中国主要人工林土壤有机碳的比较

王大鹏，王文斌，郑亮，罗雪华，邹碧霞，张永发，吴小平*

1. 中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 儋州 571737；2. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

土壤有机碳库是地球表层系统中最大最活跃的碳库之一，其有机碳储量约为1550 Pg，是大气碳库的2倍，陆地生物质碳库的2～4倍（Lal，1999；Lal，2004）。森林土壤在全球碳循环中发挥了非常重要的作用。据统计，全球森林碳储量约1146 Pg，其中土壤碳储量约为787 Pg，是陆地生态系统最大的土壤碳库（Dixon等，1994）。目前估算并量化区域乃至全球森林碳储量是土壤学界、生态学界和环境学界共同关注的科学热点（Kauppi等，1992；Fang等，2001；Pan等，2011）。其中关于气候变化下和土地利用变化下森林（包括土壤和生物量）碳过程、固碳潜力及碳储量等科学问题，已成为全球变化的重大基础科学问题，同时也是未来制定增加碳截获和减缓气候变化的环境保护政策的基础依据（潘根兴等，2002；Pan等，2004；潘根兴等，2008；Bonan，2008）。

中国森林覆盖率只有全球平均水平的 2/3，人均森林面积仅0.145 hm2。自20世纪70年代以来，中国通过实施退耕还林和人工林防护等工程开展了大规模的人工造林活动，并取得可喜成绩。普查资料（国家林业局，2009）显示，2008年中国森林面积为 19545.22万 hm2，其中人工林面积达6168.84万 hm2，人工林面积居世界首位。中国大面积建造人工林，不仅增加了中国森林面积和碳储量，而且对减缓气候变化也具有非常重要的作用。研究表明，人工林的建造能有效地固持大气中的碳（Fang等，2001；Pan等，2011）。中国人工林面积的增加和森林的再生长使中国森林起着碳“汇”的作用，对减缓全球气候变化具有良好效应（Fang等，2001；Pan等，2004；Piao等，2009）。近年来，国内不少学者对中国主要人工林（如杉木、马尾松、毛竹和橡胶等）土壤有机碳做了大量研究，但研究倾向于不同区域，特别是小尺度区域内一个或数个人工林类型的土壤有机碳含量、密度和储量等问题上（贺亮，2007；王艳霞，2010；王大鹏等，2013；漆良华等，2013；齐光等，2013）。然而，对于全国尺度下主要人工林土壤有机碳的比较研究，鲜有报道。本文试图通过对近10 a发表的9种主要人工林土壤有机碳文献资料的整理和分析，比较和评述中国主要人工林土壤有机碳及其储量的差异，以期为中国人工林土壤碳管理提供科学依据。

1 资料来源

本研究对中国期刊网以及维普科技期刊网收录文献进行检索，筛选橡胶（Hevea brasiliensis）、桉树（Eucalyptus spp.）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys edulis）、马尾松（Pinus massoniana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、杨树（Populus spp.）、油松（Pinus tabulaeformis）和落叶松（Larix spp.）等9种主要人工林土壤有机碳的研究文献，共计53篇，见表1。筛选标准：（1）所选文献的发表时间为近 10年内发表（其中，2009～2013年的文献数占 86%），参比年份最早为2004年，最晚为2013年，以此表征主要人工林土壤有机碳的现状；（2）文献中的采样方法具备多点采样测定或具有明确的采样点覆盖范围。

2 数据处理与统计方法

所采用文献中由于土壤发育的情况有所差异，所发表的土壤有机碳数据完整性也不尽相同。考虑到这一实际情况，本文以实际调查土壤厚度为准，并通过文献中发表的相关数据对各项指标进行换算。利用有机碳含量计算有机碳密度（SOCdensity，kg·m-2），公式为：

表1 主要人工林土壤有机碳文献汇总Table 1 Literature Collection of Soil Organic Carbon in Main Plantations

利用有机碳含量计算有机碳储量（SOCstorage，Mg·hm-2），公式为：

式中，i为土层代号，Ci为i层土壤有机碳含量（g·kg-1），θi为容重（g·cm-3），Di为土层厚度（cm），石砾忽略不计。

采用Excel2003进行数据处理和图表绘制。采用 SPSS 11.5进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），多重比较为最小显著差异法（LSD），差异的显著性分析均在p<0.05水平下进行。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳含量的比较

对9种人工林土壤有机碳含量的统计分析结果见表2。由表2可以看出，9种人工林0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有机碳含量统计上差异性均达显著水平（p<0.05）。其土壤有机碳含量变化范围为2.5～46.0 g·kg-1，且从表层往下呈现下降的趋势。9种人工林 0～20 cm土壤有机碳含量的变化范围为6.7～46.0 g·kg-1。其中，落叶松人工林0～20 cm土壤有机碳含量显著高于其他人工林，毛竹、马尾松、杉木、桉树和油松等人工林处于中间水平，杨树、橡胶和刺槐等人工林含量最低。9种人工林 20～40 cm土壤有机碳含量的变化范围为2.8～22.9 g·kg-1。仍然以落叶松人工林含量最高，毛竹次之，马尾松、杉木、桉树、油松和杨树等居中，橡胶和刺槐人工林含量最低。9种人工林40～60 cm土壤有机碳含量的变化范围为2.5～18.8 g·kg-1，这一土层9种人工林土壤有机碳含量在统计上与0～20 cm、20～40 cm大致相同。

从0～60 cm土壤有机碳的平均含量来看，9种人工林统计上差异性仍达显著水平（p<0.05），土壤有机碳平均含量变化范围为4.0～31.1 g·kg-1。其中，落叶松人工林土壤有机碳含量最高，达31.1 g·kg-1。毛竹19.6 g·kg-1，仅次于落叶松。杉木、马尾松、桉树和油松处于中间水平，为14.4～15.9 g·kg-1。而杨树、橡胶和刺槐最低，仅为4.0～8.5 g·kg-1。可见，不同人工林之间土壤有机碳含量差异很大。刺槐、橡胶和杨树等人工林土壤有机碳含量很低，而落叶松人工林土壤有机碳含量高，前者仅为后者的12.9%～27.3%。

3.2 土壤有机碳密度的比较

由表3可以看出，9种人工林0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有机碳密度统计上差异性均达显著水平（p<0.05），3个土层的土壤有机碳密度变化范围为0.6～8.2kg·m-2，随着土壤深度的增加呈现递减趋势。9种人工林0～20 cm土壤有机碳密度的变化范围为1.5～8.2kg·m-2。在这一土层中，落叶松人工林土壤有机碳密度高达8.2kg·m-2，显著高于其他人工林。毛竹、桉树、马尾松、杉木、油松、杨树和橡胶等人工林为 2.8～4.6kg·m-2，处于中间水平。刺槐人工林有机碳密度最低，仅1.5kg·m-2。9种人工林20～40 cm土壤有机碳密度的变化范围为0.7～4.9kg·m-2。该层的土壤有机碳密度仍以落叶松人工林最高，毛竹次之，马尾松、杉木、桉树、油松和杨树等居中，橡胶和刺槐最低。9种人工林40～60 cm土壤有机碳密度的变化范围为 0.6～3.9kg·m-2。随着土壤深度的增加，人工林土壤有机碳含量降低，有机碳密度也随之降低，并趋向稳定。

表2 不同类型人工林的土壤有机碳含量Table 2 Content of Soil Organic Carbon in Different Plantations g·kg-1

表3 不同类型人工林土壤有机碳密度Table 3 Density of Soil Organic Carbon in Different Plantations kg·m-2

综合来看，9种人工林0～60 cm土壤有机碳密度统计上差异性达显著水平（p<0.05），其土壤有机碳密度变化范围为2.8～15.1kg·m-2。其中，落叶松人工林土壤有机碳密度最高，达15.1kg·m-2。毛竹和桉树分别为 11.2kg·m-2和 10.2kg·m-2，仅次于落叶松。马尾松、杉木、油松和杨树处于中间水平，为 6.2～9.6kg·m-2。橡胶为 5.9kg·m-2，刺槐仅 2.8kg·m-2，这两种人工林土壤有机碳密度低。

3.3 土壤有机碳储量的比较

9种人工林 0～60 cm的土壤有机碳储量介于28.2～158.1 Mg·hm-2，在统计上差异性达显著水平（p<0.05）。其中落叶松人工林最高，为 158.1 Mg·hm-2。毛竹、马尾松、桉树、杉木和油松等人工林为 78.6～112.1 Mg·hm-2，处于中间水平（见图1）。杨树和橡胶分别为 62.4 Mg·hm-2和 58.7 Mg·hm-2，仅高于刺槐。刺槐人工林最低，仅 28.2 Mg·hm-2。从 9种人工林的分布区来看，橡胶主要分布在海南和云南的西双版纳等地区，为热带季风气候。桉树、杉木、毛竹和马尾松主要分布在华南、西南、华东和华中区，气候类型为干湿不明显的亚热带季风气候。刺槐、杨树和油松主要分布在华北和西北区，气候类型为半湿润或半干旱暖温带季风气候。落叶松主要分布在东北和西北区，气候类型主要为半湿润或半干旱温带季风气候。将不同气候带人工林土壤有机碳碳储量进行综合比较，发现不同气候带人工林土壤有机碳碳储量呈显著差异（p<0.05）。其中，温带人工林最高，亚热带人工林次之，热带和暖温带人工林最低（见图2）。

图2 不同气候带人工林0～60 cm土壤有机碳储量Fig. 2 Plantations Storage of 0～60 cm SOC in Different Climate Zones

对人工林0～60 cm土壤有机碳储量与其对应的经、纬度进行相关性分析，见图3。不同人工林0～60 cm土壤有机碳储量与其所在经度呈极显著正相关关系（r=0.455**，p＜0.01），不同人工林0～60 cm土壤有机碳储量与其所在纬度也呈极显著正相关关系（r=0.230**，p＜0.01）。这说明中国人工林土壤有机碳储量具有较为明显的经纬度分布性，从西向东逐渐升高，且大致表现为南低北高。

4 讨论

图3 人工林0～60 cm土壤有机碳储量与经度（a）、纬度（b）的关系Fig. 3 The Relationship of SOC Storage in 0～60 cm Soil Layers and Longitude, Latitude

森林储存了陆地生态系统中 50%～60%的碳（Dixon等，1994），在缓解大气CO2浓度、保护全球气候方面具有重要作用。中国人工林面积大，达6168.84万 hm2，且仍在不断增加（国家林业局，2009）。人工林面积的增加和森林的再生长使中国森林在全球碳循环中起着碳“汇”的作用，中国人工林碳储量在未来具有巨大的碳汇潜力（Fang等，2001；Pan等，2004；Piao等，2009）。本研究表明，9种人工林0～60 cm土壤有机碳含量变化范围为 4.0～31.1 g·kg-1，平均 14.8 g·kg-1。0～60 cm 土壤有机碳密度变化范围为 2.8～15.1kg·m-2，平均 8.7kg·m-2。0～60 cm 的土壤有机碳储量介于28.2～158.1 Mg·hm-2，平均 84.5 Mg·hm-2。就有机碳储量而言，热带人工林（橡胶）为58.7 Mg·hm-2，亚热带人工林（桉树、杉木、毛竹和马尾松）为102.9 Mg·hm-2，暖温带人工林（刺槐、杨树和油松）为65.0 Mg·hm-2，温带人工林（落叶松）为158.1 Mg·hm-2。研究表明（张城等，2006；李江，2008），热带典型天然季雨林0～60 cm土壤有机碳储量为101.0 Mg·hm-2，亚热带常绿阔叶林为92.5～182.1 Mg·hm-2，暖温带落叶阔叶林为99.4～158.7 Mg·hm-2，而温带天然针叶林则高达165.6～244.1 Mg·hm-2。由此可见，9种人工林土壤有机碳储量虽明显低于同气候带的天然林，但人工林土壤仍具有很高的固碳潜力。这与前人研究基本一致（Yang等，2009a；Yang等，2009b；孙文义和郭胜利，2010）。

王绍强等（2000）利用第二次全国土壤普查所测定的2473个典型土种剖面资料，分析了中国土壤碳库的空间分布特征，总体规律表现为：东部地区大致是随纬度的增加而递增，北部地区呈现随经度减小而递减的趋势，其分布特征与中国热量、水分的梯度变化特征相一致。中国东北样带的森林SOC储量在年降水量的驱动下，沿经度也呈现东高西低的变化规律（王淑平等，2002）。加拿大西部南北样带的森林SOC储量则在温度的驱动下呈现出北低南高的变化规律（Bird等，2002）。由此可见，温度和水分是影响区域有机碳储量空间变化的重要因素。本研究选择的9种人工林，其地理分布上从西向东具有明显的降水梯度，从南向北具有较大的温度梯度。结果表明，中国人工林土壤有机碳储量具有典型的经度分布性，从西向东逐渐升高；同时具有较为明显的纬度分布性，从南向北基本呈升高的趋势。这种变化特征主要受热量和水分梯度变化的驱动，这与王绍强等（2000）研究结果基本一致。值得注意的是，人工林土壤有机碳储量的空间分布与纬度相关系数并不高。温带人工林土壤碳储量要低于亚热带人工林，特别是西北区人工林土壤碳储量很低，由此导致人工林土壤碳储量的纬度分布性特征不明显。由此可见，人工林土壤碳储量的纬度分布性除了受热量梯度的驱动，水分等自然因素及人为因素也是影响其纬度分布性的重要驱动力，这值得深入研究。

5 结论与展望

通过对9种人工林的53篇文献数据的统计分析，得出如下结论，1）9种人工林0～60 cm土壤有机碳的平均含量变化范围为4.0～31.1 g·kg-1。9种人工林0～60 cm土壤有机碳密度变化范围为2.8～15.1kg·m-2。就碳密度而言，以落叶松人工林土壤有机碳密度最高，毛竹和桉树仅次于落叶松，马尾松、杉木、油松和杨树处于中间水平，橡胶和刺槐最低。2）9种人工林 0～60 cm的土壤有机碳储量介于28.2～158.1 Mg·hm-2。其中落叶松人工林最高，毛竹、马尾松、桉树、杉木和油松等人工林处于中间水平，杨树和橡胶仅高于刺槐，刺槐人工林最低。9种人工林土壤有机碳储量明显低于同气候带的天然林，人工林土壤具有很高的固碳潜力。3）不同人工林0～60 cm土壤有机碳储量与其所在经度呈极显著正相关关系（r=0.455**，p＜0.01），与其所在纬度也呈极显著正相关关系（r=0.230**，p＜0.01）。可见，中国人工林土壤有机碳储量具有一定的经纬度分布性，大致为西低东高、南低北高。

增加土壤碳固定、减少土壤碳损失是减缓温室气体排放和培肥土壤的重要途径，已经成为一个世界性的重大研究课题。当前，国际上关于土壤碳库的研究十分活跃，围绕陆地生态系统碳循环和全球气候变化已开展了一系列研究，利用学科交叉等技术手段试图阐明不同生态系统固碳机理及碳循环过程等重大科学问题。中国主要人工林土壤有机碳储量低于同气候带天然林的结果表明，土地利用变化能明显改变土壤有机碳的固存，人工林须改进管理措施以增加土壤碳固定。因此，在今后一段较长的时期内需要加强人工林生态系统土壤碳循环的研究，特别是以下几个方面的一些重要的科学问题亟待突破：1）退耕还林后人工林土壤有机碳动态研究（速率、时间尺度和驱动因子）；2）不同人工林生态系统土壤有机碳的循环过程及固碳机理；3）不同气候带下人工林土壤的固碳潜力及演变特征；4）寻找能有效增加人工林土壤碳固定及减少碳损失的管理措施和途径。

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