闽北毛竹林土壤有机碳含量特征及其影响因素

钟兆全

(福建省顺昌县国有林场，福建 南平 353200)

闽北毛竹林土壤有机碳含量特征及其影响因素

钟兆全

(福建省顺昌县国有林场，福建 南平 353200)

以闽北毛竹林为研究对象，通过野外调查获取林分、地形和土壤相关基础数据，分析毛竹林土壤有机碳含量与林分因子及地形因子间的关系，探讨毛竹林土壤有机碳含量的主要影响因子。结果表明：闽北毛竹林土壤有机碳含量随土层深度的增加而逐渐减小，总体均值为(25.55±12.05)g·kg-1，变异系数为47.16%；不同土层中，毛竹林土壤有机碳含量与立竹度和海拔呈正相关关系，与叶面积指数和坡度呈负相关关系，且下坡位大于上坡位，阴坡高于阳坡。逐步回归分析和通径分析结果表明，海拔、立竹度和叶面积指数是毛竹林土壤有机碳含量的主要影响因子，并构建利用海拔、立竹度和叶面积指数估算闽北毛竹林土壤有机碳含量的回归方程。该结果对准确估算森林碳储量具有重要意义。

毛竹林；土壤有机碳；林分因子；地形因子

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，其有机碳储量达1550 Pg C[1]，分别是大气碳库的2倍和陆地植被碳库的3倍[2]。森林土壤碳库约占陆地土壤碳库的73%，是陆地生态系统最大的碳库，其较小幅度的变化均能引起大气CO2浓度的巨大变化[3]，因此森林土壤在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用。而森林土壤有机碳作为土壤碳库的主要组成部分，不仅可以直接影响土壤肥力，而且其与大气中碳的周转循环对全球气候变化有着重要影响[4]。因此，分析土壤有机碳含量及其影响因素对于森林土壤碳循环及土壤碳库平衡的研究都具有重要意义。

毛竹(Phyllostachysedulis)是我国南方重要的森林资源，在区域碳循环中发挥重要作用。据第八次全国森林资源清查显示，在我国约有毛竹林面积443.01万hm2，占竹林总面积的73.71%[5]，并且近年来毛竹林面积有不断增大的趋势，因此对毛竹林土壤有机碳的研究非常必要。已有众多学者[6-8]对毛竹林土壤有机碳特征及其影响因素进行研究，但主要集中于不同经营措施对毛竹林土壤有机碳的影响，且研究对象多处于地形简单区域。而关于地形复杂的闽北毛竹林土壤有机碳的研究目前还鲜有报道，特别是对闽北大空间尺度背景下毛竹林土壤有机碳与林分因子及地形因子间相互作用关系的研究更少，这在一定程度上给闽北森林土壤有机碳含量的准确估算带来一定困难。本研究以闽北毛竹林为研究对象，通过野外调查，研究毛竹林土壤有机碳的垂直分布特征，分析闽北毛竹林土壤有机碳含量和林分因子及地形因子间的相互关系，探讨毛竹林土壤有机碳含量的主要影响因子，以期为闽北毛竹林乃至全国森林有机碳储量的准确估算提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

顺昌县大干镇位于福建省西北部(图1)，隶属于南平市(117°29′—118°14′E、26°38′—27°12′N)，是福建省重要林区。研究区属中亚热带海洋性季风气候，气候温和，雨量充沛，年平均降水量达1756 mm，年均气温18.5 ℃，年无霜期305 d。境内水系发达，主要河流包括富屯溪和金溪，地貌以低山丘陵为主，土壤类型以红壤为主。全县森林资源丰富，林地面积16.87万hm2，主要优势树种有马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、毛竹等，其中毛竹林面积达3.21万hm2，是中国十大竹乡之一。

图1 研究区地理位置图

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集与处理 2016年6月，在研究区内进行实际勘察基础上，依据毛竹林的分布情况布设了51个25.82 m×25.82 m的毛竹纯林样地，样地间距离>500 m，林分起源均为人工林。采用麦哲伦海王星400手持GPS确定每块样地的位置，同时记录每个样地立竹度和叶面积指数等林分因子及各样地的坡度、坡向、坡位和海拔等地形因子(表1)。在样地内挖取一个典型的土壤垂直剖面，在距表层0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm各取约500 g土样装入塑料袋，并带回实验室让其自然风干。袋内土样自然风干后，取部分土样过0.149 mm土筛，用于土壤有机碳含量的测定。采用重铬酸钾—外加热法测定土壤有机碳含量[9]。

1.2.2 数据统计分析 采用Excel 2007和SPSS 21.0对数据进行分析和图表处理。采用K-S检验分析土壤有机碳含量是否服从正态分布；应用独立样本t检验比较毛竹林不同坡向土壤有机碳含量的差异；利用单因素方差分析不同土层、不同坡位毛竹林土壤有机碳含量的差异，并用最小显著性差异法(Least—Significant Difference，LSD)进行多重比较；通过逐步回归分析法和通径分析法分析海拔、坡度、坡向、坡位、立竹度和叶面积指数对毛竹林土壤有机碳含量的影响程度及交互作用程度。

2 结果与分析

2.1 不同土层深度土壤有机碳含量特征

毛竹林土壤有机碳含量的垂直分布统计特征见表2。从表2可知，闽北毛竹林土壤有机碳含量总体均值为(25.55±12.05)g·kg-1，变异系数为47.16%；随土层深度增加毛竹林土壤有机碳含量不断减小，A层土壤有机碳含量比B层高29.76%，比C层高41.14%，且A层与B层间存在显著差异(P<0.05)；不同土层深度毛竹林土壤有机碳含量的变异系数大小依次为：C层>B层>A层，且均属于中等变异性；研究区不同土层深度土壤有机碳含量均呈正态分布，从偏度系数和峰度系数可知其分布均右偏且呈高峰态。

表1 样地基本情况

表2 不同土层深度毛竹林分土壤有机碳含量的统计特征

*：同列不同小写字母为毛竹林不同土层间差异显著(P<0.05)。

2.2 影响因素分析

2.2.1 林分因子对毛竹林有机碳含量的影响 立竹度和叶面积指数主要影响森林植被生物量及林地土壤有机碳的补充，因此对毛竹林土壤有机碳含量有着显著影响。闽北毛竹林不同土层土壤有机碳含量均随立竹度的增加而增加，而随叶面积指数的增加而逐渐减小(图2)；相关分析结果表明：毛竹林A层土壤有机碳含量与立竹度不存在显著差异(P>0.05)，与叶面积指数呈极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为0.2339、-0.3867；B层土壤有机碳含量与立竹度呈显著正相关(P<0.05)，与叶面积指数呈显著负相关(P<0.05)，相关系数分别为0.3061、-0.3400；C层土壤有机碳含量与立竹度不存在显著差异(P>0.05)，与叶面积指数呈显著负相关(P<0.05)，相关系数分别为0.2663、-0.3426。

A、B、C分别为土壤A层、B层、C层。下同。图2 不同土层毛竹林土壤有机碳含量与立竹度和叶面积指数的关系

2.2.2 地形因子对毛竹林有机碳含量的影响 地形因子主要通过影响气温和降水等而间接影响林地土壤养分。海拔主要通过影响气温和降水量引起土壤养分的变化，坡度主要影响微地形的太阳辐射和水土平衡进而引起不同坡度土壤有机碳含量的差异。闽北毛竹林不同土层土壤有机碳含量均随海拔的增加而逐渐增加(图3)，这是由于气温会随海拔升高而降低，相应会引起土壤温度降低，而低土壤温度会抑制土壤微生物活性，从而缓解有机碳分解；随着坡度的增加，毛竹林土壤有机碳含量呈现逐渐减少的趋势，可能原因在于研究区部分区域出现水土流失现象，导致土肥主要集中于下坡位，使坡度低的位置有利于土壤有机碳的积累和补充。相关分析结果表明：毛竹林不同土层的土壤有机碳含量与海拔均呈极显著正相关，相关系数分别为0.4497、0.4420、0.4102；除A层土壤有机碳含量与坡度不存在显著差异外，B层和C层均呈显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.2186、-0.3530、-0.3282。

图3 不同土层毛竹林土壤有机碳含量与海拔和坡度的关系

坡位和坡向对太阳辐射有着明显的影响，从而制约林地土壤有机碳含量。不同坡位和坡向条件下毛竹林土壤有机碳含量的变化情况见表3，从表3可以看出，闽北毛竹林不同土层土壤有机碳含量在坡位上的分布规律为：下坡>中坡>上坡，原因主要在于区域的土壤侵蚀现象导致土壤养分主要集中在下坡位置；阳坡的土壤有机碳含量为(22.59±10.90)g·kg-1低于阴坡(28.97±12.62)g·kg-1，这是由于阴坡太阳辐射强度小，光照时间短，湿度大，可以有效缓解有机碳的分解，有利于土壤有机碳的积累；另一方面，闽北地区地处降水丰富的亚热带季风气候区，阳坡常为迎风坡，易形成地形雨，因此阳坡降雨强度往往大于阴坡，使阳坡土壤有机碳流失可能性增加。t检验结果表明，毛竹林土壤有机碳含量在不同坡向分布上没有显著差异(P>0.05)。方差分析结果表明：除A层上坡与下坡土壤有机碳含量存在显著差异外(P<0.05)，毛竹林土壤有机碳含量在B层和C层的不同坡位分布不存在显著差异(P>0.05)；除下坡在不同土层土壤有机碳含量不存在显著差异外(P>0.05)，其余坡位和坡向条件的土壤有机碳含量在A层和B层均存在显著差异(P<0.05)。

表3 不同坡位、坡向毛竹林土壤有机碳含量

*：同列不同小写字母为毛竹林不同土层间差异显著(P<0.05)。

2.3 不同因素对土壤有机碳含量的影响程度

森林生态系统中的众多因素不仅会单独影响林地土壤有机碳含量，而且各影响因素存在交互作用共同制约着林地土壤有机碳含量，由于传统统计学难以体现各因素影响土壤有机碳含量的重要性，因此研究采用逐步回归分析和通径分析探讨各影响因素对土壤有机碳含量的影响程度及交互作用程度。

2.3.1 逐步回归分析 本文选择影响闽北毛竹林土壤有机碳含量的海拔(X1)、坡度(X2)、坡位(X3)、坡向(X4)、立竹度(X5)、叶面积指数(X6)进行逐步回归分析，并通过F检验和t检验，建立了毛竹林不同土层土壤有机碳含量与各影响因素的逐步回归方程(表4)。

表4 毛竹林土壤有机碳含量与影响因素的逐步回归统计

上述结果表明，不同土层中不同影响因素对闽北毛竹林土壤有机碳含量的影响程度不同：分土层而言，A层中海拔和叶面积指数是影响毛竹林土壤有机碳含量的主要因素，B层中海拔、坡度、坡向和立竹度是土壤有机碳的重要影响因素，C层中海拔、坡度和叶面积指数是影响毛竹林土壤有机碳含量的主要因素。不同土层中海拔均为影响毛竹林土壤有机碳含量的首要因素，总体上海拔、立竹度和叶面积指数是影响毛竹林土壤有机碳的重要因素，而海拔又是影响土壤有机碳含量的最主要因素，叶面积指数和立竹度次之，表明毛竹林土壤有机碳含量是不同因素综合作用的结果。

2.3.2 通径分析 对不同土层影响因素进行逐步回归分析后，再对不同土层中进入逐步回归方程的影响因素与土壤有机碳含量进行通径分析，结果见表5～表8。

从表5～表8可知，A层中海拔对土壤有机碳含量起直接正效应，叶面积指数对土壤有机碳含量起直接负效应，直接通径系数分别为0.406、-0.345；间接通径系数表明海拔通过叶面积指数对土壤有机碳的间接作用最大，其间接通径系数达0.044。B层中海拔、坡向、立竹度均对土壤有机碳含量起直接正效应，而坡度对土壤有机碳含量起直接负效应，直接通径系数分别为0.392、0.331、0.272、-0.276。间接通径系数表明立竹度通过坡度对土壤有机碳的间接作用最大，其间接通径系数达0.064。C层中海拔对土壤有机碳含量起直接正效应，坡度和叶面积指数对土壤有机碳含量起直接负效应，直接通径系数分别为0.361、-0.289、-0.278；间接通径系数表明海拔通过叶面积指数对土壤有机碳的间接作用最大，其间接通径系数达0.038。全剖面不同土层有机碳含量均值中海拔和立竹度对土壤有机碳含量起直接正效应，叶面积指数对土壤有机碳含量起直接负效应，直接通径系数分别为0.432、0.264、-0.325；间接通径系数表明海拔通过叶面积指数对土壤有机碳的间接作用最大，其间接通径系数达0.042。这可能是因为毛竹林叶面积指数受人为干扰影响大，而不同海拔条件下的土壤受人类活动影响差异明显，因此叶面积指数在不同的海拔区间对土壤有机碳含量影响较大。总之，通径分析结果表明，海拔以及海拔与其他因素的交互作用是影响不同土层毛竹林土壤有机碳含量变化的主要因素，且影响机理各有不同。

表5 影响因素对土壤有机碳含量的通径分析(A层)

表6 影响因素对土壤有机碳含量的通径分析(B层)

表7 影响因素对土壤有机碳含量的通径分析(C层)

表8 影响因素对土壤有机碳含量的通径分析(全剖面)

3 结论与讨论

闽北毛竹林土壤有机碳含量垂直分布呈现随土层深度的增加而降低的规律，这与何平等[10]关于闽西毛竹林土壤有机碳含量的研究结果相一致。不同土层土壤有机碳含量差异的主要原因在于：土壤有机碳主要来源于动植物残体，由于土壤表层大量积累的腐烂枯枝落叶等动植物残体所形成的腐殖质最先进入土壤表层，而后到达更深的土层，加上植被根系密度随土层深度的增加而不断减小，因而土壤有机碳含量随土层深度的增加而不断减小。这就要求在毛竹林的经营过程中要注意保护林下植被以提高土壤有机碳养分的再利用。本研究结果表明，闽北毛竹林土壤有机碳含量为(25.55±12.05) g·kg-1，高于中国毛竹林平均水平(19.60±6.10) g·kg-1[11]，说明闽北毛竹林土壤有机碳含量极为丰富；此外，研究区毛竹林土壤有机碳含量高于闽西格氏栲天然林的土壤有机碳含量(17.60±12.00) g·kg-1[12]，其主要原因在于不同林分类型在枯枝落叶层厚度、根系生物量、凋落物数量及结构等方面存在空间差异，导致森林土壤有机碳含量在空间分布上的差异。

森林土壤有机碳含量主要体现的是动植物残体等有机物质的输入过程和以土壤微生物分解作用为主的有机物质输出过程间的动态平衡过程[13]。闽北毛竹林土壤有机碳含量与叶面积指数呈负相关关系，主要原因是叶面积指数过大会限制森林光照、湿度等因素，从而制约土壤微生物活动和动植物残体的分解。研究区毛竹林土壤有机碳含量随海拔升高而不断增加，且阳坡小于阴坡，这与唐鹏辉等[14]对秦岭南坡红桦林土壤有机碳含量的研究结果基本一致，原因在于气温随海拔升高而逐渐降低，抑制了微生物活性，从而缓解有机碳的分解，而阳坡光照强度大，温度高，不利于有机碳的积累。在坡位和坡度水平上，闽北毛竹林土壤有机碳含量随着坡度的增加而逐渐减少，且下坡位高于上坡位，其可能原因是研究区降水丰富，部分山区存在水土流失现象，导致坡面中上部流失的土肥主要集中于下坡位，使坡度低的位置有利于土壤有机碳的积累和补充。

采用逐步回归分析和通径分析探讨影响因子对土壤有机碳含量的影响程度及交互作用程度，结果表明，在全剖面中，影响毛竹林土壤有机碳含量的主要因子是海拔、立竹度和叶面积指数，它们与毛竹林土壤有机碳含量间的关系均可用回归方程表达，包含海拔、立竹度和叶面积指数的回归方程可作为估算闽北毛竹林土壤有机碳含量的参考模型。坡度、坡向和坡位未能进入回归模型，原因可能是闽北地区水热条件好，不同坡度、坡向及坡位下环境条件的差异对毛竹林分生物量的影响有限，这与唐鹏辉等[14]的研究结论类似。通径分析结果表明，海拔是影响不同土层毛竹林土壤有机碳含量的主要因子，因此在毛竹林的经营过程中，要重视海拔高度对毛竹林生长的影响。

毛竹林是我国南方重要的森林资源，研究毛竹林土壤有机碳影响因素，可为毛竹林土壤肥力保持提供基础数据。本研究从林分因子和地形因子2方面研究毛竹林土壤有机碳含量的影响因素及其影响程度，得到毛竹林土壤有机碳增加的相关结论，由于森林生态系统土壤有机碳含量是林分密度、郁闭度、凋落物数量等林分因子，坡度、坡向等地形因子及降水、气温等气候因子综合作用的结果，因此，今后将收集凋落物数量及气候因子数据进一步分析毛竹林土壤有机碳含量差异的影响因素，使之更准确地服务于林业基层毛竹林经营管理。

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Characteristics of Soil Organic Carbon Content and Its Influencing Factors ofPhyllostachysedulisForest in North of Fujian Province

ZHONG Zhaoquan

(State-ownedForestFarmofShunchangCounty，Nanping353200，Fujian，China)

The relationship between soil organic carbon content and forest factors and topographical factors was analyzed to discuss main influencing factors of soil carbon content by acquiring stand，terrain and soil related data on the basis ofPhyllostachysedulisforest in the north of fujian province.The results showed that contents of soil organic carbon ofPhyllostachysedulisforest in the north of Fujian decreased with increased soil depth，its whole mean was (25.55±12.05)g·kg-1and coefficient was 47.16%；in different soil layers，soil organic carbon content ofPhyllostachysedulisforest was positively correlated with the culm density and the elevation while negatively correlated with the leaf area index and the slope，and downslope was more than upslope while shady slope was more than sunny slope.Results of stepwise regression analysis and path analysis showed that the main influence factors of soil organic carbon content were elevation，culm density and leaf area index that were used to construct the regression equation of soil carbon content ofPhyllostachysedulisforest in the north of Fujian.The results are important for estimating forest carbon stocks accurately.

Phyllostachysedulisforest；soil organic carbon；forest factors；terrain factors

2016-10-24；

2016-12-18

福建省高校产学研合作项目(适应区位生态功能的生态公益林优化经营关键技术研究与示范，2015N5010)；福建省引导性项目(毛竹经营模式遥感评判及高效经营关键技术研究与示范，2016N0003)

钟兆全(1964—)，男，福建福清人，福建省顺昌县国有林场高级工程师，从事森林资源经营管理研究。E-mail：sclyzzq@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.02.007

S714.2；S795.7

A

1002-7351(2017)02-0036-07