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土壤有机碳作为土壤的重要组成部分,其含量约占陆地生物圈碳库的2/3,是大气碳库的3倍。土壤碳库的微小变化都会影响全球有机碳库的收支平衡[1],因此,土壤碳库在全球碳循环中具有重要地位[2]。林地作为陆地生态建设的核心,具有较强的固碳作用和碳汇能力,在全球碳循环中发挥着不可替代的作用,其固碳能力在林地建设管理中扮演着至关重要的角色。已有研究发现[3]:中国东北林区不同森林类型的土壤有机碳含量和有机碳密度均以表层土壤最高,且随土壤深度的增加逐渐减少,但随森林类型和林龄的变化并不显著。刘伟等[4]发现黄土高原中部4种类型草地的土壤有机碳密度从大到小依次为高寒草甸草原、典型草原、森林草原、荒漠草原,各草地类型土壤有机碳含量和土壤碳密度也均随深度增加呈减少趋势。AJAMI等[5]分析了伊朗北部的托山流域的森林、农田、果园和撂荒地的土壤有机碳密度,发现表层30 cm土壤有机碳密度占100 cm土壤有机碳密度的54.8%。但目前土壤有机碳含量与密度的研究主要集中于森林、农田、草地等自然土壤[6-8],缺乏对人为干扰性较大的城市土壤有机碳的研究,即便有少量关于城市土壤有机碳的研究,也以城市绿地土壤有机碳分布特征为主[9],而对城市林地土壤有机碳特征关注较少。因此,本研究以中国特大城市上海为研究对象,选取樟树Cinnamomum camphora林、阔叶混交林、其他硬阔林、针阔混交林、水杉Metasequoia glyptostroboioles林、经济林等林地,分析不同林地土壤有机碳质量分数及密度的分布特征,并将土壤主要理化性质与土壤有机碳质量分数进行相关分析,探讨影响上海林地土壤碳库的因素,为科学合理利用土壤资源,制定增强土壤碳库的林地管理措施提供指导。
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上海市(30°40′~31°53′N,120°52′~122°12′E)位于太平洋西岸,亚洲大陆东沿,是长江三角洲冲积平原的一部分,平均海拔高度4 m左右。气候温和湿润,属亚热带季风性气候,四季分明,日照充分,雨量充沛。2017年,上海市年平均气温为17.7 ℃,年均降水量约1 600.0 mm,各区气候差异不大。本研究中林地均为人工林,不存在地形营造。土壤以粉砂质黏壤土为主。
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根据上海林地的分布情况,于2017年7月进行样品采集,涉及的林地类型有樟树林、阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林、针阔混交林、水杉林和经济林,共计66块样地。每个样地设置3个土壤剖面,每个剖面分3层(0~10,10~30,30~100 cm)进行样品采集,且每层土壤样品均由3个土壤剖面同一层次混合而成,样地数详见表 1。将采集的土壤样品自然风干,并剔除石砾、根系等杂物后粉碎分别过2.000和0.149 mm筛备用。同时,每个土层均采集5个环刀样用于土壤容重测定,容重为5个环刀样的平均值。
林地类型 优势种 样地数 樟树林 樟树 Cinnamomum camphora 7 阔叶混交林 樟树,女贞 Ligustrum lucidum,无患子 Sapindus mukorossi,柳树 Salix 15 其他软阔林 鹅掌楸 Liriodendron chinense,杜英 Elaeocarpus decipiens 6 其他硬阔林 栾树 Koelreuteria paniculata,女贞,广玉兰 Magnolia grandiflora 14 针阔混交林 构树 Broussonetia papyrifera,樱花 Cerasus sp.,樟树,白玉兰 Michelia alba,水杉 Metasequoia glyptostroboides,国槐 Sophora japonica 10 水杉林 水杉 10 经济林 梨树 Pyrus 4 合计 66 Table 1. Basic information of forests in Shanghai
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土壤容重采用环刀法测定;pH值采用电极法测定(水土比2.5:1.0);电导率采用电导率仪测定(水土比5:1);土壤全氮采用凯氏定氮法测定(KDN-812定氮仪);土壤碱解氮采用碱解-扩散法测定;土壤全磷采用碱熔-钼锑抗比色法测定;土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提法测定;土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定[10]。
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土壤剖面第i层的有机碳密度计算公式为DSODi=wSODi×BDi×Hi×(i-α)/10。土壤剖面有机碳密度计算公式为${D_{{\rm{SOD}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{D_{{\rm{SOD}}i}}} $。其中:wSODi为第i层的土壤有机碳质量分数(g·kg-1),BDi为第i层的土壤容重(g·cm-3),Hi为第i层的土层厚度(cm),α为土壤中>2 mm的粗颗粒的体积百分含量,n为土层数(n=3)。
应用SAS 9.0软件中Duncan多重检验法检验不同林地类型之间、土层之间的土壤有机碳质量分数、密度的差异显著性(P<0.05),Pearson相关性分析方法、逐步剔除回归法进行数据统计分析与处理。
1.1. 研究区概况
1.2. 样品采集
1.3. 分析方法
1.4. 数据处理与分析
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从表 2可以发现:其他软阔林的表层(0~10 cm)土壤有机碳质量分数最高(15.04 g·kg-1),针阔混交林的表层有机碳最少(9.58 g·kg-1)。就0~100 cm整个土壤剖面而言,7种林地土壤有机碳平均质量分数从大到小依次为其他软阔林、樟树林、经济林、阔叶混交林、水杉林、针阔混交林、其他硬阔林。在垂向上,除经济林外,其他林地的土壤有机碳质量分数均随着土层深度的增加而呈不同程度的降低。
林地类型 不同土层土壤有机碳/(g·kg-1) 0~10 10~30 30~100 cm 平均值 樟树林 12.09 ± 5.52 Aab 9.33 ± 2.98 ABab 6.76 ± 3.70 Ba 7.81 ± 3.07 a 阔叶混交林 11.72 ± 3.96 Aab 7.95 ± 3.26 Bb 6.37 ± 3.67 Ba 7.22 ± 2.86 a 其他软阔林 15.04 ± 2.77 Aa 9.04 ± 1.98 Bab 6.44 ± 1.04 Ca 7.82 ± 0.72 a 其他硬阔林 13.23 ± 4.91 Aab 7.68 ± 4.15 Bb 5.00 ± 2.01 Ba 6.36 ± 2.04 a 针阔混交林 9.58 ± 4.66 Ab 6.95 ± 3.12 Ab 6.16 ± 3.80 Aa 6.66 ± 3.41 a 水杉林 12.85 ± 5.83 Aab 8.66 ± 4.67 Bab 5.71 ± 2.58 Ba 7.01 ± 3.15 a 经济林 10.82 ± 1.96 ABab 12.29 ± 5.41 Aa 5.41 ± 3.34 Ba 7.33 ± 2.45 a 说明:小写字母表示不同林地同一土层差异显著(P<0.05),大写字母表示同一林地不同土层差异显著(P<0.05) Table 2. Soil organic carbon content in different soil layers and different forests
不同林地类型不同土层的土壤有机碳质量分数差异性不同。就0~10 cm土层而言,其他软阔林土壤有机碳质量分数明显高于针阔混交林(P<0.05),但这两者均与其他林地0~10 cm土壤有机碳差异不显著。在10~30 cm土层,经济林与阔叶混交林、其他硬阔林、针阔混交林的土壤有机碳质量分数差异显著(P<0.05),与其他林地差异不显著。在30~100 cm土层,各林地土壤有机碳质量分数差异均不显著。
就同一林地而言,樟树林0~10 cm土壤有机碳质量分数与30~100 cm差异显著(P<0.05),但与10~30 cm有机碳质量分数差异不显著;阔叶混交林、其他硬阔林、水杉林0~10 cm土壤有机碳质量分数与10~30和30~100 cm差异显著(P<0.05),而10~30和30~100 cm土壤有机碳差异不显著。其他软阔林在不同土层土壤有机碳质量分数差异显著(P<0.05);针阔混交林不同土层有机碳差异不显著。经济林则表现为10~30 cm土壤有机碳质量分数与30~100 cm差异显著(P<0.05),与0~10 cm的有机碳差异不显著。
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从表 3可知:同土壤有机碳相似,其他软阔林表层(0~10 cm)土壤有机碳密度最高(18.95 t·hm-2),针阔混交林表层土壤有机碳密度最低(13.16 t·hm-2)。7种林地0~100 cm土壤有机碳密度变化范围为92.20~113.76 t·hm-2,平均值为100.09 t·hm-2,土壤有机碳密度从大到小依次为樟树林、其他软阔林、经济林、阔叶混交林、针阔混交林、水杉林、其他硬阔林。
林地类型 不同土层土壤有机碳密度/(t·hm-2) 0~10 10~30 30~100 cm 合计 樟树林 16.21 ± 7.00 Ba 27.58 ± 8.99 Bb 69.96 ± 33.87 Aa 113.76 ± 39.49 a 阔叶混交林 16.31 ± 5.32 Ba 24.17 ± 10.79 Bab 63.86 ± 32.71 Aa 104.34 ± 36.75 a 其他软阔林 18.95 ± 4.08 Ba 25.63 ± 7.30 Bab 62.28 ± 10.77 Aa 106.86 ± 11.70 a 其他硬阔林 17.76 ± 6.09 Ba 22.29 ± 10.44 Bb 52.16 ± 22.49 Aa 92.20 ± 29.43 a 针阔混交林 13.16 ± 6.36 Ba 20.35 ± 9.67 Bb 62.18 ± 36.56 Aa 95.69 ± 46.91 a 水杉林 16.23 ± 5.91 Ba 23.51 ± 10.10 Bb 53.23 ± 20.79 Aa 92.97 ± 33.88 a 经济林 15.76 ± 2.71 Ba 35.78 ± 15.17 ABa 55.00 ± 33.48 Aa 106.54 ± 34.58 a 说明:小写字母表示不同林地同一土层差异显著(P<0.05),大写字母表示同一林地不同土层差异显著(P<0.05) Table 3. Soil organic carbon density in different soil layers and different forests
不同林地类型不同土层的土壤有机碳密度差异性不同。就同一土层而言,不同林地类型在0~10和30~100 cm土层的土壤有机碳密度差异不显著。但在10~30 cm土层,经济林与樟树林、其他硬阔林、针阔混交林、水杉林土壤有机碳密度差异显著(P<0.05),与阔叶混交林、其他软阔林的土壤有机碳密度差异不显著。就同一林地而言,经济林30~100 cm土壤有机碳密度显著高于0~10 cm土壤有机碳密度(P<0.05),但与10~30 cm土壤有机碳密度差异不显著;其余林地30~100 cm土壤有机碳密度均显著高于0~10和10~30 cm土壤有机碳密度(P<0.05),但0~10和10~30 cm土壤有机碳密度差异不显著。
不同土层对100 cm土壤剖面有机碳密度贡献率有所不同。其中,0~10 cm土壤有机碳密度贡献率从大到小依次为其他硬阔林(19.26%)、其他软阔林(17.74%)、水杉林(17.46%)、阔叶混交林(15.63%)、经济林(14.79%)、樟树林(14.25%)、针阔混交林(13.75%)。0~30 cm土壤有机碳密度贡献率从大到小依次为经济林(48.37%)、其他硬阔林(43.43%)、水杉林(42.74%)、其他软阔林(41.72%)、阔叶混交林(38.80%)、樟树林(38.50%)、针阔混交林(35.02%)。
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从表 4可以发现:樟树林、其他软阔林、其他硬阔林、水杉林的土壤有机碳质量分数与容重显著负相关(P<0.05),其余林地土壤有机碳与容重相关性不显著。阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林土壤有机碳质量分数与pH值呈负相关(P<0.05),其余林地土壤有机碳与pH值相关性不显著。除经济林外,其他林地土壤有机碳质量分数与全氮、碱解氮呈极显著正相关(P<0.01)。樟树林、水杉林土壤有机碳质量分数与速效磷显著正相关(P<0.05)。但所有林地土壤有机碳质量分数与电导率、全磷相关性均不显著。经济林的土壤有机碳质量分数与容重、pH值、电导率、全氮、全磷、碱解氮、速效磷的相关性均不显著。
林地类型 容重 pH值 电导率 全氮 全磷 碱解氮 速效磷 樟树林 -0.523* -0.364 -0.014 0.657** 0.253 0.767** 0.482* 阔叶混交林 -0.329 -0.558* -0.409 0.868** 0.107 0.904** -0.076 其他软阔林 -0.581** -0.449** -0.068 0.753** 0.157 0.827** -0.021 其他硬阔林 -0.376* -0.443** 0.215 0.748** 0.057 0.738** 0.084 针阔混交林 -0.324 -0.131 -0.211 0.528** 0.274 0.697** 0.086 水杉林 -0.632** -0.34 -0.028 0.913** 0.096 0.781** 0.711** 经济林 -0.357 0.139 -0.185 0.126 0.347 -0.105 -0.063 说明:*表示P<0.05, **表示P<0.01 Table 4. Correlation between organic carbon content and soil physicochemical properties
在进行土壤有机碳质量分数与土壤理化性质进行相关性分析的基础上,以土壤有机碳质量分数(y)为因变量,以土壤容重(x1)、pH值(x2)、电导率(x3)、全氮(x4)、全磷(x5)、碱解氮(x6)、速效磷(x7)为自变量,采用逐步剔除法进行多元回归分析,建立了土壤有机碳与其他理化性质的的回归方程,并通过标准化回归系数确定影响不同林型土壤有机碳质量分数的主要影响因子(表 5)。经分析,不同林型的土壤有机碳质量分数影响因子不同。其中:碱解氮是樟树林、其他软阔林、其他硬阔林和针阔混交林的土壤有机碳质量分数变化的主要影响因子;而阔叶混交林、水杉林的土壤有机碳质量分数主要影响因子为全氮。
林地类型 回归方程 标准化回归系数 相关系数 樟树林 y=3.00+0.10x6 x6=0.767 0.589 阔叶混交林 y=12.11-6.35x1+3.72x4+0.04x6 x1=-0.177, x4=0.420, x6=0.362 0.649 其他软阔林 y=13.92-5.95x1+3.72x4-3.24x5+0.05x6 x1=-0.183, x4=0.458, x5=-0.187, x6=0.552 0.937 其他硬阔林 y=13.46-7.93x1-0.02x3+2.81x4+0.08x6 x1=-0.174, x3=-0.195, x4=-0.252, x6=0.620 0.816 针阔混交林 y=3.58-0.02x3+0.08x6 x3=-0.283, x6=0.725 0.564 水杉林 y=11.44-6.91x1+8.78x4 x1=-0.183, x4=0.812 0.858 Table 5. Regression analysis of soil organic carbon content and other physicochemical properties