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Altitudinal distribution rule of Picea schrenkiana forest’s soil organic carbon and its influencing factors

天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿源卷 第 苑期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
青藏高原东北部 缘园园园 年来气候变化与若尔盖湿地历史生态学研究进展
何奕忻袁吴摇 宁袁朱求安袁等 渊员远员缘冤
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天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 阿米娜木窑艾力袁常顺利袁张毓涛袁等 渊员远圆远冤噎噎
个体与基础生态
小兴安岭红松日径向变化及其对气象因子的响应 李兴欢袁刘瑞鹏袁毛子军袁等 渊员远猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 吴波波袁郭剑芬袁吴君君袁等 渊员远源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
庞泉沟自然保护区典型森林土壤大团聚体特征 白秀梅袁韩有志袁郭汉清 渊员远缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
思茅松天然林树冠结构模型 欧光龙袁肖义发袁王俊峰袁等 渊员远远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
镁缺乏和过量胁迫对纽荷尔脐橙叶绿素荧光特性的影响 凌丽俐袁黄摇 翼袁彭良志袁等 渊员远苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎
斑块生境中食果鸟类对南方红豆杉种子的取食和传播 李摇 宁袁王摇 征袁鲁长虎袁等 渊员远愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属铅与两种淡水藻的相互作用 刘摇 璐袁闫摇 浩袁李摇 诚袁等 渊员远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
刺参养殖池塘初级生产力及其粒级结构周年变化 姜森颢袁周一兵袁唐伯平袁等 渊员远怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
控渊微囊冤藻鲢尧鳙排泄物光能与生长活性 王银平袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊员苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五爪金龙中香豆素类物质含量及其对福寿螺尧水稻和稗草的影响 犹昌艳袁杨摇 宇袁胡摇 飞袁等 渊员苑员远冤噎噎噎
种群尧群落和生态系统
西双版纳国家级自然保护区勐腊子保护区亚洲象种群和栖息地评价 林摇 柳袁金延飞袁陈德坤袁等 渊员苑圆缘冤噎噎
莱州湾鱼类群落同功能种团的季节变化 李摇 凡袁徐炳庆袁马元庆袁等 渊员苑猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长期不同施肥方式对麦田杂草群落的影响 蒋摇 敏袁沈明星袁沈新平袁等 渊员苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 周摇 宏袁张恒嘉袁莫摇 非袁等 渊员苑缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
流域景观格局变化对洪枯径流影响的 杂宰粤栽模型模拟分析 林炳青袁陈兴伟袁陈摇 莹袁等 渊员苑苑圆冤噎噎噎噎噎
近 圆园年青藏高原东北部禾本科牧草生育期变化特征 徐维新袁辛元春袁张摇 娟袁等 渊员苑愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
丽江城市不同区域景观美学 郭先华袁赵千钧袁崔胜辉袁等 渊员苑怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠三角河网水域栅藻的时空分布特征 王摇 超袁李新辉袁赖子尼袁等 渊员愿园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
博斯腾湖细菌丰度时空分布及其与环境因子的关系 王博雯袁汤祥明袁高摇 光袁等 渊员愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遗传算法支持下土地利用空间分形特征尺度域的识别 吴摇 浩袁李摇 岩袁史文中袁等 渊员愿圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
川西亚高山不同海拔岷江冷杉树轮碳稳定同位素对气候的响应 靳摇 翔袁徐摇 庆袁刘世荣袁等 渊员愿猿员冤噎噎噎噎
基于 耘杂阅粤的西北太平洋柔鱼资源空间热点区域及其变动研究 冯永玖袁陈新军袁杨铭霞袁等 渊员愿源员冤噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于居民生态认知的非使用价值支付意愿空间分异研究要要要以三江平原湿地为例
高摇 琴袁敖长林袁陈红光袁等 渊员愿缘员冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
浑河河水及其沿岸地下水污染特征 崔摇 健袁都基众袁王晓光 渊员愿远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
社会生态系统及脆弱性驱动机制分析 余中元袁李摇 波袁张新时 渊员愿苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
等渗 晕葬悦造和 悦葬渊晕韵猿冤 圆胁迫对黄瓜幼苗生长和生理特性的影响 周摇 珩袁郭世荣袁邵慧娟袁等 渊员愿愿园冤噎噎噎
专家观点
关于野生态保护和建设冶名称和内涵的探讨 沈国舫 渊员愿怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 红豆杉人工林要要要红豆杉为常绿针叶乔木袁树高可达 圆缘皂袁属国家一级保护植物遥 红豆杉中含有的紫杉醇袁具有独
特的抗癌机制和较高的抗癌活性袁能阻止癌细胞的繁殖尧抑制肿瘤细胞的迁移袁是世界公认的抗癌药遥 红豆杉在我
国共有 源个种和 员个变种袁即云南红豆杉尧西藏红豆杉尧东北红豆杉尧中国红豆杉和南方红豆杉渊变种冤遥 由于天然红
豆杉稀缺袁国家严禁采伐利用袁因而我国南方很多地方都采取人工种植的方法生产利用遥 人工种植的南方红豆杉在
南方山区多呈斑块状分布袁斑块生境中鸟类对红豆杉种子的传播有重要的影响遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 7 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.7
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(31060075);国家基础研究发展规划项目(2011CB403201);新疆维吾尔自治区财政林业科技专项资金项目
(xjlk(2013)001)
收稿日期:2013鄄05鄄31; 摇 摇 修订日期:2013鄄11鄄21
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: ecocsl@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201305311261
阿米娜木·艾力, 常顺利, 张毓涛, 仇瑶, 何平.天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素.生态学报,2014,34(7):1626鄄1634.
Aminem E L, Chang S L, Zhang Y T, Qiu Y, He P.Altitudinal distribution rule of Picea schrenkiana forest忆s soil organic carbon and its influencing factors.
Acta Ecologica Sinica,2014,34(7):1626鄄1634.
天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的
分布规律及其影响因素
阿米娜木·艾力1, 常顺利1,*, 张毓涛2, 仇摇 瑶1, 何摇 平1
(1. 新疆大学资源与环境科学学院绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐市摇 830046;
2. 新疆林科院森林生态研究所, 乌鲁木齐市摇 830063)
摘要:对森林土壤有机碳库含量的估测及其影响因素的研究一直是学术界关注的热点。 在水热梯度上可能会存在森林土壤有
机碳的分布规律,但多数在混交林内开展的工作因无法区分群落类型变化的影响而无法准确反映出森林土壤有机碳在水热梯
度上的变化规律。 天山云杉森林为纯林类型,在天山山脉巨大山体上呈带状分布(平均海拔下限 1750 m至平均海拔上限 2760
m),存在水热梯度,能够排除混交林中群落类型变化对土壤有机碳的影响。 因此,在天山云杉森林带按海拔梯度设置系列样地
并采样,用重铬酸钾鄄氧化外加热法测定土壤有机碳含量并研究土壤有机碳密度沿海拔的分布规律,分析水热配比关系与植物
群落(生物量)对该规律的影响。 结果表明:淤1 m深度的标准土壤剖面上,各海拔梯度的土壤有机碳密度随着剖面深度的增加
呈减少的趋势;于各海拔梯度的有机碳主要集中在土壤表面 0—40 cm范围内,所占的比例约占全剖面的 60%—70%,具有明显
的表聚现象;盂在天山北坡中段云杉森林带的海拔下限到海拔上限标准剖面总土壤有机碳密度出现不显著的先下降后上升再
下降的双峰变化,峰值出现在海拔 1800—2000 m与海拔 2400—2600 m,海拔 2600—2800 m的有机碳密度最小;榆云杉纯林在
不同海拔的平均胸径呈先减少后增加再减少的趋势,与土壤总有机碳密度变化规律较吻合;虞天山云杉森林土壤有机碳密度沿
海拔的变化是水热梯度变化及受其影响的森林长势二者共同作用的结果。
关键词:土壤有机碳密度;垂直地带性;天山森林; 云杉
Altitudinal distribution rule of Picea schrenkiana forest忆s soil organic carbon and
its influencing factors
Aminem ELI1, CHANG Shunli1,*, ZHANG Yutao2, QIU Yao1, HE Ping1
1 Key Laboratory of Oasis Ecology, College of Resource and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
2 Institute of Forest Ecology, Xinjiang Academy of Forestry, Urumqi 830063, China
Abstract: It has long been a focus of academia to estimate the soil organic carbon content of forests and to study its
influencing factors. The forest soil organic carbon distribution may be present on a hydrothermal gradient; however, most
work carried out in mixed forests cannot accurately reflect the variation of forest soil organic carbon along the hydrothermal
gradient due to an inability to distinguish the effects from multiple community types. The Picea schrenkiana forest is a pure
forest ( lower elevation from 1750m above sea level to 2760m at its upper limit), presenting zonal distribution on the huge
Tianshan Mountains with variable soil organic carbon along the hydrothermal gradient. So effects caused by community type
changes of mixed forest can be excluded. This study set a series of plots and samples along an altitudinal gradient on Picea
schrenkiana. It used a potassium dichromate鄄oxidation external heating method to test soil organic carbon content, discusses
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the distributional law of soil organic carbon density along the altitudinal gradient, and analyses the impacts of hydrothermal
ration and plant community (biomass) on this law. The results showed that: In 1m depth standard soil profile, the soil
organic carbon density of each altitudinal gradient presented a decreasing trend with increasing profile depth; the soil
organic carbon of each altitudinal gradient was mainly concentrated on the soil surface at a depth of 0—40cm, accounting
for about 60%—70% of the whole section. It had obvious surface assembly; the total soil organic carbon density of the
standard profile, which peaked on the middle part of the north slope of the Tianshan Mountains忆 forest, from the lower
elevation limit to the upper limit presented an indistinctive bimodal change which decreased, increased and then decreased
further. The peaks appeared at an altitude of 1800—2000m and 2400—2600m; the organic carbon density at an altitude of
2600—2800m reached a minimum. The average diameter at breast height of the Tianshan Mountains忆 forest at different
altitudes showed a trend that decreased then increased and then decreased again, consistent with the soil organic carbon
density variation law. The variation of soil organic carbon density along the elevation results from the combined action of
hydrothermal gradient variation and affected forest growth.
Key Words: soil organic carbon density; vertical zones; Tianshan Mountains忆 forest; picea schrenkiana
摇 摇 土壤有机碳是全球气候变化的敏感指标[1]。 有
机碳库的动态变化可对生态系统主要功能、组成和
发展方向产生显著的影响[2],与大气成分进行活性
交换的土壤有机碳大约占到陆地生态系统碳的
2 / 3[3],所以土壤有机碳的微小变化将会极大地缓和
或加速大气 CO2 浓度的提高,进而改变全球碳
循环[4]。
土壤有机碳来自植物分泌物及残体的归还,其
储量主要受植被光合利用率、群落分布、水位波动规
律[5],以及气候、土壤、人类活动等因素的影响[6鄄8]。
因此,人类活动干扰以及外界环境条件的变化,均可
对陆地生态系统土壤有机碳库产生影响[2]。 在山地
生态系统研究工作中,很难排除森林类型变化的影
响,而只考虑水热梯度变化条件下土壤有机碳的空
间分布规律。 王海燕[9]等提出了气候变化影响下落
叶松鄄云杉混交林土壤有机碳密度变化情况。 王文
凡[10]等提出同一山地不同植被类型土壤有机碳密
度存在差异性。
天山是植被类型单一、结构简单的山地生态系
统,土壤有机碳的变化受到气候条件与云杉纯林生
长趋势的影响。 目前针对于具有单一植被类型的山
地生态系统进行土壤有机碳密度变化的研究还极
少,本研究通过云杉纯林不同海拔平均胸径、树高的
调查统计分析与水热配比关系结合在一起,综合考
虑气候与单一植被类型云杉纯林的变化对土壤有机
碳密度的影响,研究土壤有机碳密度沿海拔的分布
规律。 为正确评估天山土壤总有机碳密度变化提供
一定的参考,并为该领域研究工作中排除植被的影
响而只考虑气候对土壤有机碳变化的研究提供一定
的科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 样品采集地概况
以中国森林生态系统研究网络(CFERN)天山森
林生态系统定位站研究站(E87毅07忆—87毅28忆,N43毅
14忆—43毅26忆)为依托进行样品采集。 样品采集地位
于天山北坡乌鲁木齐县板房沟林场,海拔 1800—
2800 m,属温带大陆性气候,年总辐射量达 5.85伊105
J / cm2·a,年均气温约为 2—3 益,历年极端最高温为
30.5 益,极端最低温为-30.2 益,年降水量 400—600
mm,最大积雪深度为 65 cm,林下土壤为山地灰褐色
森林 土。 该 区 植 被 类 型 以 天 山 云 杉 ( Picea
Schrenkiana)纯林为主的温带针叶林,郁闭度介于
0郾 4—0.8,其凋落物的分解是土壤中生成较厚的腐殖
质的重要途径。 主要地被植物有黑果小檗(Berberis
heteropoda)、红果小檗 ( Berberis nummularia)、忍冬
(Lonicera sp.)、天山花楸(Sorbus tianschanica)、黑果
荀子(Cotoneastermelanocarpus)、蔷薇(Rosa sp.)、绣
线 菊 ( Spiraeahypericifolia )、 老 鹳 草 ( Geranium
dahuricum)、天山雨衣草(Alchemilla tianschanica)、羊
角芹(Aegopodiumpodagraria)等[11]。
1.2摇 土样采集方法
2011年 7月,在水西沟采样区,按照一定的海拔
梯度以及土壤颜色的变化情况进行采样区的划分。
7261摇 7期 摇 摇 摇 阿米娜木·艾力摇 等:天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 摇
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从云杉林海拔 1800 m下限到 2800 m上限,按每 200
m一个海拔梯度,在每个梯度内选取了 3块 20 m伊20
m的样地;在每块样地内,按照 S 型方法布设了 3 个
土壤采样点,各挖 1 m 深土壤剖面,分 5 层取土样,
共计取得 225 个土样;在每块样地内的 3 个土壤采
样点中随机选取一个剖面进行分层环刀取样,分层
计算土壤容重,并以此代表该样地的各层土壤容重。
样品带回实验室风干后过 2mm筛,保存备用。
1.3摇 样地调查方法
在研究区从其森林分布的下限到上限,选取一
条东西宽 200 m的样带,以 50 m垂直海拔梯度为间
隔,设置 20 m伊20 m 的固定样地 44 个,对应于各海
拔梯度的样方数见表 1。 对每个样方进行每木检尺,
调查因子主要包括树高、胸径、冠幅、枝下高、病虫害
状况等,按胸径、树高对调查数据进行分级统计,结
果见表 1。
表 1摇 样方调查统计表
Table 1摇 The result of sample plot survey
海拔
Elevation / m
样地数
Plots
株树
Trees
各分级所占的比例 The proportion of each grading / %
DBH<10 cm 10—15 cm 15—20 cm >20 cm
树高<10 m 10—15 m 15—20 m >20 m
1800—2000 8 285 36.14 21.41 15.43 27.02
38.87 13.07 29.68 18.38
2000—2200 9 331 22.96 22.96 22.05 32.03
23.56 21.15 33.84 21.45
2200—2400 10 236 25 19.49 17.8 37.71
30.08 23.73 25 21.19
2400—2600 12 278 34.89 24.1 9.72 31.29
44.24 31.65 13.68 10.43
2600—2800 5 43 16.28 32.56 27.91 23.25
79.07 13.95 2.33 4.65
摇 摇 横线上方为各胸径(DBH)径级分级所占比例(%),横线下方为各树高分级所占比例(%)
1.4土样测试方法
土壤总有机碳根据国家标准 GB7857—1987[12]
与 LY / T1237—1999[13]采用重铬酸钾氧化-外加热
法:在外加热条件下(油浴温度为 175—180 益、沸腾
5 min)用一定浓度的重铬酸钾-硫酸溶液氧化土壤
有机质,剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁滴定。 通过所
消耗的硫酸亚铁标准溶液的体积得有机碳含量。 硫
酸亚铁标准溶液的体积与有机碳含量的关系式为:
Wc.o =
0.8000 伊 5.0
V0
伊 V0 - V( )t 伊 0.003 伊 1.1
m 伊 k
(1)
式中,Wc.o为有机碳含量( g / kg),0.8000 为重铬酸钾
标准溶液的浓度(mol / L),5.0 为重铬酸钾标准溶液
的体积(mL),V0为空白试验消耗硫酸亚铁标准溶液
体积(mL),Vt为土样试验消耗硫酸亚铁标准溶液体
积(mL),0.003为 1 / 4碳原子的摩尔质量(g / mmol),
1.1为氧化校正系数,m为风干土样质量(g),k 为风
干土样换算成烘干土样的水分换算系数。
在土壤有机碳含量的基础上,1 m深度土壤标准
剖面不同层次土壤密度、厚度和非石砾所占的比例
相乘得土壤有机碳密度 SOCDk。
SOCDK = CK 伊 DK 伊 EK 伊 (1 - GK) / 100 (2)
式中,SOCDk为第 k层土壤有机碳密度(kg / m),k 为
土壤层次,Ck为第 k层土壤有机碳含量(g / kg),Dk为
第 k 层土壤密度 ( g / cm3 ),Ek为第 k 层土层厚度
(cm),Gk为第 k 层土层中直径大于 2 mm 石砾所占
体积百分比(%)。
1.5摇 生物量计算方法
刘广路[14]利用相对生长模型建立的天山云杉
纯林生物量的回归模型 W = 0.075352(D2H) 0.906442(W
为生物量(kg),D 为胸径(cm),H 为树高(m))。 本
研究采用此模型,利用不同海拔云杉林标准木的胸
径和树高的数据,来估计云杉林单木平均地上生物
量。 在单木平均地上生物量的基础上,得林份总生
物量和单位面积生物量。 即林分总生物量 =整个研
究区标准单木生物量伊整个研究区云杉林总株数;单
位面积生物量=(单木生物量伊云杉林总株数) /样地
总面积。
8261 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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1.6摇 数据分析方法
气象数据来自李艳忠[15]等从中科院新疆生地
所地理信息系统实验室库所得的数据。 综合考虑降
水量与温度对植物的影响,分别表征年平均干湿度
的 Kira(K1) [16]干湿度指数和修正的生物干湿度指
数(BK) [17鄄1 9]来表示地表干湿程度,从而判断不同海
拔梯度上有机碳密度的变化与气候间的关系。
K1=P / (ET1+20) ET1臆100 (3)
BK=P / (2ET2+40) ET2臆80 (4)
ET1 =移
n
i = 1
( ti - 5) (5)
ET2 =移
n
i = 1
( ti - 10) (6)
式中,P为年降水量,ET为有效温度,ti为 i月份的平
均温度。
本研究中所得到的数据采用 Excel 图标和
SPSS17.0统计软件进行多重比较和相关性分析。
2摇 结果与分析
2.1摇 各海拔梯度土壤剖面的有机碳密度变化规律
标准土壤剖面上,各海拔梯度的土壤有机碳密
度随着剖面深度的增加呈减少的趋势(图 1)。 海拔
1800—2000 m 的土壤有机碳密度从 10. 76—28. 33
kg / m2(平均值为 16. 78 kg / m2 )减少到 3. 12—7. 36
kg / m2(平均值为 5.24 kg / m2);海拔 2000—2200 m
的土壤有机碳密度从 9.98—17.92 kg / m2(平均值为
14.80 kg / m2)减少到 2. 10—3.13 kg / m2(平均值为
2郾 60 kg / m2);海拔 2200—2400 m 的土壤有为碳密
度从 8.72—11.26 kg / m2(平均值 11.06 kg / m2)减少
到 2.77—4.33 kg / m2(平均值为 3.34 kg / m2);海拔
2400—2600 m 的土壤有机碳密度从 10. 68—19. 04
kg / m2(平均值 14.95 kg / m2)减少到 1.94—3.18 kg /
m2(平均值为 2.50 kg / m2);海拔 2600—2800 m 的土
壤有为碳密度从 11.64—13.20 kg / m2(平均值 12.19
kg / m2 )减少到1 . 28—2.52kg / m2(平均值为1 . 75
图 1摇 同一海拔不同土层的有机碳密度变化规律
Fig.1摇 Soil organic carbon density variation of same altitudes at the different depth
9261摇 7期 摇 摇 摇 阿米娜木·艾力摇 等:天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 摇
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kg / m2)。 海拔 1800—2000 m 土壤有机碳密度在标
准剖面 0—80 cm的四个土层中没有显著性差异;海
拔 2000—2200 m,2200—2400 m,2600—2800 m的标
准土壤剖面 40—100 cm 的 3 个土层中没有显著性
差异;海拔 2400—2600 m 的标准土壤剖面 20—80
cm的 3个土层中没有显著性差异。 虽然不同海拔
不同土壤深度有机碳密度的变化不存在显著差异
性,但随着土壤深度的加深有机碳密度的整体性变
小的趋势遵循了随着土壤深度的增加有机碳密度变
小的规律。 这与土壤不同深度的理化性质(容重、石
砾含量、含水量)、微生物活性和凋落物的分解速率
等有关。
2.2摇 同层土壤的有机碳密度沿海拔梯度的变化规律
不同海拔梯度标准土壤剖面中同一土层的土壤
有机碳密度呈先减少后增加再减少的趋势(图 2)。
0—80 cm 的 4 个土层中土壤有机碳密度在海拔
1800—2000 m和 2400—2600 m 的梯度上出现双峰
值,而在 80—100 cm的土层中海拔 1800—2000 m和
2200—2400 m 梯度上出现双峰值。 不同海拔土壤
0—80 cm的 4个土层中土壤有机碳密度的平均值变
化无显著性差异,在海拔 1800—2000 m 和 2200—
2400 m两个梯度上 80—100 cm土层中的土壤有机
图 2摇 不同海拔同一土壤深度的有机碳密度变化规律
Fig.2摇 Soil organic carbon density variation of different altitudes at the same depth
0361 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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碳密度平均值变化无显著性差别,而海拔 2200—
2400 m和其余的 3个海拔梯度的土壤有机碳密度平
均值无显著性差别。 每个海拔梯度上同一土壤剖面
土壤有机碳密度的变化规律最终导致从海拔下线到
海拔上线的总有机碳密度呈现出先减少后增加再减
少的趋势。
标准土壤剖面中土壤有机碳主要储存在于土壤
表层中(图 3)。 0—20 cm土层有机碳密度占全剖面
所含的有机碳密度比例从 30%(2200—2400 m)增加
到 43%(2600—2800 m);20—40 cm 的比例从 25%
(1800—2000 m)增加到 30%(2600—2800 m);最下
3层所占的比例为 25%到 40%,可见土壤表层有机
碳密度占全剖面的比例超过一半以上。 这主要是以
“表聚现象冶所致[15],即植物的凋落物归还于土壤表
层,在表层形成较厚的凋落叶层,经分解在土壤表层
富集有机质从而形成相应大的有机碳密度。
2.3摇 总土壤有机碳密度沿海拔的变化规律
随着海拔梯度的增加总土壤有机碳密度呈先减
少后增加再减少的趋势(图 3)。 总土壤有机碳密度
平均在 28.59—48.87 kg / m2 之间,其中 1800—2000
m海拔总有机碳密度最高,而海拔 2600—2800 m 的
最低,整个变化趋势来看,各海拔有机碳密度变化没
有显著性差异。
3摇 结论与讨论
研究区的植被类型是以天山云杉纯林为主,可
以避免受到其它植被的干扰,所以气候条件和云杉
纯林的分布、长势是影响土壤有机碳密度变化的主
要因素。
3.1摇 影响有机碳密度沿海拔分异的气候因素
气候的变化通过影响天山云杉纯林的生长,凋
落物的累积和分解而直接影响到土壤有机碳在不同
海拔梯度上的分布情况。 各海拔随着梯度的增加年
均温度逐渐降低,到了 2470 m 左右时年均温度为
零;随着海拔梯度的增加年均降水量出现先升高再
下降的趋势(图 3)。
在不同海拔梯度上土壤有机碳密度的变化与气
候单因素降水量和温度具有一定的相关性(表 2),
根据 Pearson相关系数的分析,所知土壤有机碳密度
变化跟降水量呈负相关,而跟温度变化呈正相关。
表 2摇 土壤有机碳密度与气候要素和地表干湿度指数之间的相关矩阵
Table 2摇 The correlation matrix between the soil total organic carbon density and climatic factors surface humidity index
总有机碳密度
Total organic carbon
density / (kg / m2)
降水量
Precipitation /
mm
温度
Temperature / 益
Kira干湿度指数
K1
修正的生物
干湿度指数
BK
总有机碳密度 / (kg / m2)
Total organic carbon density
1
降水量 Precipitation / mm -0.688 1
温度 Temperature / 益 0.680 -0.448 1
Kira干湿度指数 K1 -0.805 0.879* -0.820 1
修正的生物干湿度指数 BK -0.428 0.615 -0.202 0.499 1
摇 摇 P<0.05
摇 摇 由于仅仅利用气候的单因素不能对不同海拔土
壤总有机碳密度变化的影响进行估测,因此,考虑综
合指标地表干湿度指数对土壤有机碳密度的影响。
为了能更好地评价气候要素对植被的影响,选取了
最热月 7月份的均温,此月森林带上下线相差为 8.3
益,大于年均温,是对 Kira干湿度指数和修正的生物
干湿度指数的变化作用较大的温度。 由于不同海拔
月均温不同,所以 K1和 BK存在一定的差异(表 3)。
由于土壤总有机碳密度随海拔的变化情况跟地
表干湿度指数有关,所以气候的变化导致不同海拔
梯度上土壤总有机碳密度的差异性,即 K1 和 BK 与
总土壤有机碳密度具有相关性(表 2)。
在此基础上进一步分析不同海拔梯度气候与土
壤总有机碳密度间的相关性后发现,土壤有机碳密
度跟地表干湿度指数具有负相关,表明温度和降水
各指标与土壤有机碳密度变化的作用在所有云杉纯
林区均具有同步性。
3.2摇 影响有机碳密度沿海拔分异的群落因素
天山北坡的云杉林分布的上限和下限受温度和
降水的综合影响[20鄄21],乔木的胸径和树高能较好地
1361摇 7期 摇 摇 摇 阿米娜木·艾力摇 等:天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 摇
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指示森林带温度和降水特征[22鄄23],也是影响土壤有
机碳密度变化的重要指标,所以在研究区对不同海
拔的树木进行每木调查,绘制了不同海拔树木胸径
与树高关系的曲线图(图 3)。 由图 3 可知,从海拔
下限 1800 m到海拔上限 2800 m,平均树高从 14.99
m降低到 8.25 m;平均胸径从海拔下限到海拔上限
出现了先下降后增加再下降的趋势,跟不同海拔土
壤总有机碳密度变化趋势大体上保持一致。
表 3摇 不同海拔地表干湿度指数
Table 3摇 The surface dry humidity index at different altitudes
海拔
Elevation / m
7月均温 / 益
July average temperature
有效温度
ET1
有效温度
ET2
Kira干湿度指数
K1
修正的生物干湿度指数
BK
1500 18.98 13.98 8.98 11.42 7.92
2000 15.06 10.06 5.06 18.06 12.05
2200 13.82 8.82 3.82 18.32 23.14
2600 11.34 6.34 1.34 18.79 11.97
2700 10.72 5.72 0.72 19.01 12.01
摇 摇 ET1为 5 益以上的有效温度; ET2为 10 益以上的有效温度
图 3摇 各层土壤有机碳密度占全剖面的百分比与不同海拔总土壤有机碳密度,年降水量,年均温度以及云杉林平均胸径树高的变化规律
Fig.3摇 Layers of soil organic carbon density as a percentage of the total cross鄄section and total organic carbon density, annual pricipitation,
mean annual temperature, Picea schrenkiana DBH and tree height variation with different altitude
摇 摇 生物量是一定时间,一定空间一种或数种生物
有机体总干物质的重量[24],也是量度生态系统碳汇
和碳素循环的关键数据[25]。 对植物群落生物量进
行研究,可以揭示生态系统中养分循环功能过程的
变化规律[26]。 因此,按照符合天山云杉林生物量的
估测模型,对各海拔云杉林地上生物量进行估算(表
4),发现地上生物量呈随着海拔梯度的增加逐渐减
少的趋势。 海拔 1800—2000 m 的最高,而 2600—
2361 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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2800 m的最低。 最高和最低含量跟有机碳密度变化
情况保持一致。
土壤有机碳密度变化与生物量存在紧密的联
系。 通过不同海拔云杉林单位面积上的生物量与有
机碳密度的 Pearson 相关性分析(P<0.05),得生物
量与有机碳密度呈正相关(相关系数为 0.768)。 即
生物量的变化规律可直接反应土壤有机碳密度的变
化规律。
表 4摇 不同海拔云杉林地上生物量
Table 4摇 Aboveground biomass of spruce forest at different altitudes
海拔
Elevation / m
平均胸径
Average
DBH / cm
平均树高
Average tree
height / m
生物量
Biomass /
(kg / m2)
1800—2000 18.98 14.99 21.62
2000—2200 17.08 14.89 17.67
2200—2400 21.37 14.41 16.07
2400—2600 20.12 11.83 11.35
2600—2800 15.71 8.25 2.70
3.3摇 影响有机碳密度沿海拔分异因素的综合分析
土壤总有机碳密度的变化是气候与树高、胸径
共同作用的结果,因此导致不同海拔梯度有机碳密
度大小存在差异性。 海拔 1800—2000 m 平均树高
最高、平均胸径占第 3 位,而 BK 相对整个海拔梯度
而言较小,云杉林生物量最高,所以此梯度含有的有
机碳密度最大。 海拔 2200—2400 mBK最大,云杉林
平均胸径最高、平均树高占第 3 位,导致生物量的降
低,因此,所具有的有机碳密度不是最多。 海拔
2400—2600 m平均胸径占第 2 位、平均树高占第 4
位,生物量跟平均树高的地位一样占第 4 位,对于整
个研究区而言 BK最小,导致有机碳密度在整个梯度
上占第 2位。 海拔 2600—2800 m虽然 BK相对而言
较小,但是平均胸径、平均树高和生物量都均最低,
所以土壤有机碳密度最小。
3.4摇 结论
本文通过不同海拔梯度云杉林的株树、平均胸
径、树高调查与李艳忠[15]等提出的森林带发育于与
气候土壤的关系时所提供的气象数据的基础上,对
天山北坡水西沟区土壤有机碳密度与影响因素气候
和云杉纯林胸径和树高的关系进行了探讨。 结果
表明:
(1)1m深度的标准土壤剖面上,各海拔梯度的
土壤有机碳密度随着剖面深度的增加呈减少的趋
势。 平均有机碳密度从海拔 1800—2000 m10—20
cm土壤深度的 16.78 kg / m2减少到海拔 2600—2800
m土壤深度 80—100 cm的 1.75 kg / m2。 不同海拔各
层土壤有机碳密度不显著,都出现先下降后增加再
下降的趋势,导致总土壤有机碳密度具有同样的变
化趋势。 海拔 1800—2000 m 所具有的有机碳密度
最大 ( 48. 87 kg / m2 ),其次是海拔 2400—2600 m
(41郾 66 kg / m2 ), 2600—2800 m 的 最 小 ( 28. 59
kg / m2)。 摇
(2) 土壤有机碳主要集中土壤表面 ( 0—40
cm)。 出现“表聚现象冶,土壤表面所具有的有机碳
密度所占的比例(60%—70%)超过总有机碳密度的
一般以上。
(3)不同海拔云杉林的平均胸径、树高以及气候
水热配比关系均出现一定的变化,土壤有机碳密度
的变化跟生物量成正比而跟地表干湿度指数成反比
关系。 云杉林的生长趋势与气候的共同影响下导致
不同海拔土壤有机碳密度差异性存在。
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粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤 灾燥造援猿源袁晕燥援苑 粤责则援袁圆园员源渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠冤
悦韵晕栽耘晕栽杂
云则燥灶贼蚤藻则泽 葬灶凿 悦燥皂责则藻澡藻灶泽蚤增藻 砸藻增蚤藻憎
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载哉 宰藻蚤曾蚤灶袁 载陨晕 再怎葬灶糟澡怎灶袁 在匀粤晕郧 允怎葬灶袁 藻贼 葬造 渊员苑愿员冤

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栽藻皂责燥则葬造 葬灶凿 泽责葬贼蚤葬造 责葬贼贼藻则灶 燥枣 杂糟藻灶藻凿藻泽皂怎泽 蚤灶 贼澡藻 则蚤增藻则 憎藻遭 燥枣 贼澡藻 孕藻葬则造 砸蚤增藻则 阅藻造贼葬袁 悦澡蚤灶葬
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远怨愿员 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 魏辅文摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 苑期摇 渊圆园员源年 源月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
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