毛烏素沙地樟子松人工林不同坡向的碳儲量及空間分布研究

徐 松，廖超英，多杰吉，付廣軍

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院；3.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌712100；5.陜西省治沙研究所，陜西 榆林719000）

沙漠化作為一個(gè)全球性環(huán)境問題日益引起人們的關(guān)注［1］。對沙漠化的防治和研究重點(diǎn)應(yīng)為兩種生態(tài)系統(tǒng)相鄰的邊界區(qū)域，即是生態(tài)系統(tǒng)脆弱帶的研究［2］。毛烏素沙地東南緣位于我國農(nóng)牧交錯(cuò)帶的西部，典型的多層次過渡帶生態(tài)環(huán)境脆弱［3］，是我國北方沙漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，但其中防風(fēng)固沙林一直發(fā)揮著重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。

樟子松（Pinussylvestrisvar）因其具有耐寒、耐旱、速生、材質(zhì)好以及抗逆性強(qiáng)等特性，成為干旱、半干旱風(fēng)沙區(qū)主要造林樹種［4］。部分學(xué)者對人工栽植林地碳儲量的研究表明，立地條件（坡向、坡位、土壤等）對人工林的生長及碳儲量具有重要影響［5－9］，而目前測定碳儲量方法多以空間方法為主，很難準(zhǔn)確測定且結(jié)果可靠性差［10］，沙區(qū)這方面研究比較匱乏，尚需要更多區(qū)域?qū)崪y數(shù)據(jù)［11－12］?；诖?，本文以榆林毛烏素沙地栽植年代相近的人工樟子松林為研究對象，研究不同坡位條件下樟子松人工林碳儲量，為空間尺度區(qū)域調(diào)查提供實(shí)測碳儲量數(shù)據(jù)，以期為毛烏素樟子松固沙林的可持續(xù)經(jīng)營、治沙成果鞏固提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處毛烏素沙地東南部紅石峽（109°12′E，38°26′N），屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，熱量豐富。該區(qū)海拔1 100m，年均溫7.9℃，極端最高溫37.6℃，極端最低溫－32.7℃，年均無霜期159d，年均蒸發(fā)量967.3mm，年均降水量397mm，雨量分配不均，年際變化大。土壤類型主要為風(fēng)沙土，表土疏松，區(qū)域性植被稀少，主要的建群種為踏郎（Hedysarum mongolicum）、花棒（Hedysarumscoparium）、檸條（Caraganakorshinskii）、沙蒿（Artemisiadesterorum）、沙棘（Hippophaerhamnoides）、沙柳（Salixcheilophila）等。喬木固沙樹種多為樟子松（Pinussylvestrisvar.）、河北楊（PopulusXhopeiensis）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 2013年9月選擇典型立地條件設(shè)置樣地進(jìn)行調(diào)查，選取海拔、林齡相近的樟子松林地為研究對象，在迎風(fēng)坡（Windward，WD）和背風(fēng)坡（Leeward，LD）以及丘間地（Interdune，ID）3種立地條件下按照坡位分別建立3塊20m×20m的樣地，對每塊樣地進(jìn)行每木檢尺，測定樹高和胸徑。樣地基本狀況（表1）。

1.2.2 林分生物量測定 本文生物量，僅指以重量表示單位面積上或單株林木地上部分和根系有機(jī)體干重。根據(jù)林地每木檢尺，每個(gè)樣地內(nèi)選擇1株標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，其中樹干從基部到梢按1m分段取樣，稱量帶皮鮮重，在兩端處取5cm樹皮稱重，按比例計(jì)算全段鮮樹皮重，并由此計(jì)算樹干鮮重，枝葉分別全部稱重；以伐倒木為中心1m為半徑挖取根系，沖洗干凈，陰干稱其總重［13］。將各部分稱取少量密封編號帶回實(shí)驗(yàn)室在75℃烘箱中烘至恒重，測定各部分含水率，得出植株各器官干物質(zhì)量及地上部分干物質(zhì)量。由于林下灌木和草本稀疏，故本研究忽略不計(jì)。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

1.2.3 林木碳密度測定 將烘干的樹木葉、枝、干、根樣品進(jìn)行研磨，過60目篩放于密封袋中。采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定各組分w（植株碳）。通過樹木各組分生物量和w（植株碳），求出樟子松各器官碳密度。然后結(jié)合林分密度，計(jì)算樹木碳密度。

1.2.4 凋落物及土壤碳密度測定 在每塊樣地中，采用“S”形5點(diǎn)采樣法挖取5個(gè)剖面按照0—15，15—30，30—50cm分層取樣，同一層5個(gè)土樣混合后，四分法留取300～500g土樣裝袋、編號；同時(shí)每層土壤用環(huán)刀取樣測定土壤容重。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1m×1m的小樣方收集凋落物，并選取約250g凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室測定含水率，并通過小樣方內(nèi)干物質(zhì)量和凋落物含碳率來推算單位面積凋落物碳密度［14］，以裸沙地為對照。土壤碳密度和凋落物碳密度均采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定。土壤碳密度［15］（SOC，t/hm2）采用下式計(jì)算：

式中：Ci——每層土壤有機(jī)碳（g/kg）；Hi——每層厚度（cm）；Bi——每層土壤容重（g/cm3）；Si——每層石礫。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均使用 Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行分析，采用SPSS 16.0的單因素方差分析

2 結(jié)果與分析

2.1 植株碳儲量

對三種不同坡位條件下的樟子松不同器官碳密度的分析表明（表2），干的碳密度ID最高，其次LD，WD最小，LD的干碳密度是 WD的2.43倍；枝碳密度也以WD最小，ID和LD之間沒有顯著差異；葉碳密度在三種立地條件下差異不顯著。根密度大小為ID＞LD＞W(wǎng)D，其碳密度在三種立地條件下的差異性顯著。三種立地條件下的樟子松總碳密度有顯著差異性，ID最高，其次為LD，WD最小，ID總碳密度分別是LD和 WD的1.4倍和2.12倍。在干旱、半干旱地區(qū)水分是土壤發(fā)育、植被生長重要的因子，植被吸收水分和養(yǎng)分主要是由植被根系的細(xì)中根部分［16］，樟子松細(xì)中根主要集中分布在50cm以上土層［17］，因此采用細(xì)中根系較淺的樟子松造林，一方面對沙區(qū)有限土壤水分和養(yǎng)分利用更為充分，同時(shí)又不會造成土壤中地下水位迅速下降而導(dǎo)致植物根系脫離含水層而枯萎。根據(jù)學(xué)者研究，在不進(jìn)行人工灌水情況下，樟子松人工林土壤質(zhì)量含水量丘間地＞背風(fēng)坡＞迎風(fēng)坡［18］。由此可見，在貧瘠較旱的毛烏素沙地區(qū)域坡度較低的丘間地更有利于樟子松林的生長和碳含量的累積。

表2 不同立地條件下樟子松各器官碳密度 t/hm2

樟子松林在三種立地條件下的各器官碳儲量分配模式基本一致，均為干碳密度最大，其次為根碳密度，再次是枝碳密度，葉碳密度最小。ID和LD根密度分別占林木總碳密度的13.3%和13.2%，而 WD根密度占林木碳密度的16.7%。對比于ID和LD，WD條件下，林木分配更多的碳累積物供給根系的生長以儲存更多的碳，更有利于碳的累積。

2.2 凋落物碳儲量

三種立地條件下的植被凋落物的碳密度也不同，LD，WD和ID之間存在顯著差異，WD條件下凋落物碳密度顯著低于LD和ID（圖1）。LD和ID凋落物碳密度分別比 WD高44.5%和107.5%。坡向的不同，其水分條件會存在一定差異，受環(huán)境大氣候及光照的影響也有所不同，從而造成不同坡向林分內(nèi)的溫濕度不同，影響植物枝葉的正常新陳代謝及枯落物產(chǎn)生［19］。不同坡向的自然環(huán)境（風(fēng)、雨等）在不同程度上也導(dǎo)致凋落物層生物量產(chǎn)生較大異質(zhì)性，因而造成凋落物層碳含量相差較大［20－21］。

圖1 不同立地條件凋落物碳密度

2.3 土壤碳儲量

不同立地條件下土壤有機(jī)碳在土層中的分配基本一致，有機(jī)碳密度均隨土層深度的增加而遞減（表3）。在各個(gè)土層ID土壤有機(jī)碳密度均顯著高于LD和WD，在30—50cm土層，LD，WD和ID差異性不顯著，LD和WD土壤有機(jī)碳密度在該層相近。ID土壤有機(jī)碳密度也在整個(gè)土壤剖面（0—50cm）中最高，分別比LD和WD高26.4%和50.26%。3種立地條件下每層土壤有機(jī)碳比裸沙地高出161%～605.2%，總有機(jī)碳密度分別是裸沙地的4.1倍、3.46倍和5.19倍，這說明樟子松對土壤有明顯改良作用。土壤中大部分有機(jī)質(zhì)來自植被枯枝落葉分解的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，一部分來自根系分泌物和根系老化分解及動物活動。樟子松自然整枝能力較強(qiáng)，凋落物層生物量輸入大［22］，相比于WD和LD，ID條件下凋落物層向土壤轉(zhuǎn)移有機(jī)質(zhì)的過程更少受到自然環(huán)境的破壞，向土壤層輸入有機(jī)物更多。凋落物對土壤的影響都集中于土壤表層，短時(shí)間內(nèi)對深層土壤影響較小，但隨著植被生長、土壤中有機(jī)碳分解和轉(zhuǎn)移，土壤碳含量逐漸增大但彼此間差距逐漸減小，是土壤趨于穩(wěn)定的一個(gè)表現(xiàn)。

表3 不同立地類型土壤有機(jī)碳密度 t/hm2

三種立地條件下樟子松人工林總碳密度分別是72.3t/hm2（LD）、51.2t/hm2（WD）、98.86t/hm2（ID），丘間地條件下樟子松林總碳密度顯著高于其他兩種立地條件（圖2）。不同立地條件下均為樹木碳密度最高，其次為土壤碳密度，凋落物碳密度占林分總碳密度的2.8%～3.1%。LD和ID的土壤碳密度占林分總碳密度的比例低于WD，但林木碳密度占林分總碳密度比例則相反，表明不同立地條件影響樟子松林地碳儲量的空間分布。相比于LD和ID，WD條件下空間碳儲量分布更傾向于土壤碳的增加，這可能與林分分配更多的碳有機(jī)物用于根系的生長有關(guān)。

圖2 不同立地條件下樟子松林木、凋落物和土壤碳密度

3 討 論

坡向?qū)α帜靖鱾€(gè)器官的碳儲量分配，林分的生長和空間碳儲量均有顯著影響。于順龍［23］、王向榮［13］等指出坡向、坡位對東北林區(qū)水曲柳中齡林林分生長和生物量分配有重要影響，坡向?qū)α址制骄貜胶蜆涓叩挠绊懘笥谄挛?；何志斌等?4］報(bào)道了祁連山青海云杉木林受地形條件的影響變化，指出坡向直接影響森林土壤有機(jī)碳含量及其分配；這些研究結(jié)果都揭示了坡向因子對林分碳儲量有顯著影響。研究表明，陰坡方向的林木碳儲量和土壤碳儲量顯著高于陽坡。研究樣地區(qū)域處于陜西北部易旱區(qū)，土壤水分可能是限制該區(qū)域林地碳儲量的主要因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，丘間地（ID）的土壤含水量高于背風(fēng)坡（LD）和迎風(fēng)坡（WD）。對麻櫟林［14］、沙棘林［25］的研究也表明，坡向?qū)α值厣a(chǎn)力有顯著影響，陰坡方向林分的生物量和生長量都明顯高于陽坡，這些研究均認(rèn)為林分土壤肥力和土壤含水量與陰坡較高林地碳儲量有密切關(guān)系。而學(xué)者對毛竹林的研究則指出處于陽坡的植被碳儲量和土壤碳儲量均顯著高于陰坡［26］。這些不同的研究結(jié)果說明了研究不同的樹種在特定生物環(huán)境中影響其林木生長的主要生態(tài)因子存在差異。由于毛竹林生長區(qū)域降雨量普遍較高，坡位對陽光的影響可能優(yōu)先于土壤水分的作用，這也使得處于陽坡的毛竹林具有較高的生產(chǎn)力和碳儲量。而本研究林地處于陜北土壤水分貧瘠區(qū)域，土壤水分對林木的碳儲量有重要影響，因而處于水分條件較好的丘間地（ID）更有利于樟子松林的生長和碳的累積，這與學(xué)者研究一致［9，13］。

林地中土壤碳含量具有“表聚作用”［27］。本文中同一坡向0—15cm土層土壤有機(jī)碳密度是15—30 cm的1.2～1.7倍，是30—50cm的1.5～1.7倍，說明不同坡向條件下土壤有機(jī)碳有較強(qiáng)的表聚性，與相關(guān)研究結(jié)果一致［7，14，18］。土壤中的碳含量是受生物因素和非生物因素共同影響的結(jié)果。植被覆蓋類型的不同直接影響SOC的含量和分布，還通過影響與SOC形成和轉(zhuǎn)化有關(guān)的因子間接影響SOC［28］。對天然柴松林、遼東櫟林和油松林的土壤有機(jī)碳研究表明，三種林地土壤有機(jī)碳含量差異顯著，不同土層有機(jī)碳也達(dá)到顯著水平，但隨著深度增加，不同林分間差異逐漸減?。?5］。研究發(fā)現(xiàn)，相同植被類型條件下，ID土壤有機(jī)碳密度在整個(gè)土壤剖面（0—50cm）中最高，分別比LD和 WD高26.4%和50.26%，說明不同坡向影響著土壤的碳儲量及其分布。三種立地條件的總有機(jī)碳密度分別是裸沙地的4.1倍、3.46倍和5.19倍，裸沙地沒有很好的植被覆蓋，長期處于侵蝕狀態(tài)，土壤養(yǎng)分損失嚴(yán)重，表現(xiàn)為裸沙地各層土壤碳相近且隨土壤深度增加，碳含量逐漸增加趨勢。但隨著植被的生長，生物量不斷增加，進(jìn)入土壤的植被凋落物增多，微生物數(shù)量逐漸增加，代謝加強(qiáng)，從而提高了土壤碳的含量，改善了土壤性質(zhì)［29］。植被的枯落物作為土壤中碳的主要來源，由于坡向不同，影響了林木的生物量和進(jìn)入土壤中的植被凋落物含量，因而處于生境條件相對較好的丘間地（ID）和背風(fēng)坡（LD），土壤有機(jī)碳含量要高于迎風(fēng)坡（WD）。樟子松作為喬木，其根系發(fā)達(dá)，分布范圍廣，根系分泌物對土壤碳也有著重要影響［30］。本研究中坡向除了影響林木生長外，還會造成林分水熱狀況的差異，必然會影響土壤溫度，呼吸等，進(jìn)而導(dǎo)致土壤碳的分解和轉(zhuǎn)移出現(xiàn)差異。今后應(yīng)加強(qiáng)土壤溫度、土壤呼吸和根系分泌物對土壤碳的研究，以便更深入揭示其影響機(jī)理。

4 結(jié) 論

（1）三種立地條件下林木各個(gè)器官的碳儲量分配模式基本一致，都為樹干密度最大，其次為根碳密度，其次為枝碳密度，葉碳密度最小。不同立地條件下的樟子松總碳密度ID最高，其次為LD，WD最小，其中ID和LD根密度分別占林木總碳密度的13.3%和13.2%，而WD根密度占林木碳密度的16.7%。相比于ID和LD，WD條件下林木分配更多的碳累積物供給根系的生長以儲存更多的碳，更有利于碳的累積。

（2）土壤有機(jī)碳在不同立地條件下土層中的分配基本一致，有機(jī)碳密度均隨土層深度的增加而遞減。ID土壤有機(jī)碳密度在整個(gè)土壤剖面（0—50cm）中最高，分別比LD和 WD高26.4%和50.26%。3種立地條件下每層土壤有機(jī)碳比裸沙地高出161%～605.2%，表明林分不斷的生長，提高了土壤碳含量，改善了土壤性質(zhì)。

（3）三種立地條件下樟子松人工林總碳密度分別是72.3t/hm2（LD）、51.2t/hm2（WD）、98.86t/hm2（ID），其碳的空間分配模式基本一致，均為樹木碳密度最高，其次為土壤碳密度，凋落物碳密度最小。其中LD和ID的土壤碳密度占林分總碳密度的比例低于WD，但林木碳密度占林分總碳密度比例則相反，表明不同立地條件影響樟子松林地碳儲量的空間分布。

［1］ 高國雄.毛烏素沙地東南緣人工植被結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007.

［2］ 尉秋實(shí)，閆來基.干旱沙區(qū)樟子松育苗造林技術(shù)［J］.林業(yè)科技通訊，2001（9）：7－9.

［3］ 樊曉英，廖超英，謝燕，等.毛烏素沙地東南部樟子松生長狀況調(diào)查分析［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（4）：112－116.

［4］ Zhu J J，F(xiàn)an Z P，Zeng D H，et al.Comparison of stand structure and growth between artificial and natural forests ofPinussylvestrisvar.Mongolicaon sandy land［J］.Journal of Forestry Research，2003，14（2）：103－111.

［5］ Hairston A B，Grigal D F.Topographic influences on soils and trees within single mapping units on a sandy outwash landscape ［J］.Forest Ecology and Management，1991，43（1）：35－45.

［6］ 黃從德，張國慶.人工林碳儲量影響因素［J］.世界林業(yè)研究，2009，22（2）：34－38.

［7］ 郭建明，鄭博福，胡理樂，等.井岡山兩種典型森林土壤有機(jī)碳密度及其影響因素的比較［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（12）：1836－1840.

［8］ Toit B D.Effects of site management on growth，biomass partitioning and light use efficiency in a young stand ofEucalyptusgrandisin South Africa［J］.Forest Ecology and Management，2008，255（7）：2324－2336.

［9］ 陳淑容.不同立地因子對楠木生長的影響［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，30（2）：157－160.

［10］ Wang W J，Qiu L，Zu Y G，Su D X，et al.Changes in soil organic carbon，nitrogen，pH and bulk density with the development of larch（Larix gmelinii）plantations in China［J］.Global Change Biology，2011，17（8）：2657－2676.

［11］ Sun Y J，Zhang J，Han A H，et al.Biomass and carbon pool ofLarixgmeliniiyoung and middle age forest in Xing′an mountains Inner Mongolia［J］.Acta Ecologica Sinica，2007，27（5）：1756－1762.

［12］ Wang S Q，Zhou C H，Liu J Y，et al.Simulation analyses of terrestrial carbon cycle balance model in Northeast China［J］.Acta Geographica Sinica，2001，56（4）：400－407.

［13］ 王向榮，孫海龍，余鑫，等.坡向和坡位對水曲柳中齡林生長的影響［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，31（1）：30－34.

［14］ 成向榮，虞木奎，吳統(tǒng)貴，等.立地條件對麻櫟人工林碳儲量的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（10）：1674－1677.

［15］ 楊曉梅，程積民，孟蕾，等.不同林地土壤有機(jī)碳儲量及垂直分布特征［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（9）：132－135.

［16］ Morris A R.Soil fertility and long－term productivity of Pinus patula plantations in Swaziland［D］.Burke，UK：University of Reading，1986.

［17］ 蘇芳莉，劉明國，郭成久，等.沙地樟子松根系垂直分布特征及對土壤的影響［J］.中國水土保持，2006（1）：20－24.

［18］ 段民福，廖超英，孫長忠，等.毛烏素沙地樟子松人工林土壤物理性質(zhì)的時(shí)空變異規(guī)律［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，21（3）：188－192.

［19］ 鐘國輝，辛學(xué)兵.西藏色季拉山暗針葉林凋落物層化學(xué)性質(zhì)研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（1）：167－169.

［20］ 張德強(qiáng)，葉萬輝，余清發(fā)，等.鼎湖山演替系列中代表性森林凋落物的研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（6）：938－944.

［21］ 李海濤，于貴瑞，李家永，等.亞熱帶紅壤丘陵區(qū)四種人工林凋落物分解動態(tài)及養(yǎng)分釋放［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（3）：898－908.

［22］ 胡海清，羅碧珍，魏書精，等.大興安嶺5種典型林型森林生物碳儲量研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，35（17）：1－21.

［23］ 于順龍.坡向，坡位對水曲柳中齡林生長與生物量分配的影響［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)，2009，32（1）：54－56.

［24］ 何志斌，趙文智，劉鵠，等.祁連山青海云杉林斑表層土壤有機(jī)碳特征及其影響因素［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（8）：2572－2577.

［25］ 魏宇昆，梁宗鎖，崔浪軍，等.黃土高原不同立地條件下沙棘的生產(chǎn)力與水分關(guān)系研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（2）：195－200.

［26］ 范葉青，周國模，施擁軍，等.坡向坡位對毛竹林生物量與碳儲量的影響［J］.浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（3）：321－327.

［27］ 梁啟鵬，余新曉，龐卓，等.不同林分土壤有機(jī)碳密度研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（4）：889－893.

［28］ 王艷芬，陳佐忠.人類活動對錫林郭勒地區(qū)主要草原土壤有機(jī)碳分布的影響［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，1998，22（6）：545－551.

［29］ 薛立，鄺立剛，陳紅躍，等.不同林分土壤養(yǎng)分，微生物與酶活性的研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2003，40（2）：280－285.

［30］ 康宏樟，朱教君，李智輝，等.沙地樟子松天然分布與引種栽培［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2004，23（5）：134－139.