張彥軍,郁耀闖,*,牛俊杰,龔蘭蘭

1 寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院,寶雞 721013 2 寶雞文理學(xué)院陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寶雞 721013 3 太原師范學(xué)院汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心, 晉中 030619

山區(qū)大約占全球25%的陸地表面積,其至少擁有全球1/3的陸地生態(tài)系統(tǒng)植被物種多樣性,并為全球一半的人類提供生活所需的水分[1-2],其較大的海拔梯度為研究環(huán)境變化影響生物地球化學(xué)循環(huán)過程提供了優(yōu)越的自然條件[3]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是陸地上最大的碳儲(chǔ)存庫和碳吸收匯[4],森林生物量碳貯量達(dá) 283 Gt C,約占全球植被碳儲(chǔ)量的 77%,森林土壤的碳貯量約占全球土壤碳儲(chǔ)量的 39%[5]。因此,研究山區(qū)森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化特征及其影響因素對(duì)應(yīng)對(duì)未來氣候變化具有重要的理論和實(shí)際意義。

已有的研究結(jié)果表明,在山地生態(tài)系統(tǒng)中隨著海拔梯度的增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出或者增加[6-7]或者減少[8-9]的趨勢(shì),土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的這種海拔梯度格局可能與植被類型[10]、氣候帶[11]、土壤理化性質(zhì)[12]、土壤微環(huán)境[12]、土層厚度[10]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性[13]等因素密切相關(guān)。除了上述幾種因素以外,土層深度也是影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的一個(gè)重要因素[14]。例如,在全球尺度上,0—100 cm土層內(nèi)的SOC儲(chǔ)量大約為1502×1015Pg C,而0—200 cm土層內(nèi)卻含有1993×1015Pg C,但是在0—300 cm土層內(nèi)的SOC儲(chǔ)量卻高達(dá)2344×1015Pg C[15],因此土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響不容忽視,這在土層深度受限的山地生態(tài)系統(tǒng)中顯得尤為重要[6]。在山地生態(tài)系統(tǒng)中,土層深度隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)出或者減少[16-17]或者增加[6, 18]的趨勢(shì),但是在該區(qū)域中目前很少有研究在較大海拔梯度下探討土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響[6],這對(duì)全面理解山地生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的海拔梯度格局具有限制作用。因此,在山地生態(tài)系統(tǒng)中,在已有的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的海拔梯度變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)準(zhǔn)確估算該區(qū)域的土壤碳儲(chǔ)量具有重要的理論和實(shí)際意義。

秦嶺導(dǎo)致我國南北地區(qū)在氣候、河流、植被、土壤、農(nóng)業(yè)等方面存在顯著的差異,是我國南北最重要的地理、地質(zhì)分界線[19]。太白山作為秦嶺的主峰,是我國大陸東部的最高峰 (海拔高度3767 m),由于山體高大,由山麓到山頂有著明顯的氣候垂直帶譜和復(fù)雜完整的植被垂直帶譜[20-21]。在秦嶺太白山上,針對(duì)海拔梯度的研究主要集中在植被的垂直分布和群落結(jié)構(gòu)調(diào)查[21-22]、葉片光合特性和分解特征研究[23-24]、土壤肥力狀況和成土因素調(diào)查[19, 25]、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和土壤呼吸速率特征等方面的研究[26-27],然而對(duì)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的海拔梯度變化特征及其影響因素的研究相對(duì)較少?；诖?本研究在秦嶺太白山的北坡上,從山麓到山頂海拔高度每隔50 m 設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn),研究土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的海拔梯度變化特征及其影響因素,以期為準(zhǔn)確估算該區(qū)域的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太白山位于陜西省西南部眉縣、太白縣和周至縣三縣的交界,最高峰拔仙臺(tái)海拔高度3767.2 m,垂直落差 3000多米,地跨北緯33°49′01″—34°08′11″,東經(jīng)107°41′23″—107°51′40″。太白山位于秦嶺山脈中段,是秦嶺的主峰,也是我國大陸地區(qū)中東部第一高峰,其東西長約 61 km,南北寬約 39 km,山體近東西向展布。太白山自然地理位置特殊,居暖溫帶之南緣,亞熱帶之北界,冬季受蒙古冷氣團(tuán)的控制,夏季受太平洋副高壓帶的影響。該地區(qū)年平均氣溫1.8—2.1℃,降雨量 800—900 mm,屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。太白山地處中國西北部溫帶至暖溫帶的過渡區(qū),四季分明,是典型的內(nèi)陸季風(fēng)氣候區(qū)。太白山海拔梯度大,海拔高度每上升100 m,氣溫下降約0.21—0.58℃,具有顯著的氣候垂直地帶性差異,由高至低依次為亞寒帶、寒溫帶、溫帶、暖溫帶,具體詳見表1。

表1 不同氣候帶特征

太白山是由東太白(拔仙臺(tái))、西太白山(鰲山)及其間主脊(跑馬梁)和兩側(cè)南北延伸的多條支脈構(gòu)成的組合體,屬于褶皺斷塊高山。受地質(zhì)構(gòu)造的控制,太白山北坡極為陡峻,多深切峽谷或嶂谷,由下到上可分為低山區(qū)、中山區(qū)、高山區(qū)三種地貌類型。其中,營頭稍南至劉家崖屬于黃土覆蓋的石質(zhì)低山區(qū),海拔高度在800—1500 m之間,起伏的地形,具有黃土地貌和石質(zhì)山地地貌的綜合特征,相對(duì)高差不大,黃土覆蓋；劉家崖至放羊寺屬于石質(zhì)中山區(qū),海拔高度在1500—3000 m之間,以峰嶺地貌發(fā)育為特征；放羊寺至太白山頂峰是以第四紀(jì)冰川地貌為特征的高山區(qū),海拔高度在3000 m以上。

太白山植被類型豐富,植被垂直帶譜完整,垂直地帶性明顯,根據(jù)植物群落的外貌、種類組成、群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境特征,由下向上依次可以分為以下6個(gè)植被帶[19]：

圖1 太白山北坡氣候和植被垂直帶譜Fig.1 Vertical spectrum of climate and vegetation along an altitude gradient on the northern slope of Taibai Mountain of Qinling

1)低山擾動(dòng)帶

太白山山麓海拔高度約為 600—1000 m 為低山帶, 人為擾動(dòng)較大,農(nóng)田主要以小麥 (Triticumaestivum)和玉米 (Zeamays)為主,果園以獼猴桃 (Actinidiachinensis)為主,有散生的栓皮櫟 (Quercusvariabilis)林和側(cè)柏 (Platycladusorientalis)林,陡坡有櫟林、混交林和側(cè)柏林等, 其中栓皮櫟林是山地系統(tǒng)較穩(wěn)定的植物群落, 其群落的均勻度、多樣性指數(shù)和物種豐富度都比較低。在丘陵農(nóng)田區(qū)常見的散生樹木有楊樹 (Populusspp.)、刺槐 (Robiniapseudoaca-cia)、柳樹 (Salixspp.)、椿樹 (AilanthusaltissimaSwingleh)等。

2)銳齒櫟林帶

本帶海拔高度約為1000—2000 m,櫟林帶在太白山北坡自上而下主要為遼東櫟 (Quercuswutaishanica)林、銳齒槲櫟 (Quercusalienavar.acuteserrata) 林和栓皮櫟 (Quercusvariabilisvar.variabilis)林。遼東櫟是一種落葉喬木,喜光,多分布在土層較厚和稍濕潤的向陽山坡上,純林較多,銳齒槲櫟和栓皮櫟純林較少。

3)混交林帶

本帶海拔高度約為2000—2500 m, 是太白山北坡樹種最復(fù)雜、植被類型最多的地區(qū), 主要植物群落有華山松 (Pinusarmandii)林、櫟林和落葉闊葉混交林。

華山松林主要分布在海拔高度1400 m 以上的山地, 有純林, 也有與遼東櫟林組成的混交林。華山松為常綠喬木,喜光、喜溫和涼爽濕潤的氣候,能適應(yīng)多種土壤,但對(duì)土壤水分要求嚴(yán)格,多分布于陰坡、山脊和山頂上。

落葉闊葉混交林分布于本帶山谷地區(qū),組成種類復(fù)雜,層次較多,且層次之間區(qū)分不明顯?；旖涣窒掠胁煌叨鹊膯棠竞凸嗄?；同時(shí)在林緣,尤其是溝邊,藤本植物非常豐富。

4)樺木林帶

太白山北坡海拔高度約在2300—2600 m 之間, 生長著紅樺 (Betulaalbo-sinensis) 林及其變種牛皮樺 (Betulaalbo-sinensisvar.septentrionalis)林。這兩種樺樹各自組成純林,上段與巴山冷杉 (Abiesfargesii)交錯(cuò)分布,下段與華山松交錯(cuò)分布。

紅樺林多分布在氣候溫涼濕潤、土壤偏酸性、地形起伏劇烈、植物生長立地條件較差的地區(qū)。在土壤非常瘠薄的地方,紅樺常常被適應(yīng)性更強(qiáng)的牛皮樺取代,后者是原生裸地上的先鋒樹種,能形成原生林。影響牛皮樺林分布的主導(dǎo)因子是坡向和海拔高度。

5)高山針葉林帶

高山針葉林帶主要分布于海拔高度 2500—3300 m 之間,上段為太白紅杉 (Larixchinensis)林,下段主要是巴山冷杉 (Abiesfargesii)林。林下灌木有松花竹、蒲樂杜鵑、金背枇杷。與巴山冷杉相伴生的喬木有樺樹 (Betulaspp.)及槭樹(Acersaccharum)等。太白紅杉主要分布在 3000—3300 m 的崩塌陡坡,林下植物較少,以苔草、蘚類和地衣為主。

6)高山灌叢草甸

太白山北坡海拔高度在 3300 m 以上即無喬木分布,此界限以上為 20—30 cm 高的矮型或匍匐性高山灌木。頭花杜鵑 (Rhododendroncephalanthum) 灌叢是太白山高山灌叢的主要類型,與其相間分布的是高山柳 (Salixcupularis)灌叢和高山繡線菊 (Spiraeaalpina) 灌叢。 灌叢群落中常有禾葉蒿草密生,其覆蓋度可達(dá) 20%。近山頂多為危崖峭壁,巖石分化崩塌甚烈,在巖石表面綴生許多殼狀地衣,在稍有碎土之地,則有枝狀地衣 (Cladoniaspp.)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1土壤樣品的采集

于2016年5月至2016年9月,在太白山北坡上沿著海拔梯度的變化,海拔高度每升高50 m設(shè)置一個(gè)20 m × 20 m的樣地作為采樣點(diǎn),為了保證樣地的代表性,減少局地地形條件對(duì)土層深度和土壤有機(jī)碳積累等因素的影響[6,15],選取的樣地盡可能保證坡位、坡向、坡度等地形條件基本接近一致。在每塊樣地內(nèi)按S型或?qū)蔷€法隨機(jī)選取3—5個(gè)能代表整個(gè)樣地的樣點(diǎn)進(jìn)行土壤樣品的采集。用土鉆 (內(nèi)徑3 cm)按0 —10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm (具體采樣深度以實(shí)際采樣為主,不夠100 cm的采集到母巖為止) 6個(gè)層次分層采集各層土壤樣品,裝袋、標(biāo)記編號(hào)。在采樣的過程中利用GPS定位采樣點(diǎn)的海拔高度、地理位置等信息。同時(shí)在每個(gè)樣地內(nèi),挖一個(gè)深度約為100 cm的土壤剖面 (具體采樣深度以實(shí)際采樣為主,不夠100 cm的采集到母巖為止),除去土壤表層的植物體,利用體積約為100 cm3的環(huán)刀,按照0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm分層采集土壤,立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重,并計(jì)算土壤容重 (環(huán)刀法)。由于是土石山區(qū),土壤中肯定含有不少的石粒,本研究中土壤容重的計(jì)算包括石粒,如果在采樣過程中遇到母巖,則該層次的土壤樣品和土壤容重均不采集。

1.2.2樣品分析

新鮮樣品混合均勻后,在室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干,風(fēng)干樣品過0.15 mm篩后,測(cè)定 SOC (H2SO4-K2Cr2O7外加熱法) 含量 (g/kg),土壤容重的測(cè)定利用環(huán)刀法。

1.2.3土壤有機(jī)碳密度的估算

土壤有機(jī)碳密度 (SOCD)利用下列方程進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中,SOCD 是土壤有機(jī)碳密度 (kg/m2),SOCi是第i層的土壤有機(jī)碳含量 (g/kg),BDi是第i層的土壤容重 (g cm-3),Di是第i層的土層厚度 (m),m是土層的數(shù)量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,利用Sigmaplot軟件進(jìn)行有關(guān)基礎(chǔ)圖件的制作,并用SAS軟件的UNIVARIATE plot normal程序包對(duì)SOCD數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。利用SAS軟件對(duì)不同海拔梯度、氣候帶和植被帶下的SOCD進(jìn)行了方差分析 (GLM),當(dāng)F檢驗(yàn)顯著時(shí)再進(jìn)行3種海拔梯度 (低山區(qū)、中山區(qū)和高山區(qū))、4種氣候帶 (亞寒帶、寒溫帶、溫帶、暖溫帶)以及6種植被帶 (低山擾動(dòng)帶、銳齒櫟林帶、混交林帶、樺木林帶、高山針葉林帶和高山草甸帶)均值間的 Duncan檢驗(yàn)。此外,利用SAS軟件的PROC reg 程序包對(duì)分析獲得的SOCD (y)和土壤理化性質(zhì) (x)進(jìn)行回歸分析 (線性和非線性)。

2 結(jié)果分析

2.1 SOCD變異的影響因子分析

太白山北坡的SOCD的變化范圍為0.24—14.99 kg/m2,均值為2.23 kg/m2,變異系數(shù)高達(dá)76%,數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布 (W=0.8404,N=652,P<0.0001)。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析表明,氣候帶、山區(qū)類型、海拔梯度、土層厚度、氣候帶和土層厚度的交互作用、氣候帶與山區(qū)類型和土層厚度的交互作用以及氣候帶與海拔梯度和土層厚度的交互作用均對(duì)太白山北坡的SOCD影響顯著 (P<0.0001,表2)。

2.2 海拔梯度和土層厚度對(duì)SOCD的影響

海拔梯度對(duì)太白山北坡的SOCD影響顯著,且不同土層厚度的SOCD均呈現(xiàn)出隨著海拔梯度的增加而增加的趨勢(shì) (圖2)。在0—10 cm土層,SOCD從低山區(qū)的3.23 kg/m2增加到中山區(qū)的3.71 kg/m2和高山區(qū)的3.55 kg/m2,分別增加了15%和10%；在10—20 cm 土層,SOCD從低山區(qū)的2.03 kg/m2增加到中山區(qū)的2.35 kg/m2,增幅達(dá)到16%；在20—40 cm土層,SOCD在低山區(qū)和中山區(qū)分別為3.08 kg/m2和5.78 kg/m2,增加了88% (圖3)。

除了海拔梯度以外,土層厚度也是影響SOCD的一個(gè)不可忽視的因素。在太白山北坡上,SOCD基本呈現(xiàn)出隨著土層厚度的增加而減少的趨勢(shì)(圖2)。SOCD在0—10 cm、10—20 cm、20 —40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm土層依次為3.41 kg/m2、2.11 kg/m2、3.64 kg/m2、1.83 kg/m2、1.26 kg/m2和1.08 kg/m2,減少幅度分別為68%、49%、70%、41%和14%。

表2 太白山北坡SOCD變異的影響因子方差分析

Q代表氣候帶,S代表山區(qū)分類,H代表海拔梯度,T土層厚度,df代表自由度,SS代表平方和, MS代表均方

圖2 海拔梯度對(duì)SOCD的影響Fig.2 Effect of altitude gradient on SOCD on the northern slope of Taibai Mountain

2.3 氣候帶對(duì)SOCD的影響

在太白山北坡上,氣候帶對(duì)SOCD的影響顯著,且基本呈現(xiàn)出亞寒帶大于寒溫帶大于溫帶大于暖溫帶的趨勢(shì) (圖4)。在0—10 cm土層,SOCD在不同氣候帶間的差異不顯著 (P>0.05),但也呈現(xiàn)出亞寒帶 (3.63 kg/m2)>寒溫帶 (3.42 kg/m2)>溫帶 (3.39 kg/m2)>暖溫帶 (3.30 kg/m2)的趨勢(shì)；在10—20 cm土層,寒溫帶 (2.24 kg/m2)和溫帶 (2.13 kg/m2)的SOCD分別是暖溫帶 (1.86 kg/m2)SOCD的1.20和1.15倍；在20—40 cm土層,寒溫帶 (6.12 kg/m2)和溫帶 (3.19 kg/m2)的SOCD依次較暖溫帶 (2.65 kg/m2)的SOCD提高了131%和20%；在40—60 cm土層,SOCD在暖溫帶和溫帶依次為2.12 kg/m2和1.73 kg/m2；在60—100 cm土層,SOCD在暖溫帶和溫帶之間的差異不顯著。

圖3 山區(qū)對(duì)SOCD的影響 Fig.3 Effect of mountain type on SOCD on the northern slope of Taibai Mountain

圖4 氣候帶對(duì)SOCD的影響 Fig.4 Effect of climatic zone on SOCD on the northern slope of Taibai Mountain

2.4 植被帶對(duì)SOCD的影響

植被帶對(duì)太白山北坡的SOCD影響顯著,在0—10 cm土層,SOCD在低山擾動(dòng)帶 (3.28 kg/m2)、銳齒櫟林帶 (3.38 kg/m2)、高山針葉林帶 (3.30 kg/m2)和高山草甸帶 (3.63 kg/m2)之間的差異不明顯 (P>0.05),但是與混交林帶 (2.83 kg/m2)和樺木林帶 (4.13 kg/m2)的差異明顯 (P<0.05)；在10—20 cm土層,SOCD在樺木林帶最高高達(dá)2.46 kg/m2,在低山混交林帶最低僅為1.86 kg/m2,而在銳齒櫟林帶 (2.00 kg/m2)、混交林帶 (2.15 kg/m2)和高山針葉林帶 (2.23 kg/m2)之間的差異不明顯 (P>0.05)；在20—40 cm土層,較低山擾動(dòng)帶的SOCD而言(2.65 kg/m2),銳齒櫟林帶 (3.06 kg/m2)、混交林帶 (3.28 kg/m2)、樺木林帶 (4.89 kg/m2)和高山針葉林帶 (5.97 kg/m2)的SOCD分別提高了15%、24%、85%和125%；在40—60 cm土層,低山擾動(dòng)帶 (2.12 kg/m2)、混交林帶 (2.35 kg/m2)和樺木林帶 (2.33 kg/m2)的SOCD分別是銳齒櫟林帶 (1.42 kg/m2) SOCD的1.49、1.65和1.64倍；在60—80 cm土層,低山擾動(dòng)帶 (1.30 kg/m2)和混交林帶 (1.59 kg/m2)的SOCD依次較銳齒櫟林帶 (1.18 kg/m2)的SOCD提高了10%和35%；在80—100 cm土層,混交林帶 (1.52 kg/m2)的SOCD分別是低山擾動(dòng)帶 (0.99 kg/m2)和銳齒櫟林帶 (1.04 kg/m2)SOCD的1.54和1.46倍。

圖5 植被帶對(duì)SOCD的影響Fig.5 Effect of vegetation zone on SOCD on the northern slope of Taibai Mountain

2.5 土層深度對(duì)SOCD的影響

在太白山北坡上,隨著海拔梯度的增加,土層深度發(fā)生了顯著的改變 (P<0.05),平均從低山區(qū)的78 cm,減少到中山區(qū)的33 cm,然而在高山區(qū)僅有10 cm,減少幅度分別達(dá)87%和70% (圖6)。隨著土層深度的改變,總SOCD隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì) (P<0.05),且在低山區(qū) (35.45 kg/m2)和中山區(qū) (28.84 kg/m2)的總SOCD分別較高山區(qū) (12.29 kg/m2)的總SOCD減少了65%和57% (圖6)。但是,相應(yīng)的單位土層深度上的SOCD卻呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),從低山區(qū)的0.51 kg/m2,增加到中山區(qū)的0.87 kg/m2,進(jìn)而增加到高山區(qū)的1.23 kg/m2,增加幅度依次為141%和41% (圖6)。

圖6 海拔梯度對(duì)土層深度和SOCD的影響Fig.6 Effect of altitude gradient on soil depths and SOCD on the northern slope of Taibai Mountain

土層深度、總SOCD和單位土層深度上的SOCD在不同植被帶下也具有類似的變化規(guī)律,土層深度在低山擾動(dòng)帶下平均90 cm、在銳齒櫟林帶下平均為80 cm、在混交林帶下平均為66 cm、在樺木林帶下平均為38 cm、在高山針葉林帶下平均為24 cm、而在高山草甸下僅有10 cm,降低幅度分別高達(dá)89%、88%、85%、74%和58%。與此相對(duì)應(yīng)的,總SOCD在不同植被帶下呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),且總SOCD在低山擾動(dòng)帶下平均為40.75 kg/m2、在銳齒櫟林帶下平均為34.41 kg/m2、在混交林帶下平均為33.25 kg/m2、在樺木林帶下平均為30.69 kg/m2、在高山針葉林帶下平均為20.93 kg/m2,而在高山草甸下平均僅為14.50 kg/m2。但是,單位土層深度上的SOCD在不同植被帶下卻呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),且SOCD在低山擾動(dòng)帶下、銳齒櫟林帶下、混交林帶下、樺木林帶下、高山針葉林帶下和高山草甸下平均依次為0.48 kg/m2、0.51 kg/m2、0.55 kg/m2、0.86 kg/m2、0.91 kg/m2和1.45 kg/m2,增加幅度分別為6%、15%、79%、90%和202%。

3 討論

本研究結(jié)果表明,在太白山北坡上,隨著海拔梯度的增加SOCD呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì) (y=0.001x+0.52,R2=0.51,P<0.0001),這與已有的研究結(jié)果基本相類似[6-7]。隨著海拔梯度的改變 (800—3800 m),土壤微氣候、植被帶、土壤理化性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,而這些因素均會(huì)對(duì)SOCD產(chǎn)生影響[3, 10, 12]。研究結(jié)果表明,太白山北坡上的SOCD在不同氣候帶下呈現(xiàn)出亞寒帶>寒溫帶>溫帶>暖溫帶的趨勢(shì),這是因?yàn)椴煌瑲夂驇碌耐寥牢h(huán)境差異明顯,例如年平均土壤溫度在四個(gè)氣候帶下依次為0.22 ℃、2.78 ℃、8.21℃、13.72 ℃,而較低的土壤溫度可能通過降低土壤微生物活動(dòng)而有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[28-29]。此外,太白山北坡上的SOCD因植被帶差異明顯,而植被主要通過凋落物的輸入 (地上和地下)和凋落物的生化性質(zhì) (木質(zhì)素含量和碳氮比等因素)兩個(gè)方面影響土壤有機(jī)碳的積累[30-32],且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),SOCD與地上部凋落物現(xiàn)存量呈現(xiàn)出拋物線關(guān)系 (y=-0.00005x2+0.09x-1.69,R2=0.89,P<0.05)。氣候帶和植被帶的改變必然會(huì)導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變 (粘粒含量、土壤容重、土壤溫度等因素),而這些因素對(duì)SOCD的影響不容忽視[33]。通過對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘發(fā)現(xiàn),太白山北坡上的SOCD與土壤粘粒含量 (y=48.28x+2.22,R2=0.70,P<0.001)、土壤pH (y=22.34x-105.53,R2=0.41,P<0.05)、土壤容重 (y=20.17x+12.22,R2=0.89,P<0.01)、土壤溫度 (y=1.87x+17.36,R2=0.90,P<0.0001)均呈線性關(guān)系,這與已有的研究結(jié)果相類似[33-34]。

除了海拔梯度、氣候帶、植被帶、土壤理化性質(zhì)以外,土層厚度和土層深度也是影響SOCD的一個(gè)重要因素。在本研究中,SOCD基本呈現(xiàn)出隨著土層厚度的增加而減少的趨勢(shì) (圖2),且降低幅度高達(dá)14%—70%,這與已有的研究結(jié)果相類似[30,35]。SOCD在不同土層厚度下的分布特征可能與地下根系凋落物[30]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[36]、土壤水分含量[17]、土壤溫度[17]以及土壤養(yǎng)分含量[17]在土壤剖面中的分布特征密切相關(guān)。例如,在磚窯溝小流域內(nèi),有研究發(fā)現(xiàn)地下根系生物量隨著土層厚度的增加呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),平均有超過64%的地下根系生物量分布在0—40 cm土層,而僅有36%的地下根系生物量分布在40—100 cm土層[30]。

在太白山北坡上,隨著海拔梯度的增加土層深度呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),平均從低山區(qū)的78 cm,減少到中山區(qū)的33 cm,然而在高山區(qū)僅有10 cm,減少幅度分別達(dá)87%和70% (圖6),這與已有的研究結(jié)果相類似[16-17, 37]。例如,在鼎湖山自然保護(hù)區(qū)內(nèi),土層深度的分布范圍大概為18—105 cm,集中分布于45—80 cm,且土層深度最低分布在海拔高度最高的地點(diǎn),僅有20—60 cm,土層深度最高的分布在山腳 (海拔高度最低),高達(dá)45—100 cm,基本呈現(xiàn)出隨著海拔梯度的增加而減少的趨勢(shì)[37]。與此相對(duì)應(yīng),總SOCD隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),平均總SOCD在中山區(qū)和高山區(qū)分別減少了65%和57%,但是單位土層深度上的SOCD卻呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),平均單位土層深度上的SOCD在高山區(qū)和中山區(qū)分別增加了141%和41% (圖6),因此在土層深度受限的土石山區(qū)土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響不容忽視[6]。例如,在全球尺度上,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在0—300 cm土層內(nèi) (2344×1015Pg C)分別是在0—200 cm土層 (1993×1015Pg C)和0—100 cm 土層內(nèi) (1502×1015Pg C)的1.2倍和1.6倍[15],這一結(jié)論也間接證明了土層深度在估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的重要性[14]。

土層深度受局地地形條件(坡度、坡向、地形部位)影響顯著[38],例如張文太課題組以新疆的草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,利用GIS技術(shù)和相關(guān)分析的方法,探討了海拔高度、坡度、坡向、平面曲率和剖面曲率等5個(gè)地形特征參數(shù)與土層深度之間的相關(guān)性,研究結(jié)果表明在塔里木盆地的北部,海拔高度、坡度和坡向與土層深度相關(guān)關(guān)系均為極顯著水平 (P<0.01)[39]。此外,土層深度的這種異質(zhì)性可以通過土壤水分、土壤養(yǎng)分以及地下空間可利用性等方面對(duì)地上植物群落的物種組成和分布產(chǎn)生直接影響[40],從而影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間分布特征[30]。不同海拔梯度下,土層深度與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量之間的關(guān)系可能與不同土層深度內(nèi)的地下根系凋落物量、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分含量等因素的數(shù)量差異有關(guān)：1) 地下根系凋落物量[35],例如在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的灌木、喬木、灌草以及草本植被下研究發(fā)現(xiàn),地下根系凋落物量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)減少的趨勢(shì) (P<0.05),且在灌木植被、喬木植被、灌草植被以及草本植被下,表層 (0—20 cm)的細(xì)根凋落物量占剖面 (0—100 cm)根系凋落物量的比例依次為65%、63%、62%和81%[41]；2) 土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[42],例如在黃土高原的人工刺槐林內(nèi),土壤微生物數(shù)量 (放線菌、真菌和細(xì)菌)均隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),且表層 (0—20 cm) 放線菌的數(shù)量分別是中層 (20—50 cm)和底層 (50—90 cm)放線菌數(shù)量的3倍和24倍,表層真菌的數(shù)量分別是中層和底層真菌數(shù)量的2倍和7倍,表層細(xì)菌的數(shù)量分別是中層和底層細(xì)菌數(shù)量的18倍和185倍[36]；3) 土壤養(yǎng)分含量,例如在莽山國家森林公園的常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)中,底層 (60—100 cm)的水解氮、有效磷和有效鉀占整個(gè)剖面的 (0—100 cm)的比例依次50%、45%和91%[43]。除了上述的地下根系凋落物量、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分含量以外,不同土層深度內(nèi)的土壤溫度[16]、土壤水分含量[17]以及土壤氧氣濃度[36]的差異也可能導(dǎo)致不同土層深度內(nèi)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量不同,但具體原因有待我們作進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行論證。

4 結(jié)論

太白山北坡上SOCD的變化范圍為0.24—14.99 kg/m2,均值為2.23 kg/m2,變異系數(shù)高達(dá)76%,且SOCD呈現(xiàn)出隨著海拔梯度的增加而增加的趨勢(shì)。太白山北坡上SOCD的海拔梯度格局與氣候帶、植被帶、土壤理化性質(zhì)、土層厚度等因素有關(guān)。此外,在太白山北坡上土層深度和總SOCD隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),但是單位土層深度上的SOCD卻呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。上述研究結(jié)果對(duì)準(zhǔn)確估算土石山區(qū)的土壤碳儲(chǔ)量具有重要的理論和實(shí)際意義。

致謝：感謝王陽妮、張瑜、封旭升對(duì)采樣和試驗(yàn)給予的幫助,感謝張蓓蓓教授對(duì)寫作的幫助。