色季拉山林线典型植被有机碳垂直分布特征

2021-11-14王君惠

南方农业 2021年28期

王君惠，喻武

（西藏农牧学院资源与环境学院，西藏林芝 860000）

土壤有机碳（SOC）是反映森林土壤肥力状况的关键因素，测定其含量是衡量森林生态系统环境质量的核心环节[1]。土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳库，主要来源于腐殖质和动植物残体[2-5]。森林土壤有机碳量占全球土壤碳量的73%，它与土壤理化性质密切相关，不仅对陆地碳库及动态变化产生影响，也对全球碳收支平衡发挥重要作用[6]，更是衡量森林环境质量的关键指标。高山林线是典型的生态交错带和分界线，对气候变化异常敏感[7]，具有明显的“边缘效应”，属于当今全球气候变化的研究热点[8]。在气候变化背景下，将导致林线海拔和土壤有机质分解速率发生变化[9-10]，并影响SOC 储量和土壤温室气体排放。此外，高山林线区域冬季气候寒冷，积雪覆盖、土壤冻结，影响有机碳分解和其动态变化[11-15]，气候变化使枯落物和SOC 分解速率发生变化，导致高山林线土壤在春季排放更多温室气体，进一步促进气候变化进程[16]。

色季拉山位于西藏东南部林芝地区境内，植被带谱完整，具有较典型的高山林线。有研究表明，世界上林线海拔最高的区域位于我国青藏高原东南部[17-18]，中国科学院青藏高原综合考察组发现并印证了林线海拔最高川西云杉林分布在4 600 m，大果圆柏分布在4 900 m[19]。而对位于林芝境内色季拉山高山林线的研究不多，且主要集中在小气候特征[20-21]和森林群落多样性[22]。近年来，随着温度升高、林窗形成等气候变化，其林线过渡带的部分植物物种有向上迁移的趋势[22]，这一趋势对高山林线土壤碳收支产生影响，进而改变其SOC 储量，并可能对区域气候进程发挥作用[23]。高山林线上侵是否改变色季拉山乃至青藏高原林线土壤有机碳库的“源”“汇”平衡，仍需进一步研究。色季拉山小尺度土壤固碳特征的研究，可减少对青藏高原大尺度研究中的误差，提高研究土壤碳库的精准度，有助于探究林线随局部环境或立地条件改变而上下波动的原因，并为后续青藏高原土壤有机碳固定速率及碳循环的研究奠定基础。

本研究选择色季拉山高山林线附近典型植被下的土壤为研究对象，其中以北坡：杜鹃、急尖长苞冷杉×杜鹃混交林、急尖长苞冷杉，南坡：杜鹃、方枝柏×杜鹃混交林、方枝柏群落为主，探讨其土壤有机碳（SOC）和土壤有机碳密度（SOCD）特征，以期为该区气候变化下的林线升降和碳迁移特征研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

色季拉山属念青唐古拉山脉，是尼洋河流域与帕隆藏布江的分水岭[13]。本研究区域位于中山大学青藏高原特色资源科学工作站（A 站），具体位于318 国道林芝地区八一公路段113 道附近的林线地带（29.36°N，94.35°E），海拔超过4 100 m。公路北侧（阴坡）分布着以急尖长苞冷杉（Abies georgeivar.smithii）为主的原始林，而南侧（阳坡）则是以方枝柏（Juniperus saltuaria）为主的原始林，形成两树种林分的相对分布景观。在林线过渡带，以常绿灌木薄毛海绵杜鹃（Rhododendron aganniphumvar.schizopeplum）为优势种，广泛分布于其中，并在林内形成2～3 m 高的杜鹃矮曲林，成为亚高山森林的亚冠层；在林线之上，该物种作为优势种密集分布，形成典型的高山常绿灌丛，植被高度在0.5～2.0 m，并呈现随海拔增加而显著降低的趋势[24]。常见的伴生灌木为黄毛海绵杜鹃（Rhododendron aganniphumvar.flavorufum），一些落叶灌木如山生柳（Salix oritrepha）、西南花楸（Sorbus rehderiana）、柳叶忍冬(Lonicera lanceolata)、华西忍冬(Lonicera webbiana)、峨眉蔷薇(Rosa omeiensis)、冰川茶藨子（Ribes glaciale）和高山绣线菊（Spiraea alpina）等通常分布在林缘、林窗等地。林下物种主要包括岩白菜（Bergenia pur-purascens）、扫帚岩须（Cassiope fastigiata）、毛小叶垫柳（Salix pilosomicro-phyua）、委陵菜（Potentilla spp.）和长鞭红景天（Rhodiola fastigiata）等[24-25]。

1.2 样地设置

样品采集于2020 年7—9 月。在北坡杜鹃（RH）、急尖长苞冷杉（AG）、急尖长苞冷杉×杜鹃混交林（AR）和南坡杜鹃、方枝柏×杜鹃混交林（JR）、方枝柏（JS）群落内，各设置3个20 m×20 m样地，在每个样地内采用“五点混合法”取样，并将混合后土壤作为1个样品。采用分层挖方法，挖取深度为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土壤。将采集的土样经自然风干后，拣出草根和石块，用四分法取适量土样，研磨，过2 mm 筛用于土壤化学性质检测。同时，使用直径5 cm 环刀分层采集原状土壤用于物理性质检测，每层3个。样地基本情况见表1。

表1 样地基本信息

1.3 试验方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾-外加热法测定，土壤容重采用环刀法测定。

1.4 数据处理

1.4.1 计算公式

某土层的土壤有机碳密度计算公式：

（1）式中，SOCD为有机碳密度；SOC为有机碳含量；D为土层厚度；E为土壤容重；V为直径≥2 cm砾石所占百分比。

1.4.2 数据处理

在SPSS 22.0 中对不同植被类型SOC、SOCD 的差异显著性检验采用LSD 法，并在差异显著时进行多重比较；采用Pearson检验分析土壤深度与土壤有机碳含量及密度间的相关性，显著性水平α=0.05；数据分析和绘图采用Origin。

2 结果与分析

2.1 土层深度对土壤SOC含量的影响

由图1 可知，不同植被SOC 含量最大值出现在0～20 cm 土层，并具有明显的“表聚效应”。三种类型植被0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤SOC含量总和分别为324.05、179.97、138.21、81.93 g·kg-1，分别占整个剖面总和的44.75%、24.85%、19.09%、11.31%。在0～20 cm 土层，SOC 含量南、北坡混交林最高，高山灌丛次之，高山森林最小。不同植被土壤在20～40 cm土层SOC含量存在明显差异。

图1 三种植被类型不同图层深度的有机碳含量

2.2 土层深度对土壤SOCD的影响

由图2 可知，南、北坡高山灌丛和混交林随土层深度增加而减小，高山森林土壤SOCD 随着土壤深度增加出现先增加后减少的趋势。0～20、20～40、40～60、60～80 cm 土壤SOCD 总和分别为476.60、356.31、291.81、180.75 g·cm-2，分别占整个剖面总和的36.51%、27.29%、22.35%、13.85%。南坡三种类型的植被土壤剖面SOCD 总和为728.22 g·cm-2，各样地分别占29.60%（RH）、37.60%%（AG）、32.80%（AR），北坡土壤SOCD 总和为577.25 g·cm-2，各样地分别占30.76%（RH）、31.52%（JR）、37.72%（JS），且有随海拔升高而降低的趋势，仍需进一步研究。南坡0～20 cm土层SOCD最高（AG），达118.49 g·cm-2。

图2 南北坡不同土层深度的有机碳密度

2.3 土层深度与有机碳含量、有机碳密度之间的相关性

根据测定值进行统计分析表明，SOC、SOCD与土层深度的Pearson 相关系数分别为-0.823**、-0.807**，SOC与SOCD的Pearson相关系数为0.873**。即土层深度与土壤SOC、SOCD皆存在极显著负相关关系（P＜0.01），土壤SOC与SOCD呈极显著正相关关系（P＜0.01）。

3 讨论

森林土壤碳储量对全球气候变化产生巨大影响[26-27]，研究其垂直分布特征对土壤有机碳应对气候变化的响应有重要意义[28]。林分类型使微生物群落和分解速率不同，进而使其土壤有机碳含量存在差异[29]，大量学者认为，植被类型影响土壤有机碳垂直分布格局[30]，本研究也证明了林分类型对土壤有机碳含量垂直分布有显著影响。部分研究表明，土壤有机碳含量混交林高于纯林[31]，而王静等认为纯林土壤碳储量高于混交林[32]。

色季拉山高山林线南、北坡三种植被土壤SOC 含量随土壤深度增加而减小；土壤SOCD,南、北坡高山灌丛和混交林随土层深度增加而减小，高山森林随着土壤深度增加呈现先增加后减少的趋势。南坡0～20 cm SOC 分别占剖面总和的51.14%（RH）、49.73%（AG）、34.04%（AR），北坡0～20 cm SOC 分别占剖面总和的43.87%（RH）、51.82%（JR）、34.10%（JS），有明显的“表聚效应”，这与许多研究结论一致[23,33-34]。由于表层枯落物和腐殖质层较厚，微生物分解其产生含C 化合物，对SOC 的积累产生一定影响，因而表层土壤的碳储存能力较强，随着土层深度的增加，枯落物和植物根系分布减少，有机质来源减少，微生物分解速率降低，SOC 的积累速率也随之降低[35]。

色季拉山高山林线，南坡混交林（AG）SOC 含量最高（161.40 g·kg-1），高山灌丛（RH）次之，高山森林（AR）最小；土壤剖面总SOCD 也是AG 样地最大（273.79 g·cm-2）。色季拉山南、北坡高山森林土壤剖面SOC总含量（216.56 g·kg-1）和总SOCD（456.60 g·cm-2）均大于高山灌丛（210.96 g·kg-1、393.09 g·cm-2），说明高山森林土壤碳汇能力强于高山灌丛，与谢锦[36]、吴雅琼[37]等的研究结果一致。