辽宁省老秃顶子不同林分类型土壤有机碳储量和碳氮垂直分布特征1)

赵俊勇 孙向阳 李素艳 刘艳 张骏达 范俊岗

(北京林业大学，北京,100083) (辽宁省林业科学研究院)



辽宁省老秃顶子不同林分类型土壤有机碳储量和碳氮垂直分布特征1)

赵俊勇 孙向阳 李素艳 刘艳 张骏达 范俊岗

(北京林业大学，北京,100083) (辽宁省林业科学研究院)

以老秃顶子毛榛子灌丛、岳桦林、云冷杉与枫桦混交林、落叶阔叶林4种典型林分为对象，研究不同林分土壤有机碳质量分数和全氮质量分数的垂直分布特征及其与其它土壤基本属性(土壤m(碳)∶m(氮)、全磷质量分数、全钾质量分数、密度和pH值)的相关关系。结果表明：不同林分的土壤有机碳、全氮质量分数都随着剖面深度的增加有明显的降低，且不同土壤层次间呈现显著性差异。不同林分土壤有机碳和全氮质量分数平均值分别在23.45～46.98、1.42～2.91 g/kg，其中云冷杉、枫桦混交林的土壤有机碳和全氮质量分数最高，分别为46.98、2.91 g/kg。各林分土壤m(碳)∶m(氮)平均值从大到小依次为岳桦林带、云冷杉与枫桦混交林、落叶阔叶林、毛榛子灌丛带；各林分0≤h<50 cm土层土壤有机碳储量从大到小依次为云冷杉与枫桦混交林、毛榛子灌丛带、岳桦林带、落叶阔叶林带，分别为96.36、89.73、81.93和66.16 t/hm2。与土壤有机碳质量分数呈显著负相关的为土壤密度，呈极显著负相关的为土壤pH值，没有显著相关性的为土壤m(碳)∶m(氮)、全磷质量分数、全钾质量分数。

土壤有机碳；土壤有机碳储量；垂直分布；林分类型；老秃顶子

We estimated soil organic carbon (SOC) storage and its vertical distribution under difference forest types, includingCorylusmandshuricaMaxim brushwood,Betulaermaniiforest,Picea-AbiesandRibbedBirchmixed forest, deciduous broad-leaved forest in Laotudingzi Mountain of Liaoning Provence. The content of SOC and total nitrogen (TN) decreased with increasing soil depth on all of the four soil profiles, and the content of SOC and TN showed significantly differences among layers. The content of SOC and TN inPicea-AbiesandRibbedBirchmixed forest were the highest among the four forest types (46.98 and 2.91 g/kg, respectively). The content of SOC and TN in four forest soils ranged from 23.45 to 46.98 g/kg and from 1.42 to 2.91 g/kg, respectively, in the descending order ofPicea-AbiesandRibbedBirchmixed forest,CorylusmandshuricaMaxim brushwood,Betulaermaniiforest, and deciduous broad-leaved forest. The mean C/N was in the descending order ofBetulaermaniiforest (18.1),Picea-AbiesandRibbedBirchmixed forest (16.2), deciduous broad-leaved forest (16.2), andCorylusmandshuricaMaxim brushwood (16.1). The descending order of SOC storage of 0-50 cm soil layer wasPicea-AbiesandRibbedBirchmixed forest (96.36 t/hm2),CorylusmandshuricaMaxim brushwood (89.73 t/hm2),Betulaermaniiforest (81.93 t/hm2), and deciduous broad-leaved forest (66.16 t/hm2). Correlations analysis showed significantly positive correlations between SOC and TN, and highly negative correlation between pH, but no significant correlations between C/N, total phosphorus and total potassium.

土壤是陆地生态系统中最大的碳库[1]，占陆地总碳库的2/3～3/4，在0～100 cm土层内，全球约有1 500 Pg有机碳储量[2]，是陆地植被碳储量的3倍，大气碳储量的2倍[3]。全球土壤有机碳总量中2/3以上的有机碳来自森林土壤，森林土壤的碳汇功能在控制大气CO2等温室气体浓度上升和有效调节碳平衡方面具有重要的作用[4]。因此，森林土壤有机碳储量及其分布的研究已成为有机碳循环研究不可缺少的部分。研究不同植被条件下的土壤有机碳储量及相关规律是分析和预测全球碳循环的重要环节[5]。森林土壤有机碳是土壤质量和土壤肥力的评价依据，也是近年来的热点研究问题。森林土壤有机碳的研究受地形、植被和人类活动影响比较大，在大尺度上估算森林土壤有机碳储量存在很大的误差，因此准确评估某个山区或林地等小尺度上有机碳储量对于进一步估算大尺度上森林生态系统土壤碳储量显得尤为重要[6]。目前已有学者对西部高寒地区、西南山地、秦岭山地和部分典型山地等生态系统的土壤有机碳储量垂直分布做了大量的相关研究，如百花山典型林分土壤有机碳储量及垂直分布特征等，但是对辽宁省老秃顶子山地土壤有机碳的研究几乎是空白。

本实验选取老秃顶子4种不同林分作为研究对象，初步探讨了其土壤有机碳、全氮质量分数及垂直分布特征。结果为我国北方森林土壤碳相关的研究积累基础数据，也为合理评测国内森林土壤有机碳储量提供参考，并有助于制定可持续的增加土壤有机体储量的森林经营措施[7]。

1 研究区域概况

研究区域位于辽宁东部，距桓仁县城70 km，总面积1.5万hm2。地理坐标东经124°49′06″～124°57′08″，北纬41°16′38″～41°21′10″。该区域气候属北温带大陆性季风气候。年降水量829.8 mm，降水较多；年平均湿度在70%，年最高气温约38 ℃，年最低气温约-32 ℃，年平均温度在8 ℃，年平均无霜期一般在120 d以上[8]。

老秃顶子植被大部分以天然次生林为主，少部分为天然林，具有显著的垂直分布带[9]500。海拔<950 m为落叶阔叶林带，950≤海拔<1 050 m为云冷杉与枫桦等共建种组成的混交林带，1 050≤海拔<1 180 m为云冷杉暗针叶林带，1 180≤海拔<1 250 m为岳桦林带，1 250≤海拔<1 290 m为中山灌丛带，海拔>1 290 m为毛榛子灌丛带。土壤类型主要以棕壤和暗棕壤为主，多由花岗岩残积母质发育而成，结构疏松，有机质质量分数高，适宜多种植物的生长繁育。主要的树种有鱼鳞云杉(Piceajezoensis)、黄桦(Betulacostata)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、红松(Pinuskoraiensis)等，还混生有少量紫杉(Taxuscuspidata)、簇毛槭(Acerbarbinerve)、岳桦(Betulaermanii)和水榆花楸(Sorbusalnifolia)等[9]501。

2 研究方法

2.1 样地设置

选取辽宁省老秃顶子海拔963 m落叶阔叶林、1 036 m云冷杉与枫桦混交林、1 185 m岳桦林带、1 300 m毛榛子灌丛带4种典型林分土壤为研究对象。4种林分均为成熟天然次生林。根据实地情况在4种林分中分别设置3个面积为20 m×15 m的样地，样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

2.2 样品采集

在每个标准样方内按S型布点法取4个土壤剖面，除去表面的枯枝落叶层，每个剖面按0≤h(土层深度)<10 cm、10 cm≤h<20 cm、20 cm≤h<50 cm取样，将各样方各取样点土壤样品混合均匀后带回实验室，共计48个土样。同时，每一层用环刀取样，用于测定土壤密度。

2.3 样本分析

样品经自然风干，然后除去杂质，用四分法取样并过2 mm筛备用。土壤密度采用常规方法测定，高温外热重铬酸钾容量法用来测定土壤有机碳质量分数[10]。氢氧化钠熔融—火焰光度计法测定土壤全钾质量分数，硫酸—高氯酸消煮法用于测定土壤全磷质量分数，pH计法测定土壤pH值，半微量凯氏法测定土壤全氮质量分数[11]。

2.4 数据处理

土壤剖面的有机碳储量计算公式[12]为

Cd=Ci×Di×Ei×(1-Gi)÷10。

式中：Cd为土壤有机碳储量(t/hm2)；Ci为土壤有机碳质量分数(g/kg)；Di为土壤密度(g/cm3)；Ei为土层厚度(cm)；Gi为直径>2 mm的石砾所占的体积分数(%)。

采用Excel 2013进行数据处理和分析，用SPSS 18.0进行数据单因素方差分析、LSD法多重比较及相关性的分析。用LSD法进行方差分析，比较各林分全碳质量分数、全氮质量分数、m(碳)∶m(氮)、有机碳储量的差异性，用同样方法测同一林分不同层次之间的差异性。对土壤有机碳质量分数和土壤基本理化性质之间进行回归分析，以找到影响土壤有机碳质量分数的因素。

3 结果与分析

3.1 不同林分土壤有机碳质量分数垂直分布特征

4种林分中，云冷杉与枫桦混交林土壤有机碳质量分数最高，其次岳桦林带和毛榛子灌丛带，落叶阔叶林最小(见表2)。各林地中，0≤h<10 cm土壤有机碳质量分数均显著高于其它层次，占整个剖面土壤有机碳质量分数的49%～61%。落叶阔叶林、毛榛子灌丛带、岳桦林带、云冷杉与枫桦混交林中0≤h<10 cm土壤有机碳质量分数分别是10 cm≤h<20 cm中的2.1、1.5、1.4、1.3倍。

表2 不同林分土壤有机碳质量分数

注：表中数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异显著(P<0.05)；同行不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异显著(P<0.01)。

3.2 不同林分土壤全氮质量分数垂直分布特征

由表3可知，各林分0≤h<10 cm土层全氮质量分数在2.52～4.31 g/kg，全氮质量分数从大到小依次为云冷杉与枫桦混交林、毛榛子灌丛带、岳桦林带、落叶阔叶林带。各个林分的0≤h<10 cm土壤有机碳质量分数占土壤剖面的48%～59%，说明土壤全氮质量分数也表现出明显的表聚现象[13]。各林分的土壤全氮质量分数随着土层深度加深呈递减趋势，且各土层之间差异显著，这与土壤有机碳的垂直分布规律基本一致。

表3 不同林分土壤全氮质量分数

注：表中数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异显著(P<0.05)；同行不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异显著(P<0.01)。

3.3 不同林分土壤有机碳储量

各林分随着土层的加深，有机碳储量明显下降，且表现为差异显著(见表4)。各林分0≤h<50 cm有机碳储量从大到小依次为云冷杉与枫桦混交林、毛榛子灌丛带、岳桦林带、落叶阔叶林带。0≤h<10 cm土层有机碳储量占剖面有机碳总储量百分比从大到小依次为落叶阔叶林带、岳桦林带、云冷杉与枫桦混交林、毛榛子灌丛带。随着土层的加深，各土层所占比重均有明显下降趋势。

表4 不同林分土壤有机碳储量

注：表中数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异显著(P<0.05)；同行不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异显著(P<0.01)。

3.4 土壤m(碳)∶m(氮)变化规律

各林分土壤剖面的m(碳)∶m(氮)=14.47～21.03，均小于25，说明氮素容易被矿化[14]。在岳桦林带0≤h<10 cm土层m(碳)∶m(氮)=21.0，是所有林分不同土层中的最大值；最小值出现在毛榛子灌丛带20 cm≤h<50 cm，土壤m(碳)∶m(氮)=14.5。毛榛子灌丛带和岳桦林带的土壤m(碳)∶m(氮)随着土壤剖面深度增加不断减小，符合土壤m(碳)∶m(氮)在剖面的一般变化规律[15]，然而云冷杉与枫桦混交林和落叶阔叶林带没有明显的此规律。除云冷杉与枫桦混交林的20 cm≤h<50 cm土层的m(碳)∶m(氮)为其剖面的最大值，其余3个剖面的m(碳)∶m(氮)的最大值均出现在0≤h<10 cm。土壤m(碳)∶m(氮)各层次的最大值分别出现在岳桦林、云冷杉与枫桦混交林。

表5 不同林分土壤m(碳)∶m(氮)

注：表中数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异显著(P<0.05)。

3.5 土壤有机碳与其它理化因子之间的相关关系

4种林分土壤有机碳质量分数与土壤全氮质量分数存在极显著的正相关关系，相关系数在0.882～0.936。各林分的土壤有机碳质量分数与密度之间存在显著负相关关系。除毛榛子灌丛土壤有机碳质量分数与pH值之间无显著的相关性外，其他林分土壤有机碳质量分数与pH值之间存在极显著负相关。各林分土壤有机碳质量分数与土壤m(碳)∶m(氮)、全磷质量分数、全钾质量分数均无显著相关性。

表6 土壤有机碳与其它理化因子之间的相关关系

注：** 表示P<0.01；*表示P<0.05；n=3。

4 结论与讨论

4.1 土壤有机碳和全氮质量分数、m(碳)∶m(氮)的分布特征

本研究4种林分土壤有机碳、全氮质量分数变化具有明显的垂直分布特征，都随着剖面深度的增加而显著减少，这与之前很多研究的结果一致[16]。同一林分不同土层间有机碳质量分数逐层递减，并存在显著的差异性，其主要原因是不同土层间有机质的输入存在很大的差异[17]。一般来说，各林分枯枝落叶、地表植被凋落物和植物根系是有机质的输入的主要部分。土壤有机碳主要集中在0≤h<20 cm土层，占整个剖面的一半以上，说明土壤有机碳具有表聚特征。土壤表层积累了大量的枯枝落叶和植物凋落物使得表层土壤有机碳质量分数高；且表层土壤结构较好、土壤体积质量小、透气透水性好，有利于凋落物的分解，也间接提高了有机碳质量分数。而氮素主要以生物固氮、植物残体和大气沉降为主要归还途径[18]。各林分间土壤有机碳、全氮质量分数分布受林分类型、土壤理化性质、土壤微生物类型、枯落物的转化分解等方面的综合影响。

微生物分解有机质最适的m(碳)∶m(氮)≈25∶1[19]，调查区域土壤剖面m(碳)∶m(氮)均<25∶1，说明该区域的有机氮容易矿化，直接导致土壤无机氮增加，能够为植物提供足够的氮素，同时也容易造成土壤中氮素的大量流失。造成土壤m(碳)∶m(氮)较低的原因可能是在900 m以上高海拔处温度低导致微生物活动不活跃，从而导致枯落物和土壤有机质的分解速率降低[20]。

4.2 土壤有机碳储量分布特征

不同林分有机碳来源及其数量和质量的不同是森林土壤有机碳储量存在差异的主要原因。不同林分0≤h<10 cm土层有机碳储量均占整个剖面有机碳储量的47%以上；0≤h<20 cm，有机碳储量在整个土壤有机碳储量中占的比重大于65%，且随着土层的加深，土壤有机碳所占比重明显下降，说明土壤有机碳储量具有表聚现象，这与梁启鹏等研究结果一致。但是该地区0≤h<20 cm土壤有机碳储量高于前人研究的37%～49%，可能与研究区域所处的气候、降雨和环境因素有关。之前的研究表明，土壤有机碳质量分数与海拔呈线性正相关关系。但在本研究中发现云冷杉与枫桦混交林有机碳储量最大，与前人研究不符，需要进行再深入的研究。

4.3 土壤有机碳与其理化因子之间的相关性

各林分土壤有机碳质量分数与全氮质量分数存在极显著正相关关系，这与之前很多研究结果都相同。除毛榛子灌丛带土壤有机碳质量分数与pH值无显著相关外，其余林分土壤有机碳质量分数与pH值存在极显著负相关关系；各林分的土壤有机碳质量分数与密度相关性显著；然而各林分土壤有机碳质量分数与m(碳)∶m(氮)、全磷质量分数、全钾质量分数之间不存在显著的相关关系。这说明各林分土壤有机碳质量分数和分布规律受土壤理化理化性质和其林分类型的影响[21]。

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Soil Organic Carbon Storage and Vertical Distribution of Carbon and Nitrogen under Different Forest Types in the Laotudingzi Mountain of Liaoning//

Zhao Junyong, Li Xiangyang, Li Suyan, Liu Yan, Zhang Junda

(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China);

Fan Jungang

(Liaoning Academy of Forestry)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：65-68，78.

Soil organic carbon; Soil carbon storage; Vertical distribution; Forest types; Laotudingzi Mountain

赵俊勇，男，1992年1月生，北京林业大学林学院，硕士研究生。E-mail：827940048@qq.com。

孙向阳，北京林业大学林学院，教授。E-mail：sunxy@bjfu.edu.cn。

2016年3月1日。

S715.3

1)国家科技基础性工作专项(2014FY120700)。

责任编辑：戴芳天。