子午岭不同林地土壤有机碳及养分储量特征分析*

2010-08-02杨晓梅程积民孟蕾韩娟娟范文娟

水土保持研究 2010年3期

杨晓梅,程积民,孟蕾,韩娟娟,范文娟

(1.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100;2.西北农林科技大学动物科技学院,陕西杨陵712100;3.西北农林科技大学生命科学学院,陕西杨陵712100)

森林土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,约占全球土壤有机碳库的73%[1-3],在全球碳循环中扮演着源、汇、库的作用[4]。由于植被类型、气候特点以及土壤性质的不同,不同林型的土壤有机碳含量及分布特征存在很大差异[5-9]。位于黄土高原腹地的子午岭林区,是经战乱、人口外迁、土地弃耕后自然恢复的天然次生林[10-11],并随着国家生态建设植树造林工程的人为恢复,现已形成了较好的森林屏障,对西部地区气候的调节与维持生态平衡具有重要意义。目前,对子午岭林区土壤有机碳的研究,主要集中在表层(0-20 cm)含量估计和坡度变化、生态系统转变、环境因子对其流失、分布的影响[12-17],但从林型角度研究子午岭土壤有机碳及养分储量特征的报道较少。基于此,本文通过对子午岭林区主要森林类型:天然次生柴松林、辽东栎林以及人工油松林土壤有机碳及养分的研究,揭示不同林地土壤有机碳储量与养分的差异及各自之间的关系,为整个黄土高原地区森林土壤有机碳储量估计及其影响因素研究提供基础依据。

1 研究区概况

子午岭地处黄土高原腹地,位于陕甘两省交界处,108°10′-109°08′E,35°03′-36°37′N,是洛河和泾河的分水岭,植被属天然次生林针阔叶混交林类型。海拔1 280～1 500m,相对高差200m 左右,年均气温7.4℃,最高气温36.7℃,最低气温-27.7℃,≥10℃积温2 671.10℃,无霜期112～140 d,年均降雨量587.6 mm[11]。子午岭主要植物有乔木柴松(Pinusshenkaneusis)、油松(P.tabulaeformis)、辽东栎(Quercus liaotungensis)、山杨(Popu lus davidiana)、白桦林(Betula p latyphy lla)等;灌丛白刺花(Sophora viciifo lia)、沙棘(H ippophae reamnoides)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、草本白羊草(Bothriochloaischemum)、茭蒿(Artemisia giraldii)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、本氏针茅(Stipabungeana)[18]。

2 材料与方法

2.1 材料与样地选择

经过对子午岭林区的调查和研究,从植被生长、群落结构、演替状况及稳定程度上,分别选择子午岭北部乔北林业局和尚塬林场与合水连家砭林场具有典型代表性的天然次生柴松林和辽东栎林以及人工油松林3个种群样地。采样时综合考虑地形,按不同坡向、坡位取样(样地具体情况见表1)。

表1 样地基本情况

2.2 研究方法

在不同的样地,按照坡位、坡向分别设置样点,用直径10 cm的土钻取样,取样深度为0-90 cm,分为 0-10 cm 、10-30 cm 、30-50 cm 、50-70 cm 、70-90 cm共五个层次,每个样地设置样点12个(阴坡9个,阳坡3个),每个样点选择样方3个(左、中、右),每个样方采样3个并测定其枯枝落叶层的厚度,采样时每一采样层重复3次制成一个混合样,在105℃±5℃烘干24 h后,称重并计算土壤含水量,采样时取环刀土以测土壤容重。将采集样品带回实验室,仔细挑除袋装土内植物根系和石砾等杂物,于阴凉处自然风干,用四分法并过0.25 mm筛,供指标的测定。土壤有机碳(有机质)采用重铬酸钾氧化-外加热法,土壤全氮采用半微量开氏法,全磷采用抗钼锑抗比色法[19]。

土壤有机碳密度(SOCD)是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量,一般用 t/hm2或kg/m2表示[20]。某一土层i的有机碳密度(SOCDi,kg/m2)计算公式为

式中:Ci——土壤有机碳含量(g/kg);Di——土壤容重(g/cm3);Ei——土层厚度(cm);Gi——直径大于2mm的石砾所占的体积百分数(%)。一定剖面深度的SOCD计算公式为

式中:n——土层数,本研究中 n=5。

土壤全量养分密度计算方法同土壤有机碳密度。

2.3 数据处理

本实验数据处理采用SPSS 13.0软件,方差分析研究不同林地土层深度对有机碳及养分的影响,并在差异显著时进行多重比较(P＜0.05,LSD,t检验);采用相关分析研究有机碳与全量养分之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 三种林分土壤有机碳储量分布特征

3.1.1 土壤有机碳含量通过对每种林分36个样点土壤有机碳的测定,得到各林分土壤有机碳含量(表2)。3种林分土壤有机碳含量剖面分布可以看出,不同林分类型及不同土层的有机碳含量存在较大差异。就整个土层而言,3种林分土壤有机碳含量为3.9～37.6 g/kg,平均含量为13.02 g/kg。3种林分土壤碳含量的大小分别是:辽东栎林最高,其次是柴松林,人工油松林最小。在剖面垂直分布上,土壤表层有机碳含量最大,并随土壤厚度加深,有机碳碳含量均依次递减,变化幅度均达到了86%以上,且在0-10 cm、10-30 cm及30-50 cm这三个层次上差异性显著。这说明土壤有机碳的表聚性较明显,表土层存在有机碳富集的现象,并且有机碳沿土层深度的变异较大。

表2 三种林地土壤有机碳含量和碳密度

3.1.2 土壤有机碳密度根据测定的土壤容重,3种林地土壤容重为0.88～1.39 g/cm3,不同林地相同土层之间差异较小。基于此对研究区林地土壤有机碳密度进行计算(表2),结果表明,3种林分土壤碳密度存在着显著差异,各土层密度介于1.06～3.67 kg/m2,而以10 cm厚度计算,变化范围为0.53～3.53 kg/m2,平均碳密度为1.54 kg/m2。对整个土层(0-90 cm)而言,3种林分土壤碳密度为9.38～11.43 kg/m2,各林分土壤碳密度与碳含量表现的规律性基本相同,碳密度从大到小依次为:辽东栎林＞柴松林＞油松林,其中前两种林分土壤碳密度明显较高,其碳密度分别是油松林的1.22倍和1.14倍。在土壤剖面上,碳密度和碳含量一样,随土壤深度的增加而减少,且各土层差异性显著,其中人工油松林表层土壤碳密度最小(2.57 kg/m2),其土壤碳密度垂直变化幅度为79.18%,亦低于辽东栎林和柴松林,这与油松林地表层土壤遭受人为干扰较频繁以及土壤表层碳积累较少有关。同时,对3种林地不同土层有机碳密度分析后发现,0-10 cm的表层土壤碳密度贡献率为27.40%～30.88%,而0-50 cm的土层中土壤有机碳密度贡献率平均达到77.88%,可见,表层土壤中碳密度储量最大,且在0-50 cm深度中,聚集着较多的有机碳。

3.2 三种林分土壤全量养分储量特征分析

土壤全量养分状况决定着土壤潜在供应养分的能力,在较长时期内与植被演替、种类、数量相关,其大小还受到土壤厚度、土壤质地、成土母质的矿物学特性等因素的影响。位于黄土高原子午岭地区的3种林分土壤环境大体相同,林分类型及特征对土壤养分储量的大小变化起着决定性作用。

3.2.1 土壤全量养分含量从表3可以看出,研究区3种林分土壤全氮、全磷含量与有机碳呈相似的变化规律,从大到小依次为:辽东栎林＞柴松林＞油松林,3种林分土壤总氮及磷的这种分布特征可能与植被群落类型和结构上的差异,导致凋落厚度、生物量以及林下微环境不同,从而影响土壤氮素积累有关。此外,研究区土壤全氮、全磷(除柴松林外)均随土壤深度增加而降低,与有机碳的垂直变化趋势相同,其变化幅度的趋势也与有机碳相似,全氮各土层间差异有显著性,而全磷在土层间的差异,只表现在辽东栎林和油松林,而柴松林土壤深度对其影响较小。

表3 三种林分土壤全量养分含量 g/kg

3.2.2 土壤全量养分密度与土壤有机碳密度相似,土壤全量养分密度也指单位面积一定深度的土层中土壤养分的储量。对研究区养分密度研究(如表4),结果表明,就整个土壤剖面而言,3种林分土壤全氮及磷储量密度,辽东栎林最高,其次为油松林,柴松林最低,这与有机碳含量变化规律不一致,导致差异的原因可能与林型、植被群落结构相关。就土层而言(以10 cm厚度计),土壤全氮密度,随着土壤深度的增加而递减,这与有机碳密度变化一致,变幅为0.56～2.94 t/hm2,差异较大;而全磷密度却随着土壤深度的增加而增加,变化范围为0.39～0.75 t/hm2,差异较小。由此看出,各养分储量密度变化趋势不一,这可能与其植被类型、群落结构、林龄等差异,以及通过微生物分解后,进入土壤的形成机制及被利用程度有关。

表4 三种林分土壤全量养分密度 t/hm2

3.3 三种林地土壤碳储量与养分储量的相关性分析

土壤环境是个复杂的生态系统,土壤有机碳与养分之间有着密不可分的耦合或相关关系。对研究区不同林分土壤有机碳储量及养分储量相关性分析(如表5),结果表明:在整个土壤剖面,土壤有机碳储量与养分储量具有极显著的线性关系,其中与氮的相关性系数均高于0.8,而与磷的相关性系数略低于氮,变化范围为0.727～0.768;而对每一采样土层而言,碳与养分储量并不是具有显著的相关关系:每一采样土层,碳与氮储量具有显著的相关关系,但并不是都达到显著性水平;而磷只有在个别层次与碳储量有相关关系。由此说明,不同养分与碳储量的相关性差异较大,同时也间接说明了土壤中氮素和碳素在积累储存过程中密切相关。

表5 土壤碳储量与养分储量之间的相关性分析

4 结论与讨论

黄土高原子午岭林区3种典型林分土壤有机碳及其储量存在明显差异,这主要是由于群落结构与组成不同,在各种类型植被-土壤系统综合作用下,立地环境产生较大差异,相应的土壤有机碳特征不同,且各林分土壤有机碳含量和碳密度,随土壤深度增加而减少,这与许多研究结果一致[5-9,21]。林分土壤碳储量平均为10.52 kg/m2,接近王绍强[21](10.53 kg/m2)而高于李克让[22](9.17 kg/m2)等研究的全国土壤碳储量;从植被类型角度来看,针叶落叶林(柴松林和油松林)土壤碳储量平均为10.07 kg/m2,阔叶落叶林(辽东栎林)为11.43 kg/m2,低于解宪丽等[23]研究结果(落叶针叶林为17.71 kg/m2,落叶阔叶林为15.11 kg/m2);而从土壤类型角度而言,高于解宪丽等[24]的研究结果(黑垆土为7.75 kg/m2,黄绵土为4.51 kg/m2)。由此可见,针对不同林分、土壤类型研究土壤碳库具有重要的意义。此外,不同植被类型或土层间土壤有机碳密度和全量养分变异程度不同,说明各林分和土层间的土壤质地、林分类型、林龄、树种特性和人类干扰活动等都是影响土壤有机碳和全量养分储量大小的主要因子。

为了响应当前全球气候变化,应对黄土区森林生态系统土壤碳储量、年际变化及其养分库的动态关系进一步探讨,因此,采用统一规范的研究方法,获取大量有代表性的森林土壤碳储量实测数据,从而减少区域尺度碳平衡研究的不确定性,更精确地评价子午岭森林生态系统对黄土区气候变化的贡献。

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