性明顯，從而影響著生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和全氮含量及碳匯等功能[7-8]。目前，關(guān)于土壤有機(jī)碳及碳匯方面研究比較多[9-14]，這些文獻(xiàn)結(jié)果表明土壤有機(jī)碳無論是在全國尺度還是省域尺度上均存在較高的空間異質(zhì)性，這對(duì)于我國土壤碳庫的精確估算帶來較大的不確定性，因此，對(duì)于不同地區(qū)的土壤有機(jī)碳和全氮及碳氮密度的分布特征研究具有較大的意義。

東北林區(qū)是中國的主要林區(qū)，森林面積占全國森林總面積的31.4%，在我國碳匯計(jì)量和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中起著舉足輕重的作用[15]。本研究以長白山西部闊葉混交天然林、針闊混交天然林、落葉松人工林3種森林類型為研究對(duì)象，采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，分析了長白山林區(qū)3種典型林分類型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳氮比、碳密度和氮密度的分布特征，旨在為該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能的評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究點(diǎn)設(shè)在吉林省白石山林業(yè)局，位于蛟河市境內(nèi)張廣才嶺南端，地理位置為127°20′-128°01′E，43°17′-43°51′N。屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔500～700 m,年平均氣溫3.3℃，最熱月(7月)平均氣溫2℃，最冷月(1月)平均氣溫-19℃。年平均降水量720 mm，6-8月降水占全年降水的60%以上，全年無霜期120～135 d。本區(qū)土壤以森林暗棕壤為主，平均土層厚度20～100 cm，植物屬長白植物區(qū)系，以北溫帶植物成分為主，植物種類多樣，分布復(fù)雜。地帶性植被為紅松闊葉混交林，植被類型主要有森林、灌叢和草甸。森林群落內(nèi)垂直成層現(xiàn)象明顯，喬木樹種主要包括紅松(Pinuskoraiensis)、色木槭(Acermono)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、云杉(Piceaasperata)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、落葉松(Larixgmelinii)、紫椴(Tiliaamurensis)、大青楊(Populusussuriensis)、裂葉榆(Ulmuslaciniata)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)等。灌木主要包括暴馬丁香(Syringareticulata)、東北鼠李(Rhamnusdavurica)、簇毛槭(A.barbinerve)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymuspauciflorus)、毛榛子(Corylusmandshurica)、金銀忍冬(Loniceramaackii)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選取白石山林業(yè)局具有代表性的天然闊葉混交林、天然針闊混交林及人工落葉松林3種典型的林地土壤，根據(jù)白石山森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查，天然闊葉混交林占全區(qū)林分的40%，在天然闊葉混交林設(shè)置具有代表性的5塊20 m×20 m樣地，其他2個(gè)林型設(shè)置3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共獲樣地11塊(表1)。

2.2 樣品采集和處理

在標(biāo)準(zhǔn)樣地邊界隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面，除去地表凋落物后進(jìn)行采樣，以10 cm為一層采樣。剖面取土(層次：0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm)，闊葉混交天然林取樣到70 cm，采集樣品數(shù)101，針闊混交天然林取樣到60 cm，采集樣品數(shù)52，落葉松人工林取樣到50 cm，采集樣品數(shù)51，本次試驗(yàn)采集樣品數(shù)共204。用土壤環(huán)刀(100 cm3)在各層取原狀土樣測(cè)定土壤容重，同時(shí)取500 g左右土樣裝入樣品袋，記錄編號(hào)，用于土壤有機(jī)碳和全氮的測(cè)定。將采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，仔細(xì)去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，于陰涼處自然風(fēng)干后用四分法過0.25 mm篩，編號(hào)待測(cè)。凱氏定氮法測(cè)定全氮，重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳[16]。

表1 樣地的立地狀況Table 1 Site conditions of the sample plots

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳(氮)密度的計(jì)算公式為[17-18]:

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100

(1)

式中：Ci為土壤有機(jī)碳(全氮)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)，Di為容重(g·cm-3)，Ei為土壤層厚度(10 cm)，Gi為直徑>2 mm的石礫所占的體積百分比(%)，SOCi為土壤有機(jī)碳(氮)密度(kg·m-2)。

如果土壤剖面有k層組成，該剖面的土壤有機(jī)碳(氮)密度為k層之和(SOCD，kg·m-2)：

(2)

采用單因素方差分析研究比較3種林型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直分布特征的差異，差異顯著的指標(biāo)進(jìn)行多重比較(應(yīng)用SPSS18.0和Excel2007)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮比及碳密度、氮密度

從表2看出，3種林型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳密度差異顯著，闊葉混交天然林顯著>落葉松人工林(P<0.05)，而針闊混交天然林與其他2種林型差異不顯著(P>0.05)。3種林分類型大小變化規(guī)律一致為闊葉混交天然林>針闊混交天然林>落葉松人工林，碳密度變化范圍在16.28～27.64 kg·m-2。3種林分類型土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮密度差異不顯著(P>0.05)，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍在4.80～5.62 g·kg-1，氮密度變化范圍在4.44～5.79 kg·m-2。闊葉混交天然林C/N值為4.77，針闊混交天然林C/N值為4.07，落葉松人工林C/N值為3.14。

3.2 不同林型各土層土壤容重、有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮比及垂直分布特征

從表3可以看出，不同林型土壤容重在垂直分布特征一致，隨著層次加深，土壤容重總體呈遞增趨勢(shì)，但50 cm以后土壤容重逐漸趨于平穩(wěn)，差異不顯著。其中闊葉混交天然林表層土壤容重(僅為0.96 g·kg-1)較低，可能與其有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(100.09 g·kg-1)有關(guān)。對(duì)不同林型同一土層的土壤容重進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，20～30 cm和30～40 cm土層均值之間存在顯著差異(P<0.05)，其他土層差異不顯著。

表2 不同林型土壤有機(jī)碳、全氮、C/N及碳密度和氮密度Table 2 Soil organic carbon,total nitrogen,C/N,carbon density and nitrogen density in different forest types

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

不同林型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)剖面分布規(guī)律一致，隨土壤深度增加而降低，與土壤容重垂直變化相反。各個(gè)林型0～10 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他各層，變化范圍為59.78～100.09 g·kg-1，占土壤剖面的31%～58%，土壤有機(jī)碳向表層富集，表聚現(xiàn)象明顯，這與王棣[19]等、耿增超[20]等的研究結(jié)果一致。對(duì)不同林分類型同一土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，在0～10、10～20、20～30、50～60 cm土層中，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值之間存在顯著差異，表現(xiàn)為闊葉混交天然林最大，針闊混交天然林其次，落葉松人工林最小。全氮垂直分布與土壤有機(jī)碳相似，各個(gè)林型表土層(0～10 cm)最大，變化范圍為8.14～12.49 g·kg-1，占土壤剖面的28%～39%，由此可知土壤全氮的表聚現(xiàn)象相對(duì)土壤有機(jī)碳較差。對(duì)不同林分類型同一土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，10～20 cm土層差異顯著，闊葉混交天然林最大，均值10.59±1.12 g·kg-1，針闊混交天然林最小，均值5.70±0.60 g·kg-1。

3種林型碳氮比值在各個(gè)土層均無顯著差異，整體上看，隨著土壤剖面深度的增加有不斷減小的變化規(guī)律，到50 cm又出現(xiàn)升高，各個(gè)林型的變化規(guī)律都不相同。相同的是0～10 cm土層C/N值最大，變化范圍為7.50～8.48。

3.3 土壤有機(jī)碳密度和氮密度的垂直分布特征

根據(jù)公式(1)可以算出每層土壤有機(jī)碳(氮)密度，從圖1可以看出3種林分類型的碳密度變化趨勢(shì)相同，都隨著土層深度的增加而降低，其中，0～10 cm土層的碳密度最大，變化范圍8.39～9.87 kg·m-2。3種林型之間的土壤有機(jī)碳密度在10～20 cm和50～60 cm土層存在著顯著差異(P<0.05)，其中10～20 cm土層闊葉混交天然林顯著>其他2種林分類型，為7.12 kg·m-2；50～60 cm土層落葉松人工林顯著<其他2種林分類型，為0.54 kg·m-2。3種林型之間的土壤總氮密度差異均不顯著，闊葉混交天然林底層70～80 cm氮密度最小，為0.16 kg·m-2，針闊混交天然林表層0～10 cm土層氮密度最大，為1.32 kg·m-2。土壤氮密度的垂直規(guī)律跟碳密度的類似，但比碳密度的變化規(guī)律較差。

表3 不同林型各土層土壤容重、有機(jī)碳和全氮及C/N垂直分布特征Table 3 Vertical distribution characteristics of soil bulk density,organic carbon and total nitrogen,C/N in different forest types

注：同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)

圖1 不同林型土壤有機(jī)碳密度和氮密度的垂直分布特征Fig.1 Vertical variation characteristics of soil carbon and nitrogen density in different forest types

4 結(jié)論與討論

森林土壤受地形、氣候等成土因素和人為干擾活動(dòng)的影響，具有較強(qiáng)的空間變異性，它的形成和演化過程是一個(gè)十分復(fù)雜的自然綜合體[21]。從土壤剖面垂直分布來看，3種林分林型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征一致，表現(xiàn)為隨土層深度增加而減小，而與土壤容重總體呈遞增趨勢(shì)。3種林分類型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在剖面中具有明顯的層次性，其各個(gè)林型的0～10 cm土層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著>其他各層，說明了土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直遷移主要是在成土作用下具有向表層富集效應(yīng)?？梢?，表層土的有機(jī)碳和全氮更容易受林分類型、氣候環(huán)境、凋落物現(xiàn)存量及分解程度等因素的干擾[22]。土壤有機(jī)碳含量尚不能真實(shí)反映土壤碳庫水平，國際上常采用碳密度為指標(biāo)對(duì)森林碳庫貯量進(jìn)行比較[23-24]。目前大部分文獻(xiàn)[25-27,11,19]表明土壤碳密度隨著土壤深度的增加逐漸減小，且表土層有機(jī)碳密度最大，這與本研究土壤有機(jī)碳(氮)密度的變化趨勢(shì)一致。 這可能由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)主要作用于地表，且隨土壤深度的增加而減弱所致，因而表層土壤的碳密度最大。3種林型0～20 cm土壤有機(jī)碳密度在11.83～16.64 kg·m-2，大大高于我國森林土壤 0～20 cm土壤平均碳密度 4.24 kg·m-2[28]，主要因?yàn)殚L白山林區(qū)森林植被樹種組成豐富多樣，地下根系發(fā)達(dá)茂密及凋落物現(xiàn)存量充足且分解轉(zhuǎn)化程度快速等因素所致。

從全土分布來看，闊葉混交天然林各項(xiàng)指標(biāo)值最大，說明闊葉混交林土壤養(yǎng)分豐富能提高森林土壤的碳匯功能。落葉松人工林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯<其他2個(gè)林分林型，可能是由于落葉松林樹種的生長特性有關(guān)，凋落物對(duì)有機(jī)碳的補(bǔ)給<其余林分，同時(shí)強(qiáng)烈的人為干擾嚴(yán)重破壞了土壤碳儲(chǔ)存和循環(huán)，導(dǎo)致其有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。土壤碳氮比(C/N)是衡量土壤營養(yǎng)平衡狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，影響有機(jī)質(zhì)礦化分解的速度[19]，了解C/N的空間異質(zhì)性，有助于全面闡述森林土壤質(zhì)量變化的特點(diǎn)[29]，3種林分類型C/N值在3.14～4.77，與長白山林區(qū)其他文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比，C/N值較小，表明該地區(qū)土壤腐殖化程度較高，氮素的礦化能力較強(qiáng)。以往森林經(jīng)營主要關(guān)注地上生產(chǎn)力和蓄積量，而在森林碳匯經(jīng)營中土壤發(fā)揮著重要作用。本研究結(jié)果表明長白山林區(qū)3種典型森林中闊葉混交天然林土壤C、N儲(chǔ)量最大，可為該地區(qū)碳匯經(jīng)營提供部分理論依據(jù)。

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