武夷山不同海拔高度土壤有机碳含量变化特征

森林与环境学报　２０１８ꎬ３８(２):１３５－１４１第３８卷第２期

２０１８年４月

ＤＯＩ:１０.１３３２４/ｊ.ｃｎｋｉ.ｊｆｃｆ.２０１８.０２.００２

武夷山不同海拔高度土壤有机碳含量变化特征

程　浩１ꎬ张厚喜１ꎬ黄智军１ꎬ徐自坤２ꎬ杨　强１ꎬ刘爱琴１２.武夷山国家公园管理局科研监测中心ꎬ福建武夷山３５４３１５)

摘要:为探讨土壤有机碳含量与海拔、坡度、容重、ｐＨ值的相关关系ꎬ以武夷山国家公园５个不同海拔高度４５个采样点的土壤为研究对象ꎬ分析了土壤有机碳含量沿海拔梯度的分布特征ꎬ并构建了土壤有机碳含量基于主控因子的回归模型ꎮ结果表明:同一海拔高度ꎬ土壤有机碳含量随土层深度的增加而降低ꎬ且其降幅也随之变小ꎮ土壤有机碳含量变化范围为６.１２~１２０.４１ｇ􀅰ｋｇ－１ꎬ其在土壤剖面的分布具有明显的表聚现象ꎻ同一土层深度ꎬ土壤有机碳含量随海拔高度升高而升高ꎬ但其增幅则随之变小ꎻ不同土层有机碳含量与海拔和容重分别呈极显著(Ｐ<０.０１)正相关和极显著(Ｐ<０.０１)负相关ꎻ土壤有机碳含量与ｐＨ值在３０~４０ｃｍ土层呈显著(Ｐ<０.０５)负相关ꎬ其它土层不显著ꎻ土壤有机碳含量的多元线７４.１％和８９.１％之间ꎮ

性回归模型拟合优度高于一元线性回归模型ꎬ不同因子组合能解释不同土层有机碳含量大部分的变异ꎬ解释量介于关键词:武夷山ꎻ国家公园ꎻ土壤有机碳ꎻ海拔梯度ꎻ多元线性回归模型中图分类号:Ｓ７１４.４文献标识码:Ａ文章编号:２０９６－００１８(２０１８)０２－０１３５－０７

(１.福建农林大学林学院ꎬ福建福州３５０００２ꎻ

ＶａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｌｏｎｇａｎａｌｔｉｔｕｄｉｎａｌｇｒａｄｉｅｎｔｉｎＷｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎ

ＣＨＥＮＧＨａｏ１ꎬＺＨＡＮＧＨｏｕｘｉ１ꎬＨＵＡＮＧＺｈｉｊｕｎ１ꎬＸＵＺｉｋｕｎ２ꎬＹＡＮＧＱｉａｎｇ１ꎬＬＩＵＡｉｑｉｎ１

２.ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒꎬＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕｏｆＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋｏｆＷｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎꎬＷｕｙｉｓｈａｎꎬＦｕｊｉａｎ３５４３１５ꎬＣｈｉｎａ)

(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙꎬＦｕｊｉａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＦｕｚｈｏｕꎬＦｕｊｉａｎ３５０００２ꎬＣｈｉｎａꎻ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ(ＳＯＣ)ｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｈｅｆｏｕｒｖａｒｉａｂｌｅｓ(ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｌｔｉｔｕｄｅꎬ２１３０ｍｉｎＷｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎＮａｔｕｒｅＲｅｓｅｒｖｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＳＯＣｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｆａｃｔｏｒｓｗａｓｓｌｏｐｅꎬｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｐＨｖａｌｕｅ)ꎬｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔａｌｏｎｇｔｈｅａｌｔｉｔｕｄｉｎａｌｇｒａｄｉｅｎｔｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ２９５ｔｏｉｔｓｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅｗａｓａｌｓｏｄｅｃｒｅａｓｅｄ.ＴｈｅＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ６.１２ｔｏ１２０.４１ｇ􀅰ｋｇ－１ｓｈｏｗｅｄｏｂｖｉｏｕｓｓｕｒｆａｃｅａｓｓｅｍｂｌｙｉｎｔｈｅｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅ.ＴｈｅＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔａｔｔｈｅｓａｍｅｓｏｉｌｄｅｐｔｈｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｌｔｉｔｕｄｅꎬｂｕｔｉｔｓｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ.ＴｈｅＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔｗａｓｈｉｇｈｌｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈａｌｔｉｔｕｄｅ(Ｐ<０.０１)ａｎｄｗａｓｎｅｇａｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ(Ｐ<０.０１).Ｔｈｅｒｅｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ(Ｐ<０.０５)ｂｅｔｗｅｅｎＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｐＨｖａｌｕｅｏｎｌｙｉｎｔｈｅｌａｙｅｒａｔｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆ３０－４０ｃｍ.ＴｈｅｍｕｌｔｉｐｌｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｈａｄｈｉｇｈｅｒｇｏｏｄｎｅｓｓｏｆｆｉｔｔｈａｎｓｉｍｐｌｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔ.ＴｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｃａｎｅｘｐｌａｉｎｍｏｓｔｏｆｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＳＯＣｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ７４.１％ａｎｄ８９.１％.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＷｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎꎻｎａｔｉｏｎａｌｐａｒｋꎻｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎꎻａｌｔｉｔｕｄｉｎａｌｇｒａｄｉｅｎｔꎻｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌ

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔꎬｉｎｔｈｅｓａｍｅａｌｔｉｔｕｄｅꎬｔｈｅＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔｇｅｎｅｒａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｏｉｌｄｅｐｔｈａｎｄ

碳储量约１５００Ｇｔꎬ大约是大气中碳储量(７６０Ｇｔ)的２倍[１]ꎮ土壤有机碳储量的变化不仅会对全球气候变化以及植被动态变化产生重要影响ꎬ还会对陆地生态系统碳平衡和全球碳循环过程产生显著影响[２－５]ꎬ因此ꎬ对土壤有机碳库大小的估算及其影响因素的研究成为学者们关注的焦点[６－７]ꎮ土壤有机碳主要来自动植物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质[８－９]ꎬ其储量与分布受林分特征、土壤性质、气候类型、地理因子、人类活动等因素的影响[１０－１４]ꎮ由于环境因子在不同区域存在着较大的变异性ꎬ导致土壤有机碳在不同区域的分布格局也存在较大差异[１５－１７]ꎮ学者们[１６－２０]

收稿日期:２０１７－１０－２６　　修回日期:２０１７－１２－２５

基金项目:国家重点研发计划(２０１６ＹＦＤ０６００３０１)ꎻ福建省自然科学基金项目(２０１７Ｊ０５０４２)ꎻ福建农林大学科技创新专项基金项目(ｋｆａ１７２９１ａ)ꎻ福建农林大学林学院科学基金计划项目(６１２０１４００８２２)ꎮ

第一作者简介:程浩(１９９２－)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ从事森林生态与自然资源管理研究ꎮＥｍａｉｌ:１０１７２７４７７２＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ通信作者:刘爱琴(１９６６－)ꎬ女ꎬ研究员ꎬ从事森林土壤研究ꎮＥｍａｉｌ:ｆｊｌａｑ＠１２６.ｃｏｍꎮ

土壤有机碳(ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎꎬＳＯＣ)是陆地生态系统碳库的重要组成部分ꎬ全球１ｍ土层的有机

􀅰１３６􀅰

壤有机碳含量分异产生显著影响ꎮ

森　林　与　环　境　学　报第３８卷　

对不同区域的土壤有机碳进行了广泛的研究ꎬ结果表明土层深度、海拔、经纬度、坡位等因子对森林土

植被类型不同导致进入土壤的有机物的量也不同ꎬ使得土壤有机碳的分布也存在很大差异[８]ꎬ进

一步探讨地形因子和土壤性质对土壤有机碳分布格局的影响ꎬ对于准确估算地区土壤有机碳的储量具有重大的现实意义ꎮ武夷山国家公园独特的环境为森林生态系统的研究提供了天然的试验场地ꎬ近年来ꎬ土壤水溶性有机碳[２４]等方面做了很多研究ꎮ然而ꎬ关于不同海拔土壤有机碳分布特征及其影响因素(海拔、坡度、容重、ｐＨ值)的研究还鲜见报道ꎮ因此ꎬ选择保护区内５个海拔高度的典型土壤作为探究对象ꎬ分析土壤有机碳含量沿海拔高度以及沿土壤垂直剖面的分布规律ꎻ通过回归分析ꎬ揭示地形因子和土壤性质对土壤有机碳含量变化的影响ꎬ旨在为全面认识武夷山国家公园土壤的碳汇功能提供基础数据ꎬ为探明中亚热带森林生态系统对全球气候变化响应的区域差异提供科学依据ꎮ

围绕武夷山国家公园在不同海拔的植被分布特征[２１]、土壤磷素分布[２２]、土壤微生物群落[２３]、不同海拔

１　研究区概况

武夷山国家公园位于福建省西北部ꎬ北纬２７°３３′~２７°５４′ꎬ东经１１７°２７′~１１７°５１′ꎬ拥有全世界相同纬度带现存面积最大、保存最完整的中亚热带常绿阔叶林生态系统ꎬ是世界生物多样性保护的重点区１００ｄ以上ꎬ年平均降水量２０００ｍｍ左右ꎮ研究区地形复杂ꎬ垂直高差大ꎬ其最高峰黄冈山海拔２１５８ｍꎬ境内平均海拔>１２００ｍꎮ该研究区土质特征差异明显ꎬ土壤类型沿海拔从下至上分别为山地红壤、山地黄红壤、山地黄壤和高山草甸土ꎻ植被垂直带谱分布完整ꎬ植被类型沿海拔由低到高分别为中亚热带常绿阔叶林(２００~１０００ｍ)、针阔混交林(１０００~１３５０ｍ)、针叶林(１３５０~１７５０ｍ)、亚高山矮林(１７５０~１９００ｍ)与高山草甸(１９００~２１５８ｍ)ꎮ主要优势树种为青冈(ＣｙｃｌｏｂａｌａｎｏｐｓｉｇｌａｕｃａＴｈｕｎｂ.)、米槠[Ｃａｓｔａｎｏｐｉｓｉｃａｒｌｅｓｉｉ(Ｈｅｍｓｌ.)Ｈａｙ.]、杉木[Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍｉａｌａｎｃｅｏｌａｔａ(Ｌａｍｂ.)Ｈｏｏｋ.]、马尾松(ＰｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａＬａｍｂ.)、青茅[Ｃａｌａｍａｇｒｏｓｔｉｓｂｒａｃｈｙｔｒｉｃｈａ(Ｌ.)Ｒｏｔｈ.]、白檀[Ｓｙｍｐｌｏｃｏｓｐａｎｉｃｕｌａｔａ(Ｔｈｕｎｂ.)Ｍｉｑ.]等[２３]ꎮ

域ꎮ该地区属于中亚热带季风区ꎬ年平均气温１２~１８℃ꎬ年平均相对湿度８２％~８５％ꎬ年平均雾日数

２　材料与方法

２.１　样地设置

２０１６年７月ꎬ在武夷山国家公园内选取５个海拔高度(表１)ꎬ在每个海拔高度内随机设置３个２０ｍ×２０ｍ的样方ꎬ每个样方内按Ｓ型方法布设３个采样点ꎬ共１５个样方ꎬ４５个采样点ꎮ

表１　样地基本信息

Ｔａｂｌｅ１　Ｂａｓｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｐｌｏｔｓ

序号Ｎｏ.１２３４５

海拔Ａｌｔｉｔｕｄｅ/ｍ２９５７６０１４１０１７９０２１３０

样地数Ｐｌｏｔｎｕｍｂｅｒ

３３３３３

土壤类型Ｓｏｉｌｔｙｐｅ

植被类型Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅ

ｐＨ值ｐＨｖａｌｕｅ４.０４±０.１１３.８３±０.０４３.８３±０.０４３.７１±０.０８４.０５±０.０８

容重

Ｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ/(ｇ􀅰ｃｍ－３)

１.２７±０.１７０.９８±０.１１０.６５±０.１４０.５６±０.０３０.４４±０.０５

山地红壤

Ｍｏｕｎｔａｉｎｒｅｄｓｏｉｌ山地红壤Ｍｏｕｎｔａｉｎｒｅｄｓｏｉｌ

常绿阔叶林

Ｅｖｅｒｇｒｅｅｎｂｒｏａｄ￣ｌｅａｖｅｄｆｏｒｅｓｔ常绿阔叶林

Ｅｖｅｒｇｒｅｅｎｂｒｏａｄ￣ｌｅａｖｅｄｆｏｒｅｓｔ

针叶林Ｃｏｎｉｆｅｒｏｕｓｆｏｒｅｓｔ亚高山矮林Ｓｕｂａｌｐｉｎｅｆｏｒｅｓｔ高山草甸Ａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗ

山地黄红壤

Ｍｏｕｎｔａｉｎｙｅｌｌｏｗｒｅｄｓｏｉｌ山地黄壤

Ｍｏｕｎｔａｉｎｙｅｌｌｏｗｓｏｉｌ高山草甸土Ａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗｓｏｉｌ

　　注:表中ｐＨ值、容重均为０~１０ｃｍ土层所测得的值ꎮＮｏｔｅ:ｔｈｅｐＨｖａｌｕｅａｎｄｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｉｎｔｈｅｔａｂｌｅａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｔ０－１０ｃｍｓｏｉｌｌａｙｅｒ.

２.２　样品采集与测定方法

每个采样点各垂直挖掘一个深为４０ｃｍ的标准土壤剖面ꎬ除去表层的凋落物ꎬ沿土壤剖面分４层

　第２期程浩ꎬ等:武夷山不同海拔高度土壤有机碳含量变化特征

􀅰１３７􀅰

(即０~１０ｃｍ、１０~２０ｃｍ、２０~３０ｃｍ和３０~４０ｃｍ)进行土壤采样ꎬ共计１８０份化学土样ꎻ同时ꎬ在每个剖面按相同的层次通过环刀法各取１个环刀(２００ｃｍ３)土样ꎬ共１８０个环刀土样ꎮ化学土样带回实验室自然风干后过筛ꎬ测定土壤ｐＨ值、有机碳含量、全氮含量ꎬ环刀土样用来测定土壤容重ꎮ利用全球定位系统(ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬＧＰＳ)(ＭａｇｅｌｌａｎＥｘｐｌｏｒｉｓｔ６１０)记录每块样地的海拔、经度和纬度ꎮ

土壤ｐＨ值(水土比２.５∶１)用电位法测定[２５]ꎬ土壤总有机碳含量采用重铬酸钾容量法－外加热法测

２.３　数据处理

定[２５]ꎬ土壤全氮含量使用ＣＮ元素分析仪(ＥＬＥＭＥＮＴＡＲꎬＶａｒｉｏＭＡＸＣＮ)测定ꎬ土壤容重采用环刀法测定ꎮ

基于空间分辨率为３０ｍ的数字高程模型(ｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｖａｔｉｏｎｍｏｄｅｌꎬＤＥＭ)数据ꎬ利用Ａｒｃｇｉｓ１０.１软件进行样地坡度的提取ꎻ采用ＳＰＳＳ２２软件进行一元和多元回归分析及单因素方差分析方差分析(ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖａｒｉａｎｃｅꎬＡＮＯＶＡ)ꎬ并基于Ｄｕｎｃａｎ法进行多重比较以判定差异水平ꎻ利用Ｅｘｃｅｌ２０１３、Ｓｉｇｍａｐｌｏｔ１１.０和Ａｒｃｇｉｓ１０.１等软件制图ꎮ

ＣＶ/％＝

ｓ

×１００ｘ

３　结果与分析

式中:ＣＶ为变异系数(％)ꎻｓ为样品有机碳含量标准差ꎻｘ为样品有机碳含量平均值(ｇ􀅰ｋｇ－１)ꎮ

３.１　同层土壤有机碳含量沿海拔梯度的变化

加ꎻ土壤有机碳含量最大的是０~１０ｃｍ土层(２２.１７~１２０.４１ｇ􀅰ｋｇ－１)ꎬ而最小的是３０~４０ｃｍ土层(６.８０~４３.１２ｇ􀅰ｋｇ－１)ꎮ０~１０ｃｍ土层ꎬ土壤有机碳含量在２９５和７６０ｍ这两个海拔高度之间无显著差异ꎬ其余各海拔高度的土壤有机碳含量之间均存在显著差异ꎻ１０~２０ｃｍ和２０~３０ｃｍ土层ꎬ土壤有机７６０和１４１０ｍ这两个海拔高度之间无显著差异ꎬ其余各海拔高度之间均存在显著差异ꎻ３０~４０ｃｍ土三个海拔高度之间存在显著差异ꎮ

３０~４０ｃｍ土层(６９.９６％)>０~１０ｃｍ土层(５９.９８％)ꎬ可见不同海拔高度有机碳含量的变异程度随土层深

同层土壤有机碳含量的变异系数大小依次为２０~３０ｃｍ土层(８１.７９％)>１０~２０ｃｍ土层(７８.３１％)>碳含量随海拔高度的变化趋势相同ꎬ其变化范围分别为１０.６７~９２.３７ｇ􀅰ｋｇ－１和６.１６~６４.８４ｇ􀅰ｋｇ－１ꎬ除了层ꎬ在２９５、７６０和１４１０ｍ海拔高度的土壤有机碳含量之间无显著差异ꎬ而在１４１０、１７９０和２１３０ｍ

同层土壤有机碳含量随海拔高度变化的特征如图１所示ꎬ同层土壤有机碳含量随海拔高度升高而增

度并无明显规律ꎬ而表层(０~１０ｃｍ)土壤有机碳含量的变异系数最小ꎬ表明表层土壤有机碳含量随海拔高度的变化最小ꎮ

３.２　同一海拔高度土壤有机碳含量的垂直分布特征

同一海拔高度土壤有机碳含量的垂直分布如图２所示ꎬ各海拔梯度ꎬ土壤有机碳含量均随土层深度的增加而降低ꎬ且其降幅也随之变小ꎮ其中ꎬ土壤有机碳含量最大的为最高海拔(２１３０ｍ)的第一层(０~１０ｃｍ)土壤ꎬ其值为(１２０.４１±１３.９１)ｇ􀅰ｋｇ－１ꎬ而含量最小的是最低海拔(２９５ｍ)的２０~３０ｃｍ层土壤ꎬ其值为(６.１２±０.２５)ｇ􀅰ｋｇ－１ꎮ从低海拔到高海拔ꎬ第一层土壤有机碳含量在垂直剖面中所占的比例分别为４８.４１％、３８.４９％、５３.５７％、４０.３６％和３７.５４％ꎻ除７６０ｍ海拔高度ꎬ其它４个海拔高度的第一层土壤有机碳含量均显著高于其它土层ꎬ这表明有机碳在土壤垂直剖面的分布具有明显的表聚特征ꎮ拔[(１１.４５±８.２６)ｇ􀅰ｋｇ－１]<７６０ｍ海拔[(２４.１８±９.４２)ｇ􀅰ｋｇ－１]<１４１０ｍ海拔[(２８.３４±２３.８６)ｇ􀅰ｋｇ－１]<

将同一海拔的不同土层土壤有机碳含量进行均值计算ꎬ可知其均值随海拔的升高而增大:２９５ｍ海

含量的变异系数介于３４.６５％~８４.１７％之间ꎬ其大小依次为１４１０ｍ海拔(８４.１７％)>２９５ｍ海拔２１３０ｍ的有机碳含量变异系数相对较小ꎬ这表明有机碳在这３个海拔土壤垂直剖面的分布相对较均匀ꎮ(７２.１２％)>１７９０ｍ海拔(４５.９１％)>７６０ｍ海拔(３９.９８％)>２１３０ｍ海拔(３４.６５％)ꎻ７６０、１７９０和

１７９０ｍ海拔[(４９.８６±２２.８９)ｇ􀅰ｋｇ－１]<２１３０ｍ海拔[(８０.１９±２７.７８)ｇ􀅰ｋｇ－１]ꎮ同一海拔不同土层有机碳

􀅰１３８􀅰

森　林　与　环　境　学　报第３８卷　

图１　同层土壤有机碳含量沿海拔高度的变化

Ｆｉｇｕｒｅ１　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｌｏｎｇ

ａｌｔｉｔｕｄｅａｔｔｈｅｓａｍｅｓｏｉｌｄｅｐｔｈ

Ｆｉｇｕｒｅ２　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｌｏｎｇｓｏｉｌｄｅｐｔｈ

ａｔｔｈｅｓａｍｅａｌｔｉｔｕｄｅ

图２　同一海拔高度下土壤有机碳含量的垂直分布

３.３　土壤有机碳含量与地形因子、土壤性质的关系

为了探讨土壤有机碳含量变异的主控因子ꎬ计算了不同土层有机碳含量与地形因子(坡度和海拔)、土壤性质(ｐＨ值和容重)的相关矩阵(表２)ꎬ结果显示:对于０~１０ｃｍ土层ꎬ土壤有机碳含量与海拔呈极显著正相关(Ｐ<０.０１)ꎬ与容重呈极显著负相关性(Ｐ<０.０１)ꎬ相关系数分别为０.９４和－０.８５ꎮ对于

１０~２０ｃｍ土层ꎬ土壤有机碳含量与海拔呈极显著正相关(Ｐ<０.０１)ꎬ与容重呈极显著负相关(Ｐ<０.０１)ꎬ相关系数分别为０.８６和－０.８５ꎮ对于２０~３０ｃｍ土层ꎬ土壤有机碳含量与海拔呈极显著正相关(Ｐ<０.０１)ꎬ与容重呈极显著负相关(Ｐ<０.０１)ꎬ相关系数分别为０.８６和－０.７７ꎮ对于３０~４０ｃｍ的土层ꎬ土壤有机碳与海拔呈显著正相关关系(Ｐ<０.０５)ꎬ与ｐＨ值呈显著负相关(Ｐ<０.０５)ꎬ与容重呈极显著负相关(Ｐ<０.０１)ꎬ相关系数分别为０.８６、－０.５４和－０.７９ꎮ这表明在０~４０ｃｍ范围内不同土层有机碳含量的变化很大程度上依赖于海拔和容重的变化ꎬ均随着海拔的增大而增加ꎬ而随着容重的增大而减小ꎻ而ｐＨ值仅对底层土壤(３０~４０ｃｍ)的有机碳含量产生显著影响ꎬ即ｐＨ值的增大将不利于有机碳在土壤中的累积ꎮ而坡度对不同土层有机碳含量均无显著影响ꎮ

表２　不同土层土壤有机碳含量与地形因子、土壤性质相关性(Ｐｅａｒｓｏｎ相关)

Ｔａｂｌｅ２　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔｗｉｔｈｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓａｎｄｓｏｉｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｙｅｒｓ相关因素Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｆａｃｔｏｒ

０~１０ｃｍ

土壤有机碳含量Ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔ１０~２０ｃｍ

∗∗

海拔Ａｌｔｉｔｕｄｅ０.９３７００.８６３００.８５７００.８６３

∗－０.１８００－０.２２００－０.１４０坡度Ｓｌｏｐｅ－０.０６００

－０.２４００－０.２３００ｐＨ值ｐＨｖａｌｕｅ０.０５００－０.５３５

∗∗∗∗∗∗

容重Ｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ－０.８５２０－０.８５００－０.７６５０－０.７９４

∗∗∗∗

　　注:表示相关性达显著水平(Ｐ<０.０５)ꎬ表示相关性达极显著水平(Ｐ<０.０１)ꎮＮｏｔｅ:ｉｎｄｉｃａｔｅｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｅｖｅｌ

∗

(Ｐ<０.０５)ꎬ∗ｉｎｄｉｃａｔｅｓｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｅｖｅｌｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ(Ｐ<０.０１).

∗∗

∗∗

２０~３０ｃｍ３０~４０ｃｍ

０∗００∗∗０∗

ｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ

３.４　土壤有机碳含量回归模型构建

３.４.１　不同土层土壤有机碳含量一元回归模型　基于一元回归分析ꎬ可得到不同土层土壤有机碳含量

２０~３０ｃｍ三个土层ꎬ土壤有机碳含量与海拔或土壤容重的相关性均达极显著水平(Ｐ<０.０１)ꎻ通过拟合优度Ｒ２可知ꎬ对于０~１０ｃｍ土层ꎬ海拔和容重这两个变量能分别解释８７.７６％和７２.５８％土壤有机碳含量的变异ꎻ对于１０~２０ｃｍ土层ꎬ海拔和容重这两个变量能分别解释７４.４５％和７２.２３％土壤有机碳含量的变异ꎻ对于２０~３０ｃｍ土层ꎬ海拔和容重这两个变量能分别解释７３.４６％和５８.５４％土壤有机碳含量的变异ꎮ对于３０~４０ｃｍ土层ꎬ一元回归分析表明土壤有机碳含量与土壤容重、海拔或ｐＨ值的相关性分别为极显著(Ｐ<０.０１)、极显著(Ｐ<０.０１)和显著(Ｐ<０.０５)ꎻ通过拟合优度Ｒ２可知ꎬ海拔、容重和ｐＨ值这３个变量能分别解释７４.４６％、６３.２５％和２８.７２％土壤有机碳含量的变异ꎮ

与海拔、容重和ｐＨ值的一元线性回归方程(表３)ꎮ一元回归方程显示ꎬ对于０~１０ｃｍ、１０~２０ｃｍ、

　第２期程浩ꎬ等:武夷山不同海拔高度土壤有机碳含量变化特征

表３　不同土层有机碳含量一元回归方程

土层深度Ｓｏｉｌｌａｙｅｒ/ｃｍ

０~１０

􀅰１３９􀅰

３.４.２　不同土层有机碳含量多元回归模型方程　基于多元回归分析方法ꎬ构建了不同土层有机碳含量与地形因子(海拔)和土壤性质(ｐＨ值、容重)之间的多元线性回归模型(表４)ꎮ多元回归２０~３０ｃｍ三个土层ꎬ基于海拔和容重所构建的方程的回归关系均达到极显著水平ꎬ这两个变量对有机碳含量变异的解释量随土层深度的增加而减小ꎬ解释３０~４０ｃｍ土层ꎬ基于海拔、容重和ｐＨ量分别为８９.１％ꎬ７６.０％和７４.１％ꎻ对于值所构建的多元回归方程的回归关系达到极显著水平ꎬ这３个变量能共同解释不同的因子组合能解释不同土层大部分有机碳含量的变异ꎬ因此利用这些因子可较准确地对武夷山不同土层土壤有机碳含量的变异进行预测ꎬ尤其是表层土壤有机碳含量ꎮ

方程显示ꎬ０~１０ｃｍ、１０~２０ｃｍ和

Ｔａｂｌｅ３　Ｕｎｉｖａｒｉａｔｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｙｅｒｓ

一元回归方程

Ｕｎｉｖａｒｉａｔｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｙ＝－９４.８１６０ｘ１＋１３８.１０００ｙ＝０.０４９７ｘ２＋０.８１４７ｙ＝－８４.２５２０ｘ１＋１２０.１１００ｙ＝０.０３７８ｘ２－６.８７１１ｙ＝－５７.４２５０ｘ１＋８７.７７７０ｙ＝０.０２６８ｘ２－６.０５０９

拟合优度Ｒ２０.７２５８０.８７７６０.７２２３０.７４４５０.５８５４０.７３４６０.６３２５０.７４４６０.２８７２

Ｐ<０.００１<０.００１<０.００１<０.００１

１０~２０２０~３０３０~４０

　　注:ｙ表示土壤有机碳含量ꎬｘ１表示土壤容重ꎬｘ２表示海拔ꎬｘ３表示土壤ｐＨꎮＮｏｔｅ:ｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎꎬｘ１ｉｓｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙꎬｘ２ｉｓａｌｔｉｔｕｄｅꎬｘ３ｉｓｓｏｉｌｐＨｖａｌｕｅ.

ｙ＝－４２.２８３０ｘ１＋６６.７５６０ｙ＝０.０１８２ｘ２－１.６０１２ｙ＝－４６.７５００ｘ３＋２２２.６０００

<０.００１<０.００１０.０３９

０.００１<０.００１

表４　不同土层土壤有机碳含量的多元线性回归模型

Ｔａｂｌｅ４　Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｓｏｉｌ

ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓ

ｙ＝０.０６８ｘ１＋４０.５７１ｘ２－５４.１５８ｙ＝０.０２４ｘ１－３４.５０４ｘ２＋４３.５０７

回归方程Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ

７９.５％土壤有机碳含量的变异ꎮ可见ꎬ

土层深度Ｓｏｉｌｌａｙｅｒ/ｃｍ１０~２０２０~３０３０~４００~１０

拟合优度Ｒ２０.８９１０.７６００.７４１０.７９５

Ｐ<０.００１<０.００１<０.００１<０.００１

４　讨论与结论

土壤有机碳库是陆地生态系统中最

　　注:ｙ表示土壤有机碳含量ꎬｘ１表示海拔ꎬｘ２表示容重ꎬｘ３表示土壤ｐＨ值ꎮＮｏｔｅ:ｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔꎬｘ１ｉｓａｌｔｉｔｕｄｅꎬｘ２ｉｓｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙꎬｘ３ｉｓｓｏｉｌｐＨｖａｌｕｅ.

ｙ＝０.０３３ｘ１＋１５.８４０ｘ２－３０.２９６

ｙ＝０.０１６ｘ１－２０.５２５ｘ２＋３０.１６０ｘ３－１０７.１８５

大的碳库ꎬ在全球碳循环和缓解气候变暖过程中发挥着重大作用ꎬ在改善土壤结构、提高土壤肥力、涵养水源、保持水土等方面扮演着不可或缺的角色[２４]ꎮ武夷山国家公园土壤有机碳的分布规律与地形因这与前人的研究结果[２６－２８]基本一致ꎻ随着海拔的升高ꎬ土壤呈现出明显的垂直地带分布ꎬ依次为山地红壤、山地黄红壤、山地黄壤、高山草甸土ꎬ不同土壤类型的有机碳含量呈现出高山草甸土>山地黄壤值分别是山地红壤的７倍、山地黄红壤的２.８倍、山地黄壤的１.６倍ꎬ说明土壤类型的改变对土壤有机碳的含量有着较大的影响ꎮ土壤中有机碳累积量主要取决于有机质的输入数量及其周转速度ꎬ对于山地生态系统来说ꎬ海拔被认为是影响土壤有机碳累积最重要的因素之一[３０－３１]ꎮ海拔并非直接改变土壤中的有机碳含量ꎬ而是通过改变气候环境条件(温度、水分等)来影响有机质的周转速度ꎬ从而间接地影响土壤有机碳的含量[２６ꎬ３０]ꎮ对于武夷山而言ꎬ海拔每升高１００ｍꎬ气温则下降０.４４℃[３２]ꎮ因此ꎬ武夷山高海拔地区常年维持低温的气候ꎬ微生物活性低ꎬ土壤呼吸作用弱ꎬ有机质矿质化速率缓慢ꎬ因而有利于有机碳在土壤中的累积ꎻ而低海拔地区气候相对较温暖ꎬ微生物活性强ꎬ土壤呼吸作用强ꎬ加快了土壤有机质的周转速率ꎬ从而影响了有机碳在土壤中的累积ꎮ另外ꎬ由海拔高度变化引起的植被类型的改变对土壤有机碳含量的变化也有重大影响ꎮ这是由于不同植被的生物量存在着明显的差异ꎬ使得输入土壤中的凋落物数量及其特性也存在较大差异ꎬ从而影响凋落物腐殖质化过程和有机碳的转化与积累[２６]ꎬ土壤植被类型随海拔高度的增加依次为常绿阔叶林、针叶林、亚高山矮林、高山草甸ꎬ相对而言ꎬ阔叶林在土壤表层能形成较多的枯落物ꎬ而草本植物根茎较大[２９]且有机碳大部分以较稳定的植硅２９５~２１３０ｍ的海拔梯度内ꎬ土壤(０~４０ｃｍ)有机碳含量随海拔升高而呈逐渐增加的趋势ꎮ

体碳的形式储存在根、茎、叶中ꎬ会有较大的数量输入到土壤中ꎮ总体而言ꎬ在武夷山国家公园

在各个海拔梯度内ꎬ有机碳含量沿土壤剖面的垂直分布均随土层深度的增加而呈现递减趋势ꎬ这一>山地黄红壤>山地红壤ꎬ这与肖霜霜等[２９]的研究结果相一致ꎬ其结果显示高山草甸土的有机碳含量均子存在密切关系ꎬ其中海拔是最重要的因子ꎬ即不同土层有机碳含量随着海拔升高呈逐渐增加的趋势ꎬ

􀅰１４０􀅰

森　林　与　环　境　学　报第３８卷　

明显的表聚现象与很多已有研究结果一致[７ꎬ１５－２０ꎬ２６－２７]ꎮ一方面由于植被凋落物主要集中在表层ꎬ且表层土壤的温度、湿度、土壤质地等环境因子更有利凋落物腐殖化过程的进行ꎬ使得表层有机碳不断累积[２６ꎬ３１]ꎻ另一方面ꎬ随着土层深度的增加ꎬ作为土壤有机碳来源的植被凋落物变少ꎬ且由于土壤质地变紧实ꎬ使得表层土壤有机质等物质向下输送受到限制ꎬ从而导致土壤有机碳的累积减少[２８ꎬ３３]ꎮ不同海拔之间ꎬ土壤有机碳含量随土层深度变化的降幅存在差异ꎬ这种垂直分布特征的差异主要受植被类型影响ꎬ因为植被类型决定了进入土壤的有机物数量及其在剖面的分布ꎬ进而影响有机碳在土壤剖面的垂直分布[２６ꎬ２８]ꎮ土壤有机碳含量与容重呈极显著的负相关ꎬ即土壤容重表现出随土层深度增加而增大的趋势ꎮ其它研究也报道了类似的结果[２６ꎬ３４]ꎬ这是因为土壤表层累积了大量的凋落物及根系ꎬ腐烂的凋落物进入土壤表层而使土壤表层变得疏松ꎬ导致容重变小ꎻ而随着土层的加深ꎬ土壤的孔隙度变小ꎬ土壤通气性变差ꎬ影响了微生物活性和根系生长ꎬ使得土体变得紧实致密ꎬ进而导致容重变大[３５]ꎮ此外在３０~４０ｃｍ土层中ꎬ土壤有机碳含量与土壤ｐＨ值存在显著负相关关系ꎬ这与李忠等[３６]的研究结果一致ꎬ即随着ｐＨ值的降低ꎬ土壤有机碳呈增加趋势ꎮ这主要是由于随着土壤ｐＨ值的降低ꎬ土壤微生物的活性以及参与有机碳循的酶活性将受到抑制ꎬ导致有机质矿化作用强度下降ꎬ从而使得有机碳在土壤中不断累积[３７－３８]ꎮ而这种相关关系仅发生在底层土壤(３０~４０ｃｍ)ꎬ可能的原因是表层土壤的环境条件比较适宜ꎬ微生物活性较强ꎬ有机质的矿质化同时受多种因素的作用ꎬ掩盖了ｐＨ值对有机碳在土壤中累积的影响ꎮ

综上分析可知:武夷山国家公园土壤有机碳随海拔梯度的增加而呈逐渐增加的趋势ꎻ随土壤剖面深度的增加而显著降低ꎬ不同海拔第一层(０~１０ｃｍ)土壤有机碳含量所占比例介于３８.４９％~５３.５７％ꎬ因３０~４０ｃｍ土层土壤有机碳与ｐＨ值呈显著负相关ꎻ不同因子组合能解释不同土层有机碳大部分的变异(介于７４.１％和８９.１％之间)ꎬ但依然有部分变异未被解释ꎬ因此未来的研究需要进一步考虑其他影响因素ꎬ如土壤微生物、土壤化学性质、人为干扰及其交互作用ꎮ的帮助ꎬ特此致谢!

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而具有明显的表聚现象ꎻ不同土层土壤有机碳与海拔呈极显著正相关ꎬ与容重呈极显著负相关ꎬ而仅在

致谢:本研究得到武夷山国家公园管理局的大力支持ꎻ采样工作得到福建农林大学ＳｙｅｄＭ.Ｎｉｚａｍｉ博士

　第２期

(６８１４):７８９－７９０.

程浩ꎬ等:武夷山不同海拔高度土壤有机碳含量变化特征

􀅰１４１􀅰

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(责任编辑:温凤英)