黄土高原刺槐人工林土壤有机碳动态研究

宋青珍,白海金,刘 艳,苏印泉

(1.陕西省延安市桥北林业局，陕西 富县 727500；2.天水市麦积区林业局，甘肃 天水 741020；3.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

黄土高原刺槐人工林土壤有机碳动态研究

宋青珍1,白海金1,刘 艳2,苏印泉3

(1.陕西省延安市桥北林业局，陕西 富县 727500；2.天水市麦积区林业局，甘肃 天水 741020；3.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

为掌握黄土高原刺槐造林后对土壤有机碳储量的影响，本文以黄土高原刺槐人工林为研究对象，分别对其10 a，26 a和35 a林地土壤有机碳储量进行了调查分析。结果表明，黄土高原刺槐造林显著改变了有机碳在土层的垂直分布，主要表现为有机碳的表聚现象以及其在10～30 cm土层范围内的显著减少；造林26a内土壤有机碳密度均小于对照荒地，且都会随着林龄的增大而减小，但在35 a时显著大于荒地，说明黄土高原刺槐林在造林后期会对土壤有机碳储量的增长贡献显著。

黄土高原；刺槐；人工林；土壤；有机碳

土壤作为大气CO2的汇或源，是抑制大气中CO2浓度增加的另一个重要因素，土壤有机碳量动态平衡不仅直接影响土壤肥力和产量[1]，而且其固存与排放都会对温室气体的含量以及全球气候变化产生重要影响[2-4]。作为陆地生态系统的核心之一，土壤是陆地生态系统中最大且周转时间最慢的碳库，而森林土壤碳库是陆地生态系统中的最大碳库，其碳储量约占全球土壤碳的73%[5]，在全球碳循环研究中有着重要的作用。

黄土高原地处我国的内陆腹地，是世界最大的黄土沉积区和非常重要的碳库。植被恢复被认为是黄土高原生态环境建设的关键措施，而人工林的经营可转变土地的利用过程并提高森林覆盖率，因此人工林在黄土高原生态环境恢复中发挥着极其重要的作用，成为了黄土高原地区的主要碳库之一。近年来，国内外学者已经对黄土高原的人工林地土壤有机碳进行了相关研究，但主要集中于同一林龄进行，对于同一人工林不同生长阶段林地土壤有机碳的持续监测研究还不多见。本文以黄土高原刺槐人工林为研究对象，对其主要生长阶段中的土壤有机碳密度进行了调查研究，并对其动态变化规律进行了深入分析与探讨，以期为该地区预测刺槐人工林土壤有机碳动态变化趋势，并估算其在不同阶段的碳汇效益提供依据和参考。

1 试验地概况

试验地位于陕西省延安地区的黄陵县境内(N 34°45′～39°40′，E 107°28′～111°15′31″)，为典型的黄土沟壑区，地势西北高、东南低，略呈倾斜。该流域属温带大陆性季风气候，四季分明，气候温和。境内海拔800～1 500 m，平均海拔1 200 m；年平均气温9.4 ℃，≥10℃年积温为3 320 ℃；年平均降雨量为568.8 mm，5-10月降水量占全年降水量84%；年均日照时数2 528.4 h，无霜期172 d。区域内主要的造林树种有刺槐、油松、杨树和侧柏。

2014年，在研究区选择并设置人工刺槐林调查样地共11块，其中10 a、26 a、35 a人工刺槐林地各3块，邻近的对照荒地2块。刺槐人工林地造林前均为耕地，林地内乔木生长良好，林相整齐，人为干扰较小(样地基本概况详见表1)。经调查，刺槐人工林地内生长的灌草植物主要有：酸枣(Ziziphusjujuba)、悬钩子(Rubussaxatilis)、细叶苔草(Carexrigescens)、甘菊(Matricariarecutita)、白蒿(Artimisiaesieversianae)、黄蒿(Artemisiaannua)、刺儿菜(Cirsiumsetosum)，缬草(Valerianaofficinalis)等；荒地内生长的灌草植物主要有：酸枣、悬钩子、胡枝子(Lespedezaformosa)、地丁草(Corydalisbungeana)、缬草、三芒草(Aristidaadscensionis)、白蒿、细叶苔草等。

表1 调查样地概况

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

2012年7月，分别在各调查样地内设置20 m×20 m 的样方，进行样地乔木层的相关调查；再在该样方的同一对角线上设置3个5 m×5 m的样方，为样地灌木层调查范围；最后在每个5 m×5 m样方的固定方位设置一个1 m×1 m的小样方，进行草本层的调查。在每个1 m×1 m的草本调查样方中心位置，用直径为9 cm 的管钻分层取土样，取土深度为60 cm，测定每层土样的鲜重，将所取得的土样混合均匀后，进行土壤取样，每层取1个土体样品，每个剖面获得6个土层调查数据。

2.2 样品分析

2.2.1 土壤层有机碳含量的测定 自然风干所采集的土壤样品，测定其干质量后研磨，最后过0.25 mm的筛；得到的土壤样品干物质均采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定其有机碳含量[6]。

2.2.2 土壤层有机碳密度计算[7，8]

SOCD= 0.01×∑Fi×Vi×Di

式中， SOCD为土壤有机碳密度(kg·m-2)，Fi、Vi、Di分别为土壤剖面第i层的有机碳质量分数(g·kg-1)、土壤容重(g·cm-3)和土层的厚度(cm)。

2.3 数据处理与分析

运用SPSS16.0 统计分析程序对调查测得的土壤有机碳数据进行处理与分析，用双因素方差分析(two-factor ANOVA)分别对各样地土层有机碳进行组间对比分析，用单因素方差分析(ANOVA)法对比分析样地内各土层有机碳，并最小差异显著法(LSD)检验均值间的显著性。

本研究对24例HCMV肝炎患儿尿样本进行UL144基因扩增，阳性率为45.8%。同源性分析结果显示，UL144核苷酸及氨基酸存在显著变异；与Toledo株比较，A型和C型氨基酸序列变异性小，同源性分别为98.2%和82.9%；而B型变异性大，同源性为48.8%~49.4%。提示UL144为多变性基因，但其中某些基因型较为保守。

3 结果与分析

3.1 林龄对土壤有机碳密度的影响

各调查样地不同土层有机碳含量测定结果见表2。样地土层有机碳含量的双因素方差分析(two-factors ANOVA)结果表明，荒地、10 a和26 a人工刺槐林地土壤有机碳含量组间差异不显著(P>0.05)，而35 a林地其他各样地有机碳含量组间差异显著(P<0.05)。

各样地不同土层有机碳含量的测定结果显示(表2)，土层有机碳含量均以表层最高，并随着土层的深入而减小。运用公式 将样地各土层有机碳含量转化得到相应的有机碳密度：荒地，10 a，26 a和35 a刺槐林地土壤总有机碳密度依次为3.806、3.46、3.341和5.102 kg·m-2。与邻近荒地做对照，10 a林地土壤有机碳密度减少了9.09%，平均每年减少0.91%；26 a林地减少了12.22%，平均每年减少0.47%；而35a林地土壤有机碳密度增加了34.05%。

表2 各调查样地土层有机碳含量

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

一些研究成果认为，在土壤表层(<10 cm或<30 cm深度)，林分年龄对土壤碳变化有显著影响，通常在造林后最初10年(尤其是最初5年)下降，之后土壤碳缓慢地恢复和积累[9，10]。黄土高原刺槐人工林土壤有机碳密度随着林龄的变化趋势表明，黄土高原刺槐造林至少在26年内并不能提高土壤的有机碳储量，且林地土壤有机碳密度会随着林龄的增大而减小，但这种减小趋势在造林后随着林龄的增大而渐趋平缓；在造林35 a时，人工刺槐林土壤有机碳密度显著高于荒地，与前人研究认为黄土高原刺槐在造林初期并不能提高土壤有机碳储量相符[11～13]。Paul等[14]通过分析整理相关文献中造林后土壤碳的变化数据得出，造林5年后，土壤碳首先会呈下降趋势，之后会逐渐增加，约30年后，林地土壤表面30 cm的碳储量一般都会高于最初的土壤。黄土高原刺槐人造林35a后，林地土壤有机碳密度显著高于对照荒地，并呈增加的趋势，与前人研究较为一致，说明刺槐人工林在造林后期会对土壤有机碳储量的增加做出一定的贡献。

3.2 造林对土壤有机碳密度垂直分布的影响

对各林龄的土层有机碳数据进行方差分析，结果表明5组数据0～30 cm范围内ANOVA结果差异显著(P<0.05)，30～60 cm差异不明显(P>0.05)(表 2)，刺槐造林显著改变了林地土壤有机碳的垂直分布结构，林地土层有机碳密度随着林龄的增加变化明显(图1)。

研究表明，样地土层有机碳具有明显的表聚现象。荒地与林地有机碳密度均以表层(0～10 cm)最大，并显著大于其他土层(P<0.05)。与荒地(1.193 kg/m2)做对比，10 a(1.45 kg·m-2)、26 a(1.57 kg·m-2)和35 a(2.11 kg·m-2)林地表层土壤有机碳密度分别增加了21.54%、31.60%和72.42%。在生态系统中凋落物是影响土壤有机碳积累的重要因素[15][16]，这主要是由于凋落物在地表的积累量与土壤表层有机碳的增加趋势是一致的，而调查的人工林内地表枯落物的生物量随着林龄的增大而增加，此外，Arni等[17]的研究认为，外界新输入土壤的有机碳，大部分都会最先在土壤的表层进行分解和周转。因此，刺槐林地表层土壤有机碳含量及碳密度均大于荒地，且在林地生态系统中随着林龄的增大而增加。

距地表 10～30 cm深度为土层有机碳显著减少的层次，相较于荒地，林地在该层的土壤有机碳密度分别减少了41.34%、45.77%、4.02%，这与Vesterdal等[18]的研究成果即土壤碳密度和碳储量在土层表面5 cm随林分年龄增加而增加，而在5～25 cm，则随林龄增加而下降基本相符。有研究结果表明，人工幼林刺槐根系生物量与土层有机碳密度在土层10～30 cm 范围内呈显著的负相关性[19]，此外，人工幼林和中龄林乔木根系的主要分布范围，即根系有机碳大量积累的层次也是土层有机碳显著减少的层次[20]，因此从统计学的角度上认为，刺槐根系在该层吸收水和无机盐的同时，可能会对土层微环境产生一定的影响，进而影响土层有机质的分解。

与荒地做对照，各刺槐林地土层30～60 cm 有机碳密度变化不明显(P>0.05)，说明黄土高原刺槐造林对土壤30～60 cm 深度的土层不会产生显著影响。这主要是由于林地土壤有机碳主要源于动植物残体的分解，而刺槐属于浅根系树种，因此，下层土壤受外界的影响较小，有机碳密度能够保持在相对稳定的状态。

图1 各样地土层有机碳密度变化

4 结论与讨论

黄土高原刺槐造林能显著改变林地土层的有机碳的垂直分布结构，主要表现在有机碳在土层中的表聚现象以及在造林26 a内10～30 cm土层范围内的随着林龄的增大而显著减少，但这种减小趋势会在造林后期逐渐趋于平衡。Janzen等认为，植物过程主要是通过改变进入到土壤中的碳的数量、土壤中的有机碳分解速率等来对有机碳变化产生影响，此外，植被变化后的土壤有机碳最终又会达到一种新的平衡，这种新的平衡使有机碳的含量不会无限制的降低，也不会积累很高[21]，在造林35 a时，10～30 cm 土层内有机碳显著高于荒地，因此，在造林后期林地有机碳密度在该层的变化在某一时间段内呈现增加趋势并在某一阶段又会达到新的平衡，但还需做进一步研究与探讨。

黄土高原人工刺槐林在造林的后期会对促进林地土壤有机碳储量的增加。造林前期，若不考虑根系固碳量对土壤总有机碳储量的贡献量，刺槐造林并不能提高土壤的有机碳储量，且会随着林龄的增大而减小。尽管这种减少速度会随着林龄的增大而减缓，但至少在造林26 a内，林地土壤有机碳密度均小于对照荒地；在造林26 a后，刺槐人工林地有机碳密度开始逐渐积累，并在造林35a时明显大于荒地，发挥出其显著的碳汇能力。

土壤有机碳的积累除受造林树种和人工林林龄的影响外，还受土壤微生物、地表枯落物层的厚度以及造林前的土地利用状况等因素的影响，这些因子都将影响都诸如土壤有机质的输入质量、时空分布、土壤呼吸等，从而进一步影响到造林后土壤有机碳的储量[1]。人工林根系是林地土壤有机质的来源之一，根系对土壤有机碳的变化有一定的影响[21，22]。一方面林木生长过程中，人工林根系生物量的快速增加改变了林地土壤的微环境，间接对土壤有机碳的转化与积累产生了影响[12]，使得至少造林26 a以内，土壤有机碳密度都随着林龄的增大而减小；另一方面由于有机物转化成有机碳是一个非常漫长和复杂的过程，林木生长过程中死亡、脱落的根系会逐步分解，最终在林木生长后期转变为有机碳积累于林地土层之中。研究表明至少将在造林35 a时土壤的有机碳储量会得到提高，因此认为有机碳的增加除了来源于根系死亡、脱落后分解得到的有机碳，还得益于造林后期土壤中有机碳分解的微环境逐渐适应了乔木根系的存在，逐步恢复有机碳的分解与积累，但还需在未来黄土高原林地碳汇研究中做更深入的探讨。

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Dynamic Variation of Soil Organic Carbon inRobiniapseudoacaciaPlantations of Loess Plateau

SONG Qin-zhen1,BAI Hai-jin1,LIU Yan2,SU Yin-quan3

(1.QiaobeiForestryBureau,Yan'an,Shaanxi727500;2.MaijiDistrictForestryBureau,Tianshui,Gansu741020;3.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100)

The variation of soil organic carbon(SOC) storage after afforestation ofRobiniapseudoacaciaon loess plateau was analyzed by comparing the SOC storage in 10a,26a and 35a plantations.The result showed thatRobiniapseudoacaciahas changed the vertical distribution of SOC in the soil layers obviously,with SOC aggregation in surface and SOC decrease in 10-30cm layer of soil.For 26a plantations,the density of SOC is lower than the wasteland and increases with the age of plantations,whereas the density of SOC of 35a plantation is significantly higher than that of the wasteland,indicating that some time after afforestation ofRobiniapseudoacaciaon loess plateau,SOC storage would increase due to plantations effect.

loess plateau,Robiniapseudoacacia,plantation,soil,organic carbon

2015-01-10 作者简介：宋青珍(1968-)，女，硕士生，工程师，主要从事森林资源管理等工作。

S718.55+4.2

A 文章编号:1001-2117(2015)02-0009-05