伏牛山区陶湾流域森林土壤有机碳的深度分布格局研究

张 宠，田耀武，刘谊锋

(河南科技大学林学院，河南 洛阳 471003)

森林土壤有机碳(SOC)库是陆地生态系统碳循环中最重要的储存库之一[1-2]。SOC动态影响陆地生物圈生态过程、温室气体成分以及气候变化速率等[3-4]。一般认为，土地利用方式影响SOC储量及深度分布模式，SOC密度值表层最高，随深度增加，呈指数函数形式迅速下降[2,5]。了解和调控SOC深度分布模式对正确认识陆地生物圈至关重要[6]，SOC储量及深度分布模式影响植被生产力并受植被生产力的影响。碳的放射性同位素研究表明，随深度的增加碳的周转期和稳定性均增加[7]，Fontaine 等[8]认为SOC的深度分布格局影响其稳定性，影响土壤呼吸作用的强弱。研究或估算SOC储量时，一般考虑0～30 m、0～100 cm层的SOC，较少考虑更深层SOC的储量。为此，本研究的目的是：建立伏牛山区条件下栓皮栎林、油松林、混交林及灌木林等主要林型土壤SOC深度分布模型；用构建的模型估算更深层次SOC的变化规律，得到用0～100 cm深度表述SOC储量的估算偏差。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陶湾流域位于河南省西部伏牛山区、东经111°20′0″～111°35′55″，北纬33°43′0″～33°55′0″，伊河源头流域，包括河南省栾川县陶湾镇、石庙乡和栾川乡的西半部。该流域属暖温带大陆性季风气候，年日照2 103 h，无霜期198 d，年均降水量872.6 mm。流域面积为329.9 km2。流域土壤类型主要为棕壤性土。土地利用分为林地、灌木地、草地、果园和农地等。研究区林地海拔较高，优势树种为栓皮栎，灌木地优势种为胡枝子和蕨类植物，草地优势种为芒草、野菊花等。

1.2 试验设计

2017年，考虑植被类型、土壤质地，海拔等环境因子，在陶湾流域选取设计栓皮栎林、油松林、混交林、灌木林等4种植被类型的165个土壤采样点。每个样点用Φ10 cm土钻以20 cm深度间隔取样，样深至母岩层。每段土样取300 g左右。土样自然风干，除去草根、大石砾等杂质，过2 mm钢筛，磨细。取样同时，另用100 cm3环刀取样，称量，105 ℃烘至恒重，计算土壤含水率和土壤容重。测定土壤pH值、土壤机械组成。SOC含量采取重铬酸钾氧化—分光光度法测定[9-10]。不同深度层土壤有机碳密度计算公式为[11]：

(1)

式中：SOCDk为第k层SOC密度(kg·m-2)；k为土壤层次；Ck为第k层SOC含量(g·kg-1)；Dk为第k层土壤密度(g·cm-3)；Ek为第k层土壤厚度(cm)；Gk为第k层土层中直径>2 mm石砾所占体积百分比(%)。

1.3 森林SOC深度分布模型

一般森林土壤表层SOC质量密度最高，随深度增加呈指数函数形式迅速下降[12]。为了精确估算更深层次土壤有机碳密度值，根据Meersmans等[12]和其他相关研究成果[13-18]，构建陶湾流域4种森林植被的SOC质量密度深度分布模型：

Sh=Sn+(S0-Sn)·exp(k·h)

(2)

Qh=h·Sn+B·(e-k·h-1)/k

(3)

式中，Sh为土壤h深度SOC质量密度(kg·m-3)，h为土壤深度(m)，S0为剖面表层SOC质量密度(kg·m-3)，Sn为剖面底层SOC质量密度(kg·m-3)，k为常数，Qh为h深度内单位面积SOC的储量(kg·m-2)。

SOC质量密度(Sh) 计算公式为：

(4)

土壤容重值估算公式为[12-13]：

(5)

式(4)(5)中，Sh为SOC质量密度，ρs为土壤容重(kg·m-3)，[SOC]为有机碳含量(g·kg-1)。

1.4 计算与分析

使用SPSS11.5进行方差和相关性分析，用SPSS相关模块对式2非线性参数估计。用构建的空间分布模型(式3)估算陶湾流域0～100 cm和0～200 cm等更深层SOC的密度。

2 结果与分析

2.1 陶湾流域土壤有机碳密度的深度分布

从表1可知，0～20 cm深度，栓皮栎林、油松林、混交林、灌木林SOC密度平均为7.92，8.42，8.14和9.67 kg·m-2，栓皮栎林、油松林、混交林SOC密度差异不显著(P>0.05)，而灌木林与其他植被类型差异显著；≥20～40、≥40～60、≥60～80、≥80～100 cm层4种林地SOC密度差异均不显著(P<0.05)。这说明植被类型仅在土壤表层影响有机碳密度的分布。栓皮栎林、油松林、混交林、灌木林0～20 cm深度SOC密度分别占0～100 cm深度层的72.5%、74.4%、75.6%和76.2%，这说明表层有机碳是整个土壤剖面层的主要分布区。

0～100 cm深度层中，栓皮栎林、油松林、混交林、灌木林SOC密度平均为10.93，11.32，10.77和12.69 kg·m-2；与0～20 cm深度层相似，栓皮栎林、油松林、混交林SOC密度差异不显著(P>0.05)，而灌木林与其他植被类型差异显著。

表1还显示，4类植被类型SOC密度值均随土壤深度的增加而急剧下降。如，栓皮栎林地0～20 cm层为7.92 kg·m-2，≥20～40 cm层时已降至为2.23 kg·m-2，≥80～100 cm层时已低至0.10 kg·m-2。

表1 伏牛山陶湾流域不同林地土壤有机碳密度

注：本表中所占比例为各土壤层与0～100 cm层的比值。

2.2 土壤有机碳密度深度分布影响因素

陶湾流域林地SOC密度与植被类型、海拔和土壤机械组成等环境因子相关性分析结果见表2。0～20 cm层SOC密度与植被类型、郁闭度、粘粒含量、砂粒含量相关性均显著，与海拔相关性不显著；0～100 cm层与0～20 cm层有相似规律性；≥20～40 cm深度SOC密度与郁闭度、粘粒含量、砂粒含量相关性均显著，与植被类型、海拔相关性不显著；≥40～60 cm深度SOC密度仅与粘粒含量、砂粒含量相关性均显著，与其他环境因子均不显著。这说明植被类型和郁闭度等植物属性因子仅对表层SOC密度影响显著，对深层影响不显著。而粘粒含量、砂粒含量对不同深度层的SOC密度影响均显著。

表2 土壤有机碳密度与环境因子的相关系数

注：***、**、*分别为0.001、0.01、0.05水平上双尾检验相关性显著。

2.3 陶湾流域不同森林植被类型的土壤有机碳密度深度分布模型

对栓皮栎林、油松林、混交林、灌木林地SOC质量密度分别进行非线性参数估计，得到不同树种SOC深度分布模型 (式8～11)。

栓皮栎林：

Sh=0.53+69.02×exp(-6.88×h)

(8)

油松林：

Sh=0.43+65.20×exp(-6.59×h)

(9)

混交林：

Sh=0.41+68.54×exp(-6.78×h)

(10)

灌木林：

Sh=0.92+77.88×exp(-6.22×h)

(11)

上述公式表明，灌木林表层质量密度最大(77.88 kg·m-3)，其次为栓皮栎林(69.02 kg·m-3)、混交林(68.54 kg·m-3)和油松林(65.20 kg·m-3)。同样，灌木林Sn层质量密度也最大(0.92 kg·m-3)，其次为栓皮栎林(0.53 kg·m-3)、油松林(0.43 kg·m-3)和混交林(0.41 kg·m-3)。

图1 4种林地土壤SOC质量密度与深度分布的关系

所有4个树种SOC质量密度随土壤深度的增加而呈指数下降 (图1)。栓皮栎林、油松林、混交林地SOC下降曲线最为接近，混交林下降速度最为迅速，灌木林地下降较缓。上述特点在模型中则表现为指数k的变化：灌木林(-6.22) >油松林(-6.59)>栓皮栎林(-6.88)>混交林(-6.78)。

2.3 模型预测结果检验

利用4个树种模型模拟结果如表3所示。0～20 cm土壤深度，栓皮栎林样地、油松林样地、混交林样地和灌木林样地的有机碳密度值均低于表2所示的实测值，而≥20～40、≥40～60等较深层的模拟值则均大于表2所示的实测值。对0～100 cm层，栓皮栎林地的模拟值10.55 kg·m-2，低于实测值(10.93 kg·m-2)的3.44%；灌木林模拟值14.42 kg·m-2，高于实测值(12.69 kg·m-2)的5.69%，说明建立的空间模型能够预测森林SOC密度。

表3 伏牛山陶湾流域土壤有机碳密度的预测结果

注：本表中所占比例为各土壤层与0～100 cm层的比值。

利用建立的SOC空间分布模型，可以对以上树种任意深度的SOC密度进行模拟。如对于0～30 cm深度，栓皮栎林、油松林、混交林、灌木林地SOC密度分别为8.91、8.65、8.90和10.85 kg·m-2；0～200 cm深度，SOC密度分别为11.08、10.76、10.91和14.36 kg·m-2(表3)。

3 讨论

3.1 森林树种与土壤有机碳的深度分布格局

地上植被格局是SOC深度分布模式的决定因素，气候和土壤质地是区域SOC总量的控制因素[13-18]。植被生产力、地上和地下生物量配置、土壤微生物机制等都影响SOC的深度分布模式[19]。本研究，森林树种在水平方向土壤浅层内影响有机碳密度的分布，对深度分布模式影响较弱。Jackson等[20]认为植物根系分布深度影响SOC的分布深度，植物地上和地下部分的分配差异影响土壤有机碳的相对量，地表凋落物量影响表层SOC量。在对流域森林树种根系调查中发现，林地分布相对较浅，而灌木地根系分布较深，这与SOC深度分布(灌木地>林地)相符。灌木地表层(0～20 cm)土壤有机碳含量最高，这可能是本流域灌木地有较高的凋落物量。灌木地有大量的草本植被，碳的输入量较大，分解性较高，大大增加了表层SOC密度。

3.2 环境因子与土壤有机碳的深度分布

有研究表明海拔也是影响有机碳分布的重要环境因子。丁咸庆等[21]认为大围山森林土壤有机碳沿海拔梯度变化趋势明显，土壤有机碳含量随海拔升高而增加,随土壤剖面深度增加而显著降低；程浩等[22]认不同土层有机碳含量与海拔和容重分别呈极显著正相关和极显著负相关。本研究中海拔与有机碳密度并不相关，这可能是本研究区海拔变化较小。

SOC分布深度还受土壤粘粒含量和砂粒含量多少的影响。Don等[14]认为土壤砂粒含量高，SOC向下垂直运输速度较快，表层SOC减少，深层含量增加，高渗透性土壤表现更为明显。我们在研究中也发现，流域内同种植被类型，如果砂粒含量高，土壤毛细孔大，土壤渗透性就强，垂直运输的特点就越明显，SOC随深度下降趋慢。一般地SOC与粘粒含量正相关，与砂粒含量负相关，而且深层剖面的相关性要大于浅层剖面。由于土壤表层SOC受土地利用、温度等多种因素的影响，而深层SOC与上述因素并不相关，这说明深层土壤的机械组成是影响SOC的重要因素。

3.3 土壤有机碳的估算误差

Batjes等[23]、Fontaine等[8]、Don等[14]报道SOC分布深度可达300 cm以上。森林土壤有机碳由于多种因素的影响，调查深度一般采用0～100 cm，甚至可能还要低。这可能对森林土壤有机碳储量估计偏低。Batjes等[23]认为，全球0～100 cm层中SOC储量约为1 500～1 600 Pg，如果考虑100～200 cm土壤剖面层，SOC量会增加60%；Batjes等[23]认为100～200 cm的SOC含量可能为0～100 cm的12%。在陶湾流域土壤取样中，大部分样点深度不超过150 cm，低于80 cm和高于200 cm样点数占5%左右；低于150 cm以下有机碳含量较低。

按照本研究建立的模型推算，若考虑0～150 cm深度土壤有机碳的分布，与0～100 cm的深度相比，研究流域4种树种有机碳密度将增加2.0%～3.6%，若考虑0～200 cm的深度，有机碳密度将增加3.9%～7.0%。Fontaine等[8]认为因土壤的深度分布层的限制而增大SOC的误差约为7%左右，是在一些坡度较大的土壤分布区，误差可能更大。深层土壤碳的估算，需要进一步考虑，特殊地段的估计方法也有待于进一步论证。