寶天曼自然保護區森林土壤碳氮儲量分布格局分析

彭舜磊, 王華太, 陳昌東, 齊 光, 趙干卿

(1.平頂山學院 低山丘陵區生態修復重點實驗室, 河南 平頂山 467000;2.平頂山學院 資源與環境科學學院, 河南 平頂山 467000)

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寶天曼自然保護區森林土壤碳氮儲量分布格局分析

彭舜磊1, 王華太2, 陳昌東1, 齊 光1, 趙干卿1

(1.平頂山學院 低山丘陵區生態修復重點實驗室, 河南 平頂山 467000;2.平頂山學院 資源與環境科學學院, 河南 平頂山 467000)

森林土壤碳氮儲量是森林生態系統物質循環的基礎，關系著全球的氣候變化。為了認識寶天曼森林土壤碳氮儲量的分布格局，以內鄉寶天曼自然保護區森林土壤為研究對象，采用土壤剖面調查方法，分析比較了內鄉寶天曼土壤碳氮儲量和碳氮比與海拔、林齡和土壤類型的關系。結果表明：該區域森林土壤碳儲量為14.24～137.97 t/hm2，平均值為82.05 t/hm2，土壤氮儲量在0.75～6.89 t/hm2范圍，平均值為3.98 t/hm2；土壤碳氮儲量與海拔和林齡符合正相關的線性關系，隨著海拔的升高和林齡的增大而升高，變化趨勢明顯，碳氮比保持在20左右；土壤碳氮儲量在不同林型間的差異很大；不同土壤類型之間，山地棕壤的碳氮儲量極顯著高于山地黃棕壤和山地褐土(p<0.01)。該研究揭示了寶天曼自然保護區森林土壤碳氮儲量的空間分布規律，對于寶天曼自然保護區森林應對氣候變化、森林植被恢復及森林生態系統的管理和保護具有重要的指導意義。

寶天曼自然保護區; 土壤類型; 碳氮儲量; 碳氮比; 海拔; 林齡

土壤是森林生態系統中物質循環和能量流動的重要組成部分[1]，它在很大程度上決定了生態系統的類型。土壤碳氮儲量在一定程度上反映了土壤肥力的高低，是衡量森林土壤質量和植被恢復效果的重要指標[2]，同時森林土壤碳氮儲量在應對全球氣候變化中也起著至關重要的作用[3-4]。近年來，森林土壤碳氮儲量的研究已經成為熱點問題。很多研究表明，森林土壤的碳氮儲量與林型關系密切，不同林型差異很大[5-10]，而且隨林齡和恢復年限的增加，碳氮積累越大[11]。不同土地利用方式對土壤的碳氮儲量產生很大影響，森林轉化為農田或天然林轉變成人工林后，土壤的碳氮儲量會嚴重丟失[12-14]。一些學者研究了土壤碳氮含量隨海拔的變化規律，認為土壤碳氮含量隨海拔的升高而增加[15-17]。寶天曼國家級自然保護區作為我國同緯度地區保存最為完好的暖溫帶向亞熱帶過渡的櫟類落葉闊葉林區，森林植被和土壤在海拔分布上具有明顯的梯度性，然而，在該地區有關土壤碳氮儲量及碳氮比在不同海拔、不同林型以及不同林齡間的分布格局研究尚比較缺乏。本文擬以寶天曼自然保護區200～1 830 m海拔梯度內主要不同林齡的林型和土壤類型為研究對象，探討土壤碳氮儲量和碳氮比隨海拔、林型、林齡和土壤類型的變化規律，旨在為寶天曼自然保護區應對氣候變化、森林植被恢復及森林生態系統的管理和保護提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寶天曼國家級自然保護區為世界生物圈保護區，位于秦嶺東段伏牛山南坡的河南省南陽市境內，地理坐標為33°25′—33°33′N，111°53′—112°17′E，海拔高度200～1 830 m，位于北亞熱帶向暖溫帶過渡地區，屬季風型大陸性氣候，年平均氣溫15.1℃，年降水量855.6 mm。地貌以切割程度不同的中山為主，低山為輔，主要巖石是花崗巖、石灰巖和砂巖，區內土壤劃分3個土類：海拔1 300 m以上為山地棕壤土類，海拔800～1 300 m為山地黃棕壤土類，海拔800 m以下為山地褐土。植被屬暖溫帶落葉林向北亞熱帶常綠闊葉林過渡類型，海拔1 200 m以下，以栓皮櫟(Quercusvariabilis)林為主；海拔1 100～1 300 m以短柄枹(Quercusglanduliferavar.brevipetiolata)林為主；海拔1 300～1 600 m以銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)林為主；海拔1 600～1 750 m為由華山松(Pinusarmandii)、銳齒櫟組成的針闊混交林；海拔1 700 m以上有銳齒櫟、堅樺(Betulachinensis)組成的山頂矮曲林。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與樣品采集 在野外踏查的基礎上，在200～1 830 m的海拔梯度上，根據森林類型，林齡和土壤類型，共設置35個樣地，沿海拔梯度自下而上包括側柏(Platycladusorientalis)人工林、栓皮櫟人工林、槲櫟(Quercusaliena)次生林、栓皮櫟次生林、短柄枹次生林，銳齒櫟次生林，銳齒櫟+華山松次生林等林型，涵蓋了寶天曼自然保護區的主要森林類型，同時也包含了三種主要的土壤類型。調查土壤指標前，首先記錄每個樣地的經緯度、林型、林齡、坡度和坡向等指標，然后每個樣地隨機挖取3個典型土壤剖面，去掉凋落物層，在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分別用環刀進行取樣，備測土壤容重；同時在緊鄰土壤剖面，用土鉆按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分層鉆取土樣，分別裝入自封袋，備測土壤有機碳和全氮含量。

1.2.2 土壤容重和碳氮含量的測定及碳氮儲量的計算 土壤容重采用環刀法[16-17]：采集回的土壤樣品自然風干后，采用TOC分析儀測試土壤有機碳含量[17]，土樣消煮后，用凱氏定氮儀測試土壤全氮含量[18]。土壤剖面單位面積土壤碳儲量(SOC)和氮儲量(TN)的計算公式如下[1,5]：

(1)

(2)

式中：SOC，TN——n層土壤單位面積有機碳儲量和全氮儲量(t/hm2)；ρi——i土層的土壤容重(g/cm3)；SOCi，TNi——i土層的土壤有機碳含量和全氮含量(g/kg)；Hi——i土層深度(cm)；Si——i土層中土壤礫石的含量(%)；如果計算單個土層單位面積土壤碳儲量與全氮儲量，去掉加和符號。

1.2.3 數據統計分析 通過曲線擬合探討土壤的碳氮儲量和碳氮比與海拔、林齡的相關關系，通過單因素方差分析比較不同土壤類型碳氮儲量和碳氮比的差異性，顯著性檢驗采用α=0.05，曲線擬合采用Excel 2003和R軟件進行，同時利用Excel 2003進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤碳氮儲量隨海拔的分布規律

寶天曼自然保護區森林土壤0—10，10—20，20—30 cm的土壤碳儲量和氮儲量與海拔均呈極為顯著的線性關系，變化趨勢一致(p<0.000 01，表1)，雖然在800～1 000 m海拔范圍內隨海拔的升高而下降，但總體上，土壤碳氮儲量隨海拔升高而增大；0—30 cm土壤的碳氮儲量也表現出相同的趨勢(表1)。土壤的碳氮比與海拔的相關關系不顯著(p=0.402>0.05，圖1和表1)，碳氮比維持在20左右。

2.2 不同林型內土壤碳氮儲量的分布規律

由表2可知，不同林型土壤碳氮儲量差異很大，0—30 cm土壤碳儲量的變化范圍為14.24～137.37 t/hm2，土壤氮儲量的變化范圍為0.75～6.41 t/hm2；銳齒櫟+華山松林土壤的碳氮儲量最大，側柏人工林的土壤碳氮儲量最小。土壤碳氮儲量總體上表現為天然次生林大于人工林，說明天然林轉化為人工林后，土壤碳氮儲量丟失嚴重。由表3可知，不同林型土壤碳氮比波動較小。

表1 土壤碳氮儲量和碳氮比與海拔擬合方程及參數

圖1 土壤碳氮比與海拔的關系

選擇具有林齡序列的栓皮櫟、短柄枹和銳齒櫟天然次生林探討林齡與土壤碳氮儲量和碳氮比的關系。

由圖2—4可知，栓皮櫟、短柄枹和銳齒櫟天然次生林土壤碳氮儲量均隨林齡的增大而增大，其中栓皮櫟次生林土壤碳氮儲量與林齡的線性關系顯著(p<0.05，圖2A和2B)，短柄枹次生林土壤碳氮儲量與林齡的二次曲線關系極為顯著(p<0.01，圖3A和3B)，銳齒櫟次生林土壤碳儲量與林齡線性關系極為顯著(p=0.0003，圖4A)，其氮儲量與林齡指數關系顯著(p=0.013，圖4B)。栓皮櫟和銳齒櫟次生林土壤碳氮比與林齡相關性不顯著(p>0.05，圖2A和4C)，短柄枹次生林土壤碳氮比與林齡負線性相關顯著(p=0.011，圖3C)。

表2 不同林型土壤的碳氮儲量

表3 不同林型土壤的碳氮比

2.3 不同土壤類型土壤碳氮儲量比較

寶天曼自然保護區內三種土壤類型0—30 cm碳儲量的極小值和極大值分別為14.24，137.97 t/hm2，平均值為82.05 t/hm2，氮儲量的極小值和極大值分別為0.75，6.89 t/hm2,平均值為3.98 t/hm2(圖5A和5B)。山地褐土的碳氮儲量和碳氮比分別為(48.53±17.47) t/hm2，(2.43±0.95) t/hm2，(20.32±1.86),山地黃棕壤的碳氮儲量和碳氮比分別為(65.01±16.46) t/hm2，(3.26±0.95) t/hm2，(20.23±1.80)，山地棕壤的碳氮儲量和碳氮比分別為(110.76±18.29) t/hm2，(5.27±0.94) t/hm2，(21.07±1.25)；不同的土壤類型的碳氮儲量存在顯著差異(p<0.01)，其中山地褐土和山地黃棕壤的碳氮儲量差異不顯著(p>0.05)，但它們均與山地棕壤差異顯著(p<0.01，圖5A和5B)；三種土壤類型的碳氮比差異均不顯著(p>0.05，圖5C)。

圖2 栓皮櫟次生林碳儲量、氮儲量和碳氮比與林齡的關系

圖3 短柄枹次生林碳儲量、氮儲量和碳氮比與林齡的關系

圖4 銳齒櫟次生林碳儲量、氮儲量和碳氮比與林齡的關系

圖5 不同土壤類型土壤碳儲量、氮儲量及碳氮比比較

3 結論與討論

3.1 土壤碳氮儲量隨海拔的升高而增加

海拔高度影響著溫度、濕度、水分、土壤類型和植被分布，導致土壤的碳氮儲量存在差異[15-17]。寶天曼森林土壤的碳氮儲量與海拔存在顯著的線性關系，隨海拔的升高，土壤的碳氮儲量顯著升高。原因是隨著海拔的升高，溫度逐漸降低，土壤的有機質和氮素分解比較緩慢，土壤中碳氮儲量積累較多[15]，另外，海拔高，人類活動對植被和土壤的干擾程度也低[17]，因此，高海拔土壤的碳氮儲量較高。土壤的碳氮比隨海拔變化不顯著，保持在20左右，這是因為森林植被與土壤相互作用和相互適應的結果，使得土壤的理化性質基本保持穩定。

3.2 土壤碳氮儲量與林型和林齡的關系密切

林型也是制約土壤碳氮儲量的關鍵因子，林型不同，直接影響著土壤的環境條件和理化性質，不同的林型使得土壤中的碳氮儲量差異很大[5,7-8]。在寶天曼自然保護區，森林土壤碳氮儲量的大小順序依次為：銳齒櫟+華山松混交林>銳齒櫟次生林>栓皮櫟次生林>短柄枹次生林>栓皮櫟人工林>側柏人工林。林型不同，喬木層、灌木層和草本層的物種組成和豐富度也不同，造成林下凋落物和粗木質殘體的質和量也不同，土壤酶活性不同，直接影響到土壤的有機碳和氮素的供給和歸還[19]。不同林型土壤動物和微生物的豐富度和活動能力不同，分解粗木質殘體和凋落物的快慢存在差異，使得不同林型的土壤，碳氮儲量差異很大[7-10]。此外，本研究中，栓皮櫟次生林轉化成栓皮櫟人工林后土壤中碳氮儲量分別丟失40%和41%，轉化為側柏人工林后，土壤中碳氮儲量分別丟失78%和76%。說明天然林轉化成人工林后，土壤中的碳氮儲量丟失嚴重[19]。

林齡顯著影響著土壤的碳氮儲量[11]，本研究通過栓皮櫟次生林、短柄枹次生林和銳齒櫟次生林林齡序列研究表明，3個林型中土壤的碳氮儲量均與林齡呈顯著正相關。原因是林齡越大，地上和地下生物量越大，粗木質殘體和凋落物量越大，土壤中的死根系也越多，土壤動物和微生物活動頻繁，分解粗木質殘體和凋落物快，有機質豐厚，因此土壤有機質和氮儲量的較大[20-22]。

3.3 土壤類型對土壤碳氮儲量的影響顯著

寶天曼自然保護區內三種土壤類型0—30 cm碳氮儲量的大小順序為：山地棕壤>山地黃棕壤>山地褐土，存在顯著差異。這三種土壤類型隨海拔梯度變化而變化，山地棕壤由于位于高海拔地段，森林植被林齡為成熟林，因此，土壤中的碳氮儲量最高，山地褐土所處海拔較低，受人類活動干擾嚴重，尤其是人工林和林齡較小的次生林，土壤的碳氮儲量較低，這與黨坤良等的研究結果一致[17]。

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Distribution Patterns of Soil Organic Carbon and Nitrogen Storage in Forestland of Baotianman Nature Reserve

PENG Shunlei1, WANG Huatai2, CHEN Changdong1, QI Guang1, ZHAO Ganqing1

(1.KeyLaboratoryofEcologicalRestorationintheHillyArea,PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China)

Soil organic carbon (SOC) and nitrogen in forestland are the basis for material recycling in the forest ecosystems, and which are significantly correlated with global climate change. In order to understand the strorage distribution patterns of SOC and nitrogen in Baotianman Nature Reserves, we used soil profile survey method to study the relationship between the SOC, nitrogen storage and C∶N ratio with altitude, forest age, and soil types in Baotianman Nature Reserve. The results showed that the amount of forest SOC storage ranged from 14.24 t/hm2to 137.97 t/hm2, with an average of 82.05 t/hm2in the 0—30 cm soil layer, the value of soil nitrogen storage ranged from 0.75 t/hm2to 6.89 t/hm2, with an average of 3.98 t/hm2. SOC and nitrogen storage was significantly lineated with the altitude and forest age (p<0.05), and positively increased with altitude and forest age increasing. SOC and nitrogen storage showed the differences among the different forest types. SOC and nitrogen storage of the brown soil was significantly greater than that of the yellow brown soil and cinnamon soil (p<0.01). However, C∶N ratio was stable with the value of about 20, and did not significantly change with altitude and soil types (p>0.05). This study revealed the distribution patterns of SOC and nitrogen storage in Baotianman forest region, and was very important for guiding climate change mitigation, forest restoration, and forest ecosystem management and protection in Baotianman Nature Reserve.

Baotianman Nature Reserve; soil types; soil organic carbon and nitrogen storages; C∶N ratio; altitude; forest age

2015-04-28

2015-05-07

河南省教育廳科學技術重點研究項目“伏牛山森林近自然度評價及可持續經營技術研究”(12B18003);中國博士后科學基金“臺風對天童常綠闊葉林養分遷移的影響”(2014M561043)

彭舜磊(1974—)，男,河南駐馬店人,副教授,博士,研究方向:森林生態學。E-mail:pengshunlei@163.com

S512.7

1005-3409(2015)05-0030-05