青海省森林土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量及其垂直分布特征

王艷麗,字洪標(biāo),程瑞希,唐立濤,所爾阿芝,羅雪萍,李 潔,王長(zhǎng)庭,*

1 西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610041 2 西南民族大學(xué)青藏高原研究院,成都 610041

土壤有機(jī)碳、氮是土壤碳、氮儲(chǔ)量的重要組成部分,全球約有1500 Gt碳、95 Gt氮是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于地球土壤中[1-2],其積累和分解的速率決定著土壤碳、氮儲(chǔ)量。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為人類(lèi)的居住環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的主要場(chǎng)所,其土壤碳儲(chǔ)量約是大氣碳儲(chǔ)量的2倍[3-7],其土壤氮儲(chǔ)量約是植被氮儲(chǔ)量的3倍[8],因此土壤圈的碳、氮循環(huán)是全球生物化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[9],森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲(chǔ)量主要由森林植被、凋落物和土壤3個(gè)分室組成,土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要組成部分[10]。森林土壤碳儲(chǔ)量約為森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的2/3[11],其氮儲(chǔ)量超過(guò)森林植被氮儲(chǔ)量的85%[12]。土壤碳、氮儲(chǔ)量能在一定程度上反映土壤肥力,也能作為衡量森林土壤質(zhì)量及植被恢復(fù)情況的重要指標(biāo)[13]。

森林土壤碳、氮儲(chǔ)量的變化對(duì)全球氣候變化也有巨大的影響[14-15],此外碳儲(chǔ)量的垂直分布特征有助于了解土壤有機(jī)碳對(duì)氣候變化的響應(yīng)[16-17]。因此土壤碳、氮儲(chǔ)量在調(diào)節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)和減緩全球氣候變化中起著重要作用。目前研究者對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量的研究數(shù)據(jù)主要通過(guò)土壤普查資料和文獻(xiàn)獲得,但對(duì)土壤氮儲(chǔ)量的關(guān)注較少,如宋滿珍等[18]根據(jù)江西省第二次土壤普查資料與森林資源二類(lèi)調(diào)查資料,對(duì)江西省森林土壤有機(jī)碳密度和碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算；彭舜磊等[19]分析了河南省寶天曼自然保護(hù)區(qū)森林土壤碳氮儲(chǔ)量分布格局。區(qū)域尺度上森林土壤碳、氮儲(chǔ)量的研究為全國(guó)森林土壤碳、氮儲(chǔ)量研究提供了重要的理論參考依據(jù)。青海省森林作為青藏高原的重要組成部分,是全球氣候變化的響應(yīng)區(qū)[20],由于缺乏全面、詳細(xì)、可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其森林土壤碳氮儲(chǔ)量估算仍有較大的不確定性,及其與環(huán)境因子的關(guān)系仍不明確。

青海省位于我國(guó)西北內(nèi)陸腹地、青藏高原東北部,是我國(guó)第一級(jí)地勢(shì)階梯的重要組成部分,與西藏自治區(qū)同稱為“世界屋脊”,而有關(guān)青海省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮儲(chǔ)量的研究并不多,如鐘聰?shù)萚21]利用青海省第二次土壤普查資料,估算了青海省土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；王根緒等[22]分析了青藏高原各類(lèi)草地0—65 cm深度范圍內(nèi)有機(jī)碳儲(chǔ)量；王建林等[23]運(yùn)用樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比的分布規(guī)律；胡衛(wèi)國(guó)等[24]估算了青海湖環(huán)湖區(qū)表土的氮儲(chǔ)量。因此本文以青海省森林土壤為研究對(duì)象,通過(guò)大量的土壤碳、氮含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算了不同海拔土壤剖面上不同土層的土壤有機(jī)碳、氮含量及密度,并估算了青海省森林土壤碳、氮儲(chǔ)量。旨在分析和探討青海省森林碳氮儲(chǔ)量的垂直分布格局及其與環(huán)境因子的關(guān)系,以期了解青海省森林土壤碳氮儲(chǔ)量在青藏高原及我國(guó)土壤碳氮儲(chǔ)量的重要地位,這對(duì)于評(píng)價(jià)青藏高原生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)和反饋?zhàn)饔镁哂兄匾饬x。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

青海省位于我國(guó)西北內(nèi)陸腹地、青藏高原東北部(31°39′—39°19′N(xiāo),89°35′—103°4′E),東西長(zhǎng)約1200 km,南北寬約800 km,面積為72.15×106hm2,是我國(guó)第一級(jí)地勢(shì)階梯的重要組成部分。青海省土地總面積72.15×106hm2,扣除冰川雪被、水體及裸巖等未利用地外,土壤面積65.49×105hm2,森林面積32.96×105hm2。平均海拔3500 m以上,屬典型高原大陸性氣候。年均氣溫-3.7—6.0℃,年日照2340—3550 h,年降水量16.7—776.1 mm(大部400 mm以下),年蒸發(fā)量1118.4—3536.2 mm。森林植被主要分布在東經(jīng)96°—102°的江河及其支流的河谷兩岸,森林主要分布在海拔2000—4000 m,以寒溫帶針葉林為主,其次為落葉闊葉林。青海省典型土壤類(lèi)型有山地草甸土、石灰性灰鈣土、黑鈣土、草甸鹽土、沼澤土、泥炭沼澤土、山地草原草甸土[21],其森林土壤類(lèi)型主要有落葉闊葉林灰褐土、針闊葉混交林灰褐土、針葉林碳酸鹽灰褐土和針葉林淋溶灰褐土[25]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇及取樣

本研究依托中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(碳專項(xiàng)),按照《生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀、速率、機(jī)制和潛力》項(xiàng)目制定的統(tǒng)一要求,于2011—2013年在青海省21個(gè)縣進(jìn)行。在上述縣內(nèi)分別選取環(huán)境條件(如坡度、坡向、郁閉度等)相似且具有代表性的落葉闊葉林和寒溫性針葉林,并結(jié)合青海省森林資源連續(xù)清查成果,充分考慮全省各森林類(lèi)型(優(yōu)勢(shì)種)分布面積、蓄積比重、起源等情況,將研究區(qū)海拔(2175—3852 m)以高程400 m為一個(gè)單元等距劃分為<2500 m、2500—2800 m、2800—3100 m、3100—3400 m、3400—3700 m、>3700 m共6個(gè)梯度(表1)。在全省21個(gè)縣(圖1)布設(shè)主要森林類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)樣地80個(gè)樣地,每個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)置3 塊50 m×20 m的喬木樣方,各樣地間距大于100 m,共計(jì)240個(gè)樣點(diǎn)。在每個(gè)喬木調(diào)查樣方下的林下草本層內(nèi)采用對(duì)角線設(shè)置3個(gè)1 m×1 m草本調(diào)查樣方,草本層樣方總共計(jì)720個(gè)。

在每個(gè)草本調(diào)查樣方內(nèi)用土鉆法(內(nèi)徑5 cm)分5層(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm、50—100 cm)分別鉆取土壤樣品(不夠100 cm至基巖為止),相同樣方的相同土層的土壤樣品混合為1個(gè)土壤樣品。取各土壤樣品鮮土若干,風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩(1 mm和2 mm 篩)后用于碳、氮含量的測(cè)定,并同時(shí)測(cè)定>2 mm石礫含量,由于《青海土種志》中的記載和樣品實(shí)際勘察,幾乎所有的土壤粒徑均<2 mm,所以本文中石礫含量為0。同時(shí)使用容積為100 cm3的環(huán)刀采集各層土壤,每層重復(fù)2次,野外測(cè)定環(huán)刀+土壤鮮質(zhì)量,帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定環(huán)刀+土壤干質(zhì)量以及環(huán)刀質(zhì)量,計(jì)算土壤容重(表2)。

1.2.2土壤有機(jī)碳、氮含量的測(cè)定

土壤有機(jī)碳含量(soil organic carbon content,SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定。土壤全氮含量(nitrogen content,TN)采用凱氏法測(cè)定,土壤樣品在硫代硫酸鈉、濃硫酸、高氯酸和催化劑的作用下,經(jīng)氧化還原反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。消解后的溶液堿化蒸餾出的氨被硼酸吸收,用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液用量來(lái)計(jì)算土壤中全氮含量。

1.2.3土壤有機(jī)碳、氮密度及儲(chǔ)量的計(jì)算

土壤有機(jī)碳密度(soil organic carbon density,SOCD)、氮密度(nitrogen density,Nd)分別指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳、氮的儲(chǔ)量。土壤氮密度與土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式相似,計(jì)算采用公式如下：

(1)

(2)

式中,SOCD、Nd分別代表土壤有機(jī)碳密度、氮密度,kg/m2；i代表不同土層層次；SOC、TN分別代表土壤有機(jī)碳含量、氮含量,%；γ表示容重,g/cm3；H表示土層的厚度,cm；δ2mm表示土壤中直徑>2 mm的石礫含量百分比,%。

土壤碳儲(chǔ)量(Soil Organic Carbon Storage,SOCR)、氮儲(chǔ)量(Nitrogen storage,Ns)的計(jì)算采用公式如下：

SOCRi=SOCDi×A

(3)

Nsi=Ndi×A

(4)

式中,SOCR、Ns分別代表土壤碳儲(chǔ)量、氮儲(chǔ)量,Tg；i代表土層不同土層層次；A代表青海省森林面積,hm2(采用青海省森林資源連續(xù)清查第五次復(fù)查成果)。

樣地尺度的土壤有機(jī)碳、氮的密度及儲(chǔ)量是通過(guò)實(shí)地調(diào)查采樣并進(jìn)行有機(jī)碳、氮含量分析后計(jì)算得到的。各層土壤有機(jī)碳、氮密度是土壤有機(jī)碳、氮含量與土壤容重和土層厚度的乘積,各層土壤有機(jī)碳、氮密度的平均值相累加即得到整個(gè)剖面(深度為1 m)的土壤有機(jī)碳、氮密度的平均值。各層土壤有機(jī)碳、氮密度乘以該森林生態(tài)系統(tǒng)的占地面積即各層土壤碳、氮儲(chǔ)量,各層土壤有機(jī)碳、氮儲(chǔ)量的平均值相累加即得到整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳、氮儲(chǔ)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行整理,用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用(One-way ANOVA)單因素方差分析比較不同海拔下土壤有機(jī)碳、氮含量和密度的差異,以及比較不同土層下土壤有機(jī)碳、氮含量,密度和儲(chǔ)量的差異,若方差為齊性,用LSD法進(jìn)行顯著性多重比較；若方差非齊性,則用Tamhane′s2法進(jìn)行多重比較,顯著性水平為α=0.05。采用Pearson檢驗(yàn)分析海拔、土壤容重與土壤有機(jī)碳、氮含量及密度間的相關(guān)性顯著性水平為α=0.05。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

圖1 青海省樣地點(diǎn)位圖Fig.1 Map of the sample locations in Qinghai Province

表1 樣地信息表Table 1 Sample information

表2 不同海拔梯度不同土層的土壤容重Table 2 Soil bulk density in different soil layers under the gradient of altitude

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔高度與土層厚度對(duì)有機(jī)碳、氮含量垂直分布特征的影響

在同一海拔不同土層,<2500 m、2500—2800 m、2800—3100 m、3400—3700 m、>3700m海拔0—10 cm土層的SOC均顯著高于其他土層(P<0.05)；其最大值(88.19 g/kg)出現(xiàn)在0—10 cm土層,最小值(27.66 g/kg)出現(xiàn)在50—100 cm土層,表明青海省森林土壤SOC隨土層的增加而降低(表3)。

在同一土層不同海拔,50—100 cm土層各海拔間的SOC差異不顯著(P>0.05)。0—100 cm土層SOC的最大值(64.39 g/kg)出現(xiàn)在海拔2500—2800 m,最小值(46.30 g/kg)出現(xiàn)在海拔>3700 m,表明青海省森林土壤SOC隨海拔的增加呈單峰曲線變化(表3)。

在同一海拔不同土層,0—10 cm土層的TN顯著高于其他土層(P<0.05)；其最大值(4.79 g/kg)出現(xiàn)在0—10 cm土層,最小值(1.50 g/kg)出現(xiàn)在50—100 cm土層,表明青海省森林土壤TN隨土層的增加而降低(表4)。

在同一土層不同海拔,<3100 m各海拔間的TN均差異不顯著(P>0.05)；>3100 m各海拔間的TN均差異不顯著(P>0.05),且后者顯著高于前者(P<0.05)；這與胡啟武等[26]在祁連山北坡垂直帶上對(duì)土壤氮分布特征的研究結(jié)果一致,即海拔3100 m以上土壤TN顯著高于3100 m以下的土壤。0—100 cm土層TN的最小值(2.37 g/kg)出現(xiàn)在海拔<2500 m；最大值(4.38 g/kg)出現(xiàn)在海拔>3700 m,表明青海省森林土壤TN隨海拔的增加而增加(表4)。

表3 不同海拔梯度不同土層的有機(jī)碳含量Table 3 Soil organic carbon content in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一海拔不同土層下SOC的差異性；不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同海拔下SOC的差異性(P<0.05)

表4 不同海拔梯度不同土層的氮含量Table 4 Nitrogen content in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一海拔不同土層下TN的差異性；不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同海拔下TN的差異性(P<0.05)

2.2 海拔高度與土層厚度對(duì)土壤有機(jī)碳、氮密度垂直分布特征的影響

青海省森林土壤0—100 cm土層SOCD的平均值為31.89 kg/m2。在同一海拔不同土層,30—50 cm、50—100 cm土層的遞進(jìn)為20 cm、50 cm,0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層的遞進(jìn)均為10 cm,因此50—100 cm土層的SOCD顯著高于其他土層(P<0.05)。0—30 cm土層,SOCD的最大值(4.63 kg/m2)出現(xiàn)在0—10 cm土層,最小值(3.84 kg/m2)出現(xiàn)在20—30 cm土層,表明青海省森林土壤在0—30 cm土層,SOCD隨土層的增加而降低(表5)。

在同一土層不同海拔,30—50 cm、50—100 cm土層的SOCD差異不顯著(P>0.05)。0—100 cm土層SOCD的最大值(34.33 kg/m2)出現(xiàn)在海拔3100—3400 m,最小值(28.32 kg/m2)出現(xiàn)在海拔>3700 m,表明青海省森林土壤SOCD隨海拔的增加呈單峰曲線變化(表5)。

青海省森林土壤0—100 cm土層Nd的平均值為1.88 kg/m2。土層Nd的土層遞進(jìn)與上述土層SOCD的土層遞進(jìn)相同,因此與SOCD沿土層的的變化規(guī)律一致。0—30 cm土層,Nd的(0.27 kg/m2)最大值出現(xiàn)在0—10 cm,最小值(0.22 kg/m2)出現(xiàn)在20—30 cm,表明青海省森林土壤Nd在0—30 cm土層,隨土層的增加而降低(表6)。

在同一土層不同海拔,<3100 m、>3100 m各海拔間的Nd差異不顯著(P>0.05),且后者顯著高于前者(P<0.05)。0—100 cm土層Nd的最大值(2.93 kg/m2)出現(xiàn)在海拔>3700 m,最小值(1.39 kg/m2)出現(xiàn)在海拔<2500 m,表明青海省森林土壤Nd隨海拔增加而增加(表6)。

表5 不同海拔梯度不同土層的有機(jī)碳密度Table 5 Soil organic carbon density in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一海拔不同土層下SOCD的差異性；不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同海拔下SOCD的差異性(P<0.05)

表6 不同海拔梯度不同土層的氮密度Table 6 Nitrogen density in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一海拔不同土層下Nd的差異性；不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同海拔下Nd的差異性(P<0.05)

2.3 青海省森林土壤不同土層的碳、氮儲(chǔ)量

青海省森林土壤30—50 cm、50—100 cm土層的SOCR(234.06、444.60 Tg)都顯著高于0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層的SOCR(154.78、138.58、126.68 Tg)(P<0.05)。0—100 cm土層的SOCR為1098.70 Tg(圖2)。青海省森林土壤30—50 cm、50—100 cm土層的Ns(13.24、24.55 Tg)都顯著高于土層0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm的Ns(8.82、7.98、7.19 Tg)(P<0.05),且0—30 cm土層間差異不顯著(P>0.05)。0—100 cm土層的Ns為61.78 Tg(圖2)。在0—30 cm土層中,對(duì)SOCR、Ns貢獻(xiàn)最大是土壤表層0—10 cm土層,分別是36.85%、36.77%。但表層土壤的穩(wěn)定性較差,易受人為活動(dòng)的影響。如過(guò)度放牧和不合理開(kāi)墾等人為擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致土壤肥力水平下降,因此減少人為對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)干擾活動(dòng),這對(duì)于維持和增加土壤碳氮儲(chǔ)量以及減少碳氮等溫室氣體具有重要意義[24,27]。

圖2 不同土層的碳、氮儲(chǔ)量Fig.2 The soil organic carbon storage and nitrogen storage in different soil layers

2.4 海拔高度、土層深度與有機(jī)碳、氮之間的相關(guān)性

海拔高度與SOC存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；與TN、Nd存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,P<0.01)。土層深度與SOC存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；與TN存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；與SOCD、Nd存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,P<0.01)(表7)。

表7 海拔高度、土層深度與有機(jī)碳含量、氮含量、有機(jī)碳密度、氮密度之間的相關(guān)性Table 7 The correlation between altitude,soil depth and soil organic carbon content,nitrogen content,soil organic carbon density,nitrogen density

項(xiàng)目Items海拔Altitude土壤容重Soil bulk densities土層深度Soil depth有機(jī)碳含量SOC 氮含量TN 有機(jī)碳密度SOCD 氮密度Nd 海拔高度 Altitude1土壤容重 Soil bulk densities0.0881土層深度Soil depth0.000-0.531??1有機(jī)碳含量 SOC-0.139?-0.357??-0.538??1氮含量 TN0.381??-0.161?-0.466?0.448??1有機(jī)碳密度 SOCD-0.052-0.0050.570??0.448??0.194??1氮密度 Nd0.373??0.0970.484??0.163?0.664??0.408??1

*P>0.05,**P>0.01

3 討論

3.1 海拔對(duì)青海省森林土壤有機(jī)碳、氮含量及密度的影響

森林土壤碳主要來(lái)源于凋落物的轉(zhuǎn)化累積與礦化分解[28]。海拔影響溫度和水分,從而影響植被分布、土壤微生物多樣性及人為活動(dòng)等,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳存在差異。本文中青海省森林土壤有機(jī)碳含量、密度均隨海拔的增加呈單峰曲線變化。這與太白山土壤有機(jī)碳含量沿海拔(1700—3500 m)變化趨勢(shì)一致[29]。其原因可能與植被的分布、凋落物的分解、土壤理化性質(zhì)及人為活動(dòng)等有關(guān)：1)在低中海拔區(qū)域,隨著海拔的升高,植被類(lèi)型也隨之由山地落葉闊葉林過(guò)渡到寒溫性針葉林,由于不同林帶凋落物質(zhì)量和數(shù)量的截然不同,導(dǎo)致闊葉林凋落物輸入量大于針葉林；同時(shí)闊葉相較于針葉更易分解[29-30],加之寒溫性針葉林土壤碳密度遠(yuǎn)大于落葉闊葉林土壤[31],因此土壤有機(jī)碳含量增多。另外在高海拔區(qū)域,隨著海拔的繼續(xù)升高,溫度隨之降低,溫度成為土壤微生物活性最主要的限制因子,導(dǎo)致凋落物的分解速率減弱,土壤有機(jī)質(zhì)積累變少最終促使土壤有機(jī)碳含量減少[30]。2)土壤作為植被賴以生存的載體,其理化性質(zhì)在時(shí)間和空間上是異質(zhì)性分布的[32]。低海拔區(qū)域降水量適宜,它可以明顯影響土壤的導(dǎo)電率和含水率,致使土壤吸水溶脹,因而低海拔處土壤容重較小[33]；高海拔區(qū)域,土壤容重隨著海拔的升高而減小[34]。青海省森林土壤容重在中高海拔處較大(表2),也對(duì)估算土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生影響。3)人為活動(dòng)對(duì)土壤的影響具有雙向性,合理利用使土壤質(zhì)量、肥力等形成良性發(fā)展,反之使其退化[35]。青海省森林中海拔地區(qū)適度的人為擾動(dòng)(表1),如放牧、旅游等因踐踏作用將植物凋落物碾碎,使其與土壤充分接觸；另外,這也會(huì)使凋落物的堆疊積累量相對(duì)減少,這使其充分暴露；都加快了凋落物的分解,有助于土壤有機(jī)碳的增加[36-37]。

森林土壤氮主要來(lái)源于氮素礦化與固定、硝化與反硝化等過(guò)程[38]。本文中青海省森林土壤的氮含量、密度隨海拔的增加而增加。此結(jié)果與云南省小江流域支流阿旺小河西北側(cè)山地土壤及西藏色季拉山西坡表層土壤的氮含量隨海拔的變化趨勢(shì)一致[28,38]；四川盆地森林土壤氮密度也隨海拔的增加而增加[39]。并且文中海拔高度與兩者間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(P<0.01),也進(jìn)一步解釋了兩者隨海拔變化的規(guī)律性。此結(jié)果也遵循土壤氮含量會(huì)從較溫暖地區(qū)到寒冷地帶呈現(xiàn)增加的規(guī)律[38],其主要原因之一可能是隨著海拔的升高土壤溫度會(huì)隨之降低,溫度過(guò)低會(huì)抑制土壤微生物的活動(dòng),腐殖作用變?nèi)?分解速率變慢,阻礙了土壤的礦化作用[30,38]。另外,海拔除影響溫度、水分、土壤肥力外,也間接影響到林型的分布,青海省森林林型隨海拔的升高逐漸由山地落葉林過(guò)渡到高原寒溫性針葉林(表1)。在我國(guó)森林土壤氮密度分區(qū)排列中,青藏高原高寒植被區(qū)域>溫帶型針闊葉葉混交區(qū)域>暖溫性落葉闊葉林區(qū)域[40],因此,林型也可能是青海省森林土壤氮密度隨海拔變化的原因之一。

3.2 土層對(duì)青海省森林土壤有機(jī)碳、氮含量及密度的影響

土壤碳、氮在土層上的空間分布影響著根系的垂直分布,而根系的垂直分布也影響著輸送到土壤各層次的碳、氮含量[41]。本研究表明青海省森林土壤碳、氮含量均隨土層深度(0—100 cm)增加而降低,這與川西亞高山森林土壤和梵凈山土壤的有機(jī)碳含量隨土層深度的變化趨勢(shì)基本一致[30,42]。由于土壤表層碳氮含量主要來(lái)源于凋落物的分解,且表層土壤的凋落物較多,同時(shí)表層土壤良好的通氣狀況與水熱條件也為微生物活動(dòng)提供了更好的環(huán)境,這都促進(jìn)了土壤表層中碳、氮含量的積累[43],而深層土壤碳氮含量則多源于根系、根系分泌物及土壤微生物等,與表層土壤相比,與外界的交換作用較弱。文中土壤碳氮含量間呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)性(P<0.01),也進(jìn)一步說(shuō)明了土層深度上土壤碳氮含量變化規(guī)律的相似性。本研究中因土層遞進(jìn)的差異,土壤碳氮密度在50—100 cm達(dá)到最大。在土層遞進(jìn)相同時(shí),土壤碳氮密度在表層0—10 cm達(dá)到最大。這與青海湖南岸灌叢、草地覆蓋的土壤有機(jī)碳密度均在表層0—10 cm土層達(dá)到最大的結(jié)論一致[44],其原因是由表層土壤高的碳氮含量造成的。

3.3 青海省森林土壤的碳、氮密度及儲(chǔ)量

我國(guó)各類(lèi)型森林土壤有機(jī)碳密度具有高度的空間變異性,總體表現(xiàn)為東部高于西部,最高土壤碳密度出現(xiàn)在東北地區(qū)的北部和東部以及青藏高原的東南部,其主要受氣候、植被凋落物以及人類(lèi)活動(dòng)的影響[10,45]。本研究表明青海省森林土壤有機(jī)碳密度平均值為31.89 kg/m2,結(jié)果在解憲麗等[10]對(duì)全國(guó)土壤全剖面有機(jī)碳密度的范圍(1.19—176.46 kg/m2)內(nèi),但遠(yuǎn)高于劉世榮等[46]統(tǒng)計(jì)的全國(guó)森林生態(tài)系系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度平均值10.78 kg/m2。造成這一結(jié)果的原因,其一可能是在于本研究測(cè)定的土壤碳含量既包含有機(jī)碳成分又將無(wú)機(jī)碳(碳酸鹽)成分計(jì)算其中。潘根興[47]研究證實(shí),在我國(guó)干旱地區(qū),土壤中無(wú)機(jī)碳的平均含量為100 g/kg,少有溶解釋放過(guò)程,即碳元素被持續(xù)地截儲(chǔ)于碳酸鹽中。其二可能是青海省森林中寒溫性針葉林中云冷杉比例較大,而云冷杉土壤有機(jī)碳密度在所有的森林類(lèi)型中最高,可達(dá)到36.079 kg/m2[31]。

我國(guó)土壤氮密度在空間分布整體呈現(xiàn)出西部地區(qū)大于東部[8]。青海省森林土壤氮密度平均值為1.88 kg/m2,低于全國(guó)森林土壤平均氮密度3.46 kg/m2[40],稍低于青藏高原陸地土壤0—100 cm土層氮密度2.01 kg/m2；高于全國(guó)土壤0—100 cm土層平均氮密度1.31 kg/m2[8],也高于青海湖環(huán)湖區(qū)表土各類(lèi)土壤氮密度[24],略高于四川盆地森林土壤平均氮密度1.849 kg/m2[45]。與劉紀(jì)遠(yuǎn)等[48]估算的中國(guó)大區(qū)土壤氮密度相比,發(fā)現(xiàn)青海省森林土壤氮密度高于東北、華北、華東、華南地區(qū)以及西南部分地區(qū)的土壤氮密度。這是因?yàn)榍嗖馗咴貐^(qū)高寒草甸草本植物生長(zhǎng)豐盛、溫度較低、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢,促進(jìn)了土壤氮的積累。

土壤碳、氮儲(chǔ)量能在一定程度上反映土壤肥力,也能作為衡量森林土壤質(zhì)量及植被恢復(fù)情況的重要指標(biāo),同時(shí)也是森林生態(tài)系統(tǒng)中生物化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。目前,對(duì)青藏高原土壤碳儲(chǔ)量的研究相對(duì)較多,王根緒等[22]估算了青藏高原各類(lèi)草地0—65 cm 土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量,估算面積為160×106hm2,碳儲(chǔ)量達(dá)到33520 Tg,其土壤類(lèi)型主要以高原草甸土和高原草原土為主,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的39.71%；范宇等[49]利用土壤類(lèi)型法估算了西藏自治區(qū)土壤全剖面的碳儲(chǔ)量,估算面積為110×106hm2,碳儲(chǔ)量為8230 Tg,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的9.75%；方精云等[50]估算青藏高原草地土壤全剖面的碳儲(chǔ)量,估算面積為197×106hm2,碳儲(chǔ)量38400 Tg；占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的45.50%；鐘聰?shù)萚21]利用土壤類(lèi)型法估算了青海省土壤0—65 cm土層的碳儲(chǔ)量,估算面積為65×106hm2,碳儲(chǔ)量為8904 Tg,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的10.55%；本文估算了青海省森林土壤(0—100 cm)的碳儲(chǔ)量,估算面積為32.96×105hm2,碳儲(chǔ)量為1098.70 Tg,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的1.30%[10]。本研究中碳儲(chǔ)量都明顯低于其他研究者對(duì)青藏高原地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量所占中國(guó)土壤全剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的比例,這是因?yàn)楸疚闹星嗪Ｊ∩止浪忝娣e為32.96×105hm2,僅占中國(guó)陸地面積的0.34%,占青藏高原土壤面積的1.67%；其碳儲(chǔ)量卻占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的1.30%,占青藏高原土壤碳儲(chǔ)量的28.28%[51]。表明青海省森林土壤碳庫(kù)在青藏高原乃至中國(guó)土壤碳庫(kù)都具有十分重要的地位。

近年來(lái),青海省土壤氮儲(chǔ)量的研究相對(duì)較少,僅有胡衛(wèi)國(guó)等[24]估算了青海湖環(huán)湖區(qū)表土(0—20 cm)的氮儲(chǔ)量,估算面積為35.84×104hm2,氮儲(chǔ)量為3.024 Tg,占中國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的0.47%；畢珍[39]估算了四川盆地森林土壤氮儲(chǔ)量,估算面積為1.9×107hm2,氮儲(chǔ)量為351.3 Tg,約占中國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的54.05%[40]。本文估算了青海省森林土壤(0—100 cm)的氮儲(chǔ)量,估算面積為32.96×105hm2,氮儲(chǔ)量為61.78 Tg,此結(jié)果低于四川盆地森林土壤氮儲(chǔ)量,因?yàn)楸疚闹泄浪愕纳置娣e僅占中國(guó)森林土地面積的2.56%,卻占中國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的9.51%[40]。說(shuō)明青海省森林土壤氮庫(kù)是中國(guó)土壤氮庫(kù)調(diào)節(jié)的重要組成部分。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明青海省森林土壤碳密度為31.89 kg/m2,高于同類(lèi)研究,且隨海拔呈單蜂曲線變化；氮密度為1.88 kg/m2,低于全國(guó)森林平均值,且隨海拔的增加而增加；碳氮密度均隨土層的增加而減低。森林土壤碳儲(chǔ)量為1098.70 Tg,占全國(guó)陸地土壤碳儲(chǔ)量1.30%；森林土壤氮儲(chǔ)量為61.78 Tg,占全國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的9.51%。近年來(lái)森林保護(hù)工程廣泛開(kāi)展,森林碳氮匯是當(dāng)今應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的積極措施,也是林業(yè)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的途徑和平臺(tái)。因此,加強(qiáng)對(duì)森林資源的保護(hù)和管理是促進(jìn)青海省森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮庫(kù)功能的重要途徑。