祁连山中段典型植被土壤有机碳密度研究

马 剑 ，金 铭 ，敬文茂 ，王顺利 ，赵维俊 ，王荣新 ，任小凤 ，赵晶忠 ，呼海林

（1. 甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；2. 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖 734000；3. 甘肃省祁连山森林生态系统野外科学观测研究站，甘肃 张掖 734000；4. 祁连山自然保护区西水自然保护站，甘肃 张掖 734000）

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库，其有机碳储量大约是大气碳库的2 倍，植物碳库的3倍[1]，土壤碳库的微小变化即能引起大气中CO2浓度巨大的变化，因此在陆地生态系统碳循环中有着极为重要的作用[2-3]。森林生态系统是陆地生物圈的主体，维持着约73%的土壤碳库[4]，森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，在全球碳循环中起着源、汇、库的作用[5]，其有机碳储量的变化影响着陆地生态系统碳收支平衡，是引起大气碳库和全球气候变化的主要因素[6]。因此，开展森林土壤有机碳密度变化研究的意义重大。植被类型差异导致凋落物量和根系生物量不同，使土壤表层及内部形成不同的微气候，通过作用于土壤微生物影响土壤有机碳输入和输出过程[7]，导致不同植被类型间土壤碳储量和密度差异显著[8]；土壤理化特性在局部范围内影响土壤有机碳的含量[9]，土层深度不同，土壤容重、土壤pH 值以及土壤温度、湿度等特性存在差异，导致土壤有机碳含量也不同[10]。因此植被类型与土层深度对土壤有机碳储量的影响不容忽视，研究不同植被条件和不同土层条件下的森林土壤有机碳是预测和分析全球碳循环的重要组成部分[11-12]。

已有学者对祁连山区森林土壤有机碳含量、密度及其分布特征进行了研究[13-16]，但研究多围绕单一植被类型进行，对不同植被类型下土壤有机碳储量及密度的研究较少，这在一定程度上影响了祁连山区森林土壤有机碳密度的精确估算。祁连山排露沟流域植被呈板块格局分布，即青海云杉林分布于阴坡、半阴坡，灌丛分布于阴坡、半阴坡，紧邻青海云杉林，而草地仅分布于阳坡，3 种植被类型是祁连山森林生态系统的重要组成部分[17]。研究这3种典型植被类型的土壤有机碳密度，不仅有助于深入了解祁连山区森林土壤碳储量，而且对准确估算该地区森林土壤有机碳密度有着十分重要的意义。为此，本研究选择祁连山排露沟流域的3 种典型植被为研究对象，采用野外调查取样和室内分析结合的方法，研究了不同植被类型土壤有机碳含量及密度的分布规律，以期为祁连山区土壤碳库的科学管理及精确估算提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山中段的排露沟流域，地理位置 100°17′～ 100°18′E，38°32′～ 38°33′N，流域总面积2.85 km2，海拔2 600 ～3 800 m，年平均气温-0.6 ～2.0 ℃，年平均相对湿度为60%，属高寒半干旱山地森林草原气候[18-19]。流域内土壤类型主要有山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土。建群树种青海云杉分布在海拔2 600 ～3 300 m 的阴坡、半阴坡，与阳坡草地犬齿交错分布；灌木优势种有金露梅Potentilla fruticasa、鬼箭锦鸡儿Caragana jubata和吉拉柳Salix gilashanica等，草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum、黑穗苔Carexatrata和针茅Stipa等[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集及测定

依据研究区植被分布状况，选取研究区内具有代表性的青海云杉林、灌木林和草地等3 种典型植被为研究对象。采用典型样地法，在每个类型内选择海拔、坡度、坡向等立地条件相似的坡面建立3 个大小为20 m×20 m 的调查样地，然后在每个样地内采用栅格法把整个样地划分为5 m×5 m 的小样格，对样格内植被的高度、盖度、冠幅等内容进行调查，样地基本情况见表1。2015年生长季5—9 月，在每个样地内沿对角线方向挖3 个土壤剖面，首先对土壤湿度、土壤颜色、土壤质地、土壤结构、砾石含量等情况进行调查记录，然后用200 cm3的环刀分别采集0 ～10、10 ～ 20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 的土壤样品，装入密封袋内，用于测定土壤容重。同时在每个采样点分别采集 0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40 和40 ～60 cm 土层的土样，每一层次取3 个重复，将每个层次的土样放在塑料布上，将残根、石块等摘干净，混匀得到混合土样。所采集的土样，用塑料袋密封带回实验室，经自然风干后，磨细，取部分土样过2 mm 土壤筛，用于测定土壤有机碳含量[21]。

表1 样地基本情况Table 1 The general characteristics of sample plots

1.2.2 土壤有机碳密度的计算

土壤有机碳密度代表单位面积土壤有机碳的质量，某一土层有机碳密度用以下公式[22]计算：

式（1）中：SOCi是第i层土壤有机碳密度（kg·m-2），Ci、Di、Bi、Gi分别为第i层土壤有机碳含量（g·kg-1）、土层厚度（cm）、土壤容重（g·cm-3）及粒径大于2 mm 砾石的体积百分含量（%）。

如果土壤剖面由n个土层组成，则该土壤剖面的有机碳密度采用以下公式计算：

采用以下公式计算每层土壤单位面积有机碳储量占总有机碳储量的百分比：

为了便于比较分析各层土壤有机碳密度，各采样间隔土层厚度Di均按10 cm 计算，以便消除各土层不同采样深度的干扰。

1.2.3 数据分析

采用Excel 2010 软件整理、计算数据，采用SPSS 20.0 软件进行统计分析，运用单因素方差分析法分析不同植被和不同土层间土壤有机碳含量及密度的差异性。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量及分布特征

由表2 可知，3 种植被类型0 ～60 cm 土壤平均有机碳含量为31.74 ～65.19 g·kg-1，其中青海云杉林土壤平均有机碳含量最大，为65.19 g·kg-1，分别是灌木林和草地的1.43、2.05 倍，草地土壤平均有机碳含量最小，为 31.74 g·kg-1。0 ～ 60 cm 土壤有机碳含量均值由大到小表现为青海云杉林＞灌木林＞草地，青海云杉林与灌木林、草地之间差异显著（P＜0.05），而灌木林与草地之间差异不显著（P＞0.05）。进一步分析发现，3 种植被类型变异系数介于6.56%～16.79%之间，灌木林土壤平均有机碳含量的变异系数最大，为16.79%，说明灌木林土壤平均有机碳含量的变异程度较其他2 种植被更为剧烈。

表2 不同植被类型土壤有机碳含量†Table 2 Soil organic carbon content of different vegetation types

由表2 可知，3 种植被类型土壤有机碳剖面分布亦存在差异。青海云杉林土壤有机碳含量为56.28 ～83.85 g·kg-1，灌木林土壤有机碳含量为36.46 ～63.56 g·kg-1，草地土壤有机碳含量为19.95 ～48.49 g·kg-1。其中随土层的加深，青海云杉林土壤有机碳含量先增大后减小，整体上呈增大的趋势，0 ～10 cm 土层有机碳含量最低，为56.28 g·kg-1，10 ～ 20 cm 土层有机碳含量最高，为83.85 g·kg-1，与其它土层差异显著（P＜0.05），这可能与研究区青海云杉林土壤质地、根系分布及返还到土壤中的有机物等有关；灌木林和草地0 ～10 cm 土层有机碳含量高于其他土层，其中灌木林0 ～10 cm 土层有机碳含量分别是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土层的 1.49、1.60 和 1.74 倍，草地0 ～10 cm 土层有机碳含量分别是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土层的 1.52、1.83 和 2.43 倍，2 种植被类型0 ～10 cm 土层与其他土层差异均显著（P＜0.05），说明这2 种植被土壤有机碳具有明显的“表聚现象”，地表凋落物对表层有机碳的积累起着重要作用。随着土层的加深，灌木林和草地土壤有机碳含量逐渐减小。

2.2 土壤有机碳密度及分布特征

土壤有机碳密度大小主要取决于土壤有机碳含量和土壤容重2 个重要参数[23]。在不同的植被类型中，由于根系分布、凋落物分解和人为干扰的影响，土壤有机碳含量和土壤体积质量都会发生变化，因此土壤碳密度也会发生变化[24]。由表3 可以看出，0 ～60 cm 土壤平均有机碳密度变化范围为 12.61 ～ 18.65 kg·m-2。3 种植被类型中，青海云杉林土壤平均有机碳密度最大，为18.65 kg·m-2，草地土壤平均有机碳密度最小，为12.61 kg·m-2，各植被类型土壤平均有机碳密度由大到小表现为青海云杉林＞灌木林＞草地，青海云杉林与灌木林之间差异不显著（P＞0.05），但与草地差异显著（P＜0.05），青海云杉林平均土壤有机碳密度分别是灌木林和草地的1.2 和1.7 倍。就变异系数而言，灌木林土壤有机碳密度变异最大，为16.82%，而青海云杉林土壤有机碳密变异最小，仅为7.09%，说明青海云杉林下土壤有机碳密度的变异程度最小，而灌木林土壤有机碳密度的变异程度较其他2 种植被更为剧烈。这可能与青海云杉林、灌木林林下植被根系分布、动物活动、溶解性有机碳的移动以及人为活动等许多因素的空间差异有关。

由表3 还可看出，3 种植被类型土壤10 cm 厚度的有机碳密度垂直分布存在差异。对青海云杉林而言，随着土层的加深，有机碳密度呈先增加后减小趋势，表层0 ～10 cm 土壤平均有机碳密度最小，为2.59 kg·m-2，10 ～20 cm 土壤平均有机碳密度最大，为 6.20 kg·m-2，10 ～ 60 cm 土壤平均有机碳密度显著大于表层。灌木林和草地土壤平均有机碳密度均随土层加深呈减小趋势，0 ～10 cm 土层土壤平均有机碳密度高于其他土层。其中灌木林0 ～10 cm 土层有机碳密度分别是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土层的 1.27、1.26 和 1.04 倍，草地0 ～10 cm 土层有机碳密度分别是10 ～20、20 ～ 40 和 40 ～ 60 土层的 1.50、1.33 和 1.30 倍，2 种植被类型 0 ～ 10 cm 土层与 20 ～ 60 cm 土层差异显著（P＜0.05）。由此可以看出土壤有机碳密度与有机碳含量变化趋势一致，也表现出了很强的表聚性，进一步分析发现，土壤有机碳密度在20 ～40、40 ～60 cm 土层间差异不显著（P＞0.05），说明20 cm 土层以下，由于土壤受枯落物、植物根系和人为活动的影响较小，土壤有机碳密度相对稳定。

表3 不同植被类型土壤有机碳密度Table 3 Soil organic carbon density of different vegetation types

3 种植被类型各土层土壤有机碳密度占全剖面（0 ～60 cm）土壤密度的比例见图1。由图1可知，0 ～20 cm 土层有机碳密度所占比例大小顺序为草地（48.6%）＞灌木林（42.1%）＞青海云杉林（36.3%），平均为40.5%。20 ～40 cm土层有机碳密度所占比例大小顺序为青海云杉林（36.2%）＞灌木林（29.5%）＞草地（29.1%），平均为31.6%。40 ～60 cm 土层有机碳密度所占比例大小顺序为青海云杉林（33.0%）＞灌木林（28.4%）＞草地（22.4%），平均为27.9%。可见，3 种植被类型0 ～20 cm 土层储存的有机碳均大于其它土层，其所占比重变化范围为36.3%～48.6%。随土层的加深，3 种植被类型土壤有机碳所占比重变化存在差异，其中青海云杉林土壤有机碳所占比重介于30.84%～36.15%之间，变化幅度相对较小；灌木林和草地土壤有机碳所占比重随土层加深逐渐减小，40 ～60 cm 土壤有机碳所占比例最小。3 种植被类型0 ～40 cm 土层有机碳密度占整个剖面的60%以上（66.99%～77.56%）。

图1 不同植被类型各土层有机碳密度占全剖面（0 ～60 cm）土壤密度的比例Fig. 1 Percentages of soil organic carbon density of soil layer in whole vertical section (0-60 cm) in different vegetation types

3 结论与讨论

3.1 结 论

1）3 种植被类型0 ～60 cm 土层土壤有机碳含量和密度均表现为青海云杉林＞灌木林＞草地。说明在同一区域不同植被类型土壤有机碳储存和积累存在差异，祁连山区青海云杉林更有利于土壤有机碳的储存和积累。

2）不同植被类型土壤有机碳含量及密度垂直分布具有较为明显的层次性，但不同植被类型存在差异。青海云杉林土壤有机碳含量及密度随土层加深呈先增大后减小趋势，灌木林和草地土壤有机碳含量及密度在表层（0 ～10 cm）最大，随土层加深逐渐减小，说明这2 种植被土壤有机碳含量及密度具有明显的“表聚作用”。

3）3 种植被类型0 ～40 cm 土层有机碳密度占整个剖面的60%以上（66.99%～77.56%），说明研究区40 cm 以下土壤有机碳密度较小，在以后的研究中应该重点加强对表层土壤的研究。

3.2 讨 论

土壤碳库含量受植被凋落物分解输入和土壤本身呼吸作用输出的影响[25]。森林类型或植被组成不仅直接影响凋落物的产量和质量，而且间接影响土壤微生物活动的微环境[26]。植被类型不同，其物种组成、凋落物类型、产量和质量也不同，对森林土壤碳汇/源功能的影响也不同[27]。本研究发现3 种植被类型土壤有机碳含量大小顺序为为青海云杉林＞灌木林＞草地，这是因为3 种植被类型虽处在同一个海拔地段，但是青海云杉林分布在阴坡，且由于树冠遮蔽造成林内温度相比其他两种植被要低，加上林内湿度较大，抑制了土壤中微生物的活性，很大程度地影响了土壤中动物残体和植物残体的分解与释放，最终大部分的残体以有机物的形式沉积在土壤里面，而草地分布在阳坡，其土壤表面温度较高，湿度相对较低，加速了土壤中有机质的分解，不利于土壤有机碳的积累。植被类型对土壤有机碳分布有着重要的影响，本研究仅选择研究区海拔2 900 m 处的3 种典型植被研究了土壤有机碳的分布情况，尽管这3种植被类型是组成祁连山森林植被的重要部分，但为了更全面地反映研究区不同植被类型土壤有机碳的分布情况，应在以后的研究中根据植被的分布状况布设更多的样地进行研究，从而提高结果的可信度。

受凋落物、根系分布以及人为活动的影响，土壤有机碳含量垂直分布特征存在差异，其中青海云杉林土壤有机碳含量呈先增大后减小的趋势。这是因为对青海云杉而言，地上凋落物是土壤有机碳输入的主要方式，调查发现该区域青海云杉林腐殖质层厚度为10 ～20 cm，该土层形成了明显的有机质层，土壤有机碳含量较高；随着土层深度的增加，青海云杉根系的密度逐渐减小，再者土壤水分含量逐渐减小，土壤温度逐渐降低，土壤微生物活性受到抑制，土壤有机碳含量减小。此研究结果与赵维俊等[28]在祁连山大野口流域的研究稍有不同。造成这种差异的原因是，尽管研究都在祁连山地区进行，但是不同的研究区域其海拔、气温、降水、植被等条件存在差别，而土壤有机碳的分布不仅与植被类型有关，而且与气候、土壤质地、土壤性质及人为活动有密切的关系。因此，即使研究区域相同、植被类型相同，但研究地点不同其结果也可能存在差异。灌木林和草地土壤有机碳含量随土层加深呈逐渐减小的趋势，这与王凤等[29]、袁子茹等[30]的研究结果相似。研究区灌木林主要有金露梅、苔草、老鹳草等组成，林下的草本比较茂盛，物种丰富，凋落物构成丰富，分解速度快，一定程度上增加了碳源的输入，且地下浅层根系密集，土壤养分富集，表层有机碳含量较高；随着土层的加深，灌木林根系数量减少，土壤透气性降低，微生物分解活性减弱，土壤有机碳含量减小。根系是草地土壤有机碳输入的主要形式，且在半干旱山区，土壤水分对草地土壤有机碳的累积起到主导作用[13]，随着土层深度的增加，根系分布减少，土壤水分含量逐渐降低，土壤有机碳含量逐渐减小。土壤有机碳的垂直分布受众多因素的影响，本研究只是简单分析了不同植被类型土壤有机碳的剖面分布规律，而没有同步监测气温、降水、土壤属性等因子，进而研究土壤有机碳垂直分布差异的内在机理，这在往后的研究中需要加强。

本研究还发现，0 ～20 cm 和0 ～40 cm 土层有机碳密度分别占整个剖面的40.5%和72.7%，这接近于秦岭地区（46.14%以上和73.31%以上）[31]，但是低于重庆缙云山（49.85%以上和82.65%以上））[32]、大兴安岭（0 ～10 cm 土层84.70%以上）[26]和长白山（0 ～40 cm 土层80%以上）[33]。其主要原因可能是该区域的生长季节，气温相对较高，降雨较多，使得淋溶过程加剧，分解速度变快，从而加速了森林凋落物的分解与输入，导致土壤中的有机碳溶解并向下层转移；再者，在雨水冲刷过程中，部分土壤有机碳以二氧化碳的形式矿化释放到大气中，减少了土壤有机碳总量[34]。