海拔梯度与人为干扰对印度加尔瓦尔喜马拉雅山区白背栎（Quercus leucotrichophora）森林土壤质量指数和生物量碳的影响

《Journal of Environmental Management》：Altitudinal gradient and anthropogenic disturbance alter soil quality index and biomass carbon in Banj Oak ( Quercus leucotrichophora) forests of Garhwal Himalaya, India

　　

**摘要**

加瓦尔喜马拉雅地区的森林正面临日益加剧的人类活动压力，这对森林的生态完整性、生物多样性以及土壤物理和生化功能构成了严重威胁。了解这些干扰如何通过海拔梯度影响生物量碳和土壤健康，对于可持续管理至关重要。本研究评估了森林干扰对碳固持和土壤质量的影响，研究区域为印度北阿坎德邦海拔梯度（1600-2600米海拔）的白叶栎（*Quercus leucotrichophora*）优势林。采样在五个海拔范围进行，即1600-1800、1800-2000、2000-2200、2200-2400和2400-2600米海拔，采用分层随机抽样方法，设置了受干扰和未受干扰的地段，每个地段布设10个样方（10×10米）。利用现场指标（林冠覆盖率、砍伐强度、砍伐树桩、放牧小径）量化森林干扰程度。按照IPCC（2000）指南，使用非破坏性异速生长方程估算生物量和碳储量。对土壤样本（0-15厘米、15-30厘米）进行理化生性质分析，包括pH值、土壤有机碳、氮磷钾含量、容重、阳离子交换容量和脱氢酶活性。采用加法法（SQIa）和主成分分析加权法（SQIw）计算土壤质量指数（SQI）。受干扰地段的总碳密度（TCD）（91.91-295.68 Mg C ha?1）显著低于未受干扰地段（TCD：152.40-500.29 Mg C ha?1）。在所有海拔高度下，人类活动干扰下土壤质量指数均明显下降。受干扰地段的SQIa（0-15厘米为2.50；15-30厘米为2.26）低于未受干扰森林（相应深度分别为2.95和2.74），表明土壤功能能力的明显下降。同样，在跨地段平均并结合两个土壤深度后，受干扰森林的SQIw（2.38）低于未受干扰地段（2.84）。未受干扰的森林地段在各海拔和深度保持了更好的土壤质量，而受干扰地段SQI值较低，表明人类活动干扰导致土壤生态系统功能退化。沿海拔梯度的森林干扰导致生物量和土壤质量出现可测量的退化。研究结果强调了迫切需要实施干扰缓解政策和生态恢复策略，以维持喜马拉雅地区的森林生产力和生态系统服务。

**引言**

森林是最广泛、最复杂且生物生产力最高的陆地生态系统之一，在维持生态平衡和提供基本生态系统服务方面发挥着关键作用。森林是全球碳和养分循环、生物多样性保护以及社会-经济可持续发展的重要组成部分。森林的生态意义要求我们深入理解其变异性、物种组成、群落结构和功能属性，这些因素受土壤、地形和气候条件的影响（Gairola等，2008；Shaheen等，2011；Bisht等，2013）。

喜马拉雅山脉是世界上最高且最年轻的山脉，横跨印度北部，覆盖约18%的国土面积。该地区是全球山地生态系统的重要组成部分，提供生态系统服务、影响气候格局，并支撑着异常多样的动植物。此外，喜马拉雅地区养育着众多原住民和部落社区，为其提供水、木材、薪柴和非木材林产品等重要资源（Singh，2006）。

加瓦尔喜马拉雅位于西喜马拉雅地区，在不同海拔梯度、土壤组成和地质构造下呈现出多样的森林类型（Champion和Seth，1968a, Champion和Seth，1968b）。该地区以栎属（*Quercus* spp.）和针叶树种为主的温带森林，分布在海拔1200至3000米之间（Kumar等，2012）。这些森林通过提供饲料、薪柴和药用植物等基本资源，成为当地社区的主要生计来源。

白叶栎（*Quercus leucotrichophora*）是加瓦尔喜马拉雅中海拔地区的优势栎树种，与尼泊尔桤木（*Alnus nepalensis*）、椭圆叶珍珠花（*Lyonia ovalifolia*）、美国杨梅（*Myrica esculenta*）、灰栎（*Quercus glauca*）和毛樱桃（*Prunus cerasoides*）共生。同时，乔巴松（*Pinus roxburghii*）作为该地区的另一关键树种，常与雪松（*Cedrus deodara*）、白皮松（*Pinus wallichiana*）、印度梨（*Pyrus pashia*）和杜鹃（*Rhododendron arboreum*）伴生（Joshi和Negi，2011）。栎林，尤其是白叶栎林，提供多种生态系统服务，包括土壤稳定、流域保护和碳固持。这些森林还具有巨大的社会经济重要性，因为其枝叶被用作牲畜饲料，尤其在冬季其他食物来源匮乏时。栎叶与牲畜粪便混合使用可增强土壤肥力，从而支持可持续农业（Singh和Rawat，2012）。

在西喜马拉雅地区，不同海拔分布着不同的栎树种，包括白叶栎（*Quercus leucotrichophora*）、灰栎（*Quercus glauca*）、花栎（*Quercus floribunda*）、半壳栎（*Quercus semecarpifolia*）和毛栎（*Quercus lanuginosa*）。这些物种在维持土壤肥力、保护流域完整性和支持当地生物多样性方面发挥着关键作用（Singh等，2016）。然而，中海拔栎林正日益受到人类活动压力的威胁，包括过度砍伐、薪柴采集和放牧。由于当地社区对栎林有多方面的依赖，他们导致森林退化，加剧生物多样性丧失和生态系统不稳定（Prasad等，2019）。

森林通过固持大气二氧化碳并将其储存在生物量和土壤中，发挥着重要的碳汇功能。森林碳固持是减缓气候变化的关键策略，因为它降低了大气CO?浓度并增强了生态系统韧性（Yadav等，2022；Cherinet和Lemi，2023）。栎林林冠结构因自然和人为干扰而变化，在森林保护和管理中发挥着关键作用，测量林冠覆盖率对于理解森林结构和动态至关重要。尽管激光雷达和遥感技术在林冠覆盖率评估方面取得了进展，但在整合野外数据和确保异质森林中的可靠性方面仍面临挑战（de Conto等，2024；Lang等，2023）。

森林通过在植被和土壤中储存大量碳，显著影响区域和全球碳动态。在干扰后的恢复生长过程中，森林作为碳汇，而在遭受砍伐或退化时则成为碳源。全球森林生态系统估计含有6380亿吨碳（Gt C），其中仅生物量就储存了2830亿吨碳（FAO，2005；IPCC，2021）。森林生态系统中的碳分布在不同组分中，包括地上和地下生物量、枯落物和土壤有机质（Malhi等，2002）。了解森林的碳储存潜力对于制定有效的保护策略和气候变化缓解政策至关重要。

植被在塑造生态系统结构和功能方面发挥着基础性作用（Gaur，1999；Bhatt和Purohit，2009）。植物群落影响微气候条件、土壤特性、水文循环以及生态系统内的整体能量平衡（Yadav等，2022）。然而，喜马拉雅森林正日益受到干扰，这些干扰显著影响植被组成和生态系统稳定性。人为活动，包括放牧、砍伐、薪柴采集和地表燃烧，造成慢性干扰，阻碍森林再生和生态恢复（Singh，1998）。这些干扰通过不同的机制途径影响土壤特性。薪柴采集和砍伐减少了枯落物降落和有机质输入，从而减少土壤有机碳积累和养分循环（Zhang等，2024；Cao等，2020）。放牧和践踏增加土壤紧实度，降低孔隙度、通气性和水分入渗，进而抑制微生物活性和根系生长（Sharrow，2007）。此外，林冠缺失通过增加土壤温度波动和降低土壤保水性改变微气候条件，进一步加速有机质分解和养分快速流失（Lenk等，2024；Tong等，2024）。

由于采矿、过度放牧和不可持续的采伐实践等人类活动，喜马拉雅森林的退化导致土壤质量和生态系统生产力显著下降（Bhattacharyya等，2015；Singh等，2016；Thadani，2026）。土壤质量是森林生态系统健康的重要指标，因为它直接影响养分有效性、微生物活性和植被可持续性（Bhaduri等，2022；Abshiba等，2025；Gatica-Saavedra等，2023）。在森林生态系统中，土壤的理化生性质与植被结构和碳动态密切相关，使土壤质量成为生态系统功能的基础组成部分之一（Sharma等，2024；Kooch等，2025）。然而，由于海拔变异性与人为干扰的复杂互动影响，评估喜马拉雅森林生态系统的土壤质量仍具挑战性。现有研究（Ngaihte等，2024；Mishra等，2017）大多分别关注干扰效应或海拔梯度，在将这两个因素与土壤质量指数（SQI）和森林碳动态联系起来方面有限。同样，在白叶栎林中使用多指标SQI框架（如加法SQI和加权SQI）并结合生物量和土壤碳评估的研究也有限。这限制了对环境梯度和人为梯度如何控制这些生态系统中土壤功能和碳固持的机制性理解。开发标准化的SQI对于评估人为干扰的影响和指导可持续森林管理实践是必要的（Semy等，2022）。虽然生物量和碳储量提供了对森林生产力和气候调节的重要理解，但土壤质量则标志着生态系统可持续性的功能基础（Sinha等，2024）。土壤的理化生性质控制养分循环、微生物活性和植被动态，从而实现长期生态系统韧性（Kong等，2023；Chen等，2024；Rawat等，2022）。在这种情况下，SQI作为一个综合工具，整合了多种土壤特征对生态梯度的综合响应（Kandel等，2024）。因此，将生物量、碳储量等植被衍生指标与SQI联系起来，可能提供跨海拔梯度的生态系统功能的更全面理解。此外，海拔变化在调节山地生态系统土壤质量方面起着至关重要的作用。不同海拔影响降水、温度和土壤水分条件，直接影响土壤有机质分解速率、养分矿化和微生物活性（Mangral等，2023）。通常，在较高海拔、较低温度下，分解过程减缓，导致有机质积累增加；而在较低海拔、较暖条件下，养分周转加快，但可能加速受干扰土壤和森林环境中的土壤碳损失（Tiwari等，2023）。因此，了解人为干扰和海拔梯度的共同效应对于评估喜马拉雅森林现有生态系统功能至关重要。

鉴于白叶栎林的生态重要性及其面临的日益严峻的威胁，本研究旨在：(i) 评估人为干扰对沿海拔梯度白叶栎林生物量和碳储量的影响；(ii) 评估干扰和未干扰条件下土壤理化生性质的差异；(iii) 通过加法法和基于主成分分析的指数计算土壤质量，以理解跨海拔森林土壤生态系统对干扰的功能响应。为了系统地评估海拔和人为驱动因素的影响，本研究在可检验的假设下展开，即H?：海拔和人为干扰对生物量和碳储量无显著独立或交互影响，海拔、人为干扰和土壤深度对土壤性质和土壤质量指数无显著影响；H?：海拔和人为干扰对生物量和碳储量有显著影响，海拔、干扰和土壤深度对土壤性质和土壤质量指数有显著影响。

本研究将为深入了解喜马拉雅栎林的生态动态做出贡献，并为保护和可持续管理提供见解。研究结果将帮助政策制定者、保护者和当地社区制定策略，以缓解森林退化、增强碳固持和改善土壤健康。通过将科学研究与保护工作相结合，本研究旨在促进加瓦尔喜马拉雅白叶树林的长期可持续性。

**研究地点与采样**

本研究在印度北阿坎德邦鲁德拉普拉亚格县和泰赫里加瓦尔县的五个不同海拔范围内进行，分别为1600-1800米海拔、1800-2000米海拔、2000-2200米海拔、2200-2400米海拔和2400-2600米海拔，如图1地图所示并在表1中详细说明。根据初步实地勘察调查评估各海拔范围内的干扰指标，将样地分为受干扰和未受干扰两类。林分观测和土壤……

**森林干扰对生物量和碳储量的影响**

生长蓄积密度（GSVD）（图2a）在不同样地间存在显著差异。受干扰森林的GSVD值（图3）范围为91.35 ± 19.89至604.66 ± 19.89 Mg ha?1，而未受干扰森林的GSVD值较高，为123.46 ± 30.58至973.54 ± 30.58 Mg ha?1。配对t检验证实干扰对森林结构完整性有显著影响（p ≤ 0.05）。地上生物量密度（ABD）（图2b）在不同森林条件间存在显著差异。

地上生物量密度对干扰影响森林结构、生物量和碳封存的研究。本研究表明，人为干扰对加瓦尔喜马拉雅山区域的白栎（Quercus leucotrichophora）森林结构和生物量碳储量产生了显著影响。干扰区域生长蓄积量密度（GSVD）、地上生物量密度（AGBD）、地下生物量密度（BGBD）和总生物量密度（TBD）的数值较低，反映了森林生产力和结构完整性的大幅下降。这些减少可归因于

优势与展望。本研究揭示了人为干扰对白栎森林结构和土壤质量的深远影响，研究对象跨越加瓦尔喜马拉雅山约1000米的海拔梯度。本研究最重要的优势在于其综合性方法，将生物量碳储量估算、植被结构和多参数土壤质量测定相结合，在确定的海拔梯度上进行研究。通过同时评估地上和地下生物量，

结论。本研究表明，人为干扰显著影响加瓦尔喜马拉雅山海拔梯度上白栎森林的土壤质量和森林结构。干扰区域表现出生长蓄积量密度、生物量密度和总碳密度的大幅下降，同时多项土壤性质如土壤有机碳、养分、阳离子交换量和生物活性均有所降低，而土壤pH值始终保持酸性且无显著变化。

CRediT作者贡献声明。Sachin Shah：概念设计、数据整理、正式分析、调查、软件、撰写初稿。Vinod Prasad Khanduri：概念设计、数据整理、调查、方法学、资源、监督、验证、可视化、撰写审阅与编辑。Deepa Rawat：数据整理、正式分析、调查、方法学、监督、验证、撰写初稿、撰写审阅与编辑。Bhupendra Singh：方法学、监督、验证。

资金支持。本研究未接受外部资金支持。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明。在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）协助进行语言编辑和语法改进。作者已仔细审阅、编辑并验证所有内容，并对已发表文章的准确性和完整性承担全部责任。

利益冲突声明。作者声明，他们不存在可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Sachin Shah | Vinod Prasad Khanduri | Deepa Rawat | Bhupendra Singh | Manoj Kumar Riyal | Sarswati Prakash Sati

印度北方邦，Tehri Garhwal，Ranichauri，V.C.S.G.乌塔克汉德园艺与林业大学林业学院育林与农林系，249 199。