黃花甸子流域人工林土壤有機(jī)碳密度分布特征

李　龍，姚云峰，秦富倉，張美麗，高玉寒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

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黃花甸子流域人工林土壤有機(jī)碳密度分布特征

李龍，姚云峰，秦富倉，張美麗，高玉寒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

[摘要]【目的】 分析內(nèi)蒙古黃花甸子流域不同人工林土壤有機(jī)碳密度分布特征，為該地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯管理提供理論依據(jù)?！痉椒ā?以內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子流域內(nèi)山杏×油松混交林、山杏林、小葉楊林、檸條林4種典型人工林為研究對象，選取典型樣區(qū)，探討了0～100 cm土層不同林分土壤有機(jī)碳密度的變化。【結(jié)果】 4種林分土壤平均有機(jī)碳密度為0.85～1.07 kg/m2；土壤有機(jī)碳密度呈現(xiàn)出混交林明顯高于純林，喬木林明顯高于灌木林的特征，土壤平均有機(jī)碳密度由大到小表現(xiàn)為山杏×油松混交林>山杏林>小葉楊林>檸條林。土壤有機(jī)碳富集在 0～20 cm 土層中，并隨土層深度的增加，土壤有機(jī)碳密度明顯降低?！窘Y(jié)論】 在研究區(qū)的造林實踐中，建議增加混交林造林面積，減少人類活動對森林表層土壤的干擾和破壞。

[關(guān)鍵詞]人工林；土壤有機(jī)碳密度；土層

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生物圈的主體，除其本身蘊藏著86%以上的植被碳庫外，同時森林生態(tài)系統(tǒng)還維持著70%以上的土壤碳庫[1]。因而，森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)和碳收支平衡中發(fā)揮著不可替代的作用[2]。近年來，人們普遍意識到人工林建設(shè)已逐漸成為生態(tài)恢復(fù)的重要手段[3-4]，大量的區(qū)域及全球尺度上的研究結(jié)果也肯定了人工林對提高陸地碳儲量的重要作用[5-8]。土地利用變化是僅次于化石燃料燃燒導(dǎo)致碳元素從陸地生態(tài)系統(tǒng)的釋放，使大氣中CO2濃度升高的主要原因之一[9]。而土壤碳含量很大程度上依賴于地表植被種類與土地利用狀況[10-11]。但在早期的造林工作中，營造人工林多以防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源以及農(nóng)田防護(hù)為主要目的，對森林及其林下土壤的固碳效益并未進(jìn)行深入探討。森林土壤中的有機(jī)碳主要來自于植被凋落物的分解補充與累積，不同林分下所形成的凋落物的化學(xué)組成也各不相同，這就使得不同林種下土壤有機(jī)碳含量存在一定差異[12]。因此，對同一地區(qū)的不同森林類型土壤有機(jī)碳含量的研究，對揭示該區(qū)土地利用方式變化對土壤碳的影響具有十分重大的意義。

內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗位于半干旱地區(qū)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，在我國碳匯林營造中起步較早規(guī)模較大，其中在敖漢旗的中意合作項目“中國東北部內(nèi)蒙古敖漢旗防治荒漠化青年造林項目”是我國第一個碳匯造林項目，其造林面積達(dá)3 000 hm2，對我國其他地區(qū)的碳匯研究工作具有積極的借鑒作用，對這一地區(qū)的土壤碳庫研究更具指導(dǎo)價值[13]。因此，本試驗以內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗內(nèi)4種主要人工林為研究對象，以實地調(diào)查土壤數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合海拔高度的變化分析研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量的空間變異特征，旨在為該地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃花甸子流域的赤峰市敖漢旗境內(nèi)，燕山山脈東段，科爾沁沙地南緣向松遼平原過渡的地段，其地勢南高北低，并向東北傾斜。地理坐標(biāo)位于北緯 41°42′～42°02′、東經(jīng) 119°30′～120°53′。黃花甸子流域面積約為30 km2，海拔 440～806 m，屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均降雨量為 400～470 mm，年均蒸發(fā)量為2 290～2 400 mm。土壤類型大部分為栗鈣土，伴隨著少量的風(fēng)沙土，體現(xiàn)了森林土壤向草原土壤的過渡特點，pH 值呈弱堿性到堿性，全剖面具有石灰反應(yīng)。地帶性植被以疏林草原為主，人工植被以水土保持林和防風(fēng)固沙林為主要目的，主要造林樹種為小葉楊(Populussimonii)、油松(Pinustabulaeformis)、山杏(Prunussibirica)、檸條(Caraganaintermedia)等，小面積分布有樟子松(Pinussylvestris)，原生植被較少，只有低矮叢生小灌木及雜草，主要為達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等1年生草本植物。

1.2樣品采集

結(jié)合研究區(qū)1∶5萬地形圖、林相圖，于2012-07采集研究區(qū)土壤樣品，將海拔以100 m為一個單元等距劃分為<550，≥550<650，≥650<750 m共3個梯度。每個梯度下選取小葉楊、山杏林、山杏×油松混交林和檸條林4種人工林地作為研究對象，對每種人工林均選擇3塊坡度、坡向等自然特征一致林分作為研究樣地，每塊樣地設(shè)置20 m×20 m的樣方，調(diào)查林分樹高、胸徑等基本信息。并于樣地內(nèi)挖掘深1 m、長1.5 m、寬1 m的土壤剖面，除去枯落物層，按0～10，10～20，20～40，40～60，60～100 cm劃分5個土層并取樣，每層取3個重復(fù)。將各土層土壤樣品混合裝入土壤袋，自然風(fēng)干后剔除石塊、根莖及各種新生體和侵入體，充分混合后研磨過篩。采用105 ℃烘干至恒質(zhì)量法測定土壤樣品的含水率；采用環(huán)刀法測定土壤體積質(zhì)量；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀加熱法測定。取樣同時進(jìn)行林分結(jié)構(gòu)調(diào)查，調(diào)查不同植被造林時間和經(jīng)營狀況、土壤及其厚度、海拔、坡度、坡向、林木及其林下植被的生長狀況等。綜合同類林地下的3塊樣地特征，研究區(qū)4種人工林樣地的基本情況見表1。

表 1　研究區(qū)4種人工林樣地的基本情況

續(xù)表 1　Continued table 1

1.3土壤有機(jī)碳密度的計算

土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的儲量。采用的計算方法為：

Soci=di×pi×Oi×10-2。

式中：i為土壤不同層次，Soci為土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)，di為土層厚度(cm)，pi為土壤平均體積質(zhì)量(g/cm3)，Oi為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)[14]。

為了便于對每層土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行對比分析，本研究將各取土區(qū)間的土層厚度di均按10 cm進(jìn)行計算，以便排除各土層取樣深度不一的干擾。

采用SAS 9.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同林分下土壤有機(jī)碳的分布特征

不同植被類型中，由于土壤受不同植物根系分布、凋落物分解程度以及人為干擾等因素的影響，致使土壤有機(jī)碳含量及土壤體積質(zhì)量隨之發(fā)生變化，所以土壤碳密度也隨之出現(xiàn)差異[15]。表2顯示，不同林分下土壤有機(jī)碳密度存在較為明顯的差異，4種林分平均土壤有機(jī)碳密度為0.85～1.07 kg/m2；不同林分類型下，土壤平均有機(jī)碳密度表現(xiàn)為混交林明顯高于純林，喬木林明顯高于灌木林。有機(jī)碳密度由大到小表現(xiàn)為山杏×油松混交林>山杏林>小葉楊林>檸條林。其中，山杏×油松混交林與山杏林、小葉楊林之間平均有機(jī)碳密度存在顯著差異(P<0.05)；3種喬木林與檸條林之間的平均有機(jī)碳密度存在顯著差異(P<0.05)?；旖涣值钠骄寥捞济芏确謩e是純林和灌木林的1.1和1.3倍。這主要是因為不同林分下枯落物現(xiàn)存量、土壤質(zhì)地以及人為干擾活動均對土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生明顯的影響。

表 2　不同林分下的土壤有機(jī)碳密度

注：同行數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note：Different lowercase letters represent significant difference(P<0.05).

山杏×油松混交林屬于喬灌混交類型，這種混交林在研究區(qū)十分常見，是早期當(dāng)?shù)貭I建水土保持林較為典型的林種，喬灌混交在空間上可以更加充分利用光照條件，具有十分合理的林分垂直結(jié)構(gòu)，因此在林下有較為豐富的困落物層，成為土壤有機(jī)碳的重要補給源?；旖涣指芎侠砝猛恋刭Y源，對土壤有機(jī)碳的積累具有積極作用[16]。山杏本屬于亞喬木，作為當(dāng)?shù)刂饕钠旅娣雷o(hù)林，其主要分布在坡度較為平緩的山坡以涵養(yǎng)水源。在造林前坡面上均大面積進(jìn)行過水平溝和魚鱗坑等坡面集流整地工程，這就使得林下保持了相對較好的水分條件，更有利于山杏根系的生長和林下草本植被的存活，這些因素都明顯提高了林下土壤有機(jī)碳的積累。小葉楊是以農(nóng)田防護(hù)為目的林網(wǎng)和以道路防護(hù)為主要目的林帶2種形式出現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi)，由于小葉楊本身特點，其對土壤水分需求量較大，不宜過密種植，林分密度僅為0.04株/m2，因此郁閉度和其他林種相比較低；加之小葉楊的分布位置多在道路和農(nóng)田旁，受人為干擾頻繁，地表植被蓋度較低且枯落層很薄，以致其林下土壤有機(jī)碳密度較山杏林、山杏×油松混交林都低。研究區(qū)的檸條林均是飛播林分，造林地主要集中在風(fēng)沙區(qū)，飛播密度較大，以防風(fēng)固沙為主要造林目的。盡管檸條林保持著較高的蓋度，但缺乏后期管護(hù)，多年沒有平茬，林分難以更新；土壤本身為沙土，養(yǎng)分含量低，檸條的生長對水分又有著極大的需求，以致林下植被極為稀少，故土壤有機(jī)碳密度很低。

2.2不同林分土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

表2顯示，4 種林分土壤有機(jī)碳密度垂直分布上均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減少。主要是由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)主要作用于地表，且隨著土層深度的增加而分解作用減弱所致，因而表層土壤的碳密度大[17]。就變異系數(shù)而言，檸條林下土壤有機(jī)碳密度的變異最大，為41%，而其他喬木林分下土壤有機(jī)碳密度的變異系數(shù)為 22%～26%。說明檸條林下土壤的有機(jī)碳密度的變異程度較3種喬木林更為劇烈。

表3顯示，山杏×油松混交林、山杏林、小葉楊、檸條林4種人工林分下0～20 cm層土壤有機(jī)碳密度所占比例分別為48.32%，50.97%，46.20%，53.93%，均表現(xiàn)出明顯的表聚作用；并且隨著土層的加深，各林分土壤有機(jī)碳所占比例均呈下降趨勢，而 0～60 cm土層土壤有機(jī)碳密度所占比例已達(dá)85%以上，說明研究區(qū)60 cm以下土壤有機(jī)碳密度極小，而加強(qiáng)對表層土壤的研究意義更加明顯。這主要是由于隨著土層深度的增加，植被凋落物和根系數(shù)量減少，土壤體積質(zhì)量增加，土壤水分減少、透氣性變差，微生物分解的活性減弱，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲量下降[18]。0～20 cm土層有機(jī)碳密度由高到低為山杏×油松混交林(2.55 kg/m2)>山杏林(2.47 kg/m2)>檸條林(2.30 kg/m2)>小葉楊(2.17 kg/m2)。由此可見，在檸條林0～20 cm土層中上有機(jī)碳密度的表聚作用要強(qiáng)于小葉楊，且約有54%有機(jī)碳密度集中在0～20 cm土層，這是由于檸條的水平根系分布密集，且飛播密度高，檸條蓋度已超過50%，沙地整體已成固定沙地，土壤表層已形成結(jié)皮層，對土壤養(yǎng)分的固持起到積極作用。而小葉楊林的表層土壤受人為破壞較大，降低了其表層土壤的有機(jī)碳密度。在20～100 cm土層，與其他林地相比，檸條林地土壤有機(jī)碳密度急劇下降，這應(yīng)該和不同林種根系垂直分布特點有關(guān)。

表 3　不同林分類型下各土層土壤有機(jī)碳密度所占比例

3討論

本研究中各人工林下土壤有機(jī)碳密度隨土壤深度的增加而減少，這與曹吉鑫等[19]針對不同林種都得出結(jié)論一致。此外，楊金艷等[20]對東北東部地區(qū)森林的研究也得出，土壤有機(jī)碳儲量隨土層深度的增加而遞減。土壤有機(jī)碳在表層表現(xiàn)出明顯的聚集性，表明表層有機(jī)碳具有“表聚作用”[21]。根據(jù)Batjes[22]對各類型土壤有機(jī)碳儲量的研究得出，在 0～100 cm的土層中，0～30 cm土層土壤有機(jī)碳所占的比例平均為49%。本研究中土壤有機(jī)碳富集在0～20 cm土層，表層聚集作用更為明顯，這可能是研究區(qū)以栗鈣土為主，土層較薄，植被根系分布較淺所致。森林土壤有機(jī)碳的來源主要是動植物殘體，地表植被根系等，由于這些物質(zhì)深入土壤中深度一定，加之降雨淋溶作用中的微生物分解碳隨雨水入滲到土壤也存在一定深處，使土壤有機(jī)碳具有明顯的垂直分布特征[20]。因此加強(qiáng)對森林表層土壤的保護(hù)具有重要的意義。

地上植被是影響林分下土壤有機(jī)碳含量的重要因素，不同的樹種以及樹種間的搭配也對土壤有機(jī)碳產(chǎn)出有明顯的影響，混交林在土壤有機(jī)碳儲量方面相比純林具有顯著優(yōu)勢。郭月峰等[16]、王文靜等[21]均提出混交林較純林的固碳能力更強(qiáng)?；旖涣值牧址纸Y(jié)構(gòu)更為合理，其有效提高了林內(nèi)物種多樣性，凋落物和根系的種類與數(shù)量也增多，在抵御災(zāi)害能力上具有明顯優(yōu)勢，其有機(jī)碳含量也顯著增加。因此在人工林的經(jīng)營與管理中，更應(yīng)深入研究混交林在調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)中的巨大作用，充分發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)在碳儲量方面的能力。

4結(jié)論

1)不同林分下土壤有機(jī)碳密度存在較為明顯的差異，4種林分土壤平均有機(jī)碳密度為0.85～1.07 kg/m2；土壤有機(jī)碳密度呈現(xiàn)出混交林明顯高于純林，喬木林明顯高于灌木林的特征。其有機(jī)碳密度由大到小表現(xiàn)為山杏×油松混交林>山杏林>小葉楊林>檸條林。

2)土壤有機(jī)碳富集在0～20 cm 土層中，4 種林分土壤有機(jī)碳密度均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而明顯減少，其中檸條林下土壤有機(jī)碳的表聚作用最為突出。

內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗林業(yè)建設(shè)過程中，應(yīng)加大對混交林的種植規(guī)模，嘗試更多不同樹種的混交搭配以應(yīng)用到造林實踐中，尤其對各林分下的0～20 cm土層土壤的保護(hù)和科學(xué)利用應(yīng)給予高度重視，應(yīng)避免因不合理的人為活動破壞地表，同時對早期飛播林地進(jìn)行及時的平茬更新處理，在部分流沙基本固定的沙地應(yīng)適當(dāng)更新林種，加強(qiáng)造林后的人為管護(hù)，以達(dá)到土地資源合理利用科學(xué)管理的目的。

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Distribution characteristics of soil organic carbon density of different forests in Huanghuadianzi watershed

LI Long,YAO Yun-feng,QIN Fu-cang,ZHANG Mei-li,GAO Yu-han

(CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed the distribution characteristics of soil organic carbon (SOC) density in different plantations in Huanghuadianzi watershed to provide theoretical basis for management of carbon sink in plantation ecosystem.【Method】 Four different forest plantations,Prunus sibirica×Pinus tabulaeformis,Prunus sibirica,Populus simonii and Caragana intermedia in Huanghuadianzi watershed,Aohan,Chifeng of Inner Mongolia were selected to investigate the distribution characteristics of SOC density at the depth of 0-100 cm.【Result】 Average density of SOC in four forest types was 0.85-1.07 kg/m2.SOC density of mixed forest was significantly higher than that of pure forest,and SOC density of arbor forest was significantly higher than that of shrub forest.SOC mainly accumulated in the depth of 0-20 cm and it decreased significantly with the increase of soil depth.【Conclusion】 It is suggested to increase the planting area of mixed forest and reduce the effects of human activities on disturbance and destruction of forest soil.

Key words：plantation;soil organic carbon density;layer

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-01-0810:2210.13207/j.cnki.jnwafu.2016.02.011

[收稿日期]2014-06-23

[基金項目]內(nèi)蒙古應(yīng)用研究與開發(fā)計劃項目“農(nóng)林牧耦合生態(tài)系統(tǒng)固碳關(guān)鍵技術(shù)”(20110732)

[作者簡介]李龍(1989-)，男，吉林樺甸人，博士，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail:lilongdhr@126.com[通信作者]姚云峰(1959-)，男(蒙古族)，內(nèi)蒙古阿拉善人，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。

[中圖分類號]S714

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)02-0077-06