武夷桦林不同坡位土壤有机碳剖面分布特征

黄茂根

(三明市罗卜岩省级自然保护区管理站，福建 三明 365000)

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库，其微弱的变化都可能引起气候明显改变[1-2]。此外，土壤有机碳不仅为植物生长提供碳源，而且良好的土壤结构还在很大程度上影响土壤的持水性能和养分的有效性[3]。武夷桦(Betulawuyiensis)属高大乔木，树干通直，树型优美，木质材质良好，用途广泛，可作家具和高档地板，树皮、枝叶含芳香油[4]。然而，由于武夷桦仅在福建省武夷山脉零星分布，有关适宜武夷桦生长的生境鲜见报道[5]。本研究以福建省三明市罗卜岩省级自然保护区不同坡位的武夷桦天然林群落为研究对象，测定土壤物理性质及有机碳和全氮含量，比较不同坡位和土层的物理性质及有机碳和全氮含量的差异，并探讨武夷桦林土壤有机碳和全氮含量与土壤物理性质的相关性，以期为研究适宜武夷桦生长的土壤环境提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省三明市罗卜岩自然保护区(117°34′15″—117°36′00″ E、26°25′45″—26°27′30″ N)，位于三明市沙县西北部与明溪县交界处，坐落在武夷山东侧支脉，森林覆盖率达97.8%，属野生植物类型自然保护区。气候为中亚热带季风气候，四季气温较均匀，温和湿润，年均气温约12～13 ℃，1月均温3 ℃左右，极端最低气温-15 ℃，7月均温23～24 ℃；年均降水量在2000 mm以上，年相对湿度达85%，年雾日100 d以上[5]；保护区内植物区系以泛热带分布为主，有种子植物127科340属595种，其中珍稀濒危植物10种[6]。

1.2 样地设置

2018年8月，在保护区武夷桦天然林内按不同坡位(上坡位和下坡位)分别设置4个20 m×20 m的样方，调查样地基本情况见表1。上坡位武夷桦林分海拔620 m，主要伴生树种为闽楠(Phoebebournei)、台湾冬青(Ilexformosana)等，平均胸径为17.4 cm，平均树高为12.6 m，林分密度为920株·hm2；下坡位武夷桦林分海拔500 m，主要伴生树种为闽楠、闽粤栲(Castanopsisfissa)等，平均胸径为17.6 cm，平均树高为11.9 m，林分密度为1170株·hm-2。

表1 调查样地基本情况

1.3 土壤的采集与测定

在每个样方内，随机设置3个土壤剖面，共计在上坡位和下坡位样地各挖取12个剖面。分层(0～10、10～20、20～40、40～60 cm)采取混合土样，将同一样方内的土样混合后拿回实验室内测定土壤养分；再分别在相应土层用环刀取原状土，测定土壤物理性质。将混合土样风干后，过0.25 mm筛，采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ，Elementar Analysensysteme GmbH，Hanau，Germany)测定土壤有机碳和全氮含量。

1.4 数据统计

采用SPSS 19.0对不同坡位武夷桦林土壤物理性质和养分进行统计分析，采用单因素方差分析不同坡位、不同土层武夷桦林土壤物理性质和养分含量的差异，采用Pearson相关系数分析土壤养分与土壤物理性质的相关性，采用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同坡位武夷桦林土壤物理性质

如图1所示，不同土层土壤容重下坡位均高于上坡位，其中0～10、20～40 cm土层的差异达到显著水平(P<0.05)。此外，上坡位和下坡位的土壤容重均随土层深度的增加而增加，上坡位和下坡位的土壤容重分别从1.02、1.17 g·cm-3，增加到1.23、1.53 g·cm-3。这是由于土壤表层积累了大量的凋落物，腐烂的枯落物进入表层土壤使其变得疏松，使其有较小的容重，另一方面表层土壤也是根系的主要分布区，根系的穿插也增加了土壤的孔隙，进而降低了土壤的容重，而随着土层深度的增加，根系数量减少，土体变得坚实，容重变大[7]。

不同土层非毛管孔隙度上坡位均大于下坡位，但均未达到显著水平(P>0.05)；上坡位与下坡位不同土层非毛管孔隙度均无显著差异。毛管孔隙度上坡位40～60 cm土层显著高于下坡位，其它土层不同坡位则无显著差异；上坡位和下坡位的毛管孔隙度随土层深度的增加而降低。总孔隙度上坡位40～60 cm土层显著高于下坡位，其它土层不同坡位无显著差异；上坡位和下坡位的总孔隙度随土层深度的增加而降低。

2.2 不同坡位武夷桦林土壤有机碳、全氮含量及C∶N

如图2所示，上坡位不同土层有机碳含量变化范围在6.38～27.47 g·kg-1之间，下坡位不同土层有机碳含量变化范围在9.16～23.21 g·kg-1之间。除40～60 cm土层外，不同坡位有机碳含量差异不显著，上坡位0～10、10～20、20～40、40～60 cm土层有机碳含量分别是下坡位相应土层的1.2、1.1、1.0、0.7倍。0～10 cm土层有机碳含量分别是10～20、20～40、40～60 cm土层的1.7～1.8、2.4～3.0、2.5～4.3倍，表现出随土层深度的增加而减少的规律。此外，0～20 cm土层有机碳含量占整个土层(0～60 cm)的50%～58%，表明0～20 cm土层是林分根系集中分布区，大量腐烂的死根是该层土壤有机碳的重要来源，此外凋落物的归还也是土壤有机碳的重要来源[8-9]。

*：不同小写字母为不同坡位同一土层差异显著；不同大写字母为同一坡位不同土层差异显著，下同。图1 不同坡位武夷桦林土壤容重和孔隙状况

图2 不同坡位武夷桦林土壤有机碳含量、全氮含量及碳氮比

上坡位不同土层全氮含量变化范围在0.54～1.35 g·kg-1之间，下坡位不同土层全氮含量变化范围在0.63～1.27 g·kg-1之间。除40～60 cm土层外，不同坡位全氮含量差异不显著(P>0.05)，上坡位0～10、10～20、20～40、40～60 cm土层全氮含量分别是下坡位相应土层的1.1、1.0、0.9、0.8倍。0～10 cm土层有机碳含量分别是10～20、20～40、40～60 cm土层的1.5～1.6、1.9～2.2、2.0～2.5倍，与有机碳随土层深度变化的规律相似。

上坡位不同土层C∶N比变化范围在11.9～20.3之间，下坡位不同土层C∶N变化范围在13.6～18.2之间。上坡位0～10、10～20 cm土层C∶N显著高于下坡位(P<0.05)，而其它土层则无显著差异(P>0.05)。上坡位和下坡位C∶N均随土层深度的增加而减少。

2.3 武夷桦林土壤养分与物理性质的相关性

由表2可知，有机碳含量与全氮含量、C∶N、毛管孔隙度和总孔隙度显著正相关，与容重显著负相关；全氮含量与C∶N、毛管孔隙度和总孔隙度显著正相关，与容重显著负相关；C∶N与毛管孔隙度和总孔隙度正相关，与容重显著负相关；而非毛管孔隙度与容重显著负相关。容重与有机碳含量和全氮含量均表现为显著负相关，表明容重越大越不利于土壤有机碳和全氮的富集。非毛管孔隙度与容重呈显著负相关，表明容重越大，土壤颗粒越紧密，导致土壤的非毛管孔隙度越小。

表2 武夷桦林土壤养分与物理性质的相关系数

3 小结

坡位对武夷桦林表层土壤容重影响达到显著水平，上坡位显著低于下坡位；而对深层土壤未达到显著水平。坡位对表层土壤有机碳和全氮含量无显著影响，而显著影响深层土壤有机碳和全氮含量。武夷桦林不同坡位土壤容重均表现为随土层的增加而增加，而土壤有机质、全氮含量和C∶N随土层的增加而减少。土壤有机碳和全氮含量与土壤容重表现出显著的负相关，表明土壤容重的增加不利于土壤养分含量的累积；而土壤有机碳和全氮含量与毛管孔隙度呈现出显著的正相关。

*：感谢福建省林业科学研究院黄雍容在外业调查和数据分析等方面给予指导！