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土壤有机碳是土壤重要组成部分和土壤肥力的关键指标,又是全球碳循环的重要组成部分,因而,成为全球气候变化领域研究的焦点之一。森林土壤是森林生态系统的重要组成部分,是陆地生态系统最大的有机碳库之一[1-3]。森林土壤有机碳储量约为全球土壤碳储量的73%,约占森林生态系统有机碳库的2/3[4]。森林土壤碳储量发生轻微的变化,可能会引起CO2浓度的强烈变化[5-6]。
北半球温带森林起着重要的碳汇作用[7-9],并可能导致CO2“失汇”[10]。华北地区是我国暖温带落叶阔叶林的重要分布区。土壤碳库是森林陆地碳库中最重要的一环,土壤有机碳含量、垂直分布、碳密度和碳储量是重要的碳库指标[11]。许多学者利用土壤普查数据以及剖面分布图对华北地区进行区域或植被尺度土壤碳储量估算[12-14],这种估算往往存在一定的偏差,需要依靠林分尺度的研究提供依据。
林分类型不同,其输入土壤的枯落物以及根系分泌物也不同,从而导致土壤有机碳积累状况存在较大差异[15]。目前,关于华北地区不同林分类型的土壤有机碳库特征的研究正逐步深入,并有不同的认识。方精云等[16]在东灵山的研究显示,华北地区阔叶林和针叶林土壤碳密度差异不大;耿玉清等[17]在北京西山的研究则显示,阔叶林比针叶林更能积累土壤有机碳;朱丽平等[18]认为,阔叶林下土壤较针叶林有更大的固碳潜力;李娜等[19]在东灵山研究显示,土壤有机碳含量大小为白桦林 > 辽东栎+棘皮桦混交林 > 辽东栎林,这与刘国华等[20]研究得出结论相同;而王文静等[21]研究显示,栎林下土壤碳储量高于混交林。
松山国家级自然保护区拥有在华北地区保持完好的典型且丰富的植被类型,天然油松(Pinus tabuliformis Carriere.)林森林生态系统是保护区内最具特色的森林群落类型,对油松林碳储量及养分垂直分布已有相关研究[22-24];保护区内还分布有胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)、山杨(Populus davidiana Dode.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)、榆树(Ulmus pumila L.)为主要树种的暖温带落叶阔叶次生林。本研究以5种典型林分为研究对象,分析林下不同土层土壤有机碳含量、密度垂直分布特征及与土壤理化性质的关系,探讨不同林分类型下土壤有机碳积累与变化规律,为发挥森林土壤潜力和应对气候变化提供科学依据。
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依据研究区油松林、针阔混交林(山杨与油松)、核桃秋林、蒙古栎林、山杨林等5种典型林分类型的分布情况,考虑海拔、坡度、坡位、坡向以及林分密度等对土壤有机碳的影响,在每种林分类型设面积均为20 m × 20 m的3块标准地,共计15块样地。分别对所选标准地进行相关因子调查,样地基本概况见表1。样地土壤类型均为棕壤,林分起源均为天然林,林龄组成均为成熟林。
林分类型
Stand types林龄
Stand age/
a海拔
Elevation/
m坡度
Slope/
(°)坡向
Aspect凋落物厚度
Litter depth/
cm密度
Density/
(株·hm−2)郁闭度
Canopy/
%伴生树种
Associated tree species核桃楸林 Juglans mandshurica 68 815 25 东 East 2.5 1 120 85 丁香 Syzygium aromaticum
白蜡 Fraxinus chinensis蒙古栎林 Quercus mongolica 85 856 23 东北 Northeast 3.5 985 80 三裂绣线菊 Spiraea trilobata
平榛 Corylus heterophylla山杨林 Populus davidiana 72 869 21 北 North 1.0 922 80 山杏 Prunus sibirica
白蜡 Fraxinus chinensis针阔混交林 Pine-poplar mixed forest 78 895 27 东南 Southeast 5.0 1 078 85 大花溲疏 Deutzia grandiflora
胡枝子 Lespedeza bicolor
元宝槭 Acer truncatum油松林 Pinus tabuliformis 80 941 18 东 East 7.0 894 80 暴马丁香 Syringa amurensis
毛榛 Corylus mandshurica注:表中每个林分类型数据为3块标准地的平均值。下同。
Note:Data of each stand are mean of three sampling plots.The same below.Table 1. General characteristics of five stands
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参照中华人民共和国林业行业标准 LY/T 1952—2011(森林生态系统长期定位观测方法)进行土壤野外调查和样品采集。在20 m × 20 m的各标准地内按三点布点法,设置并进行土壤剖面挖掘,深度100 cm。土壤剖面层次由上而下划分为:A、AB、B、BC、C共5层。每个剖面按层次先下后上采集分析土样及环刀样。将每块标准地内土样进行同层次混合,保留土样1 kg左右,共计75 份土壤样品,作为分析土样带回实验室风干备用。每种林分土壤层次平均深度见表2。
层次
Genetichorizon不同林分类型不同土层深度 (Soil genetic horizon depths of different stand types)/cm 核桃楸林
Juglans mandshurica蒙古栎林
Quercus mongolica山杨林
Populus davidiana针阔混交林
Pine-poplar mixed forest油松林
Pinus tabuliformisA 0~8 0~5 0~10 0~7 0~5 AB 8~22 5~20 10~25 7~19 5~18 B 22~39 20~45 25~45 19~39 18~33 BC 39~62 45~65 45~70 39~65 33~53 C 62~100 65~100 70~100 65~100 53~100 Table 2. Soil genetic horizon depths of different stand types
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土壤样品处理和各理化性质分析方法均参照林业行业标准或相关农业标准。森林土壤样品的采集与制备,方法参考LY/T 1210—1999。土壤密度测定采用环刀法,方法参考NY/T 1121.4—2006。土壤颗粒组成测定采用吸管法,方法参考LY/T 1225—1999。土壤有机质测定采用硫酸-重铬酸钾容量法,方法参考LY/T 1237—1999。土壤全氮测定采用凯氏消煮法,方法参考LY/T 1228—2015
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取自同一林分不同土壤层次的理化性质数据取算术平均值。
由于不同林分类型剖面土层厚度不同,故采用分层法计算各土层土壤碳密度[25],公式如下:
式中:SOCS为土壤有机碳密度(t·hm−2);Ti为第i层土层厚度(cm);pi为第i层土壤密度(g·cm−3);Mi为第i层土壤有机碳含量(g·kg−1);Ci为 > 2 mm的石砾含量(%);n为剖面土层数。
因按土壤发生层进行土壤层次划分,各土壤层次深度均不相同,不便对土壤碳密度进行对比分析,因此,对计算得到的不同林分类型下土壤有机碳密度进行归一化处理,即计算:
单位cm厚度土壤有机碳密度(t·hm−2)=各层次土壤有机碳密度/土层厚度
将得到的数据分配到指定深度(图1A),其方块面积即该土壤层次有机碳密度,此图可直观的研究土壤碳密度的垂直变化;无论土壤层次如何划分,归一化处理后也可将多组数据置于同一图中直观显示(图1B),可以对任意深度土壤碳密度进行比较,便于对比分析,更好的揭示其各自土壤碳密度垂直分布特征。
图、表与其中数据的处理均采用Microsoft Excel及SPSS18.0完成。用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验林分类型和土壤层次对土壤有机碳含量和密度的差异显著性(p < 0.05),再用Duncan法进行多重比较;用Pearson相关系数评价有机碳与理化性质因子之间的相关关系。
2.1. 样地设置
2.2. 研究方法
2.2.1. 野外调查与采样
2.2.2. 样品处理与分析
2.2.3. 数据处理
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表3表明:不同林分类型各土层土壤有机碳含量为9.35~50.25 g·kg−1,均值为27.42 g·kg−1。100 cm土层土壤有机碳含量均值不同,山杨林土壤有机碳含量均值最低,为23.92 g·kg−1,油松林土壤有机碳含量均值最高,达30.41 g·kg−1,比山杨林高27%,土壤有机碳含量均值由小到大排序:山杨林 < 针阔混交林 < 核桃楸林 < 蒙古栎林 < 油松林。单因素方差分析表明(表3):除A层核桃楸林与山杨林及AB层蒙古栎林与针阔混交林土壤有机碳含量差异不显著外,林分类型对不同土层土壤有机碳含量影响显著(p < 0.05)。
层次
Genetichorizon土壤有机碳含量
Soil orangic carbon content (SOC)/(g·kg−1)核桃楸林
Juglans mandshurica蒙古栎林
Quercus mongolica山杨林
Populus davidiana针阔混交林
Pine-poplar mixed forest油松林
Pinus tabuliformis平均值
MeanA 38.42 ± 0.23aD 50.25 ± 0.33aA 38.08 ± 0.19aD 43.32 ± 0.25aB 40.95 ± 0.36aC 42.20 AB 32.52 ± 0.13bC 39.95 ± 0.17bA 28.37 ± 0.22bD 39.84 ± 0.20bA 37.70 ± 0.26bB 35.68 B 24.53 ± 0.29cC 28.38 ± 0.19cB 23.33 ± 0.27cD 21.68 ± 0.26cE 29.98 ± 0.26cA 25.58 BC 21.32 ± 0.79dB 15.26+0.15dE 16.28 ± 0.22dD 18.94 ± 0.09dC 28.20 ± 0.15dA 20.00 C 19.52 ± 0.10dA 9.35+0.12eE 13.54 ± 0.22eC 10.62 ± 0.15eD 15.20 ± 0.08eB 13.65 平均值 Mean 27.26 28.64 23.92 26.88 30.41 注:表中数据为平均值 ± 标准误(n=3),不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异显著(p < 0.05),不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异显著(p < 0.05)。下同(表4)。
Notes: Values in the table are average ± standard error.Different lowercase letters indicate significant differences in different soil layers under the same forest stands (p < 0.05).Different capital letters iniceated significant differences in the same soil layer under the different forert stands (p < 0.05). the same below(Table 4).Table 3. The SOC contents of different soil genetic horizons under different forest stands
5种林分类型土壤有机碳含量有相似的垂直分布趋势:从表层向下逐渐降低。(A+AB)层约占土壤总有机碳含量的57%,B层、BC层和C层分别占土壤总有机碳含量的19%、15%、10%。单因素方差分析(表3)表明:除核桃楸林BC层与C层差异不显著外,各土层土壤有机碳含量差异显著(p < 0.05)。各土层土壤有机碳含量垂直变化幅度蒙古栎林最大,为9.35~50.25 g·kg−1,而核桃楸林有机碳含量变化幅度最小,为19.52~38.42 g·kg−1。
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各林分土壤有机碳密度为21.4~76.8 t·hm−2(表4)。土壤总有机碳密度大小排序为:山杨林 > 核桃楸林 > 针阔混交林 > 蒙古栎林 > 油松林。山杨林土壤总有机碳密度最高(238.7 t·hm−2),而油松林最低(215.1 t·hm−2)。各林分上部土层(A+AB)土壤有机碳密度占总土壤有机碳密度的35%~40%,其有机碳贡献率较大。
层次
Genetichorizon土壤有机碳密度 Soil orangic carbon density (SOCs)/(t·hm-2) 核桃楸林
Juglans mandshurica蒙古栎林
Quercus mongolica山杨林
Populus davidiana针阔混交林
Pine-poplar mixed forest油松林
Pinus tabuliformis平均值
MeanA 30.0 ± 0.26dB 26.1 ± 0.22dBC 37.1 ± 0.10dA 30.4 ± 0.16eB 21.4 ± 0.15cC 29.0 AB 51.5 ± 0.16bBC 62.6 ± 0.26bA 47.4 ± 0.18cC 52.0 ± 0.12bBC 54.0 ± 0.12aB 53.5 B 45.2 ± 0.15cC 73.4 ± 0.21aA 54.4 ± 0.15aB 48.2 ± 0.14cC 45.5 ± 0.19bC 53.3 BC 30.8 ± 0.16dC 27.3 ± 0.14dC 48.5 ± 0.11bcB 57.1 ± 0.19aA 50.9 ± 0.12aB 42.9 C 76.8 ± 0.18aA 32.8 ± 0.13cD 51.3 ± 0.09bB 44.0 ± 0.19dC 43.3 ± 0.11bC 49.6 合计 Total 234.3 222.2 238.7 231.7 215.1 228.4 Table 4. Soil organic carbon densities of different soil genetic horizons under different forest stands
本文使用单位cm厚度来描述土壤有机碳密度的垂直变化,表5表明:5种林分土壤有机碳密度自表层向下明显降低;土壤A层单位cm厚度均值最高为4.26 t·hm−2,分别为AB层、B层、BC层、C层的1.1、1.6、2.2、3.0倍。
层次Genetichorizon 单位cm厚度土壤有机碳密度 Soil organic carbon densitycontents in unit volume/(t·hm-2) 核桃楸林
Juglans mandshurica蒙古栎林
Quercus mongolica山杨林
Populus davidiana针阔混交林
Pine-poplar mixed forest油松林
Pinus tabuliformis平均值
MeanA 3.75 4.34 3.71 5.22 4.28 4.26 AB 3.68 4.33 3.16 4.17 4.15 3.90 B 2.66 2.41 2.72 2.94 3.03 2.75 BC 1.34 2.60 1.94 1.37 2.55 1.96 C 1.94 1.26 1.71 0.94 1.24 1.42 Table 5. The soil organic carbon densitycontents in unit volume under different forest stands
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土壤密度均值大小表现为核桃楸林 > 针阔混交林 > 油松林 > 山杨林 > 蒙古栎林,随着土层深度的增加,不同林分类型土壤密度均呈增加的趋势(图2A);5种林分类型土壤黏粒含量随土壤深度加深变化规律较一致,在30~40 cm深度出现明显的黏粒聚集现象(图2B)。各林分土壤全氮含量为0.21~4.65 g·kg−1,大小依次为油松林 > 蒙古栎林 > 针阔混交林 > 核桃楸林 > 山杨林,随土层深度增加,土壤全氮含量均呈逐渐下降趋势,油松林土壤全氮含量明显高于其它林分(图2C)。
以研究区域内不同林分各土层的土壤有机碳含量平均值与土壤密度、全氮、黏粒含量进行相关性分析,结果(表6)表明:不同林分土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著正相关,与土壤密度呈极显著负相关,除山杨林土壤有机碳含量与土壤黏粒呈极显著正相关外,其余林分有机碳含量与黏粒不显著相关。
相关因子
Correlationfactor相关系数 Correlation coefficient 核桃楸林
Juglans mandshurica蒙古栎林
Quercus mongolica山杨林
Populus davidiana针阔混交林
Pine-poplar mixed forest油松林
Pinus tabuliformisSOC与BD −0.991** −0.971** −0.974** −0.996** −0.986** SOC与TN 0.923** 0.974** 0.985** 0.951** 0.965** SOC与Clay 0.666 0.652 0.933** 0.682 0.629 注:**p < 0.01.
Note:**p < 0.01.Table 6. Correlation coefficient between soil organic carbon (SOC) content and bulk density (BD), total nitrogen(TN), clay content of the soils under different forest stands