重庆四面山五种人工林土壤有机碳储量研究

徐贵来, 张洪江*, 吕相海，程金花, 杜士才，李乾坤，魏虎伟，张欣，田香姣

1. 北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2. 中国国际工程咨询公司，北京 100044；3. 重庆市林业局，重庆 401147

在陆地生态系统所有的碳库中，土壤碳库最大且其周转时间最慢（王绍强等，2000），它包含有土壤有机碳库和土壤无机碳库，其中无机碳比较稳定，且其库存所占比例较小，因此它对碳循环意义较小（解宪丽等，2004）。土壤有机碳在土壤中的作用巨大，它不仅影响着碳循环，而且它还是陆地生态系统中地上和地下生物活动营养和能量的重要来源（Wang等，2002）。Eswaran，Sombroke，Sehlesinger根据不同数据估算得到全球土壤碳储量范围为 1.22×1012t ~1.576×1012t（H等，1993；W G等，1993；W H等，1982）。在整个陆地生态系统中，土壤中的有机碳储量大约是生长着的植物的 2倍多（WU等，2003），森林生态系统在有机碳储存方面起着尤为重要的作用，陆地中大约有三分之二的有机碳都储存在了森林生态系统中，因此它对全球的碳循环有着相当重要的作用（Hua等，2013）。由于化石燃烧和毁坏森林等原因排放的CO2的30%被陆地生态系统所吸收，森林具有最大的碳的存储空间，存储着893Pg碳（45.7%的陆地碳）这个数值是大气中碳数值的2倍（Fu等，2013）。

目前已有大量对土壤有机碳储量影响因子的研究，土地利用方式的不同，方式的改变都会明显影响到土壤有机碳储量的大小（WU等，2003；杨玉盛等，2007；P和I，1998；孙文义等，2010），周涛等[13]，解宪丽等[14]，孙文义等[12]，李辉等[15]分别研究了气候，植被，地形，耕作方式等等因素对土壤有机碳储量的影响，其结果表明：随着这些因子的不同，其土壤有机碳储量都会有不同差异的改变（周涛等，2003；解宪丽等，2004；孙文义等，2010；李辉等，2012）。现有的关于碳储量的研究在土地利用方式方面研究较多，而对于不同林种的研究较少。

本文对重庆四面山五种人工林（杉木纯林、杉木×马尾松、杉木×马尾松×木荷、木荷×石栎×枫香×香樟、木荷×石栎）的有机碳储量进行测定，旨在研究重庆四面山不同种人工林的土壤有机碳储量特征。

表1 实验样地基本情况Table 1 The basic situation of the experimental plots

1 研究区概况

本研究的研究区位于重庆四面山，其地理位置为 106°17′~106°31′E，28°31′~28°46′N，海拔高度900~1500 m，地势南高北低。气候为中亚热带季风湿润气候，雨量充沛，四季分明且温暖湿润。多年平均气温为13.7 ℃，一年中，平均气温最高月在8月，高达 31.5 ℃，平均气温最低月在 1月，低至－5.5 ℃。多年平均降雨量达1522.3 mm，日最大降雨量达160.5 mm，雨季集中，在5~9月，雨季雨量占年降雨量的62.17%。年均日照小时数为1082.7 h，生长季 5~9月的日照小时数约为全年日照总时数的64%。

研究区内林地土壤主要土壤类型为黄棕壤、黄壤。该区土层厚度一般在10到70 cm之间，植被特征为典型的亚热带常绿阔叶林，多为天然次生林，并有少量人工林。主要植被有杉木（cunning hamia lanceolata），石栎（Lithocarpus glaber），马尾松（Pinus massoniana），福建柏（Fokienia hodginsii），木荷（Schima superba），香樟（Cinnamomum camphora），枫香（Liguidambar formsana）等，还有约 20多种竹类植物，其中楠竹（Phyllostachys pubescens）为最常见。

2 材料与方法

于2013年6月在研究区以5 m×5 m网格用土钻采集土样，每个样地设有 81个采样点，每个样地 A、B层各取81个土样，本研究总计取样 810个。同时，用GPS记录每个采样点的经纬度、海拔、坡度、植被类型、坡向等信息。采样深度为40 cm，按A（0~20 cm），B（20~40 cm），进行分层采样，每个采样点每层进行采样5次，然后将5次土样均匀混合，最终从中取出500 g土样回实验室分析。将风干后土样研磨混合均匀后过0.25 mm土壤筛，运用重铬酸钾氧化稀释热法进行有机碳测定，多余土样装入塑料袋备用。土壤容重采用环刀法测定，将用环刀分层取得的土样带回实验室用烘箱在105 ℃烘10 h获得。

数据统计处理采用EXCEL2003和SPSS19.0进行。

样地基本情况见表1。

本研究所采用的有机碳密度SOCi（kg•m-2）公式为（王绍强等，2000；解宪丽等，2004）：

式中：Ci代表第i层土壤有机碳储量（%），BDi代表第i层土壤容重（g•cm-3），di代表第i层土壤厚度(cm)，Hi代表第i层土壤中大于2 mm石砾的体积百分比（%）。

若一土壤剖面由N层土壤组成，那么此剖面的有机碳储量（T）为：

式中：T代表剖面有机碳储量（kg），Ai代表i层土壤中与有机碳密度一一对应的面积，N代表该剖面的土层数。

3 结果与分析

3.1 五种人工林下的土壤容重

土壤容重的大小是表征土壤疏松程度、土壤紧实度、结构性、孔隙度等土壤质量指标的一个重要参数（侯晓瑞等，2012）。从图1分析可知，五种人工林分土壤容重A差异均不显著，B层土壤中，杉木人工纯林与杉木×马尾松×木荷人工混交林、木荷×石栎人工混交林差异显著，其余差异均不显著。在A、B、C三个土层总平均容重中，最大的为木荷石栎人工混交林，为0.990 g•cm-3，分别是杉木人工纯林的1.122倍和石栎木荷枫香香樟人工混交林的1.117倍；从A(0 ~ 20 cm) 层土壤来看，各人工林的平均容重依次为：杉木人工纯林<杉木马尾松木荷人工混交林<石栎木荷枫香香樟人工混交林<杉木马尾松人工混交林<木荷石栎人工混交林，其中木荷石栎人工混交林土壤容重为0.759 g•cm-3，比杉木人工纯林大11.49%；在B（20~40 cm）土层深度时，木荷石栎人工混交林地土壤容重分别比杉木人工纯林地的大14.65%；而杉木马尾松人工混交林与杉木马尾松木荷人工混交林的土壤容重差异相对较小。五种人工林地土壤层结构良好，在同种人工林地下，随着土层深度的增加，土壤容重也随之增加。五种林分土壤容重有如此的分布规律可能与林地枯落物的质与量的不同、土壤质地的差异、土壤结构状况、土壤有机质的差异、以及不同人工林根系对土壤的作用不同和人们对林地的扰动程度不同有关。

图1 五种人工林各层土壤容重Fig.1 The Soil bulk density of different layers in five plantations

3.2 五种人工林下A、B层土壤有机碳含量

林分类型不同，A层土壤有机碳含量总体差异显著（p<0.05），具体相互差异显著性见表格2。对于 0~40 cm土层，五种人工林的平均有碳含量在2.983%到3.640%之间变化。在此五种林分类型中，土壤平均有机碳含量以杉木人工纯林为最高，其次为杉木马尾松木荷人工混交林，石栎木荷枫香香樟人工混交林为最小。研究区内的其他四种人工林下土壤有机碳含量均小于杉木人工纯林，这与梁启鹏等（梁启鹏等，2010）的研究结果相悖，这可能与该研究区针叶林林龄和间伐有关，间伐使得林下聚集较多的枯落物，加之重庆地区水分充足使得枯落物腐蚀分解加快，从而保证了有机碳的输入有关。在同一土壤深度层次，林分类型不同，其林下土壤有机碳含量也存在着明显的差异。就A层土而言，土壤有机碳含量最大的为杉木马尾松木荷人工混交林，为4.209%；其次是杉木人工纯林，木荷石栎枫香香樟人工混交林最小，杉木马尾松木荷人工混交林下土壤有机碳含量是木荷石栎枫香香樟人工混交林的1.29倍；在B层，土壤有机碳储量最高的杉木人工纯林比土壤有机碳含量最低的木荷石栎枫香香樟人工混交林多17.37%，但是，B层土壤有机碳含量总体差异不显著（p>0.05）其中除杉木人工纯林和木荷×石栎×枫香×香樟人工混交林差异显著外，其余相互差异均不显著。出现不同林地类型总体A层显著，B层不显著可能与林地枯落物聚集在表层，土壤微生物在表层活动频繁有关。而出现不同林地类型两两间有无显著性差异有无可能是林地的林龄不同、郁闭度不同、海拔不同、坡向因子不同以及人为因素间伐等原因造成的。

表2 不同人工林下土壤有机碳含量Table 2 The soil organic carbon content in different plantations

在垂直剖面上，五种人工林均差异显著（p<0.05）, 表现出随着土层深度的增加，林下土壤有机碳含量随之减小。其变化幅度顺序为杉木马尾松木荷人工混交林(40.28%)>杉木马尾松人工混交林(31.74%)>杉木人工纯林(30.16%)>木荷石栎人工混交林(22.90%)>石栎木荷枫香香樟人工混交林(21.36%)。说明杉木马尾松木荷人工混交林下土壤有机碳含量随土层深度变化明显，反映了杉木马尾松木荷人工混交林受成土母质影响较小，能较好地改良表层土壤。

3.3 不同人工林下的土壤有机碳储量

不同人工林下的有机碳密度与其相应的面积的乘积即为其相应面积内的有机碳储量，一般情况，我们计算碳储量时均采用1 m土层深度作为计算标准，但是由于各地区土壤的发育程度的不同，许多地方土层深度达不到1 m，因此估算时需要根据实际调查情况为准。有研究表明：土壤40 cm层所储存的有机碳量大约是土壤层中有机碳的 71%（WU等，2003），所以本研究估算土壤碳储量时仅计算40cm土层的碳储量。

由表格3可知，五种人工林相同面积下土壤有机碳储量差别不大，A层土壤有机碳储量总体差异性显著（p<0.05），B层总体差异性不显著(p>0.05)，这基本与土壤有机碳储量规律一致。各土层在7.18 t到9.31 t之间变化。其中，杉木人工纯林A、B层的碳储量分别是木荷石栎枫香香樟人工混交林的1.24、1.11倍。在0~40 cm土层中，五种人工林总有机碳储量为81.14 t，不同种人工林下土壤总有机碳储量的大小顺序为：杉木人工纯林(16.97 t)>杉木马尾松人工混交林(16.63 t)>杉木马尾松木荷人工混交林(16.57 t)>木荷石栎人工混交林(16.52 t)>石栎木荷枫香香樟人工混交林(15.45 t)。杉木人工纯林有机碳储量最高，栎木荷枫香香樟人工混交林最低，这可能与林龄及间伐有关。此研究中人工针阔混交林较阔叶人工林具有较大的有机碳储量，说明营造针叶人工林在缓解大气中CO2的升高发挥着更为积极的作用。

在垂直剖面上，此五种人工林有机碳储量均差异显著(p<0.05)，表现出随着土层深度的增加而减小的规律，B层土壤有机碳储量约占A层的百分比为 77.98%～97.84%，平均值为 90.38%，总体差别不大。分析表格3可知，不同林种类型、同一土层深度或是不同土层深度、同一林种类型其有机碳储量变异系数大小均不一样，这说明此五种林地土壤普遍存在空间异质性且其异质程度不一样。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）五种人工林分土壤容重A差异均不显著，B层土壤中，杉木人工纯林与杉木×马尾松×木荷人工混交林、木荷×石栎人工混交林差异显著，其余差异均不显著。在A、B、C三个土层总平均容重中，最大的为木荷石栎人工混交林，为0.990 g•cm-3，分别是杉木人工纯林的1.122倍和石栎木荷枫香香樟人工混交林的1.117倍；五种人工林地土壤层结构良好，在同种人工林地下，随着土层深度的增加，土壤容重也随之增加。

（2）林分类型不同，A层土壤有机碳含量总体差异显著（p<0.05）。对于0~40 cm土层，五种人工林的平均有碳含量在2.983%到3.640%之间变化。在此五种林分类型中，土壤平均有机碳含量以杉木人工纯林为最高，其次为杉木马尾松木荷人工混交林，石栎木荷枫香香樟人工混交林为最小。但是，B层土壤有机碳含量总体差异不显著（p>0.05）其中除杉木人工纯林和木荷×石栎×枫香×香樟人工混交林差异显著外，其余相互差异均不显著。在垂直剖面上，五种人工林均差异显著（p<0.05），表现出随着土层深度的增加，林下土壤有机碳含量随之减小，体现出土壤有机碳含量在此五种人工林地的表聚作用。

（3）五种人工林相同面积下土壤有机碳储量差别不大，A层土壤有机碳储量总体差异性显著（p<0.05），B层总体差异性不显著(p>0.05)，这基本与土壤有机碳储量规律一致。各土层在7.18 t到9.31 t之间变化。在垂直剖面上，此五种人工林有机碳储量均差异显著(p<0.05)，表现出随着土层深度的增加而减小的规律。不同林种类型、同一土层深度或是不同土层深度、同一林种类型其有机碳储量变异系数大小均不一样，这说明此五种林地土壤普遍存在空间异质性且其异质程度不一样。

4.2 讨论

分析表格3可知，研究区的五种人工林0~40 cm平均有机碳密度为10.14 kg•m-2，这个结果比林培松等（林培松和高全洲，2009）、Fu等（Fu等，2013）研究的相似气候地区的 0~40 cm土壤有机碳密度(分别为 7.78 kg•m-2和 7.86 kg•m-2) 要高，这可能与当地的气候条件有关，有关于阔叶林研究表明：水分和热量会限制土壤储存碳的能力，进而影响土壤碳储量的大小（蚁伟民等，1994）。本研究区在中亚热带季风湿润气候区，虽然全年水分充足，热量丰富，但是无论是从水分还是热量来讲均没有林培松、Weijun Fu等研究的研究区高，这使得其有机物质的代谢相对较慢，相比之下更有利于有机碳的积累。除此之外，研究区特殊的土壤、地形、植被情况及其各种物理化学因子和本研究与其他研究在方法上的差异也可能造成本研究区的有机碳储量与其他研究区的有机碳储量存在差异。

表3 不同人工林下土壤有机碳储量Table 3 The soil organic carbon storage in different plantaions

就A土层而言，本研究区五种人工林平均有机碳密度为5.34 kg•m-2，比黄雪夏等研究的重庆市土壤有机碳密度3.11 kg•m-2（黄雪夏等，2005），解宪丽等研究的全国森林土壤有机碳密度 4.24 kg•m-2（解宪丽等，2004），全国土壤有机碳密度2.67 kg•m-2等都要高，且分别比它们多出 71.70%，25.94%，100%。这可能与研究区林下枯落物较多、水分充足、有机质大多集中在表层等有关，也从侧面反映出构建人工林可以较好地增加土壤有机碳储量，缓解大气中CO2浓度，改善生态环境。

ESWARAN H, VANDENB E, REIEH P. Organic carbon in soil of the world[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57: 193-194.

FEARNSIDE P, BARBOSA I. Soil carbon changes from conversion of forest to pasture in Brazilian Amazonia[J]. Forest Ecology and Management. 1998, 108(1-2): 147-166.

HAIBIN WU, ZHENGTANG GUO, CHANGHUI PENG. Land use induced changes of organic carbon storage in soils of china [J]. Globle Change Biology(2003)9, 305-314.

HaiRen Hua, Chen LinJun, Li Pingheng, et al. Spatial and temporal patterns of carbon storage from 1992 to 2002 in forest ecosystems in Guangdong, Southern China[J]. Plant Soil (2013) 363: 123-138.

Hongqing Wang, Charles A.S. Hall, Joseph D. Cornell and Myrna H.P. Hall.Spatial dependence and the relationship of soil organic carbon and soil moisture in the Luquillo Experimental Forest, Puerto Rico [J] .Landscape Ecology, 2002, 17: 671-684

SEHLESINGER W H. Carbon storage in the calishe of arid soils [J]. A case study from Arizona [J]. soil Science, 1982, 298: 248-255.

SOMBROKE W G, Nachtergaele F O, Hebel A. 鲍显诚译.热带和亚热带土壤中碳的含量、动态及贮存[J]. 人类环境杂志, 1993, 22(7):418-426.

Weijun Fu, Peikun Jiang, Keli Zhao, et al. The carbon storage in moso bamboo plantation and its spatial variation in Anji County of southeastern China [J]. Soil Sendiment, 2013, doi:10.1007/s11368-013-0665-7 (SCI).

侯晓瑞, 薛志婧, 程曼, 等. 黄土丘陵区纸坊沟小流域土壤有机碳储量研究[J]. 水土保持通报, 2012, 32(2): 21-25.

黄雪夏, 倪九派, 高 明, 等. 重庆市土壤有机碳库的估算及其空间分布特征[J ] . 水土保持学报, 2005, 19(1): 54-58.

解宪丽, 孙 波, 周慧珍, 等. 不同植被下中国土壤有机碳的储量与影响因子[J]. 土壤学报, 2004, 41(5): 687-697.

解宪丽, 孙 波, 周慧珍, 等. 中国土壤有机碳密度和储量的估算与空间分布分析[J]. 土壤学报, 2004, 41(1); 35-37.

李辉, 张军科, 江长胜, 等. 耕作方式对紫色水稻土有机碳和微生物生物量碳的影响[J]. 生态学报, 2012, 32(1): 247-253.

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

林培松, 高全洲. 粤东北山区几种森林土壤有机碳储量及其垂直分配特征[J]. 水土保持学报, 2009, 23(5): 243-247.

孙文义, 郭胜利, 宋小燕. 地形和土地利用对黄土丘陵沟壑区表层土壤有机碳空间分布影响[J]. 自然资源学报, 2010, 25(3): 443-450.

王绍强, 周成虎, 李克让, 等. 中国土壤有机碳库及空间分布特征分析[J]. 地理学报, 2000, 55(5): 533.

杨玉盛, 谢锦升, 盛浩, 等. 中亚热带山区土地利用变化对土壤有机碳储量和质量的影响[J]. 地理学报, 2007, 62(11): 1123-1129.

蚁伟民, 丁明懋, 张祝平, 等. 鼎湖山黄果厚壳桂群落的凋落物及其氮素动态[J ] . 植物生态学报, 1994, 18 (3) : 228-234.

周涛, 史培君, 王绍强. 气候变化及人类活动对中国土壤有机碳储量的影响[J]. 地理学报, 2003, 58(5): 727-734.