秦岭山地不同龄组华山松林地土壤、凋落物有机碳特征

岳亚军，杨 菲

( 宝鸡市马头滩林业局，陕西 宝鸡 721006)

土壤是陆地生态系统最大的碳库，储存的有机质碳约是1 500 Pg，总量超过植被和大气储量的总和，其中森林生态系统固持的土壤有机碳库达土壤碳库的50%[1-2]。林地土壤有机碳反映了林地土壤质量，直接影响林地土壤肥力和森林生态系统生产能力[3]。凋落物是连接植物和土壤的纽带，维持着森林土壤肥力[4]，森林土壤有机碳的积累也高度依赖于凋落物归还量、分解速率和化学组成[5]。林地土壤有机碳的含量及其分布特征受到多种因素的影响，具有明显的空间变异性[6]。关于林地土壤有机碳分布特征及影响因素的研究主要集中在特定地区的特定林分[7-9]，重点关注了树种、海拔和土壤温湿度等自然因素对林地土壤有机碳储量的影响[10-12]，但对秦岭地区不同林龄华山松林土壤有机碳分布特征的研究尚未见详细报道。

本研究以马头滩林区不同龄组华山松为研究对象，分析土壤和凋落物有机碳含量、密度以及影响因素，以期探明影响林地土壤和凋落物有机碳含量和分配格局的主导因子。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省宝鸡市马头滩林业局嘉陵江源头风景区(34°04′～34°35′N，106°54′E～107°11′E)，海拔1 500～2 650 m。该区属暖温带山地湿润气候，地形复杂，小气候明显，年降水量600～900 mm，分布不均；气温日差大，年均气温11 ℃；土壤类型以山地棕壤土为主，土层厚度为30～60 cm。

1.2 样地设置

于2016年7月在研究区内选取立地条件相近的华山松林设样地，在样地每木调查的基础上，按照平均胸径选择3株标准木，通过生长锥法确定林龄，并根据《森林资源规划设计调查技术规程》[13]将其划分为四个龄组(幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林)。每个龄组设置4个20 m×20 m的样地，共16个样地，样地概况见表1。

表1 华山松林样地基本概况

1.3 样品采集与处理

在样地中按照对角线法选择5个采样点，按未分解、半分解和已分解3层收集地表凋落物，收集面积为25 cm×25 cm；然后按照0～10、10～20、20～30、30～40 cm分四层采集土壤样品。共采集凋落物样品48份，土壤样品64份。

将土壤样品分成两份，一部分用于测定土壤含水率，另一部分自然风干、过100目筛，用于土壤理化性质的测定；凋落物样品于80 ℃烘干、粉碎过60目筛，用于凋落物相关元素含量的测定。有机碳含量的测定使用重铬酸钾外加热法，全氮含量测定使用凯氏定氮法，采用烘干法测定土壤含水率[14]。

1.4 数据处理与分析

林地土壤有机碳密度(SOCD)按下式计算[15]：

用Oringin 8.5作图，SPSS 19.0进行统计分析。采用one-way ANOVA法分析不同龄组和不同土层各指标的差异显著性，采用LSD法进行多重比较(P<0.05为差异显著)。

2 结果与分析

2.1 不同龄组华山松林地土壤有机碳含量

同一土层深度的华山松林地土壤有机碳含量随林龄的增长总体呈递增趋势；相同龄组随土层深度的增加有机碳含量减少(图1)。0～10 cm土壤有机碳含量在46.85～67.03 g·kg-1之间，成熟林最高，且与幼龄林和中龄林均存在显著差异；10～20 cm土壤有机碳含量在13.65～20.27 g·kg-1，随林龄的增长显著增加；20～30 cm土壤有机碳含量在6.06～14.30 g·kg-1，成熟林最高，且与其它龄组均存在差异；30～40 cm土壤有机碳含量在5.91～13.11 g·kg-1之间，近熟林最高。相同龄组，土壤有机碳含量随土层深度增加逐渐减小。各龄组0～10 cm均显著高于其它土层；幼龄林和中龄林10～20 cm也显著高于20～30 cm和30～40 cm，其它两层不存在显著差异；成熟林10～20 cm显著高于30～40 cm(图1)。

2.2 不同龄组华山松林地凋落物层有机碳含量

华山松林地凋落物层有机碳含量随林龄的增长先增加后减小再增加，呈波浪趋势，不同分解状态与凋落物层变化趋势一致，但不同龄组间增长率较低(图2)。凋落物层有机碳含量为308.64～318.55 g·kg-1，未分解层凋落物中有机碳含量为365.29～420.56 g·kg-1，已分解层有机碳含量为183.53～219.81 g·kg-1， 中龄林和成熟林均显著高于幼龄林与近熟林； 半分解层有机碳含

注：不同大写字母表示相同龄组不同土层深度间差异显著，小写字母表示相同土层深度不同龄组间差异显著(P<0.05)。图1 不同龄组华山松土壤有机碳含量

注：不同小写字母表示相同分解状态间不同龄组差异显著(P<0.05)，下同。图2 不同龄组华山松凋落物层有机碳含量

量为337.09～377.11 g·kg-1，成熟林显著高于其它龄组，中龄林显著高于近熟林，近熟林阶段该层有机碳含量最低。

2.3 不同龄组华山松林地土壤和凋落物有机碳密度

不同龄组华山松林地土壤表层有机碳密度随林龄的增长而增加，但相同龄组华山松林地土壤表层有机碳密度差异性不显著(表2)。华山松林地土壤表层有机碳密度在80.25～119.08 t·hm-2之间，近熟林最高。0～10 cm和30～40 cm近熟林达最大值均显著高于幼龄林；10～20 cm和20～30 cm成熟林最高，且显著高于幼龄林。相同龄组随土层深度的增加，有机碳密度明显下降，0～10 cm显著高于其它土层。

华山松林地凋落物层有机碳密度为11.49～16.63 t·hm-2，中龄林显著高于其它龄组。不同龄组变化规律不一致，未分解层和半分解层中龄林显著高于其它龄组，已分解层成熟林显著高于幼龄林；不同分解状态，幼龄林和中龄林半分解层达最大，近熟林未分解层达最大值，成熟林各分解状态间差异不明显(表2)。

2.4 不同龄组华山松凋落物和土壤有机碳影响因素

2.4.1 不同龄组华山松林地土壤碳氮比 华山松林地土壤C∶N呈先增加后降低的单峰趋势，C∶N在13.55～15.62之间，近熟林阶段达最大值，不同龄组间不存在显著差异(图3)。

表2 华山松林地土壤和凋落物层有机碳密度

注：同列不同小写字母表示不同龄组间差异显著(P<0.05)；不同大写字母0～40 cm层表示不同林分间差异显著(P<0.05)，其它层表示同龄组不同土层深度间差异显著(P<0.05)。

图3 不同龄组华山松林地土壤碳氮比

2.4.2 华山松林地土壤有机碳和密度的影响因子 华山松林地土壤有机碳含量与龄组呈极显著正相关，与胸高断面积呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关，与乔木层平均密度呈极显著负相关；华山松林地土壤有机碳密度与龄组和乔木层胸高断面积呈极显著正相关，与土壤容重呈显著负相关，与乔木层平均密度呈极显著负相关，即这些因素影响华山松林地土壤有机碳含量和密度(表3)。

表3 华山松林地土壤有机碳的影响因子

3 结论与讨论

3.1 讨论

本研究表明，土壤有机碳含量和密度随林龄的增长而增加，这与前人的研究结果一致[16]。幼龄林阶段林分生物量小，凋落物较少，随着林木的生长，单株生物量增加，同时出现自然疏枝等现象，导致林地凋落物开始大量归还土壤，因此土壤有机碳也相应增长[17]。华山松土壤碳储量分别在成熟林和近熟林较大，为118.41、119.08 t·hm-2，大于陕西省华山松林平均土壤碳密度[18]，但小于我国森林土壤平均碳密度[19]。因此，在陕西省内，研究区华山松林土壤质量优于其它地区，但在全国范围内林地土壤有机碳储量还处于较低水平，需要进一步对研究区林分进行科学经营管理。

本研究显示随林龄的增长土壤碳氮比呈增长的趋势，成熟林显著大于其它龄组，这与前人的研究结果相反[20]，可能是由于不同研究区林地气候条件差异明显，且树种组成不同而引起。

随林龄增长，乔木胸径和树高显著增长，生物量和断面积增加；群落乔木层种间竞争加剧，出现自然稀疏现象，乔木层覆盖度降低，凋落物分解量增大，土壤容重降低。即林龄显著影响这些与不同林分有机碳含量呈显著相关性的因子，因此我们推断林龄是影响不同林分有机碳含量和密度的主导因子，但其作用机制和内在机理，有待进一步研究。

3.2 结论

林龄显著影响研究区域内华山松林地土壤、凋落物有机碳含量和密度，华山松林土壤有机碳含量及密度随林龄的增长而增加，凋落物层有机碳含量随林龄的增长先增加后减小再增加。研究区华山松林土壤质量优于陕西省其它地区，但仍需采取相应措施加强林地养分管理。