地形因子对大兴安岭北端寒温带针叶林土壤有机碳储量的影响

林维，崔晓阳

(东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040)

地形因子对大兴安岭北端寒温带针叶林土壤有机碳储量的影响

林维，崔晓阳*

(东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040)

为研究地形因子对寒温带针叶林土壤有机碳储量的影响，本文选取黑龙江省大兴安岭北端(122° 40′ 52″～126° 20′ 03″ E，51° 40′ 46″～53° 20′ 15″ N)针叶林区，按照坡位、坡向差异，对称设置20块样地，采集1 m剖面内不同发生层土样进行有机碳含量测定。结果表明，研究区1 m土壤剖面内有机碳密度范围为8.14～23.39 kg/m2，有机碳含量及密度均为中等变异(O层除外)。土壤有机碳表层聚集特征明显，大部分集中于O层和A层。地形因子(坡位、坡向、坡度)对土壤有机碳含量及密度影响明显，有机碳含量及密度表现为下坡高于上坡，阴坡高于阳坡(AB层和B层除外)，A层及1 m剖面土壤有机碳密度随坡度增大而减小。由于阴下坡最有利于有机碳积累，所以应更好地利用优势地形，科学引导植被高效健康生长，充分发挥其生态效能。同时也可通过该研究为我国寒温带森林地区土壤有机碳储量及分布的准确估算提供科学依据。

大兴安岭北端；寒温带针叶林；地形因子；土壤有机碳含量；土壤有机碳密度

0 引言

储藏着大量有机碳的森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，在全球碳循环中扮演着重要角色，对全球气候变化有重要影响[1-2]。森林土壤中的有机碳储量可达全球有机碳库的一半，因此其细微变化都可能引起大气CO2浓度的改变，甚至影响全球气候，所以森林土壤中有机碳的储藏分布及时空变化都受到全球有机碳循环或气候变化研究者的高度关注[3-5]。

北方寒温带土壤含碳量占全球土壤碳库20%～60%，在全球碳循环中起重要作用[6]。由于气候变化，近来数据表明在北方陆地生态系统中仅有少量二氧化碳(CO2)被吸收[7]，作为大气碳汇的高纬度陆地生态系统中的森林土壤，其功能也许会发生改变甚至逆转[8]。因为森林土壤有机碳主要分布在深度为1m的土壤内，易受到气候变化和人类活动干扰，同时还有土壤类型、成土母质、植被类型、地形因子、管理经营方式等诸多因子的复合影响，致使其在森林土壤中的储藏分布具有极大的空间变异性和不均匀性[9-10]，这样使得主要基于土壤普查资料估算的森林土壤有机碳储量及密度具有很大的不确定性[2-3，11]。

因坡向、坡位、海拔等地形因素控制着小尺度区域的水热资源再分配，从而会影响土壤有机碳空间储藏分布及变异，因此起伏变化的地貌景观对森林土壤中的有机碳有着重要影响[12]。地形因子对于土壤有机碳含量的影响在我国已有大量研究[13-15]，坡向、坡位等地形因素在小尺度区域可作为主导因子对土壤含水率、土壤质量、光照热量等产生影响，从而影响着有机碳储藏分布及变异[16-17]。

大兴安岭地处我国寒温带，森林生态系统较为脆弱，因此在全球变暖永冻层消退的背景下，该区域森林生态系统的保护及固碳能力的研究就显得极为重要。本文将以大兴安岭北端针叶林为例，在区域气候、植被类型和土壤类型较为一致的前提下，测定不同地形(坡位、坡向、坡度)土壤有机碳含量及其密度，分析讨论其在寒温带森林土壤中的储藏分布特征，为我国寒温带森林地区土壤有机碳储量及分布提供准确估算的科学依据，同时探索并利用优势地形，科学引导植被高效健康生长，充分发挥其生态效能。

1 研究方法

1.1 样地描述

本实验研究区域位于黑龙江省境内大兴安岭北端(122° 40′ 52″～126° 20′ 03″ E，51° 40′ 46″～53° 20′ 15″ N)，包括阿木尔、图强、塔河、十八站、韩家园等林业局。区域气候属寒温带大陆性气候，冬季漫长而严寒，夏季短暂而湿热，年平均气温-4.94 ℃，最高气温31.4 ℃，发生在6～7月间；最低气温-47.2 ℃，发生在1月份。降水量432.0 mm，降水集中在7～8月间。区内为典型的低山、丘陵(台原)地貌，海拔大部分在300～500 m，地形起伏较平缓，坡度多在10°～25°。地带性土壤类型为寒温带针叶林下发育的棕色针叶林土(暗瘠寒冻雏形土，CST)，其母质以花岗岩或片麻岩风化坡积物为主。地带性植被是以兴安落叶松(Larixgmelinii)为主的明亮针叶林，并伴有少量白桦(Betulaplatyphylla，)。由于受上世纪六十至八十年代大面积采伐影响，及八十年代至本世纪初的火烧干扰，大兴安岭地区原始林破坏严重，所以现在均为恢复后林分，林相较为稀疏[18-22]。因此，在具有相似气候特征、植被类型及火烧干扰前提下，地形可能将成为影响该区域土壤有机碳积累和分布的主要因素之一。

1.2 样品采集

为研究地形因子对土壤有机碳含量及密度的影响，在上述区域范围内选取较为典型的兴安落叶松(混生白桦)林地，按坡位(上/下)、坡向(阴/阳)差异，对称设置20块样地(20 m ×20 m)。通过实地观察，该区域范围内海拔差异较小，不足以引起气候和植被的垂直分布差异，所以未考虑海拔因素。

选取每块样地的典型部位(避开明显的凹凸微地形)作为1个主剖面，以凋落物层(O层)、腐殖质层(A层)、过渡层(AB层)、淀积层(B层)、母质层(C层)为依据分层取样，并保证每个样点每一土层取样量相同。由于O、A层的空间变异性较大，所以可在主剖面外增设2个辅助样点采集O、A层土样。剖面深度控制在1 m(不足1 m者按实际深度)内，该深度均可将B层完整采集，但大部分仅能采集到C层上部。每个土层采用原位立方土柱法取样：现场记录土层深度，然后按自上而下顺序采样，土柱取样深度亦即土层厚度；将立方土柱内的土壤和石砾全部收集在容器中，若下部土层含大量石砾致使取样体积不规则时，可采用薄膜袋注水法测量取样体积[23]。

1.3 样品制备与整合

将去除根系后的土壤鲜样放在阴凉干燥通风处无损风干并称重(W1)，后将其轻压碎(O层用植物粉碎机粉碎)过2 mm筛，并取分样测定吸湿水含量。制样过程中筛出的2 mm以上石砾应合并称重(W2)，以计算石砾含量；土壤容重根据W1和实际取样体积计算。过2 mm筛的土样在容器内充分混匀，取适量装瓶备用；另取适量进一步用玛瑙球磨碎，过100目筛，混匀，用以测定有机碳含量。考虑到工作量较大，在土样过2 mm筛后对3个重复样进行质量加权混合制成一个代表样。

1.4 土样分析方法

土壤样品的有机碳含量(SOCC)直接利用C/N元素分析仪 (Heraeus Elementar Vario EL，Hanau，Germany) 测定。土壤有机碳密度计算方法如下：

SOCD=SOCC×d×D×(1-G)×10-2。

式中：SOCD为土壤有机碳密度，kg/m2；d为土壤容重，g/cm3；D为土壤深度，cm；G为>2mm的石砾含量，%。

土样颗粒组成用吸管法测定[24]，土壤石砾含量和土壤容重测定如1.3所述。

1.5 数据统计

本文数据采用Excel软件进行图表处理，通过使用Origin9.1对各地形因子与土壤有机碳含量及密度关系作图分析，采用SPSS 16.0数据统计包对不同坡位、坡向、坡度的土壤有机碳进行独立样本T检验。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳的总体数量特征

各土壤发生层有机碳含量和有机碳密度详见表1，由于O层为凋落物层，其有机碳含量明显高于其它层次。各土层有机碳含量相应变化趋势为O层>A层>AB层>B层>C层，表明随土层深度增加，土壤有机碳含量不断骤减，同时土壤有机碳含量变异程度不断增大，按变异程度等级划分均属中等变异[25](O层除外)。

有机碳密度是单位面积内一定深度土体中土壤有机碳的储量，是评价和衡量土壤中有机碳储量的重要指标。通过表1可知，本研究区域中各土层有机碳密度为A层最大(占全剖面的46.5%)，表层集聚效应明显，O层明显低于A层，但A层明显高于AB层，AB层与B层相近，B层明显高于C层。有机碳密度与有机碳含量的变异系数具有相同的变化趋势，按变异程度等级划分[25]，均属中等程度变异(O层除外)。1m剖面土壤有机碳密度范围为8.14～23.39 kg/m2，算术平均值为13.62 kg/m2，其变异程度也属于中等变异。

表1 不同土壤层次有机碳含量和有机碳密度(x±s，n=20)Tab.1 Organic carbon content and density in different soil layers(x±s，n=20)

2.2 坡位的影响

如图1所示，各土层有机碳含量总体表现为下坡高于上坡，尤其在A层最为明显。剖面垂直分布中，O层有机碳含量显著高于其它各土层，同时随土层深度增加，土壤有机碳含量下降，上下坡位间有机碳含量差值逐渐减小(O层除外)，在C层中已无明显差异。

坡位对土壤有机碳密度的影响更加明显，同一土层不同坡位间有机碳密度均表现为下坡高于上坡，在A层中差异最大。在土壤垂直剖面上(O层除外)，随土层深度增加，土壤有机碳密度和上下坡位间对应土层中有机碳密度差值均逐渐减小，在C层已无明显差异。

2.3 坡向的影响

由图2可以看出，在各土层有机碳含量中，O 层和A层表现为阴坡高于阳坡，且差异性显著(p<0.05)，尤其在O层最为明显；在AB层和B层中，阳坡大于阴坡，且在AB层中差异性显著(p<0.05)；C层中阳坡低于阴坡，差异不明显。在剖面的垂直分布中，O层有机碳含量显著高于其它各土层，同时随土层深度增加，土壤有机碳含量和不同坡向间对应土层中有机碳含量差值均逐渐减小。

坡向对土壤有机碳密度的影响也较为明显，在各土层土壤有机碳密度中，O层和A层表现为阴坡高于阳坡；在AB层和B层中为阴坡低于阳坡；C层中无差异。在土壤垂直剖面上(O层除外)，随土层深度增加，土壤有机碳密度和不同坡向间对应土层中有机碳密度差值均逐渐减小(O层和B层除外)，在C层无明显差异。

2.4 坡度的影响

如图3所示，全部样地从整体上统计，A层及整个1m剖面土壤有机碳密度表现为随坡度增大而减小，相关性不显著(p>0.05)，若按上下坡分组进行统计，有机碳密度与坡度相关性也不显著(数据未显示)。尽管上下坡点据分布较为分散，但分群特征明显。

图1 不同坡位各土层有机碳含量和有机碳密度(x±s，n=20)Fig.1 Soil organic carbon content and density in various soil layers of different slope positions(x±s，n=20)

图2 不同坡向各土层有机碳含量和有机碳密度(x±s，n=20)Fig.2 Soil organic carbon and density in various soil layers of different slope aspects(x±s，n=20)

图3 土壤有机碳密度与坡度的关系(n=19)Fig.3 Relationship between soil organic carbon density and slope gradient(n=19)

3 讨论

3.1 土壤有机碳总体分布特征

在森林生态系统中，地表植被凋落物是该系统土壤中有机碳的主要来源，其在自然环境中的矿化分解、转化累积及与微生物相互作用等过程都会对森林生态系统中有机碳的储藏分布产生重要影响[26-27]。在本研究区域中，土壤有机碳均主要集中于表层，且O、A两层差异明显，这与许多研究结果一致[28-30]。原因是作为该区域土壤有机碳重要输入者之一的植物根系，在土层中分布较浅，主要集中于表层(A层)，随土层深度增加而减少，同时地表凋落物也是土壤有机碳主要来源，本区域纬度高气温低(地下均有永冻层)，控制着影响土壤微生物活性和土壤动物活跃度的温度、水分和养分等环境因子，且随土层深度增加而愈发明显，使土壤有机质的分解释放速率降低，导致土壤生物带入深层土壤的有机碳数量及土层深度有限[31]，所以本研究区域土壤有机碳含量在全国森林土壤中处于较高水平[32]，并主要聚集在表层。另外O、A两层有机碳含量及密度差异明显，且O层有机碳含量高密度小，原因可能为该区域纬度高气温低，地表凋落物分解转化速率慢，使得有机碳在O层堆积，同时相对于A层，O层只含有少许土壤矿物质，容重极小，因此导致其有机碳含量高密度小，且有机碳含量明显高于A层，但密度反之。土层从上到下其有机碳含量和密度(A层除外)的变异系数均逐渐增大，变化范围都属于中等变异(O层有机碳含量除外)，是本区域森林土壤特征之一[33]。

3.2 坡位对土壤有机碳含量及密度的影响

由于坡位支配着地表及土壤中的水热资源及生态系统中的物质循环，所以其对植被和土壤的垂直分布有着重要影响，同时坡位也会导致土壤侵蚀堆积的发生，影响着土壤有机碳的储藏分布[34]。本研究区域中，下坡有机碳含量及密度明显高于上坡，随土层深度增加，有机碳含量及密度均减少，这与许多研究结果一致[35-37]。在低海拔地区，坡位对有机碳的储藏分布同样有着重要影响，上坡位含水量较低，土质疏松通透性好，对有机质分解有利[38]；另外，坡位的增加将增强太阳辐射，减弱水分对土壤的固持能力，不利于植被生长[39]，而且也导致土壤侵蚀堆积的发生，将上坡位的有机碳转移至下坡位，同时增加下坡位土层厚度，提高林分生产力，增大凋落物输入量[36]，植被根系分布及凋落物输入的增多，必然增强土壤微生物和土壤动物的活力，为有机质的转化积累及运输提供动力，也为其进入较深土层提供了可能，所以下坡位土壤中有机碳含量和密度均高于上坡位对应各土层，但由于本区域地处寒温带，深层土壤温度较低，甚至终年结冰，土壤动物及土壤微生物在土层中活动深度受限，因此在深度较大的土层中上下坡位有机碳含量及密度无明显差异[36]。

3.3 坡向对土壤有机碳含量及土壤碳密度的影响

由于坡向主要通过光热影响土壤有机碳含量和密度，阳坡光热较强，土壤水分大量蒸发，不利于水土固持，致使有机碳随土壤流失，影响植被生长，减少凋落物输入和植被根系分布；较强光热带来的土壤升温，增加土壤微生物和土壤动物活跃度，不利于表层土壤有机质积累，同时还会将有机碳转移至更深层土壤中；然而阴坡有着较为适当的光热条件，利于光合作用，植被生长良好，对土壤水分养分涵养较好，增加植被凋落物输入和土层中根系分布[40]，但由于地处寒温带，阴坡深层土壤温度较低，甚至终年结冰，对土壤微生物和土壤动物活动具有抑制作用，不利于表层土壤有机质的深层转移。因此在本研究区域表层土壤中，有机碳含量和密度表现为阳坡小于阴坡，较深土层为阳坡大于阴坡，但差异并不明显。

3.4 坡度对土壤有机碳密度的影响

全部样地从整体上统计，A层及整个1m剖面土壤有机碳密度均与坡度负相关，原因可能为坡度对土壤侵蚀有着重要影响，坡度增大，土壤侵蚀作用加剧，导致土壤固持能力及养分水分均下降。坡度较大的上坡，受重力及地表径流冲刷作用较强，土壤有机质、养分水分等也会随地表径流转移至坡度较小的下坡，导致植被生长较差，土壤有机质输入减少，且随坡度增大而愈发明显；坡度较小的下坡，拥有合理的土壤结构和充足养分，植被生长良好，凋落物较多，加上上坡流失而来的有机碳，使其拥有较高的土壤有机碳密度[40-43]。尽管上下坡点据分布较为分散，但分群特征明显，说明该地区坡位对土壤有机碳密度分布的影响主要通过坡度来实现。

4 结论

通过分析各地形因子对大兴安岭北部寒温带针叶林土壤有机碳的影响，初步得出以下结论：

(1)研究区1 m土壤剖面有机碳密度范围为8.14～23.39 kg/m2，有机碳含量及密度的变异程度均为中等变异(O层除外)。土壤有机碳表层聚集特征明显，大部分集中于O层和A层。

(2)坡位、坡向及坡度对土壤有机碳的空间分布影响均较为明显，有机碳含量及密度表现为下坡明显高于上坡，阴坡高于阳坡(AB层和B层除外)，A层及1 m剖面土壤有机碳密度与坡度负相关。

(3)大兴安岭北端的寒温带森林生态系统较为脆弱，因此在全球变暖永冻层消退的背景下，该区域森林生态系统的保护及固碳能力的研究就显得极为重要。由于坡度较小的阴下坡最有利于有机碳积累，所以应充分利用地形优势，科学引导植被高效健康生长，充分发挥其生态效能。

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The Influences of Topographic Factors on Soil Organic Carbon Storagein Cool Conifer Forest in the North of Great Xing’an Mountain

Lin Wei，Cui Xiaoyang*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to study the influences of topographic factors on soil organic carbon storage in cool conifer forest，soil samples were symmetrically collected from 20 plots in the north of Great Xing’an Mountain in Heilongjiang Province(122° 40′ 52″～126° 20′ 03″ E，51° 40′ 46″～53° 20′ 15″ N).The content of organic carbon of different soil layers were measured on the basis of the difference of aspects and positions of the slope.The result showed that the organic carbon density within one-meter soil profile ranged from 8.14 to 23.39 kg·m-2and the organic carbon content and density belong to medium mutation except for O layer.Most of the soil organic carbon concentrated obviously in the O layer and A layer.Besides，the storage and density of soil organic carbon were affected significantly by the terrain factors(the positions，aspects and gradients of the slope).Both of them at downhill were significantly higher than those at uphill，meanwhile ones at the shady slopes were higher than those at the sunny slopes(except for AB layer or B layer).At the same time，the profile of soil organic carbon density in A layer and 1 m profile decreased with increasing slope gradient.It is better to take good advantage of the terrain and make plants flourish to let them grow ecologically since the shady slopes and downhill are the most favorable to the accumulation of organic carbon.In addition，this study also provides scientific basis for accurately assessing the storage and distribution of soil organic carbon in boreal forest.

north of Great Xing’an Mountains；boreal forest；topographic factor；soil organic carbon content；soil organic carbon density

2016-11-21

国家“十三五”重点研发计划(2016YFA0600803)；国家自然科学基金重点项目(41330530)资助

林维，硕士研究生。研究方向：森林土壤学。

林维，崔晓阳.地形因子对大兴安岭北端寒温带针叶林土壤有机碳储量的影响[J].森林工程，2017，33(3)：01-06.

S 714

A

1001-005X(2017)03-0001-06

*通信作者：崔晓阳，博士，教授。研究方向：森林土壤学。

E-mail：c_xiaoyang@126.com