河北小五臺(tái)山不同海拔白樺林土壤有機(jī)碳密度分布特征及影響因素

尤海舟，畢君*，王超，任啟文，李聯(lián)地

1. 河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061；2. 河北小五臺(tái)山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，河北 涿鹿 075600

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫（Batjes，1996），是陸地植被碳庫的3倍、大氣碳庫的2倍（Smith et al.，2008）。在土壤碳庫中，森林土壤碳庫占陸地土壤總碳庫的 70%以上（Dixon et al.，1994），因此深入研究森林土壤有機(jī)碳已經(jīng)成為陸地碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)，對森林土壤碳庫動(dòng)態(tài)變化及其調(diào)控機(jī)理的研究是了解和預(yù)測全球氣候變化的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。國內(nèi)外學(xué)者對不同森林類型土壤碳密度進(jìn)行了廣泛研究，Pan et al.（2009）分析了多種類型森林土壤有機(jī)碳含量分布特征及其影響因素，得出 SOC含量分布的顯著地帶性特征；羅由林等（2015）認(rèn)為土地利用方式和土壤類型是影響土壤有機(jī)碳分布的主要因素；舒蛟靖等（2015）認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量及其活性受成土因素和人類活動(dòng)長期相互作用的影響。海拔作為重要的地形因子，也是一個(gè)綜合性的影響因子，其通過影響水熱條件、植被組成及土壤性質(zhì)等，影響土壤有機(jī)質(zhì)的輸入和分解，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳。許多研究結(jié)果均表明海拔對土壤有機(jī)碳有重要影響，解憲麗等（2004）研究認(rèn)為，對于針葉林，海拔是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變異的主導(dǎo)因子；陳廷艦等（2014）提出阿爾泰山南坡有機(jī)碳沿海拔梯度具有一定的變化規(guī)律；丁咸慶等（2015）分析了大圍山不同海拔上4種典型林分類型有機(jī)碳垂直分布特征。然而，目前針對于單一植被類型的山地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的土壤有機(jī)碳密度變化的研究還極少，阿米娜木·艾力（2014）通過對天山云杉林土壤有機(jī)碳沿海拔的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，同一植被類型土壤有機(jī)碳在不同海拔梯度上具有一定的變化規(guī)律。

白樺（Betula platyphylla）是中國北方分布廣泛的天然林樹種，是重要的生態(tài)防護(hù)與商品材樹種，其分布面積廣大，是人工采伐、火燒等破壞后森林植被恢復(fù)的先鋒樹種，在森林植被垂直帶譜和植被演替中占有重要位置。目前對于白樺林的研究，主要集中在生境分布、群落結(jié)構(gòu)、空間格局和功能、群落演替等方面（胡爾查等，2013；靳靜靜等，2014；董利虎等，2013）。因此，對白樺天然次生林不同海拔梯度土壤有機(jī)碳分布的差異性及其影響因素進(jìn)行研究，探究白樺天然次生林有機(jī)碳的垂直分布規(guī)律及其主要影響因子，對于研究該區(qū)域森林土壤有機(jī)碳形成機(jī)理及該區(qū)碳儲(chǔ)量合理評測具有重要意義。

本研究以河北小五臺(tái)山白樺天然次生林4個(gè)不同海拔的森林土壤剖面為研究對象，試圖揭示：（1）河北小五臺(tái)山白樺天然次生林土壤有機(jī)碳密度的垂直帶分布特征；（2）土壤有機(jī)碳密度在剖面內(nèi)的垂直分布規(guī)律；（3）確定土壤有機(jī)碳垂直分布的主要影響因子。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

小五臺(tái)山脈地處冀西北-晉北間山盆地的南緣，地質(zhì)構(gòu)造升降懸殊，地形復(fù)雜，生境多變，是華北地區(qū)植物種類最豐富的地區(qū)之一。小五臺(tái)山為河北最高峰，地理位置特殊，山體相對高差大，氣候變化明顯，暖溫帶植被類型豐富，分帶現(xiàn)象顯著，具有暖溫帶完整的植被垂直帶譜，由下而上依次為墾殖帶、落葉闊葉林帶、針闊混交林帶、針葉林帶、矮林灌叢帶和亞高山草甸帶。小五臺(tái)山自然保護(hù)區(qū)地理坐標(biāo)為 114°47′～115°30′E，39°50′～40°7′N。土壤類型主要為褐土、山地棕壤及亞高山草甸土，陽坡土壤貧瘠，陰坡則較肥沃（劉增力等，2004）。

1.2　研究方法

1.2.1樣地調(diào)查方法

小五臺(tái)山山澗口林區(qū)白樺的海拔分布范圍為1400～2000 m，2016年7月，以150 m為1個(gè)海拔梯度，在每個(gè)梯度內(nèi)設(shè)置3塊不小于30 m×30 m的樣地。對樣地內(nèi)白樺進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查因子主要包括樹高、胸徑等，樣地情況見表1。

1.2.2土樣采集及測試方法

在每塊樣地內(nèi)，按照S型方法布設(shè)了3個(gè)土壤采樣點(diǎn)。小五臺(tái)山白樺林土層深度大部分為 60～70 cm，因此每個(gè)采樣點(diǎn)挖60 cm深土壤剖面，分3層采集土樣，共計(jì)108個(gè)土樣；在3個(gè)土壤采樣點(diǎn)中隨機(jī)選取1個(gè)剖面進(jìn)行分層環(huán)刀取樣，計(jì)算各土層土壤容重。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過2 mm篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)LY/T1237—1999，土壤有機(jī)碳含量（SOC）采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，土壤全氮采用凱氏蒸餾法測定，測定過程中每個(gè)樣品均設(shè)置重復(fù)樣，同時(shí)測定標(biāo)準(zhǔn)樣以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

在土壤 SOC含量基礎(chǔ)上，計(jì)算不同層次土壤有機(jī)碳密度（SOCD）。

式中，k為土壤層次；SOCDk為第k層土壤有機(jī)碳密度（kg·m-2）； Ck為第 k層土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1），Dk為第 k 層土壤密度（g·cm-3），Ek為第 k層土層厚度（cm），Gk為第k層土層中直徑大于2 mm石礫的體積分?jǐn)?shù)（%）。

1.2.3生物量和枯落物儲(chǔ)量計(jì)算方法

采用平均標(biāo)準(zhǔn)木法測定林木生物量。每個(gè)海拔選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木，以1 m為區(qū)分段進(jìn)行樹干解析，現(xiàn)場稱量干、皮、枝、葉、根鮮重，然后采集各部位樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，于65 ℃條件下烘干稱量干重，并換算成單位林地面積林木生物量。

在各固定樣地上部、下部各設(shè)2個(gè)，中部設(shè)1個(gè)1 m×1 m的樣方，收集枯落物，現(xiàn)場稱取鮮重，同時(shí)用密封袋采集枯落物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，于65 ℃條件下烘干稱量干重，并換算成單位林地面積枯落物儲(chǔ)量。

1.2.4數(shù)據(jù)分析方法

氣象數(shù)據(jù)來自小五臺(tái)山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站。綜合考慮降水量與溫度的影響，采用Kira（K1）干濕度指數(shù)和修正的生物干濕度指數(shù)（BK）表征地表干濕程度（倪健，1997；馮敏等，2014）。

表1　樣地基本情況Table 1　The result of sample plot survey

式中，P降水量；ti為 i月份的平均溫度；TE1為 5 ℃以上的有效溫度，TE2為 10 ℃以上的有效溫度。

數(shù)據(jù)分析和圖表制作運(yùn)用 Excel 2010和 SPSS 20.0軟件，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)組之間的差異（α=0.05），采用 Pearson相關(guān)系數(shù)評定各因子間的相關(guān)關(guān)系。于DPS軟件中進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同海拔SOCD分布

2.1.1各海拔不同土層SOCD分布

由圖1可知，不同海拔0～20 cm土層SOCD在4.30～5.85 kg·m-2之間；20～40 cm 土層 SOCD 在3.08～3.42 kg·m-2之間；40～60 cm 土層 SOCD 在1.20～2.74 kg·m-2之間。1550～1700 m 海拔 20～60 cm土層間和1850～2000 m海拔0～40 cm土層間SOCD差異不顯著，其他各海拔土層間差異顯著。雖然各海拔SOCD在某些土層間差異不顯著，但還是呈現(xiàn)出明顯的隨土壤深度增加而變小的規(guī)律。

土壤有機(jī)碳主要集中在土壤表層中（圖2），各海拔0～20 cm土層有機(jī)碳約占全剖面的50%，20～40 cm所占比例為28.49%～37.98%，40～60 cm所占的比例為13.58%～22.80%。這主要是因?yàn)橹参锏蚵湮餁w還于土壤表層，經(jīng)分解有機(jī)質(zhì)在土壤表層富集從而形成較高的有機(jī)碳密度。

2.1.2SOCD沿海拔的變化規(guī)律

各層SOCD均以1550～1700 m海拔最高（圖3），在 0～20 cm 土層和 40～60 cm 土層，1550～1700 m海拔SOCD顯著高于其他3個(gè)海拔；20～40 cm土層，SOCD在4個(gè)海拔間差異不顯著。

隨著海拔梯度的增加，土壤總有機(jī)碳呈先增加后減少趨勢（圖4）。土壤總有機(jī)碳密度在8.90～12.03 kg·m-2之間，以1550～1700 m海拔最高，顯著高于其他3個(gè)海拔；1400～1550 m海拔次之，顯著高于海拔1850～2000 m；其他海拔間土壤總有機(jī)碳差異不顯著。

圖2　不同土層有機(jī)碳密度占全剖面有機(jī)碳密度比例Fig. 2　Layers of SOCD as a percentage of the total cross-section

2.2　SOCD沿海拔分異的影響因素

2.2.1不同海拔環(huán)境因子間相關(guān)性分析

相關(guān)研究表明，SOCD主要受大氣、植被、土壤理化性質(zhì)及地形因子等的影響（舒蛟靖等，2015）。本研究中，植被因子包括林木生物量和枯落物儲(chǔ)量；土壤理化因子包括土壤容重和土壤全氮；氣象因子包括年降水量、年均溫度、Kira干濕度指數(shù)和修正的生物干濕度指數(shù) BK；地形因子主要為海拔因子。

白樺天然次生林不同海拔主要環(huán)境因子見表2，高海拔地區(qū)年降雨量、Kira干濕度指數(shù)和修正的生物干濕度指數(shù) BK高于低海拔地區(qū)，林木生物量、枯落物儲(chǔ)量和土壤全氮以中海拔地區(qū)最大。對不同海拔各環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)分析性分析（表3），結(jié)果表明，植被因子和土壤因子間相關(guān)性較高，其中林木生物量、枯落物儲(chǔ)量和土壤全氮三者間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)；年均溫度同其他因子的相關(guān)性大于年降雨量，說明溫度對其他因子的影響強(qiáng)于年降雨量。

圖3　不同海拔同一土壤深度的有機(jī)碳密度變化規(guī)律Fig. 3　Soil organic carbon density variation of different altitudes at the same depth

圖4　不同海拔樺樹天然林總有機(jī)碳密度Fig. 4　Total organic carbon density at different altitude

表3　不同海拔高度各環(huán)境因子之間的相關(guān)矩陣Table 3　The correlation matrix between the environmental factors at different altitudes

2.2.2不同海拔環(huán)境因子對SOCD的灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度是表征事物、因素之間關(guān)聯(lián)性大小的量度。它可對事物之間、因素之間相互變化的情況進(jìn)行定量描述，主要包括變化的大小、速度、方向等的相對性。灰色關(guān)聯(lián)度分析所需要的數(shù)據(jù)較少，對數(shù)據(jù)的特征要求不高，原理較為簡單，易于理解和掌握，能夠克服SPSS統(tǒng)計(jì)分析中的不足，SPSS回歸、相關(guān)性分析要求大量的數(shù)據(jù)和明顯的數(shù)據(jù)分布特征，當(dāng)多元素非典型分布特征現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，相關(guān)性、回歸分析的難度將會(huì)變大（王曉康，2013）。

表2　不同海拔環(huán)境因子Table 2　The environmental factors at different altitudes

利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對表3所述8個(gè)因子對SOCD的影響程度進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。灰色關(guān)聯(lián)度越大，說明該項(xiàng)與參考項(xiàng)的發(fā)展趨勢越接近，由表4可知，各參數(shù)對SOCD影響較大，但影響程度存在差異，影響因子的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋嚎萋湮飪?chǔ)量＞生物量＞土壤全氮＞土壤容重＞溫度＞K1＞BK＞年降水量。對SOCD影響較大的是土壤因子和植被因子，氣候因子影響較小，雖然海拔升高直接導(dǎo)致氣候的改變，但是不同海拔上SOCD的改變與植被因子和土壤因子相關(guān)性大于氣候因素。

3　討論

3.1　小五臺(tái)山白樺林SOCD水平

于東升等（2005）在國家尺度上，計(jì)算了全國各土壤類型的SOCD，結(jié)果表明全國土壤SOCD在8.01～19.05 kg·m-2之間，河北小五臺(tái)山白樺林SOCD在全國范圍內(nèi)處于較低水平。研究區(qū)SOCD也低于北方其他地區(qū)，洪雪姣（2012）對大小興安嶺的研究顯示，大小興安嶺白樺林 SOCD平均為 16.35 kg·m-2；劉樂樂（2014）對冀北山區(qū)赤城縣黑龍山、圍場縣孟灤、圍場縣和豐寧縣的研究結(jié)果顯示，4個(gè)地區(qū)白樺林 SOCD平均分布范圍為 11.72～23.97 kg·m-2；劉延惠（2011）對西北六盤山地區(qū)研究結(jié)果顯示，六盤山白樺林SOCD平均為19.17 kg·m-2。主要原因可能是小五臺(tái)山土壤較貧瘠，土壤厚度較低，普遍低于80 cm，其他研究中土壤厚度多大于80 cm（洪雪姣，2012；劉樂樂，2014；劉延惠，2011），但小五臺(tái)山白樺林土壤仍是重要的碳匯。

3.2　小五臺(tái)山白樺林SOCD空間分布影響因素

小五臺(tái)山不同海拔白樺林SOCD空間分布包含兩方面的內(nèi)容：一是隨土壤深度的變化；二是沿海拔梯度的變化。大量研究表明，SOCD隨著土層深度增加而明顯下降（李英等，2017；洪雪姣，2012），本研究結(jié)果與前人一致，這與土壤不同深度的理化性質(zhì)（容重、石礫含量、含水量）、微生物活性和凋落物的分解速率等有關(guān)，深層土壤孔隙度差，相對板結(jié)，母質(zhì)較穩(wěn)定，受凋落物分解、植被根系和土壤動(dòng)物活動(dòng)影響較表層小，有機(jī)質(zhì)分解速率低（劉姝媛等，2010；阿米娜木·艾力等2014；洪雪姣，2012）。

灰色度相關(guān)分析表明，植被因子與不同海拔SOCD關(guān)聯(lián)較大（表4），與前人研究結(jié)果一致（李英等，2017；崔鴻俠等，2014）。李英等（2017）對黃淮海平原不同土地利用方式 SOC研究發(fā)現(xiàn)，SOC與枯落物儲(chǔ)量密切相關(guān)，SOC的來源多為地表枯落物，較厚的枯落物不僅使歸還土壤的有機(jī)質(zhì)增多，且具有明顯的蓄水和保水作用。崔鴻俠等（2014）對神農(nóng)架3 種針葉林SOC進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)土壤碳儲(chǔ)量與平均胸徑和地表凋落物現(xiàn)存量呈正相關(guān)，林木生長微觀表現(xiàn)為生物量的增加，宏觀表現(xiàn)為樹木胸徑以及樹干的增加。

不同海拔SOCD與土壤因子關(guān)聯(lián)度較大，C/N指標(biāo)代表了碳氮之間的密切關(guān)系，當(dāng)其處于7.8～24.7范圍內(nèi)，植物可以獲得充分的氮素營養(yǎng)，如果該比值大于25，則說明土壤氮素?zé)o法滿足細(xì)菌對有機(jī)質(zhì)分解的需求，會(huì)繼續(xù)造成氮的流失同時(shí)加速有機(jī)質(zhì)分解，因此SOCD與全氮含量存在一定相關(guān)性，隨著全氮含量增加而增加，這與許多研究結(jié)果一致（洪雪姣，2012；劉姝媛等，2010）。

海拔對SOCD的影響首先通過影響氣候變化而影響溫度、降水等水熱條件，使植被生長以及土壤性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)一步影響土壤有機(jī)質(zhì)的輸入和分解，進(jìn)而影響SOCD（陳廷艦等，2014；丁咸慶等，2015）。因此，SOCD沿海拔變化主要受氣候變化影響，及其作用下的植物生長和土壤理化性質(zhì)變化的綜合影響。

4　結(jié)論

（1）隨土層深度增加，小五臺(tái)山白樺天然次生林SOCD呈減少趨勢，48%～52%土壤有機(jī)碳集中在0～20 cm土層內(nèi)。

（2）隨海拔升高，白樺天然次生林SOCD呈現(xiàn)顯著的先上升后下降趨勢，峰值出現(xiàn)在海拔1550～1700 m。

（3）不同海拔環(huán)境因子對SOCD的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋嚎萋湮飪?chǔ)量＞生物量＞全氮＞土壤容重＞年均溫度＞K1＞BK＞年降水量。植被因子和土壤因子是小五臺(tái)山白樺林SOCD沿海拔分布的主要影響因素。

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