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江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律

张参参 吴小刚 刘斌 施雪文 陈伏生 裘利洪 卜文圣

张参参, 吴小刚, 刘斌, 施雪文, 陈伏生, 裘利洪, 卜文圣. 江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
引用本文: 张参参, 吴小刚, 刘斌, 施雪文, 陈伏生, 裘利洪, 卜文圣. 江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
Zhang Cancan, Wu Xiaogang, Liu Bin, Shi Xuewen, Chen Fusheng, Qiu Lihong, Bu Wensheng. Variations in soil organic carbon along an altitudinal gradient of Jiulian Mountain in Jiangxi Province of eastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
Citation: Zhang Cancan, Wu Xiaogang, Liu Bin, Shi Xuewen, Chen Fusheng, Qiu Lihong, Bu Wensheng. Variations in soil organic carbon along an altitudinal gradient of Jiulian Mountain in Jiangxi Province of eastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383

江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
基金项目: 

江西省自然科学基金项目 20171BAB214032

国家自然科学基金项目 31730014

国家自然科学基金项目 31760134

详细信息
    作者简介:

    张参参。主要研究方向:森林土壤与植被的关系。Email: brightzcc@163.com  地址: 330045  江西省南昌市经济技术开发区志敏大道1101号

    通讯作者:

    卜文圣,博士,助理研究员。主要研究方向:群落结构与动态。Email:bws2007@163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S714.2

Variations in soil organic carbon along an altitudinal gradient of Jiulian Mountain in Jiangxi Province of eastern China

  • 摘要: 目的土壤类型、土壤层次及植被类型是土壤有机碳分布格局的重要影响因素,而海拔是对大尺度水热环境条件的再分配,涵盖了土壤类型和植被类型在小尺度上的剧烈变化信息,因而研究不同海拔梯度上土壤有机碳的变异规律对森林生态系统碳汇管理具有重要的意义。方法本研究选择九连山境内不同海拔高度(179~1 430 m)的森林土壤为研究对象,通过分析植被类型、土壤类型、和不同层次的有机碳含量与碳储量等,揭示不同海拔高度有机碳的垂直分布规律及影响因素。结果土壤的前3层(0~40 cm)有机碳含量随着海拔的升高而呈现线性增大的趋势,而第4层(40~60 cm)和第5层(60~100 cm)则随着海拔的升高而逐渐的降低,土壤碳储量与海拔梯度的趋势与土壤有机碳与海拔梯度的趋势基本一致,但总碳储量与海拔梯度的趋势则呈先降低后升高的U形趋势;草甸土的前3层土壤有机碳含量和储量往往高于红壤和黄壤,并且随海拔升高,土壤类型从红壤、黄壤至草甸土的变化过程中,前2层(0~20 cm)有机碳含量和碳储量均存在逐渐上升,而其他层次则无显著差异;高海拔的杜鹃林和高山草甸表层土壤有机碳含量和碳储量往往高于较低海拔的其他植被类型,而高山草甸和次生阔叶林的0~100 cm总碳储量较高。结论土壤表层和植被类型的变化可能是导致九连山不同海拔梯度土壤有机碳变异规律的主要原因。在全球气候变暖的情形下,高海拔地区的表层土壤可能随着温度的上升而增加碳排放。
  • 图  1  不同土壤层次有机碳含量和碳储量随海拔梯度的变化规律

    L代表 0~100 cm土壤层;L1代表 0~10 cm土壤层;L2代表 10~20 cm土壤层;L3代表 20~40 cm土壤层;L4代表 40~60 cm土壤层;L5代表 60~100 cm土壤层。

    Figure  1.  Variations of organic carbon content and carbon storage for different soil layers along an altitudinal gradient

    L indicates 0-100 cm soil layer; L1 indicates 0-10 cm soil layer; L2 indicates 10-20 cm soil layer; L3 indicates 20-40 cm soil layer; L4 indicates 40-60 cm soil layer; L5 indicates 60-100 cm soil layer.

    图  2  总碳储量随海拔梯度的变化规律

    Figure  2.  Variations of carbon storage along an altitudinal gradient

    图  3  不同土壤层次有机碳含量和碳储量随土壤类型的变化规律

    L代表 0~100 cm土壤层;L1代表 0~10 cm土壤层;L2代表 10~20 cm土壤层;L3代表 20~40 cm土壤层;L4代表 40~60 cm土壤层;L5代表 60~100 cm土壤层;不同小写字母代表同一土层不同土壤类型之间的差异。下同。

    Figure  3.  Variations of organic carbon content and carbon storage for different soil layers across different soil types

    L indicates 0-100 cm soil layer; L1 indicates 0-10 cm soil layer; L2 indicates 10-20 cm soil layer; L3 indicates 20-40 cm soil layer; L4 indicates 40-60 cm soil layer; L5 indicates 60-100 cm soil layer; different lowercase letters indicate the difference within soil layer between different zones of nature reserve. The same below.

    图  4  不同土壤层次有机碳含量随植被类型的变化规律

    Figure  4.  Variations of organic carbon content for different soil layers across different vegetation types

    图  5  不同土壤层次碳储量随植被类型的变化规律

    Figure  5.  Variations of carbon storage for different soil layers across different vegetation types

    表  1  样地基本情况表

    Table  1.   Brief conditions of sample plots

    样地编号
    Sample plot No.
    海拔
    Elevation/m
    坡度
    Slope degree/(°)
    坡向
    Slope aspect
    土壤类型
    Soil type
    植被类型
    Vegetation type
    1 179 20 东East 红壤Red soil 竹林Bamboo forest
    2 235 28 西West 黄壤Yellow soil 人工林Plantation
    3 385 10 东南Southeast 红壤Red soil 次生阔叶林Secondary broadleaved forest
    4 488 25 西北Northwest 黄壤Yellow soil 次生阔叶林Secondary broadleaved forest
    5 490 5 西West 红壤Red soil 次生阔叶林Secondary broadleaved forest
    6 505 32 西南Southwest 黄壤Yellow soil 人工林Plantation
    7 575 20 东南Southeast 红壤Red soil 人工林Plantation
    8 600 30 西West 红壤Red soil 竹林Bamboo forest
    9 650 26 西West 红壤Red soil 人工林Plantation
    10 693 30 西北Northwest 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
    11 734 28 西南Southwest 红壤Red soil 竹林Bamboo forest
    12 800 17 东南Southeast 红壤Red soil 人工林Plantation
    13 808 26 北North 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
    14 830 28 西West 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
    15 954 27 北North 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
    16 1 070 28 北North 草甸土Meadow soil 杜鹃林Rhododendron forest
    17 1 170 22 东北Northeast 草甸土Meadow soil 杜鹃林Rhododendron forest
    18 1 270 32 东北Northeast 草甸土Meadow soil 杜鹃林Rhododendron forest
    19 1 360 22 东北Northeast 草甸土Meadow soil 高山草甸Alpine meadow
    20 1 410 24 北North 草甸土Meadow soil 高山草甸Alpine meadow
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    表  2  双因素方差分析表

    Table  2.   Results of two-way ANOVA

    土壤指标
    Soil index
    因素Factor 自由度
    Freedom
    F
    F value
    P
    P value
    有机碳含量Organic carbon content 土壤类型Soil type 2 14.9 < 0.001
    土壤层次Soil layer 4 57.7 < 0.001
    土壤类型×土壤层次Soil type×soil layer 8 7.3 < 0.001
    植被类型Vegetation type 5 6.9 < 0.001
    土壤层次Soil layer 4 55.73 < 0.001
    植被类型×土壤层次Vegetation type×soil layer 20 3.14 < 0.001
    碳储量Carbon storage 土壤类型Soil type 2 2.54 0.08
    土壤层次Soil layer 4 7.2 < 0.001
    土壤类型×土壤层次Soil type× soil layer 8 9.2 < 0.001
    植被类型Vegetation type 5 4.41 0.002
    土壤层次Soil layer 4 8.25 < 0.001
    植被类型×土壤层次Vegetation type×soil layer 20 4.79 < 0.001
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-26
  • 修回日期:  2018-12-16
  • 刊出日期:  2019-02-01

江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
    基金项目:

    江西省自然科学基金项目 20171BAB214032

    国家自然科学基金项目 31730014

    国家自然科学基金项目 31760134

    作者简介:

    张参参。主要研究方向:森林土壤与植被的关系。Email: brightzcc@163.com  地址: 330045  江西省南昌市经济技术开发区志敏大道1101号

    通讯作者: 卜文圣,博士,助理研究员。主要研究方向:群落结构与动态。Email:bws2007@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S714.2

摘要: 目的土壤类型、土壤层次及植被类型是土壤有机碳分布格局的重要影响因素,而海拔是对大尺度水热环境条件的再分配,涵盖了土壤类型和植被类型在小尺度上的剧烈变化信息,因而研究不同海拔梯度上土壤有机碳的变异规律对森林生态系统碳汇管理具有重要的意义。方法本研究选择九连山境内不同海拔高度(179~1 430 m)的森林土壤为研究对象,通过分析植被类型、土壤类型、和不同层次的有机碳含量与碳储量等,揭示不同海拔高度有机碳的垂直分布规律及影响因素。结果土壤的前3层(0~40 cm)有机碳含量随着海拔的升高而呈现线性增大的趋势,而第4层(40~60 cm)和第5层(60~100 cm)则随着海拔的升高而逐渐的降低,土壤碳储量与海拔梯度的趋势与土壤有机碳与海拔梯度的趋势基本一致,但总碳储量与海拔梯度的趋势则呈先降低后升高的U形趋势;草甸土的前3层土壤有机碳含量和储量往往高于红壤和黄壤,并且随海拔升高,土壤类型从红壤、黄壤至草甸土的变化过程中,前2层(0~20 cm)有机碳含量和碳储量均存在逐渐上升,而其他层次则无显著差异;高海拔的杜鹃林和高山草甸表层土壤有机碳含量和碳储量往往高于较低海拔的其他植被类型,而高山草甸和次生阔叶林的0~100 cm总碳储量较高。结论土壤表层和植被类型的变化可能是导致九连山不同海拔梯度土壤有机碳变异规律的主要原因。在全球气候变暖的情形下,高海拔地区的表层土壤可能随着温度的上升而增加碳排放。

English Abstract

张参参, 吴小刚, 刘斌, 施雪文, 陈伏生, 裘利洪, 卜文圣. 江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
引用本文: 张参参, 吴小刚, 刘斌, 施雪文, 陈伏生, 裘利洪, 卜文圣. 江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳的变异规律[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
Zhang Cancan, Wu Xiaogang, Liu Bin, Shi Xuewen, Chen Fusheng, Qiu Lihong, Bu Wensheng. Variations in soil organic carbon along an altitudinal gradient of Jiulian Mountain in Jiangxi Province of eastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
Citation: Zhang Cancan, Wu Xiaogang, Liu Bin, Shi Xuewen, Chen Fusheng, Qiu Lihong, Bu Wensheng. Variations in soil organic carbon along an altitudinal gradient of Jiulian Mountain in Jiangxi Province of eastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 19-28. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180383
  • 土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的碳库,高于植物和大气碳库的总和,约占陆地生态系统碳储量的2/3,是影响大气CO2浓度的重要源和汇[1-2]。土壤有机碳库是最为活跃,受人类影响最大的碳库,其微小变化能够导致大气CO2浓度的显著变化,进而影响全球气候[3-4]。由于土地利用变化、不可持续森林和农业生产实践的影响,全球土壤有机碳库在不断地减少[2]。一个持续26年的土壤增温实验表明:土壤增温可以导致土壤有机碳减少,促使土壤向大气中排放CO2[5]。因而,土壤有机碳库作为大气碳库的汇/源功能的转换对维持全球碳循环过程平衡,减缓温室效应意义重大[6-7]。土壤有机碳是土壤有机质重要的活跃组成部分,可为植物提供多种营养元素,同时保障土壤具有良好的通气性、渗透性以及缓冲性[8],其含量及动态变化在土壤质量演变和碳循环过程中起着十分重要的作用[9]。一般认为土壤有机碳含量及其活性主要受成土因素(例如,土壤母质类型、土壤类型等)和人为活动(例如采伐干扰情况、火烧等)等长期相互作用的影响,因而能够表征土壤质量[10]。已有研究分析了多种类型土壤中的有机碳含量分布特征及其影响因素,得到不同层次所具有的显著地带性特征[10];森林土壤碳库是全球最大的土壤碳库,其主要分布于1 m深度的土壤内[12]。但目前的研究认为0~50 m土壤深度是植物根系的集中分布区,植物根系的分布直接影响土壤中有机碳的垂直分布,因而物种组成状况及植被类型等生物因素也影响土壤有机碳的分布格局[13]。总之,土壤类型、土壤层次及植被类型被认为是土壤有机碳分布格局的重要影响因素。

    海拔梯度是对大尺度环境下水热条件的再分配,它包含了温度、湿度和光照等各种环境因子[14]。而山地生态系统往往在垂直梯度上涵盖了纬度地带的环境特征,提供了较为统一的大尺度气候条件下沿山地海拔梯度的植被类型分布格局,为研究不同海拔梯度土壤有机碳随植被类型变化提供了良好的基础[15]。目前,国内外主要研究了山地植被分布模式与气候、地形因子、土壤状况和干扰关系的研究,一般认为大尺度上的山地植被分布格局主要受气候因素的影响,尤其是温度和降雨[16],而小尺度上的山地植被分布格局主要受局部的地形、土壤和人为干扰的影响[15]。但关于土壤有机碳在山地的垂直分布格局研究较少报道。已有研究表明随着海拔的增加,山地温度逐渐降低,从而影响了土壤中微生物的活性,使微生物对凋落物的分解效率下降,导致土壤有机碳累积增加[17]。此外,土壤有机碳含量和稳定性还受植被的影响[18],一项整合了338个林龄在80年及以上森林样点组建的中国成熟林生物量数据集研究表明:亚热带森林是我国森林碳容量和固碳潜力最大的生态区[19]。因而,开展海拔梯度上的有机碳分布格局研究势在必行。

    黄牛石是赣州市龙南县第1高峰,江西省第6高峰,位于九连山国家级自然保护区内,垂直海拔梯度约1 200 m在一定程度上代表了土壤有机碳随环境因子的变化,是研究土壤有机碳分布随山地海拔梯度变化的良好研究对象。因而,本研究选择九连山自然保护区全境内的不同海拔高度的森林土壤剖面为研究对象,通过调查和记录土壤类型、植被类型和保护区区划等环境因子,测定有机碳含量及碳储量,可以揭示各剖面不同海拔高度的有机碳组分的垂直分布规律及影响因素,探讨如何通过森林保育和改善森林经营管理提高森林生态系统的固碳能力,从而为森林土壤碳储量合理评测提供理论依据。

    • 研究区位于江西省龙南县境内的江西九连山国家级自然保护区,经纬度在24°31′~24°35′N、114°26′~114°29′E之间。九连山保护区总面积约13 411.6 hm2,海拔高度179~1 430 m,坡度主要在20°~40°之间,地势南高北低,属于南岭东段九连山山脉的北坡。本区属于典型亚热带气候,温暖湿润,年均气温约16.7 ℃,年均降水量1 954.6 mm。区内土壤依海拔高度自下而上依次为山地红壤、山地黄壤和山地草甸土。研究区是中亚热带湿润常绿阔叶林与南亚热带季风常绿阔叶林的过渡地带,保存有完整的原生性常绿阔叶林,生物多样性极其丰富,从低海拔至高海拔依次分布的植被类型是竹林、亚热带低山丘陵针叶林(人工林为主)、常绿落叶阔叶混交林(次生阔叶林为主)、亚热带常绿阔叶林、山顶矮林(杜鹃林为主)及山地草甸,其中以天然常绿阔叶林分布最广[20]。本区地带性植被为常绿阔叶林,主要树种包括木荷(Schima superba)、润楠(Machilus pingii)、丝栗栲(Castanopsis fargesii)、米槠(Castanopsis carlesii)、罗浮栲(Castanopsis fabri)、乳源木莲(Manglietia yuyuanensis)、樟树(Cinnamomum camphora)、鹿角栲(Castanopsis lamontii)、毛棉杜鹃花(Rhododendron moulmainense)、君迁子(Diospyros lotus)等。

    • 2014年,依照整个九连山自然保护区的海拔梯度分布范围(179~1 430 m),尽量避开人为干扰频繁的区域,从坡底至九连山最高峰黄牛石顶,从每隔大约100 m的海拔间隔和植被类型(竹林、人工林、次生阔叶林、常绿阔叶林、杜鹃林和高山草甸)方面考虑设置1个土壤剖面,剖面深度至土壤母质层或者最深至100 cm,共设置了20个土壤剖面,并记录每个剖面的经纬度、海拔、坡度、坡向、土壤类型及植被类型等信息,具体的剖面信息见表 1。在选定地点按照土壤剖面的标准方法挖掘剖面,然后按照0~10 cm (L1)、10~20 cm(L2)、20~40 cm(L3)、40~60 cm(L4)、60~100 cm(L5)进行分层采集环刀土样和用于土壤有机碳含量分析的土壤样品,每层采集2个环刀土样和2个有机碳土样,环刀土样带回实验室自然风干,测定土壤密度。有机碳土样完全风干后磨细过100目,用重铬酸钾-硫酸亚铁滴定法测定土壤有机碳含量,每个土壤剖面的每层土样土壤密度和有机碳含量均取2个样品的平均值。

      表 1  样地基本情况表

      Table 1.  Brief conditions of sample plots

      样地编号
      Sample plot No.
      海拔
      Elevation/m
      坡度
      Slope degree/(°)
      坡向
      Slope aspect
      土壤类型
      Soil type
      植被类型
      Vegetation type
      1 179 20 东East 红壤Red soil 竹林Bamboo forest
      2 235 28 西West 黄壤Yellow soil 人工林Plantation
      3 385 10 东南Southeast 红壤Red soil 次生阔叶林Secondary broadleaved forest
      4 488 25 西北Northwest 黄壤Yellow soil 次生阔叶林Secondary broadleaved forest
      5 490 5 西West 红壤Red soil 次生阔叶林Secondary broadleaved forest
      6 505 32 西南Southwest 黄壤Yellow soil 人工林Plantation
      7 575 20 东南Southeast 红壤Red soil 人工林Plantation
      8 600 30 西West 红壤Red soil 竹林Bamboo forest
      9 650 26 西West 红壤Red soil 人工林Plantation
      10 693 30 西北Northwest 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
      11 734 28 西南Southwest 红壤Red soil 竹林Bamboo forest
      12 800 17 东南Southeast 红壤Red soil 人工林Plantation
      13 808 26 北North 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
      14 830 28 西West 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
      15 954 27 北North 红壤Red soil 常绿阔叶林Evergreen broadleaved forest
      16 1 070 28 北North 草甸土Meadow soil 杜鹃林Rhododendron forest
      17 1 170 22 东北Northeast 草甸土Meadow soil 杜鹃林Rhododendron forest
      18 1 270 32 东北Northeast 草甸土Meadow soil 杜鹃林Rhododendron forest
      19 1 360 22 东北Northeast 草甸土Meadow soil 高山草甸Alpine meadow
      20 1 410 24 北North 草甸土Meadow soil 高山草甸Alpine meadow
    • 土壤各层的碳储量计算公式[20-21]为:

      $$ \mathrm{SC}_{i}=C_{i} \times \rho_{i} \times d_{i} / 10 $$

      式中:SCi为第i层土壤碳储量(t/hm2);Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg);ρi为第i层土壤密度(g/cm3);di为第i层土壤厚度(cm),10为单位转换系数。因而,总土壤碳储量为0~100 cm各土层的累加和。

      采用线性回归方法探讨了不同层次土壤有机碳和碳储量随海拔的变化规律;采用双因素(土壤类型和土壤层次、植被类型和土壤层次)和最小显著差异法(LSD)进行不同深度土壤有机碳含量和碳储量的多重比较(α=0.05)。所有的数据处理、统计分析和作图采用R.3.5.1软件完成。

    • 土壤的前3层(0~40 cm)的有机碳含量随着海拔的升高而呈现线性增大的趋势(图 1);而第4、5层则随着海拔的升高有机碳含量逐渐的降低,并且第4层海拔的解释量大于第5层(第4层R2大于第5层)土壤碳储量与海拔梯度的趋势与土壤有机碳与海拔梯度的趋势基本一致,但大多数情况下土壤碳储量的R2比土壤有机碳含量大。由图 2可知,总碳储量与海拔梯度的趋势则与以上二者不同,呈先降低后升高的U形趋势。

      图  1  不同土壤层次有机碳含量和碳储量随海拔梯度的变化规律

      Figure 1.  Variations of organic carbon content and carbon storage for different soil layers along an altitudinal gradient

      图  2  总碳储量随海拔梯度的变化规律

      Figure 2.  Variations of carbon storage along an altitudinal gradient

    • 双因素方差分析表明:土壤有机碳含量在土壤类型间和土壤层次间均存在差异显著,并且土壤类型与土壤层次的交互作用也显著影响土壤有机碳含量;土壤有机碳在不同植被类型间也存在差异显著,并且植被类型和土壤层次的交互作用也显著影响土壤有机碳含量;土壤碳储量在不同土壤层次间存在显著差异,在不同土壤类型间的差异接近显著(P=0.08),同时土壤类型和土壤层次的交互作用也显著地影响碳储量;土壤碳储量在不同植被类型间也存在显著差异,并且植被类型和土壤层次的交互作用也显著地影响碳储量(表 2)。

      表 2  双因素方差分析表

      Table 2.  Results of two-way ANOVA

      土壤指标
      Soil index
      因素Factor 自由度
      Freedom
      F
      F value
      P
      P value
      有机碳含量Organic carbon content 土壤类型Soil type 2 14.9 < 0.001
      土壤层次Soil layer 4 57.7 < 0.001
      土壤类型×土壤层次Soil type×soil layer 8 7.3 < 0.001
      植被类型Vegetation type 5 6.9 < 0.001
      土壤层次Soil layer 4 55.73 < 0.001
      植被类型×土壤层次Vegetation type×soil layer 20 3.14 < 0.001
      碳储量Carbon storage 土壤类型Soil type 2 2.54 0.08
      土壤层次Soil layer 4 7.2 < 0.001
      土壤类型×土壤层次Soil type× soil layer 8 9.2 < 0.001
      植被类型Vegetation type 5 4.41 0.002
      土壤层次Soil layer 4 8.25 < 0.001
      植被类型×土壤层次Vegetation type×soil layer 20 4.79 < 0.001
    • 图 3可知,第1个土壤层次的草甸土有机碳含量显著地高于红壤,而与黄壤无显著差异;第2和第3个土壤层次草甸土有机碳含量显著地高于红壤和黄壤,而第4和第5个土壤层次在不同土壤类型间无显著差异,并且从均值来看,随着海拔的升高,土壤类型从山地红壤逐渐演化为山地黄壤,最后转变为高山草甸土的过程中,前2层(0~20 cm)有机碳含量逐渐上升;总碳储量在不同土壤类型间均不存在显著差异,但草甸土的前3层土壤碳储量均显著地高于红壤和黄壤,而其他两层土壤碳储量在不同土壤类型间无显著差异。从均值来看,随着海拔的升高,土壤类型从山地红壤逐渐演化为山地黄壤,最后转变为高山草甸土的过程中,前2层(0~20 cm)碳储量和总碳储量均逐渐上升。总体说来,草甸土的前3层土壤有机碳含量和储量往往高于红壤和黄壤。

      图  3  不同土壤层次有机碳含量和碳储量随土壤类型的变化规律

      Figure 3.  Variations of organic carbon content and carbon storage for different soil layers across different soil types

    • 图 4可知,第1个土壤层次(0~10 cm)杜鹃林的土壤有机碳含量显著地高于常绿阔叶林、竹林和人工林,而次生阔叶林和高山草甸则与其他植被类型无显著差异;第2个土壤层次高山草甸和杜鹃林显著地高于其他4种林分;第3个土壤层次以上土壤有机碳均无显著差异。总体说来,高海拔杜鹃林和高山草甸的表层土壤(0~20 cm)有机碳含量往往高于其他植被类型,而较低海拔的其他4种植被类型之间则往往无显著差异。

      图  4  不同土壤层次有机碳含量随植被类型的变化规律

      Figure 4.  Variations of organic carbon content for different soil layers across different vegetation types

      图 5可知,高山草甸和次生阔叶林的总碳储量(0~100 cm)显著地高于常绿阔叶林,而与其他植被类型则无显著差异。第1个土壤层次杜鹃林和高山草甸的总碳储量显著地高于人工林,而与其他植被类型无显著差异;第2个土壤层次杜鹃林和高山草甸的总碳储量显著地高于常绿阔叶林、竹林和人工林,而与次生阔叶林无显著差异;第3个土壤层次,杜鹃林和高山草甸显著地高于次生阔叶林和常绿阔叶林,而与其他2个植被类型无显著差异;第4和第5个土壤层次,各种植被类型无显著差异。总体说来,处于高海拔地区的杜鹃林和高山草甸的前3层土壤碳储量高于其他植被类型,而较低海拔的其他4种植被类型之间则往往无显著差异;但是高海拔高山草甸和较低海拔的次生阔叶林具有较高的总碳储量。

      图  5  不同土壤层次碳储量随植被类型的变化规律

      Figure 5.  Variations of carbon storage for different soil layers across different vegetation types

    • 研究结果表明,土壤的前3层(0~40 cm)的有机碳含量和碳储量随着海拔的升高而呈现线性增大的趋势,与南岭国家级自然保护区石坑崆、庐山北坡和武夷山国家公园有机碳的分布规律一致[21-23]。随着海拔升高,温度逐渐降低,水分条件也发生变化,山地土壤水热条件的变化导致土壤呼吸作用速率逐渐减慢[24-25],因而土壤表层有机碳含量和碳储量均表现出依次增加的分布特点。其次,水文过程可以引起土壤氧化还原状态以及土壤水文路径的改变,被认为是控制土壤可溶性有机碳淋失的关键过程[26]。我们的研究结果表明:土壤下层(第4、5层,40~100 cm)的有机碳含量和碳储量随海拔的升高而线性降低。可能的原因是高海拔地区的下层土壤主要来源于岩石本身风化后形成的崩积物、风积物和残积物等组成,有机碳含量较低,而低海拔地区的红壤是我国中亚热带湿润地区分布的地带性红壤,属中度脱硅富铝化的铁铝土,网纹层发育明显,基岩为花岗岩,黏土矿物以高岭石为主,酸性强,盐基饱和度低,化学蚀变能力强,风化程度高,土壤风化发育程度高,,形成较厚的土壤层而积累有机碳[27-28]。这点也可以从高海拔地区的杜鹃林和高山草甸中土壤层厚度仅为40 cm左右,而低海拔地区绝大多数土层厚度均可达到100 cm而侧面证实。此外,还有一个原因可能是植被状况,由于土壤中有机碳主要来源于植被凋落物的分解过程。而高海拔地区由于植被比较矮小,甚至只有草甸,根系扎入土壤的深度也较浅;而低海拔地区由于有大量乔木树种的存在,根系扎入土层的深度较深,而根系的周转和降解是下层土壤有机质(或者有机碳)形成的重要原因。

      此外,我们发现总碳储量与海拔梯度的格局呈先降低后升高的U形趋势,也就是说高海拔和低海拔地区在0~100 cm的土壤中积累了较多的碳储量,而中海拔地区积累的有机碳储量最少。这可能是因为中海拔地区主要分布了九连山物种最丰富的常绿阔叶林,由于更大的物种多样性,水热条件都比较好,适宜凋落物的分解过程,凋落物的降解速度最快,形成了较多的水溶性有机碳, 而微生物对水溶性有机碳的分解也快,因而积累的有机碳含量较少[29]。另外,低海拔地区由于具有较厚的土壤厚度,有机碳含量随深度的递减程度较小,而保存了较多的总碳储量;而高海拔地区尽管土层厚度较浅,但是由于表层土壤有机碳含量高而总体积累了较大的碳储量。

    • 研究结果表明,草甸土的前3层土壤有机碳含量和储量往往高于红壤和黄壤。草甸土主要分布在九连山的高海拔区域,温度较低。海拔上升导致温度下降, 促使土壤有机碳释放速率显著降低[30],有研究表明温度越低碳库越大[31]。此外,一项气候对土壤有机碳的效应研究表明:表层土壤有机碳密度受气候因素的影响程度高于总有机碳密度,并且可能主要受到气候梯度和小地形因素的影响[32]。而在本研究中高海拔梯度的土壤温度相对较低,这促进了该区域土壤中碳库的积累。

    • 研究表明,杜鹃林和高山草甸的表层土壤有机碳含量往往高于其他植被类型,并且杜鹃林和高山草甸前3层的土壤碳储量高于其他植被类型。森林生态系统土壤有机碳库的变化主要取决于植被凋落物归还量和土壤有机碳的积累与释放过程[33-34]。高海拔地区的杜鹃林和高山草甸由于低温的原因,土壤有机质的分解转化和腐殖化过程较慢,而由于凋落物的持续输入而不断积累有机碳。另一方面通过植被类型和植被生产力的变化影响着输入土壤的有机物质的质和量,高海拔地区的杜鹃林和高山草甸由于低温等条件的限制,物种组成相对于中低海拔地区相对单一,植被物种丰富度较少,导致输入土壤中的凋落物的质和量均较差,再加上土壤中微生物的种类也较少,有机质的分解速率较慢。此外,最近一项以武夷山低海拔和高海拔森林土壤为研究对象的室内模拟矿化培养试验表明:高海拔和低海拔森林土壤有机碳潜在矿化量(CP)和矿化速率常数均无显著差异,但低海拔土壤CP/SOC值和矿化率显著高于高海拔土壤,表明低海拔土壤固碳能力低于高海拔土壤,并且高海拔土壤微生物的碳同化量高于低海拔土壤微生物,有利于有机碳的积累[35]。再者,Jobbagy等[13]研究表明,0~50 cm深度是植物根系的集中分布区,植物根系的分布直接影响土壤中有机碳的垂直分布,这也解释了高海拔地区杜鹃林和高山草甸的土壤有机碳和碳储量只有表层高于其他植被类型的原因。

    • 通过分析不同海拔高度土壤有机碳的垂直分布规律及影响因素,发现土壤表层(0~40 cm)有机碳随着海拔的升高而呈现线性增高的趋势,而土壤下层有机碳则随着海拔的升高而逐渐的降低,但总碳储量与海拔梯度的格局则呈先降低后升高的U形趋势;草甸土表层土壤有机碳含量和储量往往高于红壤和黄壤,并且随海拔升高,土壤类型从红壤、黄壤至草甸土的变化过程中,前2层(0~20 cm)有机碳含量和碳储量均存在逐渐上升;高海拔的杜鹃林和高山草甸表层土壤有机碳含量和碳储量往往高于较低海拔的其他植被类型,但高山草甸和次生阔叶林的总碳储量较高。表层土壤和植被类型的变化可能是导致九连山不同海拔梯度土壤有机碳变异规律的主要原因。在全球气候变暖的情形下,高海拔地区的表层土壤可能随着温度的上升而增加碳排放,这一研究结果将为森林生态系统固碳评估和碳汇林业的可持续管理提供理论参考。

参考文献 (35)

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