全 文 ：第 26卷第 8期
2006年 8月
生 态 学 报
ACTA EC0L0GICA SINICA
Vo1．26．No．8
Aug．，2006
祁连山青海云杉林斑表层土壤有机碳特征及其影响因素
何志斌 ，赵文智 ，刘 鹄 ，苏永 中
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 ，临泽内陆河流域综合研究站 ，流域 水文及应用生态实验室 ，兰州 ，730000)
摘要 ：以祁连 山青海云杉林斑为研究 对象 ，调查获得林斑的水文 、土壤 、植被数据 ，分 析了表层(0～20cm)土壤有机碳特征及 其与
地形 、植被 和土壤特性 的关 系。结果 表明：青 海云杉林斑表层土壤 有机 碳含量 的平均值 为 (84．9 4-26．7) ，变异系 数 31．5％。
有机碳含量与土壤含水量 、海拔 、土壤容重和灌木生物量呈显著正相关关系 ，而与林 木郁闭度呈显著负相关关系 。此外 ，人 工采
伐形成的林窗斑块 (面积 0．02～0．12 hrn2)和半阴坡小斑块林地(面积0．17～0．89hm )，其斑块面积大小并未明显影响土壤有机
碳含量的变化。经主成分 分析表明 ，海拔和土壤含水量 是影响土壤 有机碳 含量 的第一 主成分 ，林木郁 闭度 是第二 主成分 ，灌木
生物量是第三主成分 ，累计解释 率为 83．8％。
关键词 ：祁连 山；土壤有机 碳 ；斑块 ；青海云杉林
文章编 号 ：1000．0933(2006)08．2572．06 中图分类号：s718 文献标识码：A
Characteristic of Picea crassifolia forest soil organic carbon and relationship with
environment factors in the Qilian Mountain
HE Zhi—Bin，ZHAO Wen—Zhi，UU Hu，SU Yong—Zhong (Cold and Arid Regions Environmental and Engineenng Research lnstit~e，Chinese
Academy ofSciences，Linze lrdand River Basin Comprehensive Research Station，Laboratory of Basin Hydrology and Applied Ecology ，Lanzhou 730000，China)．
ActaEcologica Sinica，2006，26(8)：2572～2577．
Abstract：Soil organic carbon，the main part of terestrial carbo n pool，plays an important role in terrestrial carbon cycle，and is
one of the most impo rtant compo nents in the research of global change．This paper aims to analyze soil organic carbo n content
(SOC)distribution patterns of the Picea crassifolia forest patches in Qilian Mountain and to determine which factors afect those
patterns．We have investigated the relationships between edaphic environmental factors (soil，forest floor，topography，and
canopy)and understory vegetation(composition and biomass)among 67 plots representing four major patch types which include：
(1)big forest patch in the shady slope；(2)small forest patches in the semi—shady slope；(3)forest gaps；and(4)grassland in
the sunny slope．Th e area of each plot is lOm × lOm，and the data of elevation，slope grade，plant cover，biomass，canopy
density and diameter at breast height of Picea crassifolia in the each plot have been estimated．Soil samples have been taken and
analyzed in the laboratory for SOC content， nitrogen，moisture，and bulk density．The results indicate that the average SOC
content is(84．9 4-26．7)g／kg in the surface layer(0— 20cm depth)of soil under Picea crassifolia forest patches．The SOC
content is significantly greater under shade forest patch((101．6 4-3 1．8)g／kg)compared to the semi—shade forest patches((64．2
4-10．3)g／kg)and sunny slope grassland((23．2 4-5．6)g／kg)．Corelation analysis shows that SOC content is positively
corelated with elevation，soil water content，soil bulk density and shrub biomass，and negatively corelated with canopy density of
Picea crassifolia forest；the patch areas of forest gaps(0．02—0．12hm )and smaler forest patches(0．17—0．89hm )in the
semi—shady slope have not significant effect on SOC content．Further principal compo nent analysis shows that elevation and soil
基金项目：国家自然科学基金资助项 目(40471083)；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所知识创新资助项目(2004110)
收稿 日期 ：2005．05．15：修订日期：2005．10．30
作者简介 ：何志斌(1977～)，男 ，宁夏固原人 ，博士生 ，主要从事生态水文 学研究 ．E．mail：hzbmail@ns．1zb．ac．cn
Foundation item：The project was supported by National Natural Science Foundation of China(No．40471083)and Knowledge Innovation Project of Cold and Arid
Re~ons Environmental and Engineering Research Institute，CAS(No．20041 10)
Received date ：2005-05-15：Accepted date ：2005-10-30
Biography：HE Zhi-Bin．Ph．D．candidate．mainly engaged in eco-hydrology．E-mail：hzbmail@ ns．1zb．ac．cn
维普资讯 http://www.cqvip.com
8期 何志斌 等：祁连山青海云杉林斑表层土壤有机碳特征及其影响因素 2573
water content are the first principal component affecting SOC content，folowed by the canopy density of Picea crassifolia forest and
shrub biomass．which account for 83．8％ of the variance of SOC content．
Key words：soil organic carbon；patch；Picea crassifolia forest；Qilian Mountain
生态系统中的碳循环是一个动态平衡过程 ，主要受到气候 、植被 、土壤有机质的分解 和矿化、干扰等 因素
的影响⋯。近年来 ，c0 排放量升高而影响全球气候变化引起了许多科学家对 陆地生态系统 中碳平衡以及碳
存储和分布的关注。在全球尺度上研究表明，土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库 · ，土壤、植 被和大气
所储存的碳量分别为(1750±250)PgC，(550±100)PgC和 760PgC(1PgC=10 gC) 。因此 ，土壤有机碳的分布
及其转化 日益成为全球有机碳循环研究的热点 j，并且对预测气候变化具有重要的意义 。
干旱山区森林斑块形成后 ，有助于土壤有机碳 在斑块 内聚集 ，即植被丛的“肥岛”，它既是植被作用的结
果 ，又促进植被斑块格局的形成 。因此 ，斑块 内土壤有机碳研究对干旱山区森林抚育管理有重要意义 。另
外 ，表层土壤有机碳直接影响到土壤肥力和植被生产力 。因此 ，本文以祁连山斑块云杉林为研究对象 ，分析林
斑表层土壤有机碳特征及其影响因素。
1 材料与方法
1．1 研究区概况
研究区位于祁连山中段(100。17 E、38。24 N)甘肃省肃南县西水林区的排露沟流域，流域总面积 2．95km2，
长 4．25km，纵坡比降 l：4．19；海拔 2600～3800m。该流域阳坡为 山地干草原，阴坡 为斑块森林景观 ，森林总面
积 1．18krn2，覆盖率 40．1％。年均气温 一0．6～2．0℃，7月份平均气温 10—14％，年降水 量 435．5mm，蒸发量
1051．7mm，年 日照时数 1892．6h，年平均相对湿度 为 60％。植被因地形和气候的差异而形成明显的垂直分布
带 。以青海云杉林(Picea crasifolia)为主的建群种呈斑块状分布于阴坡 、半阴坡 ，灌木主要以金露梅(Potentila
fruticosa Linn．)、银 露 梅 (Potentila glabra Lodd．)、高 山 柳 (Salix cupularis Rehd．)、高 山杜 鹃 (Rhododendron
lapponicum(Linn．)Wah1．)等 为 建群 种，林 下 植 被 主要 以苔 藓 、珠 芽蓼 (Polygonum viviparum Linn．)、木贼
(Ephedra equisetina Bunge)等为主。土壤主要是山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土 ，土层较薄，以粉沙块 为主 ，成
土母质主要是泥炭岩 、砾岩 、紫红色沙页岩等 ，pH值 7．0～8．0。
1．2 采样方法
2004年 7 8月份，在祁连 山中段西水森林保护区
的排露沟流域共调查 了 10块青海云杉林斑 ，其 中 1块
面积较 大 的林斑 位 于 阴坡 ，占整 个 流域林 斑 面积 的
50％以上 。沿林斑上线边缘外的灌木群落、林斑上线边
缘 、林 中上线 、林中下线 、林斑下线边缘和林斑下边缘外
的灌木群落布设 6条调查样线，每条样线设有 5个样地
(图1A)，而其余的9块小林斑处于半阴坡(图1 B)，在每
个小林斑内，沿林斑上边线 、林 斑中心和林斑下边线共
设 3个样地。作为对照，在阴坡林斑内的林窗和 阳坡草
地各设有 5个样 地，即整个研究 区共设 67块样地 。每
块样地面积为 lOm×lOm，调查样地内的每棵乔木高度 、
图 1 采样点分布图
Fig．1 The picture describes the distribution patterns of sample plots
A：阴坡大林斑 ，B：半 阴坡小林 斑 A：Big forest patern located in the
shade slope，B：Small forest paterns located in the semi-shade slope
胸径 、样地林木郁闭度和灌木种类 、平均高度 、盖度和生物量。此外 ，在样地内呈梅花状布设 5个 1m x 1m小
样方 ，调查草本物种数 、平均高度 、平均盖度和生物量 ；苔藓 的盖度 、高度和生物量 。采集样地 内 0—20cm土
样 ，3个重复，带 回实验室分析测定土壤有机碳 、全 N以及容重。土壤含水量和剖面厚度是用土钻取样，20cm
取一次样 ，直到岩石层 。
1．3 样 品处理及数据分析
土壤有机碳的测定采用重铬酸钾容量法，土壤 全氮采用半微量开 氏法(K SO ．CuSO ．Se蒸馏法 )。采用
维普资讯 http://www.cqvip.com
2574 生 态 学 报 26卷
SPSS11．0软件进行统计分析和主成分分析。
2 结果
2．1 土壤有机碳和植被特征
在阴坡 ，土壤有机碳沿林斑下线边缘外的灌木群落至上线边缘外的灌木群落呈递增趋势 ，但存在较大的
变异性 ，最大值为 156．2g／kg，最小值为 46．2g／kg，变异 系数在 11．0％ ～33．7％之间。沿这条样线 ，云杉林 的平
均密度在减小，而平均胸径在增大 ，灌木和草本生物量随云杉林 的郁 闭度增 大而减小 ，而苔藓正好 相反 (表
1)。此外 ，半阴坡的小林斑 中心土壤 有机碳含量明显高于边缘，阳坡草地 的土壤有机碳含量较小 ((23．2 4-
5．6)g／kg)。
表 1 祁连 山青海云杉林斑 的植被状况和土壤有机碳特征
Table 1 Characteristic of vegetation and soil oq；a皿jc carboa of Picea crassifolia fore~ patches
坡向
Slope
aspect
样点
Sampie spot
有机碳
Soil organic
(g／ks)
土壤容重
So il bulk
density
(g／cm )
郁 闭度
Canopy
density
)~ A verag
—
e Ave
蝴
rag e
草
B
本
iom
生
as
物
s o
量
f
苔
B
藓
iom
生
as
物
s o
量
f
hrub herbage
r
。璐 吲
2、 、
(kg／ ) (- ；) (kg／ ) (indi／100m ) heist(cm) kgCm kCm
阴坡 林下灌木 83．7±26．3a 0．73±0．3a
Shade slope Shrub of low forest
0．44±0．17a 0 48±0．1a 0．1±0．1a
林下边线 91．0±30．Oa 0．62±0．Oa 0．53±0 12a 48．1±l1．3a 49．2±10．1a 0．04±0．02b 0．10±0．1b 2．1±0．9b
Sideline of low forest
林中下线 98．8±24．6a 0．56±0 la 0．52±0．O9a 54．6±12．1a 54．6±13．1a 0．O1±0．O1b 0．07±0．1b 7．2±3．5c
Middle of patch forest
林中上线 93 8±46 la 0．34±0．Ob 0．49±0．07a 62．6±8．1a 62．6±18．1a 0．02±0．03b 0．08±0．1b 7．9±1．8c
Middle of patch forest
林上边线 122．8±26．5b 0．37±0 lb 0．28±0．11b 90．0±15．2b 90．0±18．7b 0．12±0．06b 0．26±0．2a 1．7±1 4b
Sideline of p forest
林上灌木 105．3±l1．Ob 0．56±0 la 一 一 一 1．91±0．71c 0．37±0．1a 1．2±1．4b
Shrub of pforest
林窗 Forest gap 99．0±14．5a 0．38±0．1b 0．24±0 13b 43．6±6．7a 43．6±6．0a 0．03±0．04b 0．36±0．3a 2．4±2．3b
半阴坡 林上边线 Upperforest 58．4±9．1c 0．72±0．1a 0．51±0 12a 44．3±7．2a 44．3±22．6a 0．03±0．04b 0．29±0．2a 0．9±1 2a
Semi-shade 林中 Middleforest 71．6±9．3c 0．66±0 1a 0．70±0 02a 53．6±5．9a 53．6±28．8a 0．O1±0．O1b 0．10±0．1b 4．5±3．4c
slope 林下边线 Low forest 62．7±12．6c 0．66±0．1a 0．54±0．15a 50．5±8．5a 50．5±18．2a 0．05±0．06b 0．25±0．1a 1．0±0 7a
阳坡 海拔 Elevation 23．2±5．6d 1．34±0．2c 一 一 一 一 0．32±0．4a —
Sunny slope 2700～300Om
同一列中标有不同字母 的表示在 5％水 平上 差异 显著 Values nrarked with the sanle leter within a column means not significantly diferent(P>
0．05)using one-sample T test of SPSS software
2．2 土壤有机碳含量与环境因子关 系
2．2．1 土壤有机碳与地形因子关系 图 2反映了土壤有机碳含量与各环境因子的关系及其 回归曲线。从 图
2可以看出，土壤有机碳含量与海拔 呈显著性正相关关系 ，相关系数 为 0．515，P=0．000。直线拟合公式 ：SOC
= 0．07h一1 19．15，R =0．27(SOC土壤有机碳含量(g／kg)，h海拔(m))。随海拔升高 ，土壤有机碳含量呈增加
趋势。另外 ，坡向是直接关系到林斑的分布，对土壤有机碳含量影响较大。总体上 ，阴坡 的土壤有机碳含量高
于半 阴坡和阳坡。土壤有机碳含量随坡度变化的直线拟合公式为：SOC=0．3g+77．69，R =0．02(SOC土壤有
机碳含量(g／kg)，g为坡度)。经分析检验 ，土壤有机碳与坡度不存在显著性相关关系(表 2)。
2．2．2 土壤有机碳含量与植被因子的关系 不同植被类型对土壤有机碳含量的影响程度不同 ，从 图 2和表 2
可以看出，土壤有机碳含量与青海云杉林的郁闭度呈显著负相关关系 ，其相关系数为 一0．393(P=0．002)。在
灌木群落内，土壤有机碳含量与灌木生物量呈显著正相关关系 ，相关系数为 0．26(P=0．045)，而与云杉林的平
均胸径 、草本生物量和苔藓生物量没有显著性相关关系。
2．2．3 土壤有机碳 含量与土壤其它 因子关 系 研究区表层土壤 pH值范围在 0．7～0．8之 间，土壤机械组成
以粘粒为主。在林斑尺度上 pH值 、粒径组成差异不显著 j。因此 ，在本次研究中未分析 pH值和土壤粒径对
维普资讯 http://www.cqvip.com
8期 何志斌 等 ：祁连山青海 云杉林斑表层土壤 有机碳特征及 其影响因素 2575
土壤含水量Soil water content(％)
土壤容重 Soil bulk density(g／cm3)
一 200
咖 15o
羹{1o
兰
暨 50
0
O
灌木生物量 Shrub biomass(ked1 00m2)
O 2 OO 4 OO 6 00 8 00 10 00 12 00
苔藓生物量 Moss biomass(kg／m3)
2o0
15O
1o0
5O
O
200
1 5O
1OO
5O
O
200
1 5O
1OO
5O
O
1OO
8O
60
40
2O
O
全氮 Soil nitrogen content(g／kg)
0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 O
郁 闭度 Canopy density
草本生物量 Grass biomass(kg／m2)
坡度 Slope
26o0 2700 2800 2900 3000 31OO 3200 3300 3400 0
海拔 Elevation(m)
0 20 0 40 0 60 0 80 1 OO
斑块面积 Patch area(m2)
图 2 土壤有机碳与影响 因子 的回归关系
Fig．2 Regression relationship between soil organic carbon and environment factors
土壤有机碳的影响 ，而从土壤水分和养分方面进行分析。从表 2可 以看出，土壤有机碳与土壤含水量 、土壤容
重和全氮都存在显著性相关 ，其 中土壤含水量和全氮与土壤有机碳含量呈正相关 ，相关 系数 分别为 0．641
(P=0．000)和 0．832(p=0．000)，而与土壤容重呈现显著负相关 ，相关系数为 一0．68(p=0．000)。
^]I c0q u u一写 0【l0∽
咖如鼙 忙簟}
一∞)I 一c0q u uIu岛J0一10∽
咖如鼙 忙簟}
一∞)I 一c0q u uIuB8J0一10∽
咖如鼙 忙簟}
瑚 ∞ o
瑚 ∞ o
一∞)I 一c0q u uIuB8Jo—10∽
咖如鼙 忙簟}
一10∽
维普资讯 http://www.cqvip.com
2576 生 态 学 报 26卷
2．2．4 土壤有机碳含量 与斑块 面积关系 林斑面积
直接影响到林内小气候环境以及林下植被状况 ，林斑
面积越小，受边界气候条件的影响越明显 ，林下植被
状况 、气候条件等与周围环境越相 似。研究表 明：对
于半阴坡 0．17～0．89hm 的小斑块林地来说 ，其斑块
面积对土壤有机碳含量并没有显著的影响 ，而林木郁
闭度和土壤含水量是主导的影响因子。此外，对于 10
～ 15a前采伐形成的林窗斑块 ，其斑块植被发生较大
变化 ，草本物种丰富度 、生物量都明显增加，但土壤有
机碳含量变化不显著 ，这表明土壤有机碳 的动态变化
是一个相对漫长的过程，为 了研究这种采伐干扰对土
壤有机碳的影响还需要更长的时间去探索。
2．3 影响土壤有机碳含量因子的主成分分析
从表 3可以看出，第一主成分与海拔高度和土壤
含水量有较大的正相关 ，它反映了土壤温度较低 、含
表 2 土壤有机碳和环境因子的相关系数
Table 2 Correlation coeficient of soil organic carbon and environment
factors
环境 因子
Environment factors
相关系数
Correlation coefficient P
**表示在 O．叭 水平上显著相关 Signifcant corelation in the O．叭
level；* 表示在 O．O5水平上 显著 相关 Significant corelation in the O．05
level
水量较高 ，有机碳分解释放缓慢的土壤环境。第二主成分与云杉郁闭度有较明显的相关关 系，它反映了由于
云杉林 的遮荫使林内光线不足，不利于枯落物分解。第三主成分与灌木生物量有较大的正相关。这 3个主成
分累计解释率为 83．3％。
表 3 环境 因子 的主成分分析矩阵
Table 3 Matrix of principal component of environment fhctors
3 讨 论 ‘
土壤有机碳 主要来源于植物 、动物 、微生物残体和根系分泌物 ，并处于不断分解与形成的动态过程，因此
土壤有机碳含量是生态系统在特定条件下的动态平衡值。在不同的生物气候条件和人类扰动下，土壤有机碳
积累的数量存在很大差异。。。祁连 山青海云杉林主要分布在 阴坡 和半 阴坡 ，林 木分布上线 的海拔 高度为
3200～3300m。从研究结果来看 ，随海拔升高土壤有机碳含量增大 ，其主要原因是受 降水量和气温变化的影
响。因为在较高海拔地区，降水量较高 ，土壤湿度大，并且温度低 ，影响动植物残体的分解释放 ，大部分以有机
物形式沉积在土壤中 “川 。祁连 山区气温随海拔升高而递减 ，递减率为 0．58。【=／lOOm；降水量随海拔升高而递
增 ，递增率为 18．6mm／lOOm 。。此外 ，在垂直方向上土壤有机碳含量 因植被的影响使变异性更显著 。
与林斑相邻的灌木群落，土壤有机碳含量随灌木生物量增高而增高 ，但同时也受 到土壤含水量 、温度 、降
水等的影响。林斑上线边缘灌木群落的土壤有机碳含量高于林下边缘灌木群落的主要原 因是林上线 的降水
量高 、温度低 、土壤含水量高(图 3)，并且几乎不受放牧的干扰。
维普资讯 http://www.cqvip.com
8期 何志斌 等：祁连山青海云杉林斑表层土壤有机碳特征及其影响因素 2577
本次研究所选择的林窗 主要分布在阴坡 大林斑 的
中部，林窗面积在 0．02～0．12hm 之间，其植被发生 了 。
较明显的变化，草本物种多样性、生物量都明显增加。 20卜
跟阴坡草地和阳坡草地的土壤有机碳含量相比，林窗草 量 广
地>阴坡草地>阳坡草地。与同一海拔高度的林地相 量 。 I
比，林窗的土壤有机碳、土壤含水量、土壤容重都没有发 100 L
生明显的变化，这是否与林窗面积和采伐的时间长短有 墨120卜
References：
[1] Evrendilek F，Celik I，Kilic S．Changes in soil organic carbon and other physical soil properties along adjacent Mediteranean forest，grassland，and
cropland ecosystems in Turkey．Joumal of Arid Environments，2004，59：743—752．
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[1O]
Wang Y X，Zhao S D，Niu D．Research state of soil carbon cycling in terestrial ecosystem．Chinese Joumal of Ecology，1999，18(5)：29—35．
Jin F，Yang H，Cai Z C，et a1．Calculation of density and rescue of organic carbon in soils Acta Pedologica Sinica，2001，38(4)：522～528．
IPCC(Intergovemmental Panel on Climate Change)．Summary for policy makers．In：Houghton J T，Ding Y，Gri~s D J，et a1．Climate Change 2001：
The Scientific Basis．Contribution of W orking Group I to the Third Assessment Report of the Imergovemmental Panel on Climate Change．Cambridge
University Press，Camb ridge，UK，2001，944PP．
Wang Y F，Chen Z Z，Lary T．Distribution of soil organic carbon in the major grasslands of Xilinguole，Inner Mogolia，China．Acta Phytoecolo~ca
Sinica，1998，22(6)：545～551．
IJj L H．Efects of land-use change on soil carbon storage in grasland ecosystems．Acta Phytoecologica Sinica，1998，22(4)：300—302．
Allen M F．Belowground spatial patteming：Influence of root architecture，microorgan ism and nutrients on plant survival in arid lands In：Allen E B，ed
The Reconstruction of Disturbed Arid Ecosystems．Boulder：W estview Press，1988．113— 135．
Schesinger W H，Raikes J A，Hartley A E，et a1．0n the spatial patem of soil nutrients in desert ecosystems．Ecology ，1996，77(2)：364—374．
Wang J Y，Chang X X，Ge S L，et a1．Character of water—heat and vegetation distributing in the North-slope of Qilian Mountain．Joumal of Northwest
Forestry University，2001，16(supp．)：1—3
Fu H，Chen Y M，Wang Y R，et a1．Organic carbon content in major grassland types in Alex，Inner Mongolia．Acta Ecologica Sinica，2004，24(3)：469
— 476．
Burke I C，Yonker C M，Ponton W J，et a1．Texture，climate and cultivation effects on soll organic matter contentin U．S．Grassland soils．Sol Sci．Soc．
Am J ，1989，53：800—805
参考文献 ：
2
3
5
6
9
1O
汪业 勖 ，赵士洞 ，牛栋 ．陆地土壤碳循环的研究动 态 ．生态学杂志 ，1999，18(5)：29～35．
金峰，杨浩，蔡祖聪，等 土壤有机碳密度及储量的统计研究．土壤学报 ，2001，38(4)：522—528．
王艳芬 ，陈佐忠 ，Lary T Tieszen．人类 活动对锡林郭勒地 区主要草原土壤 有机碳 分布的影 响．植物生态学报 ，1998，22(6)：545～551
李凌 浩 ．土地利用变化对草原生态系统土壤碳贮量 的影 响．植物生态学报 ，I998，22(4)：300～302．
王金叶 ，常学向 ，葛双兰 ，等．祁连山(北坡)水热状况 与植被垂直分布 ．西北 林学院学报 ，2001，16(增)：1～3．
傅华，陈亚明，王彦荣，等 阿拉善主要草地类型土壤有机碳特征及其影响因素．生态学报，2004，24(3)：469—476．
维普资讯 http://www.cqvip.com