杜雪，王海燕，鄒佳何，孟海，趙晗，崔雪，董齊琪

北京林業(yè)大學林學院/森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083

1 m深度的全球土壤碳庫達到1550 Pg，是大氣碳庫的2.2倍（Eswaran et al.，1993）。森林土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，在維持全球碳平衡、調節(jié)全球碳循環(huán)和降低大氣CO2濃度等方面發(fā)揮著重要作用（Hou et al.，2020）。森林土壤有機碳（SOC）是森林土壤碳庫中最重要的組成部分，占全球土壤有機碳庫的 40%左右（田耀武等，2017），是影響森林土壤肥力和生產力、養(yǎng)分有效性的關鍵因素（Ghebleh et al.，2021），對于森林土壤的物理、化學和生物特性具有良好的調節(jié)作用，同時也為森林植物和土壤微生物生長提供能量和營養(yǎng)物質。

了解森林土壤有機碳含量空間分布的影響因素是準確估計森林土壤有機碳儲量的必要條件（Yu et al.，2020）。Bai et al.（2020）研究發(fā)現(xiàn)，成土母質、土壤類型、土地利用類型、坡位、坡向和巖石暴露率對土壤有機碳有極顯著影響（P<0.001）；劉波等（2021）研究表明酸堿度、電導率等土壤理化性質可以解釋六盤山華北落葉松土壤有機碳的大部分變異；Dong et al.（2021）發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢樹種、海拔和歸一化植被差異指數(shù)是影響中國東南部亞熱帶森林土壤有機碳的關鍵因素；關于大興安嶺森林的研究也表明植被類型、林木年齡、根系分布、凋落物分解程度、地形因子、土壤理化性質等因素會對土壤有機碳含量產生影響（王冰等，2020）。

中國東北地區(qū)森林眾多，植被類型多樣，林分結構復雜（秦倩倩等，2019），初始土壤有機碳含量較高，但近年來卻呈現(xiàn)下降趨勢（唐敏，2019），了解森林土壤有機碳含量空間分布規(guī)律和影響因素，對正確分析東北地區(qū)有機碳含量降低原因、研究全球環(huán)境變化有重要意義。長白山區(qū)森林是東北森林的重要組成部分，云冷杉闊葉混交林是該區(qū)的典型林分。本文以吉林汪清林業(yè)局云冷杉闊葉混交林為研究對象，探究不同采伐強度和土壤深度下土壤有機碳含量和儲量的分布特征，并分析土壤有機碳與土壤理化性質之間的相關性和關聯(lián)度，以期揭示長白山北坡森林土壤有機碳分布規(guī)律，為森林合理經營提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設置于吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場（129°25′—130°20′E，43°17′—43°25′N）內，地處長白山系老爺嶺系雪嶺支脈，海拔300—1200 m，坡度范圍為 5°—25°，地貌類型為低山丘陵。研究區(qū)屬溫帶季風氣候，全年平均氣溫約為4 ℃，年均降水量為547 mm。土壤主要類型是暗棕壤，成土母質為玄武巖、片麻巖和花崗巖。主要針葉樹種包括紅皮云杉（PiceakoraiensisNakai）、魚鱗云杉（Picea jezoensisvar.microsperma(Lindl.) Cheng et L.K.Fu）、臭冷杉（Abiesnephrolepis(Trautv.) Maxim.）、紅松（PinuskoraiensisSieb.et Zucc.）；主要闊葉樹種包括白樺（BetulaplatyphyllaSuk.）、紫椴（Tilia amurensisRupr.）、水曲柳（FraxinusmandshuricaRupr.）和山楊（PopulusdavidianaDode）等。

1.2 樣地設置

2013年在研究區(qū)內設置了12塊面積為1 hm2的方形樣地，2015年對樣地進行采伐作業(yè)，按照采伐蓄積量確定采伐強度。2018年7月，我們選取采伐強度分別為6.29%和11.22%的兩塊樣地，樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Characteristics of experimental plots

1.3 樣品采集與測定

在每塊樣地中按照網格法設置100個10 m×10 m的樣方，調查記錄樣方內胸徑>5 cm的喬木種類、樹高和胸徑。用環(huán)刀取0—20 cm、20—40 cm土層土樣，用于土壤密度的測定。采用“S”形取樣法進行土壤樣品采集，用土鉆分別取0—20 cm和20—40 cm的混合土樣，共計400份；土樣經風干、磨細后，過2 mm和0.25 mm的土壤篩，用于測定土壤養(yǎng)分及相關指標。

土壤樣品的測定參照《土壤農化分析》（鮑士旦，2000），土壤pH采用酸度計法；土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮（TN）采用半微量凱氏法；全磷（TP）采用酸溶-鉬銻抗比色法；有效磷（AP）采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）采用中性乙酸銨浸提-火焰光度計法；土壤密度采用烘干法。

1.4 土壤有機碳儲量的計算

土壤有機碳儲量計算公式（張智勇等，2020）：

式中：

R——土壤有機碳儲量（t·hm?2）；

n——不同土層；

H——土層厚度（cm）；

P——土壤密度（g·cm?3）；

w——土壤有機碳質量分數(shù)（g·kg?1）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對土壤有機碳含量、儲量、C/N進行描述性統(tǒng)計分析，對土壤有機碳與土壤理化性質進行 Spearman相關分析計算相關系數(shù)；采用灰色關聯(lián)法對各樣地不同土層土壤理化性質與土壤有機碳的關聯(lián)度分析及排序。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量及儲量分布特征

由表2可知，研究區(qū)兩塊樣地的土壤有機碳質量分數(shù)變化范圍為18.76—136.30 g·kg?1，最大值均出現(xiàn)在0—20 cm土層中，其均值也表現(xiàn)出土壤有機碳在0—20 cm土層積聚。由變異系數(shù)可知，土壤有機碳含量屬中等程度變異。由于土壤結構性因素的影響，深層土壤有機碳含量較低，但變異系數(shù)較大，尤其是在樣地Ⅰ的20—40 cm土層，變異系數(shù)為39.26%，但總體來說土壤有機碳受外界影響不大。兩塊樣地的土壤有機碳含量均為正偏。樣地Ⅰ的土壤有機碳含量的峰度值>0，數(shù)據(jù)分布呈尖頂峰；而樣地Ⅱ的峰度值<0，數(shù)據(jù)分布呈平頂峰。

表2 不同土層土壤有機碳含量統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of soil organic carbon content in different soil layers

在0—20 cm和20—40 cm土層中，兩塊樣地土壤有機碳儲量介于37.47—198.49 t·hm?2之間（表3），有機碳儲量均值由大到小表現(xiàn)為樣地Ⅱ 0—20 cm (136.97 t·hm?2)>樣地Ⅰ 0—20 cm (117.46 t·hm?2)>樣地Ⅱ 20—40 cm (92.29 t·hm?2)>樣地Ⅰ20—40 cm (75.76 t·hm?2)，隨土壤深度增加整體上呈現(xiàn)下降趨勢。土壤有機碳儲量空間變異系數(shù)最大為38.61%（樣地Ⅰ 20—40 cm），最小為27.50%（樣地Ⅱ 20—40 cm），均屬中等程度變異。0—40 cm土壤有機碳儲量均值表現(xiàn)為樣地Ⅱ(229.26 t·hm?2)>樣地Ⅰ(193.21 t·hm?2)，其變異系數(shù)均屬于中等變異。兩塊樣地所有土層的土壤有機碳儲量均為正偏且峰度值>0，數(shù)據(jù)分布呈尖頂峰。

表3 不同土層土壤有機碳儲量統(tǒng)計特征Table 3 Statistical characteristics of soil organic carbon stock in different soil layers

2.2 土壤全氮分布特征及C/N變化規(guī)律

表4為云冷杉闊葉混交林0—20 cm和20—40 cm土層土壤TN及C/N的描述性統(tǒng)計分析。兩塊樣地土壤 TN含量的范圍為 1.70—4.51 g·kg?1，并隨土壤深度增加TN含量下降；其變異程度屬中等程度變異，變異系數(shù)最大 54.01%（樣地Ⅰ 20—40 cm），最小為31.27%（樣地Ⅱ 0—20 cm）。土壤剖面C/N在17.44—24.74之間，且隨土壤深度增加呈上升趨勢。土壤C/N屬中等程度變異，其中樣地Ⅱ 20—40 cm土壤C/N變異系數(shù)最大（83.50%），空間變異程度較為劇烈。

表4 不同土層土壤全氮及碳氮比統(tǒng)計特征Table 4 Statistical characteristics of soil total nitrogen and C/N in different soil layers

2.3 不同樣地及不同土壤深度有機碳含量、儲量及碳氮比的差異

對不同采伐強度樣地及不同土壤深度下土壤有機碳含量、儲量及碳氮比進行配對t檢驗（表5），發(fā)現(xiàn)樣地Ⅰ與樣地Ⅱ的有機碳含量、儲量之間均呈極顯著差異（P<0.01），而兩塊樣地的C/N之間的差異不顯著（P>0.05）；0—20 cm與20—40 cm土壤深度下的有機碳含量、儲量及碳氮比之間均為極顯著差異（P<0.01）。

表5 土壤有機碳（SOC）含量、儲量及碳氮比成對樣本t檢驗Table 5 Soil organic carbon (SOC) content, stock and C/N ratio paired samples t test

2.4 土壤有機碳影響因素分析

由表6可知，兩塊樣地0—20、20—40 cm的土壤SOC與TN、TP均呈極顯著正相關（P<0.01）；除樣地Ⅰ 0—20 cm的土壤SOC與AP呈顯著正相關（P<0.05）外，其余均為極顯著正相關關系（P<0.01）；SOC與AK呈正相關關系，除樣地Ⅰ 20—40 cm土層外，SOC與土壤pH值也呈正相關關系，但相關性均未達到顯著水平（P>0.05）；除樣地Ⅱ 0—20 cm土層的SOC與土壤密度為顯著負相關關系（P<0.05）外，其余均呈極顯著負相關（P<0.01）。

表6 不同土層土壤有機碳與土壤理化性質相關分析Table 6 Correlation analysis between soil organic carbon and soil physico-chemical properties in different soil layers

選取土壤有機碳含量做參考數(shù)列，pH、TN、TP、AP、AK和土壤密度為比較數(shù)列，計算不同土層土壤理化性質與土壤有機碳的關聯(lián)度（表7）。樣地Ⅰ 20—40 cm的pH、TP、AP和樣地Ⅱ 0—20 cm的TN與SOC的關聯(lián)系數(shù)均大于0.8，關聯(lián)度為高關聯(lián)；其余均介于0.6—0.8之間，屬于較高關聯(lián)。樣地Ⅰ 0—20 cm土層中AP與SOC關聯(lián)最為密切，在20—40 cm土層中TP與SOC關聯(lián)最為密切；樣地Ⅱ中TN與SOC關聯(lián)最為密切，AP關聯(lián)最為不密切?？傮w來說，不同土壤理化性質與土壤有機碳含量的關聯(lián)度均處在高關聯(lián)以上，但AK與SOC關聯(lián)度相對較弱。

表7 不同土層土壤理化性質與土壤有機碳的關聯(lián)度Table 7 Correlation between soil physico-chemical properties and soil organic carbon in different soil layers

3 討論

3.1 土壤有機碳含量及儲量分布特征

云冷杉闊葉混交林兩塊樣地均表現(xiàn)為 0—20 cm土層中的土壤有機碳含量和儲量較高，而且 0—20 cm與20—40 cm土壤深度下的有機碳含量、儲量之間差異極顯著，表明研究區(qū)土壤有機碳具有表聚現(xiàn)象（Zhou et al.，2020；宋彥彥等，2019）。產生該現(xiàn)象的原因可能是森林中凋落物是土壤的重要碳源（陳子豪等，2021），土壤有機碳主要通過凋落物分解歸還于土壤（吳麗芳等，2021），在表層土壤中有大量的凋落物輸入，而且土壤微生物數(shù)量多，土壤通透性好，相比于深層土壤更適宜凋落物分解，從而形成較多有機質為土壤帶來豐富的碳源。

云冷杉闊葉混交林兩種采伐強度下土壤有機碳含量均值介于 35.26—83.98 g·kg?1，高于全國森林土壤有機碳含量（11.2 g·kg?1）（王亞東等，2020），土壤有機碳儲量均值變化范圍為 75.76—136.97 t·hm?2。同樣為長白山云冷杉混交林，宋彥彥等（2019）研究表明土壤有機碳含量最高為 80.99 g·kg?1，其均值為 38.84 g·kg?1，本研究土壤有機碳含量均值變化范圍與之相似。樣地Ⅱ的采伐強度（11.22%）大于樣地Ⅰ（6.29%），0—40 cm的土壤有機碳儲量也表現(xiàn)為樣地Ⅱ (229.26 t·hm?2)>樣地Ⅰ (193.21 t·hm?2)，且兩塊樣地的有機碳含量、儲量之間均呈極顯著差異（P<0.01），即采伐強度較大的樣地其土壤有機碳含量與儲量均較大，這與孫志虎等（2016）的研究結果相似，何姍等（2019）的研究結果也表明適度撫育間伐（間伐強度≤50%）有利增加森林土壤有機碳含量。其原因可能是因為適度的采伐可以調整林分密度，促進草本灌木生長，增加地上生物量（杜雪等，2021），同時也會改善土壤環(huán)境，促進土壤微生物活動，進而加速凋落物分解歸還土壤碳；但也有研究發(fā)現(xiàn)，采伐后光照增強、溫度升高會影響微生物呼吸和凋落物輸入、分解，使得溫帶森林土壤碳儲量降低（黃麟，2021）。

3.2 土壤全氮分布特征及C/N變化規(guī)律

土壤C/N是衡量土壤碳、氮關系的重要指標，其變化規(guī)律可以反映出土壤有機質的分解規(guī)律，對土壤質量評價有重要意義（彭曉等，2016）。全球土壤C/N均值為13.33，全球0—10 cm森林土壤C/N均值為12.4（陶曉等，2020），本研究區(qū)兩塊樣地不同土層土壤C/N在17.44—24.74之間，高于全球平均值，表明該研究區(qū)土壤腐殖化程度較低。土壤TN也表現(xiàn)出在土壤表層積聚的現(xiàn)象，即隨土壤深度增加TN含量下降；而土壤C/N則表現(xiàn)出相反的規(guī)律，即隨土壤深度增加而呈現(xiàn)上升趨勢，這與張莎莎等（2020）研究結果一致。土壤C/N受土壤碳、氮含量變化的共同影響，相比于土壤 TN，SOC礦化能力較強，隨土壤深度降低幅度更小，則會導致越深層的土壤中土壤C/N較高。影響土壤碳、氮的因子也會影響土壤C/N，土壤碳、氮之間的相互影響也會導致土壤C/N發(fā)生變化，因此，兩塊樣地20—40 cm土層中土壤C/N的變異程度較大。

3.3 土壤有機碳影響因素分析

森林土壤有機碳的含量和分布受土壤密度、酸堿性以及氮磷鉀等多種因素的影響。研究區(qū)兩塊樣地 SOC與土壤 TN均呈極顯著正相關關系（P<0.01），這與其他地區(qū)的研究結果一致（Zhang et al.，2021；張玲等，2017）。由于碳和氮循環(huán)之間存在耦合關系，土壤中的TN含量較高會降低土壤微生物的活性，使土壤礦化率降低（Lu et al.，2021），從而影響土壤中有機碳含量也會相對較高。SOC與土壤TP呈極顯著正相關關系（P<0.01），除樣地Ⅰ 0—20 cm的 SOC與 AP呈顯著正相關（P<0.05）外，其余均為極顯著正相關關系（P<0.01），土壤中的磷通過增加合成有機質底物的輸入和土壤微生物的活性（方華軍等，2019），進而影響SOC的含量。與一些研究結果相似（祖元剛等，2011；王會利等，2018），SOC與AK呈正相關關系，但在本研究區(qū)中二者的相關性未達到顯著水平。除樣地Ⅰ 20—40 cm土層外，土壤SOC與pH值均呈正相關關系，但相關性不顯著，這與宋彥彥等（2019）、Qin et al.（2016）研究結果相似。有研究表明，不同土層的土壤密度與有機碳為顯著或極顯著負相關關系（張厚喜等，2019；陳良帥等，2021），本研究結果與之一致。在土壤密度較大的樣地，土壤孔隙度較小，土質相對緊實，通氣透水性能較差，土壤中的微生物活性受到抑制，凋落物、動植物殘體分解速率減緩，有機質含量相對較低。越深層的土壤越緊實，土壤密度較大，而 SOC含量較低。不同土層土壤理化性質與土壤有機碳的關聯(lián)度分析可以看出土壤理化性質與 SOC含量的關聯(lián)程度較高，尤其是氮磷元素對 SOC關聯(lián)較為密切，而AK與SOC關聯(lián)度相對較弱。

4 結論

（1）土壤有機碳在0—20 cm土層積聚，隨土層深度增加，土壤有機碳含量和儲量均減少。不同樣地及不同土壤深度的有機碳含量、儲量之間均呈極顯著差異（P<0.01）。

（2）土壤TN也表現(xiàn)為在土壤表層積聚，隨土壤深度增加TN含量下降；兩塊樣地土壤C/N均高于全球土壤C/N均值，且隨土壤深度增加呈現(xiàn)上升趨勢。

（3）土壤有機碳與全氮、全磷、有效磷呈顯著或極顯著正相關關系，與土壤密度呈極顯著負相關（P<0.01），而與土壤pH值和速效鉀相關性不顯著（P>0.05）。不同土壤理化性質與土壤有機碳含量的關聯(lián)程度均較高。