天山云杉林土壤有機(jī)碳密度及影響因素研究

李思瑤 夏曉瑩 王杰 馬小龍 米爾扎提.柯尼加里木 阿麗耶.麥麥提 王衛(wèi)霞

摘要以不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的天山云杉林為研究對(duì)象，分析了天山云杉林土壤有機(jī)碳密度分布特征及其影響因素。結(jié)果表明：（1）天山云杉林土壤有機(jī)碳含量隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸積累增加的趨勢(shì)，成熟林土壤有機(jī)碳顯著高于幼齡林（P<0.05）。各發(fā)育階段土壤有機(jī)碳含量的變異程度大小為幼齡林（69.10%）>中齡林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%）。（2）不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機(jī)碳密度在0～<20cm、20～<60cm土層的變化范圍分別為7.86～9.18和5.65～8.69kg.m-2。（3）天山云杉林土壤有機(jī)碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞土壤有機(jī)碳密度；影響因素；天山云杉

中圖分類號(hào)：S791.18;S714.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.011

ResearchonSoilOrganicCarbonDensityandItsInfluencingFactorsinPiceaschrenkianavar.tianschanicaForest

LiSiyao，XiaXiaoying，WangJie，MaXiaolong，KenijialimuMierzhati，MaimaitiAliye，WangWeixia

（CollegeofForestryandLandscapeArchitecture，XinjiangAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofForestryEcologyandIndustrialTechnology，XinjiangEducationDepartment，Urumqi830052，China）

Keywordssoilorganiccarbondensity;influencingfactors;Piceaschrenkianavar.tianschanica

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，全球陸地40%的地下碳儲(chǔ)量發(fā)生在森林生態(tài)系統(tǒng)[1]。2020年世界糧農(nóng)組織（FAO）《全球森林資源評(píng)估報(bào)告》指出，全球森林總碳儲(chǔ)量達(dá)到6620億t，其中45%的碳存儲(chǔ)在森林土壤中[2]。因此，森林土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)，對(duì)全球碳循環(huán)起著至關(guān)重要的作用[3]。外界環(huán)境條件及人為干擾活動(dòng)均可影響森林土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化[4]。有研究表明，氣候變化、土壤特性、林分密度和林分年齡及經(jīng)營(yíng)措施等均會(huì)對(duì)森林土壤有機(jī)碳具有不同程度的影響[5-8]。舒蛟靖等[9]的研究中華山松近熟林相較于中齡林和成熟林有更好的固碳能力，且林齡對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響程度較大；而在祁連山青海云杉林表層土壤有機(jī)碳含量與郁閉度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]。不同區(qū)域的土壤碳庫(kù)對(duì)地形地貌、氣候特征、土壤理化特性及林分結(jié)構(gòu)等的響應(yīng)程度不同。

天山云杉（Piceaschrenkianavar.tianschanica）林是新疆森林資源的重要組成部分，肩負(fù)著調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)冰川和涵養(yǎng)水源的重要生態(tài)功能[11，12]。有關(guān)小區(qū)域尺度上天山云杉林土壤有機(jī)碳密度及其影響因素的研究相對(duì)較少。因此，本研究以天山中部新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)為例，選取實(shí)習(xí)林場(chǎng)內(nèi)不同發(fā)育階段的天山云杉林為研究對(duì)象，研究不同發(fā)育階段下天山云杉林土壤有機(jī)碳密度的變化規(guī)律，探討影響該區(qū)域天山云杉林土壤有機(jī)碳密度變化的主導(dǎo)因素，為科學(xué)合理評(píng)價(jià)該區(qū)域天山云杉林的固碳能力及促進(jìn)該區(qū)域森林資源健康可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏魯木齊縣境內(nèi)，頭屯河上游的新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)（43°16′—43°26′N，86°46′—86°57′E）。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，年均降水量約600mm，平均溫度3℃，無(wú)霜期為140d，年日照時(shí)長(zhǎng)1300h。地勢(shì)南高北低，坡度多為10°～40°，海拔為1700～2700m，主要樹(shù)種為天山云杉，土壤為灰褐色森林土。

2研究方法

2.1樣地布設(shè)與調(diào)查方法

2021年6—8月，在天山中部新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)選取不同發(fā)育階段的天山云杉林（幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林）為研究對(duì)象。每個(gè)林齡內(nèi)布設(shè)4個(gè)30m×30m樣地進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定其樹(shù)高、胸徑等測(cè)樹(shù)因子。利用GPS定位技術(shù)記錄每個(gè)樣地的海拔、坡度、坡向、坡位等地形因子，樣地基本情況見(jiàn)表1。

2.2土樣采集與測(cè)定方法

在每個(gè)樣地內(nèi)按照坡上、坡中和坡下分別布設(shè)3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)挖土壤剖面，按照0～<20cm、20～<60cm分層采集土壤樣品，并將每個(gè)樣地內(nèi)3個(gè)采樣點(diǎn)采集的土壤樣品按照相同層次分別進(jìn)行混合后作為處理的一個(gè)重復(fù)備用；同時(shí)用環(huán)刀采集原狀土樣測(cè)定土壤容重及土壤含水量。將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩后待測(cè)。

2.3土樣有機(jī)碳含量的測(cè)定及有機(jī)碳密度的計(jì)算

土壤樣品中有機(jī)碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀－外加熱法測(cè)定[13]。

計(jì)算不同土層土壤有機(jī)碳密度（SOCD）。

SOCDi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

式中：SOCDi為第i層土壤有機(jī)碳密度（kg.m-2），i為土壤層次，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量（g.kg-1），Di為第i層土壤容重（g.cm-3），Ei為第i層土層厚度（cm），Gi為第i層土層中直徑大于2mm石礫所占體積百分比（%）[14]。

2.4數(shù)據(jù)分析及處理

采用SPSS26.0、Origin2018和Excel2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，采用單因素方差分析（one-wayANOVA）和LSD多重比較法比較不同林齡土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳密度的差異，采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤有機(jī)碳與不同生態(tài)因子之間的相關(guān)關(guān)系，用主成分分析法（PCA）分析影響土壤有機(jī)碳密度分布的主導(dǎo)因素。

3結(jié)果與分析

3.1天山云杉林土壤有機(jī)碳含量分布特征

不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機(jī)碳含量變化如圖1所示。在0～＜20cm和20～＜60cm土層土壤有機(jī)碳含量均隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，不同發(fā)育階段土壤有機(jī)碳含量增加的幅度有所差異，其中成熟齡土壤有機(jī)碳含量顯著高于幼齡林（P<0.05），與其他2個(gè)發(fā)育階段之間差異不顯著。在垂直剖面上不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為隨土層的加深呈下降的趨勢(shì)，下降幅度波動(dòng)范圍為64.05%～75.00%。不同發(fā)育階段土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出0～＜20cm土層聚集現(xiàn)象。

通過(guò)計(jì)算同一發(fā)育階段不同土層土壤有機(jī)碳含量的平均變異系數(shù)可知，各發(fā)育階段土壤有機(jī)碳含量的變異程度大小為：幼齡林（69.10%）>中齡林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%），不同發(fā)育階段土壤有機(jī)碳含量變異程度均比較大，說(shuō)明天山云杉林下土壤有機(jī)碳含量的分布不是很穩(wěn)定，但隨著林分發(fā)育成熟土壤有機(jī)碳含量分布逐漸趨向穩(wěn)定分布。

3.2天山云杉林土壤有機(jī)碳密度分布特征

對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機(jī)碳密度在0～＜20cm、20～＜60cm土層的變化范圍分別為7.86～9.18、5.65～8.69kg.m-2。各層土壤中有機(jī)碳密度最高值均分布在成熟林，且與幼齡林土壤有機(jī)碳密度存在顯著差異（P<0.05）。不同發(fā)育階段天山云杉林土壤有機(jī)碳密度均隨著土層的加深呈下降的趨勢(shì)，其下降幅度大小依次為幼齡林（2.21kg.m-2）>近熟林（1.15kg.m-2）>中齡林（1.13kg.m-2）>成熟林（0.49kg.m-2）。

3.3天山云杉林土壤有機(jī)碳密度與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析

由表2可知，0～＜20cm土層土壤有機(jī)碳密度與林齡、林分平均胸徑的相關(guān)系數(shù)r分別為0.679和0.656，并且呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系；與海拔、坡度、坡向、土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平。20～＜60cm土層土壤有機(jī)碳密度與林齡、林分平均胸徑和土壤含水量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r分別為0.763、0.722和0.857；與土壤容重表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；與海拔、坡度、坡位、坡向、郁閉度的相關(guān)關(guān)系不顯著。

4討論

在土壤質(zhì)地和森林類型一致的情況下，林分年齡是影響土壤有機(jī)碳的重要指標(biāo)之一[15]。有研究表明，凋落物分解釋放對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)碳積累有促進(jìn)作用[16，17]，一方面是由于隨著林分年齡的逐漸增加，林木之間的競(jìng)爭(zhēng)壓力增大，會(huì)出現(xiàn)林木自然整枝現(xiàn)象，從而使凋落物增加而促進(jìn)有機(jī)碳的積累。另一方面，林分發(fā)育至成熟齡階段時(shí)，林分郁閉度相對(duì)提高，林內(nèi)地表溫度隨之降低，保持了一定的土壤濕度和水分含量，使得土壤有機(jī)碳分解速率下降，進(jìn)而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累[18，19]。本研究中在0～<20cm和20～<60cm土層土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸積累增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林。這和秦曉佳等[20]的研究結(jié)果相似。

土壤有機(jī)碳密度受氣候、植被、土壤特征及環(huán)境地理特征等多因素的影響[21-26]。本研究中主要分析了地形因子（海拔、坡度、坡向、坡位）、林分結(jié)構(gòu)（林齡、郁閉度、林分平均胸徑）和土壤特性（土壤含水量、土壤容重）對(duì)天山云杉林土壤有機(jī)碳密度分布的影響。研究結(jié)果表明，天山云杉林土壤有機(jī)碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與海拔、坡度、坡向、土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。有研究表明，林分平均胸徑和郁閉度等植被因子對(duì)華山松林土壤有機(jī)碳密度有極大的促進(jìn)作用[9]。崔鴻俠等[27]研究也發(fā)現(xiàn)神農(nóng)架針葉林下土壤碳儲(chǔ)量隨著胸徑和凋落物量的增加有增大的趨勢(shì)。這均與本研究結(jié)果較為一致。處在不同發(fā)育階段的林分其林分密度、樹(shù)高、平均胸徑、林下草本組成及凋落物組成和厚度等不盡相同，這些因素會(huì)影響土壤有機(jī)碳的輸入輸出循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而影響有機(jī)碳含量及密度。林分年齡和郁閉度通過(guò)調(diào)節(jié)植被凋落物量影響土壤有機(jī)碳的積累量，隨著林木年齡的增長(zhǎng)，林木自身發(fā)育成熟，郁閉度變大，枯枝落葉量增多，光照減少，致使土壤溫度變低，微生物活力降低，從而使有機(jī)碳分解速率下降，積累增多[28]。

5結(jié)論

5.1天山云杉林土壤有機(jī)碳含量和密度均隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，其中成熟齡土壤有機(jī)碳顯著高于幼齡林（P<0.05）。

5.2天山云杉林土壤有機(jī)碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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收稿日期：2022-12-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110758008）

作者簡(jiǎn)介：李思瑤（2000-），女，大學(xué)在讀，從事林學(xué)專業(yè)技術(shù)研究，E-mail：3203587588@qq.com

通信作者：王衛(wèi)霞（1981-），女，博士，副教授，從事森林生態(tài)與經(jīng)營(yíng)研究，E-mail：wangweixia0993@163.com