伏牛山森林土壤有机碳储量的垂直分布及其影响因素

刘谊锋，田耀武

(河南科技大学 林学院，河南 洛阳 471003)

土壤是全球最重要的碳循环储层，全球约有1 500 Gt碳以有机质形态储存在土壤中[1]，它们占陆地有机碳总储量的75%，是大气碳库的2倍[2]。森林和草地土壤的有机质含量远高于农业土壤，其重要性不言而喻[3]。虽然全球森林面积只有陆地面积的27%，但森林生态系统是全球的重要碳库[4-5]，储存了全球陆地近60%和全球土壤40%左右的碳[6-8]。植被和土壤是大气碳汇的重要组成，对减缓全球气候变化和可持续农业具有重要作用[3,9-11]。 影响土壤有机碳储量的因素有海拔、气候[12-13]、坡向与坡位[14-15]、pH值[16]，地形[17-18]，植被和森林的林龄[19]以及人类和自然干扰[20-21]。制约土壤有机碳含量的最主要因素是海拔、气候、植被、地形和剖面深度[22-23]。海拔梯度引起的小气候主要通过温度和湿度直接影响土壤有机碳含量和矿化速率。温度是控制有机物分解速率的关键因素之一，年平均气温每增加8～9℃，反应速率就增加一倍[24]。因此，气候较冷地区的土壤由于矿化速率较低通常有机物含有较高。同样，土壤有机碳含量随着年均降水量的增加而增加。土壤有机碳含量的变化也与植被有关，与地上部分相比，草本植物根的质量较大，而在森林的大多数有机物产生于地上，残留物更抗分解。

地形也是引起生态系统特征差异的潜在重要因素[25-26]。山地生态系统由于系统的复杂性和多方相互作用，对气候变化具有高度的敏感性和脆弱性[28-29]。不同山地的水文和阳光辐射状况各有不同，这种差异可能影响植被组成和分布模式的差异、土壤形成与有机质分解。坡向还引起空气温度和降水的局部变化，而温度、降水、土壤理化性状是制约土壤有机质分解速率的主要因子[27]。有机物作为有机碳重要储集层，低温和较高的降水量对其缓慢分解有利。因此，降水和温度的微小变化可能会释放大量的二氧化碳，这是由于和常态相比，更温暖、更湿润的气候条件下微生物活动更强。过去几十年，山区受自然和人为因素的影响更加严重，包括气候变化、土地利用覆盖变化、工业化、城市化和大气化学变化[30-32]。经济和人口的快速增长对山地森林生态系统产生了重大影响，并可能导致因森林砍伐、过度放牧、边际土壤集约耕作等而促使土壤有机碳和温室气体分解或释放加大，引起环境恶化[33-34]。此外，陡峭山坡形成的脆弱分水岭区域及与之相关的森林植被，人为干扰和砍伐还会增加土壤侵蚀风险，引起广泛的表土流失，特别是在不规则陡坡、山顶和山脊。此时，植被保护土壤免受侵蚀的作用至关重要，因为植被破坏会大幅增加地表径流和土壤流失量，从而增加温室气体排放率，直接和间接影响农业生产力和气候，可能导致土壤永久退化，而这又可能会成为山区农业生态系统的最大环境问题。山地土壤有机碳储量分布及其与各种影响因素的关系研究不多。因此，为给山地森林生态系统管理和较大区域碳储量估算提供依据，我们对伏牛山森林土壤有机碳储量海拔梯度变化规律及其与坡向、植被类型、pH值和土壤深度的关系进行了研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

伏牛山位于河南省西南部(110°30′～113°05′E，32°45′～34°00′N)，东西绵延八百余里，属秦岭山脉东段支脉。伏牛山脉是秦岭延伸到河南省的一条主要山脉，大致呈西北—东南走向，长200余公里，宽约40～70 km。伏牛山脉是我国南北气候的过渡带，长江、黄河和淮河的分水岭，北亚热带向暖温带的过渡带，暖温带大陆性气候区，具有四季分明、雨热同期、复杂多样和气象灾害频繁的特点。伏牛山区年降水量800～1 100 mm，6-8月最集中，年均气温南北坡具有差异，南坡14.1～15.1 ℃，北坡12.1～12.7 ℃，年均日照时数1 285.7～2 292.9 h，年均无霜期201～285 d。土壤类型复杂多样，主要为山地棕壤、山地黄棕壤和山地褐土，植被属温带落叶阔叶林向亚热带常绿阔叶林的过渡性[35]。植被丰富多样，以栓皮栎(Quercusvariabilis)、锐齿槲栎(Q.acutidentata)、短柄枹(Q.glandulifera)、华山松(Pinusarmandi)、油松(P.tabuliformis)、落叶松(Larixgmelinii)等为优势种，伴生种有鹅耳栎(Carpinusturczaninowii)、化香(Platycaryastrobilacea)等，乔木层郁闭度大，林下草本灌木不发达，植被群落稳定，分层现象明显。

1.2 试验设计

根据植被密度、类型随海拔和坡度变化及森林砍伐强度情况，在海拔800～2 200 m范围内选择10个有代表性的地点。主要林分有:栓皮栎、锐齿槲栎、华山松、油松、落叶松林。每个采样点随机选取5个具有代表性的20 m×20 m样方。在样方内选取典型地点取样，首先挖取简单的土壤剖面，然后用100 cm3环刀在0～20、20～40、40～60 cm土层挖取原状土壤，并密封保存，用于测量土壤容重。在样方内，通过机械布点方法设置5个取样点，使用Φ5 cm的土钻按0～20、20～40、40～60 cm分层取样，各层土样充分混合。通过GPS和罗盘记录采样点、海拔高度、坡度、植被状况等，研究区概况如表1所示。在取样前清除根、石头和碎片。样品用聚乙烯袋包装并贴标。将约500 g混合样本送回实验室，风干2～3 d。样品将被轻轻磨碎，通过一个2 mm的网筛。通过这种方法总共收集了150个样本。植被也被记录下来。

表1 研究区概况

1.3 实验室分析

土壤容重采用环刀法测定，计算公式为：

dv=(W-W环)/V

式中：dv为土壤容重(g·cm-3)，W为烘干后环刀重+土重(g)，W环为环刀重(g)，V为环刀体积(cm3)。

土壤有机碳(SOC)的测定采用重铬酸钾氧化法[36]，SOC计算公式为：

×1000

式中：CSOC为土壤有机碳含量(g·kg-1),c为K2Cr2O7标准溶液的浓度，为0.800 0 mol·L-1,V0为空白滴定消耗的FeSO4体积(ml)，V为样品滴定消耗的FeSO4体积(ml)，m为风干土样质量(g)，k为烘干土换算系数。

土壤pH值(1∶2)采用玻璃电极pH计测定[37]。

有机碳总量(mg·hm-2)按下式计算：

土壤有机碳蓄积量(mg·hm-2) =土壤深度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×CSOC(%)×Q

式中：Q为粒径<2 mm土粒的质量占比(%)。

1.4 数据分析

采用方差分析(ANOVA)，分析土壤有机碳和容重均值在海拔、坡向、植被和深度方面的显著性差异；使用LSD比较对每个变量进行事后测试；采用Pearson相关分析确定各测量参数之间的相关性。除注明外，所有统计检验均在P≤0.05水平进行显著性差异评价；使用SPSS软件进行所有数据分析，采用Excel制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同海拔森林土壤容重的变化

从表2看出，伏牛山不同海拔森林土壤容重为(0.78± 0.03)～(1.13± 0.03)g·cm-3，平均(0.98 ± 0.06)g·cm-3，海拔825 m处最高，1 945 m处最低，随海拔升高而降低。所有试验林地不同深度层次(0～20、20～40、40～60 cm)有机碳平均含量为(0.87±0.02)～(1.08±0.02)g·cm-3，0～20 cm与20～40 cm层差异不显著，都显著低于40～60 cm层(P<0.05)。

表2 不同海拔森林土壤容重

2.2 不同海拔森林土壤有机碳含量变化

从表3看出，伏牛山不同海拔森林土壤有机碳含量为(5.93 ± 0.24)～(10.94 ± 1.68)g·kg-1，平均(8.66± 4.27)g·kg-1，海拔825 m处最低，1 387 m处最高，呈现随海拔升高而升高，之后又下降的变化趋势。所有试验林地不同深度层次(0～20、20～40、40～60 cm)有机碳平均含量为(4.66±0.32)～(13.95±0.96)g·kg-1，平均(8.66±4.27)g·kg-1，各个海拔高度，不同深度森林土壤有机碳含量都是随着深度增加而降低，不同层次间差异显著(P<0.05)。

表3 不同海拔森林土壤有机碳含量

2.3 不同海拔森林土壤有机碳储量变化

表4显示，伏牛山不同海拔森林土壤有机碳储量为(131.06±14.73)～(196.08±18.69)mg·hm-2，平均(158.22±5.25)mg·hm-2，海拔1 945 m处最低，1 387 m处最高，与土壤碳含量一样呈现随海拔升高而升高，之后又下降的变化趋势。所有试验林地不同深度层次(0～20、20～40、40～60 cm)有机碳平均含量为(100.40±3.32)～(233.98±10.02)mg·hm-2，各个海拔高度，不同深度森林土壤有机碳储量都是随着深度增加而降低，不同层次间差异显著(P<0.05)，不同海拔林地0～20、20～40、40～60 cm层有机碳储量占总储量的比例依次为38.6%～57.2%、25.3%～35.5%、14.2%～28.6%，依次平均为49.3%(几乎到一半)、29.6%、21.2%。

表4 不同海拔森林土壤有机碳储量

2.4 伏牛山森林土壤有机碳含量与环境及植被的关系

2.4.1 与坡向的关系 图1(b)显示，伏牛山森林土壤有机碳含量各深度层都是北坡(阴坡)显著高于南坡(阳坡)(P<0.05)，表明坡向对伏牛山森林土壤有机碳含量影响显著，阴坡有利于伏牛山森林土壤有机碳储存。

2.4.2 与海拔的关系 从图3(a)可看出，伏牛山森林土壤有机碳含量与海拔高度显著正相关，R2=0.662 3，有机碳含量(Yc)与海拔高度(X)关系式为Yc=-7E-06x2+0.022 5x-7.633，R2=0.908 4，土壤有机碳含量随海拔升高的变化为快—慢—稳趋势，总体海拔越高土壤有机碳含量越高，海拔对森林土壤有机碳含量影响显著。

2.4.3 与土壤pH值的关系 图3(c)显示，伏牛山森林土壤有机碳含量与土壤pH值呈线性关系，随土壤pH值升高土壤有机碳含量降低。

2.4.4 与林地类型的关系 LSD检验表明，油松林、华山松林较栎类植被栓皮栎林和锐齿槲栎林的土壤容重显著增加(P<0.05)。同样，土壤有机碳含量也呈现出相同的趋势，但顺序相反，油松低于华山松，而栎类植被最高(10.94±1.62)g·kg-1(图2b)。说明植被类型对土壤有机碳含量有影响，栎类林高于针叶林。

图1 不同坡向及土层深度与土壤容重和有机碳含量关系

图2 不同植被类型的土壤容重和有机碳含量

图3 土壤有机碳与(a)海拔、(b)容重、(c) pH值、(d)深度的关系

图4 (a)pH值、(b)容重和海拔之间的关系

3 结论与讨论

伏牛山海拔825～1 945 m主要类型森林土壤有机碳含量为(5.93±0.24)～(10.94±1.68)g·kg-1，平均(8.66± 4.27)g·kg-1，土壤有机碳储量为(131.06±14.73)～(196.08±18.69)mg·hm-2，平均(158.22±5.25)mg·hm-2，森林土壤有机碳含量和储量都呈现随海拔升高而升高，之后又下降的变化趋势，最高点都在海拔1 387 m处。0～20 cm土层土壤有机碳储量几乎占0～60 cm土层总储量的一半。

伏牛山主要类型森林土壤有机碳含量受海拔、坡向、pH值、植被类型等影响，北坡(阴坡)显著高于南坡(阳坡)，海拔越高土壤有机碳含量越高，土壤pH值呈线性关系，随土壤pH值升高土壤有机碳含量降低，栎类林高于针叶林。土壤有机碳含量随海拔、坡向、pH值、植被类型等变化，最终应取决于不同地段光、热、水等自然条件和不同植被生产力及其枯枝落叶量和分解程度。土壤有机质(SOM)积累随降水增加而增加，随温度升高而减少[38]，较低的温度和较高的降水量可延缓凋落物分解。土壤酸碱度可能控制生物因素，如细菌和真菌的生物量组成而影响有机质的分解。海拔1 387～1 945 m范围内，有机碳蓄积量略有下降，可能因海拔升高，生长季节缩短，净初级生产量下降所致。

本研究区南坡较北坡偏暖、偏干。在伏牛山这种降水量不十分充沛、光照条件相对较好的气候环境下，相对湿润的小环境无疑更有利于植物生长和有机物生产，南坡主要生长散生矮生刺柏等植物，北坡常见浓密针叶林且灌草层生长较好就是例证。