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南滚河国家级自然保护区典型植被类型土壤有机碳及全氮储量的空间分布特征

任玉连 陆梅 曹乾斌 李聪 冯峻 王志胜

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南滚河国家级自然保护区典型植被类型土壤有机碳及全氮储量的空间分布特征

    作者简介: 任玉连。主要研究方向:土壤生态。Email:renyulian0411@163.com 地址:650224 云南省昆明市盘龙区白龙路300号西南林业大学生态与环境学院.
    通讯作者: 陆梅,博士,副教授。主要研究方向:土壤微生物生态与湿地生态。Email:lumeizx@126.com 地址:同上. 
  • 中图分类号: S714.7;S718.5

Spatial distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen stocks across the different typical vegetation types in Nangunhe National Nature Reserve, southwestern China

  • 摘要: 目的 植被群落随山地海拔升高呈现有规律的垂直分布,能够引起样地微气候及土壤性质的改变,进而影响碳氮在土壤中的沉积。因此,不同典型植被类型土壤碳氮储量的空间分布特征是山地生态系统碳氮循环研究的重要内容。本文旨在探明南滚河自然保护区不同典型植被类型土壤有机碳及全氮储量沿海拔梯度的变化及其与环境因子的耦合关系。方法 选取南滚河自然保护区沿海拔形成的3种典型植被类型(沟谷雨林、半常绿季雨林和中山湿性常绿阔叶林)为研究对象,研究不同植被类型之间土壤有机碳及全氮储量的变化规律,并运用线性回归和RDA冗余分析等方法研究环境因子沿海拔变化对土壤有机碳及全氮储量的影响。结果 不同典型植被类型土壤有机碳与全氮储量随海拔升高呈现显著增加的变化趋势(P < 0.05),即沟谷雨林(89.10 t/hm2,11.94 t/hm2) < 半常绿季雨林(190.30 t/hm2,25.34 t/hm2) < 中山湿性常绿阔叶林(508.05 t/hm2,56.55 t/hm2),这种变化规律与凋落物厚度、年均降水量、土壤含水量、总有机碳及全氮沿海拔的变化相一致;不同植被类型土壤有机碳储量均随土层深度增加呈先增后降的垂直变化规律,而土壤全氮储量则随土层深度增加呈逐渐降低趋势;土壤有机碳及全氮储量与海拔、土壤含水量、总有机碳、全氮、凋落物厚度和年均降水量呈极显著正相关(P < 0.01),与土壤密度、pH、年均气温和土壤温度呈极显著负相关(P < 0.01),冗余分析表明凋落物厚度与土壤含水量是影响有机碳和全氮储量的主导因子。结论 热带地区植被类型沿海拔梯度有规律的分布,能够通过改变样地微气候(如温度、水分)、凋落物输入(凋落物厚度)及土壤理化环境(如土壤密度、C与N含量等),进而显著影响土壤有机碳及全氮储量的空间分布。
  • 图 1  不同典型植被类型土壤有机碳和全氮储量垂直分布特征

    Figure 1.  Vertical distribution characteristics of soil organic carbon and nitrogen stock in different typical vegetation types

    图 2  不同典型植被类型土壤有机碳和全氮储量

    Figure 2.  Soil organic carbon and total nitrogen stock of different typical vegetation types

    图 3  不同典型植被类型水热条件和凋落物厚度的变化特征

    Figure 3.  Variation characteristics of hydro-thermal conditions and litter thickness of different typical vegetation types

    图 4  环境因子与土壤有机碳及全氮储量之间的关系

    Figure 4.  Relationship between environment factors and soil organic carbon and total nitrogen stock

    图 5  环境因子与土壤有机碳、全氮储量的冗余度分析

    Figure 5.  Redundancy analysis of environment factors and soil organic carbon and total nitrogen stock

    表 1  样地基本情况

    Table 1.  Basic situation of the sample plot

    项目
    Item
    沟谷雨林
    Ravine rainforest
    半常绿季雨林
    Semi-evergreen monsoon rainforest
    中山湿性常绿阔叶林
    Mid-montane humid evergreen broadleaved forest
    样地编号
    Sample site No.
    E1、E2、E3E4、E5、E6E7、E8、E9
    海拔
    Altitude/m
    543 ~ 5541 260 ~ 1 2702 173 ~ 2 178
    经纬度
    Latitude and longitude
    98°59′17″ ~ 98°59′18″E98°57′55″ ~ 98°57′55″E99°12′36″ ~ 99°12′37″E
    23°13′41″ ~ 23°13′42″N23°15′38″ ~ 23°15′39″N23°19′20″ ~ 23°19′21″N
    坡度
    Slope degree/(°)
    10 ~ 1335 ~ 3810 ~ 14
    坡向
    Slope aspect
    北偏东 North by east北偏西 North by west南偏东 South by east
    优势植物
    Dominant plant
    重阳木、紫茎泽兰、褐鞘沿阶草Bischofia polycarpa, Ageratina adenophora, Ophiopogon dracaenoides黄牛木、莎草、山香缘 Cratoxylon cochinchinensis, Cyperum rotundus, Turpinia montana木姜子、土牛膝、紫茎泽兰 Neolitsea homilantha, Achyranthes asper, Ageratina adenophora
    郁闭度
    Canopy density
    0.930.880.86
    土壤类型
    Soil type
    砖红壤 Latosol赤红壤 Lateritic red soil黄壤 Yellow soil
    母质
    Parent material
    千枚岩 Phyllite砂岩 Sandstone砂岩 Sandstone
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    表 2  不同典型植被类型土壤理化性质分布特征

    Table 2.  Distribution characteristics of soil physicochemical property in different typical vegetation types

    典型植被类型
    Typical vegetation type
    土层深度
    Soil depth/cm
    含水量
    Water content/%
    土壤密度
    Soil bulk density/
    (g·cm− 3)
    总有机碳
    Total organic
    carbon/(g·kg− 1)
    全氮
    Total nitrogen/
    (g·kg− 1)
    碳氮比
    Carbon to nitrogen ratio(C/N)
    pH
    沟谷雨林
    Ravine rainforest
    0 ~ 2042.19 ± 3.41Ab1.28 ± 0.04Ba13.11 ± 0.83Ac2.84 ± 0.94Ab4.62 ± 0.14Bb5.17 ± 0.05Ba
    20 ~ 4039.24 ± 1.71Ab1.41 ± 0.07Aa9.50 ± 0.22Bb1.28 ± 0.66Bb7.57 ± 0.46Aa5.62 ± 0.04Aa
    40 ~ 6040.70 ± 1.82Ab1.47 ± 0.02Aa3.86 ± 0.06Cc1.06 ± 0.34Bb3.64 ± 0.16Bb5.81 ± 0.09Aa
    平均 Average40.71 ± 0.49C1.38 ± 0.03A8.83 ± 1.55C1.73 ± 0.32B5.28 ± 0.52A5.53 ± 0.11A
    半常绿季雨林
    Semi-evergreen monsoon rainforest
    0 ~ 2048.02 ± 2.73Ab0.92 ± 0.03Bb19.76 ± 1.82Ab3.36 ± 0.58Ab6.07 ± 0.64Ba5.00 ± 0.03Aa
    20 ~ 4046.43 ± 1.94Aab1.18 ± 0.02Ab11.54 ± 1.09Bb1.62 ± 0.19Bb7.13 ± 0.10ABab5.12 ± 0.09Aab
    40 ~ 6043.35 ± 2.46Ab1.22 ± 0.01Ab8.15 ± 0.17Cb0.94 ± 0.06Cb8.81 ± 0.53Aa5.26 ± 0.06Aab
    平均 Average45.93 ± 0.79B1.11 ± 0.06B13.15 ± 1.99B1.97 ± 0.42B7.34 ± 0.46A5.13 ± 0.04A
    中山湿性常绿阔叶林
    Mid-montane humid evergreen broadleaved forest
    0 ~ 2060.00 ± 3.76Aa0.91 ± 0.02Bb89.79 ± 2.98Aa15.36 ± 1.24Aa5.86 ± 0.19Ba3.91 ± 0.07Bb
    20 ~ 4058.23 ± 2.34Aa1.13 ± 0.05Ab48.13 ± 1.85Ba7.88 ± 0.89Ba6.14 ± 0.21Bb4.23 ± 0.03ABb
    40 ~ 6056.55 ± 4.20Aa1.16 ± 0.04Ab35.61 ± 1.17Ba4.32 ± 0.44Ca8.28 ± 0.16Aa4.50 ± 0.04Ab
    平均 Average58.26 ± 0.58A1.06 ± 0.04B57.85 ± 9.46A9.19 ± 1.88A6.76 ± 0.44A4.22 ± 0.10B
    注:不同小写字母表示不同植被类型相同土层的差异显著(P < 0.05),不同大写字母表示同一植被类型不同土层的差异显著(P < 0.05)。
    Notes: different lowercase letters indicate significant differences in soil layers of different vegetation types (P < 0.05), and different capital letters indicate significant differences in different soil layers of the same vegetation type (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-10
  • 录用日期:  2019-02-20
  • 网络出版日期:  2019-08-29
  • 刊出日期:  2019-11-01

南滚河国家级自然保护区典型植被类型土壤有机碳及全氮储量的空间分布特征

    通讯作者: 陆梅, lumeizx@126.com
    作者简介: 任玉连。主要研究方向:土壤生态。Email:renyulian0411@163.com 地址:650224 云南省昆明市盘龙区白龙路300号西南林业大学生态与环境学院
  • 1. 西南林业大学生态与环境学院,云南 昆明 650224
  • 2. 云南省林木种苗工作总站,云南 昆明 650215
  • 3. 云南南滚河国家级自然保护区沧源管理局,云南 沧源 677499

摘要: 目的植被群落随山地海拔升高呈现有规律的垂直分布,能够引起样地微气候及土壤性质的改变,进而影响碳氮在土壤中的沉积。因此,不同典型植被类型土壤碳氮储量的空间分布特征是山地生态系统碳氮循环研究的重要内容。本文旨在探明南滚河自然保护区不同典型植被类型土壤有机碳及全氮储量沿海拔梯度的变化及其与环境因子的耦合关系。方法选取南滚河自然保护区沿海拔形成的3种典型植被类型(沟谷雨林、半常绿季雨林和中山湿性常绿阔叶林)为研究对象,研究不同植被类型之间土壤有机碳及全氮储量的变化规律,并运用线性回归和RDA冗余分析等方法研究环境因子沿海拔变化对土壤有机碳及全氮储量的影响。结果不同典型植被类型土壤有机碳与全氮储量随海拔升高呈现显著增加的变化趋势(P < 0.05),即沟谷雨林(89.10 t/hm2,11.94 t/hm2) < 半常绿季雨林(190.30 t/hm2,25.34 t/hm2) < 中山湿性常绿阔叶林(508.05 t/hm2,56.55 t/hm2),这种变化规律与凋落物厚度、年均降水量、土壤含水量、总有机碳及全氮沿海拔的变化相一致;不同植被类型土壤有机碳储量均随土层深度增加呈先增后降的垂直变化规律,而土壤全氮储量则随土层深度增加呈逐渐降低趋势;土壤有机碳及全氮储量与海拔、土壤含水量、总有机碳、全氮、凋落物厚度和年均降水量呈极显著正相关(P < 0.01),与土壤密度、pH、年均气温和土壤温度呈极显著负相关(P < 0.01),冗余分析表明凋落物厚度与土壤含水量是影响有机碳和全氮储量的主导因子。结论热带地区植被类型沿海拔梯度有规律的分布,能够通过改变样地微气候(如温度、水分)、凋落物输入(凋落物厚度)及土壤理化环境(如土壤密度、C与N含量等),进而显著影响土壤有机碳及全氮储量的空间分布。

English Abstract

  • 碳和氮作为维持森林生态系统结构和功能的两种重要化学元素,其循环过程及相互作用对生态系统的生产力、固碳潜力以及稳定性具有关键性的调控作用[12]。森林是陆地生物圈的主体,森林土壤则是森林生态系统中最大的碳氮储存库,森林土壤碳储量约占全球土壤碳库的73%,土壤氮储量约为3.5 × 1014 ~ 5.5 × 1014 kg[35]。土壤碳氮作为衡量森林土壤质量的重要指标[6],其贮量和动态变化对森林生产力形成、全球碳氮平衡以及全球气候变化均具有重要的意义[78]。气候变化能够影响森林土壤碳氮储量,不同的气候条件影响植被的分布及生产力,通过改变地上与地下凋落物输入进而影响土壤有机碳与氮的沉积;同时通过改变土壤温度和水分状况影响微生物对有机碳的分解和转化,进而影响温室气体的排放[9],表明森林生态系统碳氮循环与全球变化存在相互的反馈作用[10]。因此,土壤碳氮储量逐渐成为土壤学、生态学和全球气候变化的核心研究主题之一[11]

    目前,海拔升高引起气候的自然梯度变化与土壤碳氮循环相互关系研究的替代系统是一个热点研究领域[12]。随山地海拔高度变化,植被群落呈现有规律的垂直分布,微气候(气温与降水量)及土壤性质均存在显著变化[13],并形成明显不同的地上(凋落物)与地下(根系及其分泌物)的输入[14],进而导致土壤碳、氮储量沿海拔空间分布的显著差异。相关研究表明,森林土壤碳、氮素转化十分复杂,其含量往往受到温度、湿度、凋落物化学组成、土壤pH值及土壤养分状况等因子调控[15]。Luan等和Rosenkranz等研究表明,气温、降雨、土壤温湿度显著影响森林土壤碳氮转化与储量的过程[1617]。土壤有机碳和全氮储量取决于植被输入土壤的凋落物量与微生物分解的损失量之间平衡[18]。温度和水分通过改变微生物群落结构、活性从而间接调控凋落物的分解及养分释放,从而影响土壤碳氮的转化与储存[1920]。海拔差异通常导致温度、降水、光照的连续变化[21],使植物功能性状产生复杂的适应性变化,从而导致植被沿海拔有规律的分布。植被类型沿海拔梯度变化能够引起土壤有机碳、氮储量有规律的空间分布[22]。彭舜磊等研究了内乡宝天曼土壤碳氮储量和碳氮比与海拔、林龄和土壤类型的关系[23],Xiao等分析了北京不同森林类型碳储量随海拔梯度的变化规律[24],均表明不同海拔的植被类型引起微气候以及土壤性质等改变,能够对各自气候区域内土壤碳氮储量沿海拔梯度的分布产生了重要影响[25]。因此,研究特定地区不同典型植被类型土壤有机碳及全氮储量沿自然海拔的空间分布及其影响机制,对于揭示区域森林土壤碳氮循环规律,预测未来全球气候变化趋势具有重要意义。

    云南南滚河国家级自然保护区是拥有世界意义关键生物类群的热带森林生态系统,区内海拔高度差异大、植被垂直分布明显,沿海拔梯度自下而上分布有热带雨林、季雨林和常绿阔叶林等植被类型,其植被带在中国南亚热带边缘地区具有很强的典型性且保存最为完整,是研究不同海拔植被类型对土壤有机碳及全氮储量空间动态影响的理想场所。目前,南滚河国家级自然保护区的研究主要集中于植物、鸟类、动物、昆虫等方面,而关于不同海拔典型植被类型土壤有机碳及全氮储量的空间分布特征如何?影响机制及其对气候变化的响应特征如何?有待进一步研究。本研究选取南滚河自然保护区3个不同海拔的典型植被类型(沟谷雨林、半常绿季雨林和中山湿性常绿阔叶林)作为研究样地,揭示土壤有机碳及全氮储量沿海拔的空间分布特征,并分析降水、气温、土壤温湿度及土壤碳氮养分等沿海拔梯度的变化,以及这些变化对土壤有机碳和全氮储量的影响,旨在为精确估算热带森林土壤碳氮储量以及探讨植被沿海拔梯度变化对土壤碳氮循环的影响提供基础数据。

    • 研究区位于云南省临沧市南滚河国家级自然保护区内,地处沧源佤族自治县(23°09′12″ ~ 23°40′08″N,98°57′32″ ~ 99°26′00″E)。保护区内最低海拔510 m,最高海拔2 977 m。属于南亚热带季风气候,年均温12.4 ℃,年降水量1 280 ~ 2 590 mm之间。由于气候垂直分异明显,植被类型沿海拔高度升高呈现明显的垂直分布。

      本研究沿海拔梯度选择3种典型植被类型:沟谷雨林(543 ~ 554 m)、半常绿季雨林(1 260 ~ 1 270 m)和中山湿性常绿阔叶林(2 173 ~ 2 178 m)。沟谷雨林林冠不整齐,各种复叶和大型叶的种类多,群落层次和林层结构复杂,种类组成丰富,优势种为千果榄仁(Terminalia myriocarpa)、绒毛番龙眼(Pometia tomentosa)和厚叶石栎(Lithocarpus pachyphyllus)等;土壤母质以千枚岩风化残积物上发育的砖红壤为主,颜色为棕黄色,中壤土,粒状结构,土体稍紧实,多量根系。半常绿季雨林干湿交替明显,在热带季风气候条件下形成的森林植被种类组成丰富,优势种为白花羊蹄甲(Bauhinia variegata)、四数木(Tetrameles nudiflora)、常绿榆(Ulums lanceaefolia)和顶果木(Acrocarpus fraxinifolius)等;土壤母质以砂岩风化残积物上发育的赤红壤为主,褐色,轻壤土,粒状结构,土体稍紧实,多量根系。中山湿性常绿阔叶林群落外貌、层片结构和生境都以“湿”为特点,林内树干普遍出现苔藓地衣以及蕨类等附生植物,而且群落的灌木层中一般都有一个比较明显的竹子层片,优势种为硬斗石砾(Lithocarpus hancei)、粗穗石栎(Lithocarpus elagans)、厚缘青冈(Cyclobalanopsis thorelii)、瓦山栲(Castanopsis ceratacantha)和万寿竹(Disporum cantoniense)等;土壤母质以砂岩风化残积物上发育的黄壤为主,黑褐色,轻壤土,粒状结构,土体稍紧实,多量根系。沟谷雨林、半常绿季雨林和中山湿性常绿阔叶林土壤深度分别为2 ~ 80 cm、2 ~ 75 cm和3 ~ 60 cm。样地基本情况详见表1

      表 1  样地基本情况

      Table 1.  Basic situation of the sample plot

      项目
      Item
      沟谷雨林
      Ravine rainforest
      半常绿季雨林
      Semi-evergre