北京海坨山典型林分土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳密度垂直分布特征

聶浩亮，薄慧娟，張潤(rùn)哲，王 江，聶立水＊，王 丹

(1. 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2. 松山管理處，北京 延慶 102100)

土壤有機(jī)碳是土壤重要組成部分和土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)，又是全球碳循環(huán)的重要組成部分，因而，成為全球氣候變化領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)之一。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫(kù)之一[1-3]。森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為全球土壤碳儲(chǔ)量的73%，約占森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)的2/3[4]。森林土壤碳儲(chǔ)量發(fā)生輕微的變化，可能會(huì)引起CO2濃度的強(qiáng)烈變化[5-6]。

北半球溫帶森林起著重要的碳匯作用[7-9]，并可能導(dǎo)致CO2“失匯”[10]。華北地區(qū)是我國(guó)暖溫帶落葉闊葉林的重要分布區(qū)。土壤碳庫(kù)是森林陸地碳庫(kù)中最重要的一環(huán)，土壤有機(jī)碳含量、垂直分布、碳密度和碳儲(chǔ)量是重要的碳庫(kù)指標(biāo)[11]。許多學(xué)者利用土壤普查數(shù)據(jù)以及剖面分布圖對(duì)華北地區(qū)進(jìn)行區(qū)域或植被尺度土壤碳儲(chǔ)量估算[12-14]，這種估算往往存在一定的偏差，需要依靠林分尺度的研究提供依據(jù)。

林分類型不同，其輸入土壤的枯落物以及根系分泌物也不同，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳積累狀況存在較大差異[15]。目前，關(guān)于華北地區(qū)不同林分類型的土壤有機(jī)碳庫(kù)特征的研究正逐步深入，并有不同的認(rèn)識(shí)。方精云等[16]在東靈山的研究顯示，華北地區(qū)闊葉林和針葉林土壤碳密度差異不大；耿玉清等[17]在北京西山的研究則顯示，闊葉林比針葉林更能積累土壤有機(jī)碳；朱麗平等[18]認(rèn)為，闊葉林下土壤較針葉林有更大的固碳潛力；李娜等[19]在東靈山研究顯示，土壤有機(jī)碳含量大小為白樺林 ＞遼東櫟+棘皮樺混交林 ＞ 遼東櫟林，這與劉國(guó)華等[20]研究得出結(jié)論相同；而王文靜等[21]研究顯示，櫟林下土壤碳儲(chǔ)量高于混交林。

松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)擁有在華北地區(qū)保持完好的典型且豐富的植被類型，天然油松（Pinus tabuliformisCarriere.）林森林生態(tài)系統(tǒng)是保護(hù)區(qū)內(nèi)最具特色的森林群落類型，對(duì)油松林碳儲(chǔ)量及養(yǎng)分垂直分布已有相關(guān)研究[22-24]；保護(hù)區(qū)內(nèi)還分布有胡桃楸(Juglans mandshuricaMaxim.)、山楊(Populus davidianaDode.)、白 樺(Betula platyphyllaSuk.)、榆樹(Ulmus pumilaL.)為主要樹種的暖溫帶落葉闊葉次生林。本研究以5種典型林分為研究對(duì)象，分析林下不同土層土壤有機(jī)碳含量、密度垂直分布特征及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，探討不同林分類型下土壤有機(jī)碳積累與變化規(guī)律，為發(fā)揮森林土壤潛力和應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市西北部延慶區(qū)松山自然保護(hù)區(qū)（115°43′44″～115°50′22″ E，40°29′9″～40°33′35″ N），該區(qū)域地處燕山山脈海坨山南麓，森林覆蓋率87.6%，海拔628～2 198 m。該區(qū)成土母巖多為花崗巖，土壤垂直變化明顯，主要有山地褐土、山地棕壤和山地草甸土。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫8.9℃，年均最低氣溫-27.3℃，年均日照時(shí)數(shù)2 836 h，無霜期約150 d，年降水量493 mm，年蒸發(fā)量1 772 mm。主要喬木樹種有：山杏(Armeniaca sibirica(L.) Lam.)、白樺、油松、核桃楸、榆樹、山楊、遼東櫟(Quercus wutaishanseaMary.)、黑樺(Betula dahuricaPall.)、蒙古櫟(Quercus mongolicaFisch. ex Ledeb.)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

依據(jù)研究區(qū)油松林、針闊混交林（山楊與油松）、核桃秋林、蒙古櫟林、山楊林等5種典型林分類型的分布情況，考慮海拔、坡度、坡位、坡向以及林分密度等對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，在每種林分類型設(shè)面積均為20 m × 20 m的3塊標(biāo)準(zhǔn)地，共計(jì)15塊樣地。分別對(duì)所選標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行相關(guān)因子調(diào)查，樣地基本概況見表1。樣地土壤類型均為棕壤，林分起源均為天然林，林齡組成均為成熟林。

表 1 樣地基本概況Table 1 General characteristics of five stands

2.2 研究方法

2.2.1 野外調(diào)查與采樣 參照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) LY/T 1952—2011（森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法）進(jìn)行土壤野外調(diào)查和樣品采集。在20 m ×20 m的各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按三點(diǎn)布點(diǎn)法，設(shè)置并進(jìn)行土壤剖面挖掘，深度100 cm。土壤剖面層次由上而下劃分為：A、AB、B、BC、C共5層。每個(gè)剖面按層次先下后上采集分析土樣及環(huán)刀樣。將每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)土樣進(jìn)行同層次混合，保留土樣1 kg左右，共計(jì)75 份土壤樣品，作為分析土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。每種林分土壤層次平均深度見表2。

表 2 不同林分土壤層次深度Table 2 Soil genetic horizon depths of different stand types

2.2.2 樣品處理與分析 土壤樣品處理和各理化性質(zhì)分析方法均參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。森林土壤樣品的采集與制備，方法參考LY/T 1210—1999。土壤密度測(cè)定采用環(huán)刀法，方法參考NY/T 1121.4—2006。土壤顆粒組成測(cè)定采用吸管法，方法參考LY/T 1225—1999。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用硫酸-重鉻酸鉀容量法，方法參考LY/T 1237—1999。土壤全氮測(cè)定采用凱氏消煮法，方法參考LY/T 1228—2015

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 取自同一林分不同土壤層次的理化性質(zhì)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值。

由于不同林分類型剖面土層厚度不同，故采用分層法計(jì)算各土層土壤碳密度[25]，公式如下：

式中：SOCS為土壤有機(jī)碳密度（t·hm-2）；Ti為第i層土層厚度（cm）；pi為第i層土壤密度（g·cm-3）；Mi為第i層土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1）；Ci為 ＞ 2 mm的石礫含量（%）；n為剖面土層數(shù)。

因按土壤發(fā)生層進(jìn)行土壤層次劃分，各土壤層次深度均不相同，不便對(duì)土壤碳密度進(jìn)行對(duì)比分析，因此，對(duì)計(jì)算得到的不同林分類型下土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行歸一化處理，即計(jì)算：

單位cm厚度土壤有機(jī)碳密度（t·hm-2）=各層次土壤有機(jī)碳密度/土層厚度

將得到的數(shù)據(jù)分配到指定深度（圖1A），其方塊面積即該土壤層次有機(jī)碳密度，此圖可直觀的研究土壤碳密度的垂直變化；無論土壤層次如何劃分，歸一化處理后也可將多組數(shù)據(jù)置于同一圖中直觀顯示（圖1B），可以對(duì)任意深度土壤碳密度進(jìn)行比較，便于對(duì)比分析，更好的揭示其各自土壤碳密度垂直分布特征。

圖、表與其中數(shù)據(jù)的處理均采用Microsoft Excel及SPSS18.0完成。用單因素方差分析（oneway ANOVA）檢驗(yàn)林分類型和土壤層次對(duì)土壤有機(jī)碳含量和密度的差異顯著性（p＜ 0.05），再用Duncan法進(jìn)行多重比較；用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)有機(jī)碳與理化性質(zhì)因子之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征

表3表明：不同林分類型各土層土壤有機(jī)碳含量為9.35～50.25 g·kg-1，均值為27.42 g·kg-1。100 cm土層土壤有機(jī)碳含量均值不同，山楊林土壤有機(jī)碳含量均值最低，為23.92 g·kg-1，油松林土壤有機(jī)碳含量均值最高，達(dá)30.41 g·kg-1，比山楊林高27%，土壤有機(jī)碳含量均值由小到大排序：山楊林 ＜ 針闊混交林 ＜ 核桃楸林 ＜ 蒙古櫟林 ＜ 油松林。單因素方差分析表明（表3）：除A層核桃楸林與山楊林及AB層蒙古櫟林與針闊混交林土壤有機(jī)碳含量差異不顯著外，林分類型對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量影響顯著（p＜ 0.05）。

圖 1 數(shù)據(jù)歸一化處理后有機(jī)碳分布示意圖Fig. 1 Sketch map of SOC distribution by data standardization

表 3 不同林分類型各土層土壤有機(jī)碳含量 Table 3 The SOC contents of different soil genetic horizons under different forest stands

5種林分類型土壤有機(jī)碳含量有相似的垂直分布趨勢(shì)：從表層向下逐漸降低。（A+AB）層約占土壤總有機(jī)碳含量的57%，B層、BC層和C層分別占土壤總有機(jī)碳含量的19%、15%、10%。單因素方差分析（表3）表明：除核桃楸林BC層與C層差異不顯著外，各土層土壤有機(jī)碳含量差異顯著（p＜ 0.05）。各土層土壤有機(jī)碳含量垂直變化幅度蒙古櫟林最大，為9.35～50.25 g·kg-1，而核桃楸林有機(jī)碳含量變化幅度最小，為19.52～38.42 g·kg-1。

3.2 不同林分土壤有機(jī)碳密度的比較

各林分土壤有機(jī)碳密度為21.4～76.8 t·hm-2（表4）。土壤總有機(jī)碳密度大小排序?yàn)椋荷綏盍?＞ 核桃楸林 ＞ 針闊混交林 ＞ 蒙古櫟林 ＞ 油松林。山楊林土壤總有機(jī)碳密度最高(238.7 t·hm-2)，而油松林最低（215.1 t·hm-2）。各林分上部土層（A+AB）土壤有機(jī)碳密度占總土壤有機(jī)碳密度的35%～40%，其有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較大。

本文使用單位cm厚度來描述土壤有機(jī)碳密度的垂直變化，表5表明：5種林分土壤有機(jī)碳密度自表層向下明顯降低；土壤A層單位cm厚度均值最高為4.26 t·hm-2，分別為AB層、B層、BC層、C層的1.1、1.6、2.2、3.0倍。

3.3 土壤有機(jī)碳與土壤密度、全氮、黏粒含量的相關(guān)性

土壤密度均值大小表現(xiàn)為核桃楸林 ＞ 針闊混交林 ＞ 油松林 ＞ 山楊林 ＞ 蒙古櫟林，隨著土層深度的增加，不同林分類型土壤密度均呈增加的趨勢(shì)（圖2A）；5種林分類型土壤黏粒含量隨土壤深度加深變化規(guī)律較一致，在30～40 cm深度出現(xiàn)明顯的黏粒聚集現(xiàn)象（圖2B）。各林分土壤全氮含量為0.21～4.65 g·kg-1，大小依次為油松林 ＞ 蒙古櫟林 ＞ 針闊混交林 ＞ 核桃楸林 ＞ 山楊林，隨土層深度增加，土壤全氮含量均呈逐漸下降趨勢(shì)，油松林土壤全氮含量明顯高于其它林分（圖2C）。

表 4 不同林分類型下各層次土壤有機(jī)碳密度 Table 4 Soil organic carbon densities of different soil genetic horizons under different forest stands

圖 2 不同林分類型土壤理化性質(zhì)隨土層深度的變化Fig. 2 Changes of soil physical-chemical properties with soil depths under different stand types

以研究區(qū)域內(nèi)不同林分各土層的土壤有機(jī)碳含量平均值與土壤密度、全氮、黏粒含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表6）表明：不同林分土壤有機(jī)碳含量與全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，除山楊林土壤有機(jī)碳含量與土壤黏粒呈極顯著正相關(guān)外，其余林分有機(jī)碳含量與黏粒不顯著相關(guān)。

4 討論

4.1 土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

林分類型對(duì)凋落物產(chǎn)量和分解速率均有顯著影響，進(jìn)而造成其土壤有機(jī)碳存在差異[26]，國(guó)外研究認(rèn)為，植被類型是影響土壤有機(jī)碳垂直分布格局的主要因素[27]，本研究也證明了林分類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的垂直分布有顯著影響。海坨山地區(qū)油松林土壤有機(jī)碳含量均值為30.41 g·kg-1，高于其它4種闊葉林，與高杰等[22]在同地區(qū)測(cè)定的油松林土壤有機(jī)碳含量33.17 g·kg-1類似；而王文靜等[21]在華北地區(qū)對(duì)多種林分類型土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果表明，闊葉林有機(jī)碳含量高于針葉林，與本研究結(jié)果不一致，原因可能是森林土壤有機(jī)碳輸入主要以地上部分凋落物層為主，本研究區(qū)油松林因人為干擾較小，成林時(shí)間較長(zhǎng)，因此，具有相當(dāng)厚度的粗腐殖質(zhì)化枯枝落葉層，增加了微生物活性和數(shù)量，進(jìn)而導(dǎo)致其有機(jī)碳含量較高。本研究區(qū)山楊林土壤有機(jī)碳含量均值最低(23.92 g·kg#8722;1)，而趙偉紅等[28]在冀北測(cè)定的成熟山楊林有機(jī)碳含量也較低(16.56 g·kg#8722;1)，可能由于山楊林下枯枝落葉層較薄，且因其為速生樹種，生長(zhǎng)所需吸收養(yǎng)分較多所致。本研究表明，蒙古櫟林有機(jī)碳含量比核桃楸林及針闊混交林的高，可能是由于櫟林葉片成分更易分解，周轉(zhuǎn)較快所致，這與王棣等[25]在秦嶺獲得的研究結(jié)果一致。前人研究還顯示，土壤有機(jī)碳含量還受地形、坡度等影響[29-31]。多地區(qū)土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)的積累可為進(jìn)一步在植被尺度上估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提供依據(jù)。

表 6 土壤有機(jī)碳(SOC)與土壤密度(BD)、全氮(TN)、黏粒含量（Clay）相關(guān)系數(shù)（n=75） Table 6 Correlation coefficient between soil organic carbon (SOC) content and bulk density (BD)，total nitrogen(TN), clay content of the soils under different forest stands

各林分土壤有機(jī)碳均隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，A+AB土層的土壤有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳含量的57%左右，這與相關(guān)研究結(jié)果一致[32-33]。在森林土壤剖面的層次構(gòu)造中，一般土壤腐殖質(zhì)層的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于淀積層[34]，腐殖化作用明顯，這主要是因?yàn)橥寥辣韺臃e累了大量的枯枝落葉等植物殘?bào)w；同時(shí)，隨著土層深度的增加，植物根系分布減少，有機(jī)質(zhì)來源少[35]。

4.2 不同林分類型土壤有機(jī)碳密度特征

本研究區(qū)森林土壤總有機(jī)碳密度均值為228.4 t·hm-2，遠(yuǎn)高于全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度均值107.8 t·hm-2?？梢?，研究區(qū)5種林分類型土壤有機(jī)碳密度總體較高，這可能與該地區(qū)封山育林等措施較好，生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)比較穩(wěn)定，腐殖質(zhì)腐化程度高有關(guān)。研究證明，森林土壤表層土壤結(jié)構(gòu)合理，枯落物分解較快，碳密度在表層土壤比底層土壤更高[26]。本研究中，山楊林、核桃楸林下土壤有機(jī)碳密度較高，因其土壤養(yǎng)分較高，使微生物活性較高，枯落物易于分解轉(zhuǎn)化；蒙古櫟林、針闊混交林其次；而油松林土壤有機(jī)碳密度最低，雖然油松林有機(jī)碳含量較高，但林分類型對(duì)土壤有機(jī)碳的影響主要在表土，且隨土層深度的增加而下降，因其土層較薄以及土壤密度較小等原因，其總碳密度并不高，這與劉國(guó)華等[20]研究結(jié)果一致。

本研究按發(fā)生層劃分土層，各層次土壤厚度并不一致，不便對(duì)土壤有機(jī)碳密度的垂直分布狀況進(jìn)行研究。故本文引入單位cm厚度來描述土壤有機(jī)碳密度垂直變化，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳密度均隨土層加深而逐漸降低，各林分土壤有機(jī)碳密度具有明顯的表聚性。建立土壤有機(jī)質(zhì)（或碳）含量、密度基于土壤發(fā)生層厚度和固定分層厚度之間的轉(zhuǎn)換，將使過去按土壤發(fā)生層取樣測(cè)定數(shù)據(jù)與現(xiàn)今常用的固定分層測(cè)定數(shù)據(jù)之間更好的對(duì)比分析，使多年的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)可以用到研究土壤有機(jī)碳的長(zhǎng)期變化。

4.3 土壤有機(jī)碳與土壤密度、全氮、黏粒含量的相關(guān)性

土壤有機(jī)碳含量變化是由有機(jī)質(zhì)輸入量及分解速率決定的，其與土壤水熱狀況及物理化學(xué)等因素息息相關(guān)。該研究區(qū)域內(nèi)5種林地均有較完整的土壤發(fā)生層次，土體上松下緊，土壤有機(jī)碳含量與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)，這與Verterdal L等[36]在丹麥的研究結(jié)果相同，在高土壤密度條件下，土壤碳的礦化作用和氮的硝化作用受到抑制[37]。有研究認(rèn)為，土壤有機(jī)碳含量會(huì)隨黏粒含量增加而增多，原因是黏粒含量能增加土壤水分的蓄持能力及對(duì)土壤有機(jī)碳有一定吸附和保護(hù)作用[38]。在本研究中，除山楊林外，其余林分土壤有機(jī)碳含量與土壤黏粒無顯著相關(guān)性，可能由于本研究區(qū)各林分土壤黏粒含量較接近，顯示不出規(guī)律，也可能有其他影響因素起主導(dǎo)作用，有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

海坨山5種不同林分平均土壤總碳密度為228.4 t·hm-2，各林分間土壤總有機(jī)碳密度大小排序?yàn)椋荷綏盍?＞ 核桃楸林 ＞ 針闊混交林 ＞ 蒙古櫟林 ＞油松林。研究表明，森林土壤有機(jī)碳含量及單位cm厚度土壤有機(jī)碳密度均隨土層深度增加而降低；林分類型對(duì)土壤有機(jī)碳垂直分布有顯著影響，且其影響程度隨土壤深度的增加而下降。土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)，與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，除山楊林外與黏粒含量呈不顯著相關(guān)。