長白山闊葉紅松林土壤有機碳空間異質性1)

趙 晶 張軍輝 韓士杰 王樹堂 王樹起 程徐冰

(中國科學院沈陽應用生態研究所，沈陽，110016)

長白山闊葉紅松林土壤有機碳空間異質性1)

趙 晶 張軍輝 韓士杰 王樹堂 王樹起 程徐冰

(中國科學院沈陽應用生態研究所，沈陽，110016)

采用地統計學方法，對長白山北坡原始闊葉紅松林內土壤有機碳的空間分布特征進行了研究，并對其與細根生物量的相關性進行了分析。結果表明:3塊樣地土壤有機碳密度的變程分別為3.568、5.866、2.773m，結構比為40％～65％，表明研究區域內土壤有機碳密度具有中等空間相關性;土壤有機碳質量分數隨土壤深度的增加而減少，與細根的垂直分布特征相似;3塊樣地分別在5.011、4.590、4.912m空間距離范圍內土壤有機碳密度與細根生物量存在相關性，土壤有機碳密度與細根生物量協方差函數的結構比為50％～80％。

土壤有機碳;空間異質性;細根;闊葉紅松林

土壤有機碳是地球表面最大的有機碳儲庫，在陸地碳循環中有著重要的作用[1-5]。森林土壤碳庫是陸地生態系統碳庫的重要組成部分，其較小幅度的變化就可能影響到碳向大氣的排放[6-8]。因此，森林土壤有機碳動態及其機制成為全球碳循環研究的熱點之一。

從不同地點取樣測定土壤的某些性質，所測結果不完全相同，這是因為除去采樣和測定誤差外，還有土壤本身的變化，這種變化稱為土壤的空間異質性。土壤有其自然異質性，它們的性質在空間上是連續變化的[9]。土壤有機碳儲量受氣候、大氣成分、植被、土壤理化性質和人為因素的影響，這些影響因素都存在空間變異[10-12]。土壤有機碳的主要來源是植被地上部分的凋落物及其地下部分根的分泌物和細根周轉產生的碎屑[13-14]。Esteban等[15]研究表明，植物根系的分布直接影響土壤有機碳的垂直分布，因為大量死根的分解為土壤提供了豐富的碳源，根系對有機碳質量分數的影響要比氣候對土壤有機碳的影響更重要。Richard等[16]對科羅拉多州東部草原的研究表明，土壤表層有機碳質量分數與根系在表層的分布有關，根系的分布影響著土壤有機碳的積累，而土壤有機碳質量分數由植物產生的碎屑的輸入和分解決定。研究也表明，在人工林生態系統中，根的形成、衰老、死亡和分解對土壤有機碳的形成和積累有一定影響[17-18]。鄧華平等[19]在對馬尾松林碳庫特征的研究中發現，0～30cm土層貯存了74.34％的土壤有機碳，主要原因是0～30cm是植物根系的集中分布區。通過細根的周轉進入土壤的有機物是地上凋落物的1倍，因此，在對土壤有機碳質量分數的研究中，細根生產和周轉是不能忽略的因素。目前，對原始闊葉紅松林土壤有機碳與細根生物量及其周轉率相關性的研究較少，森林表層土壤細根生物量及其周轉在森林生態系統中的重要作用尚未得到充分認識。長白山闊葉紅松林是我國東北東部中溫帶濕潤氣候區最主要的原始森林植被類型，在調節區域氣候和維系區域陸地生態平衡方面有著重要意義。為此，文中采用地統計學方法，以長白山闊葉紅松林土壤有機碳為研究對象，探討土壤有機碳的空間分布特征及其與細根生物量的相關性，旨在為地統計學在森林土壤有機碳空間異質性研究中的應用提供科學依據，為原始闊葉紅松林生態系統中土壤有機碳與根系相關性的進一步研究提供參考。

1 研究區概況與研究方法

研究樣地:位于吉林省東南部的長白山自然保護區原始闊葉紅松林內(41°41′49″～42°25′18″N，127°42′55″～128°16′48″E)的中國科學院長白山森林生態系統定位研究站闊葉紅松林永久標準樣地附近。長白山是我國中緯度著名的山地原始森林地區，該地區靠近太平洋東亞沿海季風氣候區，屬于典型的大陸性季風氣候，年均氣溫4.9～7.3℃，年降水量600～900mm。冬季漫長寒冷，常有積雪覆蓋;夏季短暫溫暖，降雨較多;春季風大干燥，夏季涼爽多霧。研究樣地的群落為復層異齡的原始林，由紅松(Pinus koraiensis)、紫椴(Tilia amurensis)、色木槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、糠椴(Tilia mandshurica)和楓樺(Betula costata)等喬木，毛榛子(Corylus mandshurica)、東北山梅花(Philadelphus schrenkii)和刺五加(Eleutherococcus senticosus)等灌木，以及山茄子(Brachybotrys paridiformis)、透骨草(Phryma leptostachya)和水鳳仙(Impatiens noli-tangere)等草本植物構成。樣地的土壤類型為火山灰母質上發育的暗棕色森林土。

采樣點布設:在闊葉紅松林永久標準樣地東側約500m林地內，選擇地勢比較平坦的3塊50m×50m林地為調查對象。采用網格近點法取樣[20](圖1)，以提高參數估計和克里格插值的效率。具體方法為:先將50m×50m的樣地等間距劃分為100個5m×5m的小樣方，從中隨機抽取40個小樣方的中心點定為取樣點;然后從40個小樣方中再隨機抽取20個小樣方，在其內隨機加入一個與中心點最大距離不超過2m的取樣點。這種抽樣既能保證足夠的采樣面積，又能滿足變異函數參數估計對點對數的需要。每塊樣地布設60個采樣點。

圖1 空間取樣布點

土壤有機碳質量分數的測定:用內徑為3.5cm的土鉆鉆取0～45cm土柱，按0～5，5～15，15～45cm 分3層取樣，將采集的土樣裝入塑料袋內帶回。自然風干后，剔除植物根系及石礫等，再過0.25mm篩。用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳質量分數。

式中:Doc為土壤有機碳密度(kg/m2);n為土層數;T為某一土層的土層厚度(cm);θ為該土層的土壤密度;c為該土層的有機碳質量分數(％)。

采用克里格插值法對3塊樣地進行有機碳質量分數估算。克里格法是利用原始數據和半方差函數的結構性，對未來采樣點的區域化變量進行無偏估計的一種方法。與其它方法相比，具有可以克服內插中誤差難以分析的問題，不會產生回歸分析的邊界效應，能估計測定參數的空間變異和估算估計參數的方差分布等優點。

細根生物量數據:細根生物量測定的取樣方法和采樣點布設與土壤有機碳測定的取樣方法和采樣點布設相同，細根生物量數據使用王樹堂等[21]在相同樣地調查的表層土壤木本植物細根生物量，即本文中的細根生物量是指直徑小于2mm的木本植物細根生物量。

地統計學分析:地統計學方法耦合了土壤特性的空間相關結構，能揭示變量的隨機過程。地統計學的核心內容為變異函數，變異函數計算如下:

式中:γ(h)為變異函數;Z(x)、Z(x+h)為系統某屬性Z分別在空間位置x和x+h處的值的區域化變量;E[Z(x)-Z(x+h)]2為抽樣間隔為h時樣本值方差的數學期望值。

數據處理采用R統計軟件中的sp，geoR和gstat程序包對數據進行地統計學分析。使用sp程序包繪制空間格局圖，geoR程序包計算模型參數，gstat程序包擬合變異函數模型。

2 結果與分析

2.1 闊葉紅松林土壤有機碳分布特征

3個樣地土壤有機碳質量分數存在差異(表1)。在0～5和5～15cm土層，3號樣地平均土壤有機碳質量分數最大，分別為12.742％和3.016％;在15～45cm土層，2號樣地土壤有機碳質量分數最大，為0.901％。土壤有機碳質量分數的變異系數在25％～105％，其中3號樣地15～45cm土層土壤有機碳的變異系數達到強變異性(104.9％)，而其它各樣地各土層土壤有機碳質量分數均屬于中等變異性。

表1 闊葉紅松林不同土層有機碳質量分數的分布特征

2.2 闊葉紅松林土壤有機碳垂直分布

3塊樣地的土壤有機碳質量分數具有相似的垂直分布特征(表1)，即3塊樣地土壤有機碳質量分數由高到低的順序為0～5、5～15、15～45cm，標準誤差在 0.066％～0.896％。土壤有機碳質量分數隨土壤深度的增加而減少，主要原因是土壤有機碳的主要來源是細根周轉產生的大量碎屑及地表凋落物的分解，而細根的分布主要集中在表層土壤(0～10cm)，闊葉紅松林內表層土壤的細根量在70％左右。

2.3 闊葉紅松林土壤有機碳空間異質性

3塊樣地最大空間距離內土壤有機碳變異函數呈相同的變化趨勢(圖2)，隨著空間距離的加大，變異函數數值逐漸升高，然后趨于穩定。對所有樣地土壤有機碳密度的半方差值隨間隔距離的變化進行的理論模型擬合結果表明(表2)，3塊樣地土壤有機碳密度的半方差值隨間隔距離的變化很好地符合球狀理論模型的變化趨勢，對數似然值在90～125之間。土壤有機碳密度的平均變程為4.069m，其中2號樣地變程最大(5.866m)，3 號樣地變程最小(2.773m)(表2)，說明樣地3土壤有機碳的空間連續性較差，在以后的取樣中可采用更小的取樣間隔。3塊樣地均存在塊金效應，1號樣地的塊金效應最小(3.044)，2號樣地的塊金效應最大(11.331)，引起塊金效應的原因可在今后的研究中縮小取樣間隔進行深入研究。

結構比表示自相關部分引起的空間異質性程度的高低，反映了土壤屬性的空間依賴性。3塊樣地的結構比在40％～65％，表明研究區域內土壤有機碳密度具有中等空間相關性，這種相關性分別表現在 3.568、5.866、2.773m 范圍內。

表2 闊葉紅松林土壤有機碳密度變異函數分析結果

采用克里格插值法對3塊樣地進行有機碳密度的預測，由插值結果(圖3)可以看出，樣地北部及南部土壤有機碳密度較大，而樣地東部及西部有機碳密度相對較小，克里格差值估計標準差在1.0m左右，且距離采樣點越近標準差值越低，預測值精度越高。土壤有機碳密度的斑塊大小、形狀及空間分布均具有顯著差異，表明研究樣地土壤有機碳密度具有空間異質性，決定了空間格局的存在。這種空間分布特征與森林土壤在不同空間位置上的各種物理、化學和生物過程有著重要聯系，更重要的是土壤與林木長期相互作用，如森林生態系統養分生物地球化學循環的結果。

圖2 闊葉紅松林土壤有機碳密度的變異函數

圖3 1號樣地中土壤有機碳的空間分布格局和克里格插值估計標準差

2.4 土壤有機碳密度與表層土壤細根生物量的相關性

協變異函數是用來描述區域化變量變化規律的基本函數。3塊樣地最大空間距離內土壤有機碳與細根生物量相關性協變異函數呈相同的變化趨勢(圖4)，隨空間距離的加大，變異函數值逐漸升高，然后趨于穩定。

圖4 闊葉紅松林土壤有機碳密度與細根生物量的協方差函數

3塊樣地土壤有機碳質量分數和細根生物量分別在5.011、4.590、4.912m 距離內存在相關性(表3)，這與土壤有機碳密度平均變程4.069m相近。協變異函數符合球狀理論模型，模型對數似然值在89～110之間，模型擬合效果較好。3塊樣地土壤有機碳密度與細根生物量協方差函數的結構比在50％～80％，2號樣地的土壤有機碳密度與細根協方差函數的結構比最大(77.2％)，屬于強烈空間相關性，1號和3號樣地的結構比分別為71.1％和51.9％，屬于中等空間相關性。3塊樣地土壤有機碳與細根生物量相關性存在塊金效應，1號樣地的塊金效應最小(1.600)，3號樣地的塊金效應最大(9.020)。塊金值差異較大是由于微尺度上的結構變異造成，如地上覆蓋物數量與種類上的差異，還是試驗誤差造成的，還需要進一步縮小取樣尺度進行深入研究。

表3 闊葉紅松林土壤有機碳密度與細根生物量協方差函數分析結果

3 結論與討論

地統計學應用于生態學，用于探討某一因子的空間分布特征及其變異規律，已經為越來越多的學者所推崇。地統計學數據主要來自所研究空間區域上的抽樣，分析各種自然現象的空間變異規律和空間格局，已被證明是研究空間變異和空間格局的有效方法[22]3。但地統計學中的克里格方法本身是基于大量的測定數據，從這個角度上講，采用此方法對于提高土壤養分含量估計的效率，或降低野外工作量的意義可能不大[23-24]，然而在測定樣本數相同的條件下，采用地統計學方法設置樣點，利用采樣點之間的相關性，采用克里格空間差值方法進行估計，可有效地克服傳統調查方法無法解決的樣本不獨立問題，使得調查結果更接近總體真值。因此通過應用地統計學方法對土壤有機碳的研究，可以更好地揭示土壤有機碳的特性規律。研究表明，不論尺度大小，土壤有機碳質量分數均表現出高度空間異質性[25]。在本研究中，闊葉紅松林土壤有機碳的變程在2～6m，結構比在0.4～0.7，表明原始闊葉紅松林內土壤有機碳具有空間相關性。本研究還表明，土壤有機碳質量分數隨土層深度的增加而減少，這與Esteban等人的研究結論一致[15-18]。有研究表明，在闊葉紅松林中，隨著土層的加深土壤密度增加，細根獲得的氧氣減少，所以其生物量逐漸減少，且隨土層加厚，溫度和養分降低，細根生長和養分物質吸收受到抑制和影響，所以細根的生物量也會逐漸減少[26]，即土壤有機碳質量分數的垂直分布與細根生物量的垂直分布具有相似性。

在本研究中，對3塊樣地土壤有機碳密度變異函數及土壤有機碳密度與細根生物量協方差變異函數的分析結果表明，其相應的塊金值差別很大。塊金值反映了區域化變量內部隨機性的可能程度，它主要有兩種來源:一是來自區域化變量在小于抽樣尺度時所具有的內部變異，二是來自于抽樣分析的誤差[22]68。因此，在今后的研究中，可以考慮縮小取樣間隔對土壤有機碳及細根生物量的相關性進行深入研究。

本研究表明，土壤有機碳質量分數與細根生物量在土壤有機碳密度的平均變程(4.069m)內存在相關性，這與李亮亮等人的研究結論一致[25-27]，細根生物量大的地方土壤有機碳質量分數也較高。闊葉紅松林中，植物細根生物量的75％以上分布在0～10cm土層中[28]。大量研究證明，細根的垂直分布隨著土層的加深而減少，細根的分泌物及周轉過程中產生的碎屑為土壤提供了有機碳來源，因此，土壤有機碳質量分數以表層(0～10cm)最多，且與細根有相似的垂直分布，即土壤有機碳質量分數隨土壤深度的增加而減少。在森林生態系統中，細根一直處于生長、衰老、死亡、分解和再生長的動態過程。楊麗韞等[26]研究表明，原始闊葉紅松林細根周轉率為1.6次/a。Vogt等[29]的分析表明，細根每年周轉對土壤 C的貢獻比凋落物要大18％～58％。細根生物量少，占全部根系的20％以下，但細根中C∶N高，死亡后可以快速分解，將C歸還于土壤中，且細根的含碳量要比枯落物的含碳量大許多倍，因此，細根是土壤每年C輸入的主要來源[30]。

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Spatial Heterogeneity of Soil Organic Carbon in a Broad-Leaved Korean Pine Forest in Changbai Mountains

/Zhao Jing，Zhang Junhui，Han Shijie，Wang Shutang，Wang Shuqi，Cheng Xubing(Institute of Applied Ecology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-52～55

Soil organic carbon;Spatial heterogeneity;Fine roots;Broad-leaved Korean pine forests

S718.5

1)國家自然科學基金項目(40930107)、中國科學院知識創新工程重要方向資助項目(KZX2-YW-416)。

趙晶，女，1985年1月生，中國科學院沈陽應用生態研究所，碩士研究生。

張軍輝，中國科學院沈陽應用生態研究所，研究員;E-mail:jhzhang@iae.ac.cn。

2010年12月6日。

責任編輯:李金榮。

Geostatistical method was applied to study the spatial distribution of soil organic carbon and analyze its relation to fine root biomass of woody plants in a broad-leaved Korean pine(Pinus koraiensis)forest in Changbai Mountains in 2009.Results showed that the ranges of organic carbon density of three sampling plots were 3.568，5.866 and 2.773m respectively.The structure ratio ranged from 40％to 65％，indicating that soil organic carbon density has a moderate correlation in space.Soil organic carbon content decreased with soil depth，and it was similar to fine root in vertical distribution.There was a correlation between soil organic carbon density and fine root biomass within the spatial distances of 5.011，4.590 and 4.912m in the three sampling plots，respectively.The structure ratio of covariance functions for soil organic carbon density and fine root biomass was between 50％and 80％.