伏牛山森林土壤有機(jī)碳儲量的垂直分布及其影響因素

劉誼鋒，田耀武

(河南科技大學(xué) 林學(xué)院，河南 洛陽 471003)

土壤是全球最重要的碳循環(huán)儲層，全球約有1 500 Gt碳以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲存在土壤中[1]，它們占陸地有機(jī)碳總儲量的75%，是大氣碳庫的2倍[2]。森林和草地土壤的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于農(nóng)業(yè)土壤，其重要性不言而喻[3]。雖然全球森林面積只有陸地面積的27%，但森林生態(tài)系統(tǒng)是全球的重要碳庫[4-5]，儲存了全球陸地近60%和全球土壤40%左右的碳[6-8]。植被和土壤是大氣碳匯的重要組成，對減緩全球氣候變化和可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要作用[3,9-11]。 影響土壤有機(jī)碳儲量的因素有海拔、氣候[12-13]、坡向與坡位[14-15]、pH值[16]，地形[17-18]，植被和森林的林齡[19]以及人類和自然干擾[20-21]。制約土壤有機(jī)碳含量的最主要因素是海拔、氣候、植被、地形和剖面深度[22-23]。海拔梯度引起的小氣候主要通過溫度和濕度直接影響土壤有機(jī)碳含量和礦化速率。溫度是控制有機(jī)物分解速率的關(guān)鍵因素之一，年平均氣溫每增加8～9℃，反應(yīng)速率就增加一倍[24]。因此，氣候較冷地區(qū)的土壤由于礦化速率較低通常有機(jī)物含有較高。同樣，土壤有機(jī)碳含量隨著年均降水量的增加而增加。土壤有機(jī)碳含量的變化也與植被有關(guān)，與地上部分相比，草本植物根的質(zhì)量較大，而在森林的大多數(shù)有機(jī)物產(chǎn)生于地上，殘留物更抗分解。

地形也是引起生態(tài)系統(tǒng)特征差異的潛在重要因素[25-26]。山地生態(tài)系統(tǒng)由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和多方相互作用，對氣候變化具有高度的敏感性和脆弱性[28-29]。不同山地的水文和陽光輻射狀況各有不同，這種差異可能影響植被組成和分布模式的差異、土壤形成與有機(jī)質(zhì)分解。坡向還引起空氣溫度和降水的局部變化，而溫度、降水、土壤理化性狀是制約土壤有機(jī)質(zhì)分解速率的主要因子[27]。有機(jī)物作為有機(jī)碳重要儲集層，低溫和較高的降水量對其緩慢分解有利。因此，降水和溫度的微小變化可能會釋放大量的二氧化碳，這是由于和常態(tài)相比，更溫暖、更濕潤的氣候條件下微生物活動更強(qiáng)。過去幾十年，山區(qū)受自然和人為因素的影響更加嚴(yán)重，包括氣候變化、土地利用覆蓋變化、工業(yè)化、城市化和大氣化學(xué)變化[30-32]。經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長對山地森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重大影響，并可能導(dǎo)致因森林砍伐、過度放牧、邊際土壤集約耕作等而促使土壤有機(jī)碳和溫室氣體分解或釋放加大，引起環(huán)境惡化[33-34]。此外，陡峭山坡形成的脆弱分水嶺區(qū)域及與之相關(guān)的森林植被，人為干擾和砍伐還會增加土壤侵蝕風(fēng)險，引起廣泛的表土流失，特別是在不規(guī)則陡坡、山頂和山脊。此時，植被保護(hù)土壤免受侵蝕的作用至關(guān)重要，因為植被破壞會大幅增加地表徑流和土壤流失量，從而增加溫室氣體排放率，直接和間接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和氣候，可能導(dǎo)致土壤永久退化，而這又可能會成為山區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的最大環(huán)境問題。山地土壤有機(jī)碳儲量分布及其與各種影響因素的關(guān)系研究不多。因此，為給山地森林生態(tài)系統(tǒng)管理和較大區(qū)域碳儲量估算提供依據(jù)，我們對伏牛山森林土壤有機(jī)碳儲量海拔梯度變化規(guī)律及其與坡向、植被類型、pH值和土壤深度的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伏牛山位于河南省西南部(110°30′～113°05′E，32°45′～34°00′N)，東西綿延八百余里，屬秦嶺山脈東段支脈。伏牛山脈是秦嶺延伸到河南省的一條主要山脈，大致呈西北—東南走向，長200余公里，寬約40～70 km。伏牛山脈是我國南北氣候的過渡帶，長江、黃河和淮河的分水嶺，北亞熱帶向暖溫帶的過渡帶，暖溫帶大陸性氣候區(qū)，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點。伏牛山區(qū)年降水量800～1 100 mm，6-8月最集中，年均氣溫南北坡具有差異，南坡14.1～15.1 ℃，北坡12.1～12.7 ℃，年均日照時數(shù)1 285.7～2 292.9 h，年均無霜期201～285 d。土壤類型復(fù)雜多樣，主要為山地棕壤、山地黃棕壤和山地褐土，植被屬溫帶落葉闊葉林向亞熱帶常綠闊葉林的過渡性[35]。植被豐富多樣，以栓皮櫟(Quercusvariabilis)、銳齒槲櫟(Q.acutidentata)、短柄枹(Q.glandulifera)、華山松(Pinusarmandi)、油松(P.tabuliformis)、落葉松(Larixgmelinii)等為優(yōu)勢種，伴生種有鵝耳櫟(Carpinusturczaninowii)、化香(Platycaryastrobilacea)等，喬木層郁閉度大，林下草本灌木不發(fā)達(dá)，植被群落穩(wěn)定，分層現(xiàn)象明顯。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)植被密度、類型隨海拔和坡度變化及森林砍伐強(qiáng)度情況，在海拔800～2 200 m范圍內(nèi)選擇10個有代表性的地點。主要林分有:栓皮櫟、銳齒槲櫟、華山松、油松、落葉松林。每個采樣點隨機(jī)選取5個具有代表性的20 m×20 m樣方。在樣方內(nèi)選取典型地點取樣，首先挖取簡單的土壤剖面，然后用100 cm3環(huán)刀在0～20、20～40、40～60 cm土層挖取原狀土壤，并密封保存，用于測量土壤容重。在樣方內(nèi)，通過機(jī)械布點方法設(shè)置5個取樣點，使用Φ5 cm的土鉆按0～20、20～40、40～60 cm分層取樣，各層土樣充分混合。通過GPS和羅盤記錄采樣點、海拔高度、坡度、植被狀況等，研究區(qū)概況如表1所示。在取樣前清除根、石頭和碎片。樣品用聚乙烯袋包裝并貼標(biāo)。將約500 g混合樣本送回實驗室，風(fēng)干2～3 d。樣品將被輕輕磨碎，通過一個2 mm的網(wǎng)篩。通過這種方法總共收集了150個樣本。植被也被記錄下來。

表1 研究區(qū)概況

1.3 實驗室分析

土壤容重采用環(huán)刀法測定，計算公式為：

dv=(W-W環(huán))/V

式中：dv為土壤容重(g·cm-3)，W為烘干后環(huán)刀重+土重(g)，W環(huán)為環(huán)刀重(g)，V為環(huán)刀體積(cm3)。

土壤有機(jī)碳(SOC)的測定采用重鉻酸鉀氧化法[36]，SOC計算公式為：

×1000

式中：CSOC為土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1),c為K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，為0.800 0 mol·L-1,V0為空白滴定消耗的FeSO4體積(ml)，V為樣品滴定消耗的FeSO4體積(ml)，m為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)，k為烘干土換算系數(shù)。

土壤pH值(1∶2)采用玻璃電極pH計測定[37]。

有機(jī)碳總量(mg·hm-2)按下式計算：

土壤有機(jī)碳蓄積量(mg·hm-2) =土壤深度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×CSOC(%)×Q

式中：Q為粒徑<2 mm土粒的質(zhì)量占比(%)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用方差分析(ANOVA)，分析土壤有機(jī)碳和容重均值在海拔、坡向、植被和深度方面的顯著性差異；使用LSD比較對每個變量進(jìn)行事后測試；采用Pearson相關(guān)分析確定各測量參數(shù)之間的相關(guān)性。除注明外，所有統(tǒng)計檢驗均在P≤0.05水平進(jìn)行顯著性差異評價；使用SPSS軟件進(jìn)行所有數(shù)據(jù)分析，采用Excel制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔森林土壤容重的變化

從表2看出，伏牛山不同海拔森林土壤容重為(0.78± 0.03)～(1.13± 0.03)g·cm-3，平均(0.98 ± 0.06)g·cm-3，海拔825 m處最高，1 945 m處最低，隨海拔升高而降低。所有試驗林地不同深度層次(0～20、20～40、40～60 cm)有機(jī)碳平均含量為(0.87±0.02)～(1.08±0.02)g·cm-3，0～20 cm與20～40 cm層差異不顯著，都顯著低于40～60 cm層(P<0.05)。

表2 不同海拔森林土壤容重

2.2 不同海拔森林土壤有機(jī)碳含量變化

從表3看出，伏牛山不同海拔森林土壤有機(jī)碳含量為(5.93 ± 0.24)～(10.94 ± 1.68)g·kg-1，平均(8.66± 4.27)g·kg-1，海拔825 m處最低，1 387 m處最高，呈現(xiàn)隨海拔升高而升高，之后又下降的變化趨勢。所有試驗林地不同深度層次(0～20、20～40、40～60 cm)有機(jī)碳平均含量為(4.66±0.32)～(13.95±0.96)g·kg-1，平均(8.66±4.27)g·kg-1，各個海拔高度，不同深度森林土壤有機(jī)碳含量都是隨著深度增加而降低，不同層次間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同海拔森林土壤有機(jī)碳含量

2.3 不同海拔森林土壤有機(jī)碳儲量變化

表4顯示，伏牛山不同海拔森林土壤有機(jī)碳儲量為(131.06±14.73)～(196.08±18.69)mg·hm-2，平均(158.22±5.25)mg·hm-2，海拔1 945 m處最低，1 387 m處最高，與土壤碳含量一樣呈現(xiàn)隨海拔升高而升高，之后又下降的變化趨勢。所有試驗林地不同深度層次(0～20、20～40、40～60 cm)有機(jī)碳平均含量為(100.40±3.32)～(233.98±10.02)mg·hm-2，各個海拔高度，不同深度森林土壤有機(jī)碳儲量都是隨著深度增加而降低，不同層次間差異顯著(P<0.05)，不同海拔林地0～20、20～40、40～60 cm層有機(jī)碳儲量占總儲量的比例依次為38.6%～57.2%、25.3%～35.5%、14.2%～28.6%，依次平均為49.3%(幾乎到一半)、29.6%、21.2%。

表4 不同海拔森林土壤有機(jī)碳儲量

2.4 伏牛山森林土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境及植被的關(guān)系

2.4.1 與坡向的關(guān)系 圖1(b)顯示，伏牛山森林土壤有機(jī)碳含量各深度層都是北坡(陰坡)顯著高于南坡(陽坡)(P<0.05)，表明坡向?qū)ΨＩ缴滞寥烙袡C(jī)碳含量影響顯著，陰坡有利于伏牛山森林土壤有機(jī)碳儲存。

2.4.2 與海拔的關(guān)系 從圖3(a)可看出，伏牛山森林土壤有機(jī)碳含量與海拔高度顯著正相關(guān)，R2=0.662 3，有機(jī)碳含量(Yc)與海拔高度(X)關(guān)系式為Yc=-7E-06x2+0.022 5x-7.633，R2=0.908 4，土壤有機(jī)碳含量隨海拔升高的變化為快—慢—穩(wěn)趨勢，總體海拔越高土壤有機(jī)碳含量越高，海拔對森林土壤有機(jī)碳含量影響顯著。

2.4.3 與土壤pH值的關(guān)系 圖3(c)顯示，伏牛山森林土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值呈線性關(guān)系，隨土壤pH值升高土壤有機(jī)碳含量降低。

2.4.4 與林地類型的關(guān)系 LSD檢驗表明，油松林、華山松林較櫟類植被栓皮櫟林和銳齒槲櫟林的土壤容重顯著增加(P<0.05)。同樣，土壤有機(jī)碳含量也呈現(xiàn)出相同的趨勢，但順序相反，油松低于華山松，而櫟類植被最高(10.94±1.62)g·kg-1(圖2b)。說明植被類型對土壤有機(jī)碳含量有影響，櫟類林高于針葉林。

圖1 不同坡向及土層深度與土壤容重和有機(jī)碳含量關(guān)系

圖2 不同植被類型的土壤容重和有機(jī)碳含量

圖3 土壤有機(jī)碳與(a)海拔、(b)容重、(c) pH值、(d)深度的關(guān)系

圖4 (a)pH值、(b)容重和海拔之間的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

伏牛山海拔825～1 945 m主要類型森林土壤有機(jī)碳含量為(5.93±0.24)～(10.94±1.68)g·kg-1，平均(8.66± 4.27)g·kg-1，土壤有機(jī)碳儲量為(131.06±14.73)～(196.08±18.69)mg·hm-2，平均(158.22±5.25)mg·hm-2，森林土壤有機(jī)碳含量和儲量都呈現(xiàn)隨海拔升高而升高，之后又下降的變化趨勢，最高點都在海拔1 387 m處。0～20 cm土層土壤有機(jī)碳儲量幾乎占0～60 cm土層總儲量的一半。

伏牛山主要類型森林土壤有機(jī)碳含量受海拔、坡向、pH值、植被類型等影響，北坡(陰坡)顯著高于南坡(陽坡)，海拔越高土壤有機(jī)碳含量越高，土壤pH值呈線性關(guān)系，隨土壤pH值升高土壤有機(jī)碳含量降低，櫟類林高于針葉林。土壤有機(jī)碳含量隨海拔、坡向、pH值、植被類型等變化，最終應(yīng)取決于不同地段光、熱、水等自然條件和不同植被生產(chǎn)力及其枯枝落葉量和分解程度。土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)積累隨降水增加而增加，隨溫度升高而減少[38]，較低的溫度和較高的降水量可延緩凋落物分解。土壤酸堿度可能控制生物因素，如細(xì)菌和真菌的生物量組成而影響有機(jī)質(zhì)的分解。海拔1 387～1 945 m范圍內(nèi)，有機(jī)碳蓄積量略有下降，可能因海拔升高，生長季節(jié)縮短，凈初級生產(chǎn)量下降所致。

本研究區(qū)南坡較北坡偏暖、偏干。在伏牛山這種降水量不十分充沛、光照條件相對較好的氣候環(huán)境下，相對濕潤的小環(huán)境無疑更有利于植物生長和有機(jī)物生產(chǎn)，南坡主要生長散生矮生刺柏等植物，北坡常見濃密針葉林且灌草層生長較好就是例證。