武夷山自然保護(hù)區(qū)不同海拔甜櫧天然林土壤有機(jī)碳變化特征及影響因素

趙 青,劉 爽,陳 凱,王世君,吳承禎,李 鍵,*,林勇明

1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州 350002 2 福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與經(jīng)營(yíng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002 3 福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南平 354300 4 武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院,南平 354300

在全球范圍內(nèi)大約有1550 Pg碳是以有機(jī)質(zhì)的形式儲(chǔ)存于土壤中,土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)儲(chǔ)量占到全球碳庫(kù)總儲(chǔ)量的2/3以上,是大氣碳庫(kù)(750 Pg)的2倍,生物碳庫(kù)(500—600 Pg)的3倍[1-2]。森林土壤碳庫(kù)作為陸地碳庫(kù)的重要組成部分,占全球土壤有機(jī)碳庫(kù)的70%以上[2],其微小變化即會(huì)顯著引起大氣圈中CO2濃度波動(dòng),從而影響全球氣候變化。因此深入研究森林SOC,揭示其分布特征與影響因素對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估全球碳儲(chǔ)量及碳循環(huán)具有重要的意義。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)SOC的累積、組成及差異性開展了大量的研究工作,楊玉海等[3]對(duì)伊犁河谷9種不同植被類型土壤有機(jī)碳含量研究表明,土壤有機(jī)碳含量與植被類型顯著相關(guān)；孟苗婧等[4]對(duì)不同海拔梯度下黃山松針闊混交林土壤有機(jī)碳含量研究得出,高海拔處土壤溫度過(guò)低會(huì)對(duì)SOC的分解產(chǎn)生影響；叢高等[5]通過(guò)分析不同海拔SOC與黏粒礦物組成之間的關(guān)系,得出不同林型土壤有機(jī)碳含量及其組分之間差異顯著；Post 等[6]表明SOC含量受植被類型的影響,其大小由植物殘?bào)w量及微生物分解量決定；Zinn 等[7]通過(guò)研究不同海拔巴西森林SOC含量,指出海拔是影響熱帶森林SOC含量的主要因素；但這些研究集中于在不同區(qū)域、不同植被類型間對(duì)SOC含量進(jìn)行研究,由于森林植被覆蓋類型、水熱條件、土壤理化性質(zhì)等條件的綜合影響,以及森林土壤時(shí)空異質(zhì)性的復(fù)雜性,對(duì)不同森林植被類型在不同區(qū)域上SOC含量的估算存在極大的不確定性[8]。特別是海拔作為一個(gè)綜合性的影響因子,可以通過(guò)對(duì)大尺度區(qū)域環(huán)境下水熱條件的重新分配對(duì)SOC含量產(chǎn)生影響[9- 10],因此研究同一地區(qū)單一植被類型在不同海拔高度SOC含量分布特征及影響因素對(duì)于準(zhǔn)確估算區(qū)域SOC儲(chǔ)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

武夷山自然保護(hù)區(qū)作為世界雙遺產(chǎn)保留地,擁有同緯度位置保存較為完好的中亞熱帶常綠闊葉林,是研究中亞熱帶森林SOC的理想?yún)^(qū)域[11]。甜櫧林不僅是武夷山自然保護(hù)區(qū)常綠闊葉林群落的優(yōu)勢(shì)種之一[12],也是中亞熱帶的典型植被類型之一,在中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中占有重要的地位[13]。近年來(lái),相關(guān)學(xué)者圍繞武夷山自然保護(hù)區(qū)在不同海拔土壤磷素分布[14]、土壤微生物氮分布[15]、表層土壤輕組有機(jī)質(zhì)分布[16],SOC礦化特征[17]等方面進(jìn)行了大量研究,然而對(duì)于單一森林樹種在不同海拔SOC分布特征及影響機(jī)制方面研究較少,因此,本研究以甜櫧林集中分布的5個(gè)海拔高度土壤作為研究對(duì)象,分析甜櫧林SOC沿不同海拔高度及不同深度垂直剖面土層分布規(guī)律,揭示SOC含量分布特征及影響機(jī)制,旨在為武夷山自然保護(hù)區(qū)土壤碳儲(chǔ)量研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)也為中亞熱帶森林碳儲(chǔ)量及碳循環(huán)研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于武夷山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(27°32′36″—27°55′15″N；117°24′12″—118°02′50″E),平均海拔1200 m,本區(qū)擁有世界同緯度現(xiàn)存面積最大、保存最為完整的中亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng),氣候類型屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為12.7—18.1℃,年平均降水量在2000 mm左右,年平均相對(duì)濕度為82%—85%,年平均霧日在120 d以上,無(wú)霜期為252—272 d。區(qū)內(nèi)地勢(shì)高低懸殊,起伏較劇烈,土壤垂直分異顯著,沿海拔從下至上分別為紅壤(海拔700 m以下)、黃紅壤(海拔700—1100 m)、黃壤(1100—1900 m)、山地草甸(1900 m以上)；植被垂直帶譜完整,沿海拔由低到高分別為常綠闊葉林(200—1000 m)、針闊混交林(1000—1350 m)、針葉林(1350—1750 m)、亞高山矮林(1750—1900 m)與高山草甸(1900 m以上)[18- 19]。

1.2 樣地設(shè)置及樣方調(diào)查

將武夷山自然保護(hù)區(qū)甜櫧林集中分布的5個(gè)不同海拔作為實(shí)驗(yàn)樣地,分別為生態(tài)定位站(540 m)、一里坪(700 m)、三港(850 m)、七里村(1022 m)、玄峰嶺(1200 m)。每個(gè)海拔梯度內(nèi)設(shè)置3塊規(guī)格為20 m×20 m的固定樣地,共選取15塊樣地,利用手持GPS確定每塊樣地位置,同時(shí)記錄每塊樣地坡度、坡向等地形因子、平均胸徑、樹高等林分因子、腐殖質(zhì)層、淋溶層厚度等土壤因子(表1),采樣時(shí)間為2017年6月。

表1 樣地情況調(diào)查

林下植被狀況：甜櫧天然林海拔540 m處植被群落喬木層主要樹種為木荷(Schimasuperba)、赤楠(Syzygiumbuifolium)、少葉黃芪(Engelhardtiafengelii)等,灌木層樹種主要有宜興苦櫧(Pleioblastusyixingensis)、馬銀花(Rhododendronovatum)、冬青(Ilexchinensis)、芒萁(Dicranoprerisdichotoma)；海拔700 m處甜櫧天然林喬木層樹種主要有赤楠(Syzygiumbuifolium)、深山含笑(Micheliamaudiae)、灌木層樹種有香檳杜鵑(R.champinicane)、馬銀花(Rhododendronovatum)、赤楠(Syzygiumbuifolium)、草本層樹種主要有雞血藤(SpatholobussuberectusDunn)、里白(Diplopterygiumglaucum)。海拔850 m處植被群落喬木層主要樹種為木荷(Schimasuperba)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)、馬尾松(Massonpine)、刺毛杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch)等,灌木層樹種主要有馬銀花(Rhododendronovatum)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)、香檳杜鵑(R.champinicane),草本層樹種主要有淡竹葉(Lophatherumgracile)、里白(Diplopterygiumglaucum)；海拔1022 m甜櫧天然林群落喬木層主要有木荷(Schimasuperba)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)、拉氏栲(CastanopsislamonteiiHance),灌木樹種主要有大葉赤楠(Photiniasp)、少葉黃芪(Engelhardtiafengelii)等,草本樹種里白(Diplopterygiumglaucum)、淡竹葉(Lophatherumgracile)；海拔1200 m甜櫧林植被群落喬木層樹種有木荷(Schimasuperba)、石櫟(Lithocarpusglabra)、細(xì)枝柃(Euryaloquaiana)、鹿角杜鵑(Rhododendronlatoucheae)、以及一些針葉樹種如馬尾松(Massonpine)、杉木(Cunninghamialanceolata)等混生其中,灌木層主要有腫節(jié)少穗竹(Oligostachyumoedogonatum)、冬青(Ilexchinensis),草本層較疏松,主要以蕨類為主要如里白(Diplopterygiumglaucum),狗脊(Woodwardiajaponica)等。

1.3 土壤樣品采集及測(cè)定

每塊樣地內(nèi)采用S型方法布設(shè)3個(gè)土壤采樣點(diǎn),共45個(gè)采樣點(diǎn)；土壤采樣采用分層采樣法,取樣時(shí)將土壤表層枯枝落葉清除,用直徑為5 cm的土鉆采集0—10、10—20、20—30 cm 3個(gè)土壤土層,每個(gè)樣地重復(fù)取樣3次。將相同海拔同一樣地同層土層土壤樣品混合均勻裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,待土樣自然風(fēng)干后,撿出石礫、根系、枯枝落葉等雜物,過(guò)2 mm篩用于指標(biāo)測(cè)定。每個(gè)樣地挖掘1個(gè)0—30 cm土壤剖面,用環(huán)刀采集土樣帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定土壤容重。根系生物量測(cè)定采用土鉆法及全根挖掘法進(jìn)行取樣,每塊樣地隨機(jī)選取3棵林齡相近的成年甜櫧(20 a左右),在距離樹干1—1.5 m處用直徑為5 cm的根鉆鉆取土芯,共鉆取3個(gè),用于采集0—10、10—20、20—30 cm土層垂直土芯,將同塊樣地采集土芯分層混合裝袋,每個(gè)海拔3次重復(fù),將其帶回實(shí)驗(yàn)室用20目篩網(wǎng)反復(fù)清洗后,撿出細(xì)根(根徑≤2 mm),風(fēng)干后稱鮮重,然后烘干至恒重。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定均采用常規(guī)方法測(cè)定[20]。SOC采用硫酸—重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測(cè)定,在溫度170—180℃條件下的油浴鍋加熱保持5 min,然后用5 ml的濃硫酸氧化土壤中的有機(jī)碳,再用硫酸亞鐵來(lái)對(duì)添加了鄰啡羅琳指示劑的溶液進(jìn)行滴定,根據(jù)所消耗的硫酸亞鐵來(lái)計(jì)算SOC的含量,將本研究已測(cè)定的SOC含量乘以換算系數(shù)1.724即求得土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤全氮采用硫酸—半微量凱氏定氮法(ATN—300全自動(dòng)定氮儀)；土壤全磷采用堿熔—鉬銻抗比色法；土壤pH值采用水土比為2.5∶1純水浸提pH計(jì)法(Starter 3100)；土壤溫度、含水量采用TDT(Time Domain Trans-missometry; Acclima, Inc. Meridian, ID, USA)探頭進(jìn)行測(cè)定,探頭水平埋設(shè)在距離地表5、15、25 cm處,分別代表土壤0—10、10—20、20—30 cm土層溫度及土壤含水量值,同時(shí)用烘干法對(duì)測(cè)出的含水量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS17.0進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析比較不同土層SOC在不同海拔間的差異(α=0.05),采用Pearson相關(guān)系數(shù)法確定各因子間相關(guān)關(guān)系,采用主成分分析法對(duì)相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行分析；采用線性回歸分析(一元及多元)分析SOC與土壤理化性質(zhì)、氣候因子、植物因子間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一土層土壤有機(jī)碳含量沿海拔梯度分布特征

武夷山天然甜櫧林不同海拔高度SOC在同一土層深度上的垂直分布規(guī)律如圖1所示,5個(gè)海拔高度中,SOC含量均隨土層的增加而降低,且降幅隨海拔的升高逐漸增加。其中,SOC含量在海拔1200 m中0—10 cm土壤土層達(dá)到最大,為72.59 g/kg；在海拔540 m中20—30 cm土層土壤降至最低,為15.58 g/kg。除海拔1022 m外,所有海拔3個(gè)土層SOC含量差異均顯著(P<0.05)。0—10 cm土層除海拔1022 m SOC含量與850 m、1200 m SOC含量差異不顯著外,其余海拔SOC含量差異均顯著；10—20 cm,除海拔540 m SOC含量差異顯著外,其余海拔SOC含量差異均不顯著；20—30 cm,除海拔1200 m SOC含量與850 m、1022 m差異不顯著外,其余海拔SOC含量均有顯著差異(P<0.05)。0—10 cm土壤表層SOC含量占整個(gè)剖面(0—30 cm)SOC含量的48.2%—52.7%,且各海拔0—10 cm土層SOC含量顯著高于10—20、20—30 cm土層(P<0.05)。

圖1 同一土層深度土壤有機(jī)碳含量沿海拔梯度分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil organic carbon content in the same soil depth along the uplift gradient不同大寫字母表示同一海拔不同土層間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一土層不同海拔間差異顯著(P<0.05)

2.2 環(huán)境因子相關(guān)指標(biāo)及與土壤有機(jī)碳含量相關(guān)關(guān)系

從表2可知,同一海拔不同土層土壤全氮差異均顯著,0—10 cm土層土壤全磷在海拔850 m處最高,海拔1200 m處最低,除海拔850 m外,其余海拔土壤全磷差異均不顯著；10—20、20—30 cm土層在海拔850 m處最高,海拔540 m處最低,且20—30 cm土層海拔850m土壤全磷與其余海拔差異均顯著。0—10土層土壤pH值在海拔540 m處最高且與其余海拔顯著不同；0—10、10—20、20—30 cm土層土壤含水率隨海拔升高逐漸增大,且海拔1200 m土壤含水率與其余海拔差異顯著；除海拔850 m、1022 m外不同土層土壤溫度差異均顯著；同一海拔不同土層土壤容重、細(xì)根生物量、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤粉粒、粘粒含量差異均顯著。

表2 不同海拔不同土層環(huán)境因子相關(guān)指標(biāo)

通過(guò)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示(表3)：不同土層SOC含量與海拔、土壤全氮、土壤含水量、土壤溫度、土壤粉粒均呈均呈顯著(P<0.05)或極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤細(xì)根生物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)H與0—10、10—20 cm土層SOC含量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系；不同土層SOC含量與土壤全磷不相關(guān),土壤pH值、土壤砂粒含量?jī)H與20—30 cm土壤底層SOC含量顯著(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)。這表明武夷山天然甜櫧林0—30 cm范圍內(nèi)不同深度土層SOC含量的改變依賴于海拔高度、土壤容重及土壤機(jī)械組成變化,以及由海拔升高引起的土壤溫度,土壤含水量變化。

表3 不同土層土壤有機(jī)碳與環(huán)境因子相關(guān)性

2.3 影響土壤有機(jī)碳含量的因子分析

由于細(xì)根生物量是植物自身指數(shù),因此歸為植物因子,土壤pH值、土壤全氮含量、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤粉粒、粘粒、砂粒是土壤理化指標(biāo),歸為土壤因子,土壤含水量、土壤溫度歸為氣候因子。本研究通過(guò)主成分分析提取影響武夷山天然甜櫧林土壤各層SOC的主要因子(表4)。結(jié)果顯示,0—10、20—30 cm土層主成分中大于1的特征值成分有2個(gè),累計(jì)解釋變量分別為83.277%、82.291%,10—20 cm土層主成分中大于1的特征值成分有3個(gè),累計(jì)解釋變量為87.752%,能反映不同海拔垂直分異土層SOC的絕大部分信息。0—10 cm土層第一主成分SOC受土壤全氮、土壤含水量、土壤溫度、土壤粉粒、粘粒、容重、生物量、海拔等地形、土壤、氣候、植被因子的影響,累計(jì)解釋變量達(dá)68.809%；10—20 cm土層第1主成分SOC與海拔、土壤含水量、土壤溫度、粘粒、容重相關(guān)性大,累計(jì)解釋變量達(dá)45.635%,第二主成分中土壤粉粒與SOC相關(guān)性大,累計(jì)解釋變量達(dá)67.086%；20—30 cm土層第1主成分SOC受海拔,土壤溫度、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤粉粒等土壤因子的影響,累計(jì)解釋變量達(dá)48.719%,第二主成分中土壤砂粒與SOC相關(guān)性最大,累積解釋20—30 cm土壤SOC變異達(dá)82.291%。

表4 不同土層土壤有機(jī)碳與環(huán)境因子分析

2.4 土壤有機(jī)碳含量回歸模型創(chuàng)建

主成分分析法的應(yīng)用雖然可以得到各影響因子間總體分類關(guān)系,同時(shí)眾多因子間多重共線性能進(jìn)一步被消除,但不能得到各影響因子間的定量關(guān)系,只分析單個(gè)影響因子不能完全弄清各因子對(duì)SOC含量的影響機(jī)制,因此對(duì)主成分分析得出的各土壤層次主要影響因子進(jìn)一步做回歸分析,建立相應(yīng)模型量化各影響因子對(duì)SOC的影響程度。

2.4.1不同土層土壤有機(jī)碳含量一元線性回歸模型

基于單變量一元回歸分析,可得出不同土層主要影響因子與SOC含量的一元線性回歸方程(表5)。三個(gè)垂直土層SOC含量均與海拔、土壤含水量、全氮、容重呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),除此之外,0—10 cm土層與細(xì)根生物量、土壤粉粒、粘粒亦呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),能解釋土壤有機(jī)碳含量的64.5%—78.6%的變異,其中全氮與土壤有機(jī)碳含量擬合R2最大(78.6%)；10—20 cm土層除細(xì)根生物量與SOC呈顯著相關(guān)外(P<0.05),亦與土壤粉粒、粘粒達(dá)到極顯著相關(guān)(P<0.01),能解釋土壤有機(jī)碳含量的55.6%—74.8%的變異,其中土壤粘粒與土壤有機(jī)碳含量擬合R2最大(74.8%)；20—30 cm土層還與土壤砂粒、粘粒達(dá)極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),能解釋SOC含量的60.5%—78.9%的變異。

表5 不同土層土壤有機(jī)碳含量一元線性回歸方程

2.4.2不同土層土壤有機(jī)碳含量多元線性回歸模型

基于多元回歸分析,可得出不同土層主要影響因子與SOC含量的多元線性回歸方程(表6)。0—10 cm土層中地形因子(海拔)、土壤性質(zhì)(全氮、容重)與SOC含量擬合R2為0.832,地形因子(海拔)、土壤性質(zhì)(全氮)、植被因子(細(xì)根生物量)與SOC含量擬合R2為0.843,高于單因素回歸擬合R2；地形因子(海拔)、土壤性質(zhì)(全氮、容重、土壤粉粒、粘粒)與SOC含量擬合R2為0.866,高于單因素回歸擬合及相關(guān)多元線性回歸組合R2,可見海拔、全氮、容重與土壤機(jī)械組成結(jié)合能更好的解釋0—10 cm SOC含量的變異；10—20 cm土層中,海拔、土壤全氮、水分、溫度、土壤粉粒、粘粒與SOC含量擬合度最高(0.940),能更好的解釋不同海拔10—20 cm SOC含量的變異；20—30 cm土層中海拔、土壤砂粒、容重、pH與SOC含量擬合度最高(0.981)。可見,多因子對(duì)SOC的解釋明顯高于單因子,SOC含量變化是多種因子綜合作用的結(jié)果。

表6 不同土層土壤有機(jī)碳含量多元線性回歸方程

3 結(jié)論與討論

3.1 甜櫧天然林土壤有機(jī)碳剖面分布特征及空間分布規(guī)律

武夷山天然甜櫧林同一海拔SOC含量垂直分異表現(xiàn)出隨土層增加而降低,且土壤表層(0—10 cm)SOC含量明顯高于底層(20—30 cm),呈現(xiàn)明顯的“表聚性”特征,這與王會(huì)利等[21]對(duì)青岡林土壤剖面SOC垂直分布及蔡文良[22]對(duì)熱帶山地雨林SOC分布研究結(jié)果一致。一方面這可能是因?yàn)橥寥辣韺臃e累了大量枯枝落葉及動(dòng)植物殘?bào)w,同時(shí)甜櫧天然林根系主要分布于土壤表層,而表層SOC主要來(lái)源于根系分泌物,枯枝落葉及根系的腐殖質(zhì)等,加之表層適宜的土壤溫度、水分等環(huán)境因子,良好的通氣和養(yǎng)分狀況使得好氣微生物活動(dòng)旺盛[23- 24],更有利于地表凋落物分解、腐殖化過(guò)程,使得土壤容重降低,有機(jī)質(zhì)含量增加,土壤碳含量不斷累積；另一方面隨著土層深度增加,植物凋落物減少,植被根系密度降低,土壤質(zhì)地變的愈發(fā)緊實(shí)(表2),表層土壤有機(jī)質(zhì)向下遷移受到限制[25],使得SOC含量隨土層深度增加而降低,但在不同海拔間降幅存在較大差異,這種垂直分布差異可能與不同海拔甜櫧天然林土壤有機(jī)質(zhì)及細(xì)根生物量分布差異有關(guān),甜櫧林細(xì)根主要分布于0—20 cm土壤表層,而細(xì)根高度富集于土壤表層有利于高效吸收來(lái)自凋落物分解釋放的養(yǎng)分,同時(shí)可以截留林冠淋溶的養(yǎng)分,影響進(jìn)入土壤中有機(jī)物的含量及在剖面中的分布[26],進(jìn)而對(duì)不同土壤剖面SOC含量造成影響。

3.2 甜櫧天然林土壤有機(jī)碳剖面分布差異及影響因素

SOC累積量與土壤表層有機(jī)質(zhì)輸入及周轉(zhuǎn)速度相關(guān),尤其是對(duì)于山地森林生態(tài)系統(tǒng),海拔因素是影響SOC累積的主導(dǎo)因子之一[27]。本研究表明,武夷山自然保護(hù)區(qū)甜櫧天然林SOC分布特征與海拔因素呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),表現(xiàn)為0—30 cm SOC含量隨海拔高度增加而增大,這與張亞茹等[28]表明鼎湖山常綠闊葉林SOC具有強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性,且隨著海拔升高而增加研究結(jié)果一致,但與Sheikh[29]對(duì)亞熱帶松果林、溫帶闊葉林SOC隨海拔升高而降低；曹瑞等[30]對(duì)高山峽谷區(qū)SOC組分研究表明,SOC、水溶性碳隨海拔增加呈先增加后減少結(jié)果不一致,這可能與植被類型、地形地貌條件不同導(dǎo)致SOC在不同海拔地區(qū)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律有關(guān)。海拔不僅作為一個(gè)地形因子,還作為一個(gè)綜合性的環(huán)境因子,并非直接對(duì)土壤中的SOC含量產(chǎn)生影響,而是通過(guò)與溫度、濕度、光照等多種環(huán)境因子對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)[31],一方面通過(guò)制約植被生產(chǎn)力從而影響進(jìn)入土壤中的有機(jī)質(zhì)含量,另一方面土壤溫度、水分等環(huán)境因子隨海拔條件的改變影響了土壤微生物活動(dòng),進(jìn)而對(duì)SOC的分解及轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響[32]。本研究表明,不同海拔垂直土層SOC含量與土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),細(xì)根生物量及植被凋落物隨土壤含水量的增加而增大,成為土壤表層SOC的主要輸入來(lái)源[33]。隨著海拔升高土壤含水量及凋落物含量顯著增加(P<0.05),增強(qiáng)了微生物活性[34],而土壤溫度隨著海拔梯度上升開始降低,使得有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化速率減慢,增加了SOC的累積。本研究中SOC含量與土壤含水量之間的相關(guān)性高于土壤溫度與SOC含量間的相關(guān)性,這可能是因?yàn)樵谕粴夂騾^(qū)內(nèi)采樣時(shí)間氣溫相差不大,處于雨季降水量較多、垂直差異較大有關(guān)。

3.3 不同海拔梯度下甜櫧天然林土壤有機(jī)碳影響因素

相關(guān)研究表明,植被群落結(jié)構(gòu)特征與土壤理化性質(zhì)共同決定了SOC的儲(chǔ)量,而土壤理化性質(zhì)對(duì)SOC的影響要高于植被群落結(jié)構(gòu)特征[35],這與本研究結(jié)果相似。Pearson相關(guān)分析表明,雖然SOC含量與土壤理化性質(zhì)隨垂直土層增加存在一定的差異性,但不同海拔垂直剖面SOC含量與土壤全氮,有機(jī)質(zhì)均呈極顯著(P<0.01)或顯著正相關(guān)(P<0.05),這與相關(guān)學(xué)者研究一致[27,30,36]。土壤容重作為土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo),反映了土壤的通氣、透水以及松緊程度,能顯著影響土壤的持水能力和入滲性能[37],本研究指出,不同海拔垂直剖面SOC含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān),即土壤土層深度加大,甜櫧天然林根系減少,土壤通氣性變差,土壤容重也隨之增大,這與相關(guān)學(xué)者研究一致[5,8,17- 18]。這可能是因?yàn)樘饳教烊涣滞寥辣韺又脖坏蚵湮镓S富,凋落物的分解與積累增加了土壤有機(jī)質(zhì),使得土壤回還養(yǎng)分增多土壤容重變?。浑S著土層深度增加,孔隙度變小,土壤水分和有機(jī)物質(zhì)向下輸入受到制約[38],同時(shí)土壤透氣性變差導(dǎo)致土壤微生物因氧氣供給受限而活性減弱,土壤質(zhì)地緊實(shí)容重變大。不同土層SOC僅在20—30 cm土層與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān),這與潘忠松[39]研究結(jié)果一致,即馬尾松人工林SOC含量隨pH值降低呈增加趨勢(shì)。主要是因?yàn)橥寥纏H值能直接影響礦質(zhì)元素溶解度,影響土壤中各元素的有效性及遷移轉(zhuǎn)化,隨著土壤pH值的降低,土壤中微生物活性減弱,同時(shí)參與SOC循環(huán)中的酶活性也受到一定程度的限制[40],SOC周轉(zhuǎn)及礦化作用下降,使得SOC不斷累積。而本研究中土壤pH值僅與底層土壤(20—30 cm)顯著相關(guān)很可能是因?yàn)槲湟纳阶匀槐Ｗo(hù)區(qū)甜櫧林表層環(huán)境適宜,微生物活性強(qiáng),土壤全氮及有機(jī)質(zhì)的極顯著相關(guān)關(guān)系可能掩蓋了土壤pH值對(duì)SOC累積的影響。本研究表明,土壤細(xì)根生物量與0—20 cm土層SOC呈極顯著或顯著相關(guān),甜櫧天然林在海拔1022 m處細(xì)根生物量最大,海拔540 m處細(xì)根生物量最小,這種變化趨勢(shì)與相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果不同,劉建軍[41]在對(duì)天然油松銳齒櫟林研究發(fā)現(xiàn),隨著海拔升高油松銳齒櫟林細(xì)根生物量顯著減少；Davis[42]對(duì)阿巴拉契亞山5種典型植被類型細(xì)根生物量研究也發(fā)現(xiàn)了同樣規(guī)律,這種差異性可能與植被所處氣候帶、林分類型以及取樣方式不同有關(guān)。本研究中海拔1022 m處細(xì)根生物量最大可能與高海拔甜櫧天然林枯枝落葉層較厚,受人為干擾少,而海拔540 m處甜櫧天然林枯枝落葉層較薄且受人為因素影響較大有關(guān)。

土壤機(jī)械組成比例能通過(guò)其化學(xué)保護(hù)機(jī)制降低土壤SOC的分解速率,同時(shí)促進(jìn)土壤SOC的固持[43]。本研究中不同海拔土層土壤粒徑組成中粉粒含量隨海拔升高而升高,與土壤SOC分布特征一致,土壤粘粒含量隨海拔升高而降低,與土壤SOC分布變化相反,土壤砂粒含量在0—10 cm土壤表層隨海拔升高逐漸降低,在10—20、20—30 cm土層中隨海拔增加呈先增加后減小趨勢(shì)。其中0—10 cm土層土壤粒徑組成中,粉粒含量與SOC的影響最強(qiáng),可作為衡量土壤表層SOC含量的重要因素,這與胡宗達(dá)等[44]對(duì)川滇高山櫟林土壤SOC與不同土層土壤機(jī)械組成關(guān)系的研究結(jié)果一致。表3中0—10 cm土層土壤SOC含量與土壤粘粒及砂粒含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),與土壤粉粒呈極顯著或顯著正相關(guān),20—30 cm土層土壤砂粒含量與SOC呈極顯著負(fù)相關(guān),印證了以上分析,也與前人研究一致[45- 46]。這可能是因?yàn)橥寥繱OC,特別是其活性組分會(huì)與土壤機(jī)械組成中的礦質(zhì)土粒機(jī)械混合,且其中一部分土壤SOC會(huì)溶解于低分子化合物,部分氨基酸等土壤溶液中,其余一部分則通過(guò)生命體方式存在于土壤中[47]。然而大部分土壤SOC是與土壤中的無(wú)機(jī)成分結(jié)合形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合體,一般認(rèn)為,土壤SOC易與土壤顆粒中的粉粒結(jié)合,對(duì)土壤水分的有效性及植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,從而影響土壤SOC分布[48]。一方面,由于粉粒顆粒較細(xì),具有較大的表面積,能暴露更多的正電荷位與土壤中帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)結(jié)合[49]；另一方面,土壤顆粒越細(xì),其通透性越差,一旦與土壤SOC結(jié)合,即很難被微生物所分解[46],而砂粒等土壤顆粒較大的土壤組分與粉粒、粘粒剛好相反,其顆粒大,帶正電荷位少,不易與土壤SOC結(jié)合,且通透性強(qiáng),微生物易分解,因此,土壤SOC與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān),與粉粒含量呈顯著正相關(guān)。

SOC具有明顯的空間變異性,即使在土壤質(zhì)地相同區(qū)域內(nèi),空間位置的不同也會(huì)造成土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異[50]。本研究揭示了武夷山自然保護(hù)區(qū)甜櫧天然林SOC隨海拔梯度變化特征及影響SOC含量變化的環(huán)境因子,不同環(huán)境因子組合雖然能解釋不同土層SOC含量的大部分變異,但仍有部分變異未被解釋,因此未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步考慮其他因素如坡向、土壤微生物、林齡等因子及其交互作用對(duì)SOC累積的影響。