彭舜磊, 王华太, 陈昌东, 齐 光, 赵干卿

(1.平顶山学院 低山丘陵区生态修复重点实验室, 河南 平顶山 467000;2.平顶山学院 资源与环境科学学院, 河南 平顶山 467000)



宝天曼自然保护区森林土壤碳氮储量分布格局分析

彭舜磊1, 王华太2, 陈昌东1, 齐 光1, 赵干卿1

(1.平顶山学院 低山丘陵区生态修复重点实验室, 河南 平顶山 467000;2.平顶山学院 资源与环境科学学院, 河南 平顶山 467000)

森林土壤碳氮储量是森林生态系统物质循环的基础，关系着全球的气候变化。为了认识宝天曼森林土壤碳氮储量的分布格局，以内乡宝天曼自然保护区森林土壤为研究对象，采用土壤剖面调查方法，分析比较了内乡宝天曼土壤碳氮储量和碳氮比与海拔、林龄和土壤类型的关系。结果表明：该区域森林土壤碳储量为14.24～137.97 t/hm2，平均值为82.05 t/hm2，土壤氮储量在0.75～6.89 t/hm2范围，平均值为3.98 t/hm2；土壤碳氮储量与海拔和林龄符合正相关的线性关系，随着海拔的升高和林龄的增大而升高，变化趋势明显，碳氮比保持在20左右；土壤碳氮储量在不同林型间的差异很大；不同土壤类型之间，山地棕壤的碳氮储量极显著高于山地黄棕壤和山地褐土(p<0.01)。该研究揭示了宝天曼自然保护区森林土壤碳氮储量的空间分布规律，对于宝天曼自然保护区森林应对气候变化、森林植被恢复及森林生态系统的管理和保护具有重要的指导意义。

宝天曼自然保护区; 土壤类型; 碳氮储量; 碳氮比; 海拔; 林龄

土壤是森林生态系统中物质循环和能量流动的重要组成部分[1]，它在很大程度上决定了生态系统的类型。土壤碳氮储量在一定程度上反映了土壤肥力的高低，是衡量森林土壤质量和植被恢复效果的重要指标[2]，同时森林土壤碳氮储量在应对全球气候变化中也起着至关重要的作用[3-4]。近年来，森林土壤碳氮储量的研究已经成为热点问题。很多研究表明，森林土壤的碳氮储量与林型关系密切，不同林型差异很大[5-10]，而且随林龄和恢复年限的增加，碳氮积累越大[11]。不同土地利用方式对土壤的碳氮储量产生很大影响，森林转化为农田或天然林转变成人工林后，土壤的碳氮储量会严重丢失[12-14]。一些学者研究了土壤碳氮含量随海拔的变化规律，认为土壤碳氮含量随海拔的升高而增加[15-17]。宝天曼国家级自然保护区作为我国同纬度地区保存最为完好的暖温带向亚热带过渡的栎类落叶阔叶林区，森林植被和土壤在海拔分布上具有明显的梯度性，然而，在该地区有关土壤碳氮储量及碳氮比在不同海拔、不同林型以及不同林龄间的分布格局研究尚比较缺乏。本文拟以宝天曼自然保护区200～1 830 m海拔梯度内主要不同林龄的林型和土壤类型为研究对象，探讨土壤碳氮储量和碳氮比随海拔、林型、林龄和土壤类型的变化规律，旨在为宝天曼自然保护区应对气候变化、森林植被恢复及森林生态系统的管理和保护提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宝天曼国家级自然保护区为世界生物圈保护区，位于秦岭东段伏牛山南坡的河南省南阳市境内，地理坐标为33°25′—33°33′N，111°53′—112°17′E，海拔高度200～1 830 m，位于北亚热带向暖温带过渡地区，属季风型大陆性气候，年平均气温15.1℃，年降水量855.6 mm。地貌以切割程度不同的中山为主，低山为辅，主要岩石是花岗岩、石灰岩和砂岩，区内土壤划分3个土类：海拔1 300 m以上为山地棕壤土类，海拔800～1 300 m为山地黄棕壤土类，海拔800 m以下为山地褐土。植被属暖温带落叶林向北亚热带常绿阔叶林过渡类型，海拔1 200 m以下，以栓皮栎(Quercusvariabilis)林为主；海拔1 100～1 300 m以短柄枹(Quercusglanduliferavar.brevipetiolata)林为主；海拔1 300～1 600 m以锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)林为主；海拔1 600～1 750 m为由华山松(Pinusarmandii)、锐齿栎组成的针阔混交林；海拔1 700 m以上有锐齿栎、坚桦(Betulachinensis)组成的山顶矮曲林。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与样品采集 在野外踏查的基础上，在200～1 830 m的海拔梯度上，根据森林类型，林龄和土壤类型，共设置35个样地，沿海拔梯度自下而上包括侧柏(Platycladusorientalis)人工林、栓皮栎人工林、槲栎(Quercusaliena)次生林、栓皮栎次生林、短柄枹次生林，锐齿栎次生林，锐齿栎+华山松次生林等林型，涵盖了宝天曼自然保护区的主要森林类型，同时也包含了三种主要的土壤类型。调查土壤指标前，首先记录每个样地的经纬度、林型、林龄、坡度和坡向等指标，然后每个样地随机挖取3个典型土壤剖面，去掉凋落物层，在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分别用环刀进行取样，备测土壤容重；同时在紧邻土壤剖面，用土钻按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分层钻取土样，分别装入自封袋，备测土壤有机碳和全氮含量。

1.2.2 土壤容重和碳氮含量的测定及碳氮储量的计算 土壤容重采用环刀法[16-17]：采集回的土壤样品自然风干后，采用TOC分析仪测试土壤有机碳含量[17]，土样消煮后，用凯氏定氮仪测试土壤全氮含量[18]。土壤剖面单位面积土壤碳储量(SOC)和氮储量(TN)的计算公式如下[1,5]：

(1)

(2)

式中：SOC，TN——n层土壤单位面积有机碳储量和全氮储量(t/hm2)；ρi——i土层的土壤容重(g/cm3)；SOCi，TNi——i土层的土壤有机碳含量和全氮含量(g/kg)；Hi——i土层深度(cm)；Si——i土层中土壤砾石的含量(%)；如果计算单个土层单位面积土壤碳储量与全氮储量，去掉加和符号。

1.2.3 数据统计分析 通过曲线拟合探讨土壤的碳氮储量和碳氮比与海拔、林龄的相关关系，通过单因素方差分析比较不同土壤类型碳氮储量和碳氮比的差异性，显著性检验采用α=0.05，曲线拟合采用Excel 2003和R软件进行，同时利用Excel 2003进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤碳氮储量随海拔的分布规律

宝天曼自然保护区森林土壤0—10，10—20，20—30 cm的土壤碳储量和氮储量与海拔均呈极为显著的线性关系，变化趋势一致(p<0.000 01，表1)，虽然在800～1 000 m海拔范围内随海拔的升高而下降，但总体上，土壤碳氮储量随海拔升高而增大；0—30 cm土壤的碳氮储量也表现出相同的趋势(表1)。土壤的碳氮比与海拔的相关关系不显著(p=0.402>0.05，图1和表1)，碳氮比维持在20左右。

2.2 不同林型内土壤碳氮储量的分布规律

由表2可知，不同林型土壤碳氮储量差异很大，0—30 cm土壤碳储量的变化范围为14.24～137.37 t/hm2，土壤氮储量的变化范围为0.75～6.41 t/hm2；锐齿栎+华山松林土壤的碳氮储量最大，侧柏人工林的土壤碳氮储量最小。土壤碳氮储量总体上表现为天然次生林大于人工林，说明天然林转化为人工林后，土壤碳氮储量丢失严重。由表3可知，不同林型土壤碳氮比波动较小。

表1 土壤碳氮储量和碳氮比与海拔拟合方程及参数

图1 土壤碳氮比与海拔的关系

选择具有林龄序列的栓皮栎、短柄枹和锐齿栎天然次生林探讨林龄与土壤碳氮储量和碳氮比的关系。

由图2—4可知，栓皮栎、短柄枹和锐齿栎天然次生林土壤碳氮储量均随林龄的增大而增大，其中栓皮栎次生林土壤碳氮储量与林龄的线性关系显著(p<0.05，图2A和2B)，短柄枹次生林土壤碳氮储量与林龄的二次曲线关系极为显著(p<0.01，图3A和3B)，锐齿栎次生林土壤碳储量与林龄线性关系极为显著(p=0.0003，图4A)，其氮储量与林龄指数关系显著(p=0.013，图4B)。栓皮栎和锐齿栎次生林土壤碳氮比与林龄相关性不显著(p>0.05，图2A和4C)，短柄枹次生林土壤碳氮比与林龄负线性相关显著(p=0.011，图3C)。

表2 不同林型土壤的碳氮储量

表3 不同林型土壤的碳氮比

2.3 不同土壤类型土壤碳氮储量比较

宝天曼自然保护区内三种土壤类型0—30 cm碳储量的极小值和极大值分别为14.24，137.97 t/hm2，平均值为82.05 t/hm2，氮储量的极小值和极大值分别为0.75，6.89 t/hm2,平均值为3.98 t/hm2(图5A和5B)。山地褐土的碳氮储量和碳氮比分别为(48.53±17.47) t/hm2，(2.43±0.95) t/hm2，(20.32±1.86),山地黄棕壤的碳氮储量和碳氮比分别为(65.01±16.46) t/hm2，(3.26±0.95) t/hm2，(20.23±1.80)，山地棕壤的碳氮储量和碳氮比分别为(110.76±18.29) t/hm2，(5.27±0.94) t/hm2，(21.07±1.25)；不同的土壤类型的碳氮储量存在显著差异(p<0.01)，其中山地褐土和山地黄棕壤的碳氮储量差异不显著(p>0.05)，但它们均与山地棕壤差异显著(p<0.01，图5A和5B)；三种土壤类型的碳氮比差异均不显著(p>0.05，图5C)。

图2 栓皮栎次生林碳储量、氮储量和碳氮比与林龄的关系

图3 短柄枹次生林碳储量、氮储量和碳氮比与林龄的关系

图4 锐齿栎次生林碳储量、氮储量和碳氮比与林龄的关系

图5 不同土壤类型土壤碳储量、氮储量及碳氮比比较

3 结论与讨论

3.1 土壤碳氮储量随海拔的升高而增加

海拔高度影响着温度、湿度、水分、土壤类型和植被分布，导致土壤的碳氮储量存在差异[15-17]。宝天曼森林土壤的碳氮储量与海拔存在显著的线性关系，随海拔的升高，土壤的碳氮储量显著升高。原因是随着海拔的升高，温度逐渐降低，土壤的有机质和氮素分解比较缓慢，土壤中碳氮储量积累较多[15]，另外，海拔高，人类活动对植被和土壤的干扰程度也低[17]，因此，高海拔土壤的碳氮储量较高。土壤的碳氮比随海拔变化不显著，保持在20左右，这是因为森林植被与土壤相互作用和相互适应的结果，使得土壤的理化性质基本保持稳定。

3.2 土壤碳氮储量与林型和林龄的关系密切

林型也是制约土壤碳氮储量的关键因子，林型不同，直接影响着土壤的环境条件和理化性质，不同的林型使得土壤中的碳氮储量差异很大[5,7-8]。在宝天曼自然保护区，森林土壤碳氮储量的大小顺序依次为：锐齿栎+华山松混交林>锐齿栎次生林>栓皮栎次生林>短柄枹次生林>栓皮栎人工林>侧柏人工林。林型不同，乔木层、灌木层和草本层的物种组成和丰富度也不同，造成林下凋落物和粗木质残体的质和量也不同，土壤酶活性不同，直接影响到土壤的有机碳和氮素的供给和归还[19]。不同林型土壤动物和微生物的丰富度和活动能力不同，分解粗木质残体和凋落物的快慢存在差异，使得不同林型的土壤，碳氮储量差异很大[7-10]。此外，本研究中，栓皮栎次生林转化成栓皮栎人工林后土壤中碳氮储量分别丢失40%和41%，转化为侧柏人工林后，土壤中碳氮储量分别丢失78%和76%。说明天然林转化成人工林后，土壤中的碳氮储量丢失严重[19]。

林龄显著影响着土壤的碳氮储量[11]，本研究通过栓皮栎次生林、短柄枹次生林和锐齿栎次生林林龄序列研究表明，3个林型中土壤的碳氮储量均与林龄呈显著正相关。原因是林龄越大，地上和地下生物量越大，粗木质残体和凋落物量越大，土壤中的死根系也越多，土壤动物和微生物活动频繁，分解粗木质残体和凋落物快，有机质丰厚，因此土壤有机质和氮储量的较大[20-22]。

3.3 土壤类型对土壤碳氮储量的影响显著

宝天曼自然保护区内三种土壤类型0—30 cm碳氮储量的大小顺序为：山地棕壤>山地黄棕壤>山地褐土，存在显著差异。这三种土壤类型随海拔梯度变化而变化，山地棕壤由于位于高海拔地段，森林植被林龄为成熟林，因此，土壤中的碳氮储量最高，山地褐土所处海拔较低，受人类活动干扰严重，尤其是人工林和林龄较小的次生林，土壤的碳氮储量较低，这与党坤良等的研究结果一致[17]。

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Distribution Patterns of Soil Organic Carbon and Nitrogen Storage in Forestland of Baotianman Nature Reserve

PENG Shunlei1, WANG Huatai2, CHEN Changdong1, QI Guang1, ZHAO Ganqing1

(1.KeyLaboratoryofEcologicalRestorationintheHillyArea,PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China)

Soil organic carbon (SOC) and nitrogen in forestland are the basis for material recycling in the forest ecosystems, and which are significantly correlated with global climate change. In order to understand the strorage distribution patterns of SOC and nitrogen in Baotianman Nature Reserves, we used soil profile survey method to study the relationship between the SOC, nitrogen storage and C∶N ratio with altitude, forest age, and soil types in Baotianman Nature Reserve. The results showed that the amount of forest SOC storage ranged from 14.24 t/hm2to 137.97 t/hm2, with an average of 82.05 t/hm2in the 0—30 cm soil layer, the value of soil nitrogen storage ranged from 0.75 t/hm2to 6.89 t/hm2, with an average of 3.98 t/hm2. SOC and nitrogen storage was significantly lineated with the altitude and forest age (p<0.05), and positively increased with altitude and forest age increasing. SOC and nitrogen storage showed the differences among the different forest types. SOC and nitrogen storage of the brown soil was significantly greater than that of the yellow brown soil and cinnamon soil (p<0.01). However, C∶N ratio was stable with the value of about 20, and did not significantly change with altitude and soil types (p>0.05). This study revealed the distribution patterns of SOC and nitrogen storage in Baotianman forest region, and was very important for guiding climate change mitigation, forest restoration, and forest ecosystem management and protection in Baotianman Nature Reserve.

Baotianman Nature Reserve; soil types; soil organic carbon and nitrogen storages; C∶N ratio; altitude; forest age

2015-04-28

2015-05-07

河南省教育厅科学技术重点研究项目“伏牛山森林近自然度评价及可持续经营技术研究”(12B18003);中国博士后科学基金“台风对天童常绿阔叶林养分迁移的影响”(2014M561043)

彭舜磊(1974—)，男,河南驻马店人,副教授,博士,研究方向:森林生态学。E-mail:pengshunlei@163.com

S512.7

1005-3409(2015)05-0030-05