不同齡組杉木人工林土壤有機碳貯量及分布特征

曹小玉，李際平

（中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004）

不同齡組杉木人工林土壤有機碳貯量及分布特征

曹小玉，李際平

（中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004）

對比分析了福壽林場3個齡組杉木人工林0～60 cm土層內土壤碳貯量及其土層分布特征，結果表明：1）3個齡組杉木人工林土壤有機碳含量都表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減小的趨勢，土層0～20 cm有機碳含量最高，為29.07～35.27 g·kg-1，是土層20～30 cm和土層30～45 cm的1～2倍和3～4倍，而土層（45～60 cm）的有機碳含量最少，為5.03～6.68 g·kg-1。2）3個齡組的人工林0～60 cm土層內平均碳含量和碳貯量都表現(xiàn)出了隨著年齡的變化先減少而增加的趨勢，其平均碳含量的次序依次為成熟林（16.65 g·kg-1）＞幼齡林（14.78 g·kg-1）＞中齡林（13.36 g·kg-1）；碳貯量大小順序依次為成熟林（79.59 t·hm-2）＞幼齡林（64.78 t·hm-2）＞中齡林（64.74 t·hm-2），3）在0～45 cm范圍的土層內，3個齡組的杉木人工林的土壤碳貯量占土壤總碳貯量的百分比在86%～91%之間，說明杉木人工林土壤碳貯量主要集中在這個土層深度內。

杉木人工林；土壤有機碳；土壤碳密度；齡組

森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，也是地球上最主要的碳庫之一，其土壤中的碳占全球土壤碳庫的73%[1-2]，因此，森林土壤碳平衡對于維持全球碳平衡和調節(jié)大氣中CO2的濃度有著非常重要的作用[3]。大量的研究表明，營造人工林可以減緩大氣中CO2濃度的升高[4-5]，杉木人工林作為我國南方最主要造林樹種，其面積約占我國南方森林面積的30%以上，研究杉木人工林土壤有機碳的變化特征能夠為準確評價我國人工林土壤碳含量及碳密度奠定必要的科學基礎，為此，本文以杉木人工林為研究對象，探討不同發(fā)育階段的杉木人工林碳貯量及其變化特征，旨在揭示杉木人工林碳循環(huán)規(guī)律，為杉木人工林碳庫的經營和管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

福壽林場位于平江縣南部的福壽山上，地處北 緯 28°03′00″～ 28°32′30″， 東 經 113°41′15″～113°45′00″之間。東接獻沖森工林場，北連思村鄉(xiāng)尚山村，西鄰思村鄉(xiāng)五等村，南抵瀏陽市?？偯娣e為1274.9 hm2，其中國有山林1 133.9 hm2，集體山林面積141 hm2。處于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的氣候帶，屬濕潤的大陸性季風氣候。年平均氣溫12.1℃極端最高氣溫33.4℃最低氣溫為-15℃，年日照1 500 h，無霜期217 d，有效積溫4 547℃，年相對濕度87%。地勢南高北低，最高峰轎頂山，海拔1 573.2 m，最低處為湖口峽底，海拔835 m，林場場部海拔1 078 m。山體下部多陡峭，中部較平緩，上部較陡，平均坡度為22～27°，形成群山重疊，起伏綿延的中山地貌。林地土層深厚肥沃，腐殖質較豐富。場內海拔800 m以下的土壤為山地黃壤；800～1 400 m為山地黃棕壤；海拔1 400 m以上的山頂、山脊有小塊草甸土。場內植被繁茂，群落較多。有木本植物55科，275種。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置及取樣方法

在福壽林場范圍內，通過現(xiàn)場勘查，在杉木幼齡林、中齡林、成熟林3種類型的林分內分別設置3塊樣地，（表1）每個樣地內分別設置3塊20×30 m 的標準地，每個標準地內隨機挖取3個有代表性的土壤剖面，分層（0～20 cm，20～30 cm，30～45 cm，45～60 cm）采取土樣，用于測定土壤有機碳含量，同時，在土壤剖面用環(huán)刀分層采取土壤用于土壤容重的測定。

表1 調查樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plots

1.2.2 測定方法

土壤容重采用常用的環(huán)刀法來測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法[6]。

1.2.3 土壤有機碳貯量的計算

土壤有機碳貯量指的是單位面積一定深度的土層中有機碳的總量[7]，其計算公式為：

Wi=Di×Ei×S×Ai。 （1）

式中：Di為第i層土層的容重（g·cm-3），Ei為第i層土層的厚度（cm），S為面積（hm2），Ai為第i層土層的C含量（g·kg-1）。

1.2.4 數據處理分析

利用Excel和統(tǒng)計軟件SPSS17.0對數據進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤容重的變化

從整體上看，3種齡組杉木人工林的土壤容重存在著差異，但差異不明顯（表2），全部土層平均容重以成熟林最大，為1.279 g·cm-3，為幼齡林的1.11倍和成熟林的1.03倍，在土壤層（0～20 cm），幼齡林、中齡林和成熟林的土壤容重依次為 1.053，1.148 和 1.088 g·cm-3，中齡林＞成熟林＞幼齡林。在土層（20～30 cm、30～45 cm），土壤的容重表現(xiàn)出了跟年齡一樣的增長趨勢，成熟林＞中齡林＞幼齡林。在土層（45～60 cm），3種齡組的林分類型的土壤容重幾乎沒有差異。

表2 不同齡組杉木人工林土壤容重Table 2 Soil bulk density of different age-group Chinese fir plantation

另一方面，3種林分都表現(xiàn)出了隨著土層深度的增加土壤容重也表現(xiàn)出了逐漸增加的趨勢（圖1）。幼齡林、中齡林和成熟林（45～60 cm）土層的容重是（0～20 cm）土層的1.26、1.15和1.27倍，土體表現(xiàn)出上松下緊的規(guī)律。

2.2 土壤有機碳含量

根據（圖2）可知，不同齡組的杉木人工林土壤有機碳含量表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減小的規(guī)律。土層（0～20 cm）有機碳含量最高，為29.07～35.27 g·kg-1，是土層（20～30 cm）和土層（30～45 cm）的1～2倍和3～4倍。而土層（45～60 cm）的有機碳含量最少，為5.03～6.68 g·kg-1。這符合土壤有機碳垂直分布的一般規(guī)律[8]。表層土壤有機碳含量高，主要是因為大量的死根腐爛和地上凋落物分解為土壤提供了豐富的碳源。

圖1 不同齡組杉木人工林土壤容重差異比較Fig.1 Comparison of soil bulk density among different age-groups Chinese fi r plantation

圖2 不同齡組杉木人工林土壤有機碳含量變化Fig.2 Comparison of soil organic carbon storage of different age-group Chinese fi r plantation

表3 不同齡組杉木人工林土壤有機碳含量Table 3 Storage of soil organic carbon of different agegroup Chinese fir plantation

從表3可以看出，在0～45 cm范圍的深度內，不同齡組同一土層的有機碳含量表現(xiàn)出了幼齡林較高，中齡林減少。而成熟林又逐漸增加的趨勢，這是由于隨著林分年齡的變化，林下植被的蓋度、林分的密度和郁閉度也發(fā)生了變化導致的[9]。在土層（0～20 cm，20～30 cm）成熟林的土壤有機碳含量最高，分別為中齡林和幼齡林的1.21倍、1.1倍和1.62倍、1.56倍，在土層（30～45 cm，50～60 cm），幼齡林的土壤有機碳含量最高，分別為中齡林、成熟林的1.24、1.16倍和1.11倍、1.33倍。

2.3 土壤有機碳貯量

從表4可知，不同齡組（幼齡林、中齡林、成熟林）杉木人工林土壤總的碳貯量依次為64.78、64.74、79.59 t·hm-2，成熟林＞幼齡林＞中齡林。在同一個土壤層，不同齡組的土壤有機碳貯量變化沒有規(guī)律性，主要是因為土壤碳儲量的變化不僅僅受到土壤容重的影響，還受到土壤碳含量的影響。

表4 不同齡組杉木人工林土壤有機碳貯量Table 4 Soil organic carbon storage of different age-group Chinese fir plantation

但同一齡組的杉木人工林的土壤碳貯量，呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加碳貯量逐而減少的趨勢(圖3)，土層（0～20 cm）的碳貯量最大，占土壤碳貯量的百分比依次為幼齡林（52.11%）＞中齡林（51.54%）＞成熟林（48.20%），平均為（50.62%），占到了土壤碳儲量總量的一半，土層（20～30cm）占土壤碳貯量的百分比依次為成熟林（31.53%）＞中齡林（22.24%）＞幼齡林（19.54%）。變化幅度比較大。土層（45～60 cm）的最小，占土壤碳貯量的百分比的比重在8.72%～13.7%之間。這主要是土層（0～45 cm）是杉木根系集中分布區(qū)，大量腐解的死根為土壤提供了很多碳源，大量的地表枯落物也是土壤重要的碳源。

圖3 不同齡組杉木人工林土壤有機碳貯量變化Fig.3 Comparison of soil organic carbon storage of different age-group Chinese fi r plantation

3 結論與討論

（1） 3種齡組杉木人工林的土壤容重存在著差異，但差異不明顯，全部土層平均容重以成熟林最大，為1.279 g·cm-3，為幼齡林的1.11倍和成熟林的1.03倍。另一方面，都表現(xiàn)出了隨著土層深度的增加土壤容重也表現(xiàn)出了逐漸增加的趨勢，土體表現(xiàn)出上松下緊的規(guī)律。

（2）3種齡組的杉木人工林土壤有機碳含量表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減小的規(guī)律[11]。土層（0～20 cm）有機碳含量最高，為29.07～35.27 g·kg-1，是土層（20～30cm）和土層（30～45 cm）的1～2倍和3～4倍，符合土壤有機碳垂直分布的一般規(guī)律，在0～45 cm范圍的深度內，不同齡組同一土層的有機碳含量表現(xiàn)出了幼齡林較高，中齡林減少，而成熟林又逐漸增加的趨勢，這與很多專家學者的研究結論基本相同，[12-13]這是由于隨著林分年齡的變化，林下植被的蓋度、林分的密度和郁閉度也發(fā)生了變化導致的。在幼齡林階段，缺少枯枝落葉，土壤的礦化作用和表層土壤的侵蝕作用增強，土壤有機質減少，隨著年齡的增加，土壤中的凋落物、微生物、活性酶及養(yǎng)分大幅增加，導致土壤有機質增加，這也說明杉木幼齡林階段土壤處于退化過程中，到中齡林階段才能逐漸恢復。

（3）幼齡林、中齡林、成熟林3種杉木人工林土壤總的碳貯量依次為64.78、64.74、79.59 t·hm-2，成熟林＞幼齡林＞中齡林。另一方面，同一齡組的杉木人工林的土壤碳貯量，呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加碳貯量逐而減少的趨勢，在0～45 cm范圍的深度內，占土壤碳貯量的百分比在86%～91%，說明杉木人工林土壤碳貯量主要集中在這個土層深度內。這主要是土層（0～45 cm）是杉木根系集中分布區(qū)，大量腐解的死根為土壤提供了很多碳源，大量的地表枯落物也是土壤重要的碳源。

（4）森林土壤碳貯量的大小除了受自然環(huán)境因素的影響，還與人為活動的干擾有關，大量的研究表明，人工林土壤碳貯量小于常綠闊葉天然林，因此，減少人為活動對森林的干擾也是改善土壤碳貯量的一個有效措施。

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Storage and distribution of soil organic carbon in different age-group Chinese fi r plantations

CAO Xiao-yu, LI Ji-ping
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

A comparative investigation was made to study storage and distribution of soil organic carbon in Chinese fir plantation ecosystems of three age-group in 0～60 cm soil layer in Fushou Forest Farm. The results show that: (1) the prof i le SOC declined along with the soil depths increased in three age-group fi r plantation, the storage of SOC in 0～20 cm soil layer was highest from 29.07 g·kg-1to 35.27 g·kg-1, being from 1 to 2 times as much as those in 20 ～ 30 cm and from 3 to 4 times as much as those in 30 ～ 45 cm,respectively. However, the storage of SOC in 45 ～ 60 cm soil layer was lowest from 5.03 g·kg-1to 6.68 g·kg-1. (2) the average storage of SOC in 0～60 cm soil layer and carbon density decreased fi rst and increased afterwards, the average storage of SOC varied in the order of mature (16.65 g·kg-1)＞ young (14.78 g·kg-1)＞ middle-aged (13.36 g·kg-1) and the carbon density varied in the order of mature (79.59 t·hm-2) ＞ young (64.78 t·hm-2) ＞ middle-aged (64.74 t·hm-2). (3) the storage of SOC were from 86% to 91% of the total storage of SOC in 0～45 cm, the soil organic carbon mainly concentrated from 0 to 45 cm soil layer.

Chinese fi r plantation; soil organic carbon; soil carbon density; age-group

S714.5；S791.27

A

1673-923X(2014)07-0104-04

2014-03-10

國家“十二五”科技支撐計劃專題（2012BAD22B0505）；湖南省教育廳項目（12C0440）

曹小玉（1977-），男，甘肅靈臺人，講師，博士研究生，主要從事森林經理方面的研究

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博導，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究；E-mail：lijiping@vip.163.com

[本文編校：吳 毅]