长白山北坡云冷杉阔叶混交林土壤有机碳分布特征及其影响因素

2022-06-25杜雪王海燕邹佳何孟海赵晗崔雪董齐琪

生态环境学报 2022年4期

杜雪，王海燕，邹佳何，孟海，赵晗，崔雪，董齐琪

北京林业大学林学院/森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083

1 m深度的全球土壤碳库达到1550 Pg，是大气碳库的2.2倍（Eswaran et al.，1993）。森林土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，在维持全球碳平衡、调节全球碳循环和降低大气CO2浓度等方面发挥着重要作用（Hou et al.，2020）。森林土壤有机碳（SOC）是森林土壤碳库中最重要的组成部分，占全球土壤有机碳库的 40%左右（田耀武等，2017），是影响森林土壤肥力和生产力、养分有效性的关键因素（Ghebleh et al.，2021），对于森林土壤的物理、化学和生物特性具有良好的调节作用，同时也为森林植物和土壤微生物生长提供能量和营养物质。

了解森林土壤有机碳含量空间分布的影响因素是准确估计森林土壤有机碳储量的必要条件（Yu et al.，2020）。Bai et al.（2020）研究发现，成土母质、土壤类型、土地利用类型、坡位、坡向和岩石暴露率对土壤有机碳有极显著影响（P<0.001）；刘波等（2021）研究表明酸碱度、电导率等土壤理化性质可以解释六盘山华北落叶松土壤有机碳的大部分变异；Dong et al.（2021）发现，优势树种、海拔和归一化植被差异指数是影响中国东南部亚热带森林土壤有机碳的关键因素；关于大兴安岭森林的研究也表明植被类型、林木年龄、根系分布、凋落物分解程度、地形因子、土壤理化性质等因素会对土壤有机碳含量产生影响（王冰等，2020）。

中国东北地区森林众多，植被类型多样，林分结构复杂（秦倩倩等，2019），初始土壤有机碳含量较高，但近年来却呈现下降趋势（唐敏，2019），了解森林土壤有机碳含量空间分布规律和影响因素，对正确分析东北地区有机碳含量降低原因、研究全球环境变化有重要意义。长白山区森林是东北森林的重要组成部分，云冷杉阔叶混交林是该区的典型林分。本文以吉林汪清林业局云冷杉阔叶混交林为研究对象，探究不同采伐强度和土壤深度下土壤有机碳含量和储量的分布特征，并分析土壤有机碳与土壤理化性质之间的相关性和关联度，以期揭示长白山北坡森林土壤有机碳分布规律，为森林合理经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设置于吉林省汪清林业局金沟岭林场（129°25′—130°20′E，43°17′—43°25′N）内，地处长白山系老爷岭系雪岭支脉，海拔300—1200 m，坡度范围为 5°—25°，地貌类型为低山丘陵。研究区属温带季风气候，全年平均气温约为4 ℃，年均降水量为547 mm。土壤主要类型是暗棕壤，成土母质为玄武岩、片麻岩和花岗岩。主要针叶树种包括红皮云杉（PiceakoraiensisNakai）、鱼鳞云杉（Picea jezoensisvar.microsperma(Lindl.) Cheng et L.K.Fu）、臭冷杉（Abiesnephrolepis(Trautv.) Maxim.）、红松（PinuskoraiensisSieb.et Zucc.）；主要阔叶树种包括白桦（BetulaplatyphyllaSuk.）、紫椴（Tilia amurensisRupr.）、水曲柳（FraxinusmandshuricaRupr.）和山杨（PopulusdavidianaDode）等。

1.2 样地设置

2013年在研究区内设置了12块面积为1 hm2的方形样地，2015年对样地进行采伐作业，按照采伐蓄积量确定采伐强度。2018年7月，我们选取采伐强度分别为6.29%和11.22%的两块样地，样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况Table 1 Characteristics of experimental plots

1.3 样品采集与测定

在每块样地中按照网格法设置100个10 m×10 m的样方，调查记录样方内胸径>5 cm的乔木种类、树高和胸径。用环刀取0—20 cm、20—40 cm土层土样，用于土壤密度的测定。采用“S”形取样法进行土壤样品采集，用土钻分别取0—20 cm和20—40 cm的混合土样，共计400份；土样经风干、磨细后，过2 mm和0.25 mm的土壤筛，用于测定土壤养分及相关指标。

土壤样品的测定参照《土壤农化分析》（鲍士旦，2000），土壤pH采用酸度计法；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法；全氮（TN）采用半微量凯氏法；全磷（TP）采用酸溶-钼锑抗比色法；有效磷（AP）采用氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色法；速效钾（AK）采用中性乙酸铵浸提-火焰光度计法；土壤密度采用烘干法。

1.4 土壤有机碳储量的计算

土壤有机碳储量计算公式（张智勇等，2020）：

式中：

R——土壤有机碳储量（t·hm−2）；

n——不同土层；

H——土层厚度（cm）；

P——土壤密度（g·cm−3）；

w——土壤有机碳质量分数（g·kg−1）。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0软件对土壤有机碳含量、储量、C/N进行描述性统计分析，对土壤有机碳与土壤理化性质进行 Spearman相关分析计算相关系数；采用灰色关联法对各样地不同土层土壤理化性质与土壤有机碳的关联度分析及排序。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量及储量分布特征

由表2可知，研究区两块样地的土壤有机碳质量分数变化范围为18.76—136.30 g·kg−1，最大值均出现在0—20 cm土层中，其均值也表现出土壤有机碳在0—20 cm土层积聚。由变异系数可知，土壤有机碳含量属中等程度变异。由于土壤结构性因素的影响，深层土壤有机碳含量较低，但变异系数较大，尤其是在样地Ⅰ的20—40 cm土层，变异系数为39.26%，但总体来说土壤有机碳受外界影响不大。两块样地的土壤有机碳含量均为正偏。样地Ⅰ的土壤有机碳含量的峰度值>0，数据分布呈尖顶峰；而样地Ⅱ的峰度值<0，数据分布呈平顶峰。

表2 不同土层土壤有机碳含量统计特征Table 2 Statistical characteristics of soil organic carbon content in different soil layers

在0—20 cm和20—40 cm土层中，两块样地土壤有机碳储量介于37.47—198.49 t·hm−2之间（表3），有机碳储量均值由大到小表现为样地Ⅱ 0—20 cm (136.97 t·hm−2)>样地Ⅰ 0—20 cm (117.46 t·hm−2)>样地Ⅱ 20—40 cm (92.29 t·hm−2)>样地Ⅰ20—40 cm (75.76 t·hm−2)，随土壤深度增加整体上呈现下降趋势。土壤有机碳储量空间变异系数最大为38.61%（样地Ⅰ 20—40 cm），最小为27.50%（样地Ⅱ 20—40 cm），均属中等程度变异。0—40 cm土壤有机碳储量均值表现为样地Ⅱ(229.26 t·hm−2)>样地Ⅰ(193.21 t·hm−2)，其变异系数均属于中等变异。两块样地所有土层的土壤有机碳储量均为正偏且峰度值>0，数据分布呈尖顶峰。

表3 不同土层土壤有机碳储量统计特征Table 3 Statistical characteristics of soil organic carbon stock in different soil layers

2.2 土壤全氮分布特征及C/N变化规律

表4为云冷杉阔叶混交林0—20 cm和20—40 cm土层土壤TN及C/N的描述性统计分析。两块样地土壤 TN含量的范围为 1.70—4.51 g·kg−1，并随土壤深度增加TN含量下降；其变异程度属中等程度变异，变异系数最大 54.01%（样地Ⅰ 20—40 cm），最小为31.27%（样地Ⅱ 0—20 cm）。土壤剖面C/N在17.44—24.74之间，且随土壤深度增加呈上升趋势。土壤C/N属中等程度变异，其中样地Ⅱ 20—40 cm土壤C/N变异系数最大（83.50%），空间变异程度较为剧烈。

表4 不同土层土壤全氮及碳氮比统计特征Table 4 Statistical characteristics of soil total nitrogen and C/N in different soil layers

2.3 不同样地及不同土壤深度有机碳含量、储量及碳氮比的差异

对不同采伐强度样地及不同土壤深度下土壤有机碳含量、储量及碳氮比进行配对t检验（表5），发现样地Ⅰ与样地Ⅱ的有机碳含量、储量之间均呈极显著差异（P<0.01），而两块样地的C/N之间的差异不显著（P>0.05）；0—20 cm与20—40 cm土壤深度下的有机碳含量、储量及碳氮比之间均为极显著差异（P<0.01）。

表5 土壤有机碳（SOC）含量、储量及碳氮比成对样本t检验Table 5 Soil organic carbon (SOC) content, stock and C/N ratio paired samples t test

2.4 土壤有机碳影响因素分析

由表6可知，两块样地0—20、20—40 cm的土壤SOC与TN、TP均呈极显著正相关（P<0.01）；除样地Ⅰ 0—20 cm的土壤SOC与AP呈显著正相关（P<0.05）外，其余均为极显著正相关关系（P<0.01）；SOC与AK呈正相关关系，除样地Ⅰ 20—40 cm土层外，SOC与土壤pH值也呈正相关关系，但相关性均未达到显著水平（P>0.05）；除样地Ⅱ 0—20 cm土层的SOC与土壤密度为显著负相关关系（P<0.05）外，其余均呈极显著负相关（P<0.01）。

表6 不同土层土壤有机碳与土壤理化性质相关分析Table 6 Correlation analysis between soil organic carbon and soil physico-chemical properties in different soil layers

选取土壤有机碳含量做参考数列，pH、TN、TP、AP、AK和土壤密度为比较数列，计算不同土层土壤理化性质与土壤有机碳的关联度（表7）。样地Ⅰ 20—40 cm的pH、TP、AP和样地Ⅱ 0—20 cm的TN与SOC的关联系数均大于0.8，关联度为高关联；其余均介于0.6—0.8之间，属于较高关联。样地Ⅰ 0—20 cm土层中AP与SOC关联最为密切，在20—40 cm土层中TP与SOC关联最为密切；样地Ⅱ中TN与SOC关联最为密切，AP关联最为不密切。总体来说，不同土壤理化性质与土壤有机碳含量的关联度均处在高关联以上，但AK与SOC关联度相对较弱。

表7 不同土层土壤理化性质与土壤有机碳的关联度Table 7 Correlation between soil physico-chemical properties and soil organic carbon in different soil layers

3 讨论

3.1 土壤有机碳含量及储量分布特征

云冷杉阔叶混交林两块样地均表现为 0—20 cm土层中的土壤有机碳含量和储量较高，而且 0—20 cm与20—40 cm土壤深度下的有机碳含量、储量之间差异极显著，表明研究区土壤有机碳具有表聚现象（Zhou et al.，2020；宋彦彦等，2019）。产生该现象的原因可能是森林中凋落物是土壤的重要碳源（陈子豪等，2021），土壤有机碳主要通过凋落物分解归还于土壤（吴丽芳等，2021），在表层土壤中有大量的凋落物输入，而且土壤微生物数量多，土壤通透性好，相比于深层土壤更适宜凋落物分解，从而形成较多有机质为土壤带来丰富的碳源。

云冷杉阔叶混交林两种采伐强度下土壤有机碳含量均值介于 35.26—83.98 g·kg−1，高于全国森林土壤有机碳含量（11.2 g·kg−1）（王亚东等，2020），土壤有机碳储量均值变化范围为 75.76—136.97 t·hm−2。同样为长白山云冷杉混交林，宋彦彦等（2019）研究表明土壤有机碳含量最高为 80.99 g·kg−1，其均值为 38.84 g·kg−1，本研究土壤有机碳含量均值变化范围与之相似。样地Ⅱ的采伐强度（11.22%）大于样地Ⅰ（6.29%），0—40 cm的土壤有机碳储量也表现为样地Ⅱ (229.26 t·hm−2)>样地Ⅰ (193.21 t·hm−2)，且两块样地的有机碳含量、储量之间均呈极显著差异（P<0.01），即采伐强度较大的样地其土壤有机碳含量与储量均较大，这与孙志虎等（2016）的研究结果相似，何姗等（2019）的研究结果也表明适度抚育间伐（间伐强度≤50%）有利增加森林土壤有机碳含量。其原因可能是因为适度的采伐可以调整林分密度，促进草本灌木生长，增加地上生物量（杜雪等，2021），同时也会改善土壤环境，促进土壤微生物活动，进而加速凋落物分解归还土壤碳；但也有研究发现，采伐后光照增强、温度升高会影响微生物呼吸和凋落物输入、分解，使得温带森林土壤碳储量降低（黄麟，2021）。

3.2 土壤全氮分布特征及C/N变化规律

土壤C/N是衡量土壤碳、氮关系的重要指标，其变化规律可以反映出土壤有机质的分解规律，对土壤质量评价有重要意义（彭晓等，2016）。全球土壤C/N均值为13.33，全球0—10 cm森林土壤C/N均值为12.4（陶晓等，2020），本研究区两块样地不同土层土壤C/N在17.44—24.74之间，高于全球平均值，表明该研究区土壤腐殖化程度较低。土壤TN也表现出在土壤表层积聚的现象，即随土壤深度增加TN含量下降；而土壤C/N则表现出相反的规律，即随土壤深度增加而呈现上升趋势，这与张莎莎等（2020）研究结果一致。土壤C/N受土壤碳、氮含量变化的共同影响，相比于土壤 TN，SOC矿化能力较强，随土壤深度降低幅度更小，则会导致越深层的土壤中土壤C/N较高。影响土壤碳、氮的因子也会影响土壤C/N，土壤碳、氮之间的相互影响也会导致土壤C/N发生变化，因此，两块样地20—40 cm土层中土壤C/N的变异程度较大。

3.3 土壤有机碳影响因素分析

森林土壤有机碳的含量和分布受土壤密度、酸碱性以及氮磷钾等多种因素的影响。研究区两块样地 SOC与土壤 TN均呈极显著正相关关系（P<0.01），这与其他地区的研究结果一致（Zhang et al.，2021；张玲等，2017）。由于碳和氮循环之间存在耦合关系，土壤中的TN含量较高会降低土壤微生物的活性，使土壤矿化率降低（Lu et al.，2021），从而影响土壤中有机碳含量也会相对较高。SOC与土壤TP呈极显著正相关关系（P<0.01），除样地Ⅰ 0—20 cm的 SOC与 AP呈显著正相关（P<0.05）外，其余均为极显著正相关关系（P<0.01），土壤中的磷通过增加合成有机质底物的输入和土壤微生物的活性（方华军等，2019），进而影响SOC的含量。与一些研究结果相似（祖元刚等，2011；王会利等，2018），SOC与AK呈正相关关系，但在本研究区中二者的相关性未达到显著水平。除样地Ⅰ 20—40 cm土层外，土壤SOC与pH值均呈正相关关系，但相关性不显著，这与宋彦彦等（2019）、Qin et al.（2016）研究结果相似。有研究表明，不同土层的土壤密度与有机碳为显著或极显著负相关关系（张厚喜等，2019；陈良帅等，2021），本研究结果与之一致。在土壤密度较大的样地，土壤孔隙度较小，土质相对紧实，通气透水性能较差，土壤中的微生物活性受到抑制，凋落物、动植物残体分解速率减缓，有机质含量相对较低。越深层的土壤越紧实，土壤密度较大，而 SOC含量较低。不同土层土壤理化性质与土壤有机碳的关联度分析可以看出土壤理化性质与 SOC含量的关联程度较高，尤其是氮磷元素对 SOC关联较为密切，而AK与SOC关联度相对较弱。