祁連山中段典型植被土壤有機(jī)碳密度研究

馬 劍 ，金 銘 ，敬文茂 ，王順利 ，趙維俊 ，王榮新 ，任小鳳 ，趙晶忠 ，呼海林

（1. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；2. 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000；3. 甘肅省祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 張掖 734000；4. 祁連山自然保護(hù)區(qū)西水自然保護(hù)站，甘肅 張掖 734000）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫，其有機(jī)碳儲量大約是大氣碳庫的2 倍，植物碳庫的3倍[1]，土壤碳庫的微小變化即能引起大氣中CO2濃度巨大的變化，因此在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中有著極為重要的作用[2-3]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生物圈的主體，維持著約73%的土壤碳庫[4]，森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球碳循環(huán)中起著源、匯、庫的作用[5]，其有機(jī)碳儲量的變化影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡，是引起大氣碳庫和全球氣候變化的主要因素[6]。因此，開展森林土壤有機(jī)碳密度變化研究的意義重大。植被類型差異導(dǎo)致凋落物量和根系生物量不同，使土壤表層及內(nèi)部形成不同的微氣候，通過作用于土壤微生物影響土壤有機(jī)碳輸入和輸出過程[7]，導(dǎo)致不同植被類型間土壤碳儲量和密度差異顯著[8]；土壤理化特性在局部范圍內(nèi)影響土壤有機(jī)碳的含量[9]，土層深度不同，土壤容重、土壤pH 值以及土壤溫度、濕度等特性存在差異，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量也不同[10]。因此植被類型與土層深度對土壤有機(jī)碳儲量的影響不容忽視，研究不同植被條件和不同土層條件下的森林土壤有機(jī)碳是預(yù)測和分析全球碳循環(huán)的重要組成部分[11-12]。

已有學(xué)者對祁連山區(qū)森林土壤有機(jī)碳含量、密度及其分布特征進(jìn)行了研究[13-16]，但研究多圍繞單一植被類型進(jìn)行，對不同植被類型下土壤有機(jī)碳儲量及密度的研究較少，這在一定程度上影響了祁連山區(qū)森林土壤有機(jī)碳密度的精確估算。祁連山排露溝流域植被呈板塊格局分布，即青海云杉林分布于陰坡、半陰坡，灌叢分布于陰坡、半陰坡，緊鄰青海云杉林，而草地僅分布于陽坡，3 種植被類型是祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[17]。研究這3種典型植被類型的土壤有機(jī)碳密度，不僅有助于深入了解祁連山區(qū)森林土壤碳儲量，而且對準(zhǔn)確估算該地區(qū)森林土壤有機(jī)碳密度有著十分重要的意義。為此，本研究選擇祁連山排露溝流域的3 種典型植被為研究對象，采用野外調(diào)查取樣和室內(nèi)分析結(jié)合的方法，研究了不同植被類型土壤有機(jī)碳含量及密度的分布規(guī)律，以期為祁連山區(qū)土壤碳庫的科學(xué)管理及精確估算提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山中段的排露溝流域，地理位置 100°17′～ 100°18′E，38°32′～ 38°33′N，流域總面積2.85 km2，海拔2 600 ～3 800 m，年平均氣溫-0.6 ～2.0 ℃，年平均相對濕度為60%，屬高寒半干旱山地森林草原氣候[18-19]。流域內(nèi)土壤類型主要有山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土。建群樹種青海云杉分布在海拔2 600 ～3 300 m 的陰坡、半陰坡，與陽坡草地犬齒交錯(cuò)分布；灌木優(yōu)勢種有金露梅Potentilla fruticasa、鬼箭錦雞兒Caragana jubata和吉拉柳Salix gilashanica等，草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum、黑穗苔Carexatrata和針茅Stipa等[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集及測定

依據(jù)研究區(qū)植被分布狀況，選取研究區(qū)內(nèi)具有代表性的青海云杉林、灌木林和草地等3 種典型植被為研究對象。采用典型樣地法，在每個(gè)類型內(nèi)選擇海拔、坡度、坡向等立地條件相似的坡面建立3 個(gè)大小為20 m×20 m 的調(diào)查樣地，然后在每個(gè)樣地內(nèi)采用柵格法把整個(gè)樣地劃分為5 m×5 m 的小樣格，對樣格內(nèi)植被的高度、蓋度、冠幅等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查，樣地基本情況見表1。2015年生長季5—9 月，在每個(gè)樣地內(nèi)沿對角線方向挖3 個(gè)土壤剖面，首先對土壤濕度、土壤顏色、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、礫石含量等情況進(jìn)行調(diào)查記錄，然后用200 cm3的環(huán)刀分別采集0 ～10、10 ～ 20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 的土壤樣品，裝入密封袋內(nèi)，用于測定土壤容重。同時(shí)在每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集 0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40 和40 ～60 cm 土層的土樣，每一層次取3 個(gè)重復(fù)，將每個(gè)層次的土樣放在塑料布上，將殘根、石塊等摘干凈，混勻得到混合土樣。所采集的土樣，用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后，磨細(xì)，取部分土樣過2 mm 土壤篩，用于測定土壤有機(jī)碳含量[21]。

表1 樣地基本情況Table 1 The general characteristics of sample plots

1.2.2 土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算

土壤有機(jī)碳密度代表單位面積土壤有機(jī)碳的質(zhì)量，某一土層有機(jī)碳密度用以下公式[22]計(jì)算：

式（1）中：SOCi是第i層土壤有機(jī)碳密度（kg·m-2），Ci、Di、Bi、Gi分別為第i層土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1）、土層厚度（cm）、土壤容重（g·cm-3）及粒徑大于2 mm 礫石的體積百分含量（%）。

如果土壤剖面由n個(gè)土層組成，則該土壤剖面的有機(jī)碳密度采用以下公式計(jì)算：

采用以下公式計(jì)算每層土壤單位面積有機(jī)碳儲量占總有機(jī)碳儲量的百分比：

為了便于比較分析各層土壤有機(jī)碳密度，各采樣間隔土層厚度Di均按10 cm 計(jì)算，以便消除各土層不同采樣深度的干擾。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 軟件整理、計(jì)算數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用單因素方差分析法分析不同植被和不同土層間土壤有機(jī)碳含量及密度的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量及分布特征

由表2 可知，3 種植被類型0 ～60 cm 土壤平均有機(jī)碳含量為31.74 ～65.19 g·kg-1，其中青海云杉林土壤平均有機(jī)碳含量最大，為65.19 g·kg-1，分別是灌木林和草地的1.43、2.05 倍，草地土壤平均有機(jī)碳含量最小，為 31.74 g·kg-1。0 ～ 60 cm 土壤有機(jī)碳含量均值由大到小表現(xiàn)為青海云杉林＞灌木林＞草地，青海云杉林與灌木林、草地之間差異顯著（P＜0.05），而灌木林與草地之間差異不顯著（P＞0.05）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，3 種植被類型變異系數(shù)介于6.56%～16.79%之間，灌木林土壤平均有機(jī)碳含量的變異系數(shù)最大，為16.79%，說明灌木林土壤平均有機(jī)碳含量的變異程度較其他2 種植被更為劇烈。

表2 不同植被類型土壤有機(jī)碳含量?Table 2 Soil organic carbon content of different vegetation types

由表2 可知，3 種植被類型土壤有機(jī)碳剖面分布亦存在差異。青海云杉林土壤有機(jī)碳含量為56.28 ～83.85 g·kg-1，灌木林土壤有機(jī)碳含量為36.46 ～63.56 g·kg-1，草地土壤有機(jī)碳含量為19.95 ～48.49 g·kg-1。其中隨土層的加深，青海云杉林土壤有機(jī)碳含量先增大后減小，整體上呈增大的趨勢，0 ～10 cm 土層有機(jī)碳含量最低，為56.28 g·kg-1，10 ～ 20 cm 土層有機(jī)碳含量最高，為83.85 g·kg-1，與其它土層差異顯著（P＜0.05），這可能與研究區(qū)青海云杉林土壤質(zhì)地、根系分布及返還到土壤中的有機(jī)物等有關(guān)；灌木林和草地0 ～10 cm 土層有機(jī)碳含量高于其他土層，其中灌木林0 ～10 cm 土層有機(jī)碳含量分別是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土層的 1.49、1.60 和 1.74 倍，草地0 ～10 cm 土層有機(jī)碳含量分別是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土層的 1.52、1.83 和 2.43 倍，2 種植被類型0 ～10 cm 土層與其他土層差異均顯著（P＜0.05），說明這2 種植被土壤有機(jī)碳具有明顯的“表聚現(xiàn)象”，地表凋落物對表層有機(jī)碳的積累起著重要作用。隨著土層的加深，灌木林和草地土壤有機(jī)碳含量逐漸減小。

2.2 土壤有機(jī)碳密度及分布特征

土壤有機(jī)碳密度大小主要取決于土壤有機(jī)碳含量和土壤容重2 個(gè)重要參數(shù)[23]。在不同的植被類型中，由于根系分布、凋落物分解和人為干擾的影響，土壤有機(jī)碳含量和土壤體積質(zhì)量都會發(fā)生變化，因此土壤碳密度也會發(fā)生變化[24]。由表3 可以看出，0 ～60 cm 土壤平均有機(jī)碳密度變化范圍為 12.61 ～ 18.65 kg·m-2。3 種植被類型中，青海云杉林土壤平均有機(jī)碳密度最大，為18.65 kg·m-2，草地土壤平均有機(jī)碳密度最小，為12.61 kg·m-2，各植被類型土壤平均有機(jī)碳密度由大到小表現(xiàn)為青海云杉林＞灌木林＞草地，青海云杉林與灌木林之間差異不顯著（P＞0.05），但與草地差異顯著（P＜0.05），青海云杉林平均土壤有機(jī)碳密度分別是灌木林和草地的1.2 和1.7 倍。就變異系數(shù)而言，灌木林土壤有機(jī)碳密度變異最大，為16.82%，而青海云杉林土壤有機(jī)碳密變異最小，僅為7.09%，說明青海云杉林下土壤有機(jī)碳密度的變異程度最小，而灌木林土壤有機(jī)碳密度的變異程度較其他2 種植被更為劇烈。這可能與青海云杉林、灌木林林下植被根系分布、動物活動、溶解性有機(jī)碳的移動以及人為活動等許多因素的空間差異有關(guān)。

由表3 還可看出，3 種植被類型土壤10 cm 厚度的有機(jī)碳密度垂直分布存在差異。對青海云杉林而言，隨著土層的加深，有機(jī)碳密度呈先增加后減小趨勢，表層0 ～10 cm 土壤平均有機(jī)碳密度最小，為2.59 kg·m-2，10 ～20 cm 土壤平均有機(jī)碳密度最大，為 6.20 kg·m-2，10 ～ 60 cm 土壤平均有機(jī)碳密度顯著大于表層。灌木林和草地土壤平均有機(jī)碳密度均隨土層加深呈減小趨勢，0 ～10 cm 土層土壤平均有機(jī)碳密度高于其他土層。其中灌木林0 ～10 cm 土層有機(jī)碳密度分別是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土層的 1.27、1.26 和 1.04 倍，草地0 ～10 cm 土層有機(jī)碳密度分別是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 土層的 1.50、1.33 和 1.30 倍，2 種植被類型 0 ～ 10 cm 土層與 20 ～ 60 cm 土層差異顯著（P＜0.05）。由此可以看出土壤有機(jī)碳密度與有機(jī)碳含量變化趨勢一致，也表現(xiàn)出了很強(qiáng)的表聚性，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳密度在20 ～40、40 ～60 cm 土層間差異不顯著（P＞0.05），說明20 cm 土層以下，由于土壤受枯落物、植物根系和人為活動的影響較小，土壤有機(jī)碳密度相對穩(wěn)定。

表3 不同植被類型土壤有機(jī)碳密度Table 3 Soil organic carbon density of different vegetation types

3 種植被類型各土層土壤有機(jī)碳密度占全剖面（0 ～60 cm）土壤密度的比例見圖1。由圖1可知，0 ～20 cm 土層有機(jī)碳密度所占比例大小順序?yàn)椴莸兀?8.6%）＞灌木林（42.1%）＞青海云杉林（36.3%），平均為40.5%。20 ～40 cm土層有機(jī)碳密度所占比例大小順序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂郑?6.2%）＞灌木林（29.5%）＞草地（29.1%），平均為31.6%。40 ～60 cm 土層有機(jī)碳密度所占比例大小順序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂郑?3.0%）＞灌木林（28.4%）＞草地（22.4%），平均為27.9%。可見，3 種植被類型0 ～20 cm 土層儲存的有機(jī)碳均大于其它土層，其所占比重變化范圍為36.3%～48.6%。隨土層的加深，3 種植被類型土壤有機(jī)碳所占比重變化存在差異，其中青海云杉林土壤有機(jī)碳所占比重介于30.84%～36.15%之間，變化幅度相對較?。还嗄玖趾筒莸赝寥烙袡C(jī)碳所占比重隨土層加深逐漸減小，40 ～60 cm 土壤有機(jī)碳所占比例最小。3 種植被類型0 ～40 cm 土層有機(jī)碳密度占整個(gè)剖面的60%以上（66.99%～77.56%）。

圖1 不同植被類型各土層有機(jī)碳密度占全剖面（0 ～60 cm）土壤密度的比例Fig. 1 Percentages of soil organic carbon density of soil layer in whole vertical section (0-60 cm) in different vegetation types

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

1）3 種植被類型0 ～60 cm 土層土壤有機(jī)碳含量和密度均表現(xiàn)為青海云杉林＞灌木林＞草地。說明在同一區(qū)域不同植被類型土壤有機(jī)碳儲存和積累存在差異，祁連山區(qū)青海云杉林更有利于土壤有機(jī)碳的儲存和積累。

2）不同植被類型土壤有機(jī)碳含量及密度垂直分布具有較為明顯的層次性，但不同植被類型存在差異。青海云杉林土壤有機(jī)碳含量及密度隨土層加深呈先增大后減小趨勢，灌木林和草地土壤有機(jī)碳含量及密度在表層（0 ～10 cm）最大，隨土層加深逐漸減小，說明這2 種植被土壤有機(jī)碳含量及密度具有明顯的“表聚作用”。

3）3 種植被類型0 ～40 cm 土層有機(jī)碳密度占整個(gè)剖面的60%以上（66.99%～77.56%），說明研究區(qū)40 cm 以下土壤有機(jī)碳密度較小，在以后的研究中應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)對表層土壤的研究。

3.2 討 論

土壤碳庫含量受植被凋落物分解輸入和土壤本身呼吸作用輸出的影響[25]。森林類型或植被組成不僅直接影響凋落物的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且間接影響土壤微生物活動的微環(huán)境[26]。植被類型不同，其物種組成、凋落物類型、產(chǎn)量和質(zhì)量也不同，對森林土壤碳匯/源功能的影響也不同[27]。本研究發(fā)現(xiàn)3 種植被類型土壤有機(jī)碳含量大小順序?yàn)闉榍嗪Ｔ粕剂郑竟嗄玖郑静莸?，這是因?yàn)? 種植被類型雖處在同一個(gè)海拔地段，但是青海云杉林分布在陰坡，且由于樹冠遮蔽造成林內(nèi)溫度相比其他兩種植被要低，加上林內(nèi)濕度較大，抑制了土壤中微生物的活性，很大程度地影響了土壤中動物殘?bào)w和植物殘?bào)w的分解與釋放，最終大部分的殘?bào)w以有機(jī)物的形式沉積在土壤里面，而草地分布在陽坡，其土壤表面溫度較高，濕度相對較低，加速了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，不利于土壤有機(jī)碳的積累。植被類型對土壤有機(jī)碳分布有著重要的影響，本研究僅選擇研究區(qū)海拔2 900 m 處的3 種典型植被研究了土壤有機(jī)碳的分布情況，盡管這3種植被類型是組成祁連山森林植被的重要部分，但為了更全面地反映研究區(qū)不同植被類型土壤有機(jī)碳的分布情況，應(yīng)在以后的研究中根據(jù)植被的分布狀況布設(shè)更多的樣地進(jìn)行研究，從而提高結(jié)果的可信度。

受凋落物、根系分布以及人為活動的影響，土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征存在差異，其中青海云杉林土壤有機(jī)碳含量呈先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)閷η嗪Ｔ粕级?，地上凋落物是土壤有機(jī)碳輸入的主要方式，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域青海云杉林腐殖質(zhì)層厚度為10 ～20 cm，該土層形成了明顯的有機(jī)質(zhì)層，土壤有機(jī)碳含量較高；隨著土層深度的增加，青海云杉根系的密度逐漸減小，再者土壤水分含量逐漸減小，土壤溫度逐漸降低，土壤微生物活性受到抑制，土壤有機(jī)碳含量減小。此研究結(jié)果與趙維俊等[28]在祁連山大野口流域的研究稍有不同。造成這種差異的原因是，盡管研究都在祁連山地區(qū)進(jìn)行，但是不同的研究區(qū)域其海拔、氣溫、降水、植被等條件存在差別，而土壤有機(jī)碳的分布不僅與植被類型有關(guān)，而且與氣候、土壤質(zhì)地、土壤性質(zhì)及人為活動有密切的關(guān)系。因此，即使研究區(qū)域相同、植被類型相同，但研究地點(diǎn)不同其結(jié)果也可能存在差異。灌木林和草地土壤有機(jī)碳含量隨土層加深呈逐漸減小的趨勢，這與王鳳等[29]、袁子茹等[30]的研究結(jié)果相似。研究區(qū)灌木林主要有金露梅、苔草、老鸛草等組成，林下的草本比較茂盛，物種豐富，凋落物構(gòu)成豐富，分解速度快，一定程度上增加了碳源的輸入，且地下淺層根系密集，土壤養(yǎng)分富集，表層有機(jī)碳含量較高；隨著土層的加深，灌木林根系數(shù)量減少，土壤透氣性降低，微生物分解活性減弱，土壤有機(jī)碳含量減小。根系是草地土壤有機(jī)碳輸入的主要形式，且在半干旱山區(qū)，土壤水分對草地土壤有機(jī)碳的累積起到主導(dǎo)作用[13]，隨著土層深度的增加，根系分布減少，土壤水分含量逐漸降低，土壤有機(jī)碳含量逐漸減小。土壤有機(jī)碳的垂直分布受眾多因素的影響，本研究只是簡單分析了不同植被類型土壤有機(jī)碳的剖面分布規(guī)律，而沒有同步監(jiān)測氣溫、降水、土壤屬性等因子，進(jìn)而研究土壤有機(jī)碳垂直分布差異的內(nèi)在機(jī)理，這在往后的研究中需要加強(qiáng)。

本研究還發(fā)現(xiàn)，0 ～20 cm 和0 ～40 cm 土層有機(jī)碳密度分別占整個(gè)剖面的40.5%和72.7%，這接近于秦嶺地區(qū)（46.14%以上和73.31%以上）[31]，但是低于重慶縉云山（49.85%以上和82.65%以上））[32]、大興安嶺（0 ～10 cm 土層84.70%以上）[26]和長白山（0 ～40 cm 土層80%以上）[33]。其主要原因可能是該區(qū)域的生長季節(jié)，氣溫相對較高，降雨較多，使得淋溶過程加劇，分解速度變快，從而加速了森林凋落物的分解與輸入，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳溶解并向下層轉(zhuǎn)移；再者，在雨水沖刷過程中，部分土壤有機(jī)碳以二氧化碳的形式礦化釋放到大氣中，減少了土壤有機(jī)碳總量[34]。