地形因子对青海祁连圆柏林土壤有机碳空间分布的影响

陈志林，强浪浪，向安民*，田翠翠，庞军柱，党坤良

(1.国家林业和草原局 西北调查规划设计院，旱区生态水文和灾害防治重点实验室，陕西 西安 710048；2.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100)

作为陆地土壤有机碳库的重要组成部分，森林土壤有机碳一直是全球森林生态系统碳循环研究的热点[1-2]。全球森林土壤有机碳约占陆地土壤有机碳总量的30%～50%[3]，其主要来源有凋落物分解补充、植物根系及其分泌物转化积累、林内动物和土壤微生物残体[4-5]，土壤呼吸作用将有机碳转化为CO2向大气中释放，研究表明土壤中有机碳的微小变化，也会使大气中CO2浓度变化巨大，因此科学管理森林土壤有机碳将有助于减缓全球变暖和有助于我国碳达峰和碳中和目标的实现[6-8]。

有关森林土壤有机碳储量、碳密度及地形因子对其调控的研究一直是生态学家、土壤学家、环境科学家和林学家关注的焦点。森林土壤碳储量在空间上的变异很大，主要受到海拔、坡向、坡位和坡度等地形因子的影响[9-10]。地形主要通过调控土壤水分、热量在时空上的分配进而对森林凋落物的生产和分解产生影响，以及土壤侵蚀等来影响土壤有机碳的储量[11-13]。

青海三江源区既是我国至关重要的水源涵养区，又是重要的生态屏障。准确估算该地区森林土壤碳储量，对于青海省乃至全国实施绿色发展的理念具有重要意义。做为青海三江源区主要森林类型之一，祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)林提供着重要的生态系统服务功能，尤其在增加青海省陆地生态系统碳储量方面发挥着非常重要的作用，强浪浪等[14]研究了青海祁连圆柏林乔木层碳密度空间分异特征，井赛等[15]分析了青海祁连圆柏林土壤C、N、P化学计量比对海拔与土层的响应及其与环境因子的关系，但有关青海三江源区祁连圆柏林土壤碳密度的研究尚少。本研究通过在青海三江源区较大尺度的野外调查、采样，及在室内测定分析土壤有机碳含量和密度，分析主要地形因子(海拔、坡向、坡位、坡度)对土壤有机碳空间分布的影响，以期为青海祁连圆柏林的可持续经营和森林生态系统固碳功能的评估提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

本研究区域选设在祁连圆柏林分布较为广泛的青海省海北州祁连县、黄南州泽库县、海西州德令哈市、都兰县和乌兰县及海南州兴海县。研究区域地理坐标为95°34′-102°08′E，34°48′-39°10′N。海拔2 915～3 870 m。气候为高原气候，年平均气温-2.5～7.9 ℃，年降水量175～600 mm,降水集中于5-9月，林下土壤类型多为山地草甸土和山地棕钙土。主要成林树种有祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)、青海云杉(Piceacrassifolia)、白桦(Betulaplatyphylla)、红桦(Betulaalbosinensis)等。主要灌木有千里香杜鹃(Rhododendronthymifolium)、高山绣线菊(Spiraeaalpina)、青甘锦鸡儿(Caraganatangutica)、西藏忍冬(Lonicerarupicola)等。主要草本植物有针茅(Stipacapillata)、艾蒿(Artemisiaargyi)、薹草(Carexduriuscula)、蕨麻(Potentillaanserina)等。不同研究区域的基本概况详见表1。

表1 研究区概况

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 2018年至2020年7、8月，在青海省祁连圆柏林分布较为广泛的区域，按照不同海拔、不同坡向、不同坡度和不同坡位，设置样地96个，每个样地面积为20 m×20 m。其中兴海县中铁林场(XH)24个、都兰县热水乡(DL)17个、乌兰县哈里哈图国家森林公园(WL)12个、德令哈市柏树园(DLH)6个、泽库县麦秀林场(ZK)29个、祁连县八宝镇(QL)8个。利用GPS确定各样地的经纬度，用海拔仪和罗盘仪测定各样地所处的海拔、坡度、坡位和坡向，并进行每木检尺记录胸径、树高、林分密度、郁闭度等林分因子。

1.2.2 土壤样品采集与测定 在每个样地内按照“S”形取样法选取土壤样点5个，先去除表层的凋落物，然后挖掘土壤剖面，深度为60 cm，按照每10 cm为1层，均匀分为6层，每层分别取样，将土样密封保存，带回实验室风干。另外，在所挖的剖面，用体积为100 cm3的环刀采集各层原状土，土样风干后挑出植物残体和肉眼可见的石砾，石砾体积用量筒排水法测定；另取风干土样，研磨后过200目筛，用重铬酸钾容量法-外加热法(GB 7857-87)测定土壤有机碳。土壤有机碳密度计算公式[16]如下:

(1)

式中:SOCd为土壤剖面的有机碳密度(t·hm-2)，n=6，θi为第i层>2 mm的石砾含量(%)，ci为第i土层的有机碳含量(g·kg-1)，di为第i土层的厚度：10 cm，ρi为第i层的土壤平均容重(g·cm-3)。

1.2.3 立地因子划分 根据调查区域地形条件，并参考《西北主要树种培育技术》[17]的森林立地划分方法，划分立地条件等级。海拔划分为5个等级：2 900～3 100 m (Z11)、3 100～3 300 m (Z12)、3 300～3 500 m (Z13)、3 500～3 700 m (Z14)、3 700～3 900 m (Z15)；坡向划分为2个等级：阳坡(正南、西南、东南和正西，Z21)、阴坡(正北、东北、西北和正东，Z22)；坡度划分为4个等级：缓坡(5°～15°，Z31)、斜坡(15°～25°，Z32)、陡坡(25°～35°，Z33)、急坡(35°～45°，Z34)；坡位划分为3个等级：上坡位(Z41)、中坡位(Z42)、下坡位(Z43)。

1.2.4 数据处理 用SPSS23.0软件进行数据处理，采用t检验揭示不同区域和不同立地条件的祁连圆柏林土壤碳密度差异特征。通过多元回归分析、线性相关分析、通径分析和逐步回归分析，筛选出调控祁连圆柏林土壤碳密度的主导立地因子。通经分析和决策系数计算：分别以海拔、坡向、坡位、坡度为自变量，土壤有机碳密度为因变量，用SPSS23.0软件进行通径分析。综合判定自变量(地形因子)与因变量(土壤有机碳密度)的相关性[18-19]，利用决策系数解释影响土壤有机碳密度的主要地形因子和次要因子[20-21]。决定系数计算公式如下

(2)

式中:R2(i)为因子i的决定系数，pi为通径系数(直接作用)，rij为与Y简单相关系数。

2 结果与分析

2.1 青海祁连圆柏林土壤有机碳密度总体特征

青海祁连圆柏林土壤有机碳密度均值为209.57 t·hm-2，变异系数为0.35，说明祁连圆柏林土壤有机碳密度空间变异较大(表2)。土壤有机碳密度随土壤深度增加呈减小的趋势，0～10 cm最大，为43.67 t·hm-2，50～60 cm最小，为23.38 t·hm-2。0～20、20～40、40～60 cm土层土壤有机碳密度分别占土壤(0～60 cm)总有机碳密度的40.89%、34.38%和24.73%，0～40 cm的土壤有机碳密度占比达75.27%，表明0～60 cm土层中0～40 cm是构成土壤有机碳密度的主体。0～10、10～20 cm和20～30 cm土层土壤有机碳密度显著高于30～40、40～50、50～60 cm土层(P<0.05)，30～40 cm土层有机碳密度也显著高于50～60 cm土层(P<0.05)(表2)。

表2 青海祁连圆柏林土壤有机碳密度总体特征

2.2 不同区域土壤有机碳密度差异特征

不同区域土壤有机碳密度，XH(247.37 t·hm-2)>WL(244.79 t·hm-2)>QL(237.22 t·hm-2)>DLH(211.98 t·hm-2)>DL(174.45 t·hm-2)>ZK(158.96 t·hm-2)(表3)。t检验结果表明，QL与DL、ZK均呈显著差异(P<0.05)，XH与DL、ZK均呈极显著差异(P<0.01)，WL与DL、ZK差异极显著(P<0.01)。

表3 青海祁连圆柏不同分布区土壤有机碳密度

2.3 立地因子对土壤有机碳密度的调控

2.3.1 海拔的调控 随海拔升高，祁连圆柏林土壤有机碳密度先逐渐增加然后减小(图1)。在海拔2 900～3 100 m，土壤有机碳密度最低，为152.03 t·hm-2，随海拔升高，土壤有机碳密度逐渐增加，在海拔3 500～3 700 m达到最大值，为255.93 t·hm-2；当海拔超过3 700 m时，土壤有机碳密度降低。t检验结果发现，土壤有机碳密度在海拔3 500～3 700 m与海拔2 900～3 100 m呈极显著差异(P<0.01)，同时与海拔3 700～3 900 m土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)(表4)。

表4 海拔对青海祁连圆柏林土壤有机碳密度的调控

图1 青海祁连圆柏林土壤有机碳密度与海拔的关系

2.3.2 坡向的调控 阳坡的土壤有机碳密度(206.72 t·hm-2)低于阴坡(215.55 t·hm-2)，但差异不显著(表5)。

表5 坡向对青海祁连圆柏林土壤有机碳密度的调控

2.3.3 坡度的调控 土壤有机碳密度随坡度增大逐渐减小(图2)，在坡度5°～15°最大，为297.22 t·hm-2。t检验结果表明，坡度5°～15°的土壤有机碳密度与坡度25°～35°、35°～45°差异极显著(P<0.01)与坡度15°～25°差异显著(P<0.05)(表6)；坡度15°～25°与坡度35°～45°的土壤有机碳密度呈极显著差异(P<0.01)。

表6 坡度对青海祁连圆柏林土壤有机碳密度的调控

图2 青海祁连圆柏林土壤碳密度与坡度的关系

2.3.4 坡位的调控 不同坡位土壤有机碳密度，下坡位(251.76 t·hm-2)>中坡位(212.56 t·hm-2)>上坡位(153.24 t·hm-2)。t检验结果表明，上坡位的土壤有机碳密度分别与中坡位和下坡位呈极显著差异(P<0.01)(表7)；中坡位与下坡位的土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)。

表7 坡位对青海祁连圆柏林土壤有机碳密度的影响

2.4 土壤有机碳密度与立地因子的关系

表8 土壤有机碳密度通径分析

3 结论与讨论

3.1 结论

青海祁连圆柏林土壤有机碳密度均值为209.56 t·hm-2。其中以兴海中铁林场(247.37 t·hm-2)最大，泽库麦秀林场(158.96 t·hm-2)最小，各区域间存在显著或极显著差异(P<0.05，P<0.01)。

祁连圆柏林土壤有机碳密度随海拔升高先升后降，其中，以海拔3 500～3 700 m范围最大，为255.93 t·hm-2，海拔2 900～3 100 m最小，为152.03 t·hm-2；阳坡土壤有机碳密度(206.72 t·hm-2)略低于阴坡(215.55 t·hm-2)；土壤有机碳密度随坡度增大而下降，坡度5°～15°最大，为297.22 t·hm-2；不同坡位土壤有机碳密度，下坡位(251.76 t·hm-2)>中坡位(212.56 t·hm-2)>上坡位(153.24 t·hm-2)；不同立地因子中，海拔和坡位是影响祁连圆柏林土壤有机碳密度的主导因子。

3.2 讨论

3.2.1 土壤有机碳密度总体特征 随土壤深度增加，青海祁连圆柏林土壤有机碳密度减小，表层土壤(0～10 cm)有机碳密度最大，且0～40 cm土层碳密度占土壤(0～60 cm)总有机碳密度的75.27%，这与李相楹等[22]、王振群等[23]和宋彦彦等[24]研究结果一致，土壤有机碳密度随土壤深度增加逐渐减小，表层有机碳密度是构成土壤有机碳密度的主体。在祁连圆柏林中，植被凋落物直接累积在土壤表层，成为表层土壤有机碳的主要来源。表层土壤的通气性和水分条件较优，土壤微生物活跃，凋落物分解快，积累了大量的有机碳[25]。深层土壤的生境劣于表层，与外界物质交换作用弱，其土壤有机碳来源主要为微生物残体、植物根系及根系分泌物，有机碳积累得较少[26]。耿波等[27]指出有机质具有表聚性，认为枯落物是森林生态系统最主要的碳源，所以微生物活动主要是在土壤上层，枯枝落叶的分解也主要发生在这里，因此森林表层土壤有机质含量远远高于下两层。兴海中铁林场祁连圆柏林土壤有机碳密度显著高于泽库麦秀林场，这是由于兴海中铁林场所处区域的水热条件要优于泽库麦秀林场所处区域，E.G.Jobbágy等[28]指出表层土壤有机碳含量主要受到气候因素的调控。

3.2.2 立地因子对土壤有机碳密度的影响 随海拔升高，祁连圆柏林土壤有机碳密度先升高后降低，其中以海拔3 500～3 700 m范围最大，为255.93 t·hm-2，海拔2 900～3 100 m最小，为152.03 t·hm-2，主要原因是温度随着海拔升高而下降，导致土壤有机碳释放速率明显降低。曾立雄等[29]对祁连山不同海拔高度云杉林土壤有机碳进行了研究，发现海拔2 900 m土壤有机碳含量最高，而在3 300 m开始降低。解宪丽等[30]认为海拔对土壤有机碳密度也会产生影响，随海拔升高,气温逐渐降低,降水量大体上先是逐步增加,而后又趋于减少,因此土壤有机碳密度也呈现出一定的海拔地带性特征。一般地,植被初级生产力随温度和降水量的增加而增加,然而又由于土壤有机质的分解会受到低温的抑制,随着温度升高土壤呼吸作用增强,有机质的分解加速,同时蒸发量也在增加,所以相比于高温和干旱的环境，低温和潮湿环境的土壤有机碳密度较高。另外，也可能是由于海拔3 500～3 700 m范围是祁连圆柏的适生区，使得祁连圆柏通过凋落物和根系分泌物，归还给土壤的有机质更多一些。

阳坡土壤有机碳密度(206.72 t·hm-2)略低于阴坡(215.55 t·hm-2)，与阳坡相比，阴坡光照时间短因而温度较低，进而致使微生物对土壤有机质分解的速率降低，促进了土壤有机碳的累积。R.P.Griffiths等[31]指出阴坡土壤有机质的积累是由于其本身分解速率的降低和植被初级生产力的增加。S.A.Rezaei等[32]也认为土壤有机碳含量阴坡明显高于阳坡，这是由于相比于阴坡，阳坡地温较高，导致其土壤水分蒸发较快，进而致使植物生长减缓和较高的土壤有机质矿化速率。

土壤有机碳密度随坡度增大而下降，坡度5°～15°最大，为297.22 t·hm-2，不同坡度土壤有机碳密度出现差异主要是由于土层厚度的差异和重力的作用。侯琳等[33]认为随坡度的增大，土层变薄，而重力和淋洗作用变强，这样更加不利于土壤有机质的积累，因而土壤有机碳含量也就越低。

不同坡位土壤有机碳密度，下坡位(251.76 t·hm-2)>中坡位(212.56 t·hm-2)>上坡位(153.24 t·hm-2)，下坡位土壤有机碳含量高的原因是一方面富碳的土壤物质的沉积，另一方面缓慢的土壤矿化过程[34-36]。姜航等[37]认为相比于上坡位和中坡位，重力和淋洗作用导致下坡位土层较厚，并且土壤有机质聚集，因此有机碳含量较高。

通径分析表明，不同立地因子中，海拔和坡位是调控祁连圆柏林土壤有机碳密度的主导因子。海拔主要通过调控水热条件，进而影响祁连圆柏林碳的积累。坡位引起的土层厚度变化及对土壤有机物质的重力作用是造成土壤碳密度差异的重要因素。姜航等[37]研究了帽儿山次生林区土壤有机碳密度，发现坡位是土壤有机碳数量分异的主导因子。Zhou.X等[38]也发现坡位是对张广才山次生林区的土壤有机碳密度影响的主导地形因子。而唐朋辉[39]研究了不同地形因子对秦岭南坡红桦林土壤碳密度的影响，发现海拔、坡度、林分密度和郁闭度是影响秦岭南坡红桦林土壤有机碳密度的主要因子。王强等[40]在秦岭辛家山林区的研究也表明高海拔地区土壤有机碳显著高于低海拔地区。