千陽縣不同林分土壤有機碳的分布特征

辛文杰，蘇印泉，朱銘強，胡瑞瑞，劉艷，黃帥

（西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌712100）

千陽縣不同林分土壤有機碳的分布特征

辛文杰，蘇印泉，朱銘強，胡瑞瑞，劉艷，黃帥

（西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌712100）

通過對黃土高原千陽縣不同人工林土壤有機碳的含量及其分布特征的研究，為千陽縣人工造林和生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供依據(jù)。于2012年在黃土高原千陽縣調查了毛白楊Populus tomentosa、刺槐Robinia pseudoacaia、側柏Platycladus orientalis、荒地4種樣地的土壤有機碳含量，并對其進行相關性分析。結果表明：在調查的0～80cm土層范圍內(nèi)，土壤有機碳含量為毛白楊（4.83 g·kg-1）＞荒地（3.55 g·kg-1）＞刺槐（3.48 g·kg-1）＞側柏（3.42 g·kg-1），隨著土壤深度的增加，各林分土壤有機碳含量逐漸降低；各人工林在0～30cm土層范圍內(nèi)，土壤有機碳含量和土壤密度變化差異顯著（p＜0.05），而在30～80cm土層范圍內(nèi)變化差異不顯著（P＞0.05）。采用不同的樹種進行植樹造林、植被恢復，有利于土壤碳匯含量的增加，研究結果表明在黃土高原利用毛白楊人工造林優(yōu)于其它樹種。

土壤有機碳；有機碳密度；垂直分布；碳儲量；千陽縣

森林生態(tài)系統(tǒng)貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)76%～98%的有機碳，對大氣中CO2濃度的影響越來越受到科學家的關注[1]。近年來隨著大氣中CO2的含量顯著提高，溫室效應日益加劇，全球溫度逐漸上升。最近有關碳循環(huán)的研究表明北半球陸地生態(tài)系統(tǒng)顯著地吸存著大氣中的CO2[2]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中，土壤碳庫在全球生物化學循環(huán)中是極其重要的生態(tài)因子，其容量是植被與大氣碳庫的3～4倍[3]。因此，土壤碳循環(huán)對土壤碳庫的變化起著重要的作用[4]。黃土高原是中國乃至世界上水土流失較嚴重的特殊生態(tài)區(qū)之一，隨著退耕還林政策的實施，人工生態(tài)林對黃土高原水土保持及生態(tài)環(huán)境建設方面的貢獻日益突出，人工林不僅具有顯著的水土保持功能，而且能明顯地改善土壤肥力[5-6]。

黃土高原地區(qū)地形支離破碎，土壤退化、水土流失等狀況較為嚴重，為此，大力開展對黃土高原地區(qū)綜合治理，在此過程中人工林對解決現(xiàn)存環(huán)境問題的作用日益凸顯[7]。目前，加拿大[8]、美國[9]等國家對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算方面均有很大的研究進展。由于種種原因，我國對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究方面欠佳。我國在基礎理論方面已經(jīng)取得了一定進展，如胡長青等[10]對湖南省森林資源的生物量和碳匯量進行了分析，得出了不同林齡的碳密度及天然林與人工林的碳貯量；方晰等[11]對杉木林的碳含量進行了動態(tài)觀測。本研究以黃土高原千陽縣側柏Platycladus orientalis、毛白楊Populus tomentosa、刺槐Robinia pseudoacaia3種人工林為研究對象，通過選擇固定樣地與相同條件下荒地土壤有機碳密度和土壤碳含量的變化作比較，揭示3種林分對土壤碳匯的影響，旨在為黃土高原人工生態(tài)林的固碳能力提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況

研究地點位于陜西省千陽縣城關鎮(zhèn)廟嶺村的陜西省日元貸款造林項目生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究區(qū)。研究區(qū)域（E107°06′75"～ 107°07′23"，N34°36′59"～ 34°58′31"）海拔 602 ～ 1 150m，區(qū)域總面積1 033.56 hm2。本區(qū)屬中溫帶半干旱氣候，年均氣溫為8.7～11.8 ℃，年均降水量627.4 mm，地貌為黃土丘陵，土壤為黃綿土。調查區(qū)域不同林分郁閉度為0.75～0.95，平均胸徑為3.02～6.67 cm，樹高3.4～12.5 m。自2000年以來，該地區(qū)在日元貸款項目的支持下，對荒山和部分低產(chǎn)農(nóng)田實行“退耕滅荒”政策，造林樹種以側柏、毛白楊、刺槐為主，造林后人工林面積由原來占區(qū)域總面積的8.65%增加到現(xiàn)在的31.02%，生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與設置

樣地選擇在陜西省千陽縣關鎮(zhèn)廟嶺村后的陽山，在研究區(qū)域內(nèi)設置12塊面積為20m×20m的研究樣地，其中側柏、毛白楊、刺槐3種純林分樣地與荒地各3塊。在12塊標準地內(nèi)按對角線法設調查樣方5個(即5次重復)，樣方面積為3 m×3 m，在12塊標準地的60個小樣方內(nèi)，每個小樣方采用直徑為9 cm的土鉆在每個3 m×3 m小樣方中心位置分層采樣，取土樣深度為0～80cm，每層（10cm）取500g土樣，每個剖面采集8個樣品。共調查土壤樣點60個，總共采取土壤樣品480個。

樣地人工生態(tài)林的主要植被分布情況如下：側柏人工林樣地主要植物有黃蒿Artemisia annua、短梗胡枝子Lespedeza cyrtobotrya、龍牙草Agrimonia nipponicavar.occidentalis等；楊樹人工林樣地主要植物有迎春Jasminum nudif l orum、苔草Carex tristachya、白蒿Herba AtimisiaeSieversianae等；刺槐人工林樣地的主要植物有胡枝子Lespedeza formosa、山荊子Malus baccata、白荊花Sophora davidii；荒地樣地的主要植物有豬毛蒿Artemisia scoparia、長芒草Stipa bungeana、酸棗Ziziphus jujubavar.spinosa等。

2.2 樣品處理

將野外采集的土樣自然風干后磨碎，并過0.125 mm的篩進行土壤有機碳含量測定，測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法（GB 7857-87）[12-13]。

（1）土壤有機碳密度（DS）計算：在相關文獻[14]的研究基礎上，結合研究中采用的單位確定計算公式：

式中：DS為土壤有機碳密度（kg·m-2）；Ci、Bi、Di分別為土壤剖面第i層土壤有機碳的質量分數(shù)（g·kg-1）、第i層土壤密度（g·cm-3）和土壤取樣時的分層厚度（cm）。

(2) 土壤有機碳儲量(RS)計算：研究區(qū)RS按照所選各層面積和DS的均值來計算[15]，即：

式中：k為抽樣層數(shù)；Si為i層的土壤面積（m2）。

2.3 分析方法

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，計算出每種林分以及荒地土壤有機碳含量，并用spss16.0進行方差分析。

3 結果與分析

3.1 不同層次土壤有機碳含量及其剖面特征

土壤有機碳含量由土壤有機碳分解速率、作物殘余物數(shù)量、植物根系組成及返還至土壤中的有機物等因素決定，其大小決定于土壤有機碳輸入、輸出及相關土壤性質和過程[16]。由于林下枯落物以及灌木、草本種類等不同因素的影響，導致不同林分土壤有機碳含量差異較大。造林后，楊樹和刺槐林土壤表層（0～10cm）有機碳含量分別比荒地高25.8%和32.24%（見表1），主要是由于楊樹、刺槐屬于闊葉類植物，地表枯落物的含量高于荒地枯落物。郭勝利等[17]在研究地表枯落物積累量對土壤有機碳密度的影響中表明，枯落物的含量與土壤有機碳密度和土壤可溶性碳存在線性相關關系，對土壤有機碳質量分數(shù)的影響主要在0～10cm層。

表1 不同林分類型的土壤有機碳含量?Table 1Soil organic carbon contents of different forest types

不同林分的土壤有機碳含量介于1.93～9.68 g·kg-1之間，其中刺槐人工生態(tài)林的土壤有機碳含量最高（9.68 g·kg-1），是最低林分土壤有機碳含量（1.93 g·kg-1）的5.02倍。綜合比較其它幾種林分，發(fā)現(xiàn)楊樹人工林土壤有機碳平均含量比荒地提高了36.33%，均高于其它幾種林分，說明楊樹對黃土高原土壤有機碳含量的提高具有顯著作用。如圖1所示：在整個土壤剖面，4種林分的有機碳含量在0～30cm土層變化比較明顯，而30～80cm土層有機碳含量變化趨勢比較緩和，差異不顯著（P＞0.05）。其中刺槐林在20～30cm土層有機碳含量低于其它幾種林分，也許是由于刺槐林根系在吸收土壤養(yǎng)分的時候改變了土壤的化學或物理性質，致使土壤有機碳含量顯著下降。刺槐造林的這種現(xiàn)象與絕大多數(shù)研究結論相符，即在農(nóng)田和草地上造林后，特別是與附近對照草地顯著下降[18-19]。

圖1 不同土層含碳率Fig.1Organic carbon ratio in different soil depths

3.2 不同層次土壤容重的特征

土壤容重是衡量土壤理化性質的一項重要物理指標，它的大小取決于土壤質地、土壤顆粒密度。作為土壤堅實度的重要指標，反映了土壤透水性、通氣性以及根系伸展時的阻力狀況[20]。由表2可以看出，不同林分土壤容重的變化不同。其中側柏和楊樹在0～80cm土層的容重顯著小于刺槐和荒地的容重，而楊樹與側柏土壤容重總和基本變化不大，刺槐與荒地土壤容重基本相當，說明造林后側柏與楊樹對土壤容重的改變大于刺槐。

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

3.3 不同層次土壤有機碳密度

不同林分土壤有機碳密度不同，由圖2可以看出：4種樣地的土壤有機碳密度隨土壤深度的增加而逐漸減少。如表3所示：在土壤表層（0～10cm）刺槐人工生態(tài)林和荒地的土壤有機碳密度分別為1.45和1.19 kg·m-2，比荒地含量高21.8%，而在10～30cm土層其土壤有機碳密度又顯著低于其它幾種林分。隨著土壤深度的增加（見圖2），在30～80cm土層各林分土壤有機碳密度減緩趨勢比較平緩，并且側柏與刺槐土壤有機碳密度接近荒地，表現(xiàn)為差異不明顯（P＞0.05）。楊樹和刺槐人工林在土壤表層（0～10cm）土壤有機碳密度高于荒地，而刺槐林在10～30cm土層土壤有機碳密度逐漸低于荒地。說明刺槐人工林的根系吸收土壤有機物的同時改變了土壤有機碳的密度，造成土壤中有機碳的損失，這與前面相關研究結果基本一致[7,14]。

圖2 不同林分類型的土壤有機碳密度Fig.2Soil organic carbon density of different forest types

表3 不同林分類型的土壤有機碳密度Table 3Soil organic carbon density of different forest types

3.4 不同林分土壤有機碳儲量

由公式（2）得，在所調查的4種樣地中，樣品經(jīng)處理分析最后得出：試驗地在0～80cm土層的土壤有機碳儲量為楊樹（6.54×103t）＞刺槐（5.16×103t）＞側柏（5.0×103t）＞荒地（4.97×103t），說明楊樹在改善土壤含碳量方面擁有顯著的效果。刺槐和側柏土壤碳儲量低于楊樹，主要是由于根系在吸收土壤中養(yǎng)分的同時改變了土壤的性質，致使土壤碳大量流失。武天云等[21-22]認為土壤碳流失是基于土壤微生物的氧化分解和土壤侵蝕，使得土壤受保護程度較差，因此造林導致了土壤碳流失。而楊樹在所調查的樣地中，能夠很好地將有機碳“匯聚”在一起。

4 結論

（1）土壤有機碳主要來源于林上枯落物、地下根系分泌物、動植物殘體以及微生物的分泌物等[23-25]。本實驗對標準樣地的有機碳含量、土壤容重以及土壤有機碳密度進行了估算，研究表明：各人工林在0～30cm土層土壤有機碳含量和土壤密度變化差異顯著（P＜0.05），而在30～80cm土層變化差異不顯著（P＞0.05）。造林后，楊樹土壤有機碳密度發(fā)生了顯著變化，比荒地提高了31.64%，各種林分土壤有機碳密度（0～80cm）為楊樹（5.45 kg·m-2）＞刺槐（4.30kg·m-2）＞側柏（4.17 kg·m-2）＞荒地（4.14 kg·m-2）。刺槐人工林和側柏人工林有機碳含量均高于荒地，說明刺槐和側柏人工林在碳增匯方面具有顯著的作用。

（2）不同林分土壤剖面土壤有機碳含量具有顯著的差別，表層（0～10cm）含量最高，說明林地土壤碳含量具有“匯聚”作用，隨著土壤深度的增加，有機碳含量逐漸降低。

（3）不同林分土壤有機碳密度差異比較顯著，4種林分的土壤有機碳含量變化與土壤有機碳密度的變化趨勢基本一致。而且在每種林分土壤中，以表層土壤有機碳密度含量最大。文中僅對各種林分的土壤碳匯含量進行了調查，還未對地上部分植物做系統(tǒng)的研究，有待進一步深入研究。

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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

中日合作課題(K332020908);陜西省日元貸款項目（K332020023）

辛文杰（1987-），男，陜西眉縣人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)方面研究；E-mail：sxxinwenjie@163.com

蘇印泉（1965-），男，陜西白水人，教授，主要從事植物資源開發(fā)利用研究；E-mail：syq009@126.com

[本文編校：謝榮秀]