华北落叶松林土壤有机碳对择伐及人工更新的响应

孙海静，张 曼，崔丽红，黄选瑞

（河北农业大学 林学院，河北 保定 071000）

华北落叶松林土壤有机碳对择伐及人工更新的响应

孙海静，张 曼，崔丽红，黄选瑞

（河北农业大学 林学院，河北 保定 071000）

通过研究择伐面积以及人工更新不同树种对华北落叶松低效林的土壤有机碳含量和碳密度的影响，为低效林的改造提供参考。2007年在华北落叶松低效林内进行3种不同面积的择伐，即0.02、0.03和0.05 hm2，并在择伐孔内人工更新白桦和华北落叶松2种树种，2012年测其土壤有机含碳量和碳密度。结果表明：同一择伐面积下，人工更新华北落叶松的土壤含碳量和碳密度均比白桦高，即异龄纯林比针阔混交林高；人工更新白桦的各择伐孔内土壤有机碳含量和碳密度表现为0.02 hm2＞0.03 hm2＞0.05 hm2，栽植华北落叶松时表现为0.05 hm2＞0.02 hm2＞0.03 hm2；同一择伐孔内，土壤含碳量和碳密度均随着土层深度的增加而降低；对于0～30 cm土层来讲，更新树种的影响比择伐面积的影响大。

华北落叶松；土壤有机碳；响应；择伐；人工更新；

人工林的碳汇作用包括林木和土壤，与林木相比，森林土壤碳库更具有持久性和稳定性，被公认为是最具有潜力的碳汇[1]。土壤有机碳（SOC）是土壤养分循环转化的核心，容易受气候和土地利用的影响[2]，其主要来源于植物、动物、微生物残体及其排泄物与分泌物，并处于不断分解和合成的动态过程[3]。

华北落叶松Larix principis-rupprechtii是燕山山地的主要树种，其人工林自我更新能力差且林分结构单一，林分的碳汇功能没有发挥出最优水平，需对其进行改造。目前在众多低质林改造方式中，择伐改造能充分发挥每株树木的生长潜力，最大限度利用林地生产力，是最理想的森林改造经营模式[4]，目前关于森林采伐对森林土壤有机碳的影响的研究尚未达成共识[5-6]，人工更新不同树种会导致人工林土壤碳储量产生较大差异，因此进行了关于择伐面积及人工更新不同树种对华北落叶松林土壤有机碳的影响研究，为低效林的改造提供理论参考。

1 研究区概况

本 研 究 在 龙 头 山 林 场（41°35′～42°37′N，116°48′～ 118°20′E） 进 行， 该 林场属于河北省的木兰围场国有林场管理局，海拔1 011～1 230 m。该区年平均气温-1.4～4.7℃，无霜期67～128 d，年均降水量380～560 mm，主要集中在6、7、8三个月，其中7月份降水量占全年降水量的31%，年蒸发量1 462.9～1 556.8 mm，平均相对湿度为63%。木兰林管局内土壤包括棕壤、褐土、风砂土、草甸土、沼泽土、灰色森林土、黑土等7个土类，棕壤为土壤的主要成分。植被为暖温带落叶林区，原有植被以油松Pinus tabulateformis、白桦Betula platyphylla等天然次生林为主，人工栽植的植被以华北落叶松、油松和白桦Betula platyphylla等人工纯林为主，主要灌木为柔毛绣线菊Spiraea pubescens、美丽胡枝子Lespedeza formosa等，优势草本为乌苏里苔草Carex ussuriensis、龙牙草Agrimonia pilosa等[7]。

该研究在木兰林管局龙头山林场进行，所调查的林分是1972年人工栽植的华北落叶松纯林，2007年对其进行每木检尺，测得该林分的平均密度为750 株/hm2，平均高为10.5 m，平均胸径为13.5 cm，平均郁闭度为0.35。由于该区周边有村庄，林分受人为干扰较为严重，林相残败，功能低下，森林生态系统退化。

2 研究方法

2.1 试验地设计

群状择伐能在林内疏开较大的林冠空隙，但林隙也不宜太大，以免更新的幼苗失去周围树林的庇护。每群面积最小时可只包括2～5株立木，最大的采伐群（林窗）直径不宜超过周围林木树高的1～2倍[8-9]。

2007年用围栏将试验地进行封禁，并进行群状择伐，采伐面积分为3个等级：0.02、0.03和0.05 hm2，其中每个等级设置6块，共18块。2008年在采伐空地上人工栽植幼苗，在0.02、0.03和0.05 hm23个等级中，分别栽植2年生白桦、华北落叶松，各设置3个重复，其栽植密度均为2 500 株 /hm2。

2.2 土壤样品采集及分析

2012年在各择伐孔内挖取能够代表林分平均状态的土壤剖面1个，将每个剖面划分成6层（0～10 、10～ 20、20～30、30～40、40～ 50、50～60 cm），按从下到上的顺序分别在各层内采集一份土壤样品，装入土壤袋中。同时用环刀法每10 cm取一个容重样，带回室内测定土壤容重。一般测算土壤有机碳密度时通常采用土层厚度的标准为1 m，由于土壤发育情况不同，并非所有土壤的厚度都能达到1 m，因此在调查时以实际土壤厚度为准。

将装在土壤袋内的土样在室内自然风干后过2 mm筛，用玻璃瓶或塑料瓶密封存放，用作土壤碳含量分析，用重铬酸钾容量法—稀释热法测定土壤有机碳含量。带回实验室的测容重的土样，用干布擦净黏附于环刀外壁的土壤及水分并称质量，然后放入105℃恒温烘箱中烘至恒质量，冷却后称质量。

2.3 数据处理

土壤有机碳密度是指在单位面积上，一定深度的土层中土壤有机碳的储量。某一土层的有机碳密度计算公式为：

若土壤剖面由k层组成，那么该剖面的有机碳密度为：

式（1）、（2）中：CSi为有机碳密度（t/hm2）；Ci为i层土壤有机碳含量（g/kg）；Di为土壤容重（g/cm3）；Hi为土层厚度（cm）；Gi为直径大于2 mm的石砾所占的体积百分比（%）[10-11]。实际调查中，由于Gi值很小，可以忽略不计。

土壤容重的计算公式为：

式（3）中：ρb为土壤容重（g/cm3）；m为环刀内湿样质量（g）；v为环刀容积（cm3）；θm为样品含水量（%）[12]。

应 用 Excel、SPSS（Statistical Package for Social Science）对数据进行比较以及方差分析[13]。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳含量及其分布

不同择伐面积及人工更新不同树种对土壤有机碳含量的影响不一致（见表1）。栽植白桦的各择伐孔内平均碳含量表现为0.02 hm2＞0.03 hm2＞0.05 hm2，栽植华北落叶松的各择伐孔内平均碳含量表现为0.05 hm2＞0.02 hm2＞0.03 hm2，且同一择伐面积下，栽植华北落叶松均比栽植白桦的土壤有机含碳量高。人工更新同一树种的择伐孔内，同一土层不同择伐面积之间含碳量存在差异。人工更新白桦的各择伐孔下：土层深度0～10、10～20、20～30、40～50 cm土壤有机碳含量表现为各择伐面积之间均差异显著；30～40、50～60 cm的土壤有机碳含量表现为0.02 hm2与0.03 hm2、0.05 hm2差异显著，而0.03 hm2与0.05 hm2差异不显著。人工更新华北落叶松的择伐孔土壤含碳量表现为：土层深度为0～10 cm时，各择伐面积的土壤有机碳含量差异均不显著；10～20、50～60 cm时各择伐面积均两两差异显著；20～ 30、30～ 40 cm 时 0.03 hm2与 0.02 hm2、0.05 hm2差异显著，而0.02 hm2与0.05 hm2差异不显著；40～50 cm时0.02 hm2与0.03 hm2差异不显著，其余差异均达显著水平。

表1 不同择伐面积和更新树种下土壤有机碳含量†Table 1 Soil organic carbon contents in different selective cutting area and tree species

从表1可以看出，各择伐孔内土壤有机碳含量在土壤剖面的分布存在差异。各择伐孔内土壤有机碳含量均表现为表土层（0～10 cm）最大，随土层深度的增加，各择伐孔内土壤有机碳含量逐渐下降。人工更新白桦的择伐孔内，择伐面积为0.02 hm2及0.05 hm2时，各土层之间均差异显著。择伐面积为0.03 hm2时，0～10 cm与除10～20 cm以外的土层差异均达显著水平，10～20 cm与30～40、40～50、50～60 cm之间差异显著，20～30 cm与40～50、50～60 cm差异显著，30～40 cm与50～60 cm差异显著，而其余土层差异不显著。人工更新华北落叶松时，择伐面积为0.02 hm2时，各土层之间均差异显著。择伐面积为0.03 hm2时，0～10、10～20 cm均与其余土层差异达显著水平， 20～30 cm与40～50、50～60 cm差异显著，其余土层差异不显著。择伐面积为0.05 hm2时，0～10、10～20 cm均与其余土层差异达显著水平，30～40 cm与50～60 cm之间差异达显著水平，其余差异不显著。

3.2 土壤容重

各样地土壤容重变化幅度不同（见图1），择伐面积为0.02 、0. 03 及0.05 hm2且人工更新白桦时，其变化范围分别为为1.09～1.29、1.07～1.39、1.16～1.40 g/cm3；择伐面积为0.02、0.03及0.05 hm2且人工更新华北落叶松时，其变化范围分别为为 1.12～ 1.35、1.11～ 1.45、1.09～ 1.40 g/cm3。随着土层深度的增加，各样地土壤容重呈上升趋势。

图1 各样地土壤容重Fig.1 Soil bulk density of sample plots

3.3 土壤有机碳密度及其分布

土壤有机碳密度是由土壤有机碳含量和土壤容重两者决定的。从表2可以看出，同一择伐面积下，人工更新华北落叶松的土壤有机碳密度均比白桦高。人工更新白桦的各择伐孔内土壤有机碳密度表现为0.02 hm2＞0.03 hm2＞0.05 hm2，栽植华北落叶松的各择伐孔内土壤有机碳密度表现为0.05 hm2＞0.02 hm2＞0.03 hm2，这与土壤的有机碳含量表现规律一致。同含碳量一样，在人工更新同一树种的择伐孔内，同一土层不同择伐面积之间土壤有机碳密度亦存在差异。人工更新白桦的择伐孔下土壤有机碳密度变现为：在6种不同土层深度时，择伐面积为0.02 hm2与0.05 hm2的土壤有机碳密度差异均达显著水平；土层深度为0～10、10～20、20～30、40～50 cm时，择伐面积为0.02 hm2与0.03 hm2、0.03 hm2与0.05 hm2的土壤有机碳密度均差异显著；土层深度为30～40 cm时，0.02 hm2与0.03 hm2、0.03 hm2与0.05 hm2的土壤有机碳密度差异未达到显著标准；而土层深度为50～60 cm时，择伐面积0.02 hm2与0.03 hm2差异显著，0.03 hm2与0.05 hm2的差异未达显著水平。人工更新华北落叶松的择伐孔下土壤有机碳密度变现为：各择伐面积下0～10 cm层的土壤有机碳密度均差异不显著；10～20、30～40、50～60 cm的土壤有机碳密度在各择伐面积下均差异显著；20～30 cm时则为0.03 hm2与0.02 hm2、0.03 hm2与0.05 hm2均差异显著，0.02 hm2与0.05 hm2的差异未达显著水平；而40～50 cm的有机碳密度为0.05 hm2与 0.02 hm2、0.05 hm2与 0.03 hm2均差异显著，0.02 hm2与0.03 hm2的差异未达显著水平。

表2 不同择伐面积和更新树种下土壤有机碳密度Table 2 Soil organic carbon density in different selective cutting area and tree species

同一择伐面积下，土壤有机碳密度随着土壤深度的增加而降低（见表2），这与土壤有机碳含量表现呈正比，而与土壤容重呈反比。不同择伐面积以及人工更新不同树种的各样地，其土壤有机碳密度最大值和最小值出现的深度相同：0～10 cm为最大值，50～60 cm时最小。择伐面积为0.02 hm2时，人工更新白桦和华北落叶松的样地各土层之间的有机碳密度均差异显著。择伐面积为0.03 hm2时， 人工更新白桦的择伐孔内0～10、10～20 cm土层分别与30～40、40～50、50～60 cm两两差异显著，20～30 cm与40～50、50～60 cm差异达显著水平，40～50 cm与50～60 cm之间差异亦显著，其余土层差异不显著；人工更新华北落叶松的样地内0～10、10～20 cm的土壤有机碳密度均与其余土层差异显著，20～30 cm与40～50、50～60 cm，30～40 cm与50～60 cm差异均达显著水平，其余土层差异不显著。择伐面积为0.05 hm2时，人工更新白桦的择伐孔内40～50 cm土层与50～60 cm之间差异不显著，其余各土层之间均差异显著；人工更新华北落叶松的样地内最下边3层之间土壤的有机碳密度差异不显著，其余土层之间差异均达显著水平。

3.4 土壤有机碳密度的双因素方差分析

根据表3的双因素方差分析可以看出：树种和面积对0～10 cm土层的土壤有机碳密度影响显著（P＜0.05），其交互作用的影响并不显著；而树种、面积以及树种和面积的交互作用对于其余土层的碳密度影响均显著。对于0～30 cm土层来讲，不同树种的影响要比面积的影响大，且树种和面积的影响均比其交互作用的影响要大；而对于30～60 cm的土层来说，树种和面积的交互作用比树种、面积的影响大。

4 结论与讨论

土壤的有机碳含量是由有机碳的分解速率、动植物残余物数量、植物根系以及返还至土壤中的有机物等因素决定的，其大小是由土壤有机碳的输入、输出以及土壤的性质决定的[10,14-16]。同一择伐面积下，栽植华北落叶松均比栽植白桦的土壤有机含碳量高，栽植白桦的各择伐孔内平均碳含量表现为0.02 hm2＞0.03 hm2＞0.05 hm2，栽植华北落叶松的各择伐孔内平均碳含量表现为0.05 hm2＞0.02 hm2＞0.03 hm2。人工更新同一树种的择伐孔内，同一土层不同择伐面积之间含碳量存在差异，且各择伐孔内土壤有机碳含量在土壤剖面的分布亦存在差异。各择伐孔内土壤有机碳含量均表现为表土层（0～10 cm）最大，随土层深度的增加，各择伐孔内土壤有机碳含量逐渐下降。各样地土壤容重变化幅度不同，且随着土层深度的增加呈上升趋势。

表3 土壤有机碳密度的双因素方差分析Table 3 Two-factor variance analysis of soil organic carbon density

树种和择伐面积及其交互作用对土壤有机碳密度影响不同，树种和面积对各土层有机碳密度均影响显著，而其交互作用对除0～10 cm以外的土层影响显著。择伐孔下各地土壤约有70%的碳分布在土壤表层（0～30 cm），这是由于林地土壤有机碳含量具有“表聚作用”[17]。对于0～30 cm土层来讲，树种和面积的影响均比其交互作用的影响要大，且不同树种的影响要比面积的影响大，这是因为根的主要活动集中在0～30 cm。不同森林树种会造成地下碳分配比例、根系生长速率及其生物量等因子的差异，而且不同根系的垂直分布特征可直接影响输入到土壤剖面各层次的有机碳数量，因此导致土壤碳储量的差异[6]。

在同一择伐面积下，人工更新华北落叶松的土壤有机碳密度均比白桦高，即人工更新成异龄纯林比针阔混交林高。人工更新白桦的各择伐孔内土壤有机碳密度表现为0.02 hm2＞0.03 hm2＞0.05 hm2，栽植华北落叶松的各择伐孔内土壤有机碳密度表现为0.05 hm2＞0.02 hm2＞0.0 3 hm2，这与土壤的有机碳含量表现规律一致。在人工更新同一树种的择伐孔内，同一土层不同择伐面积之间土壤有机碳密度亦存在差异。同一择伐面积下，土壤有机碳密度随着土壤深度的增加而降低，这与土壤有机碳含量表现呈正比，而与土壤容重呈反比。

[1] 郭锦山,尤文忠,张慧东,等.森林经营管理对人工林土壤碳累积的影响[J].辽宁林业科技,2011,(4):34-36.

[2] 徐桂林,方 晰,田大伦,等.杉木林地不同更新方式土壤有机碳垂直分布及储量[J].浙江林学院学报,2009,26(3):333-340.

[3] 方 晰.杉木人工林生态系统碳贮量与碳平衡的研究[D].长沙:中南林业科技大学，2004.

[4] 张 泱,董希斌,郭 辉.基于主成分分析法综合评价小兴安岭低质林择伐生态改造模式[J].东北林业大学学报,2010,38(12): 7-9.

[5] 李正才,傅懋毅,杨校生.经营干扰对森林土壤有机碳的影响研究概述[J]. 浙江林学院学报,2005,22(4):469-474.

[6] 闫美芳,张新时,江 源,等.主要管理措施对人工林土壤碳的影响[J].生态学杂志,2010,29(11):2265-2271.

[7] 刘 庆,吴 彦.滇西北亚高山针叶林林窗大小与更新的初步分析[J].应用与环境生物学报, 2002, 8(5):453-459.

[8] 董伯骞,黄选瑞,夏明瑞.退化华北落叶松林枯落物对近自然经营的短期响应[J].中国水土保持科学, 2011, 9(3):52-58.

[9] 沈国舫,翟明普.森林培育学[M].北京:中国林业出版社,2011.

[10] 梁启鹏,余新晓,庞 卓,等.不同林分土壤有机碳密度研究[J].生态环境学报, 2010,19(4):889-893.

[11] 陶玉华,冯金朝,马麟英,等.广西罗城马尾松、杉木、桉树人工林碳储量及其动态变化[J].生态环境学报, 2011, 20(11):1608-1613.

[12] 王贵连,苗党生.浅谈土壤容重的测定[J].植保土肥,2012,(1): 86.

[13] 田大伦,王新凯,方 晰,等.喀斯特地区不同植被恢复模式幼林生态系统碳储量及其空间分布[J].林业科学, 2011,47(9):7-14.

[14] 陈建国,田大伦,闫文德,等.鄂西南区域土壤有机碳储量、密度及其影响因子[J].中南林业科技大学学报,2011,31(5):57-62.

[15] 潘忠松, 丁访军,戴全厚,等.黔南马尾松人工林土壤有机碳的研究[J].中南林业科技大学学报,2012,32(2):75-80.

[16] 万 猛,田大伦,樊 巍.豫东平原农林复合系统土壤有机碳时空特征[J].中南林业科技大学学报, 2009,29(2):1-5.

[17] 李怒云,吕 佳.林业碳汇计量[M].北京:中国林业出版社,2009:16-18.

Response of soil organic carbon to selective cutting and artif i cial regeneration inLarix principis-rupprechtii

SUN Hai-jing, ZHANG Man, CUI Li-hong, HUANG Xuan-rui
(College of Forestry, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China)

The purpose of this study is to provide references for transformation of low eff i ciency stands by research the inf l uences on soil carbon content and carbon density aboutLarix principis-rupprechtiilow eff i ciency stands which were treated with the selective cutting and artif i cial regeneration. The selective cuttings of three different areas were conducted inL.principis-rupprechtiilow function forest in 2007, which were 0.02 hm2, 0.03 hm2and 0.05 hm2respectively,Betula platyphyllaandL. principis-rupprechtiiseedlings were planted in the artif i cial regeneration zones of selective cutting areas. The soil organic carbon content and carbon density were determined in 2012. The results show that within the same selective cutting area, the soil organic carbon content and carbon density of artif i cialL. principis-rupprechtiiwere both higher than that ofBetula platyphylla, this means that the carbon content and density of unevenaged pure stands were higher than those of mixed broadleaf-conifer forest; the organic carbon content and carbon density of the soil in artif i cial regenerationBetula platyphyllaforest in the selective cutting zones took an order: 0.02 hm2＞0.03 hm2＞0.05 hm2, that in the zones plantedL. principis-rupprechtiiforest showed a sequence: 0.05 hm2＞ 0.02 hm2＞ 0.03 hm2; In the same selective cutting zone,the soil carbon content and density decreased with the increase of soil depth, for 0～30 cm soil layer, the inf l uence of tree species which were treated with artif i cial regeneration was bigger than selective cutting zones.

Larix principis-rupprechtii; soil organic carbon; response; selective cutting; artif i cial regeneration

S714.8；S752.2+4；S754.3

A

1673-923X(2014)09-0098-05

2013-08-20

科技部十二五科技支撑计划项目（2012BAD22B0304 ）；国家林业公益性行业专项（20100400205）

孙海静（1988-），女，河北定州人，硕士研究生，主要从事森林可持续经营方面的研究；E-mail：sunhjing@163.com

黄选瑞（1962- ），男，内蒙古武川人，教授，主要从事森林资源保护与管理、森林可持续经营和林业经济的研究；E-mail：hxr1962@163.com

谢荣秀]