張玲玲，蘇印泉 ，劉 艷 ，何德飛 ，高海霞 ，王 建 ，許喜明

(1.西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學 資環(huán)學院，陜西 楊凌 712100）

黃土高原千陽人工側(cè)柏林有機碳的研究

張玲玲1，蘇印泉1，劉 艷1，何德飛1，高海霞1，王 建2，許喜明1

(1.西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學 資環(huán)學院，陜西 楊凌 712100）

采取分級調(diào)查的方法對黃土高原側(cè)柏人工林碳匯進行研究, 對比側(cè)柏不同林齡生態(tài)系統(tǒng)及鄰近荒地生態(tài)系統(tǒng)碳匯情況，分析造林對當?shù)靥純α坑绊?。研究結(jié)果表明：幼齡林有機碳比例較大的部分，均在樹體的末端部位，其后，逐漸向樹干、三級根、三級枝中轉(zhuǎn)移。側(cè)柏的葉、果等碳氮比低，凋落后易于分解，且有機碳含量比例較大，有利于補充土壤有機碳庫。側(cè)柏林下土壤0～30 cm含碳量較高，與其下土層相比差異顯著。造林前期，因人工整地造成水土流失，有機碳有降低趨勢，但隨著人工林的生長郁閉，土壤中的有機碳逐步增加，對土壤總碳庫補充增加明顯，改善了土壤有機碳儲量。且隨著地上部分的增長，人工林生態(tài)系統(tǒng)總體含碳量較荒地大為提升。通過擬合，得到側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)有機碳密度與林齡的擬合方程：，擬合結(jié)果說明：隨著林齡的增長側(cè)柏人工林碳吸收呈上升趨勢。

黃土高原；側(cè)柏人工林；有機碳；分級調(diào)查

森林作為陸地生物圈的主體，儲存碳占陸地生態(tài)系統(tǒng)的50%～60%[1]，匯聚全球植被碳庫的86%及全球土壤碳庫的73%以上，每年固定的有機碳占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)2/3左右，在碳收支平衡中起著重要作用[2-3]。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量是估算森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣吸收以及排放含碳氣體的重要因子，也是研究大氣中有機碳與森林生態(tài)系統(tǒng)交換的有效參數(shù)。加拿大、美國等國家對于生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算研究均有很大進展[4-5]。我國生態(tài)學家對于植被生物量的測定始于70年代末80年代初，此后，對我國主要森林類型在全國尺度的生物量進行了估算[6]。另一方面，90年代中期以后，一些生態(tài)學家利用野外實測的資料結(jié)合全國森林資源清查資料，探討了全國尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)生物量及其變化[7-8]。

我國森林具有以下特點：(1) 林齡較小，幼齡林占森林總面積的比重較大（約占總面積的1/3）[9]；(2) 森林碳密度較低，目前我國森林平均碳密度僅為41.1 Mg C/hm2(Mg=1×106g)，且78.7%的森林平均碳密度低于50 Mg C/hm2[10]；(3) 人工林面積較大（3 230萬hm2），占森林總面積23%，且不斷增加[11-13]。

我國森林生態(tài)系統(tǒng)有機碳的研究多為自然林，以及基于森林資源清查資料的大尺度研究，但對于生態(tài)系統(tǒng)中喬木、灌木、草本、枯落物及土壤有機碳含量的精確研究，特別是分級分析喬木的調(diào)查不多。本文就黃土高原側(cè)柏人工林分級調(diào)查，分析側(cè)柏人工林與鄰近荒地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量情況的變化，以期為我國森林碳收支研究提供依據(jù)。以人工林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，由于人工林林齡一致，林齡資料準確，布局均勻，在調(diào)查研究時更易細化，且人工林面積及碳匯潛力大，研究結(jié)果可為退耕還林后的有機碳變化提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于陜西省日元貸款造林項目生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究區(qū)：陜西省千陽縣的城關(guān)鎮(zhèn)廟嶺村。氣候類型屬中溫帶半干旱，年均氣溫為8.7℃～11.8℃，最高溫23.7℃(7月份)，最低溫-9.7℃(1月份)，年積溫（≥10 ℃）為3 320℃，無霜期167 d。年均降水量627.4 mm。暴雨、干旱、冰雹、風蝕水蝕等災害時有發(fā)生。由于自然災害及人類活動的影響，導致生態(tài)環(huán)境脆弱。

研究區(qū)為典型的黃土丘陵，風蝕水蝕特征明顯，黃土層覆蓋厚度達30 m以上，海拔高度為890.9～1051.4 m，總面積1 033.56 hm2。據(jù)調(diào)查，2000年以前，該區(qū)域有林地面積占總面積的8.65%，2000年以后，該流域在日元貸款造林項目的支持下，對荒山和部分低產(chǎn)農(nóng)田實行“退耕滅荒”造林，造林樹種以側(cè)柏Platycladus orientalis、刺槐Robinia pseudoacacia為主，生態(tài)林面積提高到31.02%。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

標準木解析：選樣地進行植物群落調(diào)查，每木檢尺，在側(cè)柏林地樣地選擇標準木1株，進行樹木解析，分級取樣，一級枝、根為直徑小于5 mm（一年生），二級枝、根為直徑介于5～10 mm（兩年生），三級枝、根為直徑大于10 mm（多年生）。

樣方設(shè)置及取樣：在每一塊樣地中按對角線3點取樣法確定調(diào)查位置，灌木調(diào)查每塊樣地設(shè)3個5×5m樣方，草本植物和地表枯落物調(diào)查在每塊灌木調(diào)查樣方內(nèi)，按照固定方位（對角線）設(shè)3個1 m×1 m小樣方。

土壤取樣：在每個1 m×1 m小樣方用直徑為9 cm的土鉆分層采集，深度為0～80 cm，每層（10 cm）取500 g土樣，每個剖面采集8個樣品。

本研究共獲取樣品119個，其中荒地33個，幼齡林43個，中齡林43個；灌木調(diào)查選擇代表性樣方各7個（每個樣地各1個），地上部分采取全面收割法，地下部分調(diào)查采取全面分層調(diào)查法，取混合樣品，求出3類樣地的樣方平均值，計算灌木根系含水率，并測定有機碳含量。

2.2 樣品處理

土樣風干并磨碎，過0.125 mm土篩，植物樣品在108℃條件下烘干（至恒量）并粉碎測定有機碳、有機氮含量。有機碳測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法（GB 7857-87）[14-15]測定，有機氮的測定采用半微量開式法。

2.3 計算方法

根據(jù)調(diào)查的喬、灌木根系生物量及測定的有機碳含量計算灌木根系（DROCDa）和喬木根系（DROCDb）。公式分別為：

式（1）中： a為樣方面積（m2），Gi、Ci分別為樣方灌木根系第i層生物量(kg)和COCC(g·kg-1)。

式（2）中： Z代表樣地喬木的平均株數(shù)，A代表樣地面積（m2），Gij、Cij分別為第i層和第j 粗度級的生物量（kg）和 COCC（g·kg-1）。

土壤的有機碳密度DSOCD（Soil organic carbon density）的計算公式[1-2]為：

式（3）中：DSOCD為土壤有機碳密度(kg·m-2)，Ci、Bi、Di分別為土壤剖面第i層土壤有機碳含量 (g·kg-1)、第 i層土壤容重 (g·cm-3)，土層的厚度(cm)。

測定結(jié)果采用Excel軟件和SPSS 12.0軟件進行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同器官含碳比例變化

隨著林齡的增長，有機碳含量也隨之變化。若僅對比不同器官有機碳含量變化，由于不同樹齡材積不同，不具有可比性。為更科學的表明有機碳變化，現(xiàn)對比不同器官中有機碳含量比例的變化：

式（4）中：R為有機碳比例，COCCi，COCCt分別為第i種側(cè)柏器官有機碳含量以及總有機碳含量。

從圖1可以看出，幼林齡和中林齡的樹干含碳比例最大。中齡側(cè)柏含碳比例大小為：干＞三級枝＞三級根＞葉；幼齡側(cè)柏含碳比例大小為：干＞葉＞一級枝＞三級根。對比幼林齡，中林齡側(cè)柏的有機碳主要集中于三級枝、三級根。隨著林齡的增長，三級枝、三級根以及干的含碳比例有所上升，其中三級根的含碳變化較大，表明，側(cè)柏有機碳隨著樹林增長，逐漸向三級枝、三級根以及干轉(zhuǎn)移并積累。

圖 1 側(cè)柏不同器官有機碳含量比例Fig.1 The organic carbon proportion of different P. orientalis organs

側(cè)柏的有機碳含量比例，除主干、三級枝及三級根之外，10年生比35年生的葉、一級枝、二級枝、皮、一級根、二級根的均較大，表明其新生器官固碳能力較強，且隨著這些器官的凋落，對土壤碳庫將有一定的補充作用。欲對比不同器官凋落后碳氮比分解情況，需進一步研究。

3.2 側(cè)柏不同器官碳氮比（C/N）

植物的凋落物作為土壤有機質(zhì)重要來源對土壤的理化性質(zhì)以及生物性質(zhì)產(chǎn)生極其重要的影響[16-17]。林木凋落物及其分解狀況是影響森林生態(tài)系統(tǒng)以及地球化學循環(huán)的重要因素，對促進森林生態(tài)系統(tǒng)正常的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡，維持土壤肥力，有著特別重要的作用。分解影響森林生態(tài)系統(tǒng)的主要養(yǎng)分元素（碳、磷、氮等）的循環(huán)。凋落物分解速率的影響因素為：森林生態(tài)系統(tǒng)類型、凋落物種類、環(huán)境條件等[18]。

凋落物的分解與其自身的化學成分以及環(huán)境因子有關(guān)，碳氮比在凋落物分解過程中起重要作用，對土壤有機質(zhì)的形成及養(yǎng)分的釋放有著十分重要的意義。研究表明[19-21]，凋落物碳氮比與其分解速率呈負相關(guān)，即碳氮比越大分解速率越小。碳氮比反應了分解速度，對比其大小可以反映不同器官凋落后，對土壤碳庫的補充情況。

通過分析可以得出（圖2），側(cè)柏各器官中葉，果，皮，一級枝以及一級根的C/N較小，即其分解率較大，掉落后分解較快，有利于土壤C庫的補充，而所有器官中，側(cè)柏干的C/N最大。結(jié)合不同器官含碳比例變化可知，側(cè)柏不同器官中，葉的含碳比例都較高，且碳氮比較低，隨著葉的凋落，對土壤碳庫的補充能力較強。

圖2 側(cè)柏不同器官碳氮比Fig.2 Carbon nitrogen ratio of different P. orientalis organs

3.3 土壤碳庫變化

根據(jù)實驗分析結(jié)果，不同土層碳密度見圖1。經(jīng)對3組樣地在0～80 cm的SOCD分層分析，3組樣地在不同層的變化有明顯差異。利用SPSS 12.0單因素方差分析SOCD，利用多重比較，得出在0～10 cm范圍內(nèi)ANOVA結(jié)果差異顯著（P＜0.05），在10 cm以下ANOVA結(jié)果差異不顯著（P＞0.05）。在10 cm土層范圍，荒地和10 a、35 a人工側(cè)柏林地DSOCD分別為1.411 kg·m-2和7.707 kg·m-2、6.585 kg·m-2，荒地、10 a、35 a 人工側(cè)柏林的土壤有機碳都集中于表層（0～10 cm）且呈遞減趨勢，但相較于荒地，10a、35a人工側(cè)柏林各層的土壤有機碳密度都有所提高， 3種地類的平 均 值 分 別 為 0.5931 kg·m-2，3.133.126 kg·m-2、2.75 kg·m-2（表1），對比荒地，側(cè)柏林下土壤有機碳密度明顯提高，但35a側(cè)柏林有機碳密度相比10a側(cè)柏林降低了13.74%。表明造林有助于提高土壤有機碳，但由于隨著林齡的增長，側(cè)柏凋落物的有機碳含量降低，對土壤碳庫的補充作用減弱，土壤有機碳密度降低。

為對比植樹前后土壤碳庫變化，以臨近荒地為對照，比較其0～80 cm土壤碳含量變化（圖3）。基本趨勢為從表層向下遞減，大部分有機碳集中于0～30 cm，這是由于有機碳主要有植被枯落，根系等凋亡補充。造林初期，土壤碳庫碳儲量較低，于20～40 cm處出現(xiàn)一個峰值，這是由于此深度，側(cè)柏幼林根系密集，凋亡后，對土壤碳庫的補充作用。后期，含碳率增長較快。由于造林初期荒地上原有植被不變，草本根系等對土壤碳庫有一定的補充能力，但對原有植被的人為干擾較多，且新植樹木對土壤碳庫補充較少，10 a側(cè)柏林土壤含碳率整體較低，相較荒地土壤含碳率降低，隨著人工林生長，根系逐漸扎深，地上部分代謝等使土壤含碳率提高。特別是0～10 cm土壤層，由于側(cè)柏凋落物即葉，一級枝等C/N值較低，分解迅速，對土壤碳庫補充較大，含碳率較高。加之一級根凋亡對土壤碳庫的補充，土壤含碳率整體較高。

圖3 不同土層碳密度Fig.3 Organic carbon density in different soil depths

3.4 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對比

人工林作為一個生態(tài)系統(tǒng)，其碳庫作用應作為一個整體考慮才有生態(tài)意義?，F(xiàn)對比荒地生態(tài)系統(tǒng)以及不同林齡側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)碳儲量（表4）。本研究樣地內(nèi)10a年生側(cè)柏林郁閉度僅為45% ，側(cè)柏林在現(xiàn)有密度的基礎(chǔ)上有較大的個體生長空間，因此隨著林齡的增長側(cè)柏林碳增匯效應有明顯體現(xiàn)。隨著林木生長、凋落，地上部分喬木層及枯枝落葉層含碳量逐漸增加；而由于郁閉度增加，林下植被覆蓋率降低，有機碳儲量降低；土壤碳庫由于造林期間對植被、土壤的人為干擾，先下降后上升?？梢娫炝智捌谝蛘睾笥袡C碳有降低趨勢，但隨著人工林的生長，對有機碳的吸收增加，且對土壤碳庫的有機碳補充增加。改善了土壤有機碳儲量。且隨著地上部分的增長，人工林生態(tài)系統(tǒng)總體含碳量較荒地大為提升。

圖4 不同土層含碳率Fig.4 Organic carbon ratio in different soil depths

為進一步體現(xiàn)林齡與總有機碳密度的關(guān)系，對林齡-側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)總有機碳儲量進行相關(guān)性分析，通過擬合方程可以看出（表2），隨著林齡的增加，生態(tài)系統(tǒng)總有機碳密度以及土壤有機碳密度呈上升趨勢，可見喬木層作為生態(tài)系統(tǒng)主體，極大地影響總有機碳密度變化趨勢，且隨著林齡的增長，對生態(tài)系統(tǒng)總有機碳的影響增加，其余組分通過相互作用，提高總有機碳密度。

表1 側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)有機碳密度Table 1 Organic carbon density of P. orientalis ecological system kg·m-2

4 結(jié)論與討論

通過對比不同林齡側(cè)柏不同器官含碳比例變化，在人工林前期管理中，應注重葉，樹干，一級、二級枝以及一級、二級根的保護，以促進有機碳積累。在后期管理中，應注重三級枝、三級根以及樹干的保護，以利于有機碳的存留。

側(cè)柏葉、果、一級枝、一級根的碳氮比較高，凋落后，分解率高，對土壤碳庫補充作用較大，有利于改善土壤的碳儲量。在造林后管理過程中，需注意保護此類凋落物，減少人為干擾。碳氮比是分析分解速度的指標，如能采用科學的方式，與器官的含碳率結(jié)合，將更好的衡量其對土壤碳庫的補充作用。但具體的計算方式及驗證，有待進一步研究。

表2 相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis

土壤有機碳大部分集中于土壤表層，造林初期，由于造林前的整地等人為干擾，有機碳儲量降低，因此在造林后期管理時，應注意表層土的保護，減少人為翻動，以促進側(cè)柏人工林的自然恢復。造林后期，隨著林齡的增長，側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)有機碳吸收量增加，且通過凋落物以及生態(tài)系統(tǒng)微環(huán)境的作用，對促進土壤碳庫的有機碳吸收具有較顯著的影響。由于此次研究范圍為林齡8～35 a的側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)，還未達到邏輯函數(shù)上限，無法得出側(cè)柏生態(tài)林系統(tǒng)達到最大值時的林齡，還需進一步研究。

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Study on organic carbon of Platycladus orientalis plantation in Qianyang loess plateau

ZHANG Ling-ling1, SU Yin-quan1, LIU Yan1, HE De-fei1, GAO Hai-xia1, WANG Jian2, XU Xi-ming1
(1. Forestry College, Northwest A. & F. University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2. College of Resources and Environmental Science, Northwest A. & F. University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

The carbon sink of Platycladus orientalis plantation in loess plateau was investigated by using classif i ed survey method, the P. orientalis ecological system was compared with the neighboring barren land ecological system and the effects of forest cultivation and management on local carbon storage. The results show that organic carbon of the young forest mainly distributed in the end parts of the trees, then gradually transferred to trunk, third-order root, and third-order branches; the carbon-nitrogen ratio of leaves, fruits were low,which were easy to decompose after withered, and had a greater proportion of organic carbon content, thus this is in favor of adding soil organic carbon pool; the carbon content in 0～30 cm soil layer under the forest was higher, and the differences were signif i cant with the soil of 30～80 cm; in fi rst 8 years of the forestation, the soil and water loss generated by artif i cial land preparation resulted in reduction of organic carbon absorption, but with the growth of the plantation, the absorption of organic carbon increased and obviously improved the soil organic carbon storage. And with the growth of plantation aboveground part, the total carbon content of the plantation ecology system upgraded substantially and greatly than that wasteland. By fi tting, the equation of ecological plantation system about organic carbon density and ages was set up. The fi tting results show that the organic carbon absorption of the plantation in the loess plateau will take an upward trend.

loess plateau；Platycladus orientalis plantation；organic carbon；classif i ed survey

S791.38

A

1673-923X(2013)02-0056-05

2012-06-13

陜西省日元貸款項目(K332020023)

張玲玲(1988-), 女, 碩士研究生,主要研究森林生態(tài)

蘇印泉(1954-), 男, 教授, 主要研究森林培育；E-mail:syq009@126.com

[本文編校：吳 彬]