子午岭不同林地土壤有机碳储量及其垂直分布特征

子午岭不同林地土壤有机碳储量及其垂直分布特征

0不同林分类型土壤碳储量研究全球气候的变化引起了许多科学家对陆地生态系统中碳平衡、碳储存和分配的关注。据Post和Houghton等研究表明,土壤中所存储的碳是植被中的2.5~3倍,而森林土壤约占全球土壤有机碳库的73%,是陆地生态系统最大的有机碳库,因而其储量、分布及转化日益成为全球有机碳研究的热点。由于植被类型、气候特点以及土壤的性质,不同林分间土壤有机碳存在较大的差异[6,7,8,9,10,11,12,13,14],因此,针对不同林分,对土壤有机碳储量、分布进行研究是十分必要的。位于黄土高原腹地的子午岭林区,具有黄土高原“绿岛”的美誉,对西部地区气候的调节、保持水土、维持生态平衡具有重要意义。目前,对子午岭林区土壤碳研究主要集中在:土壤有机碳影响因素及表层碳储量估计[16,17,18,19,20,21]等方面,而基于森林生态系统功能过程、从林分角度研究土壤碳储量的报道较少。该研究以子午岭林区3种森林类型(天然柴松林、辽东栎林、人工油松林)的土壤为研究对象,比较分析了不同林地土壤有机碳储量及其垂直分布特征,以期探讨不同植被类型对土壤碳储量的影响,为进一步研究黄土高原地区森林土壤碳储量提供依据。1阴山山地u2004年713年造林子午岭地处黄土高原腹地,位于陕甘两省交界处的E108°10′~109°08′,N35°03′~36°37′,是洛河和泾河的分水岭,属天然次生林针阔叶混交林类型。海拔1280~1500m,相对高差200m左右,年均气温7.4℃,极端最高气温36.7℃,极端最低气温-27.7℃,≥10℃积温2671.10℃,无霜期112~140天。年平均相对湿度63%~68%,年均降水量587.6mm。山体在阴坡和山脊坡面平缓,阳坡和半阳坡坡面较陡,属温凉半干旱区黄土覆盖的森林草原地带。适于杨、桦、栎等部分落叶阔叶林和温性针叶林发育。林相整齐,植物种类丰富,主要植物有乔木柴松(Pinustabulaeformisf.shekannesis)、油松(P.tabulaeformis)、辽东栎(Quercusliaotungensis)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)等;灌丛白刺花(Sophoraviciifolia)、沙棘(Hippophaereamnoides)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana);草本白羊草(Bothriochloaischemum)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、铁杆蒿(A.sacrorum)、本氏针茅(Stipabungeana)等。2材料和方法2.1样地选择与调查样地选在陕西省富县桥北林业局和尚塬林场大麦秸沟和甘肃省合水县连家砭林场。经过对这2个林场的调查和研究,从植被生长以及林地群落保存、演替及稳定的角度,于2008年10月分别选择天然柴松林、辽东栎林以及人工油松林3种代表性林分为研究对象,采样时综合考虑地形,山体分不同坡向、坡位取样,每个林分中分别设置12个10m×10m标准样地进行群落调查,共获得样地36个(样地特征如表1所示)。2.2土壤容重分析在标准样地内,按照“S”型选择3个土壤样品采集点,用直径10cm的土钻取样,取样深度为0~90cm,分为0~10cm,10~30cm,30~50cm,50~70cm,70~90cm共5个层次。同时,在每一层次取3个环刀土10g,用于测定土壤容重。将采集样品带回实验室,仔细挑除袋装土内植物根系和石砾等杂物,于阴凉处自然风干后用四分法过0.25mm筛,编号待测。土壤有机碳(有机质)采用重铬酸钾-外加热法。2.3碳储量的计算土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量,某一土层i的有机碳密度(SOCDi,kg/m2)计算公式为:SOCDi=CiDiEi(1-Gi)/100。式中:Ci为土壤有机碳含量(g/kg),Di为土壤容重(g/cm3),Ei为土层厚度(cm),Gi为直径大于2mm的石砾所占的体积百分比(%)。一定深度土壤有机碳密度为各个土层有机碳密度之和,林地土壤碳储量为碳密度与其面积的乘积。此外,数据采用SPSS13.0软件,方差分析研究不同林地土层深度对土壤有机碳及密度的影响,并在差异显著时进行多重比较(P<0.05,LSD,t检验)。3结果与分析3.1不同深度对有机碳含量的影响土壤有机碳含量主要取决于植被每年的归还量和分解速率,而植被类型、气候特点以及土壤性质的差异,均会导致土层内有机碳含量的大小及分布。从表2可以看出,不同林分类型及土层间有机碳含量存在较大差异:就整个土层而言,3种林分土壤有机碳含量在11.43~13.95g/kg之间变化,其中辽东栎林最高,其次是柴松林,人工油松林最低,这可能与林分的类型、植被的结构、枯落物厚度及其分解速率有关。在0~10cm的土壤表层,3种林分土壤有机碳差异较大,其中辽东栎林表层含量最大,达37.6g/kg;但随着土壤深度的增加,不同林分间的差异逐渐减小,特别是在柴松林和油松林尤其明显。不同的字母代表不同深度差异性显著(P<0.05),正负号后面表示标准差(表3同)。在剖面垂直分布上,3种林分土壤表层(0~10cm)有机碳含量最大,并随土壤深度的增加有机碳含量递减,这种变化幅度均达到了86%以上,可见,土壤深度对有机碳含量具有显著的影响。经方差分析,结果表明:在0~10cm、10~30cm及30~50cm这3个土层,有机碳含量差异达到显著性水平;在0~50cm土层中,3种林地有机碳含量均占到了整个采样剖面的80%以上,这说明残枝落叶分解后输入土壤的有机碳都聚集在土壤表层,土壤有机碳的表聚性较明显;而50cm以下土层,各林分土壤有机碳含量差异变小,这主要是因为土壤成土母质大致相同造成的,此时植被类型的差异对其影响不大。3.2前两种林分土壤碳密度的差异由表3可见,3种林分土壤碳密度存在着显著差异,各土层变化范围为1.06~3.67kg/m2。对整个土层而言,3种林分土壤碳密度在9.38~11.43kg/m2之间,各林分土壤碳密度与碳含量表现的规律性基本相同,从大到小依次为:辽东栎林>柴松林>油松林,其中前两种林分土壤碳密度明显较高,其碳密度分别是油松林的1.22倍和1.14倍。在土壤垂直剖面上,土壤有机碳密度与其含量变化规律相似,即随着土壤深度的增加而递减,且在各土层间差异显著,其中人工油松林表层土壤有机碳密度最小,其垂直变化幅度为79.18%,这与油松林表层土壤遭受频繁的人为干扰及碳积累较少有关。同时,对3种林地土层有机碳密度贡献率分析表明,0~10cm的表层,土壤有机碳碳密度贡献率为27.40%~30.88%;而0~50cm的土层,土壤有机碳密度贡献率平均达到77.88%,可见,0~50cm土层,在森林土壤有机碳密度的研究中,占有不可忽视的地位。3.3对比林分类型研究表明,3种林分土壤碳储量,柴松林为7.27×106t、辽东栎林为4.36×106t、油松林为3.82×106t。由于林分面积的差异,可采用储碳密度对不同林分土壤碳储量进行对比,结果为辽东栎林(114.3t/hm2)>柴松林(107.6t/hm2)>油松林(93.8t/hm2)。造成这种差异的主要原因与林分类型、植被结构以及人为干扰息息相关。据表1及表2分析可知,在林分整个土壤剖面,土壤有机碳含量及其密度特征表现为:辽东栎林和柴松林均大于油松林,这主要是前两种林分属于自然恢复起来的,林间植被群落演替及生长状况较好,受人为干扰及破坏较小,从而使得土壤储碳量明显高于人工油松林。此外,辽东栎属于落叶阔叶林,其凋落物较针叶林易于分解,从而使得土壤储碳量大于属于针叶林的柴松林和油松林。4林分土壤有机碳储量1)目前,中国在土壤有机碳方面的研究较多,但其差异较大。李克让等利用CEVSA模型估算全国土壤有机碳储量平均为91.7t/hm2,其中落叶针叶林地为270t/hm2,落叶阔叶林地180.4t/hm2。而解宪丽等研究为115.9t/hm2,周玉荣等却为193.6t/hm2。该试验结果表明,子午岭林区3种林地土壤有机碳储量:柴松林为107.6t/hm2,人工油松林为93.8t/hm2,辽东栎林为114.3t/hm2,平均为105.2t/hm2。可以看出,研究区林地土壤碳储量大于全国平均值,而低于解宪丽、周玉荣等的研究,产生这种差异的主要原因是研究尺度、树种差异、土壤类型、区域气候差异等因素造成的,可见,对不同林分土壤有机碳储量分别加以研究是十分必要的。2)柴松林、辽东栎林、油松林土壤有机碳含量依次为13.67、13.95、11.43g/kg和密度依次为10.76、11.43、9.38kg/m2。在垂直剖面上,3种林分土壤有机碳及其密度,随着土壤深度的增加呈现减小的趋势,各层具有显著性差异,这与许多研究结果相同。其中0~50cm土层碳储量占到3种林分整