长白山8种林型土壤有机碳和全氮的质量分数及垂直分布特征1)

宋彦彦 史宝库 张 言 牛 香

(吉林省林业勘察设计研究院，长春，130022) (中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所)

耿绍波 赵忠林 李英爱 汪兆洋 管清成

(吉林省林业勘察设计研究院)

责任编辑:戴芳天。

土壤有机碳和氮素是土壤养分的重要组成部分，且碳氮比值是土壤质量的敏感指标，影响着土壤中有机碳和氮的循环［1－2］。全球约有1 400～1 500 Gt 碳以有机态形式储存于土壤中，是陆地植被碳库的2～3 倍，而森林土壤约占全球土壤有机碳库的73%［3－4］。不同的森林类型其树种的生产力、碳分配以及凋落物的数量、质量等均有很大的差异，从而影响着生态系统土壤碳、氮质量分数及碳汇功能［5－6］。目前，国内外学者对土壤碳、氮质量分数和碳密度做了大量的研究［7－9］，但是由于植被类型、立地条件、气候特点及土壤性质的差异，使不同地区碳氮储量存在较大差异，而且很多研究只限于一两种林型或生态系统［10－11］，对于多种林型有机碳和全氮质量分数及垂直分布特征的比较研究相对较少。

长白山自然保护区保存完好的原始森林，有中国最大的红松母树林原始群落，但是自20 世纪以来，长白山森林生态系统经过强烈的人为干扰，形成大面积次生林和人工林。本研究以长白山8 种典型林型为研究对象，研究不同林型土壤有机碳和全氮质量分数、碳氮比、碳氮密度及垂直分布规律，为该地区森林生态系统的合理经营和管理、碳汇功能的评估以及土地利用方式的选择提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于吉林省抚松县境内长白山腹地露水河林业局，地理坐标为东经127°29'～128°02'，北纬42°24'～42°49'。该区域位于长白山山脉西麓，地处长白山北部台地边缘地带。研究区域属寒温带大陆性气候，气温较低，降水充沛，为冷凉的高寒山区，年降水量800～1 040 mm，年平均气温0.9～1.5 ℃，最高气温29.5～32.2 ℃，最低气温－39～－44.1 ℃，平均相对湿度70%～75%。土壤为典型暗棕壤，土层厚度20～100 cm。该研究区域植被属长白山顶极植物群落区系，植物种类多样，分布复杂，主要以红松阔叶混交林为主。其中针叶树种有红松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、臭松(Symplocarpusfoetidus)及落叶松(Larixgmelinii)，阔叶树种有椴树(Tiliatuan)、五角槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、胡桃楸(JuglansMandshurica)、蒙古栎(Quercusmongolica)、黄菠萝(Phellodendronamurense)、白桦(Betulaplatyphylla)、榆树(Ulmuspumila)、杨树(Populus)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

样地选在吉林省抚松县露水河林业局宏光林场和东升林场，结合二类调查，从植被生长以及林地群落保存、演替及稳定的角度，于2013年7月分别选择落叶松人工林、红松天然林、杨树人工林、杨树天然林、阔叶混交天然林、阔叶混交人工林、针阔混交天然林、针阔混交人工林8 种典型的林分为研究对象，每个林型选择3 块20 m ×20 m 的标准样地，共获样地24 块。长白山的土壤类型与植被森林垂直分布带相对应，分别为山地生草森林土、棕色针叶林土和暗棕色森林土，为了更好对比研究，8 种林型选择海拔高度、坡度相近的近熟或成熟林，具体立地状况见表1。

表1 样地的立地状况

2.2 样品采集和处理

在标准样地边界或是距样地边界2～3 m 处随机挖取3 个土壤剖面，剖面深度视土壤发生层次而定(深至母质层为止)。确定土壤剖面发生层次后，用土壤环刀(100 cm3)在每一土层取土样测定土壤密度;同时取约500 g 土样装入样品袋，用于土壤碳氮的测定。仔细去除环刀内土样的植物根系和石砾，105 ℃烘干24 h 后，称质量并计算土壤密度。将采集的样品袋带回实验室，于阴凉处自然风干后用四分法过0.25 mm 筛，编号待测。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热油浴法［12］，全氮采用海能K9840 半自动凯氏定氮仪测定，环刀法测定土壤密度。

2.3 数据处理

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中SOC 的贮量，一般用t·hm－2或kg·m－2表示。由于它以土体体积为基础作计算，排除了面积和土壤深度的影响，因此土壤碳密度已成为评价和衡量土壤中有机碳贮量的一个极其重要的指标。

土壤有机碳(氮)密度的计算公式为［13－14］:

式中:DkSOC为第k 层土壤有机碳(氮)密度(kg·m－2);Ck为第k 层土壤有机碳(全氮)质量分数(g·kg－1);Dk为第k 层土壤密度(g·cm－3);Ek为第k 层土壤厚度(cm);Gk为第k 层直径大于2 mm 的石砾所占的体积百分比(%)。

求土壤剖面有机碳(氮)密度为各个土层有机碳(氮)密度之和即为:

此外，数据采用SPSS18.0 软件，分析比较8 种林型土壤有机碳和全氮质量分数、碳氮比、碳氮密度的差异，差异显著进行多重比较(P ＜0.05)。部分数据和图表采用Excel2003 进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同林型土壤有机碳和全氮的质量分数及碳氮比

对8 种林型作比较，阔叶混交天然林有机碳质量分数最大，均值达到70.33 g·kg－1(表1)，红松天然林和针阔混交天然林有机碳质量分数分别为66.95、63.89 g·kg－1，这3 种林分类型的土壤有机碳质量分数没有显著差异(P ＞0.05)。落叶松人工林、杨树人工林、阔叶混交人工林及针阔混交人工林有机碳质量分数分别为36.99、38.89、37.28、39.19 g·kg－1，其质量分数明显低于前三者(P ＜0.05)。而杨树天然林有机碳比前三者小，又比后4种林分类型大，其质量分数为57.75 g·kg－1。

表2 不同林型土壤有机碳和全氮的质量分数及碳氮比

不同森林类型土壤全氮质量分数的大小规律与有机碳质量分数类似，阔叶混交天然林全氮质量分数最大，均值6.04 g/kg;针阔混交天然林、杨树天然林次之，全氮质量分数分别是5.44、5.16 g·kg－1;红松天然林居中，均值为4.32 g·kg－1;落叶松人工林、杨树人工林、阔叶混交人工林及针阔混交人工林氮量较小，其均值在3.14～3.51 g·kg－1范围。红松天然林碳氮比值为15.56，显著大于其他7 种森林类型。

3.2 不同林型土壤密度、有机碳和全氮的质量分数及碳氮比垂直分布特征

在A 土层中，8 种林型土壤密度、有机碳和全氮质量分数均值之间存在显著差异(P ＜0.05)。红松天然林和阔叶混交天然林有机碳质量分数显著大于落叶松人工林、杨树人工林、阔叶混交人工林和针阔混交人工林，前两者的碳质量分数是人工林的2倍。天然林有机碳质量分数变化范围为99.20～138.22 g·kg－1，人工林有机碳质量分数变化范围为64.12～67.27 g/kg。可见，人为的干扰严重破坏了土壤碳氮自身的储存和循环，导致土壤营养物质含量大大降低。8 种森林类型的全氮质量分数大小明显分成了两组，天然林和人工林，天然林的全氮质量分数变化范围为8.84～9.6 g·kg－1，人工林的全氮质量分数变化范围为5.09～6.02 g·kg－1。就土壤密度而言，落叶松人工林最大，均值为0.88 g·cm－3;针阔混交天然林最小，均值0.43 g·cm－3。

表3 不同林型土壤密度、有机碳和全氮的质量分数及碳氮比垂直分布特征

在B 土层中，8 种林型土壤密度、有机碳和全氮质量分数均值之间没有显著差异(P ＞0.05)。土壤密度变化范围1.16～1.42 g·cm－3，有机碳质量分数最大均为阔叶混交天然林，最小均为落叶松人工林，其有机碳质量分数变化范围为11.12～22.34 g·kg－1，全氮质量分数变化范围为1.00～2.47 g·kg－1。A 土层之间有明显差异，B 土层之间没有明显差异，可见，表层土的碳氮质量分数受林分类型、植被结构、气候环境以及人为干扰影响较大［15］。

8 种林型碳氮比值在A、B 土层均无显著差异，A 层碳氮比值变化范围为11.04～16.01，B 层碳氮比值变化范围为7.84～12.06。AB 层样本数较少，红松天然林碳氮比值最大，高达17.49，这与其树种本身凋落物及覆盖率的不同造成了差异。

3.3 不同林型土壤碳氮密度变化特征

不同林型之间的土壤有机碳密度存在着显著差异(P ＜0.05)，其变化范围为12.37～22.13 kg·m－2(图1)。其中，针阔混交人工林碳密度最小，为(12.37 ±1.92)kg·m－2;杨树天然林碳密度最大，为(22.13 ±2.90)kg·m－2。8 种林型土壤碳密度由大到小依次为杨树天然林、红松天然林、阔叶混交天然林、杨树人工林、落叶松人工林、阔叶混交人工林、针阔混交天然林、针阔混交人工林。同一个树种，天然林土壤碳密度仍然大于人工林，但是两者之间没有显著差异。

不同林型之间的土壤总氮密度存在着显著差异(P ＜0.05)，其变化范围为1.11～1.97 kg·m－2(图2)。其中，针阔混交人工林氮密度最小，为(1.11±0.18)kg·m－2，落叶松人工林氮密度最大，为(1.97 ±0.18)kg·m－2，但与杨树天然林、阔叶混交天然林和人工林之间没有显著差异，其变化范围为1.91～1.97 kg·m－2。除落叶松人工林和红松天然林外，土壤氮密度的变化规律与碳密度的类似。

表4 不同林型土壤碳氮密度变化特征

4 结论与讨论

森林土壤是一形成和演化过程都十分复杂的自然综合体，受成土母质、地形、气候、植被等成土因素及人为干扰活动的影响，具有复杂性和空间变异性［16］。本研究中8 种森林类型有机碳质量分数变化规律从阔叶混交天然林→红松天然林→针阔混交天然林→杨树天然林→针阔混交人工林→杨树人工林→阔叶混交人工林→落叶松人工林逐渐减小，质量分数的变化范围为36.99～70.33 g·kg－1。就全氮质量分数而言，阔叶混交天然林最大，为6.04 g·kg－1，杨树人工林最小，为3.14 g·kg－1。8 种森林类型有机碳和全氮质量分数存在显著差异，这是由于植被类型、气候特点及土壤性质等因素的差异而不同［17－18］。了解碳氮比的空间异质性，有助于全面阐述森林土壤质量变化的特点［19］。红松天然林碳氮比值最大，为15.56，其它碳氮比值变化范围为10.55～12.19。这可能由于红松为本土树种以及凋落物中含有难以分解的木质素、单宁、树脂和蜡质等物质，且凋落的针叶密集覆盖于土壤表面形成空气不流通的环境，更有利于有机碳的积累，因此碳氮比值高。

土壤碳质量分数尚不能真实反映土壤碳库水平，国际上常采用碳密度为指标对森林碳库贮量进行比较［20－21］。长白山8 种林型土壤碳密度变化范围12.37～22.13 kg·m－2，氮密度变化范围1.11～1.97 kg·m－2。由式(1)可知，土壤碳(氮)密度受到土壤密度和土层厚度的强烈影响，因此，本研究不同林型碳(氮)密度和碳(氮)质量分数呈现出并不完全一致的规律。8 种林型土壤碳密度最大是杨树天然林，为22.13 kg·m－2，氮密度最大是落叶松人工林，为1.97 kg·m－2;最小的都是针阔混交人工林，碳密度为12.37 kg·m－2，氮密度为1.11 kg·m－2。土壤除了树种、地形、土地利用类型不同，林龄也是制约碳(氮)密度的重要因素之一［22－23］。

通常，同一树种人工林地上碳、氮储量要大于天然林，但是本研究展示了无论是针叶林、阔叶树，还是混交林，同一树种其天然林土壤有机碳、全氮质量分数和密度都要高于人工林，这可能是由于人工林在整地和栽种幼苗时土壤经过强烈的人为干扰，从而加快了土壤养分的流失和土壤有机质的分解。这与之前学者的研究结果是一致的［2，24－25］。因此，在整个生态系统尺度上，对同一树种天然林和人工林的碳、氮储量还需要进一步来评估，并制定相应的经营策略。

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