冀北坝上及坝下地区华北落叶松林土壤碳储量的比较

2022-07-18尹海龙张乃暄许中旗

林业与生态科学 2022年2期

尹海龙，张乃暄，许中旗

(1 河北省塞罕坝机械林场，河北围场 068466；2 河北农业大学林学院，河北保定 071000)

森林是陆地生态系统中的重要碳库，在降低大气二氧化碳浓度，缓解温室效应方面发挥着重要作用[1-2]。森林生态系统碳库包括3大组成部分，即生物碳库、凋落物碳库和土壤碳库，其中森林土壤碳库所占比重最大，高纬度地区的北方森林中，土壤碳储量可占森林总碳储量的84%[3]。有关森林土壤有机碳的研究日益受到人们重视，众多学者从不同植被类型、不同空间尺度、不同地形地貌、不同坡面、养分与凋落物输入等角度展开了对土壤有机碳储量以及空间分布规律的研究[4-9]。多数研究表明，由于地形、土壤性质、植被覆盖等多方面因素，土壤有机碳空间上存在着强烈或中等程度空间自相关性，且土壤有机碳储量具有表聚效应，受土壤侵蚀作用及放牧等人为活动干扰[7]。森林中土壤有机碳的主要来源为外来有机物的输入、分解和转化。林分类型不同，其输入土壤的枯落物以及根系分泌物也不同[10]。相同林分类型条件下，土壤有机碳也可能因海拔、气候等因素所导致的立地条件不同而有所差异。塞罕坝地区分布有大面积的人工林，对华北平原地区起着重要的生态屏障作用。一方面，在气候变化的背景下，冀北高海拔地区土壤有机质分解速率可能发生改变，影响土壤有机碳储量和土壤温室气体的排放[11]；另一方面，枯落物输入作为土壤有机碳的最主要来源，受土壤冻融的影响强烈，而冀北坝上地区冬季气候寒冷，广泛存在土壤冻融现象，与坝下地区存在差异[12-13]。据此，本研究以塞罕坝地区典型人工林类型，华北落叶松林(Larixprincipis-rupprechtii)为研究对象，调查其土壤碳汇能力，对比坝上及坝下地区差异，探究同种林分类型条件下不同龄组不同区位对土壤有机碳含量和密度的影响，为该地区华北落叶松林碳汇功能的定量评价提供科学依据。

1 研究区概况

研究区地处冀北山地及蒙古高原交汇地带，地势分为坝上、坝下2部分，坝上以丘陵、曼甸为主，坝下为山地地形。研究地点为冀北坝上地区的塞罕坝机械林场千层板分场，以及处于坝下地区的木兰围场国有林场的孟滦林场。

塞罕坝机械林场位于河北省围场满族蒙古族自治县最北部，地理位置E 116°51′～117°39′，N 42°02′～42°36′，属寒温带大陆性季风气候，春秋两季短暂而干燥，冬季漫长而寒冷。年均气温-1.3 ℃，极端最高、最低气温分别为33.4 ℃和-43.3 ℃。年均日照时数2 368 h，年均无霜期64 d。年均降水量460 mm，其中6-8月占据68%，年平均降水天数134 d，积雪长达7个月。年平均蒸发量1 339.2 mm。多风沙天气，年平均大风天气53 d左右。土壤类型主要为灰色森林土、山地棕壤和风沙土[14]。

孟滦林场位于燕山山脉西北部。地理位置E 116°32′～118°14′、N 41°35′～42°40′，海拔为700～2 000 m西北高，东南低;属于半湿润半干旱过渡地区，冬季酷寒干燥，夏季凉爽，春秋两季多风沙，年均降水445 mm，年均温3.3 ℃，且雨热同期；年均气温-1.3 ℃，极端最低气温-43.3 ℃，极端最高气温33.4 ℃，降水多集中在7、8月[15]。华北落叶松为2个林场的主要造林树种。

2 研究方法

2.1 野外调查及室内分析方法

在塞罕坝机械林场的千层板林场和木兰围场国有林场的孟滦林场分别选择18年和40年生的华北落叶松人工林，设置调查样地。每个树龄分别在坝上和坝下设置3个20 m×20 m的调查样地。在调查样地内，挖取土壤剖面，分别在0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 4个土层进行分层取样。每个样地内做3个剖面，对同一层的土进行混合，用四分法保留1.5 kg，用于土壤分析。同时，在每层用取环刀测定土壤容重。所有样品的有机碳含量均采用重铬酸钾容量法测定。

2.2 土壤有机碳密度计算

某土层i的土壤有机碳密度(SOCi，kg/cm2)计算公式为[16-17]：

SOCi=CiDiEi(1-Gi)/100

(1)

式中Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg)；Di为第i层土壤土壤体积质量(g/cm3)；Ei为第i层土壤土层厚度(cm)；Gi为直径大于2 mm的石砾所占的体积分数(%)。

一定剖面深度的SOC计算公式为：

(2)

式中n为土壤层数，Ci、Di、Ei和Gi同上式。

2.3 数据统计

使用Excel 2010进行数据处理和做图，使用SPSS Statistics 23进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 坝上与坝下华北落叶松土壤有机碳含量的比较

不同地区相同年龄华北落叶松土壤有机碳含量的比较见图1。

图1 不同地区相同年龄华北落叶松林土壤有机碳含量的比较Figure 1 Comparison of SOC content of Larix principis-rupprechtii forest with the same age in different regions注：图中字母不同表示坝上与坝下在α=0.05的水平上存在明显差异。

由图1可知，坝上和坝下地区华北落叶松人工林土壤有机碳含量(SOC)有显著差异。18年生华北落叶松林土壤有机碳含量在不同层次表现出不同的差异，0～10 cm和10～20 cm坝下明显高于坝上，分别为76.64 g/kg、41.50 g/kg和31.81 g/kg、29.25 g/kg，且0～10 cm达到显著差异，20～40 cm二者相差不大，分别为18.13 g/kg和18.55 g/kg，40～60 cm坝上稍高于坝下，分别为13.50 g/kg和7.04 g/kg。而对于40年生的华北落叶松林来说，在各个土层上均为坝下高于坝上，坝下则分别为63.46 g/kg、52.64 g/kg、42.58 g/kg、32.52 g/kg，坝上则分别为46.22 g/kg、35.43 g/kg、28.44 g/kg、23.04 g/kg，前者为后者的1.37倍、1.49倍、1.50倍、1.41倍，前3土层均达到显著差异。以上结果说明，坝下地区华北落叶松林土壤有机碳含量高于坝上地区，同时其差异随土层深度的不同而有所不同。

同时，由图1可以看出，除坝下18年生华北落叶松林0～10 cm土层的土壤含碳量明显较高之外，40年生华北落叶松林的各个土层的有机碳含量均明显高于18年生。说明，随着林分年龄的增加，华北落叶松林的土壤碳含量有增加的趋势。

3.2 坝上与坝下华北落叶松土壤有机碳密度的比较

不同地区相同年龄华北落叶松SOC密度比较见表1。

表1 不同地区相同年龄华北落叶松林SOC密度的比较Table1 Comparison of SOC density of Larix principis-rupprechtii forest of the same age in different regions

由表1可知，坝上与坝下华北落叶松林碳密度在不同年龄上表现出不同的变化特征。坝上地区18年生华北落叶松林土壤0～60 cm的碳密度为15.66 kg/m2，坝下为13.37 kg/m2，二者未表现出明显差异；坝上坝下40年生的碳密度则分别为21.81 kg/m2和27.91 kg/m2，二者表现出明显差异。从各个层次来看，坝上地区18年生华北落叶松林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有机碳的密度分别为3.55 kg/m2、3.57 kg/m2、4.84 kg/m2、3.70 kg/m2，坝下则分别为4.33 kg/m2、3.50 kg/m2、3.89 kg/m2、1.64 kg/m2；坝上40年生华北落叶松土壤有机碳密度分别为4.75 kg/m2、4.04 kg/m2、6.91 kg/m2、6.12 kg/cm2，坝下则分别为5.84 kg/m2、4.68 kg/m2、9.20 kg/m2、8.19 kg/m2。以上结果说明，年龄较小的华北落叶松林的土壤碳密度较为接近，未表现出明显差异，但随年龄的增加，其差异逐渐增大。同时，总体上年龄较大的华北落叶松林具有更大的碳密度，土壤贮存的碳量更大。

3.3 华北落叶松土壤有机碳的垂直分布特征

由表1可知，坝上坝下各年龄华北落叶松林土壤有机碳均集中分布于表层，深层土壤所占比例较小。各华北落叶松林土壤0～20 cm深土壤中有机碳贮量占到了0～60 cm总量的38%～58%，而40～60 cm只占总量的12%～29%。说明土壤有机碳主要集中于浅层土壤。

不同地区华北落叶松林木土壤有机碳含量与土壤深度的关系见图2。

图2 不同地区华北落叶松林土壤有机碳含量与土壤深度的关系Figure 2 Relationship between SOC content and soil depth in Larix principis-rupprechtii forest in different regions

同时，由图2可知，坝上坝下华北落叶松林土壤有机碳含量均随着土壤深度的增加而减小趋势，但2个地区减小的趋势不同。坝下18年生华北落叶松林土壤有机碳的拟合直线的斜率为-1.48，坝上为-0.43，坝下40年生华北落叶松林土壤有机碳拟合直线的斜率为-0.66，坝上则为-0.48。由以上结果可知，坝下地区土壤有机碳随土层深度的增加而下降的趋势更为明显，土壤有机碳表聚效应更为明显。

4 讨论

坝上坝下华北落叶松土壤有机碳含量存在显著差异，总体上，坝下土壤有机碳含量明显高于坝上地区。从坝上坝下的气候差异来看，坝上气候更为寒冷，应该更有利于土壤有机碳的保存与积累，其原因在于，随海拔的升高，年均温逐渐下降，土壤有机质的分解速率下降，导致土壤有机碳含量增加[18-19]。同时，本研究也发现，坝下华北落叶松林的土壤有机碳含量更高。其原因主要在于，坝上地区的华北落叶松人工林均为20世纪60年代之后营造，且造林之前均为退化的沙地，较为贫瘠，有机质含量较低，林分存在的时间相对较短，土壤有机质的积累时间也相对较短，所以土壤有机碳含量相对较低；而坝下地区华北落叶松林造林前未经过如坝上地区一样的土壤退化过程，同时，坝下地区土壤为山地土壤，其沙化程度较低，利于有机碳的保存。

同时本研究发现，坝上与坝下地区土壤有机碳含量都以浅层土壤较高，这与许多结果研究一致[20-22]。土壤有机碳一方面来自于林下地表凋落物的分解，另一方面来自于植物死亡的根系，其根系主要集中在0～50 cm，以上原因导致土壤有机质主要集中于浅层土壤[23]。同时，华北落叶松根系在近地表土层的分布集中程度更为明显，其生物量主要分布于浅层土壤(0～20 cm)，浅根性更加明显[24-25]。同时本研究也发现，坝上与坝下地区的土壤有机碳含量随深度变化的趋势不同，坝上地区土壤有机碳随深度的增加而下降的趋势较为平缓，而坝下地区的下降趋势更为明显。其原因在于，坝上地区土壤的沙性更强，有利于土壤水的垂直运动，使得更多的有机碳随着土壤水淋溶到土壤的深层，而坝下地区土壤的粘性更强，水分的垂直运动受限，不利于有机碳垂直运动，所以深层土壤的有机碳含量相对较低。

另外，本研究中坝上与坝下2地0～20 cm土壤有机碳密度在7.12～10.52 kg/m2之间，平均为8.56 kg/m2，为我国森林土壤平均碳密度4.24 kg/m2的2倍[26]。这说明该地区的华北落叶松林土壤的碳截存作用明显，是一个巨大的碳库，应加强该地区华北落叶松人工林的科学经营与保护，减少外来干扰对华北落叶松土壤碳库的影响。