劉 楠，韓進(jìn)斌，趙建儒，劉 敏

五臺(tái)山高山林線典型植被土壤有機(jī)碳特征①

劉 楠1，韓進(jìn)斌2，趙建儒2，劉 敏3

(1 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2 山西省林業(yè)和草原局，山西省五臺(tái)山樹木園，山西忻州 035500；3 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都 610021)

在全球變暖背景下，土壤有機(jī)碳(SOC)已經(jīng)成為全球碳循環(huán)和全球變化生態(tài)學(xué)研究熱點(diǎn)，特別是高山林線生態(tài)交錯(cuò)帶這一氣候變化敏感區(qū)。對(duì)五臺(tái)山高山林線附近亞高山草甸(CD)、華北落葉松林(HL)和云杉×華北落葉松混交林(YH)SOC含量與土壤有機(jī)碳密度(SOCD)進(jìn)行探討，結(jié)果表明：3種植被SOC含量隨土壤深度增加而減少，SOCD則與之相反，且其SOC和SOCD分布均具有“表聚效應(yīng)”。五臺(tái)山亞高山森林(HL、YH)土壤SOC總含量和總SOCD都高于亞高山草甸(CD)，與中國(guó)亞高山土壤一致，但與亞洲以外的世界各大洲不同；且五臺(tái)山亞高山土壤總SOC含量和SOCD與中國(guó)亞高山土壤均值近似，大于其他各大洲均值。顯著影響五臺(tái)山SOC的因素(<0.05)與世界尺度亞高山土壤不同，且土壤厚度和氣候因子(<0.05)對(duì)世界尺度亞高山森林SOC的影響比亞高山草甸/草原土壤(>0.05)顯著。因此，五臺(tái)山亞高山森林土壤固碳能力比亞高山草甸強(qiáng)，其亞高山土壤的SOC總含量和總SOCD在全國(guó)范圍內(nèi)處于平均水平，而中國(guó)亞高山土壤碳庫(kù)在世界范圍內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位，但仍需進(jìn)一步探討來(lái)減少多尺度研究的不確定性。

土壤有機(jī)碳；高山林線；亞高山；森林；草甸；氣候變化

土壤是陸地上最大的有機(jī)碳庫(kù)，其儲(chǔ)量大于植物和大氣中碳的總和，0 ~ 1 m土層有機(jī)碳庫(kù)高達(dá)1.55× 1018g[1-5]。土壤有機(jī)碳(SOC)主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w和根系輸入[1,3-8]，并通過(guò)根系和微生物呼吸以CO2形式離開土壤進(jìn)入大氣，全球每年土壤呼吸釋放的碳約為因焚燒燃料釋放到大氣的碳的12倍[9-12]。CO2是最主要的溫室氣體之一，人們普遍認(rèn)為SOC與大氣CO2濃度密切相關(guān)，即使是SOC的細(xì)微變化也能引起大氣CO2濃度的大幅改變[13-15]。因此，探明土壤碳儲(chǔ)量對(duì)于評(píng)估大氣CO2濃度變化以及預(yù)測(cè)氣候變化進(jìn)程具有重要意義。高山林線是重要的生態(tài)交錯(cuò)帶和分界線，對(duì)氣候變化具有高度敏感性[17]，且具有明顯的“邊緣效應(yīng)”，因而成為全球變化生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[18]。林線SOC與林線動(dòng)態(tài)有著非常密切的關(guān)系[19]，在氣候變化背景下，可能使林線海拔和土壤有機(jī)質(zhì)分解速率被改變[20]，最終影響SOC儲(chǔ)量和土壤溫室氣體排放。此外，枯落物是SOC的最主要來(lái)源[21-22]，且高山林線區(qū)域一個(gè)顯著特點(diǎn)是冬季氣候嚴(yán)酷寒冷，廣泛存在積雪覆蓋、土壤凍融，是枯落物分解和SOC動(dòng)態(tài)變化的重要影響因素[23-25]。氣候變化引起的冬季升溫和積雪時(shí)空分布格局變化，可能使枯落物和SOC分解劇烈變化，導(dǎo)致高山林線土壤能在春季排放更多CO2等溫室氣體，進(jìn)一步促進(jìn)氣候變化進(jìn)程[26]。然而，對(duì)于高山林線枯落物和SOC儲(chǔ)量及其時(shí)空分布格局仍需要進(jìn)一步研究。

近幾十年來(lái)，隨著山西五臺(tái)山氣溫升高，降水量下降，其林線過(guò)渡帶的某些植物物種有向更高海拔爬升的趨勢(shì)[27]，這一變化對(duì)高山林線土壤碳收支可能會(huì)產(chǎn)生深刻影響，進(jìn)而改變其SOC儲(chǔ)量，并可能進(jìn)一步作用于區(qū)域氣候進(jìn)程。小尺度土壤固碳特征的研究，減少了大尺度研究中的誤差，可提高土壤碳庫(kù)研究的精準(zhǔn)度，為后續(xù)固碳速率、潛力和機(jī)制的分析提供基礎(chǔ)[1,9,21,28]。另外，不同尺度研究對(duì)了解土壤的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和功能具有重要的理論意義[29]，并有助于解釋小尺度上局部林線隨地形或立地條件變化而波動(dòng)的原因[17]。因此，本研究選擇五臺(tái)山高山林線附近典型植被：亞高山草甸、華北落葉松林和云杉×華北落葉松混交林，探討其SOC含量和SOCD(土壤有機(jī)碳密度)特征，以為該區(qū)氣候變化背景下的碳循環(huán)和高山林線動(dòng)態(tài)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五臺(tái)山位于山西省東北部(38°27′ ~ 39°15′ N，112°48′ ~ 113°55′ E)，山體橫跨五臺(tái)、代縣和繁峙，屬太行山系支脈。五臺(tái)山是亞洲典型的冰緣地貌發(fā)育區(qū)之一，也是我國(guó)東部垂直冰緣帶發(fā)育最好的山地之一。年均氣溫–4.2℃，年均降水量880.6 mm，最高峰北臺(tái)頂海拔3 061.1 m，是太行山氣溫最低、降水量最高、濕度和風(fēng)力最大的地區(qū)。本研究在東臺(tái)至北臺(tái)一線的高山林線附近開展，典型植被包括：亞高山草甸、華北落葉松林和云杉×華北落葉松混交林。華北落葉松林以華北落葉松()為建群種，林下有少量灌木：照山白()及金露梅()，草本層優(yōu)勢(shì)種為早熟禾()、珠芽蓼()、細(xì)果角茴香()。云杉×華北落葉松混交林以華北落葉松()和云杉()為建群種，草本層優(yōu)勢(shì)種為珠芽蓼()、東方草莓()。亞高山草甸以嵩草()為建群種。華北落葉松林和云杉×華北落葉松混交林土壤為棕壤，亞高山草甸土壤為亞高山草甸土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置和樣品采集 樣品采集于2015年9月進(jìn)行。在華北落葉松林(HL)、云杉×華北落葉松混交林(YH)和亞高山草甸(CD)群落內(nèi)，分別在坡上、坡中、坡下設(shè)置一個(gè)20 m × 20 m樣地，每個(gè)樣地均勻布置5個(gè)土壤剖面。挖掘前，在HL和YH樣地于每個(gè)土壤剖面位置，分別采集1塊30 cm × 30 cm的枯落物，用于枯落物化學(xué)性質(zhì)檢測(cè)。CD樣地沒(méi)有采集到枯落物。土壤剖面挖好后，按0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 50 cm分層采集土壤，每層1 kg，用于土壤化學(xué)性質(zhì)、機(jī)械組成檢測(cè)。同時(shí)，使用100 cm3環(huán)刀(直徑5 cm)分層采集原狀土壤用于容重檢測(cè)，每層3個(gè)；使用鋁盒分層采集土壤用于含水量檢測(cè)，每層3個(gè)。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究樣地基本情況

注：土壤pH、含水量、黏粒、粉粒和砂粒含量為土壤剖面均值。

1.2.2 樣品檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理 土壤有機(jī)碳(SOC)和枯落物總碳(TC)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法檢測(cè)，土壤全氮(TN) 采用凱氏定氮法檢測(cè)，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)定，土壤含水量采用烘干法測(cè)定，土壤pH采用電極法測(cè)定。土壤有機(jī)碳密度(SOCD)的計(jì)算參照GB/T 33027—2016《森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法》[30]?？萋湮锾济芏扔?jì)算參照岑宇等[31]的方法。數(shù)據(jù)計(jì)算和做圖采用Microsoft Office Excel 2007。

2 結(jié)果與分析

由圖1可知，3種植被SOC含量均隨著土壤深度的增加而極顯著或顯著減小(CD和YH樣地減小幅度達(dá)<0.01顯著水平，HL樣地減小幅度達(dá)<0.05顯著水平)，且3種植被SOC主要集中在0 ~ 20 cm土層，分別占剖面總和的73.91%(CD)、76.55%(HL)、75.39%(YH)。CD樣地土壤剖面SOC含量總和為157.71 g/kg，小于HL樣地(210.51 g/kg)，YH樣地最大(214.75 g/kg)，本研究區(qū)亞高山森林(HL、YH)土壤SOC總含量大于亞高山草甸(CD)，且3種植被SOC含量有隨海拔增加而降低的趨勢(shì)，然而，這仍需要進(jìn)一步設(shè)置更多海拔梯度來(lái)探討。3種植被土壤僅10 ~ 20 cm土層SOC含量差異顯著(<0.05)。

由圖2可知，3種植被土壤SOCD隨著土壤深度增加而遞增，但僅有HL樣地不同土層的SOCD具有顯著差異(<0.05)。3種植被SOCD剖面總和分別為20.35(CD)、28.33(HL)、28.66 kg/m2(YH)，亞高山森林(HL、YH)土壤SOCD總量大于亞高山草甸(CD)，且和SOC含量一樣有隨海拔升高而減少的趨勢(shì)，3種植被0 ~ 20 cm土層SOCD分別占整個(gè)剖面的50.42%(CD)、48.71%(HL)、54.95%(YH)。

(不同大寫字母代表同一土層SOC含量在不同植被間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母代表同一植被不同土層SOC含量差異顯著(P<0.05))

(不同大寫字母代表同一土層SOCD在不同植被間差異顯著(P< 0.05)，不同小寫字母代表同一植被不同土層SOCD差異顯著(P<0.05))

3 討論

3種植被SOC含量均具有明顯的“表聚效應(yīng)”，這與許多研究的結(jié)果一致[3,32-36]。有研究表明植物根系主要分布在0 ~ 50 cm土層，且大約一半以上的植物地下生物量集中在土壤表層[1,21,37,[38]，而枯落物和腐殖質(zhì)層對(duì)SOC積累的影響也會(huì)隨著土壤深度的增加而降低，因而表層土壤的碳儲(chǔ)存能力較強(qiáng)，SOC含量顯著高于下層土壤[39]；再則不同植被地下根系分布、根系碳、氮含量及其承接的枯落物和根系分泌物的差異[2,40]，最終使CD樣地土壤10 ~ 20 cm層次SOC含量顯著小于HL和YH樣地。然而，3種植被0 ~ 10 cm土層SOC含量卻并無(wú)顯著差異(圖1)，這與一些研究結(jié)果一致[41-42]，可能是高山林線土壤生物對(duì)SOC的消耗減小了不同植被SOC的差異性。不過(guò)很多研究得出相反結(jié)果：不同亞高山植被類型下表層土壤SOC具有顯著差異，可能是植被與土壤養(yǎng)分交互作用的結(jié)果，也可能是有機(jī)質(zhì)礦化、淋溶、遷移和土壤侵蝕的差異造成的[3,9,29,32]。

與本研究不同，很多研究表明，SOC含量隨海拔變化存在先增加后減少或者先減少后增加的波動(dòng)變化趨勢(shì)，這可能是因?yàn)楹０翁荻茸兓鸬臏囟?、濕度、植被類型、土壤性質(zhì)等要素的顯著改變和交互作用的結(jié)果[10,13,37,41,43-45]。但本研究SOC含量?jī)H與粉粒含量、枯落物碳密度和C/N顯著正相關(guān)(<0.05)。因?yàn)橥寥婪哿？赏ㄟ^(guò)增加土壤保水能力促進(jìn)植物生長(zhǎng)來(lái)提高對(duì)SOC的輸入，還可通過(guò)抑制有機(jī)質(zhì)分解和減少有機(jī)質(zhì)的遷移使有機(jī)碳在土壤中積累[4,13,22]，而YH樣地土壤粉粒平均含量和SOC含量均為是最高(表1、圖1)?？萋湮锿鶎?duì)SOC含量具有決定作用[21]，YH樣地枯落物碳密度大于HL樣地(表1)，且YH樣地在冬季的平均積雪深度最大，其次是HL和CD樣地(表1)，較深的積雪可能會(huì)促進(jìn)枯落物分解、回歸[25,46]，使YH樣地的SOC含量較高。土壤C/N低則有利于有機(jī)質(zhì)礦化分解[38,47-48]，由表1可知，CD樣地土壤C/N均值最低，可能具有更高的SOC分解速率，使其SOC含量低于HL和YH樣地。坡度可能也會(huì)改變SOC含量，隨著坡度增加，土壤厚度減少，植物不易著生，水土流失的可能性提升[21,39,44]，使SOC不易積累，不過(guò)本研究結(jié)果卻與此結(jié)論相反，可能與YH樣地具有較好的植被覆蓋和較高的枯落物碳?xì)w還有關(guān)(表1、圖1)。然而，有研究指出，土壤pH、含水量可通過(guò)調(diào)控植被類型、枯落物分解、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和累積[3,8,18,43,45,49]，本研究SOC含量與土壤pH和含水量無(wú)相關(guān)性，可能是因?yàn)橥寥纏H和含水量不是僅依靠自身變化產(chǎn)生影響，而是通過(guò)不同環(huán)境因素綜合作用達(dá)到對(duì)SOC含量的影響[8,43]，且在區(qū)域或國(guó)家尺度上，氣候、植被和土壤屬性共同控制著SOC儲(chǔ)量的分布格局，而對(duì)于小尺度研究，植被的作用比氣候更重要[21]。另外CD樣地土壤較低的SOC含量可能阻礙林線樹種向上侵展，在氣候變暖背景下控制著高山林線侵展動(dòng)態(tài)，這也是高山林線形成和動(dòng)態(tài)變化的重要影響因素[32]。但也有研究表明，有些入侵植物可以增加土壤固氮能力，同時(shí)增加土壤真菌生物量，影響土壤養(yǎng)分[43]。高山林線上侵是否改變五臺(tái)山林線土壤有機(jī)碳庫(kù)的“源”、“匯”平衡，仍需進(jìn)一步研究。

劉曉琴等[12]、阿米娜木·艾力等[33]指出，不同土壤層次之間SOCD無(wú)顯著性差異，與本研究CD、YH樣地土壤一致，這可能和枯落物的分解速率、土壤理化性質(zhì)、微生物活性及其在不同深度的分布等有關(guān)。但與本研究不同的是，馬素輝等[4]、常宗強(qiáng)等[9]的研究結(jié)果表明，SOCD隨土壤深度的增加而遞減，這可能是采樣時(shí)設(shè)置的不同土壤層次厚度決定的。根據(jù)本研究3種植被20 ~ 50 cm土層的SOCD計(jì)算其每10 cm土層的SOCD，CD樣地為3.36 kg/m2，HL樣地為4.84 kg/m2，YH樣地為4.30 kg/m2，均小于其0 ~ 20 cm土層的每10 cm土層SOCD(CD樣地為5.13 kg/m2，HL樣地為6.90 kg/m2，YH樣地為7.88 kg/m2)。且3種植被0 ~ 20 cm土層SOCD分別占整個(gè)剖面的50.42%(CD)、48.71%(HL)、54.95%(YH)，與上述SOC的“表聚效應(yīng)”一致，阿米娜木·艾力等[33]和洪雪姣[39]也得出同樣結(jié)論。3種植被SOCD剖面總和與SOC含量一樣有隨海拔升高而減少的趨勢(shì)，說(shuō)明亞高山森林土壤比亞高山草甸土壤具有更好的固碳能力；3種植被土壤總SOCD全部高于全國(guó)SOCD(8.01 ~ 19.05 kg/m2)[50]，且常宗強(qiáng)等[9]、劉曉琴等[12]、阿米娜木·艾力等[33]、王德旺[38]、洪雪姣[39]對(duì)亞高山不同植被下土壤SOCD的研究結(jié)果也高于全國(guó)SOCD，表明亞高山土壤是中國(guó)土壤的一個(gè)重要碳庫(kù)。此外有研究指出，在全球尺度上，年平均溫度每升高1℃，SOCD減少3.3%[22]，而寒冷區(qū)域土壤呼吸對(duì)溫度變化的敏感性高于溫暖區(qū)域，全球變暖背景下，高寒區(qū)土壤更容易損失有機(jī)碳[51]。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)高海拔、高緯度等高寒地區(qū)的SOC研究，特別是高山林線這一氣候變化敏感區(qū)，可為區(qū)域氣候變化應(yīng)對(duì)和土壤生態(tài)保護(hù)措施的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2列出了中國(guó)各地區(qū)和世界各大洲高山林線附近亞高山草甸和亞高山森林SOC情況。中國(guó)是全球高山林線分布最廣泛的區(qū)域之一，占據(jù)亞洲絕大多數(shù)高山林線分布區(qū)，因此中國(guó)高山林線SOC足以代表亞洲，表2沒(méi)有單獨(dú)列出亞洲。由表2可知，世界不同地區(qū)亞高山草甸/草原土壤剖面SOC總含量在47.50 ~ 331.00 g/kg，五臺(tái)山亞高山草甸土壤剖面SOC總含量為157.71 g/kg，僅小于中國(guó)罕山(331.00 g/kg)、中國(guó)青藏高原東北緣祁連山(208.07 g/kg)和南美洲(179.90 g/kg)，且與中國(guó)亞高山草甸/草原SOC總含量均值(162.65 g/kg)相差無(wú)幾，大于歐洲、北美洲、南美洲和大洋洲均值(121.98 g/kg)。世界不同地區(qū)亞高山草甸/草原土壤剖面總SOCD在5.4 ~ 48.22 kg/m2，五臺(tái)山亞高山草甸土壤剖面總SOCD為20.35 kg/m2，是中國(guó)亞高山草甸/草原均值的78.72%(25.85 kg/m2)，是北美洲、歐洲和南美洲均值的1.37倍(14.89 kg/m2)。說(shuō)明中國(guó)亞高山草甸/草原土壤碳庫(kù)在全球占有重要地位，而五臺(tái)山亞高山草甸土壤碳庫(kù)則接近于全國(guó)平均水平，但是大于世界大多數(shù)地區(qū)。世界亞高山草甸/草原SOC“表聚效應(yīng)”明顯，0 ~ 20 cm土層SOC含量和SOCD占整個(gè)剖面的比例均值分別是50.32% 和40.90%。從全球來(lái)看，亞高山草甸/草原SOC總含量與土壤含水量、C/N顯著正相關(guān)(<0.05)，與粉粒含量極顯著正相關(guān)(<0.01)，與黏粒和砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)；總SOCD與土壤含水量、植被蓋度和C/N顯著正相關(guān)(<0.05)，與粉粒含量極顯著正相關(guān)(<0.01)，與砂粒含量極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)(通過(guò)表2參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，篇幅原因不在本文列出)?？梢?jiàn)，土壤含水量、C/N、植被覆蓋和土壤質(zhì)地對(duì)SOC具有顯著影響。但本研究區(qū)五臺(tái)山僅SOC總含量與粉粒含量、C/N和枯落物碳密度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05)，且該區(qū)哪些因素對(duì)亞高山草甸SOC有顯著影響，還要進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍和增加樣點(diǎn)才能確定。由表2計(jì)算得出的相關(guān)性與本研究的差異可能是研究區(qū)尺度不一造成的。然而，目前仍然缺少對(duì)亞高山草甸/草原土壤剖面總SOC含量和SOCD的研究，很多研究只關(guān)注0 ~ 20 cm土壤，將之作為研究土壤微生物、植物生物量、枯落物分解時(shí)的一個(gè)參考條件，也忽視了枯落物對(duì)土壤碳庫(kù)的重要意義，如在非洲、中國(guó)長(zhǎng)白山、賀蘭山和太白山的研究，其中僅有中國(guó)太白山亞高山草甸表層土壤SOC含量(49.54 g/kg)小于世界均值(72.82 g/kg)(由表2計(jì)算得到)。亞高山草甸/草原是氣候變化響應(yīng)敏感區(qū)，其土壤碳庫(kù)仍需進(jìn)一步探討。

世界不同地區(qū)亞高山森林土壤剖面SOC總含量在77.00 ~ 313.85 g/kg (表2)，五臺(tái)山亞高山森林土壤剖面SOC總含量均值為212.63 g/kg，稍高于中國(guó)亞高山森林SOC總含量均值(204.53 g/kg)，大于歐洲、北美洲和南美洲均值(175.12 g/kg)。世界不同地區(qū)亞高山森林土壤剖面總SOCD在3.80 ~ 74.48 kg/m2，五臺(tái)山亞高山森林土壤剖面總SOCD均值為28.50 kg/m2，略小于中國(guó)亞高山森林土壤剖面總SOCD均值(29.27 kg/m2)，是北美洲、歐洲和南美洲總SOCD均值(8.68 kg/m2)的3.28倍。說(shuō)明中國(guó)亞高山森林土壤碳庫(kù)在全球占有重要地位，而五臺(tái)山亞高山森林土壤碳庫(kù)則接近于全國(guó)平均水平，且大于世界大多數(shù)地區(qū)。另外，本研究亞高山森林SOC總含量和總SOCD均大于亞高山草甸，這在中國(guó)范圍內(nèi)體現(xiàn)出相同結(jié)果，說(shuō)明中國(guó)亞高山森林土壤碳匯能力強(qiáng)于亞高山草甸/草原。但是從其他各大洲均值來(lái)看，則是亞高山森林SOC總含量大于亞高山草甸/草原，其總SOCD卻小于亞高山草甸/草原，說(shuō)明大尺度研究具有不確定性，這是由自然和人為等諸多因素綜合決定的。世界亞高山森林土壤SOC含量“表聚效應(yīng)”明顯，0 ~ 20 cm土層SOC含量占整個(gè)剖面的比例均值是53.12%，但SOCD僅為29.34%，可能和土壤質(zhì)地等因素有關(guān)。從全球來(lái)看，亞高山森林SOC總含量與黏粒含量極顯著正相關(guān)(<0.001)，與MAP(年均降水量)、MAT(年均氣溫)和C/N顯著正相關(guān)(<0.05)，與土壤厚度顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)，與砂粒含量和郁閉度極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)；總SOCD與土壤含水量極顯著正相關(guān)(<0.01)，與黏粒含量顯著正相關(guān)(<0.05)，與C/N極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)(通過(guò)表2參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，由于篇幅原因未列出)，同本研究存在差異，但亞高山森林SOC與亞高山草甸/草原最明顯差別在于其對(duì)土壤厚度和氣候因子(MAP、MAT)的響應(yīng)顯著(<0.05)。

表2 世界不同區(qū)域高山林線附近土壤性質(zhì)

注：SOC、SOCD數(shù)據(jù)意義為：表層/底層數(shù)值(剖面總和)；C/N數(shù)據(jù)意義為：表層/底層數(shù)值(剖面均值)；土壤厚度、海拔(ME)、年均降水量(MAP)、年均氣溫(MAT)為研究區(qū)均值；M：亞高山草甸，M/G：亞高山草甸/草原，T：亞高山苔原，G：亞高山草原，F(xiàn)：亞高山森林；“*”：表層土壤數(shù)據(jù)，“#”：整個(gè)剖面數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

1) 五臺(tái)山高山林線3種植被土壤SOC含量隨土壤深度增加而減小，SOCD則隨土壤深度增加而增加，3種植被0 ~ 20 cm土層SOCD分別占剖面總和的50.42%(CD)、48.71%(HL)、54.95%(YH)，SOC則分別占剖面總和的73.91%(CD)、76.55%(HL)、75.39%(YH)，有明顯的“表聚效應(yīng)”。從全國(guó)和世界范圍內(nèi)來(lái)看，亞高山森林和草甸/草原SOC、SOCD分布也普遍存在較明顯的“表聚效應(yīng)”。

2) 五臺(tái)山高山林線3種植被土壤剖面SOC含量總和為YH樣地最大(214.75 g/kg)，HL樣地次之(210.51 g/kg)，CD樣地最小(157.71 g/kg)；土壤剖面總SOCD也是YH樣地最大(28.66 kg/m2)，HL樣地次之(28.33 kg/m2)，CD樣地最小(20.35 kg/m2)。五臺(tái)山亞高山森林(HL、YH)土壤剖面SOC總含量和總SOCD均大于亞高山草甸(CD)，與中國(guó)亞高山SOC總含量和總SOCD均值、其他各大洲亞高山SOC總含量均值表現(xiàn)規(guī)律一致，但與其他各大洲亞高山總SOCD均值表現(xiàn)規(guī)律相反，表明大尺度研究的不確定性，但也說(shuō)明亞高山森林土壤碳匯能力強(qiáng)于亞高山草甸/草原。

3)五臺(tái)山3種亞高山植被土壤SOC總含量和總SOCD與中國(guó)亞高山土壤均值相近，但都大于其他各大洲亞高山土壤，表明中國(guó)亞高山土壤碳庫(kù)在世界范圍內(nèi)占有重要地位，五臺(tái)山土壤具有較好的碳匯功能。

4)世界范圍內(nèi)，亞高山草甸/草原SOC受土壤含水量、土壤質(zhì)地、植被蓋度和C/N的顯著影響(<0.05或<0.01)；亞高山森林土壤有機(jī)碳與亞高山草甸/草原的區(qū)別在于，除了上述影響因子外，還對(duì)土壤厚度和氣候因子響應(yīng)顯著(<0.05)，但均與五臺(tái)山亞高山土壤不同，表明顯著影響大尺度研究和小尺度土壤SOC的因素存在差異。

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Soil Organic Carbon Under Typical Vegetations at Alpine Timberline in Wutai Mountain

LIU Nan1, HAN Jinbin2, ZHAO Jianru2, LIU Min3

(1 College of Water Resources Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2 Shanxi Wutai Mountain Arboretum, Shanxi Provincial Forestry and Grassland Administration. Xinzhou, Shanxi 035500, China; 3 CPECC Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

Under the background of global warming, soil organic carbon (SOC) has become one of the most important issues in study of global carbon cycle and global change ecology, especially in the alpine timberline ecotone with sensitivity of climate change. Therefore, both of SOC contents and density (SOCD) were studied under subalpine meadow (CD),forest (HL) and×mixed forest (YH) near the alpine timberline in Wutai Mountain. The results showed that SOC contents of all three vegetations were decreased with soil depth. SOCD values of studied soils were increased with soil depth. SOC and SOCD were mainly concentrated in surface soil, showed surface assembly effect. As the same as the subalpine soils in China, in our study region, total SOC contents and SOCD of subalpine forest (HL, YH) soils were both larger than those of subalpine meadow soils (CD). But it was different from subalpine soils in other continentals except Asia. Total SOC contents and SOCD in subalpine soils of Wutai Mountain were approximately equal to the mean total SOC and SOCD of subalpine soils in China, and they were larger than those of other continentals except Asia. The differences of significant impact factors (<0.05) on subalpine SOC were observed between Wutai Mountain and global scale. On the global scale, soil depth and climate factors (<0.05) in subalpine forests had more significant effects on SOC than subalpine meadow/grassland (>0.05). Thus, in Wutai Mountain, subalpine forest soils have more capability of carbon sequestration than subalpine meadow soils. Their total SOC contents and SOCD are both approximately equal to the mean values of Chinese national scale. Carbon pool of subalpine soils in China takes a leading position from a global view. However, more researches are desired in order to reduce the uncertainties in multi-scale studies.

Soil organic carbon; Alpine timberline; Subalpine; Forest; Meadow; Climate change

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31400618)、國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)項(xiàng)目(201708140203，留金法[2017]5087號(hào))和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51509176，41503074)資助。

劉楠(1983—)，男，河北石家莊人，博士，講師，主要研究方向?yàn)樗帘３峙c生態(tài)水文。E-mail: lntx617129@126.com

S714；Q948.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.018