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不同林型土壤有机碳含量及垂直分布特征

2015-09-17

吉林林业科技 2015年6期
关键词:种林落叶松土壤有机

徐 萌

(吉林省林业厅,吉林 长春 130022)

土壤有机碳是土壤养分重要组成部分,随着全球气候变化,引起了许多科学家对陆地生态系统中碳平衡、碳存储及分布的关注。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2 ~3 倍,而森林土壤约占全球土壤有机碳库73%,是陆地生态系统最大有机碳库[1~2],因而其储量、分布及转化日益成为全球有机碳研究热点。由于植被类型、立地条件、气候特点及土壤性质差异,使不同地区、不同林分间土壤有机碳存在较大差异[3~11],因此,针对不同林分,对土壤有机碳含量、分布进行研究十分必要。长白山自然保护区、露水河林业局大部分原始森林保存完好,但自20 世纪以来,许多森林生态系统经过强烈人为干扰,形成大面积次生林和人工林。本研究以长白山地区3 种森林类型土壤为研究对象,比较分析不同林型土壤有机碳含量及垂直分布规律,探讨不同植被类型对土壤碳储量影响,为进一步研究长白山地区森林土壤碳储量提供依据。

1 研究区概况

研究区位于吉林省露水河林业局,地理坐标:127°29'~128°02'E,42°24'~42°49'N。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2.7℃,最高气温32.2℃,最低气温-44.1℃,平均相对湿度72%。土壤为典型暗棕壤,土厚度20 ~100 cm。该区植被属长白山植物区系,种类多样,分布复杂。主要树种有红松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、臭松(Symplocarpus foetidus)、长白落叶松(Larix gmelinii)、椴树(Tilia tuan)、水曲柳(Fraxinus mandschurica)、杨树(Populus)、五角槭(Acer mono)、核桃楸(Juglans Mandshurica)、黄菠萝(Phellodendron amurense)、蒙古栎(Quercus mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、榆树(Ulmus pumila)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

样地设在露水河林业局宏光林场,从植被生长以及林地群落保存、演替及稳定的角度出发,2013 年8 月分别选择红松天然林、长白落叶松人工林、杨树人工林3 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。综合考虑,各林型选择坡度坡位相似的近熟或成熟林。

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容重;同时取约500 g 土样装入样品袋,用于土壤碳氮测定。仔细去除环刀内土样植物根系和石砾,在105℃烘干24 h后,称重并计算土壤容重。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100 目筛,编号待测。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热油浴法[12]。

2.3 数据处理

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度土层中土壤有机碳储量。土壤有机碳密度计算公式为[13 ~14]:

SOCDk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/100

式中:SOCDk——第k 层土壤有机 碳 密度

(kg·m-2);

Ck为第 k 层土壤有机碳含量(g·kg-1);

Dk为第k 层土壤容重(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(%)。

一定深度土壤有机碳密度为各个土层有机碳密度之和。

表1 不同林分类型土壤容重、有机碳含量及垂直分布特征Tab.1 Soil bulk density,organic carbon content and vertical distribution features of different stand type

3 结果与分析

3.1 不同林分类型土壤有机碳含量及垂直分布特征

整理统计不同林分类型、不同土层中有机碳含量数据,并分析垂直分布特征,结果见表1。

从表1 可以看出,不同林分类型A 土层间有机碳含量存在较大差异。在A 土层中,红松天然林有机碳含量高达157.93 g·kg-1,而长白落叶松人工林和杨树人工林分别为75.79、51.71 g·kg-1,前者是后两个林分类型2 倍之多。从3 种林分类型起源来说,天然林有机碳含量远远大于人工林含量,可见,人为干扰严重破坏土壤碳氮自身储存和循环,导致土壤营养物质含量大大降低。AB 层是介于A 层和B 层之间土壤发生层,红松天然林有机碳含量为27.33 g·kg-1,长白落叶松人工林和杨树人工林分别为22.74、23.08 g·kg-1,前者有机碳含量分别高于后两者20%、18%。在B 土层中,红松天然林、长白落叶松人工林、杨树人工林有机碳含量分别为7.14、9.28.、9.86 g·kg-1,三者差异不显著。随着土壤深度增加,不同林分间差异逐渐减小,特别是长白落叶松人工林和杨树人工林尤其明显。

在剖面垂直分布上,3 种林分土壤表层A层有机碳含量最大,并随土壤深度增加有机碳含量递减,这种变化幅度大,可见,土壤深度对有机碳含量具有显著影响。在A、AB 土层中,3种林地有机碳含量均占整个采样剖面85%以上,这说明残枝落叶分解后输入土壤的有机碳都聚集在土壤表层,土壤有机碳表聚性较明显;而B 土层,各林分土壤有机碳含量差异变小,这主要是因为土壤成土母质大致相同所造成的,此时植被类型差异对其影响不大。

3.2 不同林分类型土壤有机碳密度

整理统计不同林分类型、不同土层中有机碳密度数据,结果见表2。

表2 不同林分类型土壤有机碳密度Tab.2 Soil organic carbon density of different stand type

由表2 可见,3 种林分类型土壤碳密度各土层变化范围为2.85 ~11.39 kg·m-2。对整个土层而言,3 种林分土壤碳密度在16.82 ~23.04 kg·m-2之间,从大到小依次为:长白落叶松人工林>杨树人工林>红松天然林。各林分土壤碳密度与碳含量表现规律并不一致,这是由于土壤碳密度受到土壤容重和土层厚度强烈影响。在土壤垂直剖面上,土壤有机碳密度与其含量变化规律也截然不同,但是不同林型变化趋势相同,碳密度从大到小依次为:B 层>A 层>AB 层。

4 结论与讨论

通过对长白山区3 种林分类型表层土有机碳含量测定与分析,含量存在较大差异,红松天然林有机碳含量高达157.93 g·kg-1,而落叶松人工林和杨树人工林分别为75.79 g·kg-1和51.71 g·kg-1。3 种林分类型土壤碳密度变化范围为16.82 ~23.04 kg·m-2,长白落叶松人工林土壤碳密度最大,为23.04 kg·m-2,杨树人工林为18.17 kg·m-2,红松天然林为16.82 kg·m-2。

当今,中国在土壤有机碳方面研究较多,但其差异较大。土壤有机碳含量主要取决于植被每年归还量和分解速率,而植被类型、气候特点以及土壤性质差异,均会导致土层内有机碳含量大小及分布。在土壤垂直剖面上,随着土层深度增加,土壤有机碳含量随之递减,,这与许多研究结果相同[14~17]。土壤碳含量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。有报道显示,土壤碳密度除了土壤有机碳含量外,还受到土壤容重和土层厚度强烈影响。因此,本研究不同林型土壤碳密度和土壤碳含量呈现出并不一致的规律。

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