神农架3 种针叶林土壤碳储量比较1)

崔鸿侠 肖文发 黄志霖 曾立雄 潘 磊 庞宏东

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京，100091) (湖北省林业科学研究院)

土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的贮库，约为陆地植被碳库的2 ～3 倍，是大气碳库的2倍，土壤碳库较小幅度的变化就可能影响到碳向大气的排放，以温室效应影响全球气候变化［1－3］。土壤碳循环过程受气候和生物多种因素的控制，如温度、水分、植被及土壤理化性质等的综合影响，因此土壤碳储量也随着自然植被、气候、土壤类型、土地利用方法、以及其后的管理方式的改变而变化。国内外许多学者对森林土壤碳储量及其影响因素进行了非常有意义的研究，取得了一定成果［4－7］，这些研究对森林土壤碳储量精确估算起到了积极的推动作用。

神农架是世界中纬度地区唯一保持完好的亚热带森林生态系统，以其生物多样性、丰富性、特有性著称，具有极其重要的保护和科研价值。关于森林土壤碳储量及碳循环方面的研究尚属空白。因此，研究神农架地区典型森林类型土壤碳储量，有助于丰富对我国不同区域森林土壤碳储量特征的认识。

针叶林是神农架地区的主要森林类型之一，主要树种有:马尾松(Pinus massoniana)、华山松(Pinus amandii)、巴山冷杉(Abies fargesii)等，3 种针叶林面积占神农架总针叶林面积65%以上。其中:马尾松林和华山松林主要分布在神农架中低海拔地区，而巴山冷杉林是高海拔地区最重要的建群种。本研究在神农架地区选择马尾松林、华山松林和巴山冷杉林，比较不同针叶林类型的土壤有机碳储量特征，并分析林分结构特征、凋落物等因子对土壤碳储量的影响，为提高神农架地区土壤碳库管理水平提供理论依据，并为我国森林土壤碳储量估算及空间分布研究提供参考。

1 研究区概况

研究区位于神农架林区(31°15' ～31°75'N，109°56' ～110°58'E)，是全国唯一以“林区”命名的行政区。林区内山势高大、山坡陡峻、河谷深切，总的地势西南高东北低，相对高差2 707.4 m，平均海拔1 700 m。最高峰神农顶海拔3 105.4 m，成为华中第一峰，神农架因此有“华中屋脊”之称。神农架林区属于北亚热带向暖温带过渡气候，并随海拔的升高形成低山、中山、亚高山3 个气候带。神农架年平均气温11.6 ℃，相对湿度为73% ～75%，年降水量为800 ～2 500 mm，主要集中在夏季，降水量随海拔增高而增加，年蒸发量500 ～800 mm，属于湿润气候带。神农架地区植被组成丰富，具有明显的垂直地带性，随海拔升高依次为常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林及灌丛。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2012年7—8月份，在神农架选择马尾松林、华山松林和巴山冷杉林3 种天然针叶林类型，共设置样地22 个，样地面积为20 m×20 m。乔木层主要调查树种组成、郁闭度、胸径、密度等;在各样地内均匀布设5 个2 m×2 m 的灌木样方，灌木生物量调查与样地调查同时进行，通过全株收获法获得［8］，主要调查灌木层物种种类、盖度、高度等。在样地内随机设置5 个1 m×1 m 小样方，于2012年7月至8月、11月和2013年4月共三次调查地表凋落物现存量，采用布袋收集法获得，取三次收集的平均值作为凋落物现存量。样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况

2.2 土样采集与土壤样品测定

在每个样地按S 形布设5 个采样点，按照0 ～20、＞20 ～40、＞40 ～60 cm 土壤深度用直径为5 cm的土钻取出完整的土芯，将5 个采样点同一层的土样混合均匀，留取1 kg 土样带回实验室。将混合样风干，风干样过0.149 mm 筛后，测定土壤有机碳质量分数。

土壤有机碳质量分数测定采用重铬酸钾氧化外加热法［9］。土壤碳储量计算公式为［10］:CSO=C ×D×E×(1－ G)/10。式中:CSO为土壤碳储量(t·hm－2);C 为土壤有机碳质量分数(g·kg－1);D 为土壤密度(g·cm－3);E 为土层厚度(cm);G 为直径大于2 mm 的石砾所占的体积比例(%)。土壤密度测定采用环刀法［10］。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳质量分数比较

土壤有机碳质量分数的大小，取决于土壤有机碳输入、输出及相关土壤性质和过程［11］。神农架不同针叶林类型土壤有机碳质量分数(表2)。马尾松林、华山松林和巴山冷杉林0 ～60 cm 土壤深度平均有机碳质量分数分别为8.33、20.13、35.83 g·kg－1，经检验3 种针叶林土壤有机碳质量分数差异达到显著性水平(P ＜0.05)。随着土壤深度的增加，3 种针叶林土壤有机碳质量分数均逐渐减小，经检验不同深度间土壤有机碳质量分数差异均达到显著性水平(P ＜0.05)。通过两两比较可以发现，表层土壤(0 ＜h≤20 cm)有机碳质量分数与下层土壤(20 cm ＜h≤60 cm)之间差异显著。这主要是由于枯枝落叶与表层土壤直接接触，且表层土壤中分布较多的细根，这些都是土壤有机碳的重要来源。

表2 不同森林类型不同土层土壤有机碳质量分数

3.2 土壤碳储量比较

根据土壤有机碳质量分数、土层厚度、土壤密度与石砾含量计算的土壤碳储量结果(表3)。神农架马尾松林、华山松林和巴山冷杉林0 ～60 cm 土壤深度总碳储量分别为57.79、116.07、170.62 t·hm－2，巴山冷杉林土壤总碳储量比马尾松林和华山松林分别高195.24%和47.00%，说明巴山冷杉林在神农架地区比其他针叶林具有更强的有机碳蓄存能力。经检验3 种针叶林土壤总碳储量及各土壤深度碳储量差异均达到显著性水平(P ＜0.05)。神农架马尾松林、华山松林和巴山冷杉林表层土壤有机碳储量分别为24.88、51.83、68.18 t·hm－2，与解宪丽等［7］对我国针叶林20 cm 土壤厚度平均有机碳储量测定值(37.7 t·hm－2)相比，神农架地区华山松林和巴山冷杉林表层土壤碳储量均大于全国针叶林土壤碳储量平均值，说明神农架这2 种针叶林类型土壤具有较强的碳储存能力。

表3 不同森林类型不同土层土壤有机碳储量

3.3 土壤碳储量与平均胸径的关系

森林生态系统碳的收入主要包括地上生物量和土壤有机碳，地上植被通过光合作用、凋落物分解等途径将有机碳转入土壤中，因此，地上生物量和土壤有机碳是有联系的［12］。神农架马尾松林、华山松林和巴山冷杉林平均胸径分别为9.7、13.2、23.5 cm。对针叶林土壤总碳储量(0 ＜h≤60 cm)与样地平均胸径进行回归分析，结果如图1所示。从图中可知，土壤碳储量与平均胸径呈正相关，土壤碳储量随着林木胸径的增加有逐渐增大的趋势。经检验回归方程达到极显著水平(P=0.000 2)。这可以说明神农架地区天然针叶林林分平均胸径能较准确的反映土壤碳储量水平，可以用林木胸径作为神农架针叶林土壤碳储量的指示指标。

图1 土壤碳储量与平均胸径的关系

3.4 土壤碳储量与灌木生物量的关系

神农架马尾松林、华山松林和巴山冷杉林灌木层生物量分别为8.18、5.40、44.66 t·hm－2，变异系数分别为30.36%、41.85%、125.08%。其中:巴山冷杉林下灌木层生物量变异程度非常大。根据22个样地调查结果可知，华山松林下灌木层生物量大多低于马尾松林，而巴山冷杉林下灌木层生物量与另外两种针叶林无固定变化规律。对土壤总碳储量(0 ～60 cm)与林下灌木层生物量进行相关分析，发现两者之间相关性不显著(P =0.233 8)，这与神农架针叶林林下灌木层生物量变化规律不明显有关。

3.5 土壤碳储量与凋落物现存量的关系

凋落物的分解是土壤有机碳的重要来源，关于凋落物存储量、质量以及分解速率对土壤碳储量的影响已有学者进行了广泛研究［13－16］。神农架马尾松林、华山松林、巴山冷杉林凋落物现存量分别为0.81、1.35、8.11 t·hm－2。神农架针叶林土壤碳储量与林地地表凋落物现存量的相关性如图2所示。从图中可知，土壤碳储量与地表凋落物呈正相关，土壤碳储量随着地表凋落物现存量的增加而增大。经检验回归方程达到极显著水平(P ＜0.000 1)。

图2 土壤碳储量与凋落物现存量的关系

4 结论与讨论

研究不同森林类型的土壤有机碳储量及影响因素，可为维持和增加森林植被的土壤碳储量提供理论依据，同时为最适宜的土地利用方式的制定提供参考［17］。许多研究结果表明土壤有机碳储量在不同森林类型中差异较大。杨金艳等［10］研究了东北东部典型的6 种次生林生态系统的土壤有机碳，结果表明不同森林类型之间的土壤有机碳储量存在显著差异，变化范围为94 ～220 t·hm－2。这主要是由于不同森林类型的树种组成不同，因而冠层的光合能力不同，输入土壤中的有机物的种类、产量和质量也不同。本研究对同一地区的3 种针叶林土壤碳储量研究结果显示，土壤有机碳储量随着土壤深度的增加而减小，其中表层土壤碳储量均占总碳储量的40%以上，表现出明显的表聚性，这与以前的研究结果一致［17－18］。巴山冷杉林土壤碳储量显著高于另外两种针叶林，这种差异可能与部分巴山冷杉林分为原始林，生长年限长，人为干扰活动极少，以及其所处的地理环境更有利于土壤有机碳的积累有关。

目前，关于土壤有机碳储量随林分生长变化研究较少且结论争议较大。王洪岩等［12］对兴安落叶松林木个体大小(胸径与树高)与土壤碳储量的关系进行了研究，结果表明，林木平均大小与深层土壤(＞40 cm)有机碳显著负相关(P ＜0.05)，而表层与深层有机碳储量比值随林木大小的增大呈显著上升趋势(P ＜0.05);何志斌等［19］研究发现祁连山青海云杉林表层土壤有机碳含量与灌木生物量呈显著正相关关系。本研究中土壤碳储量与平均胸径呈极显著正相关关系(P ＜0.01)。而土壤碳储量与灌木层生物量关系不显著(P≥0.05)，这与前人研究结论并不一致。主要是因为神农架巴山冷杉林下灌木层生物量差异非常大，在海拔高于2 500 m 的地方，多数巴山冷杉林下箭竹生长茂密，盖度达到100%，本次试验，其中2 个巴山冷杉林样地灌木层生物量均大于100 t·hm－2，与生物量最小的样地相差近70倍，这就造成神农架地区针叶林林下灌木层生物量变化规律不明显，并导致土壤碳储量与灌木层生物量关系不显著。

凋落物对土壤碳储量的影响研究较为广泛，研究结果表明凋落物是影响土壤有机碳的重要因子，且凋落物存储量与土壤碳储量具有正相关关系［20］。本研究中土壤碳储量与凋落物现存量呈极显著正相关，相关系数达到0.615 5，进一步验证了前人的研究结论。通过本次试验研究，可以说明地表凋落物现存量是表征土壤碳储量的良好指标。

海拔也是影响神农架3 种主要针叶林土壤碳储量的一个重要因素。本研究所设置样地海拔分布从587 ～2 862 m，3 种针叶林分别分布于低、中、高3 个海拔梯度。随着海拔的升高，气候(降水量和气温)、土壤类型等都发生了显著变化。分布于低海拔的马尾松林，由于气温较高，有利于土壤动物和微生物群落的活动，土壤有机物质分解较快，积累缓慢，土壤呼吸释放量大。而分布于高海拔的巴山冷杉林，由于土壤湿度大，并且温度低，影响动植物残体的分解，大部分以有机物形式沉积在土壤中。另外，低海拔地区的马尾松林主要分布在神农架国家级自然保护区外面，人口密度较大，森林受一定程度人为活动干扰也是造成土壤碳储量较低的一个重要原因。

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