黄土高原千阳人工侧柏林有机碳的研究

张玲玲，苏印泉 ，刘 艳 ，何德飞 ，高海霞 ，王 建 ，许喜明

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 资环学院，陕西 杨凌 712100）

黄土高原千阳人工侧柏林有机碳的研究

张玲玲1，苏印泉1，刘 艳1，何德飞1，高海霞1，王 建2，许喜明1

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 资环学院，陕西 杨凌 712100）

采取分级调查的方法对黄土高原侧柏人工林碳汇进行研究, 对比侧柏不同林龄生态系统及邻近荒地生态系统碳汇情况，分析造林对当地碳储量影响。研究结果表明：幼龄林有机碳比例较大的部分，均在树体的末端部位，其后，逐渐向树干、三级根、三级枝中转移。侧柏的叶、果等碳氮比低，凋落后易于分解，且有机碳含量比例较大，有利于补充土壤有机碳库。侧柏林下土壤0～30 cm含碳量较高，与其下土层相比差异显著。造林前期，因人工整地造成水土流失，有机碳有降低趋势，但随着人工林的生长郁闭，土壤中的有机碳逐步增加，对土壤总碳库补充增加明显，改善了土壤有机碳储量。且随着地上部分的增长，人工林生态系统总体含碳量较荒地大为提升。通过拟合，得到侧柏生态系统有机碳密度与林龄的拟合方程：，拟合结果说明：随着林龄的增长侧柏人工林碳吸收呈上升趋势。

黄土高原；侧柏人工林；有机碳；分级调查

森林作为陆地生物圈的主体，储存碳占陆地生态系统的50%～60%[1]，汇聚全球植被碳库的86%及全球土壤碳库的73%以上，每年固定的有机碳占整个陆地生态系统2/3左右，在碳收支平衡中起着重要作用[2-3]。

森林生态系统碳储量是估算森林生态系统与大气吸收以及排放含碳气体的重要因子，也是研究大气中有机碳与森林生态系统交换的有效参数。加拿大、美国等国家对于生态系统碳储量估算研究均有很大进展[4-5]。我国生态学家对于植被生物量的测定始于70年代末80年代初，此后，对我国主要森林类型在全国尺度的生物量进行了估算[6]。另一方面，90年代中期以后，一些生态学家利用野外实测的资料结合全国森林资源清查资料，探讨了全国尺度的森林生态系统生物量及其变化[7-8]。

我国森林具有以下特点：(1) 林龄较小，幼龄林占森林总面积的比重较大（约占总面积的1/3）[9]；(2) 森林碳密度较低，目前我国森林平均碳密度仅为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) 人工林面积较大（3 230万hm2），占森林总面积23%，且不断增加[11-13]。

我国森林生态系统有机碳的研究多为自然林，以及基于森林资源清查资料的大尺度研究，但对于生态系统中乔木、灌木、草本、枯落物及土壤有机碳含量的精确研究，特别是分级分析乔木的调查不多。本文就黄土高原侧柏人工林分级调查，分析侧柏人工林与邻近荒地生态系统碳储量情况的变化，以期为我国森林碳收支研究提供依据。以人工林生态系统为研究对象，由于人工林林龄一致，林龄资料准确，布局均匀，在调查研究时更易细化，且人工林面积及碳汇潜力大，研究结果可为退耕还林后的有机碳变化提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点位于陕西省日元贷款造林项目生态环境监测研究区：陕西省千阳县的城关镇庙岭村。气候类型属中温带半干旱，年均气温为8.7℃～11.8℃，最高温23.7℃(7月份)，最低温-9.7℃(1月份)，年积温（≥10 ℃）为3 320℃，无霜期167 d。年均降水量627.4 mm。暴雨、干旱、冰雹、风蚀水蚀等灾害时有发生。由于自然灾害及人类活动的影响，导致生态环境脆弱。

研究区为典型的黄土丘陵，风蚀水蚀特征明显，黄土层覆盖厚度达30 m以上，海拔高度为890.9～1051.4 m，总面积1 033.56 hm2。据调查，2000年以前，该区域有林地面积占总面积的8.65%，2000年以后，该流域在日元贷款造林项目的支持下，对荒山和部分低产农田实行“退耕灭荒”造林，造林树种以侧柏Platycladus orientalis、刺槐Robinia pseudoacacia为主，生态林面积提高到31.02%。

2 研究方法

2.1 调查方法

标准木解析：选样地进行植物群落调查，每木检尺，在侧柏林地样地选择标准木1株，进行树木解析，分级取样，一级枝、根为直径小于5 mm（一年生），二级枝、根为直径介于5～10 mm（两年生），三级枝、根为直径大于10 mm（多年生）。

样方设置及取样：在每一块样地中按对角线3点取样法确定调查位置，灌木调查每块样地设3个5×5m样方，草本植物和地表枯落物调查在每块灌木调查样方内，按照固定方位（对角线）设3个1 m×1 m小样方。

土壤取样：在每个1 m×1 m小样方用直径为9 cm的土钻分层采集，深度为0～80 cm，每层（10 cm）取500 g土样，每个剖面采集8个样品。

本研究共获取样品119个，其中荒地33个，幼龄林43个，中龄林43个；灌木调查选择代表性样方各7个（每个样地各1个），地上部分采取全面收割法，地下部分调查采取全面分层调查法，取混合样品，求出3类样地的样方平均值，计算灌木根系含水率，并测定有机碳含量。

2.2 样品处理

土样风干并磨碎，过0.125 mm土筛，植物样品在108℃条件下烘干（至恒量）并粉碎测定有机碳、有机氮含量。有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法（GB 7857-87）[14-15]测定，有机氮的测定采用半微量开式法。

2.3 计算方法

根据调查的乔、灌木根系生物量及测定的有机碳含量计算灌木根系（DROCDa）和乔木根系（DROCDb）。公式分别为：

式（1）中： a为样方面积（m2），Gi、Ci分别为样方灌木根系第i层生物量(kg)和COCC(g·kg-1)。

式（2）中： Z代表样地乔木的平均株数，A代表样地面积（m2），Gij、Cij分别为第i层和第j 粗度级的生物量（kg）和 COCC（g·kg-1）。

土壤的有机碳密度DSOCD（Soil organic carbon density）的计算公式[1-2]为：

式（3）中：DSOCD为土壤有机碳密度(kg·m-2)，Ci、Bi、Di分别为土壤剖面第i层土壤有机碳含量 (g·kg-1)、第 i层土壤容重 (g·cm-3)，土层的厚度(cm)。

测定结果采用Excel软件和SPSS 12.0软件进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同器官含碳比例变化

随着林龄的增长，有机碳含量也随之变化。若仅对比不同器官有机碳含量变化，由于不同树龄材积不同，不具有可比性。为更科学的表明有机碳变化，现对比不同器官中有机碳含量比例的变化：

式（4）中：R为有机碳比例，COCCi，COCCt分别为第i种侧柏器官有机碳含量以及总有机碳含量。

从图1可以看出，幼林龄和中林龄的树干含碳比例最大。中龄侧柏含碳比例大小为：干＞三级枝＞三级根＞叶；幼龄侧柏含碳比例大小为：干＞叶＞一级枝＞三级根。对比幼林龄，中林龄侧柏的有机碳主要集中于三级枝、三级根。随着林龄的增长，三级枝、三级根以及干的含碳比例有所上升，其中三级根的含碳变化较大，表明，侧柏有机碳随着树林增长，逐渐向三级枝、三级根以及干转移并积累。

图 1 侧柏不同器官有机碳含量比例Fig.1 The organic carbon proportion of different P. orientalis organs

侧柏的有机碳含量比例，除主干、三级枝及三级根之外，10年生比35年生的叶、一级枝、二级枝、皮、一级根、二级根的均较大，表明其新生器官固碳能力较强，且随着这些器官的凋落，对土壤碳库将有一定的补充作用。欲对比不同器官凋落后碳氮比分解情况，需进一步研究。

3.2 侧柏不同器官碳氮比（C/N）

植物的凋落物作为土壤有机质重要来源对土壤的理化性质以及生物性质产生极其重要的影响[16-17]。林木凋落物及其分解状况是影响森林生态系统以及地球化学循环的重要因素，对促进森林生态系统正常的物质循环和养分平衡，维持土壤肥力，有着特别重要的作用。分解影响森林生态系统的主要养分元素（碳、磷、氮等）的循环。凋落物分解速率的影响因素为：森林生态系统类型、凋落物种类、环境条件等[18]。

凋落物的分解与其自身的化学成分以及环境因子有关，碳氮比在凋落物分解过程中起重要作用，对土壤有机质的形成及养分的释放有着十分重要的意义。研究表明[19-21]，凋落物碳氮比与其分解速率呈负相关，即碳氮比越大分解速率越小。碳氮比反应了分解速度，对比其大小可以反映不同器官凋落后，对土壤碳库的补充情况。

通过分析可以得出（图2），侧柏各器官中叶，果，皮，一级枝以及一级根的C/N较小，即其分解率较大，掉落后分解较快，有利于土壤C库的补充，而所有器官中，侧柏干的C/N最大。结合不同器官含碳比例变化可知，侧柏不同器官中，叶的含碳比例都较高，且碳氮比较低，随着叶的凋落，对土壤碳库的补充能力较强。

图2 侧柏不同器官碳氮比Fig.2 Carbon nitrogen ratio of different P. orientalis organs

3.3 土壤碳库变化

根据实验分析结果，不同土层碳密度见图1。经对3组样地在0～80 cm的SOCD分层分析，3组样地在不同层的变化有明显差异。利用SPSS 12.0单因素方差分析SOCD，利用多重比较，得出在0～10 cm范围内ANOVA结果差异显著（P＜0.05），在10 cm以下ANOVA结果差异不显著（P＞0.05）。在10 cm土层范围，荒地和10 a、35 a人工侧柏林地DSOCD分别为1.411 kg·m-2和7.707 kg·m-2、6.585 kg·m-2，荒地、10 a、35 a 人工侧柏林的土壤有机碳都集中于表层（0～10 cm）且呈递减趋势，但相较于荒地，10a、35a人工侧柏林各层的土壤有机碳密度都有所提高， 3种地类的平 均 值 分 别 为 0.5931 kg·m-2，3.133.126 kg·m-2、2.75 kg·m-2（表1），对比荒地，侧柏林下土壤有机碳密度明显提高，但35a侧柏林有机碳密度相比10a侧柏林降低了13.74%。表明造林有助于提高土壤有机碳，但由于随着林龄的增长，侧柏凋落物的有机碳含量降低，对土壤碳库的补充作用减弱，土壤有机碳密度降低。

为对比植树前后土壤碳库变化，以临近荒地为对照，比较其0～80 cm土壤碳含量变化（图3）。基本趋势为从表层向下递减，大部分有机碳集中于0～30 cm，这是由于有机碳主要有植被枯落，根系等凋亡补充。造林初期，土壤碳库碳储量较低，于20～40 cm处出现一个峰值，这是由于此深度，侧柏幼林根系密集，凋亡后，对土壤碳库的补充作用。后期，含碳率增长较快。由于造林初期荒地上原有植被不变，草本根系等对土壤碳库有一定的补充能力，但对原有植被的人为干扰较多，且新植树木对土壤碳库补充较少，10 a侧柏林土壤含碳率整体较低，相较荒地土壤含碳率降低，随着人工林生长，根系逐渐扎深，地上部分代谢等使土壤含碳率提高。特别是0～10 cm土壤层，由于侧柏凋落物即叶，一级枝等C/N值较低，分解迅速，对土壤碳库补充较大，含碳率较高。加之一级根凋亡对土壤碳库的补充，土壤含碳率整体较高。

图3 不同土层碳密度Fig.3 Organic carbon density in different soil depths

3.4 生态系统碳储量对比

人工林作为一个生态系统，其碳库作用应作为一个整体考虑才有生态意义。现对比荒地生态系统以及不同林龄侧柏生态系统碳储量（表4）。本研究样地内10a年生侧柏林郁闭度仅为45% ，侧柏林在现有密度的基础上有较大的个体生长空间，因此随着林龄的增长侧柏林碳增汇效应有明显体现。随着林木生长、凋落，地上部分乔木层及枯枝落叶层含碳量逐渐增加；而由于郁闭度增加，林下植被覆盖率降低，有机碳储量降低；土壤碳库由于造林期间对植被、土壤的人为干扰，先下降后上升。可见造林前期因整地后有机碳有降低趋势，但随着人工林的生长，对有机碳的吸收增加，且对土壤碳库的有机碳补充增加。改善了土壤有机碳储量。且随着地上部分的增长，人工林生态系统总体含碳量较荒地大为提升。

图4 不同土层含碳率Fig.4 Organic carbon ratio in different soil depths

为进一步体现林龄与总有机碳密度的关系，对林龄-侧柏生态系统总有机碳储量进行相关性分析，通过拟合方程可以看出（表2），随着林龄的增加，生态系统总有机碳密度以及土壤有机碳密度呈上升趋势，可见乔木层作为生态系统主体，极大地影响总有机碳密度变化趋势，且随着林龄的增长，对生态系统总有机碳的影响增加，其余组分通过相互作用，提高总有机碳密度。

表1 侧柏生态系统有机碳密度Table 1 Organic carbon density of P. orientalis ecological system kg·m-2

4 结论与讨论

通过对比不同林龄侧柏不同器官含碳比例变化，在人工林前期管理中，应注重叶，树干，一级、二级枝以及一级、二级根的保护，以促进有机碳积累。在后期管理中，应注重三级枝、三级根以及树干的保护，以利于有机碳的存留。

侧柏叶、果、一级枝、一级根的碳氮比较高，凋落后，分解率高，对土壤碳库补充作用较大，有利于改善土壤的碳储量。在造林后管理过程中，需注意保护此类凋落物，减少人为干扰。碳氮比是分析分解速度的指标，如能采用科学的方式，与器官的含碳率结合，将更好的衡量其对土壤碳库的补充作用。但具体的计算方式及验证，有待进一步研究。

表2 相关性分析Table 2 Correlation analysis

土壤有机碳大部分集中于土壤表层，造林初期，由于造林前的整地等人为干扰，有机碳储量降低，因此在造林后期管理时，应注意表层土的保护，减少人为翻动，以促进侧柏人工林的自然恢复。造林后期，随着林龄的增长，侧柏生态系统有机碳吸收量增加，且通过凋落物以及生态系统微环境的作用，对促进土壤碳库的有机碳吸收具有较显著的影响。由于此次研究范围为林龄8～35 a的侧柏生态系统，还未达到逻辑函数上限，无法得出侧柏生态林系统达到最大值时的林龄，还需进一步研究。

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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

陕西省日元贷款项目(K332020023)

张玲玲(1988-), 女, 硕士研究生,主要研究森林生态

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

[本文编校：吴 彬]