甘孜州高山栎和柏木叶片及根际土壤有机碳含量研究

黄从飞，谢菊香，张 艳，李 勋,*

（1.四川民族学院，四川 康定 626001；2.四川民族学院横断山区生态修复与特色产业培育研究中心, 四川 康定 626001；3.四川民族学院川藏滇青林草抚育和利用研究中心, 四川 康定 626001）

碳是植物的基础元素，有机碳是土壤肥力的基础物质，有机碳能对生物肥力和化学肥力产生连环促进和能量传递。叶片碳含量(leaf carbon content，LCC)作为估算生态系统碳储量的重要参数，被广泛应用于大尺度上研究植被对环境的适应策略[1]。陆地生态系统中最大的碳库土壤，土壤中含有极其丰富的碳元素，而土壤有机碳是土壤中存在最多的碳元素存在形式，其次土壤肥力的主要组成部分也是土壤有机碳，土壤有机碳是评价土壤健康的重要指标，土壤有机碳对土壤微域环境也具有调节作用，是碳循环气候变化等方面的研究核心内容[2-6]。一般而言，土壤有机碳由不同的碳组分构成，根据各自在土壤中的稳定性差异，可分为活性、缓效和惰性3 个组分，易氧化有机碳(readilyoxidizable carbon ROC)是土壤有机碳中的活性组分中的一部分，对土壤碳含量变化具有更高的灵敏性，直接参与了土壤生物化学转化过程，同时也是微生物活动能源和土壤养分的驱动力，其主要特点有移动快、不稳定、易氧化、分解与矿化等。ROC 占TOC(total organic carbon，TOC) 的比例能指示土壤碳稳定性，ROC/TOC 的值越大，土壤碳稳定性越差[2,4,6]。高山栎(Quercus semecarpifolia Sm.)是壳斗科栎属植物，我国横断山区分布比较集中，分布海拔为1700m-4800m,大约有11 种是该地区群落中的优势种和建群种，同时也是重要的水土保持和水源涵养树种[7,8]。柏木(Cupressus funebris Endl.)是柏科柏木属，具有耐腐性强，硬度适中，纹理均匀，干缩性小等特点，我国特有的优良用材树种，同时也是除治松材线虫病后的主要更新树种及替代马尾松的主栽树种[9,10]。

因此，本研究以高山栎天然纯林和柏木天然林为研究对象，通过测量高山栎叶和柏树叶及其根际土壤的TOC 和ROC 含量，分析不同树种及其林下根际土壤的有机碳含量的相关性，为川西北地区森林生态系统碳汇潜力提升相关研究提供一定科学依据。

1 研究区概况

高山栎研究区位于四川省甘孜藏族自治州(简称甘孜州)康定市达杆村高山栎天然纯林(30°3′50″N，102°9′1″E)内，海拔2072.410 m，该地区属于大陆山地型气候，最高气温14.7℃，最高气温28.9℃寒冷而干燥，年平均气温在6℃以下，年降雨量约700 mm。其林下华南松幼龄林（Pinus kwangtungensis Chun ex Tsiang）、灌木主要有高山杜鹃（Rhododendron lapponicum (L.) Wahlenb.）、光叶海桐（Pittosporum glabratum Lindl.）、铁仔（Myrsine africana L.）、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）等，草本主要有沿阶草（Ophiopogon bodinieri Levl.）、中华鳞毛蕨（Dryopteris chinensis (Bak.) Koidz.）、朱兰（Pogonia japonica Rchb.F.）、蕙兰（Cymbidium faberi Rolfe）、宽叶兔儿风（Ainsliaea latifolia (D.Don) Sch.-Bip.）、庐山石韦（Pyrrosia sheareri (Baker) Ching）等。

柏木研究区位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县柏木天然林场中(30°43′26.71″N，102°0′16″E)，海拔2069.750 米，该区域属青藏高原型季风气候，该区域日照充足，夏季无酷暑，冬季无严寒，年平均气温14.2℃,，月平均温度22.4℃，无霜期316 天，年降水量600 mm[11]。研究区主要以柏木为主，其林下灌木主要有灰毛紫菀（Aster polius Schneid.）、腋花勾儿茶（Berchemia edgeworthii Laws.）、木樨榄（Olea europaea L.）、毛瑞香（Daphne kiusiana var.atrocaulis (Rehder) F.Maek.）、橙花瑞香等（Daphne aurantiaca Diels），草本有沿阶草（Ophiopogon bodinieri Levl.）、茵陈蒿（Artemisia capillaris Thunb.）等。

2 研究方法

2.1 样品采集与测定

2023 年4 月，分别于高山栎、柏木林内，设置3 个10 m×10 m 的乔木大样方，用环刀和橡胶锤采取高山栎根际表层0～5 cm 土壤，取样前将土壤表层枯枝落叶清理干净，漏出表土，重复3 次操作，将取好的样品放入样品袋中。植物样品使用枝剪采取植株成熟完整、无病虫害的叶片约200 g，放入密封袋中，重复3 次操作。将取好的样品带回实验室，植物样品于105 ℃杀青30 分钟后置于65 ℃鼓风干燥箱内继续烘至恒重，使用粉碎机将其磨碎过65 目筛备用；土壤样品剔除砂石、草根等杂物，放置阴凉干燥处风干后过65 目筛。

土壤和植物TOC 含量和ROC 含量测定采用TOC 全自动分析仪测。

2.2 数据分析

采用独立样本T 检验分析两种乔木叶片及其根际土壤TOC 含量和ROC 含量是否存在显著性差异；使用IBM SPSS Statistics 25 统计分析软件进行数据分析，采用Pearson 检验法分析TOC 和ROC 含量相关性，采用Excel 2016 和R 软件进行绘图。

3 结果分析

3.1 高山栎和柏木根际土壤TOC 和ROC 含量

由图1 可知，高山栎和柏木根际土壤的TOC 含量和ROC 含量具有显著差异性，柏木林下根际土壤TOC含量显著高于高山栎林下根际土壤TOC 含量(P＜0.05)，柏木林下根际土壤ROC 含量显著高于高山栎林下根际土壤ROC 含量(P＜0.05)，柏木根际土壤和高山栎根际土壤TOC 含量显著高于ROC 含量(P＜0.05)。高山栎根际土壤和柏木根际土壤ROC/TOC 分别为0.063 和0.046，高山栎根际土壤ROC/TOC 大于柏木根际土壤ROC/TOC，可以得出柏木根际土壤碳稳定性高于高山栎根际土壤。

图1 高山栎和柏木根际土壤TOC 和ROC 含量

3.2 高山栎和柏木叶片TOC 和ROC 含量

由图2 可知，高山栎和柏木叶片TOC 含量和ROC 含量存在差异性显著，其中高山栎叶片TOC含量显著高于柏木叶片TOC 含量(P＜0.05)，高山栎叶片ROC 含量显著高于柏木叶片ROC 含量(P＜0.05)。柏木叶片和高山栎叶片TOC 含量均显著高于ROC 含量(P＜0.05)。

图2 高山栎和柏木叶片TOC 与ROC 含量

3.3 高山栎和柏木叶片及其根际土壤有机碳含量相关性分析

由表1 可知，高山栎叶片TOC 和ROC 含量与高山栎根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关，均为达到显著性水平；柏木叶片TOC 与柏木根际土壤TOC 和ROC 含量呈正相关，柏木叶片ROC和柏木根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关，但均未达到显著性相关水平。

表1 高山栎和柏木叶片及其根际土壤TOC 与ROC 相关系数

4 讨论

本研究得出高山栎叶片TOC 含量和ROC 含量均显著高于柏木叶片，高山栎叶片有机碳含量高的结果与李丽等[7]的研究结果相似，本研究所测的高山栎叶片有机碳含量为414.98±34.22 g/kg，最高值为440.54 g/kg。造成该结果的原因可能是所调查的高山栎处于较高海拔干旱河谷地区，需要抵抗干旱寒冷等恶劣环境，因此在叶片中需要构建一些独特的保卫组织，而构成这些保卫组织需要大量的养分，同时叶片也是高山栎重要的同化器官，所以导致了高山栎叶片含量高[7,12]。柏木叶片有机碳含量低于高山栎叶片。导致这个结果的可能原因是两研究区域经纬度不同，柏木研究区纬度高于高山栎研究区，但经度低于高山栎研究区，这与赵航等[1]的研究结果森林LCC 随经纬度的增加而减小具有相似之处； 此外降水也可促进森林生态系统固碳能力[17]，高山栎研究区年降水量高于柏木研究区，使得高山栎水分充足生长良好，柏木叶片面积小，高山栎叶片面积大，有利于光合作用的进行和同化物的积累[21]，这可能是导致高山栎叶片有机碳含量显著高于柏木叶片有机碳含量的原因。因此可以得出高山栎叶片碳储存能力强于柏木叶片，可为森林碳汇能力提升提供一定参考依据。柏木根际土壤有机碳含量显著高于高山栎根际土壤有机碳含量。这与王鹏程等[6]的研究结果具有相似之处。柏木林土壤有机碳密度最高，为8.77 kg·m-2，高于栎树土壤有机碳含量，原因可能是高山栎研究区地处大渡河附近，降雨量大于柏木林研究区，其水土流失淋溶作用较强，使得柏木林土壤有机碳含量高于高山栎林土壤有机碳含量[13,14]。本研究还可得出，TOC 含量高的乔木叶片及土壤的ROC 含量随TOC 含量增高而增高，可能原因是ROC 与TOC 含量紧密相关，TOC 含量的高低决定了ROC 含量的高低。

本研究中，高山栎叶片TOC 和ROC 含量与高山栎根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关，但未达到显著性水平；柏木叶片TOC 与柏木根际土壤TOC 和ROC 含量呈正相关，柏木叶片ROC 和柏木根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关，但均未达到显著性相关水平。高山栎叶片作为重要的同化器官，又处于较高海拔地区，需要具备独特的抗旱抗寒形态结构，所以需要更多的养分来构建这些用于抗旱抗寒的保卫组织，加之叶片也是C 养分的主要储存部位，而这些养分大多从土壤中吸收而来[7,12]，因此高山栎叶片TOC 和ROC 含量与高山栎根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关。有研究证明柏木中龄林能明显改善土壤营养状况，柏木林在自然演替中，林内物质储量有不断向土壤层聚集的趋势[18]，能间接证明本研究所得出的柏木叶片TOC 含量与其土壤TOC 和ROC 含量呈正相关。也有研究证明，柏木树干积累物质高于其他器官，可能会使得叶片中ROC 含量与其根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关。

5 结论

（1）高山栎叶片TOC 含量和ROC 含量均显著高于柏木叶片。（2）柏木林下根际土壤TOC 含量和ROC含量均显著高于高山栎，柏木和高山栎根际土壤及叶片的TOC 含量均显著高于ROC 含量(P＜0.05)。（3）高山栎叶片TOC 和ROC 含量与高山栎根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关，柏木叶片TOC 与柏木根际土壤TOC 和ROC 含量呈正相关，柏木叶片ROC 和柏木根际土壤TOC 和ROC 含量呈负相关，均未达到显著性相关水平。本试验仅研究了高山栎和柏木成熟叶片及其根际土壤有机碳含量，后期可针对不同叶片成熟度和不同植物器官的碳储量开展进一步研究。