伏牛山區(qū)陶灣流域森林土壤有機碳的深度分布格局研究

張 寵，田耀武，劉誼鋒

(河南科技大學林學院，河南 洛陽 471003)

森林土壤有機碳(SOC)庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中最重要的儲存庫之一[1-2]。SOC動態(tài)影響陸地生物圈生態(tài)過程、溫室氣體成分以及氣候變化速率等[3-4]。一般認為，土地利用方式影響SOC儲量及深度分布模式，SOC密度值表層最高，隨深度增加，呈指數(shù)函數(shù)形式迅速下降[2,5]。了解和調(diào)控SOC深度分布模式對正確認識陸地生物圈至關(guān)重要[6]，SOC儲量及深度分布模式影響植被生產(chǎn)力并受植被生產(chǎn)力的影響。碳的放射性同位素研究表明，隨深度的增加碳的周轉(zhuǎn)期和穩(wěn)定性均增加[7]，F(xiàn)ontaine 等[8]認為SOC的深度分布格局影響其穩(wěn)定性，影響土壤呼吸作用的強弱。研究或估算SOC儲量時，一般考慮0～30 m、0～100 cm層的SOC，較少考慮更深層SOC的儲量。為此，本研究的目的是：建立伏牛山區(qū)條件下栓皮櫟林、油松林、混交林及灌木林等主要林型土壤SOC深度分布模型；用構(gòu)建的模型估算更深層次SOC的變化規(guī)律，得到用0～100 cm深度表述SOC儲量的估算偏差。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陶灣流域位于河南省西部伏牛山區(qū)、東經(jīng)111°20′0″～111°35′55″，北緯33°43′0″～33°55′0″，伊河源頭流域，包括河南省欒川縣陶灣鎮(zhèn)、石廟鄉(xiāng)和欒川鄉(xiāng)的西半部。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候，年日照2 103 h，無霜期198 d，年均降水量872.6 mm。流域面積為329.9 km2。流域土壤類型主要為棕壤性土。土地利用分為林地、灌木地、草地、果園和農(nóng)地等。研究區(qū)林地海拔較高，優(yōu)勢樹種為栓皮櫟，灌木地優(yōu)勢種為胡枝子和蕨類植物，草地優(yōu)勢種為芒草、野菊花等。

1.2 試驗設計

2017年，考慮植被類型、土壤質(zhì)地，海拔等環(huán)境因子，在陶灣流域選取設計栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林等4種植被類型的165個土壤采樣點。每個樣點用Φ10 cm土鉆以20 cm深度間隔取樣，樣深至母巖層。每段土樣取300 g左右。土樣自然風干，除去草根、大石礫等雜質(zhì)，過2 mm鋼篩，磨細。取樣同時，另用100 cm3環(huán)刀取樣，稱量，105 ℃烘至恒重，計算土壤含水率和土壤容重。測定土壤pH值、土壤機械組成。SOC含量采取重鉻酸鉀氧化—分光光度法測定[9-10]。不同深度層土壤有機碳密度計算公式為[11]：

(1)

式中：SOCDk為第k層SOC密度(kg·m-2)；k為土壤層次；Ck為第k層SOC含量(g·kg-1)；Dk為第k層土壤密度(g·cm-3)；Ek為第k層土壤厚度(cm)；Gk為第k層土層中直徑>2 mm石礫所占體積百分比(%)。

1.3 森林SOC深度分布模型

一般森林土壤表層SOC質(zhì)量密度最高，隨深度增加呈指數(shù)函數(shù)形式迅速下降[12]。為了精確估算更深層次土壤有機碳密度值，根據(jù)Meersmans等[12]和其他相關(guān)研究成果[13-18]，構(gòu)建陶灣流域4種森林植被的SOC質(zhì)量密度深度分布模型：

Sh=Sn+(S0-Sn)·exp(k·h)

(2)

Qh=h·Sn+B·(e-k·h-1)/k

(3)

式中，Sh為土壤h深度SOC質(zhì)量密度(kg·m-3)，h為土壤深度(m)，S0為剖面表層SOC質(zhì)量密度(kg·m-3)，Sn為剖面底層SOC質(zhì)量密度(kg·m-3)，k為常數(shù)，Qh為h深度內(nèi)單位面積SOC的儲量(kg·m-2)。

SOC質(zhì)量密度(Sh) 計算公式為：

(4)

土壤容重值估算公式為[12-13]：

(5)

式(4)(5)中，Sh為SOC質(zhì)量密度，ρs為土壤容重(kg·m-3)，[SOC]為有機碳含量(g·kg-1)。

1.4 計算與分析

使用SPSS11.5進行方差和相關(guān)性分析，用SPSS相關(guān)模塊對式2非線性參數(shù)估計。用構(gòu)建的空間分布模型(式3)估算陶灣流域0～100 cm和0～200 cm等更深層SOC的密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 陶灣流域土壤有機碳密度的深度分布

從表1可知，0～20 cm深度，栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林SOC密度平均為7.92，8.42，8.14和9.67 kg·m-2，栓皮櫟林、油松林、混交林SOC密度差異不顯著(P>0.05)，而灌木林與其他植被類型差異顯著；≥20～40、≥40～60、≥60～80、≥80～100 cm層4種林地SOC密度差異均不顯著(P<0.05)。這說明植被類型僅在土壤表層影響有機碳密度的分布。栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林0～20 cm深度SOC密度分別占0～100 cm深度層的72.5%、74.4%、75.6%和76.2%，這說明表層有機碳是整個土壤剖面層的主要分布區(qū)。

0～100 cm深度層中，栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林SOC密度平均為10.93，11.32，10.77和12.69 kg·m-2；與0～20 cm深度層相似，栓皮櫟林、油松林、混交林SOC密度差異不顯著(P>0.05)，而灌木林與其他植被類型差異顯著。

表1還顯示，4類植被類型SOC密度值均隨土壤深度的增加而急劇下降。如，栓皮櫟林地0～20 cm層為7.92 kg·m-2，≥20～40 cm層時已降至為2.23 kg·m-2，≥80～100 cm層時已低至0.10 kg·m-2。

表1 伏牛山陶灣流域不同林地土壤有機碳密度

注：本表中所占比例為各土壤層與0～100 cm層的比值。

2.2 土壤有機碳密度深度分布影響因素

陶灣流域林地SOC密度與植被類型、海拔和土壤機械組成等環(huán)境因子相關(guān)性分析結(jié)果見表2。0～20 cm層SOC密度與植被類型、郁閉度、粘粒含量、砂粒含量相關(guān)性均顯著，與海拔相關(guān)性不顯著；0～100 cm層與0～20 cm層有相似規(guī)律性；≥20～40 cm深度SOC密度與郁閉度、粘粒含量、砂粒含量相關(guān)性均顯著，與植被類型、海拔相關(guān)性不顯著；≥40～60 cm深度SOC密度僅與粘粒含量、砂粒含量相關(guān)性均顯著，與其他環(huán)境因子均不顯著。這說明植被類型和郁閉度等植物屬性因子僅對表層SOC密度影響顯著，對深層影響不顯著。而粘粒含量、砂粒含量對不同深度層的SOC密度影響均顯著。

表2 土壤有機碳密度與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

注：***、**、*分別為0.001、0.01、0.05水平上雙尾檢驗相關(guān)性顯著。

2.3 陶灣流域不同森林植被類型的土壤有機碳密度深度分布模型

對栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林地SOC質(zhì)量密度分別進行非線性參數(shù)估計，得到不同樹種SOC深度分布模型 (式8～11)。

栓皮櫟林：

Sh=0.53+69.02×exp(-6.88×h)

(8)

油松林：

Sh=0.43+65.20×exp(-6.59×h)

(9)

混交林：

Sh=0.41+68.54×exp(-6.78×h)

(10)

灌木林：

Sh=0.92+77.88×exp(-6.22×h)

(11)

上述公式表明，灌木林表層質(zhì)量密度最大(77.88 kg·m-3)，其次為栓皮櫟林(69.02 kg·m-3)、混交林(68.54 kg·m-3)和油松林(65.20 kg·m-3)。同樣，灌木林Sn層質(zhì)量密度也最大(0.92 kg·m-3)，其次為栓皮櫟林(0.53 kg·m-3)、油松林(0.43 kg·m-3)和混交林(0.41 kg·m-3)。

圖1 4種林地土壤SOC質(zhì)量密度與深度分布的關(guān)系

所有4個樹種SOC質(zhì)量密度隨土壤深度的增加而呈指數(shù)下降 (圖1)。栓皮櫟林、油松林、混交林地SOC下降曲線最為接近，混交林下降速度最為迅速，灌木林地下降較緩。上述特點在模型中則表現(xiàn)為指數(shù)k的變化：灌木林(-6.22) >油松林(-6.59)>栓皮櫟林(-6.88)>混交林(-6.78)。

2.3 模型預測結(jié)果檢驗

利用4個樹種模型模擬結(jié)果如表3所示。0～20 cm土壤深度，栓皮櫟林樣地、油松林樣地、混交林樣地和灌木林樣地的有機碳密度值均低于表2所示的實測值，而≥20～40、≥40～60等較深層的模擬值則均大于表2所示的實測值。對0～100 cm層，栓皮櫟林地的模擬值10.55 kg·m-2，低于實測值(10.93 kg·m-2)的3.44%；灌木林模擬值14.42 kg·m-2，高于實測值(12.69 kg·m-2)的5.69%，說明建立的空間模型能夠預測森林SOC密度。

表3 伏牛山陶灣流域土壤有機碳密度的預測結(jié)果

注：本表中所占比例為各土壤層與0～100 cm層的比值。

利用建立的SOC空間分布模型，可以對以上樹種任意深度的SOC密度進行模擬。如對于0～30 cm深度，栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林地SOC密度分別為8.91、8.65、8.90和10.85 kg·m-2；0～200 cm深度，SOC密度分別為11.08、10.76、10.91和14.36 kg·m-2(表3)。

3 討論

3.1 森林樹種與土壤有機碳的深度分布格局

地上植被格局是SOC深度分布模式的決定因素，氣候和土壤質(zhì)地是區(qū)域SOC總量的控制因素[13-18]。植被生產(chǎn)力、地上和地下生物量配置、土壤微生物機制等都影響SOC的深度分布模式[19]。本研究，森林樹種在水平方向土壤淺層內(nèi)影響有機碳密度的分布，對深度分布模式影響較弱。Jackson等[20]認為植物根系分布深度影響SOC的分布深度，植物地上和地下部分的分配差異影響土壤有機碳的相對量，地表凋落物量影響表層SOC量。在對流域森林樹種根系調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，林地分布相對較淺，而灌木地根系分布較深，這與SOC深度分布(灌木地>林地)相符。灌木地表層(0～20 cm)土壤有機碳含量最高，這可能是本流域灌木地有較高的凋落物量。灌木地有大量的草本植被，碳的輸入量較大，分解性較高，大大增加了表層SOC密度。

3.2 環(huán)境因子與土壤有機碳的深度分布

有研究表明海拔也是影響有機碳分布的重要環(huán)境因子。丁咸慶等[21]認為大圍山森林土壤有機碳沿海拔梯度變化趨勢明顯，土壤有機碳含量隨海拔升高而增加,隨土壤剖面深度增加而顯著降低；程浩等[22]認不同土層有機碳含量與海拔和容重分別呈極顯著正相關(guān)和極顯著負相關(guān)。本研究中海拔與有機碳密度并不相關(guān)，這可能是本研究區(qū)海拔變化較小。

SOC分布深度還受土壤粘粒含量和砂粒含量多少的影響。Don等[14]認為土壤砂粒含量高，SOC向下垂直運輸速度較快，表層SOC減少，深層含量增加，高滲透性土壤表現(xiàn)更為明顯。我們在研究中也發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)同種植被類型，如果砂粒含量高，土壤毛細孔大，土壤滲透性就強，垂直運輸?shù)奶攸c就越明顯，SOC隨深度下降趨慢。一般地SOC與粘粒含量正相關(guān)，與砂粒含量負相關(guān)，而且深層剖面的相關(guān)性要大于淺層剖面。由于土壤表層SOC受土地利用、溫度等多種因素的影響，而深層SOC與上述因素并不相關(guān)，這說明深層土壤的機械組成是影響SOC的重要因素。

3.3 土壤有機碳的估算誤差

Batjes等[23]、Fontaine等[8]、Don等[14]報道SOC分布深度可達300 cm以上。森林土壤有機碳由于多種因素的影響，調(diào)查深度一般采用0～100 cm，甚至可能還要低。這可能對森林土壤有機碳儲量估計偏低。Batjes等[23]認為，全球0～100 cm層中SOC儲量約為1 500～1 600 Pg，如果考慮100～200 cm土壤剖面層，SOC量會增加60%；Batjes等[23]認為100～200 cm的SOC含量可能為0～100 cm的12%。在陶灣流域土壤取樣中，大部分樣點深度不超過150 cm，低于80 cm和高于200 cm樣點數(shù)占5%左右；低于150 cm以下有機碳含量較低。

按照本研究建立的模型推算，若考慮0～150 cm深度土壤有機碳的分布，與0～100 cm的深度相比，研究流域4種樹種有機碳密度將增加2.0%～3.6%，若考慮0～200 cm的深度，有機碳密度將增加3.9%～7.0%。Fontaine等[8]認為因土壤的深度分布層的限制而增大SOC的誤差約為7%左右，是在一些坡度較大的土壤分布區(qū)，誤差可能更大。深層土壤碳的估算，需要進一步考慮，特殊地段的估計方法也有待于進一步論證。