張 寵，田耀武，劉誼鋒

(河南科技大學林學院，河南 洛陽 471003)

森林土壤有機碳(SOC)庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中最重要的儲存庫之一[1-2]。SOC動態(tài)影響陸地生物圈生態(tài)過程、溫室氣體成分以及氣候變化速率等[3-4]。一般認為，土地利用方式影響SOC儲量及深度分布模式，SOC密度值表層最高，隨深度增加，呈指數(shù)函數(shù)形式迅速下降[2,5]。了解和調(diào)控SOC深度分布模式對正確認識陸地生物圈至關重要[6]，SOC儲量及深度分布模式影響植被生產(chǎn)力并受植被生產(chǎn)力的影響。碳的放射性同位素研究表明，隨深度的增加碳的周轉期和穩(wěn)定性均增加[7]，F(xiàn)ontaine 等[8]認為SOC的深度分布格局影響其穩(wěn)定性，影響土壤呼吸作用的強弱。研究或估算SOC儲量時，一般考慮0～30 m、0～100 cm層的SOC，較少考慮更深層SOC的儲量。為此，本研究的目的是：建立伏牛山區(qū)條件下栓皮櫟林、油松林、混交林及灌木林等主要林型土壤SOC深度分布模型；用構建的模型估算更深層次SOC的變化規(guī)律，得到用0～100 cm深度表述SOC儲量的估算偏差。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陶灣流域位于河南省西部伏牛山區(qū)、東經(jīng)111°20′0″～111°35′55″，北緯33°43′0″～33°55′0″，伊河源頭流域，包括河南省欒川縣陶灣鎮(zhèn)、石廟鄉(xiāng)和欒川鄉(xiāng)的西半部。該流域屬暖溫帶大陸性季風氣候，年日照2 103 h，無霜期198 d，年均降水量872.6 mm。流域面積為329.9 km2。流域土壤類型主要為棕壤性土。土地利用分為林地、灌木地、草地、果園和農(nóng)地等。研究區(qū)林地海拔較高，優(yōu)勢樹種為栓皮櫟，灌木地優(yōu)勢種為胡枝子和蕨類植物，草地優(yōu)勢種為芒草、野菊花等。

1.2 試驗設計

2017年，考慮植被類型、土壤質(zhì)地，海拔等環(huán)境因子，在陶灣流域選取設計栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林等4種植被類型的165個土壤采樣點。每個樣點用Φ10 cm土鉆以20 cm深度間隔取樣，樣深至母巖層。每段土樣取300 g左右。土樣自然風干，除去草根、大石礫等雜質(zhì)，過2 mm鋼篩，磨細。取樣同時，另用100 cm3環(huán)刀取樣，稱量，105 ℃烘至恒重，計算土壤含水率和土壤容重。測定土壤pH值、土壤機械組成。SOC含量采取重鉻酸鉀氧化—分光光度法測定[9-10]。不同深度層土壤有機碳密度計算公式為[11]：

(1)

式中：SOCDk為第k層SOC密度(kg·m-2)；k為土壤層次；Ck為第k層SOC含量(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層土層中直徑>2 mm石礫所占體積百分比(%)。

1.3 森林SOC深度分布模型

一般森林土壤表層SOC質(zhì)量密度最高，隨深度增加呈指數(shù)函數(shù)形式迅速下降[12]。為了精確估算更深層次土壤有機碳密度值，根據(jù)Meersmans等[12]和其他相關研究成果[13-18]，構建陶灣流域4種森林植被的SOC質(zhì)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為土壤h深度SOC質(zhì)量密度(kg·m-3)，h為土壤深度(m)，S0為剖面表層SOC質(zhì)量密度(kg·m-3)，Sn為剖面底層SOC質(zhì)量密度(kg·m-3)，k為常數(shù)，Qh為h深度內(nèi)單位面積SOC的儲量(kg·m-2)。

SOC質(zhì)量密度(Sh) 計算公式為：

(4)

土壤容重值估算公式為[12-13]：

(5)

式(4)(5)中，Sh為SOC質(zhì)量密度，ρs為土壤容重(kg·m-3)，[SOC]為有機碳含量(g·kg-1)。

1.4 計算與分析

使用SPSS11.5進行方差和相關性分析，用SPSS相關模塊對式2非線性參數(shù)估計。用構建的空間分布模型(式3)估算陶灣流域0～100 cm和0～200 cm等更深層SOC的密度。

2 結果與分析

2.1 陶灣流域土壤有機碳密度的深度分布

從表1可知，0～20 cm深度，栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林SOC密度平均為7.92，8.42，8.14和9.67 kg·m-2，栓皮櫟林、油松林、混交林SOC密度差異不顯著(P>0.05)，而灌木林與其他植被類型差異顯著；≥20～40、≥40～60、≥60～80、≥80～100 cm層4種林地SOC密度差異均不顯著(P<0.05)。這說明植被類型僅在土壤表層影響有機碳密度的分布。栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林0～20 cm深度SOC密度分別占0～100 cm深度層的72.5%、74.4%、75.6%和76.2%，這說明表層有機碳是整個土壤剖面層的主要分布區(qū)。

0～100 cm深度層中，栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林SOC密度平均為10.93，11.32，10.77和12.69 kg·m-2；與0～20 cm深度層相似，栓皮櫟林、油松林、混交林SOC密度差異不顯著(P>0.05)，而灌木林與其他植被類型差異顯著。

表1還顯示，4類植被類型SOC密度值均隨土壤深度的增加而急劇下降。如，栓皮櫟林地0～20 cm層為7.92 kg·m-2，≥20～40 cm層時已降至為2.23 kg·m-2，≥80～100 cm層時已低至0.10 kg·m-2。

表1 伏牛山陶灣流域不同林地土壤有機碳密度

注：本表中所占比例為各土壤層與0～100 cm層的比值。

2.2 土壤有機碳密度深度分布影響因素

陶灣流域林地SOC密度與植被類型、海拔和土壤機械組成等環(huán)境因子相關性分析結果見表2。0～20 cm層SOC密度與植被類型、郁閉度、粘粒含量、砂粒含量相關性均顯著，與海拔相關性不顯著；0～100 cm層與0～20 cm層有相似規(guī)律性；≥20～40 cm深度SOC密度與郁閉度、粘粒含量、砂粒含量相關性均顯著，與植被類型、海拔相關性不顯著；≥40～60 cm深度SOC密度僅與粘粒含量、砂粒含量相關性均顯著，與其他環(huán)境因子均不顯著。這說明植被類型和郁閉度等植物屬性因子僅對表層SOC密度影響顯著，對深層影響不顯著。而粘粒含量、砂粒含量對不同深度層的SOC密度影響均顯著。

表2 土壤有機碳密度與環(huán)境因子的相關系數(shù)

注：***、**、*分別為0.001、0.01、0.05水平上雙尾檢驗相關性顯著。

2.3 陶灣流域不同森林植被類型的土壤有機碳密度深度分布模型

對栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林地SOC質(zhì)量密度分別進行非線性參數(shù)估計，得到不同樹種SOC深度分布模型 (式8～11)。

栓皮櫟林：

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，灌木林表層質(zhì)量密度最大(77.88 kg·m-3)，其次為栓皮櫟林(69.02 kg·m-3)、混交林(68.54 kg·m-3)和油松林(65.20 kg·m-3)。同樣，灌木林Sn層質(zhì)量密度也最大(0.92 kg·m-3)，其次為栓皮櫟林(0.53 kg·m-3)、油松林(0.43 kg·m-3)和混交林(0.41 kg·m-3)。

圖1 4種林地土壤SOC質(zhì)量密度與深度分布的關系

所有4個樹種SOC質(zhì)量密度隨土壤深度的增加而呈指數(shù)下降 (圖1)。栓皮櫟林、油松林、混交林地SOC下降曲線最為接近，混交林下降速度最為迅速，灌木林地下降較緩。上述特點在模型中則表現(xiàn)為指數(shù)k的變化：灌木林(-6.22) >油松林(-6.59)>栓皮櫟林(-6.88)>混交林(-6.78)。

2.3 模型預測結果檢驗

利用4個樹種模型模擬結果如表3所示。0～20 cm土壤深度，栓皮櫟林樣地、油松林樣地、混交林樣地和灌木林樣地的有機碳密度值均低于表2所示的實測值，而≥20～40、≥40～60等較深層的模擬值則均大于表2所示的實測值。對0～100 cm層，栓皮櫟林地的模擬值10.55 kg·m-2，低于實測值(10.93 kg·m-2)的3.44%；灌木林模擬值14.42 kg·m-2，高于實測值(12.69 kg·m-2)的5.69%，說明建立的空間模型能夠預測森林SOC密度。

表3 伏牛山陶灣流域土壤有機碳密度的預測結果

注：本表中所占比例為各土壤層與0～100 cm層的比值。

利用建立的SOC空間分布模型，可以對以上樹種任意深度的SOC密度進行模擬。如對于0～30 cm深度，栓皮櫟林、油松林、混交林、灌木林地SOC密度分別為8.91、8.65、8.90和10.85 kg·m-2；0～200 cm深度，SOC密度分別為11.08、10.76、10.91和14.36 kg·m-2(表3)。

3 討論

3.1 森林樹種與土壤有機碳的深度分布格局

地上植被格局是SOC深度分布模式的決定因素，氣候和土壤質(zhì)地是區(qū)域SOC總量的控制因素[13-18]。植被生產(chǎn)力、地上和地下生物量配置、土壤微生物機制等都影響SOC的深度分布模式[19]。本研究，森林樹種在水平方向土壤淺層內(nèi)影響有機碳密度的分布，對深度分布模式影響較弱。Jackson等[20]認為植物根系分布深度影響SOC的分布深度，植物地上和地下部分的分配差異影響土壤有機碳的相對量，地表凋落物量影響表層SOC量。在對流域森林樹種根系調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，林地分布相對較淺，而灌木地根系分布較深，這與SOC深度分布(灌木地>林地)相符。灌木地表層(0～20 cm)土壤有機碳含量最高，這可能是本流域灌木地有較高的凋落物量。灌木地有大量的草本植被，碳的輸入量較大，分解性較高，大大增加了表層SOC密度。

3.2 環(huán)境因子與土壤有機碳的深度分布

有研究表明海拔也是影響有機碳分布的重要環(huán)境因子。丁咸慶等[21]認為大圍山森林土壤有機碳沿海拔梯度變化趨勢明顯，土壤有機碳含量隨海拔升高而增加,隨土壤剖面深度增加而顯著降低；程浩等[22]認不同土層有機碳含量與海拔和容重分別呈極顯著正相關和極顯著負相關。本研究中海拔與有機碳密度并不相關，這可能是本研究區(qū)海拔變化較小。

SOC分布深度還受土壤粘粒含量和砂粒含量多少的影響。Don等[14]認為土壤砂粒含量高，SOC向下垂直運輸速度較快，表層SOC減少，深層含量增加，高滲透性土壤表現(xiàn)更為明顯。我們在研究中也發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)同種植被類型，如果砂粒含量高，土壤毛細孔大，土壤滲透性就強，垂直運輸?shù)奶攸c就越明顯，SOC隨深度下降趨慢。一般地SOC與粘粒含量正相關，與砂粒含量負相關，而且深層剖面的相關性要大于淺層剖面。由于土壤表層SOC受土地利用、溫度等多種因素的影響，而深層SOC與上述因素并不相關，這說明深層土壤的機械組成是影響SOC的重要因素。

3.3 土壤有機碳的估算誤差

Batjes等[23]、Fontaine等[8]、Don等[14]報道SOC分布深度可達300 cm以上。森林土壤有機碳由于多種因素的影響，調(diào)查深度一般采用0～100 cm，甚至可能還要低。這可能對森林土壤有機碳儲量估計偏低。Batjes等[23]認為，全球0～100 cm層中SOC儲量約為1 500～1 600 Pg，如果考慮100～200 cm土壤剖面層，SOC量會增加60%；Batjes等[23]認為100～200 cm的SOC含量可能為0～100 cm的12%。在陶灣流域土壤取樣中，大部分樣點深度不超過150 cm，低于80 cm和高于200 cm樣點數(shù)占5%左右；低于150 cm以下有機碳含量較低。

按照本研究建立的模型推算，若考慮0～150 cm深度土壤有機碳的分布，與0～100 cm的深度相比，研究流域4種樹種有機碳密度將增加2.0%～3.6%，若考慮0～200 cm的深度，有機碳密度將增加3.9%～7.0%。Fontaine等[8]認為因土壤的深度分布層的限制而增大SOC的誤差約為7%左右，是在一些坡度較大的土壤分布區(qū)，誤差可能更大。深層土壤碳的估算，需要進一步考慮，特殊地段的估計方法也有待于進一步論證。