子午嶺不同林地土壤有機碳儲量及其垂直分布特征

0不同林分類型土壤碳儲量研究全球氣候的變化引起了許多科學家對陸地生態系統中碳平衡、碳儲存和分配的關注。據Post和Houghton等研究表明,土壤中所存儲的碳是植被中的2.5~3倍,而森林土壤約占全球土壤有機碳庫的73%,是陸地生態系統最大的有機碳庫,因而其儲量、分布及轉化日益成為全球有機碳研究的熱點。由于植被類型、氣候特點以及土壤的性質,不同林分間土壤有機碳存在較大的差異[6,7,8,9,10,11,12,13,14],因此,針對不同林分,對土壤有機碳儲量、分布進行研究是十分必要的。位于黃土高原腹地的子午嶺林區,具有黃土高原“綠島”的美譽,對西部地區氣候的調節、保持水土、維持生態平衡具有重要意義。目前,對子午嶺林區土壤碳研究主要集中在:土壤有機碳影響因素及表層碳儲量估計[16,17,18,19,20,21]等方面,而基于森林生態系統功能過程、從林分角度研究土壤碳儲量的報道較少。該研究以子午嶺林區3種森林類型(天然柴松林、遼東櫟林、人工油松林)的土壤為研究對象,比較分析了不同林地土壤有機碳儲量及其垂直分布特征,以期探討不同植被類型對土壤碳儲量的影響,為進一步研究黃土高原地區森林土壤碳儲量提供依據。1陰山山地u2004年713年造林子午嶺地處黃土高原腹地,位于陜甘兩省交界處的E108°10′~109°08′,N35°03′~36°37′,是洛河和涇河的分水嶺,屬天然次生林針闊葉混交林類型。海拔1280~1500m,相對高差200m左右,年均氣溫7.4℃,極端最高氣溫36.7℃,極端最低氣溫-27.7℃,≥10℃積溫2671.10℃,無霜期112~140天。年平均相對濕度63%~68%,年均降水量587.6mm。山體在陰坡和山脊坡面平緩,陽坡和半陽坡坡面較陡,屬溫涼半干旱區黃土覆蓋的森林草原地帶。適于楊、樺、櫟等部分落葉闊葉林和溫性針葉林發育。林相整齊,植物種類豐富,主要植物有喬木柴松(Pinustabulaeformisf.shekannesis)、油松(P.tabulaeformis)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等;灌叢白刺花(Sophoraviciifolia)、沙棘(Hippophaereamnoides)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana);草本白羊草(Bothriochloaischemum)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、鐵桿蒿(A.sacrorum)、本氏針茅(Stipabungeana)等。2材料和方法2.1樣地選擇與調查樣地選在陜西省富縣橋北林業局和尚塬林場大麥秸溝和甘肅省合水縣連家砭林場。經過對這2個林場的調查和研究,從植被生長以及林地群落保存、演替及穩定的角度,于2008年10月分別選擇天然柴松林、遼東櫟林以及人工油松林3種代表性林分為研究對象,采樣時綜合考慮地形,山體分不同坡向、坡位取樣,每個林分中分別設置12個10m×10m標準樣地進行群落調查,共獲得樣地36個(樣地特征如表1所示)。2.2土壤容重分析在標準樣地內,按照“S”型選擇3個土壤樣品采集點,用直徑10cm的土鉆取樣,取樣深度為0~90cm,分為0~10cm,10~30cm,30~50cm,50~70cm,70~90cm共5個層次。同時,在每一層次取3個環刀土10g,用于測定土壤容重。將采集樣品帶回實驗室,仔細挑除袋裝土內植物根系和石礫等雜物,于陰涼處自然風干后用四分法過0.25mm篩,編號待測。土壤有機碳(有機質)采用重鉻酸鉀-外加熱法。2.3碳儲量的計算土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量,某一土層i的有機碳密度(SOCDi,kg/m2)計算公式為:SOCDi=CiDiEi(1-Gi)/100。式中:Ci為土壤有機碳含量(g/kg),Di為土壤容重(g/cm3),Ei為土層厚度(cm),Gi為直徑大于2mm的石礫所占的體積百分比(%)。一定深度土壤有機碳密度為各個土層有機碳密度之和,林地土壤碳儲量為碳密度與其面積的乘積。此外,數據采用SPSS13.0軟件,方差分析研究不同林地土層深度對土壤有機碳及密度的影響,并在差異顯著時進行多重比較(P<0.05,LSD,t檢驗)。3結果與分析3.1不同深度對有機碳含量的影響土壤有機碳含量主要取決于植被每年的歸還量和分解速率,而植被類型、氣候特點以及土壤性質的差異,均會導致土層內有機碳含量的大小及分布。從表2可以看出,不同林分類型及土層間有機碳含量存在較大差異:就整個土層而言,3種林分土壤有機碳含量在11.43~13.95g/kg之間變化,其中遼東櫟林最高,其次是柴松林,人工油松林最低,這可能與林分的類型、植被的結構、枯落物厚度及其分解速率有關。在0~10cm的土壤表層,3種林分土壤有機碳差異較大,其中遼東櫟林表層含量最大,達37.6g/kg;但隨著土壤深度的增加,不同林分間的差異逐漸減小,特別是在柴松林和油松林尤其明顯。不同的字母代表不同深度差異性顯著(P<0.05),正負號后面表示標準差(表3同)。在剖面垂直分布上,3種林分土壤表層(0~10cm)有機碳含量最大,并隨土壤深度的增加有機碳含量遞減,這種變化幅度均達到了86%以上,可見,土壤深度對有機碳含量具有顯著的影響。經方差分析,結果表明:在0~10cm、10~30cm及30~50cm這3個土層,有機碳含量差異達到顯著性水平;在0~50cm土層中,3種林地有機碳含量均占到了整個采樣剖面的80%以上,這說明殘枝落葉分解后輸入土壤的有機碳都聚集在土壤表層,土壤有機碳的表聚性較明顯;而50cm以下土層,各林分土壤有機碳含量差異變小,這主要是因為土壤成土母質大致相同造成的,此時植被類型的差異對其影響不大。3.2前兩種林分土壤碳密度的差異由表3可見,3種林分土壤碳密度存在著顯著差異,各土層變化范圍為1.06~3.67kg/m2。對整個土層而言,3種林分土壤碳密度在9.38~11.43kg/m2之間,各林分土壤碳密度與碳含量表現的規律性基本相同,從大到小依次為:遼東櫟林>柴松林>油松林,其中前兩種林分土壤碳密度明顯較高,其碳密度分別是油松林的1.22倍和1.14倍。在土壤垂直剖面上,土壤有機碳密度與其含量變化規律相似,即隨著土壤深度的增加而遞減,且在各土層間差異顯著,其中人工油松林表層土壤有機碳密度最小,其垂直變化幅度為79.18%,這與油松林表層土壤遭受頻繁的人為干擾及碳積累較少有關。同時,對3種林地土層有機碳密度貢獻率分析表明,0~10cm的表層,土壤有機碳碳密度貢獻率為27.40%~30.88%;而0~50cm的土層,土壤有機碳密度貢獻率平均達到77.88%,可見,0~50cm土層,在森林土壤有機碳密度的研究中,占有不可忽視的地位。3.3對比林分類型研究表明,3種林分土壤碳儲量,柴松林為7.27×106t、遼東櫟林為4.36×106t、油松林為3.82×106t。由于林分面積的差異,可采用儲碳密度對不同林分土壤碳儲量進行對比,結果為遼東櫟林(114.3t/hm2)>柴松林(107.6t/hm2)>油松林(93.8t/hm2)。造成這種差異的主要原因與林分類型、植被結構以及人為干擾息息相關。據表1及表2分析可知,在林分整個土壤剖面,土壤有機碳含量及其密度特征表現為:遼東櫟林和柴松林均大于油松林,這主要是前兩種林分屬于自然恢復起來的,林間植被群落演替及生長狀況較好,受人為干擾及破壞較小,從而使得土壤儲碳量明顯高于人工油松林。此外,遼東櫟屬于落葉闊葉林,其凋落物較針葉林易于分解,從而使得土壤儲碳量大于屬于針葉林的柴松林和油松林。4林分土壤有機碳儲量1)目前,中國在土壤有機碳方面的研究較多,但其差異較大。李克讓等利用CEVSA模型估算全國土壤有機碳儲量平均為91.7t/hm2,其中落葉針葉林地為270t/hm2,落葉闊葉林地180.4t/hm2。而解憲麗等研究為115.9t/hm2,周玉榮等卻為193.6t/hm2。該試驗結果表明,子午嶺林區3種林地土壤有機碳儲量:柴松林為107.6t/hm2,人工油松林為93.8t/hm2,遼東櫟林為114.3t/hm2,平均為105.2t/hm2。可以看出,研究區林地土壤碳儲量大于全國平均值,而低于解憲麗、周玉榮等的研究,產生這種差異的主要原因是研究尺度、樹種差異、土壤類型、區域氣候差異等因素造成的,可見,對不同林分土壤有機碳儲量分別加以研究是十分必要的。2)柴松林、遼東櫟林、油松林土壤有機碳含量依次為13.67、13.95、11.43g/kg和密度依次為10.76、11.43、9.38kg/m2。在垂直剖面上,3種林分土壤有機碳及其密度,隨著土壤深度的增加呈現減小的趨勢,各層具有顯著性差異,這與許多研究結果相同。其中0~50cm土層碳儲量占到3種林分整