河北小五台山不同海拔白桦林土壤有机碳密度分布特征及影响因素

2018-04-16尤海舟毕君王超任启文李联地

生态环境学报 2018年3期

尤海舟，毕君*，王超，任启文，李联地

1. 河北省林业科学研究院，河北石家庄 050061；2. 河北小五台山森林生态系统定位研究站，河北涿鹿 075600

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库（Batjes，1996），是陆地植被碳库的3倍、大气碳库的2倍（Smith et al.，2008）。在土壤碳库中，森林土壤碳库占陆地土壤总碳库的 70%以上（Dixon et al.，1994），因此深入研究森林土壤有机碳已经成为陆地碳循环研究的热点之一。同时，对森林土壤碳库动态变化及其调控机理的研究是了解和预测全球气候变化的一项重要的基础性工作。国内外学者对不同森林类型土壤碳密度进行了广泛研究，Pan et al.（2009）分析了多种类型森林土壤有机碳含量分布特征及其影响因素，得出 SOC含量分布的显著地带性特征；罗由林等（2015）认为土地利用方式和土壤类型是影响土壤有机碳分布的主要因素；舒蛟靖等（2015）认为土壤有机碳含量及其活性受成土因素和人类活动长期相互作用的影响。海拔作为重要的地形因子，也是一个综合性的影响因子，其通过影响水热条件、植被组成及土壤性质等，影响土壤有机质的输入和分解，进而影响土壤有机碳。许多研究结果均表明海拔对土壤有机碳有重要影响，解宪丽等（2004）研究认为，对于针叶林，海拔是导致土壤有机碳储量变异的主导因子；陈廷舰等（2014）提出阿尔泰山南坡有机碳沿海拔梯度具有一定的变化规律；丁咸庆等（2015）分析了大围山不同海拔上4种典型林分类型有机碳垂直分布特征。然而，目前针对于单一植被类型的山地生态系统进行的土壤有机碳密度变化的研究还极少，阿米娜木·艾力（2014）通过对天山云杉林土壤有机碳沿海拔的分布规律发现，同一植被类型土壤有机碳在不同海拔梯度上具有一定的变化规律。

白桦（Betula platyphylla）是中国北方分布广泛的天然林树种，是重要的生态防护与商品材树种，其分布面积广大，是人工采伐、火烧等破坏后森林植被恢复的先锋树种，在森林植被垂直带谱和植被演替中占有重要位置。目前对于白桦林的研究，主要集中在生境分布、群落结构、空间格局和功能、群落演替等方面（胡尔查等，2013；靳静静等，2014；董利虎等，2013）。因此，对白桦天然次生林不同海拔梯度土壤有机碳分布的差异性及其影响因素进行研究，探究白桦天然次生林有机碳的垂直分布规律及其主要影响因子，对于研究该区域森林土壤有机碳形成机理及该区碳储量合理评测具有重要意义。

本研究以河北小五台山白桦天然次生林4个不同海拔的森林土壤剖面为研究对象，试图揭示：（1）河北小五台山白桦天然次生林土壤有机碳密度的垂直带分布特征；（2）土壤有机碳密度在剖面内的垂直分布规律；（3）确定土壤有机碳垂直分布的主要影响因子。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

小五台山脉地处冀西北-晋北间山盆地的南缘，地质构造升降悬殊，地形复杂，生境多变，是华北地区植物种类最丰富的地区之一。小五台山为河北最高峰，地理位置特殊，山体相对高差大，气候变化明显，暖温带植被类型丰富，分带现象显著，具有暖温带完整的植被垂直带谱，由下而上依次为垦殖带、落叶阔叶林带、针阔混交林带、针叶林带、矮林灌丛带和亚高山草甸带。小五台山自然保护区地理坐标为 114°47′～115°30′E，39°50′～40°7′N。土壤类型主要为褐土、山地棕壤及亚高山草甸土，阳坡土壤贫瘠，阴坡则较肥沃（刘增力等，2004）。

1.2　研究方法

1.2.1样地调查方法

小五台山山涧口林区白桦的海拔分布范围为1400～2000 m，2016年7月，以150 m为1个海拔梯度，在每个梯度内设置3块不小于30 m×30 m的样地。对样地内白桦进行每木检尺，调查因子主要包括树高、胸径等，样地情况见表1。

1.2.2土样采集及测试方法

在每块样地内，按照S型方法布设了3个土壤采样点。小五台山白桦林土层深度大部分为 60～70 cm，因此每个采样点挖60 cm深土壤剖面，分3层采集土样，共计108个土样；在3个土壤采样点中随机选取1个剖面进行分层环刀取样，计算各土层土壤容重。样品带回实验室风干后过2 mm筛，保存备用。

根据国家标准LY/T1237—1999，土壤有机碳含量（SOC）采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，土壤全氮采用凯氏蒸馏法测定，测定过程中每个样品均设置重复样，同时测定标准样以保证数据质量。

在土壤 SOC含量基础上，计算不同层次土壤有机碳密度（SOCD）。

式中，k为土壤层次；SOCDk为第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 层土壤密度（g·cm-3），Ek为第 k层土层厚度（cm），Gk为第k层土层中直径大于2 mm石砾的体积分数（%）。

1.2.3生物量和枯落物储量计算方法

采用平均标准木法测定林木生物量。每个海拔选择3株标准木，以1 m为区分段进行树干解析，现场称量干、皮、枝、叶、根鲜重，然后采集各部位样品带回实验室，于65 ℃条件下烘干称量干重，并换算成单位林地面积林木生物量。

在各固定样地上部、下部各设2个，中部设1个1 m×1 m的样方，收集枯落物，现场称取鲜重，同时用密封袋采集枯落物样品带回实验室，于65 ℃条件下烘干称量干重，并换算成单位林地面积枯落物储量。

1.2.4数据分析方法

气象数据来自小五台山森林生态系统定位站。综合考虑降水量与温度的影响，采用Kira（K1）干湿度指数和修正的生物干湿度指数（BK）表征地表干湿程度（倪健，1997；冯敏等，2014）。

表1　样地基本情况Table 1　The result of sample plot survey

式中，P降水量；ti为 i月份的平均温度；TE1为 5 ℃以上的有效温度，TE2为 10 ℃以上的有效温度。

数据分析和图表制作运用 Excel 2010和 SPSS 20.0软件，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同数据组之间的差异（α=0.05），采用 Pearson相关系数评定各因子间的相关关系。于DPS软件中进行灰色关联分析。

2　结果与分析

2.1　不同海拔SOCD分布

2.1.1各海拔不同土层SOCD分布

由图1可知，不同海拔0～20 cm土层SOCD在4.30～5.85 kg·m-2之间；20～40 cm 土层 SOCD 在3.08～3.42 kg·m-2之间；40～60 cm 土层 SOCD 在1.20～2.74 kg·m-2之间。1550～1700 m 海拔 20～60 cm土层间和1850～2000 m海拔0～40 cm土层间SOCD差异不显著，其他各海拔土层间差异显著。虽然各海拔SOCD在某些土层间差异不显著，但还是呈现出明显的随土壤深度增加而变小的规律。

土壤有机碳主要集中在土壤表层中（图2），各海拔0～20 cm土层有机碳约占全剖面的50%，20～40 cm所占比例为28.49%～37.98%，40～60 cm所占的比例为13.58%～22.80%。这主要是因为植物凋落物归还于土壤表层，经分解有机质在土壤表层富集从而形成较高的有机碳密度。

2.1.2SOCD沿海拔的变化规律

各层SOCD均以1550～1700 m海拔最高（图3），在 0～20 cm 土层和 40～60 cm 土层，1550～1700 m海拔SOCD显著高于其他3个海拔；20～40 cm土层，SOCD在4个海拔间差异不显著。

随着海拔梯度的增加，土壤总有机碳呈先增加后减少趋势（图4）。土壤总有机碳密度在8.90～12.03 kg·m-2之间，以1550～1700 m海拔最高，显著高于其他3个海拔；1400～1550 m海拔次之，显著高于海拔1850～2000 m；其他海拔间土壤总有机碳差异不显著。

图2　不同土层有机碳密度占全剖面有机碳密度比例Fig. 2　Layers of SOCD as a percentage of the total cross-section

2.2　SOCD沿海拔分异的影响因素

2.2.1不同海拔环境因子间相关性分析

相关研究表明，SOCD主要受大气、植被、土壤理化性质及地形因子等的影响（舒蛟靖等，2015）。本研究中，植被因子包括林木生物量和枯落物储量；土壤理化因子包括土壤容重和土壤全氮；气象因子包括年降水量、年均温度、Kira干湿度指数和修正的生物干湿度指数 BK；地形因子主要为海拔因子。

白桦天然次生林不同海拔主要环境因子见表2，高海拔地区年降雨量、Kira干湿度指数和修正的生物干湿度指数 BK高于低海拔地区，林木生物量、枯落物储量和土壤全氮以中海拔地区最大。对不同海拔各环境因子进行相关分析性分析（表3），结果表明，植被因子和土壤因子间相关性较高，其中林木生物量、枯落物储量和土壤全氮三者间呈现极显著正相关；年均温度同其他因子的相关性大于年降雨量，说明温度对其他因子的影响强于年降雨量。

图3　不同海拔同一土壤深度的有机碳密度变化规律Fig. 3　Soil organic carbon density variation of different altitudes at the same depth

图4　不同海拔桦树天然林总有机碳密度Fig. 4　Total organic carbon density at different altitude

表3　不同海拔高度各环境因子之间的相关矩阵Table 3　The correlation matrix between the environmental factors at different altitudes

2.2.2不同海拔环境因子对SOCD的灰色关联分析

灰色关联度是表征事物、因素之间关联性大小的量度。它可对事物之间、因素之间相互变化的情况进行定量描述，主要包括变化的大小、速度、方向等的相对性。灰色关联度分析所需要的数据较少，对数据的特征要求不高，原理较为简单，易于理解和掌握，能够克服SPSS统计分析中的不足，SPSS回归、相关性分析要求大量的数据和明显的数据分布特征，当多元素非典型分布特征现象出现时，相关性、回归分析的难度将会变大（王晓康，2013）。

表2　不同海拔环境因子Table 2　The environmental factors at different altitudes

利用DPS数据处理系统对表3所述8个因子对SOCD的影响程度进行灰色关联分析。灰色关联度越大，说明该项与参考项的发展趋势越接近，由表4可知，各参数对SOCD影响较大，但影响程度存在差异，影响因子的灰色关联度大小顺序为：枯落物储量＞生物量＞土壤全氮＞土壤容重＞温度＞K1＞BK＞年降水量。对SOCD影响较大的是土壤因子和植被因子，气候因子影响较小，虽然海拔升高直接导致气候的改变，但是不同海拔上SOCD的改变与植被因子和土壤因子相关性大于气候因素。

3　讨论

3.1　小五台山白桦林SOCD水平

于东升等（2005）在国家尺度上，计算了全国各土壤类型的SOCD，结果表明全国土壤SOCD在8.01～19.05 kg·m-2之间，河北小五台山白桦林SOCD在全国范围内处于较低水平。研究区SOCD也低于北方其他地区，洪雪姣（2012）对大小兴安岭的研究显示，大小兴安岭白桦林 SOCD平均为 16.35 kg·m-2；刘乐乐（2014）对冀北山区赤城县黑龙山、围场县孟滦、围场县和丰宁县的研究结果显示，4个地区白桦林 SOCD平均分布范围为 11.72～23.97 kg·m-2；刘延惠（2011）对西北六盘山地区研究结果显示，六盘山白桦林SOCD平均为19.17 kg·m-2。主要原因可能是小五台山土壤较贫瘠，土壤厚度较低，普遍低于80 cm，其他研究中土壤厚度多大于80 cm（洪雪姣，2012；刘乐乐，2014；刘延惠，2011），但小五台山白桦林土壤仍是重要的碳汇。

3.2　小五台山白桦林SOCD空间分布影响因素

小五台山不同海拔白桦林SOCD空间分布包含两方面的内容：一是随土壤深度的变化；二是沿海拔梯度的变化。大量研究表明，SOCD随着土层深度增加而明显下降（李英等，2017；洪雪姣，2012），本研究结果与前人一致，这与土壤不同深度的理化性质（容重、石砾含量、含水量）、微生物活性和凋落物的分解速率等有关，深层土壤孔隙度差，相对板结，母质较稳定，受凋落物分解、植被根系和土壤动物活动影响较表层小，有机质分解速率低（刘姝媛等，2010；阿米娜木·艾力等2014；洪雪姣，2012）。

灰色度相关分析表明，植被因子与不同海拔SOCD关联较大（表4），与前人研究结果一致（李英等，2017；崔鸿侠等，2014）。李英等（2017）对黄淮海平原不同土地利用方式 SOC研究发现，SOC与枯落物储量密切相关，SOC的来源多为地表枯落物，较厚的枯落物不仅使归还土壤的有机质增多，且具有明显的蓄水和保水作用。崔鸿侠等（2014）对神农架3 种针叶林SOC进行比较发现土壤碳储量与平均胸径和地表凋落物现存量呈正相关，林木生长微观表现为生物量的增加，宏观表现为树木胸径以及树干的增加。

不同海拔SOCD与土壤因子关联度较大，C/N指标代表了碳氮之间的密切关系，当其处于7.8～24.7范围内，植物可以获得充分的氮素营养，如果该比值大于25，则说明土壤氮素无法满足细菌对有机质分解的需求，会继续造成氮的流失同时加速有机质分解，因此SOCD与全氮含量存在一定相关性，随着全氮含量增加而增加，这与许多研究结果一致（洪雪姣，2012；刘姝媛等，2010）。

海拔对SOCD的影响首先通过影响气候变化而影响温度、降水等水热条件，使植被生长以及土壤性质发生改变，进一步影响土壤有机质的输入和分解，进而影响SOCD（陈廷舰等，2014；丁咸庆等，2015）。因此，SOCD沿海拔变化主要受气候变化影响，及其作用下的植物生长和土壤理化性质变化的综合影响。

4　结论

（1）随土层深度增加，小五台山白桦天然次生林SOCD呈减少趋势，48%～52%土壤有机碳集中在0～20 cm土层内。

（2）随海拔升高，白桦天然次生林SOCD呈现显著的先上升后下降趋势，峰值出现在海拔1550～1700 m。

（3）不同海拔环境因子对SOCD的灰色关联度大小顺序为：枯落物储量＞生物量＞全氮＞土壤容重＞年均温度＞K1＞BK＞年降水量。植被因子和土壤因子是小五台山白桦林SOCD沿海拔分布的主要影响因素。

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