不同間伐強(qiáng)度下長白落葉松人工林土壤總有機(jī)碳特征及其影響因素

王琪瑤 李云紅 劉延坤 陳瑤 田松巖 劉學(xué)

摘要：

本研究采用野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合的方法，對(duì)不同間伐強(qiáng)度下的長白落葉松（Larix olgensis）人工林的土壤總有機(jī)碳及理化性質(zhì)特征進(jìn)行研究，并分析它們之間的相關(guān)關(guān)系，為更好的管理森林土壤碳庫和制定合理的營林措施提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：①隨著土壤深度增加，各處理土壤總有機(jī)碳含量和碳密度均呈顯著垂直遞減特征，且表層土壤總有機(jī)碳含量和碳密度顯著高于其他兩層（p<0.05）。②隨著間伐強(qiáng)度的降低，林分密度增加，土壤總有機(jī)碳含量和碳密度均呈先減小后增大的趨勢，且強(qiáng)度間伐和輕度間伐土壤總有機(jī)碳含量及碳密度顯著高于中度間伐（p<0.05）。③對(duì)三種間伐強(qiáng)度下的落葉松人工林進(jìn)行分析，土壤總有機(jī)碳含量及碳密度與土壤全氮呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)。表明土壤碳素與氮素在土壤中轉(zhuǎn)化存在著密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：

長白落葉松人工林；土壤總有機(jī)碳；土壤總有機(jī)碳密度；間伐強(qiáng)度；林分密度

中圖分類號(hào)：S 791文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2018）01-0001-05

Abstract：

In this study，field investigation and laboratory analysis were used to study the characteristics of soil total organic carbon and physicochemical properties of Larix olgensis plantations under different thinning intensities，and to analyze the correlation between them，which provide a scientific basis for better management of forest soil carbon pool and development of reasonable silviculture measures.The results show that：①With the increase of soil depth，the total organic carbon content and carbon density of each treatment soil showed a significant vertical decline feature，and the total organic carbon content and carbon density of surface soil were significantly higher than that of the other two layers（p<0.05）.②With the decrease of thinning intensity，stand density increased，soil total organic carbon content and carbon density decreased first and then increased，and the total organic carbon content and carbon density in intermediate thinning and light thinning soil were significantly higher than those in moderate thinning（p<0.05）.③According to the analysis of larch plantation under three thinning intensity，the total organic carbon content and carbon density of soil were positively correlated with soil total nitrogen（p<0.01）.This indicated that soil carbon and nitrogen had a close relationship in soil.

Keywords：

Larix olgensis；soil organic carbon；soil total organic carbon density；thinning intensity；stand density

0引言

近年來，隨著大氣中CO2濃度的不斷增加，全球氣候變化成為了各國科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。而森林不但對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境起著重要的作用，也調(diào)節(jié)著大氣中CO2的平衡[1-3]。森林土壤碳庫約為787 PgC，約占全球土壤碳庫的73%，約為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的2/3[4]。因此，森林土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大碳庫，是全球碳循環(huán)中源、庫、匯的扮演者[5-6]。植被類型、氣候條件、土壤特征等是影響森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和分布的重要因素[7-8]。在植被類型中，林分密度的變化會(huì)使土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量發(fā)生改變，因?yàn)榱址置芏葲Q定了林分的空間布局，林分密度變化會(huì)改變光、熱、水分等生態(tài)環(huán)境因子，帶動(dòng)改變林下物種的結(jié)構(gòu)及其多樣性，進(jìn)而凋落物的輸入和有機(jī)質(zhì)的分解也受到影響，隨著林下土壤養(yǎng)分和能量循環(huán)的改變，最終影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量也發(fā)生變化[9-13]。長白落葉松（Larix olgensis）是我國東北林區(qū)高山針葉林的主要森林組成樹種，是東北地區(qū)主要三大針葉用材林樹種之一，是世界上受全球氣候變化影響最嚴(yán)重的森林植被林類型之一[14]。關(guān)于長白落葉松林碳匯功能研究大多集中在地上部分固碳功能研究[15-18]，對(duì)落葉松人工林土壤碳的積累和分布的綜合性研究不多見。因此，本文以長白落葉松人工林為對(duì)象，研究不同間伐強(qiáng)度土壤總有機(jī)碳特征，為更好的管理森林土壤碳庫和制定合理的營林措施提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于黑龍江省東南部寧安縣境內(nèi)的江山嬌實(shí)驗(yàn)林場（43°44′54″～43°54′12″N，128°53′16″～129°12′42″E），地處張廣才嶺南端，山脈東西走向，整個(gè)地勢東高西低，北高南低，海拔在356～890 m之間，為典型的低山丘陵地貌。該區(qū)屬亞寒帶大陸性氣候，年均氣溫在3.5 ℃，年均降水量在450～550 mm，積雪期為150 d，無霜期116～125 d。地帶性土壤為暗棕壤。地帶性頂極群落為闊葉紅松林，由于開發(fā)較早，原生頂極群落已所剩無幾，被大面積長白落葉松（Larix olgensis）人工林及楊、樺（Populus spp.）、柞（Quercus spp.）及硬闊葉林次生林所替代。

2研究方法

2.1樣地調(diào)查

研究樣地為1958年?duì)I造的長白落葉松人工林，位于江山嬌實(shí)驗(yàn)林場81林班，坡向?yàn)槟舷颍０?64.7～550.4 m，初始造林密度為3300株/hm2，80年代經(jīng)過不同強(qiáng)度的間伐，形成現(xiàn)有不同林分密度的長白落葉松人工林，本研究在相似立地條件下，選取經(jīng)強(qiáng)度、中度、輕度三種間伐處理的長白落葉松人工林為研究對(duì)象，每個(gè)水平隨機(jī)設(shè)置3塊樣地，樣地面積為20 m×20 m，樣地基本信息見表1。

2.2土樣采集和處理

采用土鉆法按蛇形法在每個(gè)樣方內(nèi)分三層（0～10、10～20、20～30 cm）取9個(gè)點(diǎn)，然后將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過100目篩后，用于土壤總有機(jī)碳及土壤理化性質(zhì)的測定。

2.3土樣指標(biāo)測定方法

土壤總有機(jī)碳采用碳氮自動(dòng)分析儀（Multi C/N 3000，Analytik Jena AG）測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定[19]；土壤全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法測定[19]；土壤容重測定采用環(huán)刀法采集；土壤含水率采用烘干法（（105±2）℃，12 h）測定；每個(gè)樣品重復(fù)測定3次。

2.5數(shù)據(jù)分析

采用方差分析（one-way ANOVA）檢驗(yàn)間伐強(qiáng)度和土層深度對(duì)土壤總有機(jī)碳含量和碳密度的影響顯著性（顯著性水平設(shè)為0.05）；采用（Pearson）相關(guān)性檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)土壤總有機(jī)碳含量和碳密度與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系；相關(guān)數(shù)據(jù)分析使用Excel 2007和SPSS 19.0軟件。

3結(jié)果與分析

3.1土壤總有機(jī)碳含量分布特征

土壤中生物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)的輸入與微生物分解等作用下有機(jī)物質(zhì)的輸出決定了土壤中有機(jī)碳的含量[20]。由圖1可見，三種間伐強(qiáng)度下土壤總有機(jī)碳含量的垂直分布特征一致，隨著土壤深度的增加，土壤總有機(jī)碳含量呈逐漸減小的趨勢，且表層土壤總有機(jī)碳含量均顯著高于其他兩層（p<0.05）。對(duì)于同一深度土層，土壤總有機(jī)碳含量隨著間伐強(qiáng)度的降低呈先減小后增大的趨勢。在0～10 cm土層及整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，強(qiáng)度和輕度間伐土壤總有機(jī)碳含量顯著高于中度間伐（p<0.05）。

3.2土壤總有機(jī)碳密度分布特征

由圖2可見，與土壤總有機(jī)碳含量的垂直分布特征規(guī)律相一致，隨著土壤深度增加，土壤總有機(jī)碳密度呈垂直遞減特征，且間伐后三種林分密度的表層土壤總有機(jī)碳密度均顯著高于其他兩層（p<0.05）。對(duì)于同一深度土層，隨著間伐強(qiáng)度的

降低，在0～10、10～20 cm土層及整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，土壤總有機(jī)碳密度呈先減小后增大的趨勢；在20～30 cm土層上土壤總有機(jī)碳密度呈逐漸增大趨勢。在0～10 cm土層及整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，強(qiáng)度和輕度間伐土壤總有機(jī)碳密度顯著高于中度間伐（p<0.05），與土壤總有機(jī)碳含量特征基本一致。

圖1和圖2中所列小寫字母（a、b、c）表示同一林分不同土層之間差異水平（p<0.05），大寫字母（A、B、C）表示同一土層不同林分之間差異水平（p<0.05）。

3.3土壤理化性質(zhì)分析

三種間伐強(qiáng)度下，土壤全氮量和含水率垂直變化規(guī)律一致，隨土層深度的增加而逐漸減小，而土壤容重則相反，表現(xiàn)為隨土層深度增加而逐漸增加的趨勢，土壤全磷含量無明顯規(guī)律，見表2。

同一土層深度，不同間伐強(qiáng)度的落葉松林下土壤全氮量排序是：中度間伐<輕度間伐<強(qiáng)度間伐；強(qiáng)度間伐后的土壤含水率最高；輕度間伐后的土壤容重最小。在整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，隨著間伐強(qiáng)度減小土壤全磷量逐漸減小。

3.4土壤總有機(jī)碳含量與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

對(duì)于各間伐處理下落葉松人工林土壤總有機(jī)碳含量和理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，見表3。結(jié)果表明：土壤總有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)之間關(guān)系密切，在0～10、10～20、20～30 cm各層土壤總有機(jī)碳含量與全氮呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)；在整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，土壤總有機(jī)碳含量與全氮和含水率均呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)。由此說明土壤碳素與氮素在土壤中轉(zhuǎn)化存在著密切的關(guān)系；同時(shí)，也說明了土壤中水和氮的含量與土壤總有機(jī)碳含量有關(guān)。

3.5土壤有機(jī)碳密度與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

對(duì)三種間伐強(qiáng)度下落葉松人工林土壤總有機(jī)碳密度及土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，見表4。結(jié)果表明：在0～10、10～20、20～30 cm各層，土壤總有機(jī)碳密度與全氮含量均呈顯著（p<0.01）正相關(guān)；在0～10土層，土壤總有機(jī)碳密度與容重呈顯著（p<0.01）正相關(guān)。在整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，土壤總有機(jī)碳密度與全氮呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)，這與土壤總有機(jī)碳含量和土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性基本一致；土壤總有機(jī)碳密度與土壤容重呈極顯著（p<0.01）負(fù)相關(guān)，這與土壤總有機(jī)碳含量和土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性不一致。

4討論與結(jié)論

4.1不同間伐強(qiáng)度下土壤總有機(jī)碳含量和碳密度的分布特征

間伐使大量剩余物歸還地表的同時(shí)，還會(huì)改變林地的光照條件，增加林下植被的種類和蓋度，降低徑流的流速，增強(qiáng)土壤滲透，有效的防止水土流失，還可以加大植被枯落物歸還量，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的來源。隨著土壤深度增加，各處理土壤總有機(jī)碳含量和碳密度均呈顯著垂直遞減特征，且表層土壤總有機(jī)碳含量和碳密度顯著高于其他兩層（p<0.05）。因?yàn)橥寥辣韺佑袡C(jī)質(zhì)穩(wěn)定豐富的來源是地表凋落物的積累和分解，隨著土層深度的增加，積累和分解作用會(huì)逐漸減弱，而且植被根系也對(duì)地表有機(jī)碳的積累和分解具有很強(qiáng)的作用。這與許文強(qiáng)等[21]和任麗娜等[22]的研究結(jié)果基本相一致。路翔等[23]研究發(fā)現(xiàn)，中亞熱帶4種森林類型SOC含量隨土壤深度增加逐漸降低，也與本研究結(jié)果一致。隨著間伐強(qiáng)度的降低，林分密度增加，土壤總有機(jī)碳含量和碳密度均呈先減小后增大的趨勢，且強(qiáng)度間伐和輕度間伐土壤總有機(jī)碳含量及碳密度顯著高于中度間伐（p<0.05）。這可能是因?yàn)檩p度間伐下林分密度較高，凋落物歸還較多，土壤濕度較大，進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累；而強(qiáng)度間伐有利于林地光能的利用，提高林下土壤溫度，也有利于土壤有機(jī)碳積累。袁喆等[24]的研究表明，30%的間伐強(qiáng)度使林下生物多樣性增加，導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳含量和碳密度升高。這說明合理的間伐強(qiáng)度對(duì)土壤總有機(jī)碳含量和碳密度的積累起到了積極的作用，但森林結(jié)構(gòu)不同，土壤有機(jī)碳的來源差異也較大，導(dǎo)致間伐強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳的影響存在差異。因此，其影響機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

4.2不同間伐強(qiáng)度下土壤總有機(jī)碳含量及碳密度與土壤理化性質(zhì)的之間的相關(guān)關(guān)系

對(duì)研究區(qū)間伐后不同林分密度落葉松人工林土壤總有機(jī)碳含量及碳密度與理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析。在0～10、10～20、20～30 cm各層土壤總有機(jī)碳含量及碳密度與土壤全氮呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)；在0～10土層，土壤總有機(jī)碳密度與容重呈顯著（p<0.01）正相關(guān)。在整個(gè)土壤剖面（0～30 cm）上，土壤總有機(jī)碳含量與全氮和含水率均呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)；土壤總有機(jī)碳密度與全氮呈極顯著（p<0.01）正相關(guān)，而與土壤容重呈極顯著（p<0.01）負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳含量及碳密度與土壤理化性質(zhì)之間的密切關(guān)系，尤其是土壤碳素與氮素在土壤中轉(zhuǎn)化存在著密切的關(guān)系。路翔等[23]研究顯示中亞熱帶4種森林類型SOC含量與全N含量的相關(guān)性均為極顯著。也有研究顯示，土壤中的含氮量會(huì)影響微生物的分解和吸收速度，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳水平[25]。同時(shí)，周莉等[26]研究顯示，土壤N、P和土壤水分、容重等諸多因素都會(huì)影響土壤總有機(jī)碳含量及碳密度。黎艷明等[27-28]研究結(jié)果也顯示，土壤理化性質(zhì)可以影響枯落物分解、微生物活動(dòng)等，進(jìn)而間接影響土壤有機(jī)碳密度。這些研究結(jié)果均與本研究結(jié)果一致。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Dixon R K，Solomon A M，Brown S，et al.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J].Science，1994，263（5144）：185-190.

[2]Kirschbaum M U F.Will changes in soil organic carbon act as a positive or negative feedback on global warming[J].Biogeochemistry，2000，48（1）：21-51.

[3]劉國華，傅伯杰，方精云.中國森林碳動(dòng)態(tài)及其對(duì)全球碳平衡的貢獻(xiàn)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（5）：733-740.

[4]秦大河，全球碳循環(huán)[M].北京：氣象出版社，2003.

[5]Kimble J M，Health L S，Birdsey R A，et al.The potential of U.S.forest soils to sequester carbon and mitigate the greenhouse effect[J].Geoderma，2002，107（1-2）：148-149.

[6]Lal R.Forest soils and carbon sequestration[J].Forest Ecology & Management，2005，220（1）：242-258.

[7]Al J E，Paasche.IPCC.Climate change 2007：the physical science basis[M].Cambridge：Cambridge University Press，2007.

[8]梁啟鵬，余新曉，龐卓，等.不同林分土壤有機(jī)碳密度研究[J].生態(tài)環(huán)境，2010，19（4）：889-893.

[9]潘輝，趙凱，王玉芹，等.不同密度福建柏人工林碳儲(chǔ)量研究[C].福州：經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新—第十二屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)，2010：1118-1122.

[10]王秀云，孫玉軍，馬煒.不同密度長白落葉松林生物量與碳儲(chǔ)量分布特征[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，31（3）：221-226.

[11]楊曉菲，魯紹偉，饒良懿，等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其影響因素研究進(jìn)展[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（3）：73-78.

[12]張?zhí)穑煊窠埽１?撫育間伐對(duì)大興安嶺天然用材林冠層結(jié)構(gòu)及光環(huán)境特征的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44（10）：1-7.

[13]張?zhí)穑煊窠埽１?小興安嶺用材林土壤肥力綜合評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)方法比較[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44（12）：10-14.

[14]王玉輝，周廣勝，蔣延玲，等.基于森林資源清查資料的落葉松林生物量和凈生長量估算模式[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，25（4）：420-425.

[15]王霓虹，高萌，李丹.長白落葉松人工林喬木層生物量分布特征及其固碳能力研究[J].植物研究，2014，34（4）：554-560.

[16]陶玉華，馮金朝，曹書閣.廣西沙塘林場馬尾松和杉木人工林的碳儲(chǔ)量研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（5）：38-44.

[17]馬煒，孫玉軍，郭孝玉，等.不同林齡長白落葉松人工林碳儲(chǔ)量[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（17）：4659-4667.

[18]孫玉軍，張俊，韓愛惠，等.興安落葉松（Larix gmelini）幼中齡林的生物量與碳匯功能[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（5）：1756-1762.

[19]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析（3版）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[20]Post W M，Izaurralde R C，Mann L K，et al.Monitoring and verifying changes of organic carbon in soil[J].Climatic Change，2001，51（1）：73-99.

[21]許文強(qiáng)，陳曦，羅格平，等.干旱區(qū)三工河流域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及空間分布特征[J].自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（10）：1740-1747.

[22]任麗娜，王海燕，丁國棟，等.密度調(diào)控對(duì)華北落葉松人工林土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分特征的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（4）：138-143.

[23]路翔，項(xiàng)文化，劉聰.中亞熱帶4種森林類型土壤有機(jī)碳氮貯量及分布特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（3）：169-173.

[24]袁喆，羅承德，李賢偉，等.間伐強(qiáng)度對(duì)川西亞高山人工云杉林土壤易氧化碳及碳庫管理指數(shù)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（6）：127-131.

[25]周焱，徐憲根，王豐，等.武夷山不同海拔梯度土壤微生物生物量、微生物呼吸及其商值（qMB，qCO2）[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（2）：265-269.

[26]周莉，李保國，周廣勝.土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20（1）：99-105.

[27]黎艷明，周毅，陳會(huì)智.粵北次生常綠闊葉林土壤有機(jī)碳分布特征研究[J].廣東林業(yè)科技，2011，27（4）：6-11.

[28]毛波，董希斌.大興安嶺低質(zhì)山楊林改造效果的綜合評(píng)價(jià)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44（8）：7-12.