不同间伐强度下长白落叶松人工林土壤总有机碳特征及其影响因素

    王琪瑶 李云红 刘延坤 陈瑶 田松岩 刘学

    

    

    

    摘要：

    本研究采用野外调查和实验室分析相结合的方法，对不同间伐强度下的长白落叶松（Larix olgensis）人工林的土壤总有机碳及理化性质特征进行研究，并分析它们之间的相关关系，为更好的管理森林土壤碳库和制定合理的营林措施提供科学依据。结果表明：①随着土壤深度增加，各处理土壤总有机碳含量和碳密度均呈显著垂直递减特征，且表层土壤总有机碳含量和碳密度显著高于其他两层（p<0.05）。②随着间伐强度的降低，林分密度增加，土壤总有机碳含量和碳密度均呈先减小后增大的趋势，且强度间伐和轻度间伐土壤总有机碳含量及碳密度显著高于中度间伐（p<0.05）。③对三种间伐强度下的落叶松人工林进行分析，土壤总有机碳含量及碳密度与土壤全氮呈极显著（p<0.01）正相關。表明土壤碳素与氮素在土壤中转化存在着密切的关系。

    关键词：

    长白落叶松人工林；土壤总有机碳；土壤总有机碳密度；间伐强度；林分密度

    中图分类号：S 791文献标识码：A文章编号：1001-005X（2018）01-0001-05

    Abstract：

    In this study，field investigation and laboratory analysis were used to study the characteristics of soil total organic carbon and physicochemical properties of Larix olgensis plantations under different thinning intensities，and to analyze the correlation between them，which provide a scientific basis for better management of forest soil carbon pool and development of reasonable silviculture measures.The results show that：①With the increase of soil depth，the total organic carbon content and carbon density of each treatment soil showed a significant vertical decline feature，and the total organic carbon content and carbon density of surface soil were significantly higher than that of the other two layers（p<0.05）.②With the decrease of thinning intensity，stand density increased，soil total organic carbon content and carbon density decreased first and then increased，and the total organic carbon content and carbon density in intermediate thinning and light thinning soil were significantly higher than those in moderate thinning（p<0.05）.③According to the analysis of larch plantation under three thinning intensity，the total organic carbon content and carbon density of soil were positively correlated with soil total nitrogen（p<0.01）.This indicated that soil carbon and nitrogen had a close relationship in soil.

    Keywords：

    Larix olgensis；soil organic carbon；soil total organic carbon density；thinning intensity；stand density

    0引言

    近年来，随着大气中CO2浓度的不断增加，全球气候变化成为了各国科学家关注的焦点。而森林不但对保护生态环境起着重要的作用，也调节着大气中CO2的平衡[1-3]。森林土壤碳库约为787 PgC，约占全球土壤碳库的73%，约为陆地生态系统碳库的2/3[4]。因此，森林土壤碳库是陆地生态系统中最大碳库，是全球碳循环中源、库、汇的扮演者[5-6]。植被类型、气候条件、土壤特征等是影响森林生态系统土壤有机碳储量和分布的重要因素[7-8]。在植被类型中，林分密度的变化会使土壤有机碳储量发生改变，因为林分密度决定了林分的空间布局，林分密度变化会改变光、热、水分等生态环境因子，带动改变林下物种的结构及其多样性，进而凋落物的输入和有机质的分解也受到影响，随着林下土壤养分和能量循环的改变，最终影响土壤有机碳储量也发生变化[9-13]。长白落叶松（Larix olgensis）是我国东北林区高山针叶林的主要森林组成树种，是东北地区主要三大针叶用材林树种之一，是世界上受全球气候变化影响最严重的森林植被林类型之一[14]。关于长白落叶松林碳汇功能研究大多集中在地上部分固碳功能研究[15-18]，对落叶松人工林土壤碳的积累和分布的综合性研究不多见。因此，本文以长白落叶松人工林为对象，研究不同间伐强度土壤总有机碳特征，为更好的管理森林土壤碳库和制定合理的营林措施提供科学依据。

    1研究区概况

    本研究区位于黑龙江省东南部宁安县境内的江山娇实验林场（43°44′54″～43°54′12″N，128°53′16″～129°12′42″E），地处张广才岭南端，山脉东西走向，整个地势东高西低，北高南低，海拔在356～890 m之间，为典型的低山丘陵地貌。该区属亚寒带大陆性气候，年均气温在3.5 ℃，年均降水量在450～550 mm，积雪期为150 d，无霜期116～125 d。地带性土壤为暗棕壤。地带性顶极群落为阔叶红松林，由于开发较早，原生顶极群落已所剩无几，被大面积长白落叶松（Larix olgensis）人工林及杨、桦（Populus spp.）、柞（Quercus spp.）及硬阔叶林次生林所替代。

    2研究方法

    2.1样地调查

    研究样地为1958年营造的长白落叶松人工林，位于江山娇实验林场81林班，坡向为南向，海拔464.7～550.4 m，初始造林密度为3300株/hm2，80年代经过不同强度的间伐，形成现有不同林分密度的长白落叶松人工林，本研究在相似立地条件下，选取经强度、中度、轻度三种间伐处理的长白落叶松人工林为研究对象，每个水平随机设置3块样地，样地面积为20 m×20 m，样地基本信息见表1。

    2.2土样采集和处理

    采用土钻法按蛇形法在每个样方内分三层（0～10、10～20、20～30 cm）取9个点，然后将土壤样品带回实验室，经过风干、研磨、过100目筛后，用于土壤总有机碳及土壤理化性质的测定。

    2.3土样指标测定方法

    土壤总有机碳采用碳氮自动分析仪（Multi C/N 3000，Analytik Jena AG）测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定[19]；土壤全磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法测定[19]；土壤容重测定采用环刀法采集；土壤含水率采用烘干法（（105±2）℃，12 h）測定；每个样品重复测定3次。

    2.5数据分析

    采用方差分析（one-way ANOVA）检验间伐强度和土层深度对土壤总有机碳含量和碳密度的影响显著性（显著性水平设为0.05）；采用（Pearson）相关性检验方法检验土壤总有机碳含量和碳密度与土壤理化性质间的相关关系；相关数据分析使用Excel 2007和SPSS 19.0软件。

    3结果与分析

    3.1土壤总有机碳含量分布特征

    土壤中生物残体等有机物质的输入与微生物分解等作用下有机物质的输出决定了土壤中有机碳的含量[20]。由图1可见，三种间伐强度下土壤总有机碳含量的垂直分布特征一致，随着土壤深度的增加，土壤总有机碳含量呈逐渐减小的趋势，且表层土壤总有机碳含量均显著高于其他两层（p<0.05）。对于同一深度土层，土壤总有机碳含量随着间伐强度的降低呈先减小后增大的趋势。在0～10 cm土层及整个土壤剖面（0～30 cm）上，强度和轻度间伐土壤总有机碳含量显著高于中度间伐（p<0.05）。

    3.2土壤总有机碳密度分布特征

    由图2可见，与土壤总有机碳含量的垂直分布特征规律相一致，随着土壤深度增加，土壤总有机碳密度呈垂直递减特征，且间伐后三种林分密度的表层土壤总有机碳密度均显著高于其他两层（p<0.05）。对于同一深度土层，随着间伐强度的

    降低，在0～10、10～20 cm土层及整个土壤剖面（0～30 cm）上，土壤总有机碳密度呈先减小后增大的趋势；在20～30 cm土层上土壤总有机碳密度呈逐渐增大趋势。在0～10 cm土层及整个土壤剖面（0～30 cm）上，强度和轻度间伐土壤总有机碳密度显著高于中度间伐（p<0.05），与土壤总有机碳含量特征基本一致。

    图1和图2中所列小写字母（a、b、c）表示同一林分不同土层之间差异水平（p<0.05），大写字母（A、B、C）表示同一土层不同林分之间差异水平（p<0.05）。

    3.3土壤理化性质分析

    三种间伐强度下，土壤全氮量和含水率垂直变化规律一致，随土层深度的增加而逐渐减小，而土壤容重则相反，表现为随土层深度增加而逐渐增加的趋势，土壤全磷含量无明显规律，见表2。

    同一土层深度，不同间伐强度的落叶松林下土壤全氮量排序是：中度间伐<轻度间伐<强度间伐；强度间伐后的土壤含水率最高；轻度间伐后的土壤容重最小。在整个土壤剖面（0～30 cm）上，随着间伐强度减小土壤全磷量逐渐减小。

    3.4土壤总有机碳含量与土壤理化性质之间的相关性分析

    对于各间伐处理下落叶松人工林土壤总有机碳含量和理化性质进行相关性分析，见表3。结果表明：土壤总有机碳与土壤理化性质之间关系密切，在0～10、10～20、20～30 cm各层土壤总有机碳含量与全氮呈极显著（p<0.01）正相关；在整个土壤剖面（0～30 cm）上，土壤总有机碳含量与全氮和含水率均呈极显著（p<0.01）正相关。由此说明土壤碳素与氮素在土壤中转化存在着密切的关系；同时，也说明了土壤中水和氮的含量与土壤总有机碳含量有关。

    3.5土壤有机碳密度与土壤理化性质之间的相关性分析

    对三种间伐强度下落叶松人工林土壤总有机碳密度及土壤理化性质进行相关性分析，见表4。结果表明：在0～10、10～20、20～30 cm各层，土壤总有机碳密度与全氮含量均呈显著（p<0.01）正相关；在0～10土层，土壤总有机碳密度与容重呈显著（p<0.01）正相关。在整个土壤剖面（0～30 cm）上，土壤总有机碳密度与全氮呈极显著（p<0.01）正相关，这与土壤总有机碳含量和土壤理化性质之间的相关性基本一致；土壤总有机碳密度与土壤容重呈极显著（p<0.01）负相关，这与土壤总有机碳含量和土壤理化性质之间的相关性不一致。

    4讨论与结论

    4.1不同间伐强度下土壤总有机碳含量和碳密度的分布特征

    间伐使大量剩余物归还地表的同时，还会改变林地的光照条件，增加林下植被的种类和盖度，降低径流的流速，增强土壤渗透，有效的防止水土流失，还可以加大植被枯落物归还量，增加了土壤有机质的来源。随着土壤深度增加，各处理土壤总有机碳含量和碳密度均呈显著垂直递减特征，且表层土壤总有机碳含量和碳密度显著高于其他两层（p<0.05）。因为土壤表层有机质稳定丰富的来源是地表凋落物的积累和分解，随着土层深度的增加，积累和分解作用会逐渐减弱，而且植被根系也对地表有机碳的积累和分解具有很强的作用。这与许文强等[21]和任丽娜等[22]的研究结果基本相一致。路翔等[23]研究发现，中亚热带4种森林类型SOC含量随土壤深度增加逐渐降低，也与本研究结果一致。随着间伐强度的降低，林分密度增加，土壤总有机碳含量和碳密度均呈先减小后增大的趋势，且强度间伐和轻度间伐土壤总有机碳含量及碳密度显著高于中度间伐（p<0.05）。这可能是因为轻度间伐下林分密度较高，凋落物归还较多，土壤湿度较大，进而促进土壤有机质的积累；而强度间伐有利于林地光能的利用，提高林下土壤温度，也有利于土壤有机碳积累。袁喆等[24]的研究表明，30%的间伐强度使林下生物多样性增加，导致了土壤有机碳含量和碳密度升高。这说明合理的间伐强度对土壤总有机碳含量和碳密度的积累起到了积极的作用，但森林结构不同，土壤有机碳的来源差异也较大，导致间伐强度对土壤有机碳的影响存在差异。因此，其影响机制还有待于进一步研究。

    4.2不同间伐强度下土壤总有机碳含量及碳密度与土壤理化性质的之间的相关关系

    对研究区间伐后不同林分密度落叶松人工林土壤总有机碳含量及碳密度与理化性质进行相关性分析。在0～10、10～20、20～30 cm各层土壤总有机碳含量及碳密度与土壤全氮呈极显著（p<0.01）正相关；在0～10土层，土壤总有机碳密度与容重呈显著（p<0.01）正相关。在整个土壤剖面（0～30 cm）上，土壤总有机碳含量与全氮和含水率均呈极显著（p<0.01）正相关；土壤总有机碳密度与全氮呈极显著（p<0.01）正相关，而与土壤容重呈极显著（p<0.01）负相关。研究结果表明，土壤有机碳含量及碳密度与土壤理化性质之间的密切关系，尤其是土壤碳素与氮素在土壤中转化存在着密切的关系。路翔等[23]研究显示中亚热带4种森林类型SOC含量与全N含量的相关性均为极显著。也有研究显示，土壤中的含氮量会影响微生物的分解和吸收速度，进而影响土壤有机碳水平[25]。同时，周莉等[26]研究显示，土壤N、P和土壤水分、容重等诸多因素都会影响土壤总有机碳含量及碳密度。黎艳明等[27-28]研究结果也显示，土壤理化性质可以影响枯落物分解、微生物活动等，进而间接影响土壤有机碳密度。这些研究结果均与本研究结果一致。

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