黃土高原千陽人工側(cè)柏林有機(jī)碳的研究

張玲玲，蘇印泉 ，劉 艷 ，何德飛 ，高海霞 ，王 建 ，許喜明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資環(huán)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

黃土高原千陽人工側(cè)柏林有機(jī)碳的研究

張玲玲1，蘇印泉1，劉 艷1，何德飛1，高海霞1，王 建2，許喜明1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資環(huán)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

采取分級(jí)調(diào)查的方法對(duì)黃土高原側(cè)柏人工林碳匯進(jìn)行研究, 對(duì)比側(cè)柏不同林齡生態(tài)系統(tǒng)及鄰近荒地生態(tài)系統(tǒng)碳匯情況，分析造林對(duì)當(dāng)?shù)靥純?chǔ)量影響。研究結(jié)果表明：幼齡林有機(jī)碳比例較大的部分，均在樹體的末端部位，其后，逐漸向樹干、三級(jí)根、三級(jí)枝中轉(zhuǎn)移。側(cè)柏的葉、果等碳氮比低，凋落后易于分解，且有機(jī)碳含量比例較大，有利于補(bǔ)充土壤有機(jī)碳庫(kù)。側(cè)柏林下土壤0～30 cm含碳量較高，與其下土層相比差異顯著。造林前期，因人工整地造成水土流失，有機(jī)碳有降低趨勢(shì)，但隨著人工林的生長(zhǎng)郁閉，土壤中的有機(jī)碳逐步增加，對(duì)土壤總碳庫(kù)補(bǔ)充增加明顯，改善了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。且隨著地上部分的增長(zhǎng)，人工林生態(tài)系統(tǒng)總體含碳量較荒地大為提升。通過擬合，得到側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳密度與林齡的擬合方程：，擬合結(jié)果說明：隨著林齡的增長(zhǎng)側(cè)柏人工林碳吸收呈上升趨勢(shì)。

黃土高原；側(cè)柏人工林；有機(jī)碳；分級(jí)調(diào)查

森林作為陸地生物圈的主體，儲(chǔ)存碳占陸地生態(tài)系統(tǒng)的50%～60%[1]，匯聚全球植被碳庫(kù)的86%及全球土壤碳庫(kù)的73%以上，每年固定的有機(jī)碳占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)2/3左右，在碳收支平衡中起著重要作用[2-3]。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是估算森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣吸收以及排放含碳?xì)怏w的重要因子，也是研究大氣中有機(jī)碳與森林生態(tài)系統(tǒng)交換的有效參數(shù)。加拿大、美國(guó)等國(guó)家對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算研究均有很大進(jìn)展[4-5]。我國(guó)生態(tài)學(xué)家對(duì)于植被生物量的測(cè)定始于70年代末80年代初，此后，對(duì)我國(guó)主要森林類型在全國(guó)尺度的生物量進(jìn)行了估算[6]。另一方面，90年代中期以后，一些生態(tài)學(xué)家利用野外實(shí)測(cè)的資料結(jié)合全國(guó)森林資源清查資料，探討了全國(guó)尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)生物量及其變化[7-8]。

我國(guó)森林具有以下特點(diǎn)：(1) 林齡較小，幼齡林占森林總面積的比重較大（約占總面積的1/3）[9]；(2) 森林碳密度較低，目前我國(guó)森林平均碳密度僅為41.1 Mg C/hm2(Mg=1×106g)，且78.7%的森林平均碳密度低于50 Mg C/hm2[10]；(3) 人工林面積較大（3 230萬hm2），占森林總面積23%，且不斷增加[11-13]。

我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳的研究多為自然林，以及基于森林資源清查資料的大尺度研究，但對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)中喬木、灌木、草本、枯落物及土壤有機(jī)碳含量的精確研究，特別是分級(jí)分析喬木的調(diào)查不多。本文就黃土高原側(cè)柏人工林分級(jí)調(diào)查，分析側(cè)柏人工林與鄰近荒地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量情況的變化，以期為我國(guó)森林碳收支研究提供依據(jù)。以人工林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，由于人工林林齡一致，林齡資料準(zhǔn)確，布局均勻，在調(diào)查研究時(shí)更易細(xì)化，且人工林面積及碳匯潛力大，研究結(jié)果可為退耕還林后的有機(jī)碳變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于陜西省日元貸款造林項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究區(qū)：陜西省千陽縣的城關(guān)鎮(zhèn)廟嶺村。氣候類型屬中溫帶半干旱，年均氣溫為8.7℃～11.8℃，最高溫23.7℃(7月份)，最低溫-9.7℃(1月份)，年積溫（≥10 ℃）為3 320℃，無霜期167 d。年均降水量627.4 mm。暴雨、干旱、冰雹、風(fēng)蝕水蝕等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。由于自然災(zāi)害及人類活動(dòng)的影響，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱。

研究區(qū)為典型的黃土丘陵，風(fēng)蝕水蝕特征明顯，黃土層覆蓋厚度達(dá)30 m以上，海拔高度為890.9～1051.4 m，總面積1 033.56 hm2。據(jù)調(diào)查，2000年以前，該區(qū)域有林地面積占總面積的8.65%，2000年以后，該流域在日元貸款造林項(xiàng)目的支持下，對(duì)荒山和部分低產(chǎn)農(nóng)田實(shí)行“退耕滅荒”造林，造林樹種以側(cè)柏Platycladus orientalis、刺槐Robinia pseudoacacia為主，生態(tài)林面積提高到31.02%。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

標(biāo)準(zhǔn)木解析：選樣地進(jìn)行植物群落調(diào)查，每木檢尺，在側(cè)柏林地樣地選擇標(biāo)準(zhǔn)木1株，進(jìn)行樹木解析，分級(jí)取樣，一級(jí)枝、根為直徑小于5 mm（一年生），二級(jí)枝、根為直徑介于5～10 mm（兩年生），三級(jí)枝、根為直徑大于10 mm（多年生）。

樣方設(shè)置及取樣：在每一塊樣地中按對(duì)角線3點(diǎn)取樣法確定調(diào)查位置，灌木調(diào)查每塊樣地設(shè)3個(gè)5×5m樣方，草本植物和地表枯落物調(diào)查在每塊灌木調(diào)查樣方內(nèi)，按照固定方位（對(duì)角線）設(shè)3個(gè)1 m×1 m小樣方。

土壤取樣：在每個(gè)1 m×1 m小樣方用直徑為9 cm的土鉆分層采集，深度為0～80 cm，每層（10 cm）取500 g土樣，每個(gè)剖面采集8個(gè)樣品。

本研究共獲取樣品119個(gè)，其中荒地33個(gè)，幼齡林43個(gè)，中齡林43個(gè)；灌木調(diào)查選擇代表性樣方各7個(gè)（每個(gè)樣地各1個(gè)），地上部分采取全面收割法，地下部分調(diào)查采取全面分層調(diào)查法，取混合樣品，求出3類樣地的樣方平均值，計(jì)算灌木根系含水率，并測(cè)定有機(jī)碳含量。

2.2 樣品處理

土樣風(fēng)干并磨碎，過0.125 mm土篩，植物樣品在108℃條件下烘干（至恒量）并粉碎測(cè)定有機(jī)碳、有機(jī)氮含量。有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法（GB 7857-87）[14-15]測(cè)定，有機(jī)氮的測(cè)定采用半微量開式法。

2.3 計(jì)算方法

根據(jù)調(diào)查的喬、灌木根系生物量及測(cè)定的有機(jī)碳含量計(jì)算灌木根系（DROCDa）和喬木根系（DROCDb）。公式分別為：

式（1）中： a為樣方面積（m2），Gi、Ci分別為樣方灌木根系第i層生物量(kg)和COCC(g·kg-1)。

式（2）中： Z代表樣地喬木的平均株數(shù)，A代表樣地面積（m2），Gij、Cij分別為第i層和第j 粗度級(jí)的生物量（kg）和 COCC（g·kg-1）。

土壤的有機(jī)碳密度DSOCD（Soil organic carbon density）的計(jì)算公式[1-2]為：

式（3）中：DSOCD為土壤有機(jī)碳密度(kg·m-2)，Ci、Bi、Di分別為土壤剖面第i層土壤有機(jī)碳含量 (g·kg-1)、第 i層土壤容重 (g·cm-3)，土層的厚度(cm)。

測(cè)定結(jié)果采用Excel軟件和SPSS 12.0軟件進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同器官含碳比例變化

隨著林齡的增長(zhǎng)，有機(jī)碳含量也隨之變化。若僅對(duì)比不同器官有機(jī)碳含量變化，由于不同樹齡材積不同，不具有可比性。為更科學(xué)的表明有機(jī)碳變化，現(xiàn)對(duì)比不同器官中有機(jī)碳含量比例的變化：

式（4）中：R為有機(jī)碳比例，COCCi，COCCt分別為第i種側(cè)柏器官有機(jī)碳含量以及總有機(jī)碳含量。

從圖1可以看出，幼林齡和中林齡的樹干含碳比例最大。中齡側(cè)柏含碳比例大小為：干＞三級(jí)枝＞三級(jí)根＞葉；幼齡側(cè)柏含碳比例大小為：干＞葉＞一級(jí)枝＞三級(jí)根。對(duì)比幼林齡，中林齡側(cè)柏的有機(jī)碳主要集中于三級(jí)枝、三級(jí)根。隨著林齡的增長(zhǎng)，三級(jí)枝、三級(jí)根以及干的含碳比例有所上升，其中三級(jí)根的含碳變化較大，表明，側(cè)柏有機(jī)碳隨著樹林增長(zhǎng)，逐漸向三級(jí)枝、三級(jí)根以及干轉(zhuǎn)移并積累。

圖 1 側(cè)柏不同器官有機(jī)碳含量比例Fig.1 The organic carbon proportion of different P. orientalis organs

側(cè)柏的有機(jī)碳含量比例，除主干、三級(jí)枝及三級(jí)根之外，10年生比35年生的葉、一級(jí)枝、二級(jí)枝、皮、一級(jí)根、二級(jí)根的均較大，表明其新生器官固碳能力較強(qiáng)，且隨著這些器官的凋落，對(duì)土壤碳庫(kù)將有一定的補(bǔ)充作用。欲對(duì)比不同器官凋落后碳氮比分解情況，需進(jìn)一步研究。

3.2 側(cè)柏不同器官碳氮比（C/N）

植物的凋落物作為土壤有機(jī)質(zhì)重要來源對(duì)土壤的理化性質(zhì)以及生物性質(zhì)產(chǎn)生極其重要的影響[16-17]。林木凋落物及其分解狀況是影響森林生態(tài)系統(tǒng)以及地球化學(xué)循環(huán)的重要因素，對(duì)促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)正常的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡，維持土壤肥力，有著特別重要的作用。分解影響森林生態(tài)系統(tǒng)的主要養(yǎng)分元素（碳、磷、氮等）的循環(huán)。凋落物分解速率的影響因素為：森林生態(tài)系統(tǒng)類型、凋落物種類、環(huán)境條件等[18]。

凋落物的分解與其自身的化學(xué)成分以及環(huán)境因子有關(guān)，碳氮比在凋落物分解過程中起重要作用，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的形成及養(yǎng)分的釋放有著十分重要的意義。研究表明[19-21]，凋落物碳氮比與其分解速率呈負(fù)相關(guān)，即碳氮比越大分解速率越小。碳氮比反應(yīng)了分解速度，對(duì)比其大小可以反映不同器官凋落后，對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充情況。

通過分析可以得出（圖2），側(cè)柏各器官中葉，果，皮，一級(jí)枝以及一級(jí)根的C/N較小，即其分解率較大，掉落后分解較快，有利于土壤C庫(kù)的補(bǔ)充，而所有器官中，側(cè)柏干的C/N最大。結(jié)合不同器官含碳比例變化可知，側(cè)柏不同器官中，葉的含碳比例都較高，且碳氮比較低，隨著葉的凋落，對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充能力較強(qiáng)。

圖2 側(cè)柏不同器官碳氮比Fig.2 Carbon nitrogen ratio of different P. orientalis organs

3.3 土壤碳庫(kù)變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，不同土層碳密度見圖1。經(jīng)對(duì)3組樣地在0～80 cm的SOCD分層分析，3組樣地在不同層的變化有明顯差異。利用SPSS 12.0單因素方差分析SOCD，利用多重比較，得出在0～10 cm范圍內(nèi)ANOVA結(jié)果差異顯著（P＜0.05），在10 cm以下ANOVA結(jié)果差異不顯著（P＞0.05）。在10 cm土層范圍，荒地和10 a、35 a人工側(cè)柏林地DSOCD分別為1.411 kg·m-2和7.707 kg·m-2、6.585 kg·m-2，荒地、10 a、35 a 人工側(cè)柏林的土壤有機(jī)碳都集中于表層（0～10 cm）且呈遞減趨勢(shì)，但相較于荒地，10a、35a人工側(cè)柏林各層的土壤有機(jī)碳密度都有所提高， 3種地類的平 均 值 分 別 為 0.5931 kg·m-2，3.133.126 kg·m-2、2.75 kg·m-2（表1），對(duì)比荒地，側(cè)柏林下土壤有機(jī)碳密度明顯提高，但35a側(cè)柏林有機(jī)碳密度相比10a側(cè)柏林降低了13.74%。表明造林有助于提高土壤有機(jī)碳，但由于隨著林齡的增長(zhǎng)，側(cè)柏凋落物的有機(jī)碳含量降低，對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充作用減弱，土壤有機(jī)碳密度降低。

為對(duì)比植樹前后土壤碳庫(kù)變化，以臨近荒地為對(duì)照，比較其0～80 cm土壤碳含量變化（圖3）?；沮厔?shì)為從表層向下遞減，大部分有機(jī)碳集中于0～30 cm，這是由于有機(jī)碳主要有植被枯落，根系等凋亡補(bǔ)充。造林初期，土壤碳庫(kù)碳儲(chǔ)量較低，于20～40 cm處出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是由于此深度，側(cè)柏幼林根系密集，凋亡后，對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充作用。后期，含碳率增長(zhǎng)較快。由于造林初期荒地上原有植被不變，草本根系等對(duì)土壤碳庫(kù)有一定的補(bǔ)充能力，但對(duì)原有植被的人為干擾較多，且新植樹木對(duì)土壤碳庫(kù)補(bǔ)充較少，10 a側(cè)柏林土壤含碳率整體較低，相較荒地土壤含碳率降低，隨著人工林生長(zhǎng)，根系逐漸扎深，地上部分代謝等使土壤含碳率提高。特別是0～10 cm土壤層，由于側(cè)柏凋落物即葉，一級(jí)枝等C/N值較低，分解迅速，對(duì)土壤碳庫(kù)補(bǔ)充較大，含碳率較高。加之一級(jí)根凋亡對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充，土壤含碳率整體較高。

圖3 不同土層碳密度Fig.3 Organic carbon density in different soil depths

3.4 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)比

人工林作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，其碳庫(kù)作用應(yīng)作為一個(gè)整體考慮才有生態(tài)意義?，F(xiàn)對(duì)比荒地生態(tài)系統(tǒng)以及不同林齡側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量（表4）。本研究樣地內(nèi)10a年生側(cè)柏林郁閉度僅為45% ，側(cè)柏林在現(xiàn)有密度的基礎(chǔ)上有較大的個(gè)體生長(zhǎng)空間，因此隨著林齡的增長(zhǎng)側(cè)柏林碳增匯效應(yīng)有明顯體現(xiàn)。隨著林木生長(zhǎng)、凋落，地上部分喬木層及枯枝落葉層含碳量逐漸增加；而由于郁閉度增加，林下植被覆蓋率降低，有機(jī)碳儲(chǔ)量降低；土壤碳庫(kù)由于造林期間對(duì)植被、土壤的人為干擾，先下降后上升?？梢娫炝智捌谝蛘睾笥袡C(jī)碳有降低趨勢(shì)，但隨著人工林的生長(zhǎng)，對(duì)有機(jī)碳的吸收增加，且對(duì)土壤碳庫(kù)的有機(jī)碳補(bǔ)充增加。改善了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。且隨著地上部分的增長(zhǎng)，人工林生態(tài)系統(tǒng)總體含碳量較荒地大為提升。

圖4 不同土層含碳率Fig.4 Organic carbon ratio in different soil depths

為進(jìn)一步體現(xiàn)林齡與總有機(jī)碳密度的關(guān)系，對(duì)林齡-側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行相關(guān)性分析，通過擬合方程可以看出（表2），隨著林齡的增加，生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳密度以及土壤有機(jī)碳密度呈上升趨勢(shì)，可見喬木層作為生態(tài)系統(tǒng)主體，極大地影響總有機(jī)碳密度變化趨勢(shì)，且隨著林齡的增長(zhǎng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳的影響增加，其余組分通過相互作用，提高總有機(jī)碳密度。

表1 側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳密度Table 1 Organic carbon density of P. orientalis ecological system kg·m-2

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)比不同林齡側(cè)柏不同器官含碳比例變化，在人工林前期管理中，應(yīng)注重葉，樹干，一級(jí)、二級(jí)枝以及一級(jí)、二級(jí)根的保護(hù)，以促進(jìn)有機(jī)碳積累。在后期管理中，應(yīng)注重三級(jí)枝、三級(jí)根以及樹干的保護(hù)，以利于有機(jī)碳的存留。

側(cè)柏葉、果、一級(jí)枝、一級(jí)根的碳氮比較高，凋落后，分解率高，對(duì)土壤碳庫(kù)補(bǔ)充作用較大，有利于改善土壤的碳儲(chǔ)量。在造林后管理過程中，需注意保護(hù)此類凋落物，減少人為干擾。碳氮比是分析分解速度的指標(biāo)，如能采用科學(xué)的方式，與器官的含碳率結(jié)合，將更好的衡量其對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充作用。但具體的計(jì)算方式及驗(yàn)證，有待進(jìn)一步研究。

表2 相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis

土壤有機(jī)碳大部分集中于土壤表層，造林初期，由于造林前的整地等人為干擾，有機(jī)碳儲(chǔ)量降低，因此在造林后期管理時(shí)，應(yīng)注意表層土的保護(hù)，減少人為翻動(dòng)，以促進(jìn)側(cè)柏人工林的自然恢復(fù)。造林后期，隨著林齡的增長(zhǎng)，側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳吸收量增加，且通過凋落物以及生態(tài)系統(tǒng)微環(huán)境的作用，對(duì)促進(jìn)土壤碳庫(kù)的有機(jī)碳吸收具有較顯著的影響。由于此次研究范圍為林齡8～35 a的側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)，還未達(dá)到邏輯函數(shù)上限，無法得出側(cè)柏生態(tài)林系統(tǒng)達(dá)到最大值時(shí)的林齡，還需進(jìn)一步研究。

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Study on organic carbon of Platycladus orientalis plantation in Qianyang loess plateau

ZHANG Ling-ling1, SU Yin-quan1, LIU Yan1, HE De-fei1, GAO Hai-xia1, WANG Jian2, XU Xi-ming1
(1. Forestry College, Northwest A. & F. University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2. College of Resources and Environmental Science, Northwest A. & F. University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

The carbon sink of Platycladus orientalis plantation in loess plateau was investigated by using classif i ed survey method, the P. orientalis ecological system was compared with the neighboring barren land ecological system and the effects of forest cultivation and management on local carbon storage. The results show that organic carbon of the young forest mainly distributed in the end parts of the trees, then gradually transferred to trunk, third-order root, and third-order branches; the carbon-nitrogen ratio of leaves, fruits were low,which were easy to decompose after withered, and had a greater proportion of organic carbon content, thus this is in favor of adding soil organic carbon pool; the carbon content in 0～30 cm soil layer under the forest was higher, and the differences were signif i cant with the soil of 30～80 cm; in fi rst 8 years of the forestation, the soil and water loss generated by artif i cial land preparation resulted in reduction of organic carbon absorption, but with the growth of the plantation, the absorption of organic carbon increased and obviously improved the soil organic carbon storage. And with the growth of plantation aboveground part, the total carbon content of the plantation ecology system upgraded substantially and greatly than that wasteland. By fi tting, the equation of ecological plantation system about organic carbon density and ages was set up. The fi tting results show that the organic carbon absorption of the plantation in the loess plateau will take an upward trend.

loess plateau；Platycladus orientalis plantation；organic carbon；classif i ed survey

S791.38

A

1673-923X(2013)02-0056-05

2012-06-13

陜西省日元貸款項(xiàng)目(K332020023)

張玲玲(1988-), 女, 碩士研究生,主要研究森林生態(tài)

蘇印泉(1954-), 男, 教授, 主要研究森林培育；E-mail:syq009@126.com

[本文編校：吳 彬]