宋彥彥，張 言，趙忠林，管清成*，李英愛，徐麗娜

(1.吉林松江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，吉林 長春 130022；2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計研究院，吉林 長春 130022)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，土壤圈是地球表面最大的碳庫，總碳儲量(TC)約為2 300 Pg(1 m土體)[1]。植物的生長發(fā)育主要營養(yǎng)源是土壤中的有機碳和氮素，因此，這2項指標(biāo)不僅是土壤質(zhì)量評價重要參考指標(biāo)之一，而且是土地可持續(xù)利用管理的主要理論依據(jù)[2]。碳氮比值影響著土壤中有機碳和氮的循環(huán)，常被看作土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)[3-4]。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫，W.H.Schlesinge[5]指出以有機碳儲存于土壤中約有1 400～1 500 Gt，是全球陸地植被碳庫的2～3倍，R.K.Dixon[6]通過總結(jié)大量文獻(xiàn)得到森林土壤碳庫約占全球陸地土壤有機碳庫的73%。不同生境條件下林分類型不同其樹種的異質(zhì)性明顯，從而影響著生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳和全氮含量及碳匯等功能[7-8]。目前，關(guān)于土壤有機碳及碳匯方面研究比較多[9-14]，這些文獻(xiàn)結(jié)果表明土壤有機碳無論是在全國尺度還是省域尺度上均存在較高的空間異質(zhì)性，這對于我國土壤碳庫的精確估算帶來較大的不確定性，因此，對于不同地區(qū)的土壤有機碳和全氮及碳氮密度的分布特征研究具有較大的意義。

東北林區(qū)是中國的主要林區(qū)，森林面積占全國森林總面積的31.4%，在我國碳匯計量和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中起著舉足輕重的作用[15]。本研究以長白山西部闊葉混交天然林、針闊混交天然林、落葉松人工林3種森林類型為研究對象，采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，分析了長白山林區(qū)3種典型林分類型土壤有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳氮比、碳密度和氮密度的分布特征，旨在為該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能的評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究點設(shè)在吉林省白石山林業(yè)局，位于蛟河市境內(nèi)張廣才嶺南端，地理位置為127°20′-128°01′E，43°17′-43°51′N。屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔500～700 m,年平均氣溫3.3℃，最熱月(7月)平均氣溫2℃，最冷月(1月)平均氣溫-19℃。年平均降水量720 mm，6-8月降水占全年降水的60%以上，全年無霜期120～135 d。本區(qū)土壤以森林暗棕壤為主，平均土層厚度20～100 cm，植物屬長白植物區(qū)系，以北溫帶植物成分為主，植物種類多樣，分布復(fù)雜。地帶性植被為紅松闊葉混交林，植被類型主要有森林、灌叢和草甸。森林群落內(nèi)垂直成層現(xiàn)象明顯，喬木樹種主要包括紅松(Pinuskoraiensis)、色木槭(Acermono)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、云杉(Piceaasperata)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、落葉松(Larixgmelinii)、紫椴(Tiliaamurensis)、大青楊(Populusussuriensis)、裂葉榆(Ulmuslaciniata)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)等。灌木主要包括暴馬丁香(Syringareticulata)、東北鼠李(Rhamnusdavurica)、簇毛槭(A.barbinerve)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymuspauciflorus)、毛榛子(Corylusmandshurica)、金銀忍冬(Loniceramaackii)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選取白石山林業(yè)局具有代表性的天然闊葉混交林、天然針闊混交林及人工落葉松林3種典型的林地土壤，根據(jù)白石山森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查，天然闊葉混交林占全區(qū)林分的40%，在天然闊葉混交林設(shè)置具有代表性的5塊20 m×20 m樣地，其他2個林型設(shè)置3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共獲樣地11塊(表1)。

2.2 樣品采集和處理

在標(biāo)準(zhǔn)樣地邊界隨機挖取3個土壤剖面，除去地表凋落物后進(jìn)行采樣，以10 cm為一層采樣。剖面取土(層次：0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm)，闊葉混交天然林取樣到70 cm，采集樣品數(shù)101，針闊混交天然林取樣到60 cm，采集樣品數(shù)52，落葉松人工林取樣到50 cm，采集樣品數(shù)51，本次試驗采集樣品數(shù)共204。用土壤環(huán)刀(100 cm3)在各層取原狀土樣測定土壤容重，同時取500 g左右土樣裝入樣品袋，記錄編號，用于土壤有機碳和全氮的測定。將采集的樣品帶回實驗室，仔細(xì)去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，于陰涼處自然風(fēng)干后用四分法過0.25 mm篩，編號待測。凱氏定氮法測定全氮，重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳[16]。

表1 樣地的立地狀況Table 1 Site conditions of the sample plots

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機碳(氮)密度的計算公式為[17-18]:

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100

(1)

式中：Ci為土壤有機碳(全氮)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)，Di為容重(g·cm-3)，Ei為土壤層厚度(10 cm)，Gi為直徑>2 mm的石礫所占的體積百分比(%)，SOCi為土壤有機碳(氮)密度(kg·m-2)。

如果土壤剖面有k層組成，該剖面的土壤有機碳(氮)密度為k層之和(SOCD，kg·m-2)：

(2)

采用單因素方差分析研究比較3種林型土壤有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直分布特征的差異，差異顯著的指標(biāo)進(jìn)行多重比較(應(yīng)用SPSS18.0和Excel2007)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型土壤有機碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮比及碳密度、氮密度

從表2看出，3種林型土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳密度差異顯著，闊葉混交天然林顯著>落葉松人工林(P<0.05)，而針闊混交天然林與其他2種林型差異不顯著(P>0.05)。3種林分類型大小變化規(guī)律一致為闊葉混交天然林>針闊混交天然林>落葉松人工林，碳密度變化范圍在16.28～27.64 kg·m-2。3種林分類型土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮密度差異不顯著(P>0.05)，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍在4.80～5.62 g·kg-1，氮密度變化范圍在4.44～5.79 kg·m-2。闊葉混交天然林C/N值為4.77，針闊混交天然林C/N值為4.07，落葉松人工林C/N值為3.14。

3.2 不同林型各土層土壤容重、有機碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮比及垂直分布特征

從表3可以看出，不同林型土壤容重在垂直分布特征一致，隨著層次加深，土壤容重總體呈遞增趨勢，但50 cm以后土壤容重逐漸趨于平穩(wěn)，差異不顯著。其中闊葉混交天然林表層土壤容重(僅為0.96 g·kg-1)較低，可能與其有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(100.09 g·kg-1)有關(guān)。對不同林型同一土層的土壤容重進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，20～30 cm和30～40 cm土層均值之間存在顯著差異(P<0.05)，其他土層差異不顯著。

表2 不同林型土壤有機碳、全氮、C/N及碳密度和氮密度Table 2 Soil organic carbon,total nitrogen,C/N,carbon density and nitrogen density in different forest types

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

不同林型土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)剖面分布規(guī)律一致，隨土壤深度增加而降低，與土壤容重垂直變化相反。各個林型0～10 cm土層的有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他各層，變化范圍為59.78～100.09 g·kg-1，占土壤剖面的31%～58%，土壤有機碳向表層富集，表聚現(xiàn)象明顯，這與王棣[19]等、耿增超[20]等的研究結(jié)果一致。對不同林分類型同一土層有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，在0～10、10～20、20～30、50～60 cm土層中，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值之間存在顯著差異，表現(xiàn)為闊葉混交天然林最大，針闊混交天然林其次，落葉松人工林最小。全氮垂直分布與土壤有機碳相似，各個林型表土層(0～10 cm)最大，變化范圍為8.14～12.49 g·kg-1，占土壤剖面的28%～39%，由此可知土壤全氮的表聚現(xiàn)象相對土壤有機碳較差。對不同林分類型同一土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，10～20 cm土層差異顯著，闊葉混交天然林最大，均值10.59±1.12 g·kg-1，針闊混交天然林最小，均值5.70±0.60 g·kg-1。

3種林型碳氮比值在各個土層均無顯著差異，整體上看，隨著土壤剖面深度的增加有不斷減小的變化規(guī)律，到50 cm又出現(xiàn)升高，各個林型的變化規(guī)律都不相同。相同的是0～10 cm土層C/N值最大，變化范圍為7.50～8.48。

3.3 土壤有機碳密度和氮密度的垂直分布特征

根據(jù)公式(1)可以算出每層土壤有機碳(氮)密度，從圖1可以看出3種林分類型的碳密度變化趨勢相同，都隨著土層深度的增加而降低，其中，0～10 cm土層的碳密度最大，變化范圍8.39～9.87 kg·m-2。3種林型之間的土壤有機碳密度在10～20 cm和50～60 cm土層存在著顯著差異(P<0.05)，其中10～20 cm土層闊葉混交天然林顯著>其他2種林分類型，為7.12 kg·m-2；50～60 cm土層落葉松人工林顯著<其他2種林分類型，為0.54 kg·m-2。3種林型之間的土壤總氮密度差異均不顯著，闊葉混交天然林底層70～80 cm氮密度最小，為0.16 kg·m-2，針闊混交天然林表層0～10 cm土層氮密度最大，為1.32 kg·m-2。土壤氮密度的垂直規(guī)律跟碳密度的類似，但比碳密度的變化規(guī)律較差。

表3 不同林型各土層土壤容重、有機碳和全氮及C/N垂直分布特征Table 3 Vertical distribution characteristics of soil bulk density,organic carbon and total nitrogen,C/N in different forest types

注：同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)

圖1 不同林型土壤有機碳密度和氮密度的垂直分布特征Fig.1 Vertical variation characteristics of soil carbon and nitrogen density in different forest types

4 結(jié)論與討論

森林土壤受地形、氣候等成土因素和人為干擾活動的影響，具有較強的空間變異性，它的形成和演化過程是一個十分復(fù)雜的自然綜合體[21]。從土壤剖面垂直分布來看，3種林分林型土壤有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征一致，表現(xiàn)為隨土層深度增加而減小，而與土壤容重總體呈遞增趨勢。3種林分類型土壤有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在剖面中具有明顯的層次性，其各個林型的0～10 cm土層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著>其他各層，說明了土壤有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直遷移主要是在成土作用下具有向表層富集效應(yīng)。可見，表層土的有機碳和全氮更容易受林分類型、氣候環(huán)境、凋落物現(xiàn)存量及分解程度等因素的干擾[22]。土壤有機碳含量尚不能真實反映土壤碳庫水平，國際上常采用碳密度為指標(biāo)對森林碳庫貯量進(jìn)行比較[23-24]。目前大部分文獻(xiàn)[25-27,11,19]表明土壤碳密度隨著土壤深度的增加逐漸減小，且表土層有機碳密度最大，這與本研究土壤有機碳(氮)密度的變化趨勢一致。 這可能由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對土壤有機碳的貢獻(xiàn)主要作用于地表，且隨土壤深度的增加而減弱所致，因而表層土壤的碳密度最大。3種林型0～20 cm土壤有機碳密度在11.83～16.64 kg·m-2，大大高于我國森林土壤 0～20 cm土壤平均碳密度 4.24 kg·m-2[28]，主要因為長白山林區(qū)森林植被樹種組成豐富多樣，地下根系發(fā)達(dá)茂密及凋落物現(xiàn)存量充足且分解轉(zhuǎn)化程度快速等因素所致。

從全土分布來看，闊葉混交天然林各項指標(biāo)值最大，說明闊葉混交林土壤養(yǎng)分豐富能提高森林土壤的碳匯功能。落葉松人工林有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯<其他2個林分林型，可能是由于落葉松林樹種的生長特性有關(guān)，凋落物對有機碳的補給<其余林分，同時強烈的人為干擾嚴(yán)重破壞了土壤碳儲存和循環(huán)，導(dǎo)致其有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。土壤碳氮比(C/N)是衡量土壤營養(yǎng)平衡狀況的一個重要指標(biāo)，影響有機質(zhì)礦化分解的速度[19]，了解C/N的空間異質(zhì)性，有助于全面闡述森林土壤質(zhì)量變化的特點[29]，3種林分類型C/N值在3.14～4.77，與長白山林區(qū)其他文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比，C/N值較小，表明該地區(qū)土壤腐殖化程度較高，氮素的礦化能力較強。以往森林經(jīng)營主要關(guān)注地上生產(chǎn)力和蓄積量，而在森林碳匯經(jīng)營中土壤發(fā)揮著重要作用。本研究結(jié)果表明長白山林區(qū)3種典型森林中闊葉混交天然林土壤C、N儲量最大，可為該地區(qū)碳匯經(jīng)營提供部分理論依據(jù)。

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