黑河上游冰沟流域3 种林地土壤有机碳分布特征与土壤特性的关系

王 凤，孟浩峰，侯德明，赵 静，秦嘉海

(1.河西学院农业与生物技术学院，甘肃 张掖734000;2.张掖市农业节水与土壤肥料管理站，甘肃 张掖734000)

土壤有机碳是土壤质量的核心，是全球碳循环的重要组成部分，其积累和分解直接影响全球碳平衡，目前，土壤有机碳已成为环境科学研究的热点［1-4］。黑河上游的甘肃、青海、内蒙古是诸内陆河的发源地，目前，在全球气候变化的大背景下，特别是人类活动日益频繁的干扰和破坏使得黑河上游生态环境进一步恶化，森林面积急剧萎缩。有关黑河上游祁连山的生态、土壤、植被和水源涵养功能等方面的研究报道较多［5-14］，而黑河上游冰沟流域土壤有机碳分布特征与土壤特性的关系未见文献报道，为此，以黑河上游冰沟流的针叶林、森林灌丛、阔叶林为研究对象，旨在探索3 种林地土壤有机碳分布特征及其与土壤特性之间的关系，为黑河上游冰沟流域水源涵养研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省祁连县黑河上游冰沟流域，100°11'24. 4″ － 100°23'55. 2″ E，38°02'18. 3″ －38°10'39″ N，海拔3 105 ～3 479 m，年均气温0. 5℃，降水量290.2 ～467.8 mm，年均蒸发量1 051.7 mm，平均相对湿度60%，日照时间2 600 h，成土岩石是石灰岩、千枚岩、砂岩，成土母质是残积母质和坡积母质，土壤类型是亚高山灌丛草甸土和森林灰褐土［15］。针叶林树种有青海云杉(Picea crassifolia)、祁连圆柏(Sabina przewalskii);阔叶林树种有山杨(Populus davidiana)、高山柳(Salix caceae)、杯腺柳(S. cupularis);灌木林树种有沙棘(Hippophae rhamnoides)、肋果沙棘(H. neurocarpa)、银露梅(Potentilla grabra)、金露梅(P. fruticosa)等。

1.2 样品采集方法

2011 年7 月在青海省祁连县祁连山区的冰沟流域，利用GPS 定位，选择具有代表性的针叶林、森林灌丛、阔叶林3 种林地为样品采集区，按照典型选样的方法，在每个样品采集区内设置20 m×20 m 的标准样地，将样方土表枯落物层去除，每个样方布置3 个样点(3 次重复)，从地表开始向下挖掘土壤剖面，按照0 －10、10 －20、20 －30、30 －40、40 －50、50－60 cm 间距自下而上逐层采集土样，每层分别采集土样3 kg，用四分法带回1 kg 混合土样室内化验分析。土壤容重、团聚体测定用环刀采集原状土，样品采集区基本情况见表1。

1.3 指标测定及方法

土壤容重采用环刀法;＞0.25 mm 团聚体采用约尔得法;物理性沙粒采用甲种比重计法;pH 采用电位法(5∶ 1 水土比浸提);自然含水量采用烘干法;土壤有机碳采用重铬酸钾氧化－外加热法:全氮采用全自动凯氏定氮仪法［16］。

土壤有机碳密度计算公式为［17］:

表1 样品采集区情况Table 1 Sample collection area

式中，SOC 为土壤有机碳密度(kg·m－2);T 为土层 厚度(cm);q 为土壤容重(g·m－3);C 为土壤有机碳平均含量(g·kg－1);d 为直径＞2 mm 石砾含量(%)。

1.4 数据分析

采用Excel 和SPSS 软件进行数据分析，土壤有机碳与土壤特性关系采用线性回归分析方法，不同土层土壤特性的差异显著性采用多重比较，LSR 检验，按照杨晓梅等［18］、王淑芳等［19］土壤有机碳和土壤物理性质均值计算方法，本研究中3 种林地0 －60 cm 土层土壤有机碳和土壤理化性质均为均值。

2 结果与分析

2.1 不同林地土壤有机碳含量及分布特征

土壤有机碳是表征土壤肥力的重要指标［20］。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 6 个土层有机碳含量分别为19. 63 ～97. 14、18. 62 ～68. 81 和14.33 ～53.37 g · kg－1，均 表 现 为 针 叶 林 ＞森林灌丛＞阔叶林，其中，针叶林有机碳均值为44.04 g·kg－1，是森林灌丛和阔叶林的1.26 和1.70 倍，这种变化规律与不同林地的郁闭度和枯落物积累量有关。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －10 cm土层有 机 碳 含 量 分 别 为97. 14、68. 81 和53. 37 g·kg－1，是剖面有机碳均值的2.21、1.97 和2.06倍，说明3 种林地有机碳含量有很强的表聚性，而针叶林的表聚性最强。另外，3 种林地不同层次有机碳含量均随着剖面垂直深度的增加而递减，但不同林地减少程度不同，且在相同土层深度，不同林地有机碳含量差异亦较大(表2)。

2.2 不同林地土壤有机碳密度及分布特征

针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 6 个土层有机碳密度分别为3. 70 ～13. 22、3. 55 ～9. 49 和2.80 ～8.62 kg·m－2，表现为针叶林＞森林灌丛＞阔叶林，其中，针叶林有机碳密度均值为7. 18 kg·m－2，是森林灌丛和阔叶林的1.24 和1.58 倍(表3)。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －10 cm 土层有机碳密度分别为13.22、9.49 和8.62 kg·m－2，是剖面有机碳密度均值的1.84、1.64 和1.89 倍，说明3 种林地有机碳密度与有机碳含量的变化趋势相同，也表现出很强的表聚性。3 种林地有机碳密度均随着土层剖面垂直深度的增加而降低。另外，3种林地0 －20 cm 土层有机碳密度在5.32 ～13.22kg·m－2，高于我国针叶林植被下有机碳密度(3.77 kg·m－2)、阔叶林植被下有机碳密度(4.70 kg·m－2)、灌丛植被下有机碳密度(2.56 kg·m－2)［21］。

表2 不同林地土壤有机碳含量Table 2 Soil organic carbon content of different forest g·kg －1

表3 不同林地土壤有机碳密度Table 3 Soil organic carbon density of different forest kg·m －2

2.3 不同林地土壤有机碳与土壤特性的关系

2.3.1 土壤有机碳与容重的关系 土壤容重是表征土壤松紧程度的重要指标［22］。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 － 60 cm 6 个土层土壤容重分别为0.89 ～1.41、0.93 ～1.48 和1.10 ～1.59 g·cm－3，大体表现为针叶林＜森林灌丛＜阔叶林(表4)，其中，针叶林剖面容重为1.22 g·cm－3，与森林灌丛和阔叶林比较，分别降低了3.94%和8.96%，森林灌丛剖面容重为1.27 g·cm－3，与阔叶林比较，降低了5.22%。3 种林地不同层次容重均随着剖面垂直深度的增加而增大，0 －10 与50 －60 cm 比较，差异显著(P ＜0.05)，究其原因与各土层土壤的孔隙度、林木根系的生长状况有关。将针叶林、森林灌丛、阔叶林有机碳含量与容重进行线性回归方程拟合，得到的回归方程分别为y =1.463 8 －0.004 9x，y=1.584 2 －0.008 3x，y=1.601 8 －0.009 3x，相关系数分别为－0.926 4(P ＜0.05)、－0.931 5(P ＜0.05)、－0.885 6(P ＜0.05)，说明3 种林地土壤有机碳与容重之间呈显著的负相关关系。

2.3.2 土壤有机碳与自然含水量的关系 自然含水量即土壤含水量，是测定土壤容重的重要指标。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 6 个土层自然含水量大体表现为针叶林＞森林灌丛＞阔叶林(表4)，其中，针叶林剖面自然含水量均值为28.58%，分别是森林灌丛、阔叶林的1.16 和1.29 倍，森林灌丛均值为24.65%，是阔叶林的1.11 倍，这种变化规律与不同林地枯落物积累量和持水量有关。3 种林地不同层次自然含水量均随着剖面垂直深度的增加而递减，0 －10 与50 －60 cm 比较，差异显著(P ＜0.05)。将针叶林、森林灌丛、阔叶林有机碳含量与自然含水量进行线性回归分析，得到的回归方程分别为y = 15. 409 3 + 0. 267 2x，y = 12.373 7 +0.350 6x，y=12.937 6 +0.342 0x，相关系数分别为0.866 2(P ＜0.05)、0.916 7(P ＜0.05)、0.937 1(P＜0.05)，说明3 种林地有机碳含量与自然含水量之间呈显著的正相关关系。

2.3.3 土壤有机碳与团聚体的关系 土壤团聚体是表征肥沃土壤的指标之一［23］。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 6 个土层＞0.25 mm 团聚体含量分别为31.81% ～45.16%、30.02% ～44.13%和27.20% ～38.77%，除20 －30 cm 土层外，其余土层均表现为针叶林＞森林灌丛＞阔叶林(表4)，其中，针叶林剖面＞0.25 mm 团聚体含量为36.65%，与森林灌丛、阔叶林比较，分别增加了3. 27% 和9.04%。3 种林地不同层次＞0.25 mm 团聚体均随着剖面垂直深度的加深而递减，0 －10 与50 －60 cm比较，差异显著(P ＜0.05)。将针叶林、森林灌丛、阔叶林有机碳含量与＞0.25 mm 团聚体含量进行线性回归分析，得到的回归方程分别为y =30.436 7 +0.126 7x，y =27. 355 5 +0. 213 2x，y=27. 274 3 +0.220 3x，相 关 系 数 分 别 为0.926 1(P ＜0. 05)、0.931 3(P ＜0.05)、0.867 6(P ＜0.05)，说明3 种林地有机碳含量与团聚体之间呈显著的正相关关系。

2.3.4 土壤有机碳与物理性沙粒的关系 土壤物理性砂粒含量可以表征土壤的发育程度，土壤物理性砂粒含量愈少，土壤发育程度愈好［24］。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 土层物理性沙粒含量分别为22. 63% ～33. 21%、25. 21% ～35. 65% 和26.54% ～38.65%，表现为针叶林＜森林灌丛＜阔叶林(表4)，其中，针叶林剖面物理性沙粒含量均值为27.82%，分别比森林灌丛、阔叶林降低了6.49%和12.13%，这种变化规律与不同林地土壤的发育程度有关。3 种林地不同层次物理性沙粒含量均随着剖面垂直深度的加深而递增，0 －10 与50 －60 cm比较，差异显著(P ＜0.05)。将针叶林、森林灌丛、阔叶林3 种林地有机碳含量与物理性沙粒含量进行线性回归分析，得到的回归方程分别为y =32.792 5 －0.101 4x，y =34.566 5 －0.126 1x，y =38.072 1 －0. 228 8x，相关系数分别为－0. 899 2(P ＜0.05)、－0.802 2(P ＜0.05)、－0.828 1(P ＜0.05)，说明3 种林地有机碳含量与物理性沙粒之间呈显著的负相关关系。

2.3.5 土壤有机碳与全氮的关系 土壤全氮是评价土壤质量水平的一个重要指标。在一定程度上土壤氮素的水平会影响土壤中有机碳的含量［25］。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 土层全氮含量分别在1. 57 ～7. 78、1. 49 ～5. 51 和1. 15 ～4. 27 g·kg－1，表现为针叶林＞森林灌丛＞阔叶林(表4)，其中，针叶林剖面全氮均值为3.93 g·kg－1，分别是森林灌丛、阔叶林的1.29 和1.75 倍，这种变化规律与有机碳变化规律相一致。3 种林地不同层次全氮均随着剖面垂直深度的加深而递减，0 －10 与50 －60 cm 比较，差异显著(P ＜0.05)，这是由于全氮在剖面上的变化与该土壤的林木根系生长状况和有机碳含量有关。将针叶林、森林灌丛、阔叶林有机碳含量与全氮进行线性回归方程拟合，得到的回归方程分别为y =0.001 9 +0.080 1x，y =0.001 6 +0.080 0x，y =0. 001 +0. 800 6x，相关系数分别为0.999 9(P ＜0.05)、0.999 7(P ＜0.05)、0.998 9(P＜0.05)，说明3 种林地土壤有机碳含量与土壤全氮之间呈显著的正相关关系。

2.3.6 土壤有机碳与pH 的关系 土壤pH 是表征土壤化学性质的重要指标［26］。针叶林、森林灌丛、阔叶林0 －60 cm 6 个土层pH 表现为针叶林＜森林灌丛＜阔叶林(表4)，其中，针叶林pH 均值为7.02，分别比森林灌丛、阔叶林降低了0. 99% 和3.17%。3 种林地不同层次pH 均随着剖面垂直深度的加深而增大，0 －10 与50 －60 cm 比较，差异显著(P ＜0.05)。将针叶林、森林灌丛、阔叶林有机碳含量与pH 值进行线性回归分析，得到的回归方程分别为y=7.12 －0.002 2x，y=7.176 4 －0.002 5x，y=7.345 2 －0.003 7x，相关系数分别为－0.846 9(P ＜0.05)、－0.625 8(P ＜0.05)、－0.913 3(P ＜0.05)，说明3 种林地有机碳含量与土壤pH 值之间呈显著的负相关关系。

3 讨论与结论

土壤有机碳含量是生态系统在特定条件下的动态平衡值［27-28］，是表征土壤肥力的重要指标［29］，研究结果表明，3 种林地0 －60 cm 土层有机碳含量均值表现为针叶林＞灌木林＞阔叶林，说明同一林区不同树种有机碳含量不尽相同，针叶林比灌木林和阔叶林更有利于土壤有机碳的积累。3 种林地0－10 cm 有机碳含量是50 －60 cm 土层的两倍左右，说明3 种林地有机碳表现出很强的表聚性，地表枯落物对土壤表层有机碳累积发挥了很强的作用，不合理的人为活动容易造成有机碳的损失，应最大限度地减少不合理的人为干扰活动，保护生态环境，维持土壤碳储量。3 种林地有机碳含量随土壤剖面垂直深度增加而逐渐降低，与丁访军等［30］和黄从德等［31］的研究结果一致，可能是随着土层深度的增加，林木的枯落物和根系数量减少，从而导致土壤有机碳含量下降。3 种林地0 －20 cm 土层有机碳密度高于我国针叶林、阔叶林、灌丛林植被下有机碳密度，说明青海省祁连县黑河上游冰沟流域降水量充沛，森林郁闭度和林下植被覆盖度大，枯落物存量充足。3 种林地土壤有机碳与土壤含水量、团聚体、全氮之间呈显著的正相关关系，这种变化规律与大部分研究结果一致［32-35］。因为土壤水分影响植被生物量，生物量的增加通常会导致植物残体和土壤有机碳输入量的增加。土壤团聚体是表征肥沃土壤的指标之一，团聚体发达的土壤保水肥能力强［36］，森林植被下枯落物在微生物的作用下合成了土壤腐殖质，腐殖质中的酚羟基、羧基、甲氧基、羰基、羟基、醌基等功能团解离后带负电荷，吸附了土壤中的Ca2+，形成较稳定的团聚体。土壤中氮主要以有机态存在，一般占全氮含量的95%以上，土壤全氮含量的消长取决于土壤有机质含量的变化，因此，土壤全氮含量与土壤有机质含量呈正相关关系。3 种林地土壤有机碳与土壤容重、物理性沙粒、pH 之间呈显著的负相关关系，这种变化规律与颜淑云等［37］、张成娥和陈小利［38］、何跃军等［39］研究结果相一致。土壤容重可以表征土壤的松紧程度及孔隙状况，反映土壤的透水性、通气性和植物根系生长的阻力状况，是表征土壤物理性质的一个重要指标，土壤容重大通常表明土壤存在着退化趋势，且容重愈大，土壤退化愈为严重［40］。土壤物理性沙粒含量是判断土壤熟化程度的重要指标之一，研究结果表明，针叶林植被下的土壤物理性沙粒含量低，土壤发育程度好，有机碳含量高。土壤有机碳含量与土壤pH 值呈负相关，其原因是在森林生态系统中，土壤表层的含碳有机化合物中的单宁、树脂被真菌分解产生的有机酸，抑制了其他微生物对有机质的矿质化，更有利于土壤有机质的积累。

表4 不同林地土壤剖面理化性质的变化特征Table 4 Change characteristics of soil physical chemical properties of different woodland soil profile

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