摘要：【目的】研究陜西省寶雞市紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同植被類(lèi)型下土壤碳氮分布特征，探討其主要影響因素。【方法】以保護(hù)區(qū)內(nèi)壤土類(lèi)型(槲櫟Quercusaliena林、華山松Pinusarmandii林)和砂質(zhì)土類(lèi)型(銳齒櫟Q.alienavar.acuteserrata林、栓皮櫟Q.variabilis林、白樺Betulaplatyphylla林)不同土層土壤樣品為研究對(duì)象，比較5種植被類(lèi)型下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮密度和土壤碳氮儲(chǔ)量及碳氮比的差異，分析土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。【結(jié)果】①壤土區(qū)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮密度及土壤碳氮儲(chǔ)量顯著高于砂質(zhì)土區(qū)(P<0.05)，其中壤土區(qū)各土層從大到小表現(xiàn)為槲櫟林、華山松林，砂質(zhì)土區(qū)各土層從大到小表現(xiàn)為白樺林、銳齒櫟林、栓皮櫟林。②土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮密度及土壤碳氮儲(chǔ)量在0~30 cm土層均隨土層深度的增加而顯著降低(P<0.05);③各植被類(lèi)型不同土層的土壤碳氮比分布無(wú)明顯規(guī)律且差異不顯著，碳氮比為9.94~16.23，有機(jī)質(zhì)的礦化能力較強(qiáng);④土壤含水量、容重是影響土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子，土壤含水量、pH是影響碳氮比的主要因子。【結(jié)論】不同植被類(lèi)型下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮密度及土壤碳氮儲(chǔ)量存在顯著差異(P<0.05)，土壤含水量是影響土壤有機(jī)碳、全氮和碳氮比的關(guān)鍵因子。

　　關(guān)鍵詞：森林土壤學(xué);紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū);植被類(lèi)型;土壤類(lèi)型;有機(jī)碳;全氮

　　森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，占陸地總碳庫(kù)的46%[1]，而森林土壤碳庫(kù)是森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的主體，其土壤中的有機(jī)碳儲(chǔ)量占全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的73%[2]。全球土壤有機(jī)碳庫(kù)的微小變化能引起大氣中二氧化碳的顯著波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)全球的氣候產(chǎn)生影響[3−4]。森林土壤中的氮素超過(guò)森林生態(tài)系統(tǒng)總氮量的85%[5]，在物質(zhì)循環(huán)中起著非常重要的作用，且土壤氮素與土壤有機(jī)碳關(guān)系密切。有研究認(rèn)為：土壤氮庫(kù)可以作為表征土壤固碳潛力的指標(biāo)之一[6−7]。土壤有機(jī)碳和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，也是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，其含量的多少會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性乃至全球生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)產(chǎn)生影響[8−9]。

　　近年來(lái)，土壤碳氮庫(kù)的研究多集中在全球或區(qū)域大尺度。土壤碳氮含量受多種因素影響，如林型[10]、大氣沉降[11]、經(jīng)營(yíng)措施[12]等。這些導(dǎo)致大尺度森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算依舊存在很大的不確定性，因此研究小尺度上有機(jī)碳氮含量及儲(chǔ)量就顯得較為重要。李海濱等[13]研究了蓮花山白盆珠自然保護(hù)區(qū)植被類(lèi)型對(duì)碳氮含量的影響，任玉連等[14]研究南滾河自然保護(hù)區(qū)不同森林類(lèi)型碳儲(chǔ)量隨海拔梯度的變化規(guī)律，ZHAO等[15]研究不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型有機(jī)碳和總氮儲(chǔ)量的差異性。這些研究表明：不同植被類(lèi)型能引起土壤理化性質(zhì)和林內(nèi)微氣候的變化，進(jìn)而對(duì)各自區(qū)域內(nèi)土壤碳氮分布及儲(chǔ)量產(chǎn)生重要影響。

　　同時(shí)，自然保護(hù)區(qū)作為人為干擾較少、可客觀了解土壤碳氮分布的自然實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于揭示森林土壤碳氮循環(huán)規(guī)律，預(yù)測(cè)全球氣候未來(lái)的變化趨勢(shì)具有重要意義。陜西紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是秦嶺西部的代表地段，地形復(fù)雜，植被類(lèi)型復(fù)雜多樣，形成了典型而復(fù)雜的自然生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)保護(hù)整個(gè)秦嶺西段的生物多樣性具有不可替代的作用。目前，關(guān)于該保護(hù)區(qū)的研究主要集中在植物資源調(diào)查與群落結(jié)構(gòu)分析等方面，而保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤碳氮分布特征的研究比較缺乏。

　　因此，本文研究以紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)海拔1 400~1 550 m內(nèi)的5種植被類(lèi)型(銳齒櫟Quercusalienavar.acuteserrata林、栓皮櫟Q.variabilis林、白樺Betulaplatyphylla林、槲櫟Q.aliena林、華山松Pinusarmandii林)為研究對(duì)象，分析不同植被類(lèi)型下土壤有機(jī)碳和全氮的分布特征，探討土壤碳氮的關(guān)系及其影響因素，以期揭示保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤碳氮分布規(guī)律，為保護(hù)區(qū)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與管理提供基礎(chǔ)資料。

　　1 材料與方法

　　1.1 研究區(qū)概況

　　紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于陜西省寶雞市鳳縣(33°41′~33°43′N, 106°31′~106°48′E)。該保護(hù)區(qū)總面積17 472 hm2，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)山地氣候區(qū)，年平均氣溫12.1 ℃，年平均降水量578.8 mm，主要保護(hù)對(duì)象是林麝Moschusberezovskii及其棲息地，是集生物與環(huán)境資源保護(hù)、科學(xué)研究、生態(tài)旅游于一體的綜合性自然保護(hù)區(qū)。

　　區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型復(fù)雜多樣，垂直變化明顯，海拔1 120~2 000 m為針闊葉混交林帶，以銳齒櫟、栓皮櫟、槲櫟、油松P.tabuliformis、華山松、山楊Populusdavidiana、白樺、椴樹(shù)Tiliatuan等為主要樹(shù)種，海拔1 800~2 200 m為樺木林帶，以紅樺B.albo-sinensis、牛皮樺B.albo-sinensisvar.septentrionalis為主要樹(shù)種，海拔2 200 m以上為亞高山冷杉Abiesfargesii、云杉Piceaasperata林。區(qū)內(nèi)土壤以棕壤、暗棕壤和山地草甸土為主，海拔1 400 m以下以棕壤為主，1 400~2 300 m以棕色森林土為主，2 300 m以上為山地草甸土[16]。

　　1.2 樣地設(shè)置

　　以紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)海拔、坡向、林齡等初始條件基本一致的銳齒櫟林、栓皮櫟林、白樺林、槲櫟林和華山松林5種植被類(lèi)型下土壤為研究對(duì)象，其中銳齒櫟林、栓皮櫟林和白樺林位于砂質(zhì)土區(qū)域，槲櫟林和華山松林位于壤土區(qū)域，于2019年8月在5個(gè)植被類(lèi)型內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣地。

　　1.3 土壤樣品采集與分析

　　在每個(gè)20 m×20 m樣地內(nèi)沿對(duì)角線確定3個(gè)剖面取樣點(diǎn)，去除表面枯枝落葉層，挖取30 cm深的土壤剖面，使用100 cm3環(huán)刀在0~10、10~20、20~30 cm 3個(gè)土層采集未攪動(dòng)的自然狀態(tài)原狀土，稱(chēng)量后帶回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，在每個(gè)20 m×20 m樣地內(nèi)沿“S”型路線確定5個(gè)土鉆樣點(diǎn)，利用直徑5 cm的土鉆按照0~10、10~20、20~30 cm 3個(gè)土層取樣，同一土層的5份鉆土混合均勻后合并成1個(gè)土樣，去除植物根系等雜物，過(guò)2 mm篩，在室溫下風(fēng)干備用。

　　土壤有機(jī)碳采用外加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，容重和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)采用環(huán)刀法定，土壤含水率采用烘干法測(cè)定，pH采用酸度計(jì)法(水土比2.5∶1.0)，電導(dǎo)率采用DDSJ-308F模型電導(dǎo)率儀測(cè)定(水土比2.5∶1.0)，具體方法參考《土壤農(nóng)化分析》[17]。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布特征

　　不同植被類(lèi)型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層深度的增加逐漸減小，各植被類(lèi)型0~10 cm土層處土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他2個(gè)土層(P<0.05)，表明土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布具有較強(qiáng)的表聚性。不同植被類(lèi)型間土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體表現(xiàn)為壤土區(qū)顯著高于砂質(zhì)土區(qū)(P<0.05)，壤土區(qū)內(nèi)的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各個(gè)土層均表現(xiàn)為槲櫟林顯著高于華山松林(P<0.05)，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0~10 cm處表現(xiàn)為華山松林顯著高于槲櫟林(P<0.05)。在10~20和20~30 cm處全氮分布特征與土壤有機(jī)質(zhì)相同，槲櫟林全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比華山松分別高0.62、0.63 g·kg−1，砂質(zhì)土區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在各個(gè)土層均表現(xiàn)為白樺林顯著高于銳齒櫟林和栓皮櫟林(P<0.05)。

　　2.2 土壤有機(jī)碳和全氮密度與儲(chǔ)量分布特征

　　不同植被類(lèi)型下碳密度和氮密度在0~30 cm土壤剖面內(nèi)由上而下均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，體現(xiàn)出較強(qiáng)的表聚性，且在同一土層處具有顯著差異(P<0.05)。不同植被類(lèi)型間碳密度總體表現(xiàn)為壤土區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型(槲櫟林、華山松林)顯著高于砂質(zhì)土區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型(銳齒櫟林、栓皮櫟林、白樺林)(P<0.05)，其中壤土區(qū)內(nèi)碳密度表現(xiàn)為槲櫟林顯著高于華山松林(P<0.05)，0~10、10~20和20~30 cm土層分別高0.42、1.48、1.49 kg·m−2，砂質(zhì)土區(qū)內(nèi)碳密度從大到小依次表現(xiàn)為白樺林、銳齒櫟林、栓皮櫟林，且各個(gè)土層均以白樺林最高，其顯著高于銳齒櫟林和栓皮櫟林(P<0.05)。不同植被類(lèi)型間氮密度總體表現(xiàn)為壤土區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型顯著高于砂質(zhì)土區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型(P<0.05)，壤土區(qū)內(nèi)氮密度表現(xiàn)為槲櫟林大于華山林，砂質(zhì)土區(qū)內(nèi)氮密度從大到小依次表現(xiàn)為白樺林、銳齒櫟林、栓皮櫟林，與碳密度分布特征相似。

　　2.3 土壤碳氮關(guān)系特征

　　土壤碳氮比是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。銳齒櫟林的碳氮比隨著土層深度的增加而逐漸減小，其他植被類(lèi)型未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。在0~10和10~20 cm土層，各植被類(lèi)型土壤碳氮比差異顯著(P<0.05)，且均以白樺林的碳氮比最小，分別為10.67和9.94(表2)。在20~30 cm土層，銳齒櫟林的碳氮比與其他植被類(lèi)型碳氮比存在顯著差異(P<0.05)，但其他4種植被類(lèi)型的碳氮比無(wú)顯著差異(P>0.05)，且所有植被類(lèi)型在不同土層處均表現(xiàn)為無(wú)顯著差異(P>0.05)。各植被類(lèi)型土壤碳氮比平均值從大到小依次為銳齒櫟林(16.08)、栓皮櫟林(14.00)、槲櫟林(12.26)、華山松林(11.12)、白樺林(10.42)。

　　3 討論

　　3.1 不同植被類(lèi)型對(duì)土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度及儲(chǔ)量的影響

　　紫柏山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)壤土區(qū)各土層平均土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.37~18.16和1.14~1.48 g·kg−1，砂質(zhì)土區(qū)平均土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.17~10.22和0.37~0.98 g·kg−1，表現(xiàn)為壤土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于砂質(zhì)土區(qū)。這是由于砂質(zhì)土砂粒多，保水性能和保肥能力差，相反壤土黏粒、粉粒、砂粒比例適中，同時(shí)土壤孔隙能附著大量水分，儲(chǔ)蓄營(yíng)養(yǎng)。

　　有研究證明：土壤黏粒和粉粒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮起保護(hù)作用[19−20]，且土壤含水率顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[21]，因此，壤土中的有機(jī)質(zhì)和全氮更容易積累。本研究表明：在壤土區(qū)內(nèi)，槲櫟林土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于華山松林，在砂質(zhì)土區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為白樺林、銳齒櫟林、栓皮櫟林。這是因?yàn)殚螜盗值蚵湮锖穸?2.9~3.3 cm)高于華山松林(1.5~1.7 cm)，白樺林的凋落物厚度(2.1~2.3 cm)>銳齒櫟林凋落物厚度(1.8~2.1 cm)>栓皮櫟林凋落物厚度(1.6~1.9 cm)。不同的植被類(lèi)型由于林木種類(lèi)、林分郁閉度等不同而引起凋落物的厚度、組成成分及分解速率不同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)積累不同[22]。

　　研究區(qū)內(nèi)同一植被類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土層深度的增加而降低，存在明顯的表聚現(xiàn)象。這與同類(lèi)研究結(jié)果相同[23−24]，原因可能是不同土層的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮來(lái)源存在差異，植物枯枝落葉多聚集在地表，經(jīng)過(guò)微生物的作用后形成腐殖質(zhì)進(jìn)入土壤表層，土層越往下凋落物分解產(chǎn)物越少，同時(shí)樹(shù)種根系在土壤剖面中的分布特征也會(huì)顯著影響土壤有機(jī)碳、氮的積累。

　　根系的吸收利用再加上土壤動(dòng)物、微生物的影響，都導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加不斷降低的分布格局[25]。土壤碳氮密度和儲(chǔ)量由土壤容重和土壤有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)共同決定。受地下根系分布等的影響，不同植被類(lèi)型下土壤容重存在差異。壤土區(qū)平均土壤容重槲櫟林(1.63 g·cm−3)>華山松林(1.49 g·cm−3)，砂質(zhì)土區(qū)3種植被類(lèi)型容重均值從大到小依次為白樺林(1.46 g·cm−3)、栓皮櫟林(1.37 g·cm−3)、銳齒櫟林(1.31 g·cm−3)。

　　生態(tài)學(xué)評(píng)職知識(shí)：污染生態(tài)學(xué)的sci期刊

　　因此，較大的容重再加上較高的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致壤土區(qū)槲櫟林土壤碳氮密度和儲(chǔ)量顯著高于華山松林，砂質(zhì)土區(qū)白樺林土壤碳氮密度和儲(chǔ)量顯著高于栓皮櫟和銳齒櫟林。再者，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在表聚性，土層越往下養(yǎng)分釋放量越小，所以土壤碳氮密度和儲(chǔ)量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律性基本一致，隨土層深度的增加而減小[26]。

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　　作者：李 華1，蔡建軍2，巫翠華1，張利利1，袁 岸1，康永祥1