地形因子对天山北坡天山云杉林土壤有机碳的影响

2023-05-30夏晓莹李思瑶马小龙米尔扎提柯尼加里木阿丽耶麦麦提王卫霞

新疆农业科学 2023年4期

夏晓莹,李思瑶,王杰,马小龙,席丽,米尔扎提·柯尼加里木,阿丽耶·麦麦提,王卫霞

(新疆农业大学林学与风景园林学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室,乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】森林作为陆地生态系统的主体,是陆地上面积最大、结构最复杂、初级生产力最高的生态系统,森林土壤碳约占全球土壤碳的73%[1],是陆地生态系统中最大的碳库[2-3]。对不同森林类型的土壤有机碳含量及碳密度进行研究认为,森林土壤有机碳受成土因素、森林植被类型、土壤类型、土地利用类型及人类活动等多因素的影响[2,4-8]。但是针对地形因子对单一植被类型的山地森林生态系统土壤有机碳的影响研究目前还相对较少。【前人研究进展】海拔、坡度、坡向等地形因素在区域碳循环中通过影响水热条件、植被组成及土壤性质等进而影响土壤有机碳的累积和分解速率[9]。地形因素对土壤有机碳有重要影响,林维等[10]对大兴安岭北端寒温带针叶林土壤有机碳的研究发现地形因子对土壤有机碳含量影响明显;丁咸庆等[11]研究发现,大围山亚热带地区4种典型森林类型土壤有机碳含量均与海拔高度密切相关。【本研究切入点】天山云杉(Piceaschrenkianavar.tianschanica)是新疆山地森林中分布最广、蓄积量最大的生态树种,以天山云杉为主体的山地森林生态系统对天山的水源涵养、水土保持及生态系统的维护起着重要的作用。对天山云杉林的研究报道主要集中在其活立木空间结构分析[12]、群落物种丰富度[13-14]、森林群落分布格局[15]、更新方式对土壤碳氮的影响[16]等,关于地形因素对天山云杉林土壤有机碳含量及碳密度的影响如何却鲜有报道。需研究地形因子对天山北坡天山云杉林土壤有机碳的影响。【拟解决的关键问题】以天山云杉林0～60 cm土壤为研究对象,采用野外调查采样和室内分析测定方法,研究地形因素(海拔、坡度、坡向)对天山云杉林土壤有机碳含量及密度的影响,为新疆山地森林生态系统土壤有机碳形成机理及正确评估山地森林生态系统的土壤碳储量提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

野外研究区为新疆农业大学南山实习林场(N 43°16'～44°07',E 86°46'～87°56'),位于新疆天山北麓中段乌鲁木齐西南方110 km处,头屯河上游。实习林场南北长17.5 km,东西宽15 km,总面积10 047 hm2,其中林业用地面积6 269 hm2。林场属温带大陆性气候,年均降水量约600 mm,年均温度3℃,无霜期140 d。林场地势南高北低,地形复杂,森林主要分布在北、东北、西北坡,林区内以天山云杉纯林为主,林下土壤为灰褐色森林土,林下草本植物主要有东北羊角芹(Aegopodiumalpestre)、北方拉拉藤(Galiumboreale)、紫苞鸢尾(Irisruthenica)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、黑花苔草(Carexmelanantha)、短距凤仙花(Impatiensbrachycentra)、森林草莓(Fragariavesca)、直立老鹳草(Geraniumrectum)等。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

2020年6～8月,在野外研究区内利用GPS定位技术,采用机械抽样法布设30 m×30 m样地,共100个;利用GPS记录样地的海拔、坡度、坡向等基本信息。将样地海拔、坡度、坡向按不同等级进行划分,海拔从1 900～2 300 m,每100 m为1个梯度划分为5个等级。孟宪宇[17]划分坡度的标准,每5°为1个等级,共划分为<15°、15°～20°、20°～25°、25°～30°、30°～35°、>35° 6个坡度等级。依据坡向的分级标准[18],将8个坡向范围分为以下4个等级:阴坡(北:337.5°～22.5°,东北:22.5°～67.5°)、半阴坡(东:67.5°～112.5°,西北:292.5°～337.5°)、半阳坡(东南:112.5°～157.5°,西:247.5°～292.5°)、阳坡(南:157.5°～202.5°,西南:202.5°～247.5°)。表1

表1 研究区样地属性分布

1.2.2 测定指标

在每个样地内按照S型方法布设3个土壤采样点,每个采样点采集0～20 cm、20～60 cm土壤样品,采集土样带回实验室自然风干,粉碎过筛后测定有机碳含量,采集环刀土样,105℃下烘干至恒重,测定土壤容重。

土壤样品中有机碳含量的测定采用重铬酸钾-外加热法测定[19]。

计算不同土层土壤有机碳密度(SOCD)。

SOCDi=Ci×Di×Ei×(1 -Gi)/100.

式中,SOCDi为第i层土壤有机碳密度(kg/m2),i为土壤层次,Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg),Di为第i层土壤容重(g/cm3),Ei为第i层土层厚度(cm),Gi为第i层土层中直径大于2 mm石砾所占体积百分比(%)[20],根据Nielsen和Bouma[21]的分级标准。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0、Origin 2018和Excel 2019进行数据处理分析,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)分析不同地形因子(海拔、坡度、坡向)对土壤有机碳的影响,利用LSD进行多重比较。采用Pearson相关分析法分析有机碳与地形因子之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量变化

研究表明,在0～60 cm深度的土壤剖面内,土壤有机碳含量的总体变化范围在11.18～245.47 g/kg;垂直分布各土层内土壤有机碳的平均含量在29.28～83.72 g/kg,其中表层土壤0～20 cm土层的土壤有机碳含量是20～60 cm土层的2.86倍。不同土层的土壤有机碳含量的变异系数分别是50.3%和38.32%。各层土壤有机碳含量的离散程度较高,达到中等程度的变异,且0～20 cm土层土壤有机碳含量的变异程度大于20～60 cm土层土壤。两层土壤有机碳含量均呈现出右偏态的分布特征,且右偏的程度较大。表2

表2 土壤有机碳含量的描述性统计

2.2 海拔对土壤有机碳的影响

研究表明,同一海拔梯度不同土层内,土壤有机碳含量随着土层深度的增加呈下降趋势。土壤有机碳含量最大值出现在海拔1 900 m的0～20 cm土层,其平均值为117.81 g/kg,最小值在海拔2 300 m的20～60 cm土层,其平均值为24.62 g/kg,且各海拔梯度下0～20 cm土层土壤有机碳含量占整个土层的比例均最高,为70.44%(2 300 m)～75.84%(1 900 m)。各海拔变异程度的大小为1 900 m(74.37%)>2 000 m(73.82%)>2 200 m(66.58%)>2 300 m(66.4%)>2 100 m(66.09%),在高海拔区域内整个剖面土壤有机碳含量分布较低海拔区域相对均匀。

天山北坡天山云杉林土壤0～60 cm土层土壤有机碳含量的平均值为56.5 g/kg。各海拔梯度0～60 cm土层土壤有机碳含量的平均值大小为:1 900 m(77.67 g/kg)> 2 000 m(65.47 g/kg)> 2 100 m(56.34 g/kg)> 2 200 m(48.96 g/kg)> 2 300 m(41.65 g/kg)。在0～20 cm土层,除海拔2 000 m外,其余海拔处均和海拔1 900 m上的土壤有机碳含量存在显著差异(P<0.05)。在20～60 cm土层仅海拔2 200、2 300 m处与海拔1 900 m上土壤有机碳含量存在显著差异(P<0.05)。图1

2.3 坡度对土壤有机碳的影响

研究表明,在0～20 cm土层中,土壤有机碳含量均表现为随坡度的升高呈现先降低后升高再降低再升高的分布特征。在坡度小于15°时,土壤有机碳含量表现为最高(105.08 g/kg),而当坡度达到30°～35°时,土壤有机碳含量最低,且与坡度小于15°处的土壤有机碳含量具有显著差异(P<0.05)。在20～60 cm土层内,土壤有机碳含量在不同坡度上表现出与0～20 cm土层具有相同的增减规律,但20～60 cm土层土壤有机碳的增减幅度明显小于0～20 cm土层,且不同坡度之间土壤有机碳含量无显著差异(P>0.05)。不同坡度上两层土壤有机碳含量均值的变异系数大小顺序为15°(84.15%)>25°～30°(73.69%)>(>35°)(67.34%)> 15°～20°(67.05)> 20°～25°(66.19%)>30°～35°(59.49%),除>35°坡度外,随着坡度的增加,土壤有机碳含量的变异程度在逐渐减小。图2

注:字母不同表示同一土层不同海拔梯度之间差异显著(P<0.05),下同

图2 不同坡度下不同土层土壤有机碳含量变化

2.4 坡向对土壤有机碳的影响

研究表明,0～20 cm土层,土壤有机碳含量最高值出现在337.5°～22.5°方向,土壤有机碳含量均高于其他坡向土壤有机碳含量。坡向往东往西方向延伸,土壤有机碳含量出现不同程度的递减趋势。当坡向角达到112.5°～157.5°和202.5°～247.5°时,土壤有机碳含量停止下降,并在坡向202.5°～247.5°处达到有机碳含量最低值为44.24 g/kg。从247.5°～292.5°顺时针方向到67.5°～112.5°,为土壤有机碳高含量区域,稳定在60～100 g/kg,112.5°～247.5°为有机碳低含量区域,其均值为49.84 g/kg。20～60 cm土层中,土壤有机碳含量最低值在202.5°～247.5°方向,其值为21.37 g/kg,从最低值方向往左往右延伸,土壤有机碳逐渐增加至67.5°～112.5°方向时达到最高值为32.36 g/kg。图3

图3 不同坡向不同土层土壤有机碳含量变化

不同坡向上土壤有机碳含量从高到低依次为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡,其中0～20 cm土层阴坡上土壤有机碳含量显著高于阳坡(P>0.05),20～60 cm土层土壤有机碳含量在各坡向之间差异并不显著。随着土壤深度的增加,坡向对土壤有机碳含量的影响呈逐渐下降的趋势。土壤有机碳含量在各坡向的变异程度表现为阴坡(73.65%)>半阳坡(69.41%)>半阴坡(64.02%)>阳坡(48.9%),在阳坡上土壤有机碳含量较阴坡分布相对均匀。表3

表3 不同坡向土壤有机碳含量变化

2.5 地形因子对土壤有机碳密度的影响

研究表明,在同一土层不同海拔梯度内,土壤有机碳密度随海拔高度的升高而降低,这和土壤有机碳含量变化趋势一致。在海拔1 900 m处,0～20 cm土层的土壤有机碳密度显著高于海拔2 100 m、海拔2 200 m和海拔2 300 m处的土壤有机碳密度(P<0.05),20～60 cm土层土壤有机碳密度则表现为海拔1 900 m处显著高于其他海拔梯度(P<0.05)。

土壤有机碳密度随坡度的变化表现为在0～20 cm土层内,土壤有机碳密度随坡度的升高呈现出波动式的变化规律,土壤有机碳密度在坡度为20°～25°时达到最大值为12.71 kg/m2,坡度为30°～35°时土壤有机碳密度仅为7.63 kg/m2。

0～60 cm土层范围内,不同坡向上土壤有机碳密度均表现为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡,其中阴坡上土壤有机碳密度显著高于阳坡(P<0.05)。土壤有机碳密度最大值(12.09 kg/m2)出现在0～20 cm土层的阴坡,是阳坡土壤有机碳密度的1.56倍。同一坡向上0～20cm土层的土壤有机碳密度均大于20～60 cm土层,不同坡向上土壤有机碳主要储存在0～20 cm土层。表4

表4 不同地形条件下土壤有机碳密度

3 讨论

海拔梯度是对区域尺度水热条件的再分配,通过小尺度上的环境差异影响森林土壤理化性质、植被分布以及凋落物量等进而影响到森林土壤有机碳库的大小和组成[22-23]。研究结果表明,在同一海拔范围内,土壤有机碳含量和有机碳密度均表现为随土层的加深呈逐渐下降的趋势。主要是因为天山云杉是典型的浅根系植被,地表的枯枝落叶及浅层的根系分泌物所形成的腐殖质层,分解转化形成有机碳进入土壤表层,使表层土壤有机碳含量明显增高;而随着土层深度的增加,根系分布逐渐减少,土壤温湿度、土壤养分及微生物活性逐渐下降减缓了土壤有机碳的垂直迁移,使得土壤剖面中有机碳含量及有机碳密度从表层到下层逐渐减少[22,24-25]。土壤有机碳随海拔变化而变化的趋势在不同区域呈现不同的规律[22,26-27]。在研究区内土壤有机碳含量随着海拔高度的增加呈下降趋势,主要是因为海拔1 900 m处天山云杉林生长状况最旺盛,植被凋落物所形成的的腐殖质层较厚,有机碳的输入高,随海拔升高,天山云杉林长势衰弱,凋落物储备量减少,不利于土壤有机碳的积累。土壤有机碳含量随海拔的升高呈下降的趋势。而在低海拔区域由于长期受到放牧等人为因素的干扰,使土壤有机碳的表聚性较为明显[22,28]。

坡度是影响土壤侵蚀的重要因素之一,不同坡度下由于土壤侵蚀程度不同使得土壤有机碳存在较大差异。土壤有机碳密度与坡度呈负相关关系[29-30],在研究0～60 cm土层中,土壤有机碳含量及密度表现为随坡度的增加整体呈现下降趋势,与李龙等[31]研究小流域尺度上坡度对土壤有机碳含量影响的研究结果较为一致,随着坡度的增加,土壤侵蚀作用加剧,受重力和地表径流作用的影响,土壤有机质、养分水分等均会发生迁移,造成水土流失,土壤质量下降[32-33]。研究与李龙等[31]研究不同之处在于,当坡度>35°时土壤有机碳含量有所回升,可能和区域内人为放牧干扰有关,也可能和各研究者采样点数量不同影响了准确性,结果还有待进一步验证。

坡向作为重要的地形因子,通过影响光照强度与光照时间使其土壤水热条件产生较大差异,进而间接影响土壤有机碳的累积[34]。研究发现,0～20 cm土层阴坡土壤有机碳含量及有机碳密度显著高于阳坡(P<0.05),与前人研究结果一致[35-37]。阴坡土壤有机碳含量及密度显著高于阳坡,主要因为阴坡土壤受光照强度弱同时光照时间较短使得土壤水分蒸发量小;也因为研究区内优势树种天山云杉属于喜阴树种,阴坡的低温高湿环境更有利于天山云杉植被生长,使得系统生物量较高,返还土壤的凋落物量更大从而有利于碳的积累,而阳坡则刚好相反[38]。20～60 cm土层有机碳含量在各坡向之间差异不显著(P>0.05)。由于20～60 cm土层土壤对光照强度和光照时间的敏感度要远低于0～20 cm土壤,因而坡向对土壤有机碳的再分配作用在20～60 cm土层土壤中难以发挥作用,导致土壤中各坡向上土壤有机碳含量未表现出显著的差异性[37-38]。