亚热带和温带成熟天然林土壤碳氮磷垂直分异特征

雷克儿

森林是陆地生态系统的重要碳汇，在区域尺度上研究森林土壤碳氮磷的垂直分布特征及其影响因素，有助于加深人们对陆地生态系统碳氮磷循环过程及潜在调控机制的认识，为陆地碳氮磷循环模型的改进与参数优化提供理论依据。然而，以往关于森林土壤碳氮磷的垂直分布特征及影响因素的研究更多关注的是人工林或次生林生态系统，而且大多只分析了单一或少数环境因素对土壤碳氮磷垂直分布的影响，没有综合分析气候、土壤、植被等因子的直接或间接作用，无疑加大了对森林土壤碳氮磷垂直分布规律揭示的难度与不确定性。天然林由于长期受人类保护，直接的人为扰动较小。与人工林相比，天然林有着更高的生物多样性与更稳定的群落结构，这为我们更精确地评估森林土壤碳氮磷垂直分布特征及其影响因素提供了理想场地。本文以分布在我国亚热带和温带地区的131个成熟天然林为研究对象，通过分析常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林和落叶针叶林四种森林类型5个土层（0~10；10~20；20~30；30~50；50~100 cm）土壤碳氮磷含量，并结合气候、植被与土壤理化性质，探究成熟天然林土壤碳氮磷含量的垂直分布规律及关键影响因子。（1）常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林和落叶针叶林土壤有机碳（SOC）、土壤全氮（STN）、土壤全磷（STP）含量垂直变化趋势相同，表现为随土壤深度增加而减少。其中，土壤有机碳、全氮在垂直梯度上的降幅较大，而土壤全磷的降幅较小。（2）不同森林同一土层土壤碳氮含量差异显著：在所有土层（0~100 cm），常绿阔叶林和常绿针叶林土壤有机碳含量显著高于落叶阔叶林和落叶针叶林；常绿针叶林土壤全氮含量显著高于其他三种森林类型。相比之下，不同森林同一土层土壤全磷含量之间的差异不显著。（3）随机森林模型结果表明，土壤碳氮磷垂直分布的影响因素不同。对土壤有机碳而言，在0~50 cm土层，主要的解释因子是年均温（MAT）和地上净初级生产力（ANPP），分别解释了土壤有机碳含量变化的12.5%~17.8%和13.1%~17.8%。对土壤全氮而言，在0~30 cm各土层，主要的解释因子是土壤粉粒（8.9%~14.3%），而在30~100 cm各土层，土壤pH是主要的解释因子（11.2%~11.7%）。对土壤全磷而言，在0~50 cm土层，MAT（7.1%~8.4%）和凋落物氮磷比（5.7%~10.0%）是主要的解释因子，而在50~100 cm土层，最重要的解释因子是土壤粉粒（9.5%）。将随机森林模型的预测值与实际值进行线性拟合发现，模型对0~10 cm土层土壤有机碳含量的预测性能较好，而对50~100 cm土层土壤有机碳含量的预测效果较差；模型对30~50 cm土层土壤全氮的预测性能较好，而对其它土层的预测效果较差；模型对0~100 cm所有土层土壤全磷的预测性能都较差。（4）土壤有机碳含量与土壤黏粒、年均降雨量（MAP）以及地上部分净初级生产力（ANPP）显著正相关，与土壤pH以及MAT显著负相关；土壤全氮含量与凋落物氮（Litter N）含量以及土壤粉粒显著正相关，与凋落物碳氮比（Litter C： N）、土壤pH以及MAP显著负相关；土壤全磷含量与土壤粉粒显著正相关，与Litter C：N、MAT以及Litter N： P显著负相关。（5）气候因子除直接影响土壤有机碳含量外，还通过影响ANPP和土壤因子间接影响土壤有机碳含量，土壤黏粒则通过影响ANPP间接影响土壤有机碳含量；MAP除直接影响土壤全氮外，还通过影响Litter C： N、Litter N含量、土壤因子而间接影响土壤全氮含量；气候因子除直接影响土壤全磷外，还通过影响Litter C： N，Litter N： P以及土壤粉粒而间接影响土壤全磷含量。本研究结果表明，成熟天然林土壤碳氮含量在垂直分布上具有明显的地带性分异规律，在不同土壤深度中，土壤碳氮磷垂直分布的影响因素不同。因此，在今后的模型评估中要充分考虑土壤深度这一重要变量，并要综合考虑各个环境因子之间的相互作用对土壤碳氮磷垂直分布的影响。此外，成熟天然林是一个巨大的土壤碳库和土壤养分库，加强对我国成熟天然林生态系统的保护，对促进我国森林土壤碳库的增加以及森林的可持续发展具有重要的科学意义。