曹小玉，李際平

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

不同齡組杉木人工林土壤有機(jī)碳貯量及分布特征

曹小玉，李際平

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

對(duì)比分析了福壽林場(chǎng)3個(gè)齡組杉木人工林0～60 cm土層內(nèi)土壤碳貯量及其土層分布特征，結(jié)果表明：1）3個(gè)齡組杉木人工林土壤有機(jī)碳含量都表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減小的趨勢(shì)，土層0～20 cm有機(jī)碳含量最高，為29.07～35.27 g·kg-1，是土層20～30 cm和土層30～45 cm的1～2倍和3～4倍，而土層（45～60 cm）的有機(jī)碳含量最少，為5.03～6.68 g·kg-1。2）3個(gè)齡組的人工林0～60 cm土層內(nèi)平均碳含量和碳貯量都表現(xiàn)出了隨著年齡的變化先減少而增加的趨勢(shì)，其平均碳含量的次序依次為成熟林（16.65 g·kg-1）＞幼齡林（14.78 g·kg-1）＞中齡林（13.36 g·kg-1）；碳貯量大小順序依次為成熟林（79.59 t·hm-2）＞幼齡林（64.78 t·hm-2）＞中齡林（64.74 t·hm-2），3）在0～45 cm范圍的土層內(nèi)，3個(gè)齡組的杉木人工林的土壤碳貯量占土壤總碳貯量的百分比在86%～91%之間，說(shuō)明杉木人工林土壤碳貯量主要集中在這個(gè)土層深度內(nèi)。

杉木人工林；土壤有機(jī)碳；土壤碳密度；齡組

森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，也是地球上最主要的碳庫(kù)之一，其土壤中的碳占全球土壤碳庫(kù)的73%[1-2]，因此，森林土壤碳平衡對(duì)于維持全球碳平衡和調(diào)節(jié)大氣中CO2的濃度有著非常重要的作用[3]。大量的研究表明，營(yíng)造人工林可以減緩大氣中CO2濃度的升高[4-5]，杉木人工林作為我國(guó)南方最主要造林樹(shù)種，其面積約占我國(guó)南方森林面積的30%以上，研究杉木人工林土壤有機(jī)碳的變化特征能夠?yàn)闇?zhǔn)確評(píng)價(jià)我國(guó)人工林土壤碳含量及碳密度奠定必要的科學(xué)基礎(chǔ)，為此，本文以杉木人工林為研究對(duì)象，探討不同發(fā)育階段的杉木人工林碳貯量及其變化特征，旨在揭示杉木人工林碳循環(huán)規(guī)律，為杉木人工林碳庫(kù)的經(jīng)營(yíng)和管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

福壽林場(chǎng)位于平江縣南部的福壽山上，地處北 緯 28°03′00″～ 28°32′30″， 東 經(jīng) 113°41′15″～113°45′00″之間。東接獻(xiàn)沖森工林場(chǎng)，北連思村鄉(xiāng)尚山村，西鄰思村鄉(xiāng)五等村，南抵瀏陽(yáng)市。總面積為1274.9 hm2，其中國(guó)有山林1 133.9 hm2，集體山林面積141 hm2。處于中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的氣候帶，屬濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.1℃極端最高氣溫33.4℃最低氣溫為-15℃，年日照1 500 h，無(wú)霜期217 d，有效積溫4 547℃，年相對(duì)濕度87%。地勢(shì)南高北低，最高峰轎頂山，海拔1 573.2 m，最低處為湖口峽底，海拔835 m，林場(chǎng)場(chǎng)部海拔1 078 m。山體下部多陡峭，中部較平緩，上部較陡，平均坡度為22～27°，形成群山重疊，起伏綿延的中山地貌。林地土層深厚肥沃，腐殖質(zhì)較豐富。場(chǎng)內(nèi)海拔800 m以下的土壤為山地黃壤；800～1 400 m為山地黃棕壤；海拔1 400 m以上的山頂、山脊有小塊草甸土。場(chǎng)內(nèi)植被繁茂，群落較多。有木本植物55科，275種。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及取樣方法

在福壽林場(chǎng)范圍內(nèi)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，在杉木幼齡林、中齡林、成熟林3種類型的林分內(nèi)分別設(shè)置3塊樣地，（表1）每個(gè)樣地內(nèi)分別設(shè)置3塊20×30 m 的標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)挖取3個(gè)有代表性的土壤剖面，分層（0～20 cm，20～30 cm，30～45 cm，45～60 cm）采取土樣，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)，在土壤剖面用環(huán)刀分層采取土壤用于土壤容重的測(cè)定。

表1 調(diào)查樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plots

1.2.2 測(cè)定方法

土壤容重采用常用的環(huán)刀法來(lái)測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法[6]。

1.2.3 土壤有機(jī)碳貯量的計(jì)算

土壤有機(jī)碳貯量指的是單位面積一定深度的土層中有機(jī)碳的總量[7]，其計(jì)算公式為：

Wi=Di×Ei×S×Ai。 （1）

式中：Di為第i層土層的容重（g·cm-3），Ei為第i層土層的厚度（cm），S為面積（hm2），Ai為第i層土層的C含量（g·kg-1）。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理分析

利用Excel和統(tǒng)計(jì)軟件SPSS17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重的變化

從整體上看，3種齡組杉木人工林的土壤容重存在著差異，但差異不明顯（表2），全部土層平均容重以成熟林最大，為1.279 g·cm-3，為幼齡林的1.11倍和成熟林的1.03倍，在土壤層（0～20 cm），幼齡林、中齡林和成熟林的土壤容重依次為 1.053，1.148 和 1.088 g·cm-3，中齡林＞成熟林＞幼齡林。在土層（20～30 cm、30～45 cm），土壤的容重表現(xiàn)出了跟年齡一樣的增長(zhǎng)趨勢(shì)，成熟林＞中齡林＞幼齡林。在土層（45～60 cm），3種齡組的林分類型的土壤容重幾乎沒(méi)有差異。

表2 不同齡組杉木人工林土壤容重Table 2 Soil bulk density of different age-group Chinese fir plantation

另一方面，3種林分都表現(xiàn)出了隨著土層深度的增加土壤容重也表現(xiàn)出了逐漸增加的趨勢(shì)（圖1）。幼齡林、中齡林和成熟林（45～60 cm）土層的容重是（0～20 cm）土層的1.26、1.15和1.27倍，土體表現(xiàn)出上松下緊的規(guī)律。

2.2 土壤有機(jī)碳含量

根據(jù)（圖2）可知，不同齡組的杉木人工林土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減小的規(guī)律。土層（0～20 cm）有機(jī)碳含量最高，為29.07～35.27 g·kg-1，是土層（20～30 cm）和土層（30～45 cm）的1～2倍和3～4倍。而土層（45～60 cm）的有機(jī)碳含量最少，為5.03～6.68 g·kg-1。這符合土壤有機(jī)碳垂直分布的一般規(guī)律[8]。表層土壤有機(jī)碳含量高，主要是因?yàn)榇罅康乃栏癄€和地上凋落物分解為土壤提供了豐富的碳源。

圖1 不同齡組杉木人工林土壤容重差異比較Fig.1 Comparison of soil bulk density among different age-groups Chinese fi r plantation

圖2 不同齡組杉木人工林土壤有機(jī)碳含量變化Fig.2 Comparison of soil organic carbon storage of different age-group Chinese fi r plantation

表3 不同齡組杉木人工林土壤有機(jī)碳含量Table 3 Storage of soil organic carbon of different agegroup Chinese fir plantation

從表3可以看出，在0～45 cm范圍的深度內(nèi)，不同齡組同一土層的有機(jī)碳含量表現(xiàn)出了幼齡林較高，中齡林減少。而成熟林又逐漸增加的趨勢(shì)，這是由于隨著林分年齡的變化，林下植被的蓋度、林分的密度和郁閉度也發(fā)生了變化導(dǎo)致的[9]。在土層（0～20 cm，20～30 cm）成熟林的土壤有機(jī)碳含量最高，分別為中齡林和幼齡林的1.21倍、1.1倍和1.62倍、1.56倍，在土層（30～45 cm，50～60 cm），幼齡林的土壤有機(jī)碳含量最高，分別為中齡林、成熟林的1.24、1.16倍和1.11倍、1.33倍。

2.3 土壤有機(jī)碳貯量

從表4可知，不同齡組（幼齡林、中齡林、成熟林）杉木人工林土壤總的碳貯量依次為64.78、64.74、79.59 t·hm-2，成熟林＞幼齡林＞中齡林。在同一個(gè)土壤層，不同齡組的土壤有機(jī)碳貯量變化沒(méi)有規(guī)律性，主要是因?yàn)橥寥捞純?chǔ)量的變化不僅僅受到土壤容重的影響，還受到土壤碳含量的影響。

表4 不同齡組杉木人工林土壤有機(jī)碳貯量Table 4 Soil organic carbon storage of different age-group Chinese fir plantation

但同一齡組的杉木人工林的土壤碳貯量，呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加碳貯量逐而減少的趨勢(shì)(圖3)，土層（0～20 cm）的碳貯量最大，占土壤碳貯量的百分比依次為幼齡林（52.11%）＞中齡林（51.54%）＞成熟林（48.20%），平均為（50.62%），占到了土壤碳儲(chǔ)量總量的一半，土層（20～30cm）占土壤碳貯量的百分比依次為成熟林（31.53%）＞中齡林（22.24%）＞幼齡林（19.54%）。變化幅度比較大。土層（45～60 cm）的最小，占土壤碳貯量的百分比的比重在8.72%～13.7%之間。這主要是土層（0～45 cm）是杉木根系集中分布區(qū)，大量腐解的死根為土壤提供了很多碳源，大量的地表枯落物也是土壤重要的碳源。

圖3 不同齡組杉木人工林土壤有機(jī)碳貯量變化Fig.3 Comparison of soil organic carbon storage of different age-group Chinese fi r plantation

3 結(jié)論與討論

（1） 3種齡組杉木人工林的土壤容重存在著差異，但差異不明顯，全部土層平均容重以成熟林最大，為1.279 g·cm-3，為幼齡林的1.11倍和成熟林的1.03倍。另一方面，都表現(xiàn)出了隨著土層深度的增加土壤容重也表現(xiàn)出了逐漸增加的趨勢(shì)，土體表現(xiàn)出上松下緊的規(guī)律。

（2）3種齡組的杉木人工林土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減小的規(guī)律[11]。土層（0～20 cm）有機(jī)碳含量最高，為29.07～35.27 g·kg-1，是土層（20～30cm）和土層（30～45 cm）的1～2倍和3～4倍，符合土壤有機(jī)碳垂直分布的一般規(guī)律，在0～45 cm范圍的深度內(nèi)，不同齡組同一土層的有機(jī)碳含量表現(xiàn)出了幼齡林較高，中齡林減少，而成熟林又逐漸增加的趨勢(shì)，這與很多專家學(xué)者的研究結(jié)論基本相同，[12-13]這是由于隨著林分年齡的變化，林下植被的蓋度、林分的密度和郁閉度也發(fā)生了變化導(dǎo)致的。在幼齡林階段，缺少枯枝落葉，土壤的礦化作用和表層土壤的侵蝕作用增強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)減少，隨著年齡的增加，土壤中的凋落物、微生物、活性酶及養(yǎng)分大幅增加，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)增加，這也說(shuō)明杉木幼齡林階段土壤處于退化過(guò)程中，到中齡林階段才能逐漸恢復(fù)。

（3）幼齡林、中齡林、成熟林3種杉木人工林土壤總的碳貯量依次為64.78、64.74、79.59 t·hm-2，成熟林＞幼齡林＞中齡林。另一方面，同一齡組的杉木人工林的土壤碳貯量，呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加碳貯量逐而減少的趨勢(shì)，在0～45 cm范圍的深度內(nèi)，占土壤碳貯量的百分比在86%～91%，說(shuō)明杉木人工林土壤碳貯量主要集中在這個(gè)土層深度內(nèi)。這主要是土層（0～45 cm）是杉木根系集中分布區(qū)，大量腐解的死根為土壤提供了很多碳源，大量的地表枯落物也是土壤重要的碳源。

（4）森林土壤碳貯量的大小除了受自然環(huán)境因素的影響，還與人為活動(dòng)的干擾有關(guān)，大量的研究表明，人工林土壤碳貯量小于常綠闊葉天然林，因此，減少人為活動(dòng)對(duì)森林的干擾也是改善土壤碳貯量的一個(gè)有效措施。

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Storage and distribution of soil organic carbon in different age-group Chinese fi r plantations

CAO Xiao-yu, LI Ji-ping
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

A comparative investigation was made to study storage and distribution of soil organic carbon in Chinese fir plantation ecosystems of three age-group in 0～60 cm soil layer in Fushou Forest Farm. The results show that: (1) the prof i le SOC declined along with the soil depths increased in three age-group fi r plantation, the storage of SOC in 0～20 cm soil layer was highest from 29.07 g·kg-1to 35.27 g·kg-1, being from 1 to 2 times as much as those in 20 ～ 30 cm and from 3 to 4 times as much as those in 30 ～ 45 cm,respectively. However, the storage of SOC in 45 ～ 60 cm soil layer was lowest from 5.03 g·kg-1to 6.68 g·kg-1. (2) the average storage of SOC in 0～60 cm soil layer and carbon density decreased fi rst and increased afterwards, the average storage of SOC varied in the order of mature (16.65 g·kg-1)＞ young (14.78 g·kg-1)＞ middle-aged (13.36 g·kg-1) and the carbon density varied in the order of mature (79.59 t·hm-2) ＞ young (64.78 t·hm-2) ＞ middle-aged (64.74 t·hm-2). (3) the storage of SOC were from 86% to 91% of the total storage of SOC in 0～45 cm, the soil organic carbon mainly concentrated from 0 to 45 cm soil layer.

Chinese fi r plantation; soil organic carbon; soil carbon density; age-group

S714.5；S791.27

A

1673-923X(2014)07-0104-04

2014-03-10

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃專題（2012BAD22B0505）；湖南省教育廳項(xiàng)目（12C0440）

曹小玉（1977-），男，甘肅靈臺(tái)人，講師，博士研究生，主要從事森林經(jīng)理方面的研究

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博導(dǎo)，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究；E-mail：lijiping@vip.163.com

[本文編校：吳 毅]