不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳与理化性质的关系

王 冰，张鹏杰，张秋良

(内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

气候变暖现象受到国际社会的广泛关注，土壤有机碳是陆地生态系统的重要碳库，对全球气候变化背景下CO2浓度的变化具有重要影响，特别是森林土壤的固碳功能引起科学家们的重视，成为全球研究热点，有关森林土壤有机碳含量的研究已在不同地区广泛开展[1-3]。林木在生长过程中对土壤环境需求的不同以及林木自身的变化，使不同发育阶段的森林土壤有机碳存在差异。关于林龄对土壤有机碳的影响已有较多报道[4-8]，但研究多集中于杉木人工林[9-10]和马尾松人工林[11-12]，主要得到2种结论，即随林龄的增加，土壤有机碳含量逐渐增加或先减少后增加。

北半球纬度较高的生态系统的土壤有机碳密度和储量最高[13]，受到最强升温的影响[14]，预计会成为生物圈的CO2通量热点。兴安落叶松(Larixgmelinii)分布于中国大兴安岭北部，是我国寒温带的主要地带性植被，在森林碳汇方面发挥着不可取代的重要作用。探明多种因素影响下兴安落叶松林土壤有机碳的特征，准确评估寒温带森林在全球碳平衡中的作用与贡献，成为目前亟待解决的关键问题。本研究探讨了不同林龄(幼龄、中龄、近熟、成过熟)兴安落叶松林土壤总有机碳的特征及其与土壤理化指标的相关性，以期为我国寒温带森林的可持续经营提供科学参考。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站的原始林试验区(121°30′-121°31′ E，50°49′-50°51′ N)，海拔 800～1 000 m，地处寒温带湿润气候区，年均气温-5.4 ℃，年降水量 450～550 mm。该区土壤以棕色针叶林土为主，并分布有大面积沼泽湿地和连续多年冻土。研究区优势树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)，并伴生有白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等乔木，林下植物主要有杜香(Ledumpalustre)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、柴桦(Betulafruticosa)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、红花鹿蹄草(Pyrolaincarnata)、舞鹤草(Maianthemumbifolium)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站的原始林试验区(根河林业局境内)，选择兴安落叶松幼龄(≤40 a)、中龄(40～80 a)、近熟(80～100 a)、成过熟(≥101 a)林分，每种林分设置7块30 m×30 m的样地，共28块，记录各样地的经纬度、海拔高度、坡度、坡向、坡位等地形信息，并进行每木检尺和灌草调查。

2.2 土壤样品的采集与处理

于2017年7-8月，在每个样地内按对角线挖取3个土壤剖面，去除表面凋落物，分别采集0～10，10～20，20～40和40～60 cm土层的土样，按层将同一采样点3个剖面的土样混合均匀，装入标有代号的塑封袋内；用环刀采集各层原状土用于土壤含水量和体积质量的测定。将采集的土样带回实验室，去除土样中的植物残体及石砾，自然风干、过筛，用于土壤各指标的测定。

2.3 土壤理化指标的测定

2.4 数据统计与分析

3 结果与分析

3.1 不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量的变化

兴安落叶松林(0～60 cm)土壤总有机碳含量为13.42～142.18 g/kg，平均含量为53.35 g/kg，呈现一定的剖面变化特征。由表1可知，随着土层深度的增加，土壤总有机碳含量逐渐降低，均属中等变异。表层土壤(0～10 cm)与其余3个土层土壤间的总有机碳含量均存在显著差异(P<0.01)，但其余3层土壤间总有机碳含量差异不显著，表明兴安落叶松林土壤总有机碳具有明显的表层富集特性。

表1 兴安落叶松林不同深度土层的总有机碳含量Table 1 Soil total organic carbon contents of Larix gmelinii forest in different soil depths

由图1可以看出，不同林龄兴安落叶松林的土壤总有机碳含量(0～60 cm)差异均不显著(P>0.05)，其大小依次为幼龄林(64.49 g/kg)>成过熟林(55.34 g/kg)>中龄林(53.22 g/kg)>近熟林(46.81 g/kg)。随着林龄的增加，土壤总有机碳含量呈现先减小后增大的“V”字型变化特征，即兴安落叶松林土壤中总有机碳含量在幼龄林阶段最高，之后随着树木的生长，总有机碳含量逐渐减少，近熟阶段后土壤总有机碳含量又开始增加。随着土层深度的增加，各林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量均呈现逐渐减少趋势，且表聚特征明显。兴安落叶松林从幼龄林到成过熟林阶段，各土层总有机碳含量的变化特征存在一定差异，表层(0～10 cm)表现为幼龄林到中龄林减少、近熟林和成过熟林又逐渐增加，即先减少后增加的变化特征；而其他土层变化趋势不明显，各林龄差异也不明显。

3.2 不同林龄兴安落叶松林土壤理化性质的变化

柱上标不同小写字母表示相同林龄在不同土层间存在显著差异(P<0.05)Different lower letters indicate significant differences among different soil layers for same forest age (P<0.05)图1 不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量的剖面特征Fig.1 Soil total organic carbon contents in soil profile of Larix gmelinii forest at different ages

表2 不同林龄兴安落叶松林的土壤理化性质Table 2 Soil physicochemical properties of Larix gmelinii forest at different ages

各金属氧化物含量随林龄的增加也呈现不同的变化趋势(表3)。随着林龄的增加，Na2O含量呈“V”字型变化趋势，即先减小后增加；MgO和Al2O3含量呈倒“V”字型变化趋势，即先增加后减小；K2O含量总体呈减小趋势；而CaO和Fe2O3含量总体呈增加趋势。单因素方差分析结果显示，幼龄林的Fe2O3含量显著低于其他各林龄，Al2O3含量显著低于近熟林，幼龄林和近熟林的CaO含量显著低于成过熟林；Na2O、MgO和K2O含量在各林龄间差异均不显著。随着土层深度的增加，各金属氧化物含量在各林龄间的差异减小，在0～10 cm土层，幼龄、中熟、近熟林的CaO含量均显著低于成过熟林，幼龄林的Fe2O3含量显著低于其他各林龄；在10～20 cm土层，中龄林和近熟林的CaO含量均与成过熟林差异显著；在20～40 cm土层，幼龄林的Al2O3含量与近熟林差异显著；在40～60 cm土层，各金属氧化物含量在各林龄间差异均不显著；在不同土层，Na2O、MgO和K2O含量在各林龄间差异均不显著。

表3 不同林龄兴安落叶松林的土壤金属氧化物含量(质量分数)Table 3 Soil metal oxide contents of Larix gmelinii forest at different ages(mass fraction) %

3.3 不同林龄兴安落叶松林土壤理化性质对总有机碳含量的影响

表4 不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳与土壤理化性质间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between TOC and soil physicochemical properties in Larix gmelinii forest at different ages

由表5可知，不同林龄兴安落叶松林的土壤总有机碳含量与金属氧化物含量间的相关性(正相关或负相关)基本一致，差别仅表现在相关程度上。各林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量均与Na2O、MgO、Al2O3、K2O含量呈显著或极显著负相关，除幼龄林外均与CaO含量呈极显著正相关，与Fe2O3含量均无显著相关性。

表5 不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳与金属氧化物间的相关系数Table 5 Correlation coefficients between TOC and soil metal oxides in Larix gmelinii forest at different ages

表6 不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量与各土壤因子的回归模型Table 6 Regression models of TOC and soil factors in Larix gmelinii forest at different ages

4 讨 论

4.1 不同林龄土壤总有机碳含量的特征

本研究显示，兴安落叶松林土壤总有机碳(0～60 cm)的平均含量为53.35 g/kg，高于其他地区的研究结果[1-3,17-18]。这是因为兴安落叶松原始林地表枯落物厚，加之高纬度低温环境抑制了微生物的活性，限制了有机质的矿化，导致有机碳含量较高[1]。

林龄对兴安落叶松林土壤总有机碳含量有一定影响[19]。本研究结果显示，兴安落叶松林土壤总有机碳含量随林龄的增加呈现先减小后增大的“V”字型变化趋势，这与前人的一些研究结果[10-11]基本一致。土壤有机碳一直处于不断分解与合成的动态平衡过程中，上一代成熟林有机碳随枯落物归还土壤以及幼龄林生长消耗较少等原因，可能是导致幼龄林土壤有机碳含量较高的重要因素[20]。随着林龄的增加，中龄林和近熟林阶段林木生长迅速，植物根系从土壤中吸收了大量的有机质用于自身生长，土壤有机碳的消耗大于积累，从而导致有机碳含量降低[7]。成过熟林阶段土壤有机碳含量又恢复到较高水平，这是因为此阶段林下生态系统逐渐完善，凋落物的分解速率加快，土壤有机碳的输入量随之增加，有机碳含量逐渐累积；成熟林郁闭度提高，林冠对降雨的截留能力加强，减少了随降雨流失的碳含量[21]；随着林龄的增加，凋落物、微生物、活性酶及养分增加，也会导致土壤有机碳含量增加。

TOC．土壤总有机碳；SWC．土壤含水量；OP．有机磷。实线单向箭头表示各因子对土壤总有机碳的直接作用，虚线单向箭头表示各因子对土壤总有机碳的间接作用，实线双向箭头表示各因子间的相互关系TOC.Total organic carbon;SWC.Soil water content;OP.Organic phosphorus.The solid one-way arrow indicates the direct effect of each factor on TOC,the dotted one-way arrow indicates the indirect effect of each factor on TOC,and the solid two-way arrow indicates the relationships among soil factors图2 各土壤因子对不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳的通径系数示意Fig.2 Path coefficients of soil factors on TOC in Larix gmelinii forest at different ages

本研究还发现，不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量均呈现随土层深度增加而减少的垂直分布特征，且表层显著高于其他各层，表现出明显的表层聚集性，这与几乎所有关于土壤有机碳剖面特征研究的结果[8,11]一致。有机碳含量表层聚集性的形成有多方面原因：其一，地表枯落物是森林土壤有机物质的主要来源[22]，加之兴安落叶松根系分布浅，使得土壤有机碳主要富集于表层；其二，地表枯落物和植物根系分解形成的有机质经土壤表层进入深层，造成土壤有机碳自上而下递减的剖面变化特征；其三，研究区地处寒温带，气温低，土壤微生物活性和土壤动物活跃度受限，地表枯落物分解转化速率慢，土壤生物带入深层土壤的有机碳量和带入深度有限[23-24]，所以表层富集明显。

4.2 土壤理化性质对土壤总有机碳含量的影响

本研究表明，不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量均与含水量呈显著正相关关系，与土壤体积质量呈负相关关系，这与许多学者的相关研究结果[25-27]一致。体积质量直接影响着土壤的通气性和孔隙度，随着土壤体积质量的增大，土壤的孔隙度减小、通气性减弱、生物活性被抑制，导致土壤有机碳含量下降。不同林龄兴安落叶松林土壤总有机碳含量均随pH值的减小而增大[28-29]。土壤pH值通过影响土壤微生物的种类和活性而影响土壤有机碳的固定和积累，研究区土壤呈酸性，微生物(以真菌为主)对有机物质的分解较慢[30]，因此土壤有机碳含量较高。

5 结 论

1)兴安落叶松林0～60 cm土层土壤总有机碳含量为13.42～142.18 g/kg，在生长过程中，呈现先减小后增加的“V”字型变化趋势，不同林龄的土壤总有机碳含量大小依次为幼龄林(64.49 g/kg)>成过熟林(55.34 g/kg)>中龄林(53.22 g/kg)>近熟林(46.81 g/kg)。