千阳县不同林分土壤有机碳的分布特征

辛文杰，苏印泉，朱铭强，胡瑞瑞，刘艳，黄帅

（西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100）

千阳县不同林分土壤有机碳的分布特征

辛文杰，苏印泉，朱铭强，胡瑞瑞，刘艳，黄帅

（西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100）

通过对黄土高原千阳县不同人工林土壤有机碳的含量及其分布特征的研究，为千阳县人工造林和生态系统的恢复提供依据。于2012年在黄土高原千阳县调查了毛白杨Populus tomentosa、刺槐Robinia pseudoacaia、侧柏Platycladus orientalis、荒地4种样地的土壤有机碳含量，并对其进行相关性分析。结果表明：在调查的0～80cm土层范围内，土壤有机碳含量为毛白杨（4.83 g·kg-1）＞荒地（3.55 g·kg-1）＞刺槐（3.48 g·kg-1）＞侧柏（3.42 g·kg-1），随着土壤深度的增加，各林分土壤有机碳含量逐渐降低；各人工林在0～30cm土层范围内，土壤有机碳含量和土壤密度变化差异显著（p＜0.05），而在30～80cm土层范围内变化差异不显著（P＞0.05）。采用不同的树种进行植树造林、植被恢复，有利于土壤碳汇含量的增加，研究结果表明在黄土高原利用毛白杨人工造林优于其它树种。

土壤有机碳；有机碳密度；垂直分布；碳储量；千阳县

森林生态系统贮存了陆地生态系统76%～98%的有机碳，对大气中CO2浓度的影响越来越受到科学家的关注[1]。近年来随着大气中CO2的含量显著提高，温室效应日益加剧，全球温度逐渐上升。最近有关碳循环的研究表明北半球陆地生态系统显著地吸存着大气中的CO2[2]。在陆地生态系统碳循环中，土壤碳库在全球生物化学循环中是极其重要的生态因子，其容量是植被与大气碳库的3～4倍[3]。因此，土壤碳循环对土壤碳库的变化起着重要的作用[4]。黄土高原是中国乃至世界上水土流失较严重的特殊生态区之一，随着退耕还林政策的实施，人工生态林对黄土高原水土保持及生态环境建设方面的贡献日益突出，人工林不仅具有显著的水土保持功能，而且能明显地改善土壤肥力[5-6]。

黄土高原地区地形支离破碎，土壤退化、水土流失等状况较为严重，为此，大力开展对黄土高原地区综合治理，在此过程中人工林对解决现存环境问题的作用日益凸显[7]。目前，加拿大[8]、美国[9]等国家对生态系统碳储量估算方面均有很大的研究进展。由于种种原因，我国对森林生态系统碳汇研究方面欠佳。我国在基础理论方面已经取得了一定进展，如胡长青等[10]对湖南省森林资源的生物量和碳汇量进行了分析，得出了不同林龄的碳密度及天然林与人工林的碳贮量；方晰等[11]对杉木林的碳含量进行了动态观测。本研究以黄土高原千阳县侧柏Platycladus orientalis、毛白杨Populus tomentosa、刺槐Robinia pseudoacaia3种人工林为研究对象，通过选择固定样地与相同条件下荒地土壤有机碳密度和土壤碳含量的变化作比较，揭示3种林分对土壤碳汇的影响，旨在为黄土高原人工生态林的固碳能力提供理论参考。

1 研究区域概况

研究地点位于陕西省千阳县城关镇庙岭村的陕西省日元贷款造林项目生态环境监测研究区。研究区域（E107°06′75"～ 107°07′23"，N34°36′59"～ 34°58′31"）海拔 602 ～ 1 150m，区域总面积1 033.56 hm2。本区属中温带半干旱气候，年均气温为8.7～11.8 ℃，年均降水量627.4 mm，地貌为黄土丘陵，土壤为黄绵土。调查区域不同林分郁闭度为0.75～0.95，平均胸径为3.02～6.67 cm，树高3.4～12.5 m。自2000年以来，该地区在日元贷款项目的支持下，对荒山和部分低产农田实行“退耕灭荒”政策，造林树种以侧柏、毛白杨、刺槐为主，造林后人工林面积由原来占区域总面积的8.65%增加到现在的31.02%，生态环境得到了明显改善。

2 研究方法

2.1 样地选择与设置

样地选择在陕西省千阳县关镇庙岭村后的阳山，在研究区域内设置12块面积为20m×20m的研究样地，其中侧柏、毛白杨、刺槐3种纯林分样地与荒地各3块。在12块标准地内按对角线法设调查样方5个(即5次重复)，样方面积为3 m×3 m，在12块标准地的60个小样方内，每个小样方采用直径为9 cm的土钻在每个3 m×3 m小样方中心位置分层采样，取土样深度为0～80cm，每层（10cm）取500g土样，每个剖面采集8个样品。共调查土壤样点60个，总共采取土壤样品480个。

样地人工生态林的主要植被分布情况如下：侧柏人工林样地主要植物有黄蒿Artemisia annua、短梗胡枝子Lespedeza cyrtobotrya、龙牙草Agrimonia nipponicavar.occidentalis等；杨树人工林样地主要植物有迎春Jasminum nudif l orum、苔草Carex tristachya、白蒿Herba AtimisiaeSieversianae等；刺槐人工林样地的主要植物有胡枝子Lespedeza formosa、山荆子Malus baccata、白荆花Sophora davidii；荒地样地的主要植物有猪毛蒿Artemisia scoparia、长芒草Stipa bungeana、酸枣Ziziphus jujubavar.spinosa等。

2.2 样品处理

将野外采集的土样自然风干后磨碎，并过0.125 mm的筛进行土壤有机碳含量测定，测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法（GB 7857-87）[12-13]。

（1）土壤有机碳密度（DS）计算：在相关文献[14]的研究基础上，结合研究中采用的单位确定计算公式：

式中：DS为土壤有机碳密度（kg·m-2）；Ci、Bi、Di分别为土壤剖面第i层土壤有机碳的质量分数（g·kg-1）、第i层土壤密度（g·cm-3）和土壤取样时的分层厚度（cm）。

(2) 土壤有机碳储量(RS)计算：研究区RS按照所选各层面积和DS的均值来计算[15]，即：

式中：k为抽样层数；Si为i层的土壤面积（m2）。

2.3 分析方法

采用Excel软件进行数据处理，计算出每种林分以及荒地土壤有机碳含量，并用spss16.0进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同层次土壤有机碳含量及其剖面特征

土壤有机碳含量由土壤有机碳分解速率、作物残余物数量、植物根系组成及返还至土壤中的有机物等因素决定，其大小决定于土壤有机碳输入、输出及相关土壤性质和过程[16]。由于林下枯落物以及灌木、草本种类等不同因素的影响，导致不同林分土壤有机碳含量差异较大。造林后，杨树和刺槐林土壤表层（0～10cm）有机碳含量分别比荒地高25.8%和32.24%（见表1），主要是由于杨树、刺槐属于阔叶类植物，地表枯落物的含量高于荒地枯落物。郭胜利等[17]在研究地表枯落物积累量对土壤有机碳密度的影响中表明，枯落物的含量与土壤有机碳密度和土壤可溶性碳存在线性相关关系，对土壤有机碳质量分数的影响主要在0～10cm层。

表1 不同林分类型的土壤有机碳含量†Table 1Soil organic carbon contents of different forest types

不同林分的土壤有机碳含量介于1.93～9.68 g·kg-1之间，其中刺槐人工生态林的土壤有机碳含量最高（9.68 g·kg-1），是最低林分土壤有机碳含量（1.93 g·kg-1）的5.02倍。综合比较其它几种林分，发现杨树人工林土壤有机碳平均含量比荒地提高了36.33%，均高于其它几种林分，说明杨树对黄土高原土壤有机碳含量的提高具有显著作用。如图1所示：在整个土壤剖面，4种林分的有机碳含量在0～30cm土层变化比较明显，而30～80cm土层有机碳含量变化趋势比较缓和，差异不显著（P＞0.05）。其中刺槐林在20～30cm土层有机碳含量低于其它几种林分，也许是由于刺槐林根系在吸收土壤养分的时候改变了土壤的化学或物理性质，致使土壤有机碳含量显著下降。刺槐造林的这种现象与绝大多数研究结论相符，即在农田和草地上造林后，特别是与附近对照草地显著下降[18-19]。

图1 不同土层含碳率Fig.1Organic carbon ratio in different soil depths

3.2 不同层次土壤容重的特征

土壤容重是衡量土壤理化性质的一项重要物理指标，它的大小取决于土壤质地、土壤颗粒密度。作为土壤坚实度的重要指标，反映了土壤透水性、通气性以及根系伸展时的阻力状况[20]。由表2可以看出，不同林分土壤容重的变化不同。其中侧柏和杨树在0～80cm土层的容重显著小于刺槐和荒地的容重，而杨树与侧柏土壤容重总和基本变化不大，刺槐与荒地土壤容重基本相当，说明造林后侧柏与杨树对土壤容重的改变大于刺槐。

表2 不同林分类型的土壤容重Table 2Soil bulk density in different forest types

3.3 不同层次土壤有机碳密度

不同林分土壤有机碳密度不同，由图2可以看出：4种样地的土壤有机碳密度随土壤深度的增加而逐渐减少。如表3所示：在土壤表层（0～10cm）刺槐人工生态林和荒地的土壤有机碳密度分别为1.45和1.19 kg·m-2，比荒地含量高21.8%，而在10～30cm土层其土壤有机碳密度又显著低于其它几种林分。随着土壤深度的增加（见图2），在30～80cm土层各林分土壤有机碳密度减缓趋势比较平缓，并且侧柏与刺槐土壤有机碳密度接近荒地，表现为差异不明显（P＞0.05）。杨树和刺槐人工林在土壤表层（0～10cm）土壤有机碳密度高于荒地，而刺槐林在10～30cm土层土壤有机碳密度逐渐低于荒地。说明刺槐人工林的根系吸收土壤有机物的同时改变了土壤有机碳的密度，造成土壤中有机碳的损失，这与前面相关研究结果基本一致[7,14]。

图2 不同林分类型的土壤有机碳密度Fig.2Soil organic carbon density of different forest types

表3 不同林分类型的土壤有机碳密度Table 3Soil organic carbon density of different forest types

3.4 不同林分土壤有机碳储量

由公式（2）得，在所调查的4种样地中，样品经处理分析最后得出：试验地在0～80cm土层的土壤有机碳储量为杨树（6.54×103t）＞刺槐（5.16×103t）＞侧柏（5.0×103t）＞荒地（4.97×103t），说明杨树在改善土壤含碳量方面拥有显著的效果。刺槐和侧柏土壤碳储量低于杨树，主要是由于根系在吸收土壤中养分的同时改变了土壤的性质，致使土壤碳大量流失。武天云等[21-22]认为土壤碳流失是基于土壤微生物的氧化分解和土壤侵蚀，使得土壤受保护程度较差，因此造林导致了土壤碳流失。而杨树在所调查的样地中，能够很好地将有机碳“汇聚”在一起。

4 结论

（1）土壤有机碳主要来源于林上枯落物、地下根系分泌物、动植物残体以及微生物的分泌物等[23-25]。本实验对标准样地的有机碳含量、土壤容重以及土壤有机碳密度进行了估算，研究表明：各人工林在0～30cm土层土壤有机碳含量和土壤密度变化差异显著（P＜0.05），而在30～80cm土层变化差异不显著（P＞0.05）。造林后，杨树土壤有机碳密度发生了显著变化，比荒地提高了31.64%，各种林分土壤有机碳密度（0～80cm）为杨树（5.45 kg·m-2）＞刺槐（4.30kg·m-2）＞侧柏（4.17 kg·m-2）＞荒地（4.14 kg·m-2）。刺槐人工林和侧柏人工林有机碳含量均高于荒地，说明刺槐和侧柏人工林在碳增汇方面具有显著的作用。

（2）不同林分土壤剖面土壤有机碳含量具有显著的差别，表层（0～10cm）含量最高，说明林地土壤碳含量具有“汇聚”作用，随着土壤深度的增加，有机碳含量逐渐降低。

（3）不同林分土壤有机碳密度差异比较显著，4种林分的土壤有机碳含量变化与土壤有机碳密度的变化趋势基本一致。而且在每种林分土壤中，以表层土壤有机碳密度含量最大。文中仅对各种林分的土壤碳汇含量进行了调查，还未对地上部分植物做系统的研究，有待进一步深入研究。

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Distribution characteristics of soil organic carbon of different forests in loess plateau of Qianyang county

XIN Wen-jie, SU Yin-quan, ZHU Ming-qiang, HU Rui-rui, LIU Yan, HUANG Shuai
(College of Forestry, Northwest Agriculture & Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

The soil organic carbon contents of plantations (Robinia pseudoacaia, Populus tomentosa, Platycladus orientalis) and wasteland, and the distribution characteristics were investigated in Qianyang county loess plateau in 2012, in order to provide the references for the recovery of artif i cial afforestation and ecological system. The results show that in the investigated range of 0～80cm soil layer, the soil organic carbon contents of four kinds of sample plots ranked from big to small as follows: P. tomentosa(4.83 g·kg-1)＞wasteland(3.55 g·kg-1) ＞ black locust (3.48 g·kg-1) ＞ arborvitae (3.42 g·kg-1); with the increase of soil depth, the soil organic carbon contents of the forests gradually reduced; the soil organic carbon contents and soil density differences in 0～30cm soil layer of the plantations were signif i cant (p＜0.05), while that in 30～80cm soil layer had no signif i cant differences(P＞0.05).Using different tree species for afforestation and vegetation restoration was propitious to increase the soil carbon contents. It is concluded that the poplar plantation were better than other forest species in the Loess plateau.

soil organic carbon; organic carbon density; vertical distribution; carbon storage; Qianyang county

S718.56

A

1673-923X(2014)05-0066-04

2013-06-10

中日合作课题(K332020908);陕西省日元贷款项目（K332020023）

辛文杰（1987-），男，陕西眉县人，硕士研究生，主要从事森林生态方面研究；E-mail：sxxinwenjie@163.com

苏印泉（1965-），男，陕西白水人，教授，主要从事植物资源开发利用研究；E-mail：syq009@126.com

[本文编校：谢荣秀]