秦岭南坡红桦林土壤有机碳空间分异特征及影响因素1)

2014-06-28唐朋辉党坤良朱成功

东北林业大学学报 2014年10期

唐朋辉党坤良朱成功刘盼

(西北农林科技大学，杨凌，712100)

温室效应正在使地球以前所未有的速度变暖，目前，大气中的CO2含量比过去6.5万a中任何时间都高，比工业革命前高了35%［1］。在全球尺度上研究表明，土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，准确估算土壤碳库储量对正确评价土壤在陆地生态系统碳循环、全球碳循环以及全球环境变化中的作用具有重要意义［2－6］。森林生态系统是陆地生态系统碳吸收能力最强的碳库，其碳吸收特征与环境控制机制的研究已经成为全球气候变化研究的焦点问题［7－9］。森林土壤有机碳库在维持森林立地生产力以及全球碳平衡过程中起着重要的作用［10－11］。因而森林土壤有机碳及其影响因素研究成为全球有机碳循环研究的热点［12－13］。

秦岭林区的森林有机碳储量和碳密度及其分布特征已有学者进行过研究［14－18］，但主要集中在秦岭中段南坡的火地塘林区，其研究区域较小，且研究对象多处于低山区域。关于秦岭南坡中山及亚高山区域森林土壤有机碳的研究目前尚缺乏报道，特别是对秦岭林区大空间尺度森林土壤有机碳及其与林分因子和地形因子间相互关系的研究更少，这在一定程度上制约了秦岭林区森林土壤有机碳的估算准确性。红桦林主要分布在秦岭山地中山和亚高山海拔区域，是秦岭林区分布面积最大、范围最广，最具代表性的森林类型之一，因此对秦岭林区红桦林土壤有机碳的研究，不仅能了解秦岭林区森林土壤的碳储能力，而且有助于准确估算秦岭林区森林土壤有机碳储量。本研究以秦岭南坡红桦林为研究对象，通过大尺度野外调查，研究秦岭南坡不同区域红桦林土壤有机碳质量分数及空间分异特征，分析红桦林土壤有机碳质量分数与林分因子和地形因子间的关系，探索影响红桦林土壤有机碳质量分数的主要因子，为准确估算秦岭林区乃至全国的森林土壤有机碳储量提供数据支持。

1 研究区概况

研究区位于秦岭山地南部，地理位置为33°25'～33°54'N，107°31'～108°41'E;海拔 732～3071 m;年平均气温 11.5 ℃，极端高温 41.3 ℃，极端低温－25.1℃;年降水总量800～1 200 mm，全年降水时间93～140 d;无霜期210 d，植物生长期130～206 d。研究区内植被类型属典型山地温带落叶阔叶林，主要的成林树种有锐齿栎(Quercus aliena var.acuteserrata)、红桦(Betula albo-senesis)、油松(Pinus tabulaeformis)、华山松(Pinus armandii)、巴山冷杉(Abies fargesii)和太白红杉(Larix chinensis)等［19］。红桦林主要分布在秦岭林区中山和亚高山区域，其绝大部分为天然次生林，仅在高海拔人烟稀少和交通不便的地区分布部分原始林。

2 研究方法

2.1 样地设置

2012年6—9月和2013年5—9月，在秦岭南坡红桦林分布较广、面积较大的不同林区设置调查样地122块，共挖掘土壤剖面610个，样地面积为20 m×30 m，其中宁东旬阳坝林区24块、宁陕火地塘林区30块、太白黄柏塬林区30块、佛坪观音山林区38块。在不同林区，根据不同地形条件和林分状况选取具有代表性的林分作为调查研究对象，设置调查样地，所选林分既有天然次生林也有原始林。利用当地气象统计资料获取各研究地区自然概况(表1)，利用GPS确定每个样地的位置，并记载每块样地的海拔、坡度、坡位、坡向等地形因子及样地内林分郁闭度、灌木和草本盖度、主要种类等林分因子;对样地内所有乔木进行每木检尺，利用生长锥法测定林分年龄;同时，在每个样地中心和四角布设5块2 m×2 m小样方，调查灌木层和草本层的相关因子;将样方内所有灌木、草本连根挖出，分别称量灌木根、枝干和叶鲜质量，草本地上和地下鲜质量;枯落物全部收集并称鲜质量，分别取样200 g左右带回实验室在85℃烘干后，进行生物量的测定。

2.2 立地因子划分

按照《西北主要树种培育技术》［20］立地因子等级划分方法，并结合本研究野外调查实际，本文立地因子的划分如下:坡位按下坡(地形图上距离坡顶大于2/3处及其以下的坡面)、中坡(上坡与下坡之间的坡面部分)和上坡(地形图上距离坡顶1/3处及其以上的坡面)划分为3个等级;坡向分为阴坡(西北、正北、东北、正东)和阳坡(东南、正南、西南、正西)两个等级。

表1 研究区基本概况

2.3 土壤有机碳质量分数计算

在每个调查样地内四角及中央各挖取1个土壤剖面共5个样点，按照土壤自然发生层分别取样。用环刀法测土壤密度，筛选出其中的植物根以及大于2 mm的砾石，用容积法测定其体积质量分数，土壤样品处理按常规方法进行，用德国Elementar公司的Liqui TOCⅡ型总有机碳分析仪测定土壤有机碳，每个样地中3个土层5个样点的土壤有机碳质量分数平均值即为各层土壤有机碳质量分数，A、B、C 3层土壤有机碳质量分数平均值为样地土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)质量分数。

2.4 数据处理

实验数据采用 Excel和 SPSS18.0进行统计分析，采用独立样本t－检验比较原始红桦林和次生红桦林及不同坡向土壤有机碳质量分数的差异;用one－way ANOVA分析不同林区、不同土层和坡位红桦林土壤有机碳质量分数的差异;用简单相关和偏相关分析海拔、坡度和林分因子与红桦林土壤有机碳质量分数间的关系;对影响红桦林土壤有机碳质量分数的主要因子进行主成分分析和逐步回归分析。

3 结果与分析

3.1 红桦林土壤有机碳质量分数分异特征

通过分析和计算，秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数总体均值(32.11±3.77)g·kg－1，最大值(39.75 g·kg－1)，最小值(21.96 g·kg－1)，变异系数在11.74%;随土层厚度加深红桦林土壤有机碳质量分数逐渐减小，且不同土层间存在显著差异(p＜0.05)。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数在不同林区顺序依次为佛坪观音山林区(33.36±3.03)g·kg－1、太白黄柏塬林区(32.75±3.71)g·kg－1、宁陕火地塘林区(31.63±2.96)g·kg－1、宁东旬阳坝林区(29.94±4.82)g·kg－1，其中宁东旬阳坝林区与太白黄柏塬林区和佛坪观音山林区存在显著差异(p＜0.05)，其他林区均不存在显著差异(表2)。秦岭南坡原始红桦林土壤有机碳质量分数均值为(33.11±3.23)g·kg－1，次生红桦林土壤有机碳质量分数均值为(31.59±3.94)g·kg－1，原始红桦林土壤有机碳质量分数比次生林高4.81%，t检验结果表明:原始红桦林与次生红桦林土壤有机碳质量分数存在显著差异(p＜0.05)(表 3)。

表2 不同研究区内红桦林土壤有机碳质量分数比较

表3 原始红桦林与次生红桦林土壤有机碳质量分数

3.2 林分因子对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

3.2.1 郁闭度和林分密度对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

郁闭度和林分密度对林下环境条件有着明显的制约作用，影响森林土壤地表覆盖物的分解和林地土壤有机碳的补充，因此对土壤有机碳质量分数亦产生显著影响。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数随郁闭度和林分密度的增加而降低(图1);简单相关分析结果表明:红桦林土壤有机碳质量分数与郁闭度和林分密度呈极显著负相关(p＜0.01)，Pearson 相关系数分别为－0.79、－0.25。偏相关分析［21］结果表明:在控制其他因子后，郁闭度和林分密度与红桦林土壤有机碳质量分数仍然存在极显著负相关(p＜0.01)，其偏相关系数分别为－0.37、－0.12。

图1 红桦林土壤有机碳质量分数与郁闭度和林分密度关系

3.2.2 林龄对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

林龄主要影响森林植被生物量及土壤有机碳的积累，因而制约着森林土壤有机碳质量分数。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数随林龄增大而逐渐增加(图1);简单相关分析结果表明，红桦林土壤有机碳质量分数与林龄呈极显著正相关(p＜0.01)，Pearson相关系数为0.28。偏相关分析结果表明，在消除其他因素影响后，红桦林土壤有机碳质量分数与林龄间仍存在显著相关(p＜0.05)，其偏相关系数为 0.14。

图2 红桦林土壤有机碳质量分数与林龄关系

3.2.3 不同植被层生物量对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

不同植被层生物量的大小决定着地表凋落物量，而地表凋落物作为森林土壤有机碳的重要来源，对土壤有机碳质量分数有着显著影响。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数随不同植被层生物量增加而逐渐增加(图3);简单相关分析结果表明，红桦林土壤有机碳质量分数与不同植被层生物量(乔木生物量、灌木生物量、草本生物量和枯落物量)呈显著正相关(p＜0.05)，Pearson 相关系数分别为 0.32、0.33、0.23、0.34。偏相关分析结果表明，消除其他因素影响后，红桦林土壤有机碳质量分数与灌木和草本生物量间呈显著正相关(p＜0.05)，偏相关系数分别为 0.29、0.23，而与乔木生物量和枯落物量间的相关关系不显著(p＞0.05)。

图3 红桦林土壤有机碳质量分数与不同植被层生物量关系

3.3 地形因子对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

3.3.1 海拔和坡度对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

随海拔上升降水量和气温都有显著变化，而坡度对森林土壤水分和养分的分配有明显影响作用。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数随海拔升高逐渐增加，而随坡度增大逐渐降低(图4);简单相关分析结果表明:红桦林土壤有机碳质量分数与海拔呈极显著正相关(p＜0.01)，与坡度呈极显著负相关(p＜0.01)，Pearson 相关系数分别为 0.79、－0.80。偏相关分析结果表明:消除其他因素影响后红桦林土壤有机碳质量分数与海拔和坡度仍呈极显著相关(p＜0.01)，偏相关系数分别为 0.45、－0.40。

图4 红桦林土壤有机碳质量分数与海拔和坡度关系

3.3.2 坡向和坡位对红桦林土壤有机碳质量分数的影响

坡向和坡位也是制约森林土壤有机碳质量分数的重要因素，它们对土壤温度和土壤水分有明显的影响作用。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数阴坡(32.82±3.84)g·kg－1高于阳坡(31.41±3.35)g·kg－1，t检验结果表明:红桦林土壤有机碳质量分数在不同坡向的分布不存在显著差异(p＞0.05)(表4);红桦林土壤有机碳质量分数在不同坡位的分布为下坡(32.23±3.67)g·kg－1高于中坡(32.09±3.66)g·kg－1和上坡(32.02±4.04)g·kg－1，方差分析结果表明:红桦林土壤有机碳质量分数在不同坡位的分布亦不存在显著差异(p＞0.05)(表4)。

表4 不同坡向和坡位红桦林土壤有机碳质量分数

3.4 影响土壤有机碳质量分数因子的主成分分析

森林生态系统中的环境因子不仅单独影响土壤有机碳质量分数变化，而且各因子间存在交互作用，通过主成分分析可以把存在多重线性相关的多个因子转化为几个综合的指标，对影响红桦林土壤有机碳质量分数的地形因子和林分因子(其中对坡向和坡位进行量化)并标准化后(消除量纲影响)进行主成分分析，结果表明，在特征值大于1的4个主成分中，第1主成分与海拔和坡度有较大相关性，方差贡献率为40.89%;第2主成分与红桦林郁闭度和林分密度有较大的相关关系，方差贡献率为22.44%;第3主成分与乔木、灌木和草本生物量有较大相关，方差贡献率为16.31%;第4主成分与林龄有较大相关，方差贡献率为8.51%;上述4个主成分的累积方差贡献率为88.15%，能反映林分因子和地形因子对红桦林土壤有机碳质量分数影响效应的绝大部分信息(表5)。

表5 林分因子和地形因子地形因子和林分因子主成分载荷矩阵、特征值及贡献率

3.5 影响土壤有机碳含量因子的逐步回归

森林生态系统中影响红桦林土壤有机碳质量分数的因子发生着复杂变化，且交互在一起制约着红桦林土壤有机碳质量分数，仅仅分析其中单个因子的影响规律，并不能完全弄清不同因子对红桦林土壤有机碳质量分数的控制机制，而逐步回归可以筛选出相对重要的影响因子，并通过建立多元线性回归方程揭示其相互关系。对影响秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数的主要因子进行逐步回归分析，并通过t检验和F检验，得到红桦林土壤有机碳质量分数关于海拔、坡度、郁闭度、灌木生物量和草本生物量的5个回归模型方程(表6)，且各模型方程均达到极显著水平(p＜0.01)。

表6 红桦林土壤有机碳质量分数与林分因子和地形因子的逐步回归统计

上述结果表明，不同因子对秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数的影响并不完全相同，从回归方程中各因子的系数可看出，红桦林土壤有机碳质量分数与海拔、灌木生物量和草本生物量呈正相关，与郁闭度和坡度呈负相关，与偏相关分析的结果一致。通过比较各回归方程的多元相关系数，结果表明:第5个回归方程的多元相关系数最大，更能准确反映林分因子和地形因子对红桦林土壤有机碳质量分数的影响，该方程包含海拔、坡度、郁闭度、灌木生物量和草本生物量5个因子，表明红桦林土壤有机碳质量分数是不同因子综合影响的结果。

4 讨论

红桦林主要分布在秦岭南坡中山及亚高山区域，森林土壤厚度一般在60～100 cm，森林土壤有机碳质量分数受海拔、坡度、郁闭度、灌木生物量和草本生物量等因子的影响，使其在空间分布上存在较大的变异。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数总体均值为(32.11±3.77)g·kg－1，高于和刘延惠等［22］和杨晓梅［23］等估算的六盘山华北落叶松人工林和子午岭辽东栎林土壤有机碳质量分数(31.05 g·kg－1)和(13.95 g·kg－1)，说明秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数处于相对较高的水平。在自然条件下，特定气候区域内森林植被组成决定着归还土壤的凋落物和根系分泌物的数量和质量以及腐殖质的形成与分解的活跃机制，植被组成的差异会导致土壤剖面有机碳分布格局的差异［24－25］。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数在不同林区存在显著差异，体现了在相同森林类型条件下，林分结构、组成等林分因子的差异对土壤有机碳质量分数的影响，与上述研究结论基本一致。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数与林龄呈显著正相关，与齐光等［26］对大兴安岭兴安落叶松林的土壤碳储量研究结论基本一致，原始红桦林土壤有机碳质量分数比次生红桦林仅高4.81%，说明次生红桦林具有较高的碳储能力。

森林土壤有机碳主要来源于植物、动物、微生物残体和根系分泌物，并处于不断分解与形成的动态过程，森林土壤有机碳是森林生态系统在特定条件下的动态平衡值［27］。秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数与灌木生物量和草本生物量呈显著相关，其原因是森林植被生物量制约着森林土壤中的植物残体和根系分泌物，因此会对土壤有机碳产生显著影响。土壤中动植物残体的分解及微生物的活动受林内光照、温度、湿度等因素的影响，郁闭度和林分密度过大会限制林内的光照和温度条件，影响动植物残体的分解和土壤微生物活动，因此红桦林土壤有机碳质量分数与郁闭度、林分密度表现出显著负相关关系。

不同的生物气候条件和人类干扰活动，也会对森林土壤有机碳的积累产生较大的影响，陆地土壤碳一般随降水增加而增加，在降雨量相同的条件下，温度越高碳浓度越低，温度和降水的综合作用决定了陆地土壤碳分布的地理地带性特征［28］。黄湘等［29］对塔里木河柽柳群落土壤碳通量的研究发现，较高的气温会造就较高的土壤温度，而土壤温度的升高会降低土壤有机质储量，加快土壤养分矿化，从而导致土壤贫瘠化。杜有新等［30］对庐山森林土壤有机碳的研究表明，随海拔升高土壤有机碳逐渐增加。随海拔升高气温降低，蒸发量减少，土壤湿度较大，动植物残体的分解释放受到影响，大部分以有机物的形式沉积在林下土壤中，而阳坡相比阴坡光照条件好，水分易散失，且土壤温度较高，秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数随海拔升高逐渐增加，且阴坡大于阳坡，与上述研究结论基本一致。在坡位和坡度水平上，秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数下坡大于中坡和上坡，其原因可能是坡面中上部流失的土壤颗粒、水肥易在下坡汇集，使其土层较厚，植被生长较好，向土壤输入的有机质量大，有利于有机质积累，因而下坡土壤有机碳较高［31］，但坡位变化未对土壤有机碳质量分数产生显著影响;侯琳等［32］对火地塘油松林土壤碳的研究发现，坡度平缓地区土层较厚，灌草种类比较丰富，有利于水肥蓄积，而坡度较陡的地区土层薄而贫瘠，林下植被以灌木为主，灌草种类丰富度低，土壤有机碳较少，本研究发现，秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数与坡度间表现出显著负相关性，与上述研究结论基本一致。

采用偏相关分析可以消除其他变量的影响，进一步分析红桦林土壤有机碳质量分数与其影响因子间的关系，真实地反映红桦林土壤有机质量分数与影响因子间相关的性质和密切程度，对红桦林土壤有机碳质量分数与各影响因子进行偏相关分析，结果表明:在排除其他因子的影响后，秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数与海拔、林龄、灌木生物量和草本生物量呈显著正相关，与坡度、林分密度和郁闭度呈显著负相关，而与其他因子间的相关关系不显著，其原因可能是影响秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数的因子间存在相互制约关系。主成分分析结果表明:影响秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数的11个因子中，海拔、坡度郁闭度、林分密度、灌木、草本、枯落物生物量及林龄是影响土壤有机碳质量分数的主要因素。逐步回归结果表明:在影响红桦林土壤有机碳质量分数的因子中，海拔、坡度、郁闭度、灌木生物量和草本生物量影响作用更显著，它们与红桦林土壤有机碳质量分数间的关系均可用回归方程表达。包含海拔、坡度、郁闭度、灌木生物量和草本生物量的回归方程，其多元相关系数最大，能较准确地反映出不同因子对红桦林土壤有机碳的综合影响效应，该方程可作为估算秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数的参考模型。坡向、坡位、林分密度、乔木生物量和枯落物量未能入选回归方程，其原因可能是秦岭南坡水热条件比较好，不同坡向和坡位环境条件的差异对红桦林的群落结构、不同层次植被的生长影响有限;林分密度和乔木生物量可能是通过间接作用来影响土壤有机碳质量分数，因此其作用效果相比郁闭度不太显著;枯落物量受到乔木、灌木和草本每年凋落物归还量的制约，因此其对红桦林土壤有机碳质量分数的影响未表现出显著作用。

森林生态系统土壤有机碳的差异，最终是林内光照、温度、水分等环境因子与郁闭度、灌木生物量、草本生物量等林分因子的综合作用的结果。在不同地区差异较大的地形条件或不同林分结构条件下，森林土壤有机碳的分布可能会存在显著差异。因此，森林生态系统土壤碳循环的研究以及利用森林调查资料进行大尺度森林土壤碳储量估算时，应综合考虑地形因子、气候因子及植被因子，以保证森林土壤碳循环研究和碳储量估算的可靠性。

5 结论

红桦林主要分布在秦岭南坡中山和亚高山海拔区域，土壤厚度一般在60～100 cm左右，森林土壤有机碳质量分数受海拔、坡度、郁闭度、林分密度、灌木生物量和草本生物量等因子的影响，使其在空间分布上存在较大的变异。本研究结果表明:秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数为(32.11±3.77)g·kg－1，变异系数为 11.74%;原始红桦林土壤有机碳质量分数均值为(33.11±3.23)g·kg－1，次生红桦林土壤有机碳质量分数均值为(31.59±3.94)g·kg－1，原始红桦林土壤有机碳质量分数比次生林高4.81%。原始红桦林土壤有机碳质量分数与次生红桦林土壤有机碳质量分数间存在显著差异，红桦林土壤有机碳质量分数在不同坡向和坡位不存在显著差异。红桦林土壤有机碳质量分数与海拔、林龄、灌木生物量和草本生物量呈显著正相关，与坡度、郁闭度和林分密度呈显著负相关。主成分分析得到的特征值大于1的4个主成分对土壤有机碳质量分数的方差累积贡献率为88.15%，能反映林分因子和地形因子对秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数影响效应的绝大部分信息。逐步回归结果表明，海拔、坡度、郁闭度、灌木生物量和草本生物量是影响红桦林土壤有机碳质量分数的主要因子，拟合的利用这5个因子估算秦岭南坡红桦林土壤有机碳质量分数的模型方程为:CSO= －0.121G+0.009E－7.959DC+6.074HB+2.390SB+17.507。

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