子午嶺不同林地土壤有機碳及養分儲量特征分析*

楊曉梅,程積民,孟蕾,韓娟娟,范文娟

(1.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100;2.西北農林科技大學動物科技學院,陜西楊陵712100;3.西北農林科技大學生命科學學院,陜西楊陵712100)

森林土壤是陸地生態系統最大的有機碳庫,約占全球土壤有機碳庫的73%[1-3],在全球碳循環中扮演著源、匯、庫的作用[4]。由于植被類型、氣候特點以及土壤性質的不同,不同林型的土壤有機碳含量及分布特征存在很大差異[5-9]。位于黃土高原腹地的子午嶺林區,是經戰亂、人口外遷、土地棄耕后自然恢復的天然次生林[10-11],并隨著國家生態建設植樹造林工程的人為恢復,現已形成了較好的森林屏障,對西部地區氣候的調節與維持生態平衡具有重要意義。目前,對子午嶺林區土壤有機碳的研究,主要集中在表層(0-20 cm)含量估計和坡度變化、生態系統轉變、環境因子對其流失、分布的影響[12-17],但從林型角度研究子午嶺土壤有機碳及養分儲量特征的報道較少。基于此,本文通過對子午嶺林區主要森林類型:天然次生柴松林、遼東櫟林以及人工油松林土壤有機碳及養分的研究,揭示不同林地土壤有機碳儲量與養分的差異及各自之間的關系,為整個黃土高原地區森林土壤有機碳儲量估計及其影響因素研究提供基礎依據。

1 研究區概況

子午嶺地處黃土高原腹地,位于陜甘兩省交界處,108°10′-109°08′E,35°03′-36°37′N,是洛河和涇河的分水嶺,植被屬天然次生林針闊葉混交林類型。海拔1 280～1 500m,相對高差200m 左右,年均氣溫7.4℃,最高氣溫36.7℃,最低氣溫-27.7℃,≥10℃積溫2 671.10℃,無霜期112～140 d,年均降雨量587.6 mm[11]。子午嶺主要植物有喬木柴松(Pinusshenkaneusis)、油松(P.tabulaeformis)、遼東櫟(Quercus liaotungensis)、山楊(Popu lus davidiana)、白樺林(Betula p latyphy lla)等;灌叢白刺花(Sophora viciifo lia)、沙棘(H ippophae reamnoides)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、草本白羊草(Bothriochloaischemum)、茭蒿(Artemisia giraldii)、鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、本氏針茅(Stipabungeana)[18]。

2 材料與方法

2.1 材料與樣地選擇

經過對子午嶺林區的調查和研究,從植被生長、群落結構、演替狀況及穩定程度上,分別選擇子午嶺北部喬北林業局和尚塬林場與合水連家砭林場具有典型代表性的天然次生柴松林和遼東櫟林以及人工油松林3個種群樣地。采樣時綜合考慮地形,按不同坡向、坡位取樣(樣地具體情況見表1)。

表1 樣地基本情況

2.2 研究方法

在不同的樣地,按照坡位、坡向分別設置樣點,用直徑10 cm的土鉆取樣,取樣深度為0-90 cm,分為 0-10 cm 、10-30 cm 、30-50 cm 、50-70 cm 、70-90 cm共五個層次,每個樣地設置樣點12個(陰坡9個,陽坡3個),每個樣點選擇樣方3個(左、中、右),每個樣方采樣3個并測定其枯枝落葉層的厚度,采樣時每一采樣層重復3次制成一個混合樣,在105℃±5℃烘干24 h后,稱重并計算土壤含水量,采樣時取環刀土以測土壤容重。將采集樣品帶回實驗室,仔細挑除袋裝土內植物根系和石礫等雜物,于陰涼處自然風干,用四分法并過0.25 mm篩,供指標的測定。土壤有機碳(有機質)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法,土壤全氮采用半微量開氏法,全磷采用抗鉬銻抗比色法[19]。

土壤有機碳密度(SOCD)是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量,一般用 t/hm2或kg/m2表示[20]。某一土層i的有機碳密度(SOCDi,kg/m2)計算公式為

式中:Ci——土壤有機碳含量(g/kg);Di——土壤容重(g/cm3);Ei——土層厚度(cm);Gi——直徑大于2mm的石礫所占的體積百分數(%)。一定剖面深度的SOCD計算公式為

式中:n——土層數,本研究中 n=5。

土壤全量養分密度計算方法同土壤有機碳密度。

2.3 數據處理

本實驗數據處理采用SPSS 13.0軟件,方差分析研究不同林地土層深度對有機碳及養分的影響,并在差異顯著時進行多重比較(P＜0.05,LSD,t檢驗);采用相關分析研究有機碳與全量養分之間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 三種林分土壤有機碳儲量分布特征

3.1.1 土壤有機碳含量 通過對每種林分36個樣點土壤有機碳的測定,得到各林分土壤有機碳含量(表2)。3種林分土壤有機碳含量剖面分布可以看出,不同林分類型及不同土層的有機碳含量存在較大差異。就整個土層而言,3種林分土壤有機碳含量為3.9～37.6 g/kg,平均含量為13.02 g/kg。3種林分土壤碳含量的大小分別是:遼東櫟林最高,其次是柴松林,人工油松林最小。在剖面垂直分布上,土壤表層有機碳含量最大,并隨土壤厚度加深,有機碳碳含量均依次遞減,變化幅度均達到了86%以上,且在0-10 cm、10-30 cm及30-50 cm這三個層次上差異性顯著。這說明土壤有機碳的表聚性較明顯,表土層存在有機碳富集的現象,并且有機碳沿土層深度的變異較大。

表2 三種林地土壤有機碳含量和碳密度

3.1.2 土壤有機碳密度 根據測定的土壤容重,3種林地土壤容重為0.88～1.39 g/cm3,不同林地相同土層之間差異較小。基于此對研究區林地土壤有機碳密度進行計算(表2),結果表明,3種林分土壤碳密度存在著顯著差異,各土層密度介于1.06～3.67 kg/m2,而以10 cm厚度計算,變化范圍為0.53～3.53 kg/m2,平均碳密度為1.54 kg/m2。對整個土層(0-90 cm)而言,3種林分土壤碳密度為9.38～11.43 kg/m2,各林分土壤碳密度與碳含量表現的規律性基本相同,碳密度從大到小依次為:遼東櫟林＞柴松林＞油松林,其中前兩種林分土壤碳密度明顯較高,其碳密度分別是油松林的1.22倍和1.14倍。在土壤剖面上,碳密度和碳含量一樣,隨土壤深度的增加而減少,且各土層差異性顯著,其中人工油松林表層土壤碳密度最小(2.57 kg/m2),其土壤碳密度垂直變化幅度為79.18%,亦低于遼東櫟林和柴松林,這與油松林地表層土壤遭受人為干擾較頻繁以及土壤表層碳積累較少有關。同時,對3種林地不同土層有機碳密度分析后發現,0-10 cm的表層土壤碳密度貢獻率為27.40%～30.88%,而0-50 cm的土層中土壤有機碳密度貢獻率平均達到77.88%,可見,表層土壤中碳密度儲量最大,且在0-50 cm深度中,聚集著較多的有機碳。

3.2 三種林分土壤全量養分儲量特征分析

土壤全量養分狀況決定著土壤潛在供應養分的能力,在較長時期內與植被演替、種類、數量相關,其大小還受到土壤厚度、土壤質地、成土母質的礦物學特性等因素的影響。位于黃土高原子午嶺地區的3種林分土壤環境大體相同,林分類型及特征對土壤養分儲量的大小變化起著決定性作用。

3.2.1 土壤全量養分含量 從表3可以看出,研究區3種林分土壤全氮、全磷含量與有機碳呈相似的變化規律,從大到小依次為:遼東櫟林＞柴松林＞油松林,3種林分土壤總氮及磷的這種分布特征可能與植被群落類型和結構上的差異,導致凋落厚度、生物量以及林下微環境不同,從而影響土壤氮素積累有關。此外,研究區土壤全氮、全磷(除柴松林外)均隨土壤深度增加而降低,與有機碳的垂直變化趨勢相同,其變化幅度的趨勢也與有機碳相似,全氮各土層間差異有顯著性,而全磷在土層間的差異,只表現在遼東櫟林和油松林,而柴松林土壤深度對其影響較小。

表3 三種林分土壤全量養分含量 g/kg

3.2.2 土壤全量養分密度 與土壤有機碳密度相似,土壤全量養分密度也指單位面積一定深度的土層中土壤養分的儲量。對研究區養分密度研究(如表4),結果表明,就整個土壤剖面而言,3種林分土壤全氮及磷儲量密度,遼東櫟林最高,其次為油松林,柴松林最低,這與有機碳含量變化規律不一致,導致差異的原因可能與林型、植被群落結構相關。就土層而言(以10 cm厚度計),土壤全氮密度,隨著土壤深度的增加而遞減,這與有機碳密度變化一致,變幅為0.56～2.94 t/hm2,差異較大;而全磷密度卻隨著土壤深度的增加而增加,變化范圍為0.39～0.75 t/hm2,差異較小。由此看出,各養分儲量密度變化趨勢不一,這可能與其植被類型、群落結構、林齡等差異,以及通過微生物分解后,進入土壤的形成機制及被利用程度有關。

表4 三種林分土壤全量養分密度 t/hm2

3.3 三種林地土壤碳儲量與養分儲量的相關性分析

土壤環境是個復雜的生態系統,土壤有機碳與養分之間有著密不可分的耦合或相關關系。對研究區不同林分土壤有機碳儲量及養分儲量相關性分析(如表5),結果表明:在整個土壤剖面,土壤有機碳儲量與養分儲量具有極顯著的線性關系,其中與氮的相關性系數均高于0.8,而與磷的相關性系數略低于氮,變化范圍為0.727～0.768;而對每一采樣土層而言,碳與養分儲量并不是具有顯著的相關關系:每一采樣土層,碳與氮儲量具有顯著的相關關系,但并不是都達到顯著性水平;而磷只有在個別層次與碳儲量有相關關系。由此說明,不同養分與碳儲量的相關性差異較大,同時也間接說明了土壤中氮素和碳素在積累儲存過程中密切相關。

表5 土壤碳儲量與養分儲量之間的相關性分析

4 結論與討論

黃土高原子午嶺林區3種典型林分土壤有機碳及其儲量存在明顯差異,這主要是由于群落結構與組成不同,在各種類型植被-土壤系統綜合作用下,立地環境產生較大差異,相應的土壤有機碳特征不同,且各林分土壤有機碳含量和碳密度,隨土壤深度增加而減少,這與許多研究結果一致[5-9,21]。林分土壤碳儲量平均為10.52 kg/m2,接近王紹強[21](10.53 kg/m2)而高于李克讓[22](9.17 kg/m2)等研究的全國土壤碳儲量;從植被類型角度來看,針葉落葉林(柴松林和油松林)土壤碳儲量平均為10.07 kg/m2,闊葉落葉林(遼東櫟林)為11.43 kg/m2,低于解憲麗等[23]研究結果(落葉針葉林為17.71 kg/m2,落葉闊葉林為15.11 kg/m2);而從土壤類型角度而言,高于解憲麗等[24]的研究結果(黑壚土為7.75 kg/m2,黃綿土為4.51 kg/m2)。由此可見,針對不同林分、土壤類型研究土壤碳庫具有重要的意義。此外,不同植被類型或土層間土壤有機碳密度和全量養分變異程度不同,說明各林分和土層間的土壤質地、林分類型、林齡、樹種特性和人類干擾活動等都是影響土壤有機碳和全量養分儲量大小的主要因子。

為了響應當前全球氣候變化,應對黃土區森林生態系統土壤碳儲量、年際變化及其養分庫的動態關系進一步探討,因此,采用統一規范的研究方法,獲取大量有代表性的森林土壤碳儲量實測數據,從而減少區域尺度碳平衡研究的不確定性,更精確地評價子午嶺森林生態系統對黃土區氣候變化的貢獻。

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