神农架巴山冷杉林土壤碳密度空间分布格局

崔鸿侠 潘磊 庞宏东

摘 要： 以神农架巴山冷杉林二类清查资源数据为基础，通过建立土壤碳密度与林分平均胸径的关系模型，估算土壤有机碳密度，探讨土壤碳密度的空间分布特征。结果表明：神农架巴山冷杉林0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分别为7525 t·hm-2和13089 t·hm-2。土壤碳密度最小值出现在海拔2 200 m以下，最大值出现在海拔2 800～3 000m。巴山冷杉林在北坡土壤碳密度最大，而东南坡土壤碳密度最小。巴山冷杉林随着年龄的增加，土壤碳密度有逐渐增加的趋势，与幼龄林相比，过熟林0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分别高1566%和1647%。

关键词： 神农架；巴山冷杉；土壤碳密度；分布格局

中图分类号：S718.5 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2015）05-0001-03

目前森林土壤有机碳密度及空间分布为全球有机碳循环研究的热点[1-3]，但国内有关区域或国家尺度上森林土壤有机碳密度的估算主要基于土壤普查资料和文献数据获得，由于缺乏全面、详细、可靠的实测数据，使得估算结果还存在较大的不确定性[4-6]，同时对森林生态系统碳密度的研究更加关注森林植被，对森林土壤研究还相对不足[7-9]。

神农架森林为亚热带向温带过渡区，是全球气候变化的敏感响应区 。但目前对神农架森林土壤有机碳密度及其空间分布特征的研究还未见报道。本论文以神农架典型森林类型巴山冷杉林土壤为研究对象，通过大量的土壤有机碳密度实测数据，建立土壤碳密度与地上植被因子关系模型，估算神农架巴山冷杉林土壤有机碳密度，探讨土壤有机碳密度的空间分布特征。

1 研究区概况

研究区位于神农架林区（东经109°56′～110°58′ ，北纬 31°15′～31°75′），是全国唯一以“林区”命名的行政区。神农架一直以其生物多样性古老、丰富且特有性强著称，是华中地区唯一的原始森林分布区，其植被和土壤类型垂直谱带十分完整，地带性显著，被当作我国亚热带中、北亚带的分界线。神农架林区最高峰神农顶海拔3 1054 m，成为华中第一峰。神农架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。年平均气温110～122 ℃，多年平均日照率为42%，相对湿度为73%～75%，平均年降水量为800～2 500 mm，主要集中在夏季，降水量随海拔增高而增加，平均年蒸发量500～800 mm，从总体上看属于湿润气候带。

巴山冷杉Abies fargesii是神农架亚高山地区最重要的建群种，也是神农架地区分布面积最广的针叶林类型，并分布着大片原始林。巴山冷杉林在整个神农架成“离散”分布，全区巴山冷杉林面积约4349 km2，占全区总面积的16%。主要分布于神农顶、大小神农架、巴东垭、猴子石、板壁岩、金猴岭、大窝坑、老君山等高海拔地区，在海拔2 000 m以上陆续出现，海拔2 500 m开始成林。

2 研究方法

2.1 资料来源

森林资源数据采用2009年神农架二类调查的298个巴山冷杉林小班数据。

2.2 样地设置与调查

在神农架巴山冷杉林分布区域，选择不同海拔、坡向、年龄的巴山冷杉天然林进行分层抽样，共设置样地20个，样地面积为20 m×20 m。记录样地经纬度、海拔、坡度、坡位、坡向等信息。乔木层主要调查树种组成、郁闭度、胸径、树高、林分密度等；在各样地内均匀布设5个2 m×2 m的灌木样方，主要调查灌木层物种种类、盖度、高度等。

2.3 土样采集与处理

在每个样地按S形布设5个采样点，挖土壤剖面，按照0～20 cm和20～40 cm 2个土壤层次，先用100 cm3环刀取样，再用布袋取混合样，将5个采样点同一层的土样混合均匀，留取1～2 kg土样带回实验室，将带回的混合土壤样品去除动植物残体和石砾等杂物后，自然风干并研磨过100目筛，用于测定土壤有机碳含量。

2.4 土壤样品测定

土壤密度测定采用环刀法；土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化外加热法。

土壤碳密度计算公式为：CSO=C×D×E×（1-G）/10，式中：CSO 为土壤碳密度（t·hm-2）；C为土壤有机碳含量（g·kg-1）；D为土壤密度（g·cm-3）；E为土层厚度（cm）；G为直径>2 mm的石砾所占的体积比例（%）。

2.5 土壤碳密度估算模型

根据样地土壤碳密度实测值与乔木层平均胸径生长量，建立不同土层厚度土壤碳密度与平均胸径的关系模型。

2.6 数据分析

采用Microsoft Excel和 SAS 9.2统计软件进行数据处理分析。

3 结果与分析

3.1 土壤碳密度估算

对不同土壤厚度碳密度分别与平均胸径进行回归分析，回归模型见表1。可以看出，不同厚度土壤碳密度与平均胸径均呈显著正相关（P<005）。根据回归模型，估算得出神农架巴山冷杉林20 cm和40 cm厚度土壤碳密度分别为7525 t·hm-2和13089 t·hm-2。

表1 土壤碳密度与平均胸径关系

土层回归模型FPr>FR2样本数量N

0～20y=1.154 4x+45.640 88.160.040 50.311 9200～40y=2.107 4x+76.846 212.140.025 10.410 420

3.2 不同海拔土壤碳密度分布

神农架巴山冷杉林土壤碳密度随海拔的升高呈先增加后降低的趋势（见图1），但总体上表现为高海拔土壤碳密度大于低海拔。在2 800～3 000 m的海拔梯度上达到最大值，20 cm和40 cm土壤碳密度分别达8243 t·hm-2和13675 t·hm-2，随后土壤碳密度略有下降。土壤碳密度的最低值出现在小于2 200 m的海拔梯度上，20 cm和40 cm土壤碳密度分别达6459 t·hm-2和11969 t·hm-2。在海拔2 600 m以上，土壤碳密度变化幅度较小，而且比海拔2 400 m以下土壤碳密度有较大提高，这可能与高海拔地区分布有较大面积巴山冷杉原始林有关。从碳密度在不同土壤深度的分配比例来看，0～20 cm土壤碳密度占0～40 cm总碳密度的54%～60%。

3.3 不同坡向土壤碳密度分布

神农架巴山冷杉林土壤碳密度在不同坡向的分布情况如图2所示。可以看出，土壤碳密度在不同坡向存在一定差异，20 cm和40 cm土壤碳密度在不同坡向的变化范围分别为6999～8123 t·hm-2和12130～13769 t·hm-2，北坡土壤碳密度最大，其后依次为东北坡、西北坡、西南坡、西坡、南坡、东坡，而东南坡土壤碳密度最小。土壤碳密度在不同坡向的分布总体表现为阴坡和半阴坡大于阳坡和半阳坡，这可能与巴山冷杉为喜阴树种，在阴坡生长更好有关，另外阴坡一般湿度大、温度低，这有利于土壤有机碳的积累。

3.4 不同龄组土壤碳密度分布

神农架分布有不同年龄的巴山冷杉林，包括平均年龄在100 a以上的成熟林和过熟林，主要为原始林；上世纪中期原始林采伐后更新形成的近熟林，以及近几十年通过人工栽植等措施形成的幼龄林和中龄林。神农架不同龄组巴山冷杉林土壤碳密度的分布情况如图3所示。从图中可知，20 cm和40 cm土壤碳密度在不同龄组的变化范围分别为7210～8339 t·hm-2和12515～14576 t·hm-2，随着年龄的增加，土壤碳密度有逐渐增加的趋势。与幼龄林相比，过熟林20 cm和40 cm土壤碳密度分别增加1129 t·hm-2和2061 t·hm-2，增加幅度分别为1566%和1647%。

4 小结

（1）神农架巴山冷杉林0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分别为7525 t·hm-2和13089 t·hm-2。

（2）神农架巴山冷杉林土壤碳密度在海拔梯度上总体表现为高海拔大于低海拔，土壤碳密度最小值出现在海拔2 200 m以下，0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分别为6459 t·hm-2和11969 t·hm-2；土壤碳密度最大值出现在海拔2 800～3 000 m，0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分别为8243 t·hm-2和13675 t·hm-2。

（3）神农架巴山冷杉林北坡土壤碳密度最大，其后依次为东北坡、西北坡、西南坡、西坡、南坡、东坡，而东南坡土壤碳密度最小。0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度在不同坡向的变化范围分别为6999～8123 t·hm-2和12130～13769 t·hm-2。

（4）神农架巴山冷杉林随着年龄的增加，土壤碳密度有逐渐增加的趋势。0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度在不同龄组的变化范围分别为7210～8339 t·hm-2和12515～14576 t·hm-2。与幼龄林相比，过熟林20 cm和40 cm土壤碳密度分别增加1566%和1647%。

参 考 文 献

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（责任编辑：郑京津）