帽儿山次生林区土壤有机碳储量及地形因子的影响

帽儿山次生林区土壤有机碳储量及地形因子的影响作者：姜航高菲崔晓阳来源：《森林工程》2015年第03期摘要：在帽儿山次生林区，按坡位、坡向差异对等设置20块样地，采集1 m剖面深度范围内不同发生层土样，研究了地形因子（坡位、坡向、坡度）对土壤有机碳含量、有机碳密度的影响，并通过逐步回归分析量化各因子对土壤有机碳密度变异影响的相对重要性。

结果表明，本区土壤剖面有机碳密度为8.89～31.31 kg/m2，具有较大的空间变异性。

土壤有机碳的表聚特征十分明显，平均而言，A层集中了全剖面总有机碳的53.2%。

坡位和坡向显著影响土壤有机碳的分布：平均而言，下坡A层有机碳密度是上坡的1.95倍，其1 m剖面有机碳密度是上坡的1.67倍；阴坡A层有机碳密度是阳坡的1.38倍，其1 m剖面有机碳密度是阳坡的1.23倍。

不过，在所调查的范围内坡度对上、下坡土壤有机碳含量和密度均无显著影响。

逐步回归显示，坡位是土壤有机碳数量分异的主控因子，可独立解释A层有机碳密度空间变异的61.25%和1 m剖面有机碳空间变异的64.0%。

研究结果可为区域森林土壤碳储量准确估算和碳汇林立地选择提供参考。

关键词：土壤有机碳；空间变异；地形中图分类号：S 714.2 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2015）03-0015-06森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，也是陆地生态系统最大的有机碳库之一，对于调节全球碳平衡和减缓大气CO2浓度上升具有不可替代的作用[1-3]。

因此，关于森林土壤有机碳储量、分布及其影响因素等方面研究得到了广泛关注。

国内关于森林土壤有机碳储量和分布的研究多集中在全国尺度[4-6]、省域尺度[7-8]、地区尺度[9-10]等大中尺度上。

森林土壤有机碳因受到气候条件、植被类型、成土母质、地形因子、土壤类型和经营管理等因素的综合影响，其分布具有极大的变异性，这给其碳库的估算带来了较大的不确定性。

本文以帽儿山次生林区为例，在区域气候、植被和土壤类型较一致的前提下，根据不同地形（坡位、坡向、坡度）土壤有机碳测定数据，探讨土壤有机碳的分布规律，分析其主控因素，以期为区域森林土壤碳储量准确估算和碳汇林立地控制提供科学依据。

1 研究方法1.1 样地描述帽儿山为我国东北重要的国家森林公园之一。

地貌为典型的低山丘陵，由南向北渐高。

地带性植被为以红松（Pinus koraiensis）为主的针阔叶混交林，原生植被破坏后，现大面积分布的是蒙古栎（Quercus mongolica）、白桦（Betula platyphylla）、山杨（Pobulus davidiana）和硬阔等次生林。

本文所涉调查区为帽儿山的典型低山丘陵次生林区，海拔大部分在300 m左右，地形起伏较平缓。

地带性土壤类型为温带湿润针阔混交林下发育的暗棕壤，其母质以花岗岩风化坡积物为主。

在气候、植被、母质、地形和时间五大自然成土因素中，区域气候、植被、母质和时间因素基本一致，现植被和土壤类型以及管理水平也较为一致，地形被认为是引起区内土壤有机碳空间分异的主要因素。

在区内典型次生林下，选择5个相对独立的地貌单元（山头）；每个单元按照坡位（上、下）和坡向（阳、阴）差异，对等设置4块标准样地（30 m ×30 m）；共设置20块样地。

由于调查范围内海拔差异较小，不足以引起气候和植被的显著分异，所以未考虑海拔因素。

1.2 样品采集每块样地典型部位设置1个主剖面，按照发生层A、AB、B、C 4个发生层分层取样。

其中，A为腐殖质层，AB为过渡层，B为淀积层，C为母质层；剖面深度控制在1 m。

对于所有剖面而言，此深度均可采集到完整的B层，但大多数剖面C层仅能采集到其上部（1 m以下未采集）。

每个土层采用原位立方土柱法采样：剖面分层后现场记录土层深度，然后按自上而下顺序采样，A、AB层采集横截面为10 cm×5 cm的立方土柱，B、C层根据需要采集横截面为10 cm×10 cm 或20 cm×20 cm的立方土柱，土柱取样深度为整个土层厚度；将立方土柱内的土壤和石砾用土刀全部收集在容器中，当下部土层中大石砾含量较高导致取样体积不规则时，用薄膜袋注水法估测取样体积[11]。

考虑到A层的空间变异性较大，所以每块样地除主剖面外，另随机设置2个辅助样点，同上采集A层土样，并记录A层厚度。

1.3 样品制备与整合土壤湿样品捡去根系，无损风干、称重（W1），过2 mm筛。

制样后将筛出的2 mm以上石砾合并称重（W2），计算石砾含量；土壤密度根据W1和实际取样体积估算。

过2 mm筛的土样在容器内充分混匀，取适量进一步用玛瑙球磨碎，过100目筛，混匀，装瓶备用。

各样地A层采样重复数为3（1主剖面+2辅助样点），为减小分析工作量，对3次重复样品按1.4 分析方法土壤样有机碳含量（SOCC）利用C/N分析仪（Heraeus Elementar Vario EL，Hanau，Germany）直接测定。

土壤有机碳密度计算方法如下：SOCD=SOCC×d×D×（1-G）×10-2，式中：SOCD为土壤有机碳密度，kg/ m2；d为土壤容重，g/cm3；D为土层深度，cm；G 为>2 mm的石砾含量，%。

1.5 数据统计数据统计采用SPSS 16.0数据统计包。

不同坡位、坡向的土壤有机碳采用单因素方差分析比较差异水平；当数据不满足正态分布条件时，则用非参数检验方法中的符号秩和检验[12]。

利用相关和回归分析土壤有机碳与坡度的关系，并利用多元逐步回归分析来判定土壤有机碳分布的主控因素。

坡位和坡向为分类变量，进行逐步回归分析时采用哑变量（Dummy Variable）为其赋值[13]。

2 结果分析2.1 土壤有机碳总体数量特征各层次土壤有机碳含量和有机碳密度见表2。

土壤A层有机碳含量均值高达62.27g/kg，向下锐减。

各土层有机碳含量相应变异系数分别为18.3%、27.3%、45.4%和76.4%，表明随土层加深，土壤有机碳含量的变异程度增大。

按变异程度的等级划分 [14]，各层有机碳含量均属中等变异。

土壤有机碳密度在A层最高（占全剖面的53.2%），表聚现象十分明显；但并不是随土层加深而递减，B层明显高于AB 层，见表2。

有机碳密度的变异程度B层明显高于A层和AB 层，但三层及1 m剖面均属中等变异。

1 m剖面土壤有机碳密度在8.89～31.31 kg/m2，算术均值为16.18 kg/m2。

2.2 坡位的影响各土层有机碳含量都表现出下坡高于上坡的趋势（如图1所示），且A、B两层均是下坡显著高于上坡（P2.3 坡向的影响不同土层土壤有机碳含量（除C层）和有机碳密度（除B层）均表现出阴坡大于阳坡的趋势（如图2所示）。

对于土壤有机碳含量来说，除A层外各土层阴坡和阳坡的差异均不显著（P>0.05）；土壤有机碳密度也一样，仅A层表现为阴坡显著大于阳坡（P2.4 坡度的影响全部样地从整体上统计，A层土壤有机碳密度与坡度呈极显著负相关，1 m剖面的有机碳密度也与坡度呈极显著负相关（如图3所示）。

然而，若上、下坡分组进行统计，则各层土壤有机碳含量和有机碳密度与坡度的相关性，以及1 m剖面的有机碳密度与坡度的相关性均不显著（数据未显示）。

由图3可看出，尽管上、下坡点据的分布都较分散，但分群特征比较明显，这将在很大程度上导致整体相关关系的显著性。

因此，从整体上统计得出的土壤有机碳与坡度的相关性其实是一种假象，它体现的仍然主要是坡位差异。

在所调查的坡度范围内，土壤有机碳含量、有机碳密度并不受坡度的显著影响。

2.5 土壤有机碳储量的主控因素-逐步回归分析利用所有20块样地数据，以坡位、坡向和坡度为自变量，以土壤有机碳密度为因变量进行逐步回归分析，利用判定系数大小量化各因子对土壤有机碳密度变异的综合解释能力和不同因子对土壤有机碳密度变异影响的相对重要性（见表2）。

表2中，R2φ为除该变量外的其他变量进行逐步回归的判定系数；ΔR2为在其它变量的基础上增加该变量时，回归方程判定系数的增量，ΔR2越大，说明该变量在回归方程中越重要；R2偏为偏确定系数，是指新加入回归方程的变量所解释部分占缺少该变量的回归方程未能解释部分的比例大小，也是判断自变量重要性的指标之一；R2adj是调整确定系数，指回归方程中的所有自变量对因变量变异性的解释能力。

由R2φ、ΔR2和R2偏可知，坡位对研究区内土壤有机碳密度变异的影响最大，能够独立解释A层变异的61.2%，其次是坡向，两者合计能够解释变异的73.0%；能够独立解释1 m剖面变异的64.0%，其次是坡向，两者合计能够解释变异的69.8%。

坡度未能进入回归方程，主要是由于坡度和坡位呈极显著（P0.05），未能进入方程。

这表明土壤有机碳与坡度的相关性较高是由于坡度与坡位的相关性引起的，这进一步证明了坡度对土壤有机碳无影响。

3 讨论本研究区域1 m剖面土壤有机碳密度的算术均值为16.18 kg/m2，低于大兴安岭林区土壤有机碳密度平均值21.60 kg/m2[10]；但高于长白山林区土壤有机碳密度平均值14.59 kg/m2 [10]。

本区森林土壤有机碳含量及其密度在表层最高，这与许多研究结果一致[15-17]。

其原因应该主要与森林凋落物和植物根系有关。

凋落物是森林生态系统地表有机碳的主要补给者，凋落物分解及淋洗所携带的有机碳是土壤有机碳输入的较大项[18]；森林植物根系也主要集中在土壤A层，随着土层深度的增加，植物根系分布减少，有机碳来源少。

地形因子通过侵蚀和堆积影响土壤有机碳分布[19]，同时地形作为成土过程中的一个重要因素，它不但支配着地表和土壤中水热资源的重新分配，而且影响着土壤生态系统的物质循环过程和强度，对土壤有机碳分布和储量有着深远影响[20]。

因本区为典型的低山丘陵地貌，海拔大部分在300 m左右（海拔差异不足以引起生物气候条件的显著变化），地形起伏较平缓，所以重点体现在坡位和坡向两个地形因子上。

研究区土壤有机碳含量和密度在各土层中均表现出上坡低于下坡的趋势，并且除AB层及C层含量以外，其他各土层含量和密度及1 m剖面密度差异均显著，与薛立[21]、张地[22]、Li[23]等研究结果一致。

说明在较低的海拔范围内，坡位是土壤有机碳分布的重要影响因素。

从上坡到下坡，土壤逐渐由侵蚀过渡为堆积，所以下坡比上坡的土层厚[24]，导致有机碳含量和密度增加；同时与上坡相比，下坡的林分生产力较高，凋落物数量大，枯枝落叶层现存量较大[21]，所以有机碳的输入量大。

对于不同坡向而言，本区不同土层有机碳含量（除C层）和密度（除B层）均表现出阴坡>阳坡，与一些文献报道相似[25-27]。