朱麗平, 蔡永茂, 康滿春, 趙廣亮, 陳左司南, 張志強?

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京；2.北京市八達嶺林場，102112，北京)

?

華北土石山區(qū)油松和元寶楓人工林土壤有機碳特征

朱麗平1, 蔡永茂2, 康滿春1, 趙廣亮2, 陳左司南1, 張志強1?

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京；2.北京市八達嶺林場，102112，北京)

摘要：森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳的儲量及時空變化是制定森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營管理措施的重要依據(jù)，對全球碳循環(huán)與碳平衡的研究具有十分重要的理論價值。以華北土石山區(qū)不同密度油松和元寶楓人工林為研究對象，對不同林地類型的土壤密度、pH值以及全氮、速效鉀、有機碳的質(zhì)量分數(shù)等參數(shù)進行測定，對比分析不同林地類型土壤有機碳的質(zhì)量分數(shù)、土壤有機碳密度、儲量及垂直分布特征，探討土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤理化性狀的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：元寶楓林的平均土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和有機碳密度均大于油松林的；土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和有機碳密度在土壤表層(0～10 cm)為最高值并隨土壤深度的增加而降低；土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為2種林分密度下的元寶楓林無顯著差異，而有機碳密度則表現(xiàn)為高密度元寶楓林>低密度元寶楓林；在油松林中土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、有機碳密度均表現(xiàn)為中密度油松林>高密度油松林和低密度油松林。油松林和元寶楓林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤密度均呈顯著負相關(guān)，而全氮、速效鉀與其呈顯著正相關(guān)，油松林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與pH值呈顯著相關(guān)，而元寶楓林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與pH值不相關(guān)。綜上所述，華北土石山區(qū)元寶楓林較油松林具有更大的固碳潛力，而且土壤的有機碳質(zhì)量分數(shù)及有機碳密度受樹種和林分密度影響較大。

關(guān)鍵詞：土壤有機碳； 碳密度； 油松林； 元寶楓林； 華北土石山區(qū)

土壤碳庫包括土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)庫和無機碳庫2部分。相比于土壤無機碳庫[1-2]，土壤有機碳庫庫容更大，大約是陸地植被碳庫的1.5～3.0倍[3-4]，是全球大氣碳庫的2倍多[5]，且因土壤有機碳不穩(wěn)定，使得其對大氣CO2年通量的貢獻遠大于化石燃料[6]，是CO2等溫室氣體的重要來源；因此對其的研究對全球碳循環(huán)有著重要的意義[3-6]。近年來，國內(nèi)不少學(xué)者對我國土壤有機碳做了大量研究，其中李克讓等[7]、周玉榮等[8]、解憲麗等[9]依據(jù)土壤普查資料分別對中國不同植被類型下土壤有機碳進行系統(tǒng)的研究；但由于植被分類較粗糙，這些研究很難精確到某一樹種類型和具體的林分經(jīng)營措施，因此，研究不同林地類型以及同一林地類型不同林分密度的土壤有機碳是十分必要的[10]。土壤有機碳顯著影響著土壤物理、化學(xué)以及生物學(xué)特性[11]；因此通過對不同植被人工林生態(tài)系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)的研究，可以分析土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系對植被類型的響應(yīng)，進而為一定區(qū)域內(nèi)具體的人工林經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

油松(Pinustabuliformis)和元寶楓(Acertruncatum)因耐干旱瘠薄，是華北土石山區(qū)主要的造林樹種，在改良土壤、保持水土方面具有重要的作用。目前針對華北土石山區(qū)具體樹種和林分經(jīng)營模式下有機碳特征的分析報道較少，特別是不同林分經(jīng)營模式下土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、碳密度及碳儲量的分布特征的研究較少，不能為基于保護人工林土壤碳儲量和碳匯功能的經(jīng)營改造及植被恢復(fù)模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。鑒于此，本研究以不同密度的油松和元寶楓人工純林為研究對象，采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，測定分析不同密度林地類型下不同土壤層有機碳質(zhì)量分數(shù)及有機碳密度，探討土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與主要土壤理化指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，闡明人工林土壤碳匯功能對林地類型和密度經(jīng)營水平的響應(yīng)規(guī)律，其目的在于為全面認識華北土石山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳特征，準(zhǔn)確評估該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量和人工林的經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京西北部延慶縣境內(nèi)的北京市八達嶺林場(E 116°01′，N 40°20′)，平均海拔780 m，坡度多在30°～35°之間，多為陰坡或半陰坡。氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.8 ℃，無霜期約為160 d，年均降水量454 mm。土壤類型屬于山地褐土，土壤層較薄，腐殖質(zhì)層厚約3 cm。林場總面積2 940 hm2，其中針葉林1 478 hm2、闊葉林360 hm2、針闊混交林52.2 hm2、灌木林地1 003.5 hm2。

2材料與方法

2.1樣品采集與分析

2014年4月，依據(jù)典型性和代表性的原則，在試驗區(qū)選取立地條件一致的49年生3種密度類型的油松人工林，同時選取41年生2種密度類型的元寶楓人工林。在以上不同密度類型的油松林和元寶楓林中分別各選取3個20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地進行指標(biāo)調(diào)查和測定，不同林地類型基本情況見表1。每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按照“S”型設(shè)置3個1 m×1 m樣方采集土壤樣品，根據(jù)土壤層次性特點及土壤有機碳儲量的計算方法，按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm分6層取樣，共取樣270個用于測定土壤有機碳儲量，同時用環(huán)刀(100 cm3)采集土樣270個用于測定土壤密度。

土壤樣品于室內(nèi)風(fēng)干，除去其中的草根等雜質(zhì)，過2 mm篩，測定粒徑>2 mm的石礫所占的體積分數(shù)；采用德國Elementar TOC(Germany)元素分析儀測定土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，采用電位法測定pH值，用土壤養(yǎng)分測定儀測定全氮和速效鉀；環(huán)刀樣品在105 ℃烘干至恒重，測定土壤密度。

表1　不同林地類型基本情況

注：表中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Note: The values are mean value±standard error.

2.2數(shù)據(jù)處理

某一土層的有機碳密度[12-14]

Si=(1-θi)piCiTi/100。

(1)

式中：Si為第i層土壤有機碳密度，kg/m2；Ci為第i層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，g/kg；pi為第i層土壤平均密度，g/cm3；θi為第i層>2 mm土壤石礫的體積百分數(shù)；Ti為第i層土壤厚度，cm；本研究以1 m深為標(biāo)準(zhǔn)。

如果某一土壤剖面有n層組成，該剖面的有機碳密度[13]

(2)

式中S為某一土壤剖面的有機碳密度，kg/m2。

由于土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤的有機碳儲量，因此某一土層單位面積有機碳儲量即該土層的有機碳密度，其占整個土壤剖面總有機碳儲量的比例[12]

(3)

式中Ri為某一土層單位面積有機碳儲量占整個土壤剖面總有機碳儲量的比例，%。

另外，為便于比較，不同林地類型下0～100 cm深度范圍內(nèi)的土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)采用該深度范圍內(nèi)各層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的加權(quán)平均值表示；不同厚度土層的土壤有機碳密度統(tǒng)一用10 cm土壤厚度的土壤有機碳密度表示。

采用Excel 2007處理數(shù)據(jù)，SPSS 18軟件進行顯著性分析和相關(guān)性分析。

3結(jié)果與分析

3.1土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)

不同林地類型土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)(圖1)總體表現(xiàn)為元寶楓林(17.19±2.47)g/kg>油松林(12.77±2.11)g/kg(P<0.05)。在土壤垂直剖面上不同土層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)(表2)表現(xiàn)為，表層(0～10 cm)最大，且隨土壤深度的增加均呈降低趨勢。油松林地中，0～100 cm土壤深度內(nèi)中密度油松林的平均土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著高于低密度和高密度油松林(P<0.01)，但高密度油松林在0～10 cm土層的土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)分別是中密度油松林、低密度油松林的1.56、1.88倍；而在10～100 cm深度范圍內(nèi)，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)則表現(xiàn)為中密度油松林(14.73±1.25)g/kg>低密度油松林(10.50±2.62)g/kg>高密度油松林(8.90±3.19)g/kg(P<0.01)。

在1 m深度內(nèi)，元寶楓林平均土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)在高、低密度林分間的差異不顯著(P=0.87)。在0～40 cm深度范圍內(nèi)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)低密度元寶楓林與高密度元寶楓林無顯著差異(P>0.05)；但在40～100 cm深度范圍內(nèi)土壤有機碳質(zhì)

量分數(shù)高密度元寶楓林是低密度林(9.57±2.24)g/kg的1.74倍(P<0.05)。以上分析表明，林地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)及其垂直分布受植被類型、林分密度的影響較大。

圖1　土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)隨土層變化Fig.1　Change of soil organic carbon (SOC) content with 　　　soil layer

林地類型Foresttype土層Soillayer/cm>2mm石礫的體積比例Volumepercentageofgravelsoil(particlesize>2mm)/%土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)Soilorganiccarboncontent/(g·kg-1)各土層10cm厚度的土壤有機碳密度Soilorganiccarbondensityineach10cmthicknesssoillayer/(kg·m-2)0～103.7615.121.5610～206.8814.531.69低密度油松20～402.7212.771.67LowdensityPinustabuliformis40～604.609.701.3260～802.209.061.1580～10013.888.451.050～1020.0418.241.9510～2015.0817.802.01中密度油松20～4013.2417.582.05MiddledensityPinustabuliformis40～602.8016.151.7260～8011.8414.121.4980～10028.1213.541.440～102.6828.413.1910～202.6414.041.77高密度油松20～402.6811.271.40HighdensityPinustabuliformis40～600.928.051.0360～800.447.451.1380～1002.086.240.86

表2(續(xù))

圖2　土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系Fig.2　Relationship between soil organic carbon (SOC) and soil physical and chemical properties

3.2土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

油松、元寶楓林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤密度呈顯著負相關(guān)(圖2(a))，P油松= 0.015、P元寶楓= 0.050，隨土壤密度的增大，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。油松林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與pH值顯著相關(guān)(圖2(b))，P油松= 0.001；而元寶楓林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與pH值無顯著相關(guān)關(guān)系，P元寶楓= 0.34。

土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與全氮和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)顯著相關(guān)(圖2(c)和圖2(d))，隨著全氮和速效鉀質(zhì)量分數(shù)分別在0～5.0 g/kg和0～250 mg/kg的范圍內(nèi)上升，油松林和元寶楓林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

3.3土壤有機碳密度

結(jié)果(圖3)表明：不同林地類型下0～100 cm土壤有機碳密度介于13.63～20.93 kg/m2之間且差異較大，其中元寶楓林高于油松林。0～100 cm土層高密度元寶楓林的土壤有機碳密度(20.93 kg/m2)是低密度元寶楓林土壤有機碳密度(18.18 kg/m2)的1.15倍(P<0.05)；中密度油松林的土壤有機碳密度(17.35 kg/m2)顯著高于高密度油松林(13.81 kg/m2)和低密度油松林(13.63 kg/m2)(P<0.01)，中密度油松林土壤有機碳密度分別比高密度油松林、低密度油松林高25.63%、27.27%。

圖3　不同密度油松、元寶楓林的土壤有機碳密度Fig.3　Soil organic carbon density of Pinus tabuliformis plantation and Acer truncatum plantation in different stand density

圖5　不同林地類型土壤有機碳儲量剖面分布Fig.5　Soil organic carbon storage of different forest types at different horizons

不同林地類型土壤各層10 cm厚度的土壤有機碳密度主要表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而降低(圖4)。在0～100 cm深度范圍內(nèi)，不同林地類型下各土層土壤有機碳密度的變化范圍有所不同(表2)：其中低密度油松林為(1.41±0.25)kg/m2，中密度油松林為(1.78±0.24)kg/m2，高密度油松林為(1.56±0.78)kg/m2；元寶楓林中，低密度元寶楓林為(2.05±0.95)kg/m2，高密度元寶楓林為(2.22±0.59)kg/m2，整體上油松林的平均土壤有機碳密度要低于元寶楓林的(P<0.05)。

圖4　不同林地類型土壤各土層10 cm厚度的平均有機碳密度Fig.4　Mean soil organic carbon density in each 10 cm soil layer of different forest types

不同土層單位面積土壤有機碳儲量占總土壤有機碳儲量的比例(圖5)表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，不同林地中0～10, 10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm各土層單位面積有機碳儲量占總土壤有機碳儲量的比例隨著土層深度的增加整體表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。在同一林地類型下，除低密度元寶楓林，相同厚度(20 cm)表層土壤(0～20 cm)的單位面積有機碳儲量占總有機碳儲量的比例要高于20～100 cm深度范圍內(nèi)任何土層所占的比例。

4討論

4.1人工林樹種對土壤有機碳分布的影響

土壤有機碳庫的大小取決于植被枯落物分解輸入和土壤呼吸輸出[15]。植被類型不僅會影響枯落物的產(chǎn)量和質(zhì)量[16]，也會影響土壤微生物的微環(huán)境[17]，是影響土壤有機碳庫的重要因素。土壤表層覆蓋大量的動植物腐殖質(zhì)，同時植被根系也主要集中于土壤表層；因此在油松針葉林和元寶楓闊葉林中0～10 cm土層有機碳質(zhì)量分數(shù)(20.59、31.54 g/kg)顯著高于10～100 cm中其他各土層的質(zhì)量分數(shù)。隨著土壤深度的增加，植物根系和腐殖質(zhì)減少，油松針葉林和元寶楓闊葉林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)逐漸降低，這與目前大部分研究結(jié)果一致[18-21]。在本研究中，0～100 cm土壤深度范圍不同林分密度下平均土壤有機碳密度油松林(14.93 kg/m2)低于元寶楓林(19.55 kg/m2)。在氣候和土壤類型條件一致的情況下，根據(jù)相關(guān)研究，這可能與油松和元寶楓2個樹種的枯落物產(chǎn)量及枯落物分解速率有關(guān)。張新平等[22]的研究表明闊葉林枯落物產(chǎn)量高于針葉林，而張德強等[17]在研究枯落物的分解速率時發(fā)現(xiàn)闊葉林枯落物的分解速率較針葉林大，土壤有機碳密度闊葉元寶楓林的大于針葉油松林。這說明在氣候和土壤條件相同的情況下，闊葉元寶楓林有著比針葉油松林更高的土壤固碳能力，這與李克讓等[7]和周玉榮等[8]的研究結(jié)果一致。

4.2油松和元寶楓人工林林分密度對土壤有機碳分布的影響

林分密度的改變會引起人工林地上植被碳庫的改變，也會通過影響林下小氣候和土壤理化特性，改變土壤呼吸和微生物活性，從而使土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和有機碳密度發(fā)生變化。一般情況下，隨著林分密度的減小，會引起枯落物輸入的降低，從而造成土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)下降[10]。元寶楓林在2種林分密度條件下表現(xiàn)為高林分密度時的土壤有機碳密度大于低密度時的；但不同林分密度條件下的油松林土壤有機碳密度隨林分密度的增加先增大再減小，其中油松、元寶楓林林分密度分別為1 700、2 350株/hm2時的土壤有機碳密度為最大。任麗娜等[10]建議：華北油松林林分合理密度應(yīng)為1 104株/hm2；但若以油松林土壤固碳能力為人工林經(jīng)營管理的目標(biāo)，則可以適當(dāng)增大油松林林分密度。

4.3土壤理化性質(zhì)與土壤有機碳

5結(jié)論

土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、碳密度及其垂直分布特征受植被類型、林分密度的影響較大，其中土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)在整體上表現(xiàn)為元寶楓林>油松林，而在不同的林分密度條件下，油松林表現(xiàn)為中密度油松林>高密度油松林>低密度油松林，而元寶楓林則并無高、低密度間的差異。表層(0～10 cm)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)最高，隨著土壤深度的增加，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。土壤理化性質(zhì)和油松、元寶楓人工林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系表現(xiàn)為：油松、元寶楓林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與土壤密度呈顯著負相關(guān)，而與全氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)。油松林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與pH值顯著相關(guān)，而元寶楓林則沒有相關(guān)關(guān)系。不同林分密度間土壤有機碳密度表現(xiàn)為高密度元寶楓林>低密度元寶楓林的，中密度油松林顯著>高密度和低密度油松林；但整體上，平均土壤有機碳密度表現(xiàn)為元寶楓林>油松林，表明在華北土石山區(qū)元寶楓林較油松林具有更大的固碳潛力。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Characteristics of soil organic carbon forPinustabuliformisandAcertruncatumplantations in rocky mountainous area of northern China

Zhu Liping1, Cai Yongmao2, Kang Manchun1, Zhao Guangliang2, Chen Zuosinan1, Zhang Zhiqiang1

(1.College of Soil and Water Conservation, Beijing Forest University, Key Laboratory of Soil and Water Conservation & Desertification Combating of Ministry of Education, 100083, Beijing, China; 2. Badaling Forest Farm, 102112, Beijing, China)

Abstract:[Background] The soil organic carbon storage and its temporal and spatial variation in forest ecosystem are not only of significance for global carbon cycle and carbon balance study, but also the crucial for developing sustainable forest management measures. To comprehensively understand the characteristics of soil organic carbon (SOC) and accurately assess the soil carbon stock of the plantations, and therefore, provide evidence for plantation management in this region, This study was carried on the Pinus tabuliformis and Acer truncatum plantations of different stand density in rocky mountainous area of northern China. [Methods] We examined the SOC content, SOC density and SOC storage and their vertical distribution between 0-100 cm soil depth of P. tabuliformis and A. truncatum two plantations with different stand densities in the rocky mountainous region of northern China and also discussed the correlations of SOC content and soil physicochemical properties, i.e., soil density, pH, total nitrogen, and available potassium. [Results] The results showed that the average SOC content and SOC density of A. truncatum plantations were both higher than these of P. tabuliformis plantations, indicating that under the similar climate and soil condition, the soil of A. truncatum plantations had greater carbon sequestration than the P. tabuliformis plantations. Meanwhile, the quantity of humus and plant roots in soil layers decreased with the increase of soil depth, both the SOC content and SOC density in 0-10 cm layer were the highest among the 0-100 cm soil depth and decreased with the increase of soil depth. The SOC content of the A. truncatum plantations showed no difference between the high and low stand densities, while the SOC density of the A. truncatum plantations in high density was greater than lower ones. However, both of the SOC content and SOC density of the P. tabuliformis plantations in the middle density was much higher than that in the high and low density ones. Specifically, the SOC density was the highest, when the stand density was 1 700 and 2 350 stems per hm2 for the P. tabuliformis plantations and the A. truncatum plantations, respectively. The SOC content of the P. tabuliformis and A. truncatum plantations showed significant negative correlation with soil density, while highly positive correlation with the total nitrogen and available potassium. Nevertheless, only the SOC content of the P. tabuliformis plantations was affected by soil pH value. [Conclusions] In this study the SOC content had the most significant relation with the soil total nitrogen among all the measured soil physicochemical properties in both of the P. tabuliformis and A. truncatum plantations. In summary, the A. truncatum plantations had greater potential for carbon sequestration than the P. tabuliformis plantations in rocky mountainous area of northern China, both SOC content and SOC density were greatly influenced by tree species and stand density.

Keywords:soil organic carbon; carbon density; Pinus tabuliformis plantation; Acer truncatum plantation; rocky mountainous area of northern China

收稿日期：2015-03-20修回日期： 2016-01-03

第一作者簡介：朱麗平(1990—)，女，碩士研究生。主要研究方向：森林生物量和碳儲量。E-mail:zhuliping1990@126.com ?通信 張志強(1967—)，男，博士，教授。主要研究方向：森林水文。E-mail: zhqzhang@bjfu.edu.cn

中圖分類號：S714

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3007(2016)01-0097-09

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.012

項目名稱： 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“森林經(jīng)營對生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合變化的影響機理研究”(201204102)