长白山西部不同林型土壤有机碳和全氮的分布特征

宋彦彦，张 言，赵忠林，管清成*，李英爱，徐丽娜

(1.吉林松江源森林生态系统国家定位观测研究站，吉林 长春 130022；2.吉林省林业勘察设计研究院，吉林 长春 130022)

土壤是陆地生态系统的核心，土壤圈是地球表面最大的碳库，总碳储量(TC)约为2 300 Pg(1 m土体)[1]。植物的生长发育主要营养源是土壤中的有机碳和氮素，因此，这2项指标不仅是土壤质量评价重要参考指标之一，而且是土地可持续利用管理的主要理论依据[2]。碳氮比值影响着土壤中有机碳和氮的循环，常被看作土壤质量的敏感指标[3-4]。土壤碳库是陆地生态系统最大的有机碳库，W.H.Schlesinge[5]指出以有机碳储存于土壤中约有1 400～1 500 Gt，是全球陆地植被碳库的2～3倍，R.K.Dixon[6]通过总结大量文献得到森林土壤碳库约占全球陆地土壤有机碳库的73%。不同生境条件下林分类型不同其树种的异质性明显，从而影响着生态系统土壤有机碳和全氮含量及碳汇等功能[7-8]。目前，关于土壤有机碳及碳汇方面研究比较多[9-14]，这些文献结果表明土壤有机碳无论是在全国尺度还是省域尺度上均存在较高的空间异质性，这对于我国土壤碳库的精确估算带来较大的不确定性，因此，对于不同地区的土壤有机碳和全氮及碳氮密度的分布特征研究具有较大的意义。

东北林区是中国的主要林区，森林面积占全国森林总面积的31.4%，在我国碳汇计量和生态环境建设中起着举足轻重的作用[15]。本研究以长白山西部阔叶混交天然林、针阔混交天然林、落叶松人工林3种森林类型为研究对象，采用野外调查与室内分析相结合的方法，分析了长白山林区3种典型林分类型土壤有机碳和全氮质量分数，碳氮比、碳密度和氮密度的分布特征，旨在为该地区森林生态系统的碳汇功能的评估提供科学依据。

1 研究区概况

研究点设在吉林省白石山林业局，位于蛟河市境内张广才岭南端，地理位置为127°20′-128°01′E，43°17′-43°51′N。属于中温带大陆性季风气候，平均海拔500～700 m,年平均气温3.3℃，最热月(7月)平均气温2℃，最冷月(1月)平均气温-19℃。年平均降水量720 mm，6-8月降水占全年降水的60%以上，全年无霜期120～135 d。本区土壤以森林暗棕壤为主，平均土层厚度20～100 cm，植物属长白植物区系，以北温带植物成分为主，植物种类多样，分布复杂。地带性植被为红松阔叶混交林，植被类型主要有森林、灌丛和草甸。森林群落内垂直成层现象明显，乔木树种主要包括红松(Pinuskoraiensis)、色木槭(Acermono)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、云杉(Piceaasperata)、蒙古栎(Quercusmongolica)、落叶松(Larixgmelinii)、紫椴(Tiliaamurensis)、大青杨(Populusussuriensis)、裂叶榆(Ulmuslaciniata)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)等。灌木主要包括暴马丁香(Syringareticulata)、东北鼠李(Rhamnusdavurica)、簇毛槭(A.barbinerve)、瘤枝卫矛(Euonymuspauciflorus)、毛榛子(Corylusmandshurica)、金银忍冬(Loniceramaackii)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

选取白石山林业局具有代表性的天然阔叶混交林、天然针阔混交林及人工落叶松林3种典型的林地土壤，根据白石山森林资源规划设计调查，天然阔叶混交林占全区林分的40%，在天然阔叶混交林设置具有代表性的5块20 m×20 m样地，其他2个林型设置3块20 m×20 m的标准样地，共获样地11块(表1)。

2.2 样品采集和处理

在标准样地边界随机挖取3个土壤剖面，除去地表凋落物后进行采样，以10 cm为一层采样。剖面取土(层次：0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm)，阔叶混交天然林取样到70 cm，采集样品数101，针阔混交天然林取样到60 cm，采集样品数52，落叶松人工林取样到50 cm，采集样品数51，本次试验采集样品数共204。用土壤环刀(100 cm3)在各层取原状土样测定土壤容重，同时取500 g左右土样装入样品袋，记录编号，用于土壤有机碳和全氮的测定。将采集的样品带回实验室，仔细去除环刀内土样的植物根系和石砾，于阴凉处自然风干后用四分法过0.25 mm筛，编号待测。凯氏定氮法测定全氮，重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳[16]。

表1 样地的立地状况Table 1 Site conditions of the sample plots

2.3 数据处理

土壤有机碳(氮)密度的计算公式为[17-18]:

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100

(1)

式中：Ci为土壤有机碳(全氮)质量分数(g·kg-1)，Di为容重(g·cm-3)，Ei为土壤层厚度(10 cm)，Gi为直径>2 mm的石砾所占的体积百分比(%)，SOCi为土壤有机碳(氮)密度(kg·m-2)。

如果土壤剖面有k层组成，该剖面的土壤有机碳(氮)密度为k层之和(SOCD，kg·m-2)：

(2)

采用单因素方差分析研究比较3种林型土壤有机碳和全氮质量分数垂直分布特征的差异，差异显著的指标进行多重比较(应用SPSS18.0和Excel2007)。

3 结果与分析

3.1 不同林型土壤有机碳、全氮质量分数、碳氮比及碳密度、氮密度

从表2看出，3种林型土壤有机碳质量分数和碳密度差异显著，阔叶混交天然林显著>落叶松人工林(P<0.05)，而针阔混交天然林与其他2种林型差异不显著(P>0.05)。3种林分类型大小变化规律一致为阔叶混交天然林>针阔混交天然林>落叶松人工林，碳密度变化范围在16.28～27.64 kg·m-2。3种林分类型土壤全氮质量分数和氮密度差异不显著(P>0.05)，全氮质量分数的变化范围在4.80～5.62 g·kg-1，氮密度变化范围在4.44～5.79 kg·m-2。阔叶混交天然林C/N值为4.77，针阔混交天然林C/N值为4.07，落叶松人工林C/N值为3.14。

3.2 不同林型各土层土壤容重、有机碳、全氮质量分数、碳氮比及垂直分布特征

从表3可以看出，不同林型土壤容重在垂直分布特征一致，随着层次加深，土壤容重总体呈递增趋势，但50 cm以后土壤容重逐渐趋于平稳，差异不显著。其中阔叶混交天然林表层土壤容重(仅为0.96 g·kg-1)较低，可能与其有机碳质量分数最高(100.09 g·kg-1)有关。对不同林型同一土层的土壤容重进行方差分析，结果表明，20～30 cm和30～40 cm土层均值之间存在显著差异(P<0.05)，其他土层差异不显著。

表2 不同林型土壤有机碳、全氮、C/N及碳密度和氮密度Table 2 Soil organic carbon,total nitrogen,C/N,carbon density and nitrogen density in different forest types

注：表中数据为平均值±标准差，下同；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

不同林型土壤有机碳质量分数剖面分布规律一致，随土壤深度增加而降低，与土壤容重垂直变化相反。各个林型0～10 cm土层的有机碳质量分数显著高于其他各层，变化范围为59.78～100.09 g·kg-1，占土壤剖面的31%～58%，土壤有机碳向表层富集，表聚现象明显，这与王棣[19]等、耿增超[20]等的研究结果一致。对不同林分类型同一土层有机碳质量分数进行比较，在0～10、10～20、20～30、50～60 cm土层中，土壤有机碳质量分数均值之间存在显著差异，表现为阔叶混交天然林最大，针阔混交天然林其次，落叶松人工林最小。全氮垂直分布与土壤有机碳相似，各个林型表土层(0～10 cm)最大，变化范围为8.14～12.49 g·kg-1，占土壤剖面的28%～39%，由此可知土壤全氮的表聚现象相对土壤有机碳较差。对不同林分类型同一土层全氮质量分数进行比较，10～20 cm土层差异显著，阔叶混交天然林最大，均值10.59±1.12 g·kg-1，针阔混交天然林最小，均值5.70±0.60 g·kg-1。

3种林型碳氮比值在各个土层均无显著差异，整体上看，随着土壤剖面深度的增加有不断减小的变化规律，到50 cm又出现升高，各个林型的变化规律都不相同。相同的是0～10 cm土层C/N值最大，变化范围为7.50～8.48。

3.3 土壤有机碳密度和氮密度的垂直分布特征

根据公式(1)可以算出每层土壤有机碳(氮)密度，从图1可以看出3种林分类型的碳密度变化趋势相同，都随着土层深度的增加而降低，其中，0～10 cm土层的碳密度最大，变化范围8.39～9.87 kg·m-2。3种林型之间的土壤有机碳密度在10～20 cm和50～60 cm土层存在着显著差异(P<0.05)，其中10～20 cm土层阔叶混交天然林显著>其他2种林分类型，为7.12 kg·m-2；50～60 cm土层落叶松人工林显著<其他2种林分类型，为0.54 kg·m-2。3种林型之间的土壤总氮密度差异均不显著，阔叶混交天然林底层70～80 cm氮密度最小，为0.16 kg·m-2，针阔混交天然林表层0～10 cm土层氮密度最大，为1.32 kg·m-2。土壤氮密度的垂直规律跟碳密度的类似，但比碳密度的变化规律较差。

表3 不同林型各土层土壤容重、有机碳和全氮及C/N垂直分布特征Table 3 Vertical distribution characteristics of soil bulk density,organic carbon and total nitrogen,C/N in different forest types

注：同行不同字母表示差异显著(P<0.05)

图1 不同林型土壤有机碳密度和氮密度的垂直分布特征Fig.1 Vertical variation characteristics of soil carbon and nitrogen density in different forest types

4 结论与讨论

森林土壤受地形、气候等成土因素和人为干扰活动的影响，具有较强的空间变异性，它的形成和演化过程是一个十分复杂的自然综合体[21]。从土壤剖面垂直分布来看，3种林分林型土壤有机碳和全氮质量分数变化特征一致，表现为随土层深度增加而减小，而与土壤容重总体呈递增趋势。3种林分类型土壤有机碳和全氮质量分数在剖面中具有明显的层次性，其各个林型的0～10 cm土层的质量分数显著>其他各层，说明了土壤有机碳和全氮质量分数的垂直迁移主要是在成土作用下具有向表层富集效应。可见，表层土的有机碳和全氮更容易受林分类型、气候环境、凋落物现存量及分解程度等因素的干扰[22]。土壤有机碳含量尚不能真实反映土壤碳库水平，国际上常采用碳密度为指标对森林碳库贮量进行比较[23-24]。目前大部分文献[25-27,11,19]表明土壤碳密度随着土壤深度的增加逐渐减小，且表土层有机碳密度最大，这与本研究土壤有机碳(氮)密度的变化趋势一致。 这可能由于植物根系集中分布在土壤表层，凋落物和腐殖层以及土壤微生物的分解对土壤有机碳的贡献主要作用于地表，且随土壤深度的增加而减弱所致，因而表层土壤的碳密度最大。3种林型0～20 cm土壤有机碳密度在11.83～16.64 kg·m-2，大大高于我国森林土壤 0～20 cm土壤平均碳密度 4.24 kg·m-2[28]，主要因为长白山林区森林植被树种组成丰富多样，地下根系发达茂密及凋落物现存量充足且分解转化程度快速等因素所致。

从全土分布来看，阔叶混交天然林各项指标值最大，说明阔叶混交林土壤养分丰富能提高森林土壤的碳汇功能。落叶松人工林有机碳质量分数明显<其他2个林分林型，可能是由于落叶松林树种的生长特性有关，凋落物对有机碳的补给<其余林分，同时强烈的人为干扰严重破坏了土壤碳储存和循环，导致其有机碳质量分数较低。土壤碳氮比(C/N)是衡量土壤营养平衡状况的一个重要指标，影响有机质矿化分解的速度[19]，了解C/N的空间异质性，有助于全面阐述森林土壤质量变化的特点[29]，3种林分类型C/N值在3.14～4.77，与长白山林区其他文献数据相比，C/N值较小，表明该地区土壤腐殖化程度较高，氮素的矿化能力较强。以往森林经营主要关注地上生产力和蓄积量，而在森林碳汇经营中土壤发挥着重要作用。本研究结果表明长白山林区3种典型森林中阔叶混交天然林土壤C、N储量最大，可为该地区碳汇经营提供部分理论依据。

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