宋彥彥 史寶庫 張 言 牛 香

(吉林省林業(yè)勘察設計研究院，長春，130022) (中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所)

耿紹波 趙忠林 李英愛 汪兆洋 管清成

(吉林省林業(yè)勘察設計研究院)

責任編輯:戴芳天。

土壤有機碳和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，且碳氮比值是土壤質(zhì)量的敏感指標，影響著土壤中有機碳和氮的循環(huán)［1－2］。全球約有1 400～1 500 Gt 碳以有機態(tài)形式儲存于土壤中，是陸地植被碳庫的2～3 倍，而森林土壤約占全球土壤有機碳庫的73%［3－4］。不同的森林類型其樹種的生產(chǎn)力、碳分配以及凋落物的數(shù)量、質(zhì)量等均有很大的差異，從而影響著生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮質(zhì)量分數(shù)及碳匯功能［5－6］。目前，國內(nèi)外學者對土壤碳、氮質(zhì)量分數(shù)和碳密度做了大量的研究［7－9］，但是由于植被類型、立地條件、氣候特點及土壤性質(zhì)的差異，使不同地區(qū)碳氮儲量存在較大差異，而且很多研究只限于一兩種林型或生態(tài)系統(tǒng)［10－11］，對于多種林型有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)及垂直分布特征的比較研究相對較少。

長白山自然保護區(qū)保存完好的原始森林，有中國最大的紅松母樹林原始群落，但是自20 世紀以來，長白山森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過強烈的人為干擾，形成大面積次生林和人工林。本研究以長白山8 種典型林型為研究對象，研究不同林型土壤有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)、碳氮比、碳氮密度及垂直分布規(guī)律，為該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的合理經(jīng)營和管理、碳匯功能的評估以及土地利用方式的選擇提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省撫松縣境內(nèi)長白山腹地露水河林業(yè)局，地理坐標為東經(jīng)127°29'～128°02'，北緯42°24'～42°49'。該區(qū)域位于長白山山脈西麓，地處長白山北部臺地邊緣地帶。研究區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懶詺夂?，氣溫較低，降水充沛，為冷涼的高寒山區(qū)，年降水量800～1 040 mm，年平均氣溫0.9～1.5 ℃，最高氣溫29.5～32.2 ℃，最低氣溫－39～－44.1 ℃，平均相對濕度70%～75%。土壤為典型暗棕壤，土層厚度20～100 cm。該研究區(qū)域植被屬長白山頂極植物群落區(qū)系，植物種類多樣，分布復雜，主要以紅松闊葉混交林為主。其中針葉樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、臭松(Symplocarpusfoetidus)及落葉松(Larixgmelinii)，闊葉樹種有椴樹(Tiliatuan)、五角槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、胡桃楸(JuglansMandshurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、黃菠蘿(Phellodendronamurense)、白樺(Betulaplatyphylla)、榆樹(Ulmuspumila)、楊樹(Populus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

樣地選在吉林省撫松縣露水河林業(yè)局宏光林場和東升林場，結合二類調(diào)查，從植被生長以及林地群落保存、演替及穩(wěn)定的角度，于2013年7月分別選擇落葉松人工林、紅松天然林、楊樹人工林、楊樹天然林、闊葉混交天然林、闊葉混交人工林、針闊混交天然林、針闊混交人工林8 種典型的林分為研究對象，每個林型選擇3 塊20 m ×20 m 的標準樣地，共獲樣地24 塊。長白山的土壤類型與植被森林垂直分布帶相對應，分別為山地生草森林土、棕色針葉林土和暗棕色森林土，為了更好對比研究，8 種林型選擇海拔高度、坡度相近的近熟或成熟林，具體立地狀況見表1。

表1 樣地的立地狀況

2.2 樣品采集和處理

在標準樣地邊界或是距樣地邊界2～3 m 處隨機挖取3 個土壤剖面，剖面深度視土壤發(fā)生層次而定(深至母質(zhì)層為止)。確定土壤剖面發(fā)生層次后，用土壤環(huán)刀(100 cm3)在每一土層取土樣測定土壤密度;同時取約500 g 土樣裝入樣品袋，用于土壤碳氮的測定。仔細去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，105 ℃烘干24 h 后，稱質(zhì)量并計算土壤密度。將采集的樣品袋帶回實驗室，于陰涼處自然風干后用四分法過0.25 mm 篩，編號待測。土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱油浴法［12］，全氮采用海能K9840 半自動凱氏定氮儀測定，環(huán)刀法測定土壤密度。

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中SOC 的貯量，一般用t·hm－2或kg·m－2表示。由于它以土體體積為基礎作計算，排除了面積和土壤深度的影響，因此土壤碳密度已成為評價和衡量土壤中有機碳貯量的一個極其重要的指標。

土壤有機碳(氮)密度的計算公式為［13－14］:

式中:DkSOC為第k 層土壤有機碳(氮)密度(kg·m－2);Ck為第k 層土壤有機碳(全氮)質(zhì)量分數(shù)(g·kg－1);Dk為第k 層土壤密度(g·cm－3);Ek為第k 層土壤厚度(cm);Gk為第k 層直徑大于2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)。

求土壤剖面有機碳(氮)密度為各個土層有機碳(氮)密度之和即為:

此外，數(shù)據(jù)采用SPSS18.0 軟件，分析比較8 種林型土壤有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)、碳氮比、碳氮密度的差異，差異顯著進行多重比較(P ＜0.05)。部分數(shù)據(jù)和圖表采用Excel2003 進行處理。

3 結果與分析

3.1 不同林型土壤有機碳和全氮的質(zhì)量分數(shù)及碳氮比

對8 種林型作比較，闊葉混交天然林有機碳質(zhì)量分數(shù)最大，均值達到70.33 g·kg－1(表1)，紅松天然林和針闊混交天然林有機碳質(zhì)量分數(shù)分別為66.95、63.89 g·kg－1，這3 種林分類型的土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)沒有顯著差異(P ＞0.05)。落葉松人工林、楊樹人工林、闊葉混交人工林及針闊混交人工林有機碳質(zhì)量分數(shù)分別為36.99、38.89、37.28、39.19 g·kg－1，其質(zhì)量分數(shù)明顯低于前三者(P ＜0.05)。而楊樹天然林有機碳比前三者小，又比后4種林分類型大，其質(zhì)量分數(shù)為57.75 g·kg－1。

表2 不同林型土壤有機碳和全氮的質(zhì)量分數(shù)及碳氮比

不同森林類型土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的大小規(guī)律與有機碳質(zhì)量分數(shù)類似，闊葉混交天然林全氮質(zhì)量分數(shù)最大，均值6.04 g/kg;針闊混交天然林、楊樹天然林次之，全氮質(zhì)量分數(shù)分別是5.44、5.16 g·kg－1;紅松天然林居中，均值為4.32 g·kg－1;落葉松人工林、楊樹人工林、闊葉混交人工林及針闊混交人工林氮量較小，其均值在3.14～3.51 g·kg－1范圍。紅松天然林碳氮比值為15.56，顯著大于其他7 種森林類型。

3.2 不同林型土壤密度、有機碳和全氮的質(zhì)量分數(shù)及碳氮比垂直分布特征

在A 土層中，8 種林型土壤密度、有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)均值之間存在顯著差異(P ＜0.05)。紅松天然林和闊葉混交天然林有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著大于落葉松人工林、楊樹人工林、闊葉混交人工林和針闊混交人工林，前兩者的碳質(zhì)量分數(shù)是人工林的2倍。天然林有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為99.20～138.22 g·kg－1，人工林有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為64.12～67.27 g/kg?？梢?，人為的干擾嚴重破壞了土壤碳氮自身的儲存和循環(huán)，導致土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量大大降低。8 種森林類型的全氮質(zhì)量分數(shù)大小明顯分成了兩組，天然林和人工林，天然林的全氮質(zhì)量分數(shù)變化范圍為8.84～9.6 g·kg－1，人工林的全氮質(zhì)量分數(shù)變化范圍為5.09～6.02 g·kg－1。就土壤密度而言，落葉松人工林最大，均值為0.88 g·cm－3;針闊混交天然林最小，均值0.43 g·cm－3。

表3 不同林型土壤密度、有機碳和全氮的質(zhì)量分數(shù)及碳氮比垂直分布特征

在B 土層中，8 種林型土壤密度、有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)均值之間沒有顯著差異(P ＞0.05)。土壤密度變化范圍1.16～1.42 g·cm－3，有機碳質(zhì)量分數(shù)最大均為闊葉混交天然林，最小均為落葉松人工林，其有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為11.12～22.34 g·kg－1，全氮質(zhì)量分數(shù)變化范圍為1.00～2.47 g·kg－1。A 土層之間有明顯差異，B 土層之間沒有明顯差異，可見，表層土的碳氮質(zhì)量分數(shù)受林分類型、植被結構、氣候環(huán)境以及人為干擾影響較大［15］。

8 種林型碳氮比值在A、B 土層均無顯著差異，A 層碳氮比值變化范圍為11.04～16.01，B 層碳氮比值變化范圍為7.84～12.06。AB 層樣本數(shù)較少，紅松天然林碳氮比值最大，高達17.49，這與其樹種本身凋落物及覆蓋率的不同造成了差異。

3.3 不同林型土壤碳氮密度變化特征

不同林型之間的土壤有機碳密度存在著顯著差異(P ＜0.05)，其變化范圍為12.37～22.13 kg·m－2(圖1)。其中，針闊混交人工林碳密度最小，為(12.37 ±1.92)kg·m－2;楊樹天然林碳密度最大，為(22.13 ±2.90)kg·m－2。8 種林型土壤碳密度由大到小依次為楊樹天然林、紅松天然林、闊葉混交天然林、楊樹人工林、落葉松人工林、闊葉混交人工林、針闊混交天然林、針闊混交人工林。同一個樹種，天然林土壤碳密度仍然大于人工林，但是兩者之間沒有顯著差異。

不同林型之間的土壤總氮密度存在著顯著差異(P ＜0.05)，其變化范圍為1.11～1.97 kg·m－2(圖2)。其中，針闊混交人工林氮密度最小，為(1.11±0.18)kg·m－2，落葉松人工林氮密度最大，為(1.97 ±0.18)kg·m－2，但與楊樹天然林、闊葉混交天然林和人工林之間沒有顯著差異，其變化范圍為1.91～1.97 kg·m－2。除落葉松人工林和紅松天然林外，土壤氮密度的變化規(guī)律與碳密度的類似。

表4 不同林型土壤碳氮密度變化特征

4 結論與討論

森林土壤是一形成和演化過程都十分復雜的自然綜合體，受成土母質(zhì)、地形、氣候、植被等成土因素及人為干擾活動的影響，具有復雜性和空間變異性［16］。本研究中8 種森林類型有機碳質(zhì)量分數(shù)變化規(guī)律從闊葉混交天然林→紅松天然林→針闊混交天然林→楊樹天然林→針闊混交人工林→楊樹人工林→闊葉混交人工林→落葉松人工林逐漸減小，質(zhì)量分數(shù)的變化范圍為36.99～70.33 g·kg－1。就全氮質(zhì)量分數(shù)而言，闊葉混交天然林最大，為6.04 g·kg－1，楊樹人工林最小，為3.14 g·kg－1。8 種森林類型有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)存在顯著差異，這是由于植被類型、氣候特點及土壤性質(zhì)等因素的差異而不同［17－18］。了解碳氮比的空間異質(zhì)性，有助于全面闡述森林土壤質(zhì)量變化的特點［19］。紅松天然林碳氮比值最大，為15.56，其它碳氮比值變化范圍為10.55～12.19。這可能由于紅松為本土樹種以及凋落物中含有難以分解的木質(zhì)素、單寧、樹脂和蠟質(zhì)等物質(zhì)，且凋落的針葉密集覆蓋于土壤表面形成空氣不流通的環(huán)境，更有利于有機碳的積累，因此碳氮比值高。

土壤碳質(zhì)量分數(shù)尚不能真實反映土壤碳庫水平，國際上常采用碳密度為指標對森林碳庫貯量進行比較［20－21］。長白山8 種林型土壤碳密度變化范圍12.37～22.13 kg·m－2，氮密度變化范圍1.11～1.97 kg·m－2。由式(1)可知，土壤碳(氮)密度受到土壤密度和土層厚度的強烈影響，因此，本研究不同林型碳(氮)密度和碳(氮)質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)出并不完全一致的規(guī)律。8 種林型土壤碳密度最大是楊樹天然林，為22.13 kg·m－2，氮密度最大是落葉松人工林，為1.97 kg·m－2;最小的都是針闊混交人工林，碳密度為12.37 kg·m－2，氮密度為1.11 kg·m－2。土壤除了樹種、地形、土地利用類型不同，林齡也是制約碳(氮)密度的重要因素之一［22－23］。

通常，同一樹種人工林地上碳、氮儲量要大于天然林，但是本研究展示了無論是針葉林、闊葉樹，還是混交林，同一樹種其天然林土壤有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)和密度都要高于人工林，這可能是由于人工林在整地和栽種幼苗時土壤經(jīng)過強烈的人為干擾，從而加快了土壤養(yǎng)分的流失和土壤有機質(zhì)的分解。這與之前學者的研究結果是一致的［2，24－25］。因此，在整個生態(tài)系統(tǒng)尺度上，對同一樹種天然林和人工林的碳、氮儲量還需要進一步來評估，并制定相應的經(jīng)營策略。

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