甘孜州高山櫟和柏木葉片及根際土壤有機碳含量研究

黃從飛，謝菊香，張 艷，李 勛,*

（1.四川民族學院，四川 康定 626001；2.四川民族學院橫斷山區(qū)生態(tài)修復與特色產業(yè)培育研究中心, 四川 康定 626001；3.四川民族學院川藏滇青林草撫育和利用研究中心, 四川 康定 626001）

碳是植物的基礎元素，有機碳是土壤肥力的基礎物質，有機碳能對生物肥力和化學肥力產生連環(huán)促進和能量傳遞。葉片碳含量(leaf carbon content，LCC)作為估算生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的重要參數，被廣泛應用于大尺度上研究植被對環(huán)境的適應策略[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫土壤，土壤中含有極其豐富的碳元素，而土壤有機碳是土壤中存在最多的碳元素存在形式，其次土壤肥力的主要組成部分也是土壤有機碳，土壤有機碳是評價土壤健康的重要指標，土壤有機碳對土壤微域環(huán)境也具有調節(jié)作用，是碳循環(huán)氣候變化等方面的研究核心內容[2-6]。一般而言，土壤有機碳由不同的碳組分構成，根據各自在土壤中的穩(wěn)定性差異，可分為活性、緩效和惰性3 個組分，易氧化有機碳(readilyoxidizable carbon ROC)是土壤有機碳中的活性組分中的一部分，對土壤碳含量變化具有更高的靈敏性，直接參與了土壤生物化學轉化過程，同時也是微生物活動能源和土壤養(yǎng)分的驅動力，其主要特點有移動快、不穩(wěn)定、易氧化、分解與礦化等。ROC 占TOC(total organic carbon，TOC) 的比例能指示土壤碳穩(wěn)定性，ROC/TOC 的值越大，土壤碳穩(wěn)定性越差[2,4,6]。高山櫟(Quercus semecarpifolia Sm.)是殼斗科櫟屬植物，我國橫斷山區(qū)分布比較集中，分布海拔為1700m-4800m,大約有11 種是該地區(qū)群落中的優(yōu)勢種和建群種，同時也是重要的水土保持和水源涵養(yǎng)樹種[7,8]。柏木(Cupressus funebris Endl.)是柏科柏木屬，具有耐腐性強，硬度適中，紋理均勻，干縮性小等特點，我國特有的優(yōu)良用材樹種，同時也是除治松材線蟲病后的主要更新樹種及替代馬尾松的主栽樹種[9,10]。

因此，本研究以高山櫟天然純林和柏木天然林為研究對象，通過測量高山櫟葉和柏樹葉及其根際土壤的TOC 和ROC 含量，分析不同樹種及其林下根際土壤的有機碳含量的相關性，為川西北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力提升相關研究提供一定科學依據。

1 研究區(qū)概況

高山櫟研究區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州(簡稱甘孜州)康定市達桿村高山櫟天然純林(30°3′50″N，102°9′1″E)內，海拔2072.410 m，該地區(qū)屬于大陸山地型氣候，最高氣溫14.7℃，最高氣溫28.9℃寒冷而干燥，年平均氣溫在6℃以下，年降雨量約700 mm。其林下華南松幼齡林（Pinus kwangtungensis Chun ex Tsiang）、灌木主要有高山杜鵑（Rhododendron lapponicum (L.) Wahlenb.）、光葉海桐（Pittosporum glabratum Lindl.）、鐵仔（Myrsine africana L.）、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）等，草本主要有沿階草（Ophiopogon bodinieri Levl.）、中華鱗毛蕨（Dryopteris chinensis (Bak.) Koidz.）、朱蘭（Pogonia japonica Rchb.F.）、蕙蘭（Cymbidium faberi Rolfe）、寬葉兔兒風（Ainsliaea latifolia (D.Don) Sch.-Bip.）、廬山石韋（Pyrrosia sheareri (Baker) Ching）等。

柏木研究區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣柏木天然林場中(30°43′26.71″N，102°0′16″E)，海拔2069.750 米，該區(qū)域屬青藏高原型季風氣候，該區(qū)域日照充足，夏季無酷暑，冬季無嚴寒，年平均氣溫14.2℃,，月平均溫度22.4℃，無霜期316 天，年降水量600 mm[11]。研究區(qū)主要以柏木為主，其林下灌木主要有灰毛紫菀（Aster polius Schneid.）、腋花勾兒茶（Berchemia edgeworthii Laws.）、木樨欖（Olea europaea L.）、毛瑞香（Daphne kiusiana var.atrocaulis (Rehder) F.Maek.）、橙花瑞香等（Daphne aurantiaca Diels），草本有沿階草（Ophiopogon bodinieri Levl.）、茵陳蒿（Artemisia capillaris Thunb.）等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測定

2023 年4 月，分別于高山櫟、柏木林內，設置3 個10 m×10 m 的喬木大樣方，用環(huán)刀和橡膠錘采取高山櫟根際表層0～5 cm 土壤，取樣前將土壤表層枯枝落葉清理干凈，漏出表土，重復3 次操作，將取好的樣品放入樣品袋中。植物樣品使用枝剪采取植株成熟完整、無病蟲害的葉片約200 g，放入密封袋中，重復3 次操作。將取好的樣品帶回實驗室，植物樣品于105 ℃殺青30 分鐘后置于65 ℃鼓風干燥箱內繼續(xù)烘至恒重，使用粉碎機將其磨碎過65 目篩備用；土壤樣品剔除砂石、草根等雜物，放置陰涼干燥處風干后過65 目篩。

土壤和植物TOC 含量和ROC 含量測定采用TOC 全自動分析儀測。

2.2 數據分析

采用獨立樣本T 檢驗分析兩種喬木葉片及其根際土壤TOC 含量和ROC 含量是否存在顯著性差異；使用IBM SPSS Statistics 25 統(tǒng)計分析軟件進行數據分析，采用Pearson 檢驗法分析TOC 和ROC 含量相關性，采用Excel 2016 和R 軟件進行繪圖。

3 結果分析

3.1 高山櫟和柏木根際土壤TOC 和ROC 含量

由圖1 可知，高山櫟和柏木根際土壤的TOC 含量和ROC 含量具有顯著差異性，柏木林下根際土壤TOC含量顯著高于高山櫟林下根際土壤TOC 含量(P＜0.05)，柏木林下根際土壤ROC 含量顯著高于高山櫟林下根際土壤ROC 含量(P＜0.05)，柏木根際土壤和高山櫟根際土壤TOC 含量顯著高于ROC 含量(P＜0.05)。高山櫟根際土壤和柏木根際土壤ROC/TOC 分別為0.063 和0.046，高山櫟根際土壤ROC/TOC 大于柏木根際土壤ROC/TOC，可以得出柏木根際土壤碳穩(wěn)定性高于高山櫟根際土壤。

圖1 高山櫟和柏木根際土壤TOC 和ROC 含量

3.2 高山櫟和柏木葉片TOC 和ROC 含量

由圖2 可知，高山櫟和柏木葉片TOC 含量和ROC 含量存在差異性顯著，其中高山櫟葉片TOC含量顯著高于柏木葉片TOC 含量(P＜0.05)，高山櫟葉片ROC 含量顯著高于柏木葉片ROC 含量(P＜0.05)。柏木葉片和高山櫟葉片TOC 含量均顯著高于ROC 含量(P＜0.05)。

圖2 高山櫟和柏木葉片TOC 與ROC 含量

3.3 高山櫟和柏木葉片及其根際土壤有機碳含量相關性分析

由表1 可知，高山櫟葉片TOC 和ROC 含量與高山櫟根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關，均為達到顯著性水平；柏木葉片TOC 與柏木根際土壤TOC 和ROC 含量呈正相關，柏木葉片ROC和柏木根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關，但均未達到顯著性相關水平。

表1 高山櫟和柏木葉片及其根際土壤TOC 與ROC 相關系數

4 討論

本研究得出高山櫟葉片TOC 含量和ROC 含量均顯著高于柏木葉片，高山櫟葉片有機碳含量高的結果與李麗等[7]的研究結果相似，本研究所測的高山櫟葉片有機碳含量為414.98±34.22 g/kg，最高值為440.54 g/kg。造成該結果的原因可能是所調查的高山櫟處于較高海拔干旱河谷地區(qū)，需要抵抗干旱寒冷等惡劣環(huán)境，因此在葉片中需要構建一些獨特的保衛(wèi)組織，而構成這些保衛(wèi)組織需要大量的養(yǎng)分，同時葉片也是高山櫟重要的同化器官，所以導致了高山櫟葉片含量高[7,12]。柏木葉片有機碳含量低于高山櫟葉片。導致這個結果的可能原因是兩研究區(qū)域經緯度不同，柏木研究區(qū)緯度高于高山櫟研究區(qū)，但經度低于高山櫟研究區(qū)，這與趙航等[1]的研究結果森林LCC 隨經緯度的增加而減小具有相似之處； 此外降水也可促進森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力[17]，高山櫟研究區(qū)年降水量高于柏木研究區(qū)，使得高山櫟水分充足生長良好，柏木葉片面積小，高山櫟葉片面積大，有利于光合作用的進行和同化物的積累[21]，這可能是導致高山櫟葉片有機碳含量顯著高于柏木葉片有機碳含量的原因。因此可以得出高山櫟葉片碳儲存能力強于柏木葉片，可為森林碳匯能力提升提供一定參考依據。柏木根際土壤有機碳含量顯著高于高山櫟根際土壤有機碳含量。這與王鵬程等[6]的研究結果具有相似之處。柏木林土壤有機碳密度最高，為8.77 kg·m-2，高于櫟樹土壤有機碳含量，原因可能是高山櫟研究區(qū)地處大渡河附近，降雨量大于柏木林研究區(qū)，其水土流失淋溶作用較強，使得柏木林土壤有機碳含量高于高山櫟林土壤有機碳含量[13,14]。本研究還可得出，TOC 含量高的喬木葉片及土壤的ROC 含量隨TOC 含量增高而增高，可能原因是ROC 與TOC 含量緊密相關，TOC 含量的高低決定了ROC 含量的高低。

本研究中，高山櫟葉片TOC 和ROC 含量與高山櫟根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關，但未達到顯著性水平；柏木葉片TOC 與柏木根際土壤TOC 和ROC 含量呈正相關，柏木葉片ROC 和柏木根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關，但均未達到顯著性相關水平。高山櫟葉片作為重要的同化器官，又處于較高海拔地區(qū)，需要具備獨特的抗旱抗寒形態(tài)結構，所以需要更多的養(yǎng)分來構建這些用于抗旱抗寒的保衛(wèi)組織，加之葉片也是C 養(yǎng)分的主要儲存部位，而這些養(yǎng)分大多從土壤中吸收而來[7,12]，因此高山櫟葉片TOC 和ROC 含量與高山櫟根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關。有研究證明柏木中齡林能明顯改善土壤營養(yǎng)狀況，柏木林在自然演替中，林內物質儲量有不斷向土壤層聚集的趨勢[18]，能間接證明本研究所得出的柏木葉片TOC 含量與其土壤TOC 和ROC 含量呈正相關。也有研究證明，柏木樹干積累物質高于其他器官，可能會使得葉片中ROC 含量與其根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關。

5 結論

（1）高山櫟葉片TOC 含量和ROC 含量均顯著高于柏木葉片。（2）柏木林下根際土壤TOC 含量和ROC含量均顯著高于高山櫟，柏木和高山櫟根際土壤及葉片的TOC 含量均顯著高于ROC 含量(P＜0.05)。（3）高山櫟葉片TOC 和ROC 含量與高山櫟根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關，柏木葉片TOC 與柏木根際土壤TOC 和ROC 含量呈正相關，柏木葉片ROC 和柏木根際土壤TOC 和ROC 含量呈負相關，均未達到顯著性相關水平。本試驗僅研究了高山櫟和柏木成熟葉片及其根際土壤有機碳含量，后期可針對不同葉片成熟度和不同植物器官的碳儲量開展進一步研究。