中國主要人工林土壤有機(jī)碳的比較

王大鵬，王文斌，鄭亮，羅雪華，鄒碧霞，張永發(fā)，吳小平*

1. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南 儋州 571737；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193

土壤有機(jī)碳庫是地球表層系統(tǒng)中最大最活躍的碳庫之一，其有機(jī)碳儲量約為1550 Pg，是大氣碳庫的2倍，陸地生物質(zhì)碳庫的2～4倍（Lal，1999；Lal，2004）。森林土壤在全球碳循環(huán)中發(fā)揮了非常重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，全球森林碳儲量約1146 Pg，其中土壤碳儲量約為787 Pg，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的土壤碳庫（Dixon等，1994）。目前估算并量化區(qū)域乃至全球森林碳儲量是土壤學(xué)界、生態(tài)學(xué)界和環(huán)境學(xué)界共同關(guān)注的科學(xué)熱點(diǎn)（Kauppi等，1992；Fang等，2001；Pan等，2011）。其中關(guān)于氣候變化下和土地利用變化下森林（包括土壤和生物量）碳過程、固碳潛力及碳儲量等科學(xué)問題，已成為全球變化的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，同時也是未來制定增加碳截獲和減緩氣候變化的環(huán)境保護(hù)政策的基礎(chǔ)依據(jù)（潘根興等，2002；Pan等，2004；潘根興等，2008；Bonan，2008）。

中國森林覆蓋率只有全球平均水平的 2/3，人均森林面積僅0.145 hm2。自20世紀(jì)70年代以來，中國通過實施退耕還林和人工林防護(hù)等工程開展了大規(guī)模的人工造林活動，并取得可喜成績。普查資料（國家林業(yè)局，2009）顯示，2008年中國森林面積為 19545.22萬 hm2，其中人工林面積達(dá)6168.84萬 hm2，人工林面積居世界首位。中國大面積建造人工林，不僅增加了中國森林面積和碳儲量，而且對減緩氣候變化也具有非常重要的作用。研究表明，人工林的建造能有效地固持大氣中的碳（Fang等，2001；Pan等，2011）。中國人工林面積的增加和森林的再生長使中國森林起著碳“匯”的作用，對減緩全球氣候變化具有良好效應(yīng)（Fang等，2001；Pan等，2004；Piao等，2009）。近年來，國內(nèi)不少學(xué)者對中國主要人工林（如杉木、馬尾松、毛竹和橡膠等）土壤有機(jī)碳做了大量研究，但研究傾向于不同區(qū)域，特別是小尺度區(qū)域內(nèi)一個或數(shù)個人工林類型的土壤有機(jī)碳含量、密度和儲量等問題上（賀亮，2007；王艷霞，2010；王大鵬等，2013；漆良華等，2013；齊光等，2013）。然而，對于全國尺度下主要人工林土壤有機(jī)碳的比較研究，鮮有報道。本文試圖通過對近10 a發(fā)表的9種主要人工林土壤有機(jī)碳文獻(xiàn)資料的整理和分析，比較和評述中國主要人工林土壤有機(jī)碳及其儲量的差異，以期為中國人工林土壤碳管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源

本研究對中國期刊網(wǎng)以及維普科技期刊網(wǎng)收錄文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，篩選橡膠（Hevea brasiliensis）、桉樹（Eucalyptus spp.）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys edulis）、馬尾松（Pinus massoniana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、楊樹（Populus spp.）、油松（Pinus tabulaeformis）和落葉松（Larix spp.）等9種主要人工林土壤有機(jī)碳的研究文獻(xiàn)，共計53篇，見表1。篩選標(biāo)準(zhǔn)：（1）所選文獻(xiàn)的發(fā)表時間為近 10年內(nèi)發(fā)表（其中，2009～2013年的文獻(xiàn)數(shù)占 86%），參比年份最早為2004年，最晚為2013年，以此表征主要人工林土壤有機(jī)碳的現(xiàn)狀；（2）文獻(xiàn)中的采樣方法具備多點(diǎn)采樣測定或具有明確的采樣點(diǎn)覆蓋范圍。

2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

所采用文獻(xiàn)中由于土壤發(fā)育的情況有所差異，所發(fā)表的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)完整性也不盡相同?？紤]到這一實際情況，本文以實際調(diào)查土壤厚度為準(zhǔn)，并通過文獻(xiàn)中發(fā)表的相關(guān)數(shù)據(jù)對各項指標(biāo)進(jìn)行換算。利用有機(jī)碳含量計算有機(jī)碳密度（SOCdensity，kg·m-2），公式為：

表1 主要人工林土壤有機(jī)碳文獻(xiàn)匯總Table 1 Literature Collection of Soil Organic Carbon in Main Plantations

利用有機(jī)碳含量計算有機(jī)碳儲量（SOCstorage，Mg·hm-2），公式為：

式中，i為土層代號，Ci為i層土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1），θi為容重（g·cm-3），Di為土層厚度（cm），石礫忽略不計。

采用Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。采用 SPSS 11.5進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA），多重比較為最小顯著差異法（LSD），差異的顯著性分析均在p<0.05水平下進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳含量的比較

對9種人工林土壤有機(jī)碳含量的統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。由表2可以看出，9種人工林0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計上差異性均達(dá)顯著水平（p<0.05）。其土壤有機(jī)碳含量變化范圍為2.5～46.0 g·kg-1，且從表層往下呈現(xiàn)下降的趨勢。9種人工林 0～20 cm土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為6.7～46.0 g·kg-1。其中，落葉松人工林0～20 cm土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他人工林，毛竹、馬尾松、杉木、桉樹和油松等人工林處于中間水平，楊樹、橡膠和刺槐等人工林含量最低。9種人工林 20～40 cm土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為2.8～22.9 g·kg-1。仍然以落葉松人工林含量最高，毛竹次之，馬尾松、杉木、桉樹、油松和楊樹等居中，橡膠和刺槐人工林含量最低。9種人工林40～60 cm土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為2.5～18.8 g·kg-1，這一土層9種人工林土壤有機(jī)碳含量在統(tǒng)計上與0～20 cm、20～40 cm大致相同。

從0～60 cm土壤有機(jī)碳的平均含量來看，9種人工林統(tǒng)計上差異性仍達(dá)顯著水平（p<0.05），土壤有機(jī)碳平均含量變化范圍為4.0～31.1 g·kg-1。其中，落葉松人工林土壤有機(jī)碳含量最高，達(dá)31.1 g·kg-1。毛竹19.6 g·kg-1，僅次于落葉松。杉木、馬尾松、桉樹和油松處于中間水平，為14.4～15.9 g·kg-1。而楊樹、橡膠和刺槐最低，僅為4.0～8.5 g·kg-1?？梢姡煌斯ち种g土壤有機(jī)碳含量差異很大。刺槐、橡膠和楊樹等人工林土壤有機(jī)碳含量很低，而落葉松人工林土壤有機(jī)碳含量高，前者僅為后者的12.9%～27.3%。

3.2 土壤有機(jī)碳密度的比較

由表3可以看出，9種人工林0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有機(jī)碳密度統(tǒng)計上差異性均達(dá)顯著水平（p<0.05），3個土層的土壤有機(jī)碳密度變化范圍為0.6～8.2kg·m-2，隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。9種人工林0～20 cm土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為1.5～8.2kg·m-2。在這一土層中，落葉松人工林土壤有機(jī)碳密度高達(dá)8.2kg·m-2，顯著高于其他人工林。毛竹、桉樹、馬尾松、杉木、油松、楊樹和橡膠等人工林為 2.8～4.6kg·m-2，處于中間水平。刺槐人工林有機(jī)碳密度最低，僅1.5kg·m-2。9種人工林20～40 cm土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為0.7～4.9kg·m-2。該層的土壤有機(jī)碳密度仍以落葉松人工林最高，毛竹次之，馬尾松、杉木、桉樹、油松和楊樹等居中，橡膠和刺槐最低。9種人工林40～60 cm土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為 0.6～3.9kg·m-2。隨著土壤深度的增加，人工林土壤有機(jī)碳含量降低，有機(jī)碳密度也隨之降低，并趨向穩(wěn)定。

表2 不同類型人工林的土壤有機(jī)碳含量Table 2 Content of Soil Organic Carbon in Different Plantations g·kg-1

表3 不同類型人工林土壤有機(jī)碳密度Table 3 Density of Soil Organic Carbon in Different Plantations kg·m-2

綜合來看，9種人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳密度統(tǒng)計上差異性達(dá)顯著水平（p<0.05），其土壤有機(jī)碳密度變化范圍為2.8～15.1kg·m-2。其中，落葉松人工林土壤有機(jī)碳密度最高，達(dá)15.1kg·m-2。毛竹和桉樹分別為 11.2kg·m-2和 10.2kg·m-2，僅次于落葉松。馬尾松、杉木、油松和楊樹處于中間水平，為 6.2～9.6kg·m-2。橡膠為 5.9kg·m-2，刺槐僅 2.8kg·m-2，這兩種人工林土壤有機(jī)碳密度低。

3.3 土壤有機(jī)碳儲量的比較

9種人工林 0～60 cm的土壤有機(jī)碳儲量介于28.2～158.1 Mg·hm-2，在統(tǒng)計上差異性達(dá)顯著水平（p<0.05）。其中落葉松人工林最高，為 158.1 Mg·hm-2。毛竹、馬尾松、桉樹、杉木和油松等人工林為 78.6～112.1 Mg·hm-2，處于中間水平（見圖1）。楊樹和橡膠分別為 62.4 Mg·hm-2和 58.7 Mg·hm-2，僅高于刺槐。刺槐人工林最低，僅 28.2 Mg·hm-2。從 9種人工林的分布區(qū)來看，橡膠主要分布在海南和云南的西雙版納等地區(qū)，為熱帶季風(fēng)氣候。桉樹、杉木、毛竹和馬尾松主要分布在華南、西南、華東和華中區(qū)，氣候類型為干濕不明顯的亞熱帶季風(fēng)氣候。刺槐、楊樹和油松主要分布在華北和西北區(qū)，氣候類型為半濕潤或半干旱暖溫帶季風(fēng)氣候。落葉松主要分布在東北和西北區(qū)，氣候類型主要為半濕潤或半干旱溫帶季風(fēng)氣候。將不同氣候帶人工林土壤有機(jī)碳碳儲量進(jìn)行綜合比較，發(fā)現(xiàn)不同氣候帶人工林土壤有機(jī)碳碳儲量呈顯著差異（p<0.05）。其中，溫帶人工林最高，亞熱帶人工林次之，熱帶和暖溫帶人工林最低（見圖2）。

圖2 不同氣候帶人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量Fig. 2 Plantations Storage of 0～60 cm SOC in Different Climate Zones

對人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量與其對應(yīng)的經(jīng)、緯度進(jìn)行相關(guān)性分析，見圖3。不同人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量與其所在經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.455**，p＜0.01），不同人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量與其所在緯度也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.230**，p＜0.01）。這說明中國人工林土壤有機(jī)碳儲量具有較為明顯的經(jīng)緯度分布性，從西向東逐漸升高，且大致表現(xiàn)為南低北高。

4 討論

圖3 人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量與經(jīng)度（a）、緯度（b）的關(guān)系Fig. 3 The Relationship of SOC Storage in 0～60 cm Soil Layers and Longitude, Latitude

森林儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)中 50%～60%的碳（Dixon等，1994），在緩解大氣CO2濃度、保護(hù)全球氣候方面具有重要作用。中國人工林面積大，達(dá)6168.84萬 hm2，且仍在不斷增加（國家林業(yè)局，2009）。人工林面積的增加和森林的再生長使中國森林在全球碳循環(huán)中起著碳“匯”的作用，中國人工林碳儲量在未來具有巨大的碳匯潛力（Fang等，2001；Pan等，2004；Piao等，2009）。本研究表明，9種人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳含量變化范圍為 4.0～31.1 g·kg-1，平均 14.8 g·kg-1。0～60 cm 土壤有機(jī)碳密度變化范圍為 2.8～15.1kg·m-2，平均 8.7kg·m-2。0～60 cm 的土壤有機(jī)碳儲量介于28.2～158.1 Mg·hm-2，平均 84.5 Mg·hm-2。就有機(jī)碳儲量而言，熱帶人工林（橡膠）為58.7 Mg·hm-2，亞熱帶人工林（桉樹、杉木、毛竹和馬尾松）為102.9 Mg·hm-2，暖溫帶人工林（刺槐、楊樹和油松）為65.0 Mg·hm-2，溫帶人工林（落葉松）為158.1 Mg·hm-2。研究表明（張城等，2006；李江，2008），熱帶典型天然季雨林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量為101.0 Mg·hm-2，亞熱帶常綠闊葉林為92.5～182.1 Mg·hm-2，暖溫帶落葉闊葉林為99.4～158.7 Mg·hm-2，而溫帶天然針葉林則高達(dá)165.6～244.1 Mg·hm-2。由此可見，9種人工林土壤有機(jī)碳儲量雖明顯低于同氣候帶的天然林，但人工林土壤仍具有很高的固碳潛力。這與前人研究基本一致（Yang等，2009a；Yang等，2009b；孫文義和郭勝利，2010）。

王紹強(qiáng)等（2000）利用第二次全國土壤普查所測定的2473個典型土種剖面資料，分析了中國土壤碳庫的空間分布特征，總體規(guī)律表現(xiàn)為：東部地區(qū)大致是隨緯度的增加而遞增，北部地區(qū)呈現(xiàn)隨經(jīng)度減小而遞減的趨勢，其分布特征與中國熱量、水分的梯度變化特征相一致。中國東北樣帶的森林SOC儲量在年降水量的驅(qū)動下，沿經(jīng)度也呈現(xiàn)東高西低的變化規(guī)律（王淑平等，2002）。加拿大西部南北樣帶的森林SOC儲量則在溫度的驅(qū)動下呈現(xiàn)出北低南高的變化規(guī)律（Bird等，2002）。由此可見，溫度和水分是影響區(qū)域有機(jī)碳儲量空間變化的重要因素。本研究選擇的9種人工林，其地理分布上從西向東具有明顯的降水梯度，從南向北具有較大的溫度梯度。結(jié)果表明，中國人工林土壤有機(jī)碳儲量具有典型的經(jīng)度分布性，從西向東逐漸升高；同時具有較為明顯的緯度分布性，從南向北基本呈升高的趨勢。這種變化特征主要受熱量和水分梯度變化的驅(qū)動，這與王紹強(qiáng)等（2000）研究結(jié)果基本一致。值得注意的是，人工林土壤有機(jī)碳儲量的空間分布與緯度相關(guān)系數(shù)并不高。溫帶人工林土壤碳儲量要低于亞熱帶人工林，特別是西北區(qū)人工林土壤碳儲量很低，由此導(dǎo)致人工林土壤碳儲量的緯度分布性特征不明顯。由此可見，人工林土壤碳儲量的緯度分布性除了受熱量梯度的驅(qū)動，水分等自然因素及人為因素也是影響其緯度分布性的重要驅(qū)動力，這值得深入研究。

5 結(jié)論與展望

通過對9種人工林的53篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論，1）9種人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳的平均含量變化范圍為4.0～31.1 g·kg-1。9種人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳密度變化范圍為2.8～15.1kg·m-2。就碳密度而言，以落葉松人工林土壤有機(jī)碳密度最高，毛竹和桉樹僅次于落葉松，馬尾松、杉木、油松和楊樹處于中間水平，橡膠和刺槐最低。2）9種人工林 0～60 cm的土壤有機(jī)碳儲量介于28.2～158.1 Mg·hm-2。其中落葉松人工林最高，毛竹、馬尾松、桉樹、杉木和油松等人工林處于中間水平，楊樹和橡膠僅高于刺槐，刺槐人工林最低。9種人工林土壤有機(jī)碳儲量明顯低于同氣候帶的天然林，人工林土壤具有很高的固碳潛力。3）不同人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳儲量與其所在經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.455**，p＜0.01），與其所在緯度也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.230**，p＜0.01）?？梢姡袊斯ち滞寥烙袡C(jī)碳儲量具有一定的經(jīng)緯度分布性，大致為西低東高、南低北高。

增加土壤碳固定、減少土壤碳損失是減緩溫室氣體排放和培肥土壤的重要途徑，已經(jīng)成為一個世界性的重大研究課題。當(dāng)前，國際上關(guān)于土壤碳庫的研究十分活躍，圍繞陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球氣候變化已開展了一系列研究，利用學(xué)科交叉等技術(shù)手段試圖闡明不同生態(tài)系統(tǒng)固碳機(jī)理及碳循環(huán)過程等重大科學(xué)問題。中國主要人工林土壤有機(jī)碳儲量低于同氣候帶天然林的結(jié)果表明，土地利用變化能明顯改變土壤有機(jī)碳的固存，人工林須改進(jìn)管理措施以增加土壤碳固定。因此，在今后一段較長的時期內(nèi)需要加強(qiáng)人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的研究，特別是以下幾個方面的一些重要的科學(xué)問題亟待突破：1）退耕還林后人工林土壤有機(jī)碳動態(tài)研究（速率、時間尺度和驅(qū)動因子）；2）不同人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的循環(huán)過程及固碳機(jī)理；3）不同氣候帶下人工林土壤的固碳潛力及演變特征；4）尋找能有效增加人工林土壤碳固定及減少碳損失的管理措施和途徑。

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