天山云杉林土壤有机碳含量沿海拔梯度变化

罗 磊，王 蕾，高 健，娜迪提，帕提古丽，高亚琪，施英俊

(1.新疆林科院现代林业研究所，乌鲁木齐 830063；2.乌鲁木齐市沙依巴克区园林队，乌鲁木齐 830000；3.兵团林业管理总站，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】森林是陆地生态系统的主体，森林土壤作为森林生态系统中的最大碳库，成为森林生态系统的重要组成部分，在全球碳循环中产生源、汇、库的作用[1-2]。土壤有机碳(SOC)不仅为植被生长提供碳源、维持土壤良好的物理结构，同时也向大气提供碳源。森林土壤中的有机碳主要来源于枯枝落叶分解、积累，由于不同林分条件下形成的凋落物化学组成不同，因此，土壤活性碳库存在一定的差异[3-4]。海拔作为影响森林群落结构和物种组成的重要环境因子之一，包含了多种环境因子的梯度效应，随着海拔变化，产生的温度、物种类型及土层结构的变化，均会对土壤有机碳含量产生影响[2,5]。【前人研究进展】目前，国内外学者对森林生态系统的碳储量进行了全方面、多尺度的研究[6-12]，这些研究所涵盖的森林类型和气候条件都不尽相同，所用方法也丰富多样，研究结果存在着很大差异[13]。土壤碳储量在不同尺度上均存在较高的空间变异性，这对土壤碳储量的估算带来了不确定性。研究干旱区区域尺度上土壤碳库的空间变异性及其主要影响因素，对于我国森林生态系统土壤碳库的精确估算具有重要的指导意义[14]。天山是植被类型单一、结构相对简单的山地生态系统，气候条件与云杉林生长趋势影响着土壤有机碳含量的变化[15]。有关天山云杉的研究多集中在相近海拔或相似的环境条件中或者只针对某一地点的不同海拔高度天山云杉种群开展研究[16]。【本研究切入点】目前针对单一植被类型的山地生态系统进行土壤有机碳含量随海拔梯度规律的研究较少。【拟解决的关键问题】选择新疆沙湾县、奇台县以及乌鲁木齐南山天山云杉林进行垂直样带调查，分析处于不同经度位置的天山云杉林土壤有机碳含量以及其他因子随海拔梯度的变化规律，对天山北坡天山云杉林土壤碳、氮储量垂直分布特征进行研究，为区域尺度上估算新疆森林生态系统碳储量提供基础数据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

天山北坡属中温带大陆性干旱气候，水资源缺乏。由于独特的地理环境，天山北坡形成了立体型的多态气候，自北向南，从低到高，年平均气温从10℃下降至-9℃，年平均降水量从80 mm增加到600 mm左右[17-18]。天山北坡针叶林主要分布于天山北坡海拔1 500～2 750 m的阴坡和半阴坡,针叶林建群种为天山云杉, 但在东部部分林区出现了少量天山云杉(PiceaSchrenkiana)和西伯利亚落叶松(Larixsibirica)的混交林。针叶林土壤成土母质主要为黄土状物质和钙质岩石风化物, 也有坡积物和冰碛物, 林下发育的山地灰褐色森林土是天山分布最集中、面积最大的山地森林土壤类型[19,20]。根据天山山脉气候、地形等环境条件的差异，选择天山北坡中东部的奇台林区、中部的乌鲁木齐南山林区及相对偏西部的沙湾林区作为研究区域，样地东西跨度约400 km，南北跨度约80 km，分别代表天山北坡3种不同的环境条件，并在每个林区选择一个断面进行土壤采样与分析。图1，表1

图1 试验样地位置

Fig.1 Test sample location

表1 试验样地概况

Table 1 General information of the experimental sites

地名Place name样地编号Sites number纬度Latitude(N)经度Longitude(E)海拔梯度Elevation gradients (m)坡度Slope gradient(°)坡向Slope aspect坡位Slope position平均胸径Mean DBH(cm)平均树高Mean height(m)乌鲁木齐南山Urumqi South MountainWN-143°24′47″87°22′35″1 80023北下158WN-243°22′51″87°24′09″2 00028北中2510WN-343°19′47″87°21′34″2 20021西北中下4011WN-443°19′53″87°23′18″2 40025北中下5018奇台Strange platformQT-143°35′08″89°41′07″1 80035北下2324QT-243°33′18″89°48′18″2 00018西北中6525QT-343°33′07″89°35′58″2 20015北下5323QT-443°32′23″89°35′21″2 40030东南中5818沙湾Sha WanSW-143°54′17″85°31′21″1 80030西南下2830SW-243°53′58″85°31′07″2 00025西北下3222SW-343°53′40″85°31′25″2 20045南中2516SW-443°56′34″85°08′06″2 40020北中2322.5

根据天山云杉垂直分布特征，由东向西选取了奇台林区，乌鲁木齐南山林区、和沙湾林区的天山云杉森林作为研究对象，分别在3个林区的1 800～2 400 m海拔范围内采集土壤剖面，按每200 m一个海拔梯度，在每个梯度内设置20 m×20 m的样地，土样的采集采用挖土壤剖面法，采集时间为2013年10月，每个样地挖取3个1 m深的土壤剖面，不足1 m的挖到基岩为止。表层土壤(0～10 cm)采用多点混合取样法，以减小表层土壤的异质性；土壤分层标准按照0～10 cm(T1)、10～20 cm(T2)、20～30 cm(T3)、30～50 cm(T4)、50～100 cm(T5)划分。在3个断面采集36个剖面，共采集360个土样。

1.2 方 法

将采集的土壤样品带回实验室，置于室内风干，去杂质，过筛，用于测定土壤有机碳、全氮、全磷和pH值含量。土壤有机碳采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法；土壤全氮采用凯氏定氮法；土壤全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法[21-22]，土壤pH值用电位法测定。

1.3 数据处理

所有指标测定均重复3次，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同海拔梯度下各土层厚度土壤有机碳含量之间的差异(α=0.05)，用Pearson相关系数评定各因子间的相关关系。数据处理及统计分析采用SPSS 20.0和Excel 2010软件完成。绘图采用Sigmaplot 12.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 天山云杉林土壤基本特征

研究表明，三个样点土壤属性特征为：奇台和乌鲁木齐南山林场的有机碳含量及全氮含量均高于沙湾。奇台县全磷含量大于乌鲁木齐南山和沙湾。奇台县和沙湾县酸碱度均值相同，小于乌鲁木齐南山林场。在3种不同的环境条件下，云杉林土壤属性均值各不相同，但是其属性变化与各样区环境条件密切相关[23]。奇台和乌鲁木齐南山土壤水热组合条件较好，土壤有机碳、全氮和全磷含量较高。表2

表2 土壤因子基本特征

Table 2 Means of soil basic properties

有机碳含量SOC (g/kg)全氮TN (g/kg)全磷TN (g/kg)酸碱度pH奇台 Strange platform62.78±49.014.25±2.430.99±0.226.6±0.4乌鲁木齐南山 Urumqi South Mountain64.67±43.684.04±2.610.71±0.207.2±0.7沙湾 Sha Wan60.34±49.423.73±2.540.75±0.296.6±0.5

2.2 不同海拔土壤剖面有机碳变化

不同海拔梯度下，不同林区土壤含量随着土层深度呈逐渐减少的趋势。云杉林的有机碳含量在13～172 g/kg，其中乌鲁木齐南山的云杉林区海拔2 200 m处土壤T1层有机碳含量达到最大值172 g/kg，而沙湾样区同样的海拔高度T5层出现有机碳最小值13 g/kg。方差分析表明，海拔1 800 m处沙湾样区的T1和T5层云杉林土壤有机碳含量存在显著差异，奇台林区T3、T5层分别与T1层有机碳存在明显的显著性差异，而乌鲁木齐南山林区T4和T5层的有机碳含量达到显著水平。海拔2 000 m处三个林区T1和T3以及T3和T5的有机碳含量均差异显著。海拔2 200 m处沙湾林区T1和T5层有机碳含量存在差异，奇台林区T1层有机碳分别与T4、T5层明显达到显著水平，而乌鲁木齐南山林区T1层分别与T2、T3、T4、T5的有机碳均存在显著差异。海拔2 400 m处，三个林区T1和T5层有机碳含量明显达到显著水平。海拔梯度对有机碳含量的影响比较明显，即2 000和2 200 m处的有机碳含量最高，1 800 m处次之，而2 400 m处最低。图2

图2 不同海拔云杉林各土层有机碳含量

Fig.2 Soil organic carbon of different soil layers in spruce forest for different altitude

2.3 不同样区土壤有机碳含量变化

研究表明，T1层三个样区有机碳含量随海拔梯度上升均呈先增后降的趋势。T2和T3层沙湾林区随海拔梯度增加呈逐渐减少的趋势。总的看来，三个林区有机碳含量在不同土层厚度中随海拔高度的增加无明显规律。这是由于不同的三个林区虽然海拔高度相同，但地理位置存在差异，即坡度、坡向、坡位以及云杉林的年龄都各不相同，在不同海拔各林区有机碳含量表现的不一致，环境因子以及林分本身的特点对植被有机碳的分解带来一定的影响。图3

2.4 天山云杉林土壤因子间相关性

土壤氮含量特别是全氮含量在很大程度上决定于土壤总有机碳含量。对4个海拔高度云杉林土壤有机碳和全氮进行线性拟合，结果表明，二者之间呈显著的正相关关系，R2达到0.91。图4

不同的海拔高度对土壤有机碳和全磷进行线性拟合，研究表明，各海拔梯度下，二者之间均存在正相关关系，R2为0.84。图5

不同海拔高度土壤pH值在6.5～6.9，土壤有机碳与土壤pH值之间存在较弱的负相关关系。图6

图3 不同林区云杉林各土层有机碳含量

Fig.3 Soil organic carbon of different soil layers in spruce forest for different forest region

图4 云杉林有机碳含量与全氮关系

Fig.4 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in spruce forest

图5 云杉林有机碳含量与全磷关系

Fig.5 Relationship between soil organic carbon and total phosphorus in spruce forest

图6 云杉林有机碳含量与酸碱度关系

Fig.6 Relationship between soil organic carbon and pH in spruce forest

在自然条件下，土壤有机碳的分布主要受气候、植被、土壤质地及土壤母质等因素的影响[24]。研究表明，土壤各土层有机碳含量与全氮极显著正相关关系，与土壤全磷含量显著正相关，与土壤pH值为弱负相关关系。表3

表3 不同海拔梯度土壤有机碳含量与土壤其他因子相关性

Table 3 The statistic character and association of SOC content with soil other factors by elevation gradients

海拔梯度Elevation gradients(m)有机碳含量SOC content(g/kg)标准差Std. deviation相关性 Correlation analysis全氮Total nitrogen全磷Total phosphorus酸碱度pH1 80061.739 142.792 840.945∗∗0.433∗∗-0.2622 00075.997 846.766 950.952∗∗0.671∗∗ -0.571∗∗2 20076.180 659.704 840.972∗∗0.689∗∗-0.2872 40036.467 420.307 670.317∗0.120 -0.527∗∗

注：*在0.05 水平(双侧)上显著相关；**在 0.01 水平(双侧)上显著相关；n=45

Note：*significant correlation at level 0.05 (bilateral)**significant correlation at level 0.01 (bilateral)

3 讨 论

研究表明，不同海拔梯度下，不同样区土壤有机碳含量随着土层深度呈逐渐减少的趋势，与武小钢[2]、徐秋芳等[25]研究结果相似。导致这种结果的原因，主要是由于有机碳在土壤剖面上的分布特征与动植物分布和活动有关系，土壤表层积累了大量的动植物腐质层，分解后在土壤表面产生了很多有机质，同时在 0～20 cm 深的土层范围内集中了大量植被的根系，因此，这一层的有机碳含量明显高于其它的土层。随着土层越来越深，植物根系也就越来越少，腐殖质含量相对表层土壤大幅减少，因此，土层沿垂直方向越往下，其有机碳含量就越少。另外土壤的下部，受动植物影响相对小很多，且土壤母质比较稳定，因此，土层较深的有机碳含量在随着土层加深，其有机碳含量的变化反而比较小[26]。

研究中，海拔梯度对有机碳含量的影响比较明显，尤其2 000 m和2 200 m处的有机碳含量最高，乌鲁木齐南山林区土壤T1层有机碳含量达到172 g/kg；1 800 m处次之，沙湾林区土壤T1层有机碳含量为112 g/kg；而2 400 m处最低，奇台县林区土壤T1层有机碳含量为65 g/kg。刘贵峰等[27]研究表明，在海拔1 800～2 200 m，天山云杉林密度随海拔的增加而增加，在海拔2 200～2 600范围内随海拔的增加不断降低[28]，天山云杉林有机碳含量与云杉林密度密切相关。

土壤各土层有机碳含量与全氮极显著正相关，与土壤全磷含量显著正相关与土壤pH值为弱负相关关系，这与苗娟等[29]、祖元刚等[30]、张鹏等[31]研究结果保持一致。

4 结 论

三个林区有机碳含量在不同土层厚度中随海拔高度的增加无明显规律。这是由于不同的三个林区虽然海拔高度相同，但地理位置存在差异，即坡度、坡向、坡位以及云杉林的年龄都各不相同，因此，在不同海拔各林区有机碳含量表现的不一致，这说明环境因子以及林分本身的特点对植被有机碳的分解带来一定的影响。

对4个海拔高度云杉林土壤有机碳和全氮、全磷以及pH值进行线性拟合发现，土壤各土层有机碳含量与全氮极显著正相关，与土壤全磷含量显著正相关与土壤pH值为弱负相关关系。