亞熱帶日本落葉松中、幼齡林土壤有機(jī)碳密度和分配特征

馬豐豐, 張燦明, 羅 佳, 牛艷東, 吳天樂

(湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

亞熱帶日本落葉松中、幼齡林土壤有機(jī)碳密度和分配特征

馬豐豐, 張燦明*, 羅 佳, 牛艷東, 吳天樂

(湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

本文基于32塊樣地土壤數(shù)據(jù)，對(duì)亞熱帶日本落葉松中、幼齡林的土壤有機(jī)碳密度及其分配特征進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)中齡林的有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度明顯高于幼齡林；(2)混交林的有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度明顯高于純林；(3)0～80cm的土壤有機(jī)碳密度為172.25t/hm2。有機(jī)碳主要集中在表土層0～20cm處，此表土層有機(jī)碳密度分別是土層20～40cm、40～80cm的175.21%、129.52%。在土層相同的情況下，隨著土壤深度的增加，其土壤有機(jī)碳密度呈下降趨勢(shì)；(4)與適宜亞熱帶地區(qū)生長(zhǎng)的造林樹種——杉木相比，日本落葉松林的土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度均明顯高于20年生杉木人工林，說明日本落葉松林土壤的固碳能力大于杉木人工林，從側(cè)面也反映了同樣作為亞熱帶地區(qū)的造林樹種，日本落葉松林要優(yōu)于杉木人工林。

日本落葉松；土壤有機(jī)碳含量；土壤碳密度；碳分配特征；中、幼齡林；亞熱帶

森林的碳匯作用在應(yīng)對(duì)全球氣候變化和節(jié)能減排方面所做的貢獻(xiàn)已有目共睹，并備受世界各國(guó)政府和科學(xué)家關(guān)注。森林本身是一個(gè)巨大的碳庫(kù)，約占全球植被碳庫(kù)的86%以上，而且森林土壤碳庫(kù)也很大，約占全球土壤碳庫(kù)的73%，在全球碳平衡中起著舉足輕重的作用[1]。近年來，很多研究者[2-3]致力于陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)方面的研究，國(guó)內(nèi)研究者[4-5]在土壤碳庫(kù)方面的研究取得了一些進(jìn)展，如周玉榮等[4]在廣泛收集資料的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)主要森林類型的土壤碳庫(kù)進(jìn)行了估算，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤碳密度約是植被碳密度的3.4倍，隨緯度的升高而增加，從而間接說明了土壤碳庫(kù)在整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中的份量。

日本落葉松(Larixkaempferi)原產(chǎn)日本，具有生長(zhǎng)迅速、抗性強(qiáng)、干形通直、材質(zhì)優(yōu)良、樹形高大等特點(diǎn)，是建筑、造船、車輛、家具等的優(yōu)良用材。日本落葉松在我國(guó)的生長(zhǎng)適應(yīng)范圍比較廣，是亞熱帶地區(qū)中山山地的重要造林樹種，但其土壤有機(jī)碳方面尚未有人進(jìn)行系統(tǒng)的研究，本文擬在樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)亞熱帶地區(qū)日本落葉松中、幼齡林的土壤有機(jī)碳密度和分配特征進(jìn)行初步研究，以豐富人們對(duì)其規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。

1 研究地概況

研究地分設(shè)于湖北省建始縣長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)、高巖子林場(chǎng)、宜昌市大老嶺林場(chǎng)、湖南省龍山縣萬寶山林場(chǎng)、洛塔林場(chǎng)、重慶市巫山縣梨子坪林場(chǎng)等地。土壤為山地黃壤和黃棕壤，海拔1100～1900m,土層厚度1m左右，土質(zhì)疏松、肥力高，pH值為4～6。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫7.9～10.6℃，極端低溫-8.0℃，極端高溫34.2℃，全年無霜期170d左右，年降水量1400～1600mm，年均相對(duì)空氣濕度85%。

研究地日本落葉松林主要以中齡林、幼齡林為主，以20年為基準(zhǔn)，10年一個(gè)齡組，日本落葉松林可以劃分為如下幾個(gè)齡組：林分年齡<20年為幼齡林，20～30年為中齡林，31～40年為近熟林，41～50年為成熟林[6]。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2008年調(diào)查的32塊樣地的土壤數(shù)據(jù)，樣地面積為600m2，主要測(cè)定了海拔、坡度、坡位、坡向、樹高、胸徑、郁閉度、土層厚度、林分密度等因子，樣地類型涵蓋了日本落葉松中、幼齡林純林、針闊混交林的所有類型，如表1所示。每個(gè)樣地挖取一個(gè)土壤主剖面與副剖面，記錄土壤厚度、采樣地點(diǎn)等。然后，在樣地內(nèi)“S”形設(shè)置或?qū)蔷€設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)，分別按0～10cm、10～20cm、20～40cm及40～80cm分層混合取樣，測(cè)定土壤容重和土壤有機(jī)碳含量。因此，我們對(duì)亞熱帶日本落葉松中、幼齡林的土壤有機(jī)碳貯量的估算限定在表土層80cm的深度范圍內(nèi)，對(duì)于土層不足和超過80cm的均按80cm計(jì)算。

表1 日本落葉松中、幼齡林基本情況表齡組林分類型樣地?cái)?shù)量年齡區(qū)間(年)林分密度(株/hm2)平均胸徑(cm)平均樹高(m)幼齡林純林14 8～20 350～271713.212.5混交林212～191150～135019.621.1中齡林純林721～29 350～118320.219.3混交林921～29 567～100021.918.9

2.2實(shí)驗(yàn)方法

土壤容重采用土壤環(huán)刀法測(cè)定，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-水合加熱法測(cè)定[7]。

2.2數(shù)據(jù)處理軟件

采用SPSS16.0和EXCEL2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3土壤有機(jī)碳密度計(jì)算方法

碳密度是指單位面積的碳貯量，一般用t/hm2表示[8]，本文所研究的土壤有機(jī)碳密度是各土壤剖面的土壤容重、有機(jī)碳含量與土壤實(shí)際厚度三者的乘積(僅指土壤顆粒直徑<2mm部分的有機(jī)碳含量，不包括地表現(xiàn)存凋落物層等)，如公式(1)所示：

土壤有機(jī)碳密度=土壤容重×有機(jī)碳含量×土壤實(shí)際厚度

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1土壤有機(jī)碳含量

日本落葉松中、幼齡林土壤有機(jī)碳含量隨著土壤深度的增加而減少，其0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～80cm四個(gè)土壤層總平均值為4.82%、3.46%、2.32%和1.60%，其中，10～20cm、20～40cm、40～80cm土壤層總平均有機(jī)碳含量分別是0～10cm土壤層的71.84%、48.15%、33.16%。

日本落葉松林分配置模式不同，其同一土層的有機(jī)碳含量不同(如圖1所示)。雖然，總體趨勢(shì)是日本落葉松針闊混交林、純林土壤有機(jī)碳含量隨著土壤深度的增加而減少，但混交林土壤有機(jī)碳含量0～10cm、10～20cm、20～40cm三個(gè)土層均比純林高，分別為純林對(duì)應(yīng)土層的1.19、1.01、1.05倍?？梢?，混交林、純林0～10cm土層有機(jī)碳含量差異顯著，10～20cm、20～40cm土層有機(jī)碳含量差異較小。由此可知，日本落葉松中、幼齡林純林、針闊混交林土壤有機(jī)碳含量的差異主要表現(xiàn)在0～10cm土層。

圖1 日本落葉松混交林、純林土壤有機(jī)碳含量

日本落葉松林分年齡不同，其土壤有機(jī)碳含量不同，總體趨勢(shì)是隨著林分年齡的增長(zhǎng)，同一土層的土壤有機(jī)碳含量增加。同一年齡階段，土壤有機(jī)碳含量隨著土壤深度的增加而減少(見圖2)。

圖2 日本落葉松中、幼齡林土壤有機(jī)碳含量

日本落葉松林的土壤有機(jī)碳含量隨著坡向的變化而變化(見圖3)。其平均值的總體趨勢(shì)是：陰坡>半陽坡>陽坡>半陰坡(坡向劃分標(biāo)準(zhǔn)參照孟憲宇《測(cè)樹學(xué)》第2版)。同一坡向，土壤有機(jī)碳含量隨著土層厚度的增加而減少。同一土層，除土層0～10cm是半陽坡的土壤有機(jī)碳含量最大外，其他土層有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)與總均值的變化趨勢(shì)基本一致，為陰坡的土壤有機(jī)碳含量最大。

圖3 日本落葉松林不同坡向各土層土壤有機(jī)碳含量

與20年生杉木人工林比較[9]，日本落葉松林各土層有機(jī)碳含量明顯高于20年生杉木人工林，如圖4所示。

圖4 日本落葉松林各土層土壤有機(jī)碳含量與杉木的比較

從圖4我們可以看出，日本落葉松林與杉木人工林的土壤有機(jī)碳含量在土層0～20cm差異最大，約為杉木人工林的5.6倍。

3.2土壤有機(jī)碳密度

日本落葉松中、幼齡林土壤有機(jī)碳密度在54.90～234.49t/hm2，總平均為172.25t/hm2，略高于周玉榮[4]等估計(jì)的落葉松林的土壤有機(jī)碳密度166.52t/hm2，略低于全國(guó)森林土壤平均碳密度193.55t/hm2。其土壤有機(jī)碳密度主要集中在表土層0～20cm，約占42.24%，如圖5所示。

圖5 日本落葉松林混交林、純林、總土壤有機(jī)碳密度平均值

從圖5我們可以看出，日本落葉松針闊混交林的土壤有機(jī)碳密度高于純林，0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～80cm土層有機(jī)碳密度的平均值分別是純林對(duì)應(yīng)土層的1.14、1.01、1.15、1.09倍，其中以0～10cm、20～40cm土層中有機(jī)碳密度相差最大。從圖5我們還可以看出，土層20-40cm、40-80cm的土壤有機(jī)碳密度高于土層0～10cm、10～20cm。雖然這兩層的土壤有機(jī)碳含量低于表土層0～10cm、10～20cm，但由于其土層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表土層，所以其土壤有機(jī)碳總量高于表土層。在土層厚度相同的情況下，其規(guī)律與其它學(xué)者[7]得出的結(jié)論一致，隨著土壤深度增加，其土壤有機(jī)碳密度是呈下降趨勢(shì)的，如土層10～20cm的土壤有機(jī)碳密度低于土層0～10cm的土壤有機(jī)碳密度。

土壤有機(jī)碳密度的高低，與林分的年齡也有關(guān)系，林分的年齡不同，其土壤有機(jī)碳密度也不同。隨著林分年齡的增加，其各土層的土壤有機(jī)碳密度也隨之升高。同樣，其土壤有機(jī)碳密度的總平均值也隨著林分年齡的增加而逐漸升高(見表2)。從表2中我們可以看出，日本落葉松中齡林各土層的土壤有機(jī)碳密度明顯高于幼齡林。

日本落葉松林不同坡向的土壤有機(jī)碳密度的變化趨勢(shì)與其土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)略有不同(見圖6)，為：陰坡>陽坡>半陰坡>半陽坡。同一坡向下，土層0～40cm的土壤有機(jī)碳密度均大于土層40～80cm的土壤有機(jī)碳密度的2/3；同一土層下，除土層40～80cm是陰坡的最大以外，其他土層的土壤有機(jī)碳密度均是半陽坡的最大。

表2 日本落葉松林中、幼齡林各土層土壤有機(jī)碳密度t/hm2土層厚度0～10cm10～20cm20～40cm40～80cm合計(jì)總平均42.5930.9441.9656.77172.25幼齡林41.2329.4538.9850.33159.99中齡林43.8432.4244.7562.78183.79

圖6 日本落葉松林不同坡向各土層土壤有機(jī)碳密度

與20年生的杉木人工林比較，日本落葉松林的土壤有機(jī)碳密度明顯高于杉木人工林，如圖7所示。 從圖7我們可以看出，日本落葉松林土層0～20cm、20～40cm、40～60cm土壤有機(jī)碳密度分別是杉木的2.4倍、2.6倍、2.5倍，差異均較大。

圖7 日本落葉松林與杉木人工林各層土壤有機(jī)碳密的比較

3.3土壤有機(jī)碳的分配特征

日本落葉松中、幼齡林有機(jī)碳密度在各層的分布比重不同，在0～80cm的土壤有機(jī)碳中，0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～80cm土層的土壤有機(jī)碳密度平均值分別占總平均值的24.72%、17.96%、24.36%、32.96%。由此可見，日本落葉松中、幼齡林0～80cm的土壤有機(jī)碳主要集中在表土層0～20cm，分別是土層20～40cm、40～80cm的175.21%、129.52%。這說明日本落葉松中、幼齡林土壤有機(jī)碳密度屬表土層0～20cm的貢獻(xiàn)最大。造成這種情況的原因可能與研究地實(shí)施天然林保護(hù)工程和封山育林工程有關(guān)，封山育林等措施使日本落葉松林地得到了較好的保護(hù)，使得表土層0～20cm的土壤有機(jī)碳含量積累比底層快。

4 結(jié)論

(1) 日本落葉松中、幼齡林0～80cm土層土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而減少，隨著年齡的增加而增加。

(2) 日本落葉松中、幼齡林0～80cm土層的土壤有機(jī)碳密度為172.25t/hm2，略高于周玉榮等[4]估計(jì)的落葉松林的土壤有機(jī)碳密度166.52t/hm2，略低于全國(guó)森林土壤平均碳密度193.55t/hm2。

(3) 日本落葉松混交林0～80cm土層的土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度均高于純林，其中，屬土層0～10cm差異最大。

(4) 在日本落葉松中、幼齡林0～80cm的土壤有機(jī)碳中，屬表土層0～20cm的貢獻(xiàn)最大，原因可能是與研究地實(shí)施天然林保護(hù)工程和封山育林工程有關(guān)。

(5) 與適宜亞熱帶地區(qū)生長(zhǎng)的造林樹種——杉木相比，日本落葉松林的土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度均明顯高于20年生杉木人工林，說明日本落葉松林土壤的固碳能力大于杉木人工林，從側(cè)面也反映了同樣作為亞熱帶地區(qū)的造林樹種，日本落葉松林要優(yōu)于杉木人工林。

(6) 日本落葉松林在亞熱帶地區(qū)分布面積大，是這些地區(qū)的主要造林樹種，其土壤有機(jī)碳密度較大，說明其土壤貯存碳的潛力巨大，對(duì)減緩大氣CO2濃度的上升有積極作用。

[1] 呂景輝,任天忠,閆德仁. 國(guó)內(nèi)森林碳匯研究概述[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2008,34(2):43-47.

[2] Rodeghiero M, Tonolli S., Vescovo L.,etc. Infocarb: a regional scale forest carbon inventory (Provincia autonoma di Trento, southern Italian Alps )[J].Forest Ecology and Management,2010, 259:1093-1101.

[3] David A.Coomes, Robert B.Allen, Neal A.Scott, etc. Designing systems to monitor carbon stocks in forests and shrublands[J]. Forest Ecology and Management,2002,164:89-108.

[4] 周玉榮,于振良,趙士洞.我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和碳平衡[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2000,24(5):518-522.

[5] 王紹強(qiáng),周成虎,李克讓,等.中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)及空間分布特征分析[J].地理學(xué)報(bào),2000,55(5):533-544.

[6] 亢新剛.森林資源經(jīng)營(yíng)管理[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社,2001.

[7] 方晰.杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與碳平衡的研究[D].長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué),2004,118.

[8] 方運(yùn)霆,莫江明,Sandra Brown，等.鼎湖山自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳貯量和分配特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(1):135-142.

[9] 陳楚瑩,廖利平，汪思龍.杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳素分配與貯量的研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 11 (增) : 175-178.

(責(zé)任編輯：譚著明)

Densityanddistributionofsoilorganiccarbonofyoungandmiddle-agedLarixkaempferiforestinsubtropics

MA Fengfeng, ZHANG Canming*, LUO Jia, NIU Yandong, WU Tianle

(Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, China)

In this paper, the characters of density and distribution of soil organic carbon in young and middle-agedLarixkaempferiforest in subtropics were analyzed based on the soil data of 32 sample plots. The results showed as follows, (1) The concentration and density of soil organic carbon in middle-aged forest were obviously higher than those in young forest. (2) The concentration and density of soil organic carbon in mixed forest were obviously higher than those in pure forest. (3) The density of soil organic carbon (SOC) in 0～80 cm layer was 172.25t/hm2, and SOC mainly concentrated in top layer within 0～20cm. The densities of SOC within 0～20cm layer were 175.21%, 129.52% of that within 20～40cm, 40～80cm layer respectively. In the same soil profile, the soil organic carbon density was decreasing with the increase of depth of soil. (4) The concentration and density of soil organic carbon ofLarixkaempferiforest were obviously higher than those of 20-year-oldCunninghamialanceolataplantation, which not only indicated that the carbon fixation ability ofLarixkaempferiforest was greater than that ofCunninghamialanceolataplantation, but also implied that, from a distinctive aspect,Larixkaempferiwas superior toCunninghamialanceolataas an afforestation species in subtropical areas.

Larixkaempferi; soil organic carbon concentration; soil carbon density; character of carbon distribution; young and middle-aged forest; subtropics

Q 948.2

A

1003-5710(2010)04-0001-04

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2010. 04. 001

2010-07-20

2010-07-29

國(guó)家十一五科技支撐項(xiàng)目(2006BAD24B0603)。

馬豐豐(1983-)，女，碩士，助理研究員，主要從事林業(yè)碳匯、森林生態(tài)方面的研究。

*通訊作者： 張燦明，E-mail: Zhang6664733@yahoo.com.cn