天山云杉林土壤有机碳密度及影响因素研究

李思瑶 夏晓莹 王杰 马小龙 米尔扎提.柯尼加里木 阿丽耶.麦麦提 王卫霞

摘要以不同生长发育阶段的天山云杉林为研究对象，分析了天山云杉林土壤有机碳密度分布特征及其影響因素。结果表明：（1）天山云杉林土壤有机碳含量随着林分发育阶段的增加呈逐渐积累增加的趋势，成熟林土壤有机碳显著高于幼龄林（P<0.05）。各发育阶段土壤有机碳含量的变异程度大小为幼龄林（69.10%）>中龄林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%）。（2）不同发育阶段的天山云杉林土壤有机碳密度在0～<20cm、20～<60cm土层的变化范围分别为7.86～9.18和5.65～8.69kg.m-2。（3）天山云杉林土壤有机碳密度与林龄、林分平均胸径呈极显著正相关关系；与土壤容重呈负相关关系。

关键词土壤有机碳密度；影响因素；天山云杉

中图分类号：S791.18;S714.2文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.011

ResearchonSoilOrganicCarbonDensityandItsInfluencingFactorsinPiceaschrenkianavar.tianschanicaForest

LiSiyao，XiaXiaoying，WangJie，MaXiaolong，KenijialimuMierzhati，MaimaitiAliye，WangWeixia

（CollegeofForestryandLandscapeArchitecture，XinjiangAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofForestryEcologyandIndustrialTechnology，XinjiangEducationDepartment，Urumqi830052，China）

Keywordssoilorganiccarbondensity;influencingfactors;Piceaschrenkianavar.tianschanica

森林是陆地生态系统的主体，全球陆地40%的地下碳储量发生在森林生态系统[1]。2020年世界粮农组织（FAO）《全球森林资源评估报告》指出，全球森林总碳储量达到6620亿t，其中45%的碳存储在森林土壤中[2]。因此，森林土壤碳库作为陆地生态系统中最大的有机碳库，对全球碳循环起着至关重要的作用[3]。外界环境条件及人为干扰活动均可影响森林土壤有机碳库的变化[4]。有研究表明，气候变化、土壤特性、林分密度和林分年龄及经营措施等均会对森林土壤有机碳具有不同程度的影响[5-8]。舒蛟靖等[9]的研究中华山松近熟林相较于中龄林和成熟林有更好的固碳能力，且林龄对土壤有机碳密度的影响程度较大；而在祁连山青海云杉林表层土壤有机碳含量与郁闭度呈显著负相关关系[10]。不同区域的土壤碳库对地形地貌、气候特征、土壤理化特性及林分结构等的响应程度不同。

天山云杉（Piceaschrenkianavar.tianschanica）林是新疆森林资源的重要组成部分，肩负着调节气候、保护冰川和涵养水源的重要生态功能[11，12]。有关小区域尺度上天山云杉林土壤有机碳密度及其影响因素的研究相对较少。因此，本研究以天山中部新疆农业大学实习林场为例，选取实习林场内不同发育阶段的天山云杉林为研究对象，研究不同发育阶段下天山云杉林土壤有机碳密度的变化规律，探讨影响该区域天山云杉林土壤有机碳密度变化的主导因素，为科学合理评价该区域天山云杉林的固碳能力及促进该区域森林资源健康可持续发展提供数据支撑。

1研究区概况

研究区位于乌鲁木齐县境内，头屯河上游的新疆农业大学实习林场（43°16′—43°26′N，86°46′—86°57′E）。该区域属温带大陆性气候，年均降水量约600mm，平均温度3℃，无霜期为140d，年日照时长1300h。地势南高北低，坡度多为10°～40°，海拔为1700～2700m，主要树种为天山云杉，土壤为灰褐色森林土。

2研究方法

2.1样地布设与调查方法

2021年6—8月，在天山中部新疆农业大学实习林场选取不同发育阶段的天山云杉林（幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林）为研究对象。每个林龄内布设4个30m×30m样地进行每木检尺，测定其树高、胸径等测树因子。利用GPS定位技术记录每个样地的海拔、坡度、坡向、坡位等地形因子，样地基本情况见表1。

2.2土样采集与测定方法

在每个样地内按照坡上、坡中和坡下分别布设3个土壤采样点，在每个采样点挖土壤剖面，按照0～<20cm、20～<60cm分层采集土壤样品，并将每个样地内3个采样点采集的土壤样品按照相同层次分别进行混合后作为处理的一个重复备用；同时用环刀采集原状土样测定土壤容重及土壤含水量。将采集的土壤样品带回室内自然风干，研磨过筛后待测。

2.3土样有机碳含量的测定及有机碳密度的计算

土壤样品中有机碳含量的测定采用重铬酸钾－外加热法测定[13]。

计算不同土层土壤有机碳密度（SOCD）。

SOCDi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

式中：SOCDi为第i层土壤有机碳密度（kg.m-2），i为土壤层次，Ci为第i层土壤有机碳含量（g.kg-1），Di为第i层土壤容重（g.cm-3），Ei为第i层土层厚度（cm），Gi为第i层土层中直径大于2mm石砾所占体积百分比（%）[14]。

2.4数据分析及处理

采用SPSS26.0、Origin2018和Excel2019进行数据处理分析，采用单因素方差分析（one-wayANOVA）和LSD多重比较法比较不同林龄土壤有机碳含量及有机碳密度的差异，采用Pearson相关分析法分析土壤有机碳与不同生态因子之间的相关关系，用主成分分析法（PCA）分析影响土壤有机碳密度分布的主导因素。

3结果与分析

3.1天山云杉林土壤有机碳含量分布特征

不同发育阶段的天山云杉林土壤有机碳含量变化如图1所示。在0～＜20cm和20～＜60cm土层土壤有机碳含量均随着林分发育阶段的增加呈逐渐增加的趋势，表现为成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，不同发育阶段土壤有机碳含量增加的幅度有所差异，其中成熟龄土壤有机碳含量显著高于幼龄林（P<0.05），与其他2个发育阶段之间差异不显著。在垂直剖面上不同发育阶段的天山云杉林土壤有机碳含量均表现为随土层的加深呈下降的趋势，下降幅度波动范围为64.05%～75.00%。不同发育阶段土壤有机碳含量均表现出0～＜20cm土层聚集现象。

通过计算同一发育阶段不同土层土壤有机碳含量的平均变异系数可知，各发育阶段土壤有机碳含量的变异程度大小为：幼龄林（69.10%）>中龄林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%），不同发育阶段土壤有机碳含量变异程度均比较大，说明天山云杉林下土壤有机碳含量的分布不是很稳定，但随着林分发育成熟土壤有机碳含量分布逐渐趋向稳定分布。

3.2天山云杉林土壤有机碳密度分布特征

对不同土层土壤有机碳密度进行计算分析，结果见图2。不同发育阶段的天山云杉林土壤有机碳密度在0～＜20cm、20～＜60cm土层的变化范围分别为7.86～9.18、5.65～8.69kg.m-2。各层土壤中有机碳密度最高值均分布在成熟林，且与幼龄林土壤有机碳密度存在显著差异（P<0.05）。不同发育阶段天山云杉林土壤有机碳密度均随着土层的加深呈下降的趋势，其下降幅度大小依次为幼龄林（2.21kg.m-2）>近熟林（1.15kg.m-2）>中龄林（1.13kg.m-2）>成熟林（0.49kg.m-2）。

3.3天山云杉林土壤有机碳密度与环境因子的Pearson相关分析

由表2可知，0～＜20cm土层土壤有机碳密度与林龄、林分平均胸径的相关系数r分别为0.679和0.656，并且呈现出极显著的正相关关系；与海拔、坡度、坡向、土壤容重呈负相关关系，但相关性并未达到显著水平。20～＜60cm土层土壤有机碳密度与林龄、林分平均胸径和土壤含水量呈极显著的正相关关系，相关系数r分别为0.763、0.722和0.857；与土壤容重表现为极显著的负相关关系；与海拔、坡度、坡位、坡向、郁闭度的相关关系不显著。

4讨论

在土壤质地和森林类型一致的情况下，林分年龄是影响土壤有机碳的重要指标之一[15]。有研究表明，凋落物分解释放对区域内土壤有机碳积累有促进作用[16，17]，一方面是由于随着林分年龄的逐渐增加，林木之间的竞争压力增大，会出现林木自然整枝现象，从而使凋落物增加而促进有机碳的积累。另一方面，林分发育至成熟龄阶段时，林分郁闭度相对提高，林内地表温度随之降低，保持了一定的土壤湿度和水分含量，使得土壤有机碳分解速率下降，进而促进了土壤有机碳的积累[18，19]。本研究中在0～<20cm和20～<60cm土层土壤有机碳含量和有机碳密度均随着林分发育阶段的增加呈逐渐积累增加的趋势，表现为成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林。这和秦晓佳等[20]的研究结果相似。

土壤有机碳密度受气候、植被、土壤特征及环境地理特征等多因素的影响[21-26]。本研究中主要分析了地形因子（海拔、坡度、坡向、坡位）、林分結构（林龄、郁闭度、林分平均胸径）和土壤特性（土壤含水量、土壤容重）对天山云杉林土壤有机碳密度分布的影响。研究结果表明，天山云杉林土壤有机碳密度与林龄、林分平均胸径呈极显著正相关关系；与海拔、坡度、坡向、土壤容重呈负相关关系。有研究表明，林分平均胸径和郁闭度等植被因子对华山松林土壤有机碳密度有极大的促进作用[9]。崔鸿侠等[27]研究也发现神农架针叶林下土壤碳储量随着胸径和凋落物量的增加有增大的趋势。这均与本研究结果较为一致。处在不同发育阶段的林分其林分密度、树高、平均胸径、林下草本组成及凋落物组成和厚度等不尽相同，这些因素会影响土壤有机碳的输入输出循环过程，进而影响有机碳含量及密度。林分年龄和郁闭度通过调节植被凋落物量影响土壤有机碳的积累量，随着林木年龄的增长，林木自身发育成熟，郁闭度变大，枯枝落叶量增多，光照减少，致使土壤温度变低，微生物活力降低，从而使有机碳分解速率下降，积累增多[28]。

5结论

5.1天山云杉林土壤有机碳含量和密度均随着林分发育阶段的增加呈逐渐增加的趋势，表现为成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，其中成熟龄土壤有机碳显著高于幼龄林（P<0.05）。

5.2天山云杉林土壤有机碳密度与林龄、林分平均胸径呈极显著正相关关系；与土壤容重呈负相关关系。

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收稿日期：2022-12-12

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202110758008）

作者简介：李思瑶（2000-），女，大学在读，从事林学专业技术研究，E-mail：3203587588@qq.com

通信作者：王卫霞（1981-），女，博士，副教授，从事森林生态与经营研究，E-mail：wangweixia0993@163.com