青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶地被物和土壤碳氮儲量特征

馬志良,顧國軍,趙文強(qiáng),劉 美,4

(1.西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637009;2.阿壩州川西林業(yè)局,四川 理縣 623102;3.中國科學(xué)院成都生物研究所,中國科學(xué)院 山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041;4.綿陽師范學(xué)院,生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000)

森林地被物(枯落物和苔蘚等)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳、氮等養(yǎng)分貯存庫，其積累和分解變化將直接影響森林土壤碳、氮等養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[1]。土壤是植物根系—土壤微生物進(jìn)行物質(zhì)交換與轉(zhuǎn)化的重要場所，植物根系和土壤微生物生命活動(dòng)需要從土壤中吸收大量的碳、氮等養(yǎng)分元素，同時(shí)植物根系殘?bào)w和土壤微生物殘?bào)w分解也將碳、氮等養(yǎng)分元素釋放到土壤中[2]。因此，森林地被物和表層土壤是一個(gè)連續(xù)的有機(jī)整體，共同構(gòu)成森林地表碳和養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分[3]。森林地表碳、氮庫是生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的活躍成分，其大小及動(dòng)態(tài)推動(dòng)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程[4]。森林地表碳、氮庫受植被類型、物種組成、地形、氣候變化和人類活動(dòng)干擾等的綜合影響[5]。劉玉林等[6]研究了黃土高原植被恢復(fù)過程對土壤碳、氮儲量的影響，發(fā)現(xiàn)自然恢復(fù)草地有利于土壤氮的積累，而種植人工林則有利于增加土壤碳儲量。劉順等[7]的研究也表明，植被類型是影響川西亞高山森林地表植物殘?bào)w碳、氮儲量的主要因素。以上研究表明，植物群落結(jié)構(gòu)改變可顯著影響地被物和土壤碳、氮儲量。

岷江源頭區(qū)位于青藏高原東緣，該區(qū)域地帶性植被類型為以岷江冷杉(Abiesfaxoniana)和川西云杉(Picealikiangensis)為優(yōu)勢種的高山/亞高山針葉林和以窄葉鮮卑花(Sibiraeaangustata)和高山柳(Salixoritrepha)為優(yōu)勢種的高寒灌叢[8]。該區(qū)域森林地表有機(jī)碳、氮庫容量巨大，在維持區(qū)域碳、氮的生物地球化學(xué)循環(huán)乃至整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮平衡中起著非常重要的作用[9]。然而，這些局域生境條件下相對穩(wěn)定的植物群落正在受到全球氣候變暖和人類活動(dòng)干擾(森林砍伐、放牧)的影響，其群落結(jié)構(gòu)與分布面積正在發(fā)生明顯變化[10]。例如，該區(qū)域高寒灌叢分布上限明顯上升，且其分布面積仍在逐步擴(kuò)張，出現(xiàn)大面積的喬灌交錯(cuò)區(qū)(以下簡稱為“喬灌”)，沿海拔梯度在河谷—山麓—山坡上逐漸形成灌叢—喬灌—針葉林垂直分布格局[11]。植物群落結(jié)構(gòu)與分布改變將顯著影響該區(qū)域森林初級生產(chǎn)力和林下植物群落生長，直接影響森林地表地被物儲量和碳、氮庫。同時(shí)，植物群落結(jié)構(gòu)改變也可通過影響土壤生物活動(dòng)和土壤物理、化學(xué)性質(zhì)間接影響土壤碳和氮等養(yǎng)分循環(huán)與周轉(zhuǎn)過程[12]。由此可見，植物群落結(jié)構(gòu)變化將會對該區(qū)域地表碳、氮循環(huán)過程有重要影響。但到目前為止，對該區(qū)域森林群落地被物和土壤有機(jī)碳、氮儲量和分配及其對植物群落結(jié)構(gòu)變化的響應(yīng)研究還缺乏報(bào)道，這在一定程度上限制了我們對高寒生態(tài)系統(tǒng)碳、氮過程的認(rèn)識。因此，有必要開展喬灌交錯(cuò)區(qū)不同林型地表有機(jī)碳、全氮儲量與分配特征的影響研究。

本文以青藏高原東緣岷江源頭區(qū)的一個(gè)典型的高寒針葉林—灌叢垂直分布帶為研究對象，調(diào)查3個(gè)海拔梯度上典型植被類型的地被物與土壤的有機(jī)碳、全氮儲量及分配特征，以期為科學(xué)管理青藏高原東緣群落交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)碳匯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學(xué)院設(shè)立在四川省阿壩州松潘縣川主寺鎮(zhèn)卡卡山，地理坐標(biāo)為32°58′N,103°40′E，海拔范圍2 800 ～4 000 m，距離岷江源3.5 km。山體坡度介于20°～50°。氣候類型為典型的高原山地氣候，晝夜溫差大。年平均溫度為4.8 ℃，年平均降水量693 mm，且主要集中于5—8月。季節(jié)性凍土期長達(dá)5個(gè)月。研究區(qū)域主要土壤類型為棕色針葉林土和高山草甸土，土層較薄。山體植被喬木層植物主要有岷江冷杉、川西云杉、方枝柏(Sabinasaltuaria)等。灌木層植物主要有窄葉鮮卑花、高山柳、峨眉薔薇(Rosaomeiensis)、高山繡線菊(Spiraeaalpina)、金露梅(Potentillafruticosa)、刺黑珠(Berberissargentiana)等。草本層植物主要有矮生蒿草(Kobresiahumilis)、羊茅(Festucaovina)、紅花綠絨蒿(Meconopsispunicea)、條紋龍膽(Gentianastriata)、黃花野青茅(Deyeuxiaflavens)、鐘花報(bào)春(Primulasikkimensis)、長葉火絨草(Leontopodiumlongifolaris)等。苔蘚層植物主要有錦絲蘚(Actinothuidiumhookeri)、塔蘚(Hylocomsplendens)和地錢(Marchantiaceae)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用平行樣帶法收集地被物和土壤層樣品。于2017年10月下旬在研究區(qū)域內(nèi)選擇具有代表性的典型針葉林—灌叢交錯(cuò)帶，平行于等高線從低海拔至高海拔依次經(jīng)窄葉鮮卑花灌叢(海拔3 300 m)、喬灌(川西云杉—窄葉鮮卑花，海拔3 380 m)和川西云杉針葉林(海拔3 450 m)分別設(shè)置一條寬30 m的平行樣帶。然后在每一植被類型的平行樣帶內(nèi)設(shè)置3個(gè)重復(fù)的樣方，其中，在灌叢和喬灌樣帶設(shè)置樣方面積為10 m ×10 m，在針葉林樣帶設(shè)置樣方面積為20 m ×20 m，分別調(diào)查各樣帶內(nèi)植物物種組成、平均高度、蓋度等因子。各研究點(diǎn)地理特征和植被基本特征詳情見表1。

表1 青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶植被基本特征

然后，在各平行樣帶內(nèi)的每一個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)布設(shè)4個(gè)20 cm ×20 cm采樣點(diǎn)，分別收集各采樣點(diǎn)內(nèi)地表枯落物和苔蘚，并記錄其厚度。在灌叢樣方內(nèi)，由于苔蘚的厚度和蓋度過低，因而將地表苔蘚與枯落物合并收集，并標(biāo)記為地被物層。在喬灌和針葉林樣帶，分別收集各采樣點(diǎn)內(nèi)地表苔蘚和枯落物，并分別標(biāo)記。將所收集的地被物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，于65℃下烘干并稱重，用于計(jì)算單位面積內(nèi)苔蘚和枯落物的儲量。烘干的苔蘚和枯落物樣品研磨后用于測定有機(jī)碳、全氮含量。

地被物樣品收集完成后，在每個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)用環(huán)刀分別采集0—10 cm,10—20 cm和20—30 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，用于土壤容重的測定。另外，在每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆再采集1份0—10 cm,10—20 cm和20—30 cm土壤樣品，風(fēng)干、研磨、過篩后，用于測定土壤有機(jī)碳、全氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)與方法

交錯(cuò)帶地被物和土壤樣品有機(jī)碳、全氮含量均使用C,N元素分析儀(MACRO cube,Elementar,Germany)測定。

交錯(cuò)帶苔蘚和枯落物單位面積有機(jī)碳、全氮儲量采用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

Si=Bi×Ci×10-3

式中:Si為交錯(cuò)帶苔蘚和枯落物有機(jī)碳、全氮儲量(t/hm2);Bi為交錯(cuò)帶苔蘚和枯落物單位面積生物量(t/hm2);Ci為交錯(cuò)帶苔蘚和枯落物有機(jī)碳、全氮含量(g/kg)。交錯(cuò)帶地被物有機(jī)碳、全氮儲量為苔蘚和枯落物有機(jī)碳、全氮儲量之和。

交錯(cuò)帶0—30 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量為各層土壤有機(jī)碳、全氮儲量之和。各層土壤有機(jī)碳、全氮儲量采用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

Sj=Cj×Dj×Ej×(1-Gj)×10-1

式中:Sj為第j層土壤有機(jī)碳、全氮儲量(t/hm2);Cj為第j層土壤有機(jī)碳、全氮含量(g/kg);Dj為第j層土壤容重(g/cm3);Ej為第j層土壤厚度(cm);Gj為第j層礫石占土壤體積的百分比(%)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行不同林型間苔蘚、枯落物、地被物碳氮儲量以及土壤有機(jī)碳、全氮儲量差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，采用雙因素方差分析(two-factor ANOVA)檢驗(yàn)土層、林型對土壤有機(jī)碳、全氮儲量的影響(α=0.05)。所有統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS 20.0中進(jìn)行，作圖使用Origin 9.0軟件完成。圖表中的數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 林型地被物有機(jī)碳、全氮儲量

由圖1可知，青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶不同林型地被物有機(jī)碳、全氮儲量具有顯著差異，3個(gè)林型地被物有機(jī)碳儲量大小順序表現(xiàn)為喬灌(28.73 t/hm2)>針葉林(19.96 t/hm2)>灌叢(5.31 t/hm2);全氮儲量大小順序也表現(xiàn)為喬灌(0.96 t/hm2)>針葉林(0.54 t/hm2)>灌叢(0.12 t/hm2)。在灌叢林地，由于苔蘚的蓋度和厚度過低，沒有進(jìn)一步區(qū)分苔蘚和枯落物。而在喬灌和針葉林中，苔蘚有機(jī)碳儲量分別為17.21,11.75 t/hm2，均大于枯落物碳儲量。喬灌林地苔蘚全氮儲量與枯落物差異不顯著，而針葉林苔蘚全氮儲量顯著低于枯落物。

2.2 林型土壤碳、氮儲量

由圖2和表2可知，青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶不同林型土壤有機(jī)碳、全氮含量差異顯著，土壤有機(jī)碳含量大小順序表現(xiàn)為喬灌>針葉林>灌叢，土壤全氮含量大小順序則表現(xiàn)為喬灌>灌叢>針葉林。3個(gè)林型土壤有機(jī)碳和全氮含量均表現(xiàn)為隨土層的加深而顯著降低。林型與土層的交互作用對交錯(cuò)帶土壤有機(jī)碳、全氮含量也有顯著影響。

注:CF為針葉林;FS為喬灌;SH為灌叢.不同小寫字母表示不同林型間差異顯著(p<0.05)，下同。

圖2 青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型0-30 cm土壤有機(jī)碳、全氮含量

青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶不同林型間0—30 cm土壤容重差異顯著。灌叢土壤容重顯著高于針葉林和喬灌，3個(gè)林型土壤容重均隨土層深度增加而顯著增加(圖3和表2)。3個(gè)林型0—30 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量具有顯著差異(圖4和表2)。其中，灌叢土壤有機(jī)碳儲量(148.37 t/hm2)顯著高于針葉林(118.19 t/hm2)和喬灌(114.93 t/hm2)，而土壤全氮儲量大小順序則表現(xiàn)為灌叢(19.53 t/hm2)>喬灌(14.60 t/hm2)>針葉林(11.79 t/hm2)。土層對3個(gè)林型土壤有機(jī)碳、全氮儲量也有顯著影響，10—20 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量顯著高于0—10 cm和20—30 cm土壤。

圖3 青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型0-30 cm土壤容重

圖4 青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型0-30 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量

表2 雙因素方差分析

2.3 林型地表有機(jī)碳、全氮儲量與分配

由圖5可知，綜合地被物和土壤有機(jī)碳、全氮儲量，青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型地表有機(jī)碳、全氮儲量在不同林型間差異顯著，有機(jī)碳儲量表現(xiàn)為灌叢(153.68 t/hm2)>喬灌(143.66 t/hm2)>針葉林(138.15 t/hm2)，全氮儲量也表現(xiàn)為灌叢(19.66 t/hm2>喬灌(15.56 t/hm2)>針葉林(12.33 t/hm2)。交錯(cuò)帶不同林型地被物和土壤有機(jī)碳、全氮分配顯著不同。其中，0—30 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量顯著高于地被物，分別占總儲量的80.0%～96.5%和93.8%～99.3%。

圖5 青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型地表有機(jī)碳、全氮儲量及分配

3 討 論

3.1 林型地被物有機(jī)碳、全氮儲量特征

群落交錯(cuò)帶往往具有較高的物種多樣性，對光照、空間等資源的利用率較高，群落生產(chǎn)力也較高，其地被物的厚度和儲量也顯著高于其他樣帶，因而蘊(yùn)含著較高的地表碳、氮庫[13]。

本研究中，青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型地被物有機(jī)碳和全氮儲量具有顯著差異，其中喬灌地被物有機(jī)碳和全氮儲量最大，針葉林次之，而灌叢最小(圖1)，與灌叢—草地交錯(cuò)帶的研究結(jié)果相似[14]。這主要是因?yàn)閱坦鄡?nèi)植被覆蓋度較高，大量的高山柳、峨眉薔薇等闊葉灌叢混入云杉針葉林內(nèi)，林下草本層植物和苔蘚發(fā)育完全[15]，喬—灌—草空間分布格局使喬灌林地對光照、空間等資源利用率最高，因而喬灌地被物有機(jī)碳和全氮儲量最高。云杉針葉林草本層植物多樣性與覆蓋度雖然較低，但是森林地表積累了大量低質(zhì)量的針葉凋落物和枯枝，且常年低溫的林內(nèi)環(huán)境條件不利于枯落物的分解，而且陰濕的環(huán)境條件適宜苔蘚的生長，因而有利于地被物的積累和有機(jī)碳、氮的固存。本研究還發(fā)現(xiàn)，喬灌枯落物和苔蘚有機(jī)碳和全氮儲量顯著高于針葉林。這表明灌叢混入針葉林可能會提高生態(tài)系統(tǒng)枯落物和苔蘚碳、氮固存能力。而灌叢林地草本層物種多樣性較低，同時(shí)受到不同程度的放牧和人類活動(dòng)的干擾，植被覆蓋度不如喬灌和針葉林[16]，導(dǎo)致其枯落物儲量最低。而且灌叢林地內(nèi)的環(huán)境條件也不適宜于苔蘚的發(fā)育，其地被物有機(jī)碳、全氮儲量顯著低于喬灌和針葉林。加之灌叢林地海拔最低，土壤溫度和空氣溫度較高，而闊葉灌叢和草本層枯落物的基質(zhì)質(zhì)量較高，這均有利于枯落物分解[17]。因此，灌叢林地地被物有機(jī)碳、全氮儲量最低。

3.2 林型土壤有機(jī)碳、全氮儲量特征

森林土壤有機(jī)碳、氮庫在調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)和緩解全球氣候變化中起著十分重要作用[18]。深入了解青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶表層土壤有機(jī)碳、全氮儲量特征有助于認(rèn)識青藏高原高寒區(qū)域土壤碳、氮循環(huán)過程。本研究中，林型和土層顯著影響喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型土壤有機(jī)碳和全氮含量。其中，喬灌土壤有機(jī)碳、全氮含量均最高(圖2)，這主要是因?yàn)閱坦嗔謨?nèi)枯落物儲量最大，地表枯落物通過淋溶、礦化分解等過程向土壤中輸入大量有機(jī)質(zhì)，是森林土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源[19]。喬灌表層土壤中存在大量的闊葉灌叢根系，其死亡與周轉(zhuǎn)向土壤中輸入大量的有機(jī)質(zhì)。而針葉林和灌叢的有機(jī)碳含量與全氮含量特征不一致則說明了不同植被類型對土壤碳和氮素的利用率不同，也可能是不同植被類型影響了土壤有機(jī)碳、氮的轉(zhuǎn)化過程[20]。3個(gè)林型土壤有機(jī)碳、全氮含量均表現(xiàn)為隨土層深度增加而顯著降低(圖2)，王艷麗等[21]在青海省不同森林生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榭萋湮锏V化分解中有機(jī)質(zhì)淋溶過程隨土層深度增加而降低[22]，因而枯落物對土壤有機(jī)碳、氮含量的影響程度隨土層深度增加而顯著降低。以上結(jié)果說明，青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶不同林型土壤有機(jī)質(zhì)輸入存在很大差異，森林群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換將可能顯著影響地表碳、氮過程。

土壤有機(jī)碳、全氮儲量受土壤有機(jī)碳含量和土壤容重的綜合影響[23]。本研究中，灌叢土壤有機(jī)碳儲量顯著高于針葉林和喬灌，而土壤全氮儲量表現(xiàn)為灌叢>喬灌>針葉林(圖4)。雖然針葉林和喬灌林地0—30 cm土壤有機(jī)碳、全氮含量較高，但是其土壤容重明顯低于灌叢林地，因此針葉林和喬灌土壤有機(jī)碳、全氮儲量不如灌叢林地高，這說明在交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)土壤容重是影響土壤有機(jī)碳、全氮儲量的主要因素。雖然針葉林地被物儲量較高，但是林內(nèi)低溫環(huán)境條件限制了其分解和周轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其向土壤輸入的有機(jī)質(zhì)數(shù)量不如喬灌和灌叢林地。本研究還發(fā)現(xiàn)，土層對交錯(cuò)帶3個(gè)林型土壤有機(jī)碳、全氮儲量也存在顯著影響(圖4),10—20 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量顯著高于0—10 cm和20—30 cm土壤。雖然0—10 cm土壤有機(jī)碳和全氮含量最高，但是由于其土壤容重較小，土壤有機(jī)碳和氮素易受淋溶作用的影響而向下層土壤遷移;而10—20 cm土壤容重較大，有利于土壤有機(jī)碳和氮素的駐留[24]。

3.3 林型地表有機(jī)碳、全氮儲量分配特征

喬灌交錯(cuò)帶3個(gè)林型地表有機(jī)碳、全氮儲量均表現(xiàn)為灌叢>喬灌>針葉林。0—30 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量顯著高于地被物(圖5)，這說明土壤層是交錯(cuò)帶地表有機(jī)碳、全氮存儲的優(yōu)勢層，這與劉順等[7]在川西亞高山不同森林生態(tài)系統(tǒng)中的研究結(jié)果相似。植被層物種組成對地表枯落物儲量和苔蘚的發(fā)育起著決定作用，同時(shí)對表層土壤碳、氮過程具有重要影響，因而交錯(cuò)帶不同林型地表有機(jī)碳和全氮儲量差異顯著。青藏高原高寒灌叢植物群落擴(kuò)張可能通過提高地被物和表層土壤有機(jī)碳、全氮儲量進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)地表碳、氮循環(huán)過程。

4 結(jié) 論

青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶內(nèi)地被物有機(jī)碳、全氮儲量大小順序表現(xiàn)為喬灌>針葉林>灌叢。受土壤容重和土壤有機(jī)碳、全氮含量的共同影響，灌叢土壤有機(jī)碳儲量顯著高于針葉林和喬灌，而土壤全氮儲量大小順序則表現(xiàn)為灌叢>喬灌>針葉林。交錯(cuò)帶3個(gè)林型10—20 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量也顯著高于0—10 cm和20—30 cm土壤。綜合地被物和土壤有機(jī)碳、全氮儲量，交錯(cuò)帶地表有機(jī)碳、全氮儲量大小順序均表現(xiàn)為灌叢>喬灌>針葉林，0—30 cm土壤有機(jī)碳、全氮儲量顯著高于地被物，是地表碳、氮存儲的優(yōu)勢層。

以上研究結(jié)果表明，受森林植物群落結(jié)構(gòu)和物種組成改變的影響，青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶地被物和土壤有機(jī)碳和全氮儲量將發(fā)生明顯的變化。灌叢向針葉林方向擴(kuò)張將顯著增加地被物和土壤有機(jī)碳、全氮儲量，提高該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)地表有機(jī)碳和全氮的固存能力。以上研究結(jié)果可為深入認(rèn)識青藏高原東緣喬灌交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)碳匯過程提供基礎(chǔ)依據(jù)。