黃土丘陵區(qū)油松人工林土壤固碳特征及其影響因素

宋超，陳云明，曹揚，唐亞坤，陸媛

(1.中科院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌；2.中國科學院大學，100049，北京；3.西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌；4.西北農林科技大學林學院；712100，陜西楊凌)

黃土丘陵區(qū)油松人工林土壤固碳特征及其影響因素

宋超1,2，陳云明1,3?，曹揚1,3，唐亞坤1,3，陸媛3,4

(1.中科院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌；2.中國科學院大學，100049，北京；3.西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌；4.西北農林科技大學林學院；712100，陜西楊凌)

以黃土丘陵區(qū)9、23、33、47 a油松人工林為研究對象，分析油松人工林不同發(fā)育階段土壤有機碳質量分數和土壤有機碳密度的變化規(guī)律，結合土壤全氮質量分數和土壤密度、枯落物現存量、根系生物量指標，分析其影響因素。結果表明：1)9、23、33和47 a油松人工林0～100 cm土層平均土壤有機碳質量分數分別為4.9、5.9、9.2和6.5 g/kg，土壤有機碳密度分別為63.0、66.8、100.7和72.5 mg/hm2，二者均表現為隨林齡變化先增大(9～33 a)后減小(33～47 a)的趨勢，土壤有機碳質量分數和密度垂直分布規(guī)律明顯，即隨土層深度增加而減小，其中，0～30 cm土層土壤有機碳密度占0～100 cm土層碳密度的48.5%～57.9%；2)相關性分析及擬合結果顯示，土壤有機碳質量分數與全氮質量分數、枯落物現存量和根系生物量存在極顯著線性正相關關系，與土壤密度呈線性負相關關系，根系生物量、枯落物現存量與土壤有機碳質量分數的相關性隨著土層深度的增加逐漸減小，逐步回歸分析結果表明，土壤全氮質量分數和枯落物現存量是土壤有機碳質量分數最主要的影響因素。

油松人工林； 土壤有機碳質量分數； 土壤有機碳密度； 影響因素； 黃土丘陵區(qū)

森林土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其碳儲量約占全球土壤碳庫的56%[1]，分別是植被、大氣碳庫的3～4倍，對維持全球碳平衡有著極其重要的作用[2-3]。森林土壤有機碳是進入土壤中的動植物殘體量及其在微生物作用分解損失量之間的動態(tài)平衡總量[4]，其大小受到氣候、植被、土壤理化性質等因素影響。國內外學者對此進行了大量研究。王大鵬等[5]對中國主要人工林土壤有機碳進行了比較，土壤有機碳密度大致表現為從西向東、從南到北逐漸增高的規(guī)律，與經度、緯度有顯著的正相關關系。解憲麗等[6]研究了不同植被下中國土壤有機碳的儲量與影響因子，結果表明，草甸和森林的土壤有機碳密度最高，不同地區(qū)其主要影響因素不同。杜有新等[7]研究了江西九江地區(qū)不同海拔、坡向植被群落的土壤有機碳質量分數，結果表明，植被類型和海拔是土壤有機碳的主要變異因子。S.E. Crow等[8]和Xiong Yanmei等[9]研究發(fā)現，枯落物能夠提高土壤有機碳質量分數。上述研究多集中于土壤有機碳密度的估算和大尺度土壤有機碳的影響因素，對于影響森林土壤有機碳的主要控制因子及其控制過程仍欠缺[3]。全面理解森林土壤有機碳的的固碳特征及其影響因素，對于合理評估和發(fā)揮森林固碳能力，并且制定相應撫育管理措施具有重要意義。

黃土丘陵區(qū)水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。油松(Pinustabulaeformis)作為黃土丘陵區(qū)的主要造林樹種，20世紀90年代以來在該地區(qū)得到廣泛的種植。除了良好的水土保持功能外，其固碳功能逐漸引起人們的關注。劉迎春等[10]在黃土丘陵區(qū)研究了0～86年油松人工林碳儲量—林齡關系，結果表明，油松人工林植被、凋落物和土壤碳儲量隨林齡逐漸增加；賀亮等[11]對該區(qū)油松人工林碳儲量及其分布特征的研究表明，土壤有機碳質量分數和根系生物量垂直分布特征明顯，土壤有機碳質量分數與土壤全氮質量分數呈顯著線性正相關；孫文義等[12]研究發(fā)現，1 m土層內油松天然林的土壤有機碳質量分數和全氮質量分數顯著高于油松人工林，土壤有機碳質量分數與全氮質量分數有較強的相關性。盡管前人對此進行了大量研究，這些研究對于認識油松林固碳與林齡、土壤深度、養(yǎng)分等關系具有重要作用；但是對于該地區(qū)油松人工林土壤固碳主要影響因素的研究多集中于土壤養(yǎng)分[12-13]，而枯落物現存量、土壤密度和根系生物量尤其是粗根生物量鮮有報道。筆者以黃土丘陵區(qū)9～47年油松人工林為研究對象，探討不同生長時期油松人工林土壤固碳特征，并重點分析根系生物量(粗根和細根)、枯落物現存量和土壤密度等對油松人工林土壤固碳的影響，以期對黃土丘陵區(qū)油松人工林土壤固碳效應，尤其是枯落物現存量、根系生物量等影響因子作出較為全面的分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)南部(E108°53′～109°38′，N35°27′～36°50′)，所選樣地位于陜西省延安市境內。該區(qū)是典型的暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，海拔1 010～1 275 m，年平均氣溫8.6 ℃，最高氣溫36.7 ℃，最低氣溫-22.5 ℃。無霜期183 d，年平均降水量611.2 mm，年蒸發(fā)量約1 500 mm。土壤主要為灰褐土。植被帶屬于暖溫帶落葉闊葉林帶。該區(qū)內主要樹種為油松、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)等，林下灌木主要有黃刺玫(Rosaxanthina)、忍冬(LoniceraJaponica)、繡線菊(Spiraeapubescens)、毛櫻桃(Prunustomerttosa)、陜西莢蒾(Viburnumschensianum)、興安胡枝子(Lespedezadavurica)等；草本植物主要有披針苔草(Carexlanceolata)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、艾蒿(Artemisiaargyi)、北京隱子草(Cleistogeneshancei)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在研究區(qū)的黃陵縣建莊、黃龍縣三岔鎮(zhèn)、富縣直羅鄉(xiāng)和宜川縣鐵龍灣依次選取海拔、坡度、土壤等立地條件相似且生長健康的9、23、33和47年油松人工林地作為研究樣點，林齡由生長錐法獲得。每個樣點內各設置3個20 m×50 m的標準樣地，樣地經緯度、海拔、坡向使用手持GPS測定，坡度采用坡度儀測定，郁閉度由目測法測定。樣點基本概況見表1。

表1 樣點基本概況

2.2 植物樣品采集與測定

粗根生物量：對樣地內所有DBH(胸徑)≥5 cm(人工幼齡林以DBH≥2 cm起測)的喬立木進行每木檢尺，測定其胸徑、樹高并記錄；按大中小徑級選取5株具有代表性的樹木，取其根(直徑>2 mm)并混合成一個樣品。在每個標準樣地內沿對角線設置3個彼此相距12 m的1 m×1 m的草本樣方，取其根(直徑>2 mm)混合成一個樣品并稱其鮮質量。所有樣品帶回實驗室，置于85 ℃烘箱烘至恒質量，稱其干質量。喬根生物量通過肖俞[14]在這一地區(qū)建立的生物量方程計算得出。由于油松人工林內灌木很少，因此忽略灌木，粗根生物量為喬根、草根生物量之和。

細根生物量：在每個標準樣地內上、中、下部位，采用根鉆法(內徑9 cm),分別采集0～20 cm、20～40 cm的土芯6個，分層混合裝袋，帶回實驗室后揀出直徑≤2 mm的根系，置于85 ℃烘箱烘至恒質量并稱其干質量。

枯落物現存量：收集3個草本樣方內所有的枯落物并帶回實驗室，置于85 ℃烘箱烘至恒質量并稱其干質量。

2.3 土壤樣品采集與測定

在上述3個1 m×1 m的樣方內挖取1 m深的剖面，不足1 m至基巖為止，沿剖面按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，50～100 cm，用環(huán)刀取各個土層的原狀土，帶回實驗室置于105 ℃烘箱烘至恒質量并稱量，計算土壤密度。使用內徑為5.8 cm的土鉆，每層隨機鉆取3鉆土，同一樣地3個1 m×1 m樣方的同一層土樣混合均勻后帶回實驗室，風干磨碎并過0.25 mm篩后裝入塑封袋，分別采用LY/T 1237—1999《森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算》中規(guī)定的重鉻酸鉀硫酸氧化法[15]和半微量開氏法[15]測其有機碳、全氮質量分數。

土壤剖面有機碳密度計算公式[16]為

式中：SOC為土壤有機碳密度，mg/hm2;0.1為將土壤有機碳密度單位轉換為mg/hm2的系數；Ci為第i土層土壤有機碳質量分數，g/kg；Di為第i土層土壤密度，g/cm3；Ei為第i土層土壤厚度，cm；Gi為第i土層直徑>2 mm的石礫所占的體積比例，%；k為土壤層數，k=5。因研究區(qū)整個土壤剖面無直徑>2 mm的石礫，所以公式中Gi=0。

2.4 數據處理

運用SPSS18.0軟件，使用單因素方差分析法(one-way ANOVA)對同一林齡不同土層、同一土層不同林齡土壤有機碳質量分數及密度進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。使用協(xié)方差分析法(ANCOVA)對土壤有機碳質量分數和全氮質量分數、土壤密度在各土層的回歸方程差異顯著性進行檢驗(P<0.05)。使用Pearson法對土壤有機碳質量分數和土壤全氮質量分數、土壤密度、粗根生物量、細根生物量、枯落物現存量進行相關性分析。將土壤有機碳質量分數作為因變量，土壤全氮質量分數、土壤密度、粗根生物量、細跟生物量和枯落物現存量為自變量，對其進行逐步回歸分析。使用Sigmaplot 10.0軟件擬合回歸曲線。

3 結果與分析

3.1 油松人工林土壤有機碳質量分數

由表2可知，油松人工林土壤有機碳質量分數在2.802～27.005 g/kg之間。除0～10 cm土層外，33和47年油松人工林各層土壤有機碳質量分數與其他林齡差異顯著。處于幼齡階段的9年油松林的土壤有機碳質量分數最低，其平均值為4.705 g/kg，隨著林齡的增加，9～33年油松林土壤有機碳質量分數逐步增加，33年油松林的土壤有機碳質量分數最高，其平均值為9.220 g/kg。47年油松林處于成熟期，其土壤有機碳質量分數較33年油松林有所下降，平均值為6.470 g/kg，但仍高于9年和23年油松林的土壤有機碳質量分數(分別為4.705 g/kg和5.948 g/kg)。同一林齡各土層土壤有機碳質量分數差異明顯,0～10 cm土壤有機碳質量分數變化范圍在11.373～27.005 g/kg之間，明顯高于其他土層，并且隨著土壤深度的增加，土壤有機碳質量分數逐漸減少，具有明顯的垂直分布特征。

表2 不同林齡油松土壤有機碳質量分數

注:平均值±標準，n=3;同行不同小寫字母表示各土層間差異顯著，同列不同大寫字母表示林齡間差異顯著(P<0.05)。Note: values are represented as mean±SD，n=3; Different small letters in the same row indicated significant difference among different soil layers at 0.05 level and different capital letters in the same column indicated significant difference among different forest ages at 0.05 level.

圖1 同一林齡不同土層土壤有機碳密度(a)和同一土層不同林齡土壤有機碳密度(b)Fig.1 Soil carbon storage in Pinus tabulaeformis plantations in the same age but different layers (a) and in the same layer but different ages (b)

3.2 油松人工林土壤有機碳密度

圖1為同一林齡不同土層土壤有機碳密度和同一土層不同林齡土壤有機碳密度?？梢钥闯?，油松人工林0～100 cm土層土壤有機碳密度隨土層加深均表現為逐漸減小的規(guī)律， 0～30 cm土層有機碳密度占0～100 cm全部有機碳密度的48.5%～57.9%，為土壤有機碳匯的主要層次(圖1(a))。隨著林齡的增大，0～30 cm間各土層土壤有機碳密度在9～33年間增大，33～47年間減小。除0～10 cm土層外， 33年與其他林齡土層間差異顯著，其他林齡各層土壤之間差異不顯著(圖1(b))。30～100 cm間各土層隨林齡的變化沒有明顯規(guī)律。其中，30～50 cm土層33年時的土壤有機碳密度與其他林齡差異顯著，其他林齡間差異不顯著，50～100 cm土層土壤有機碳密度僅33年和23年差異顯著，其他林齡之間差異均不顯著。林齡對土壤有機碳密度影響明顯，9、23、33、47年油松林0～100 cm土壤有機碳密度依次為63.044、66.770、100.730和72.473 mg/hm2。

3.3 油松人工林土壤有機碳質量分數的影響因素

油松人工林土壤有機碳質量分數y和粗根生物量x1的相關性分析和線性擬合結果見圖2(a)，可知，二者之間表現為顯著的線性正相關關系，說明粗根生物量的增加能夠顯著增加土壤有機碳質量分數。相關系數(表3)表明，在0～100 cm土層，隨著土壤深度增加，二者之間相關系數減小，說明粗根對土壤有機碳的影響隨土壤深度的增加而逐漸減弱。

油松人工林土壤有機碳質量分數y和細根生物量x2的相關性分析和線性擬合結果見圖2(b)，可知，二者之間表現為極其顯著的線性正相關關系，說明增加細根生物量有助于土壤有機碳的積累。由相關系數(表3)可以看出，在整個0～100 cm土層，隨著土壤深度增加，二者之間相關系數減小，土壤有機碳質量分數和細根生物量在50～100 cm土層不相關，說明細根生物量對表層土壤有機碳影響較大，對深層土壤有機碳幾乎沒有影響。

圖2 土壤有機碳質量分數和粗根生物量(a)、細根生物量(b)關系Fig.2 Relationship between soil organic carbon content and thick root biomass (a) and fine root biomass(b)

表3 土壤有機碳質量分數與各影響因素的相關系數

注：*為在0.05水平上達到顯著;**為在0.01水平上達到顯著。 Note：andrepresent significance at the level ofP=0.05 andP=0.01.

對油松人工林土壤有機碳質量分數y和枯落物現存量x3進行相關性分析和線性擬合，結果見圖3?？芍?，二者之間表現為極其顯著的線性正相關關系。由相關系數(表3)可以看出，隨著土層深度增加，二者之間相關系數減小，說明枯落物現存量對土壤有機碳質量分數的影響隨著土壤深度的增加而逐漸減弱。油松人工林土壤有機碳質量分數y和土壤全氮質量分數x4的相關性分析和擬合結果見圖4，可知，二者之間表現為極其顯著的線性正相關關系。這說明土壤全氮質量分數的增加能夠顯著增加土壤有機碳質量分數。

圖3 土壤有機碳質量分數和枯落物現存量關系Fig.3 Relationship between soil organic carbon content and litter biomass

油松人工林土壤有機碳質量分數y和土壤密度x5的相關性分析和擬合結果(圖5)顯示，二者之間在土壤各層均表現為極其顯著的線性負相關關系，說明減小土壤密度能夠增加土壤有機碳質量分數。土壤有機碳質量分數和土壤密度在0～100 cm土壤各層的回歸方程斜率(P=0.134)和截距(P=0.000)的顯著性檢驗結果表明，各回歸方程差異不顯著，二者之間的回歸關系在不同土層之間無顯著性差異。

對土壤有機碳質量分數y和粗根生物量x1、細根生物量x2、枯落物現存量x3、土壤全氮質量分數x4、土壤密度x5進行逐步回歸分析，得到y(tǒng)=0.372+1.322x3+7.149x4，R2=0.983，P=0.000。R2=0.983表明土壤有機碳質量分數變化中98.3%可以用該線性回歸方程來解釋。土壤全氮質量分數和枯落物現存量是土壤有機碳質量分數最主要的影響因素。

圖4 土壤有機碳質量分數和土壤全氮關系Fig.4 Relationship between soil organic carbon content and total soil nitrogen

圖5 各層土壤有機碳質量分數和土壤密度關系Fig.5 Relationship between soil organic carbon content and soil particle density

4 結論與討論

1)黃土丘陵區(qū)油松人工林地中，幼齡油松人工林地土壤的固碳效益最差，近熟油松人工林地土壤的固碳效益最好，且隨著油松人工林進入成熟期，其土壤固碳能力會有所減小。

2)黃土丘陵區(qū)油松人工林地中，表層土壤是土壤有機碳的主要貢獻者，相比深層土壤具有更好的固碳效益。

3)枯落物現存量、土壤全氮質量分數、粗根生物量、細根生物量的增加以及土壤密度的減小均有助于黃土丘陵區(qū)人工油松林地土壤有機碳的積累，其中表層土壤的固碳效益受以上因素的影響相比深層土壤要大的多。

有研究[17-18]表明，深層土壤有機碳在整個土體中占有很大比例。本研究以0～100 cm土層估算土壤有機碳密度，可能低估了黃土丘陵區(qū)油松人工林土壤有機碳密度，因此今后的研究中深層土壤有機碳不可忽略。此外，本研究以黃土丘陵區(qū)9、23、33、47年油松人工林為研究對象，而不是同一林型的不同發(fā)展階段，具有一定局限性。

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(責任編輯：宋如華)

Characteristics of soil carbon sequestration inPinustabulaeformisplantations and influencing factors in the Loess Hilly Region

Song Chao1,2, Chen Yunming1,3, Cao Yang1,3, Tang Yakun1,3, Lu Yuan3,4

(1.Institue of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi，China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China; 3.State Key Laboratory of Soil and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest Agriculture and Forestry University, 712100，Yangling, Shaanxi，China; 4.College of Forestry, Northwest Agriculture and Forestry University, 712100，Yangling, Shaanxi，China)

We analyzed the content and density of soil organic carbon along a chronosequence ofPinustabulaeformisplantations (9, 23, 33 and 47 years old) in the Loess Hilly Region, and explored the relationships between soil organic carbon content and main factors affecting it, i.e., total nitrogen, soil particle density, root biomass and litter biomass. The results showed that the average contents of soil organic carbon were 4.9, 5.9, 9.2 and 6.5 g/kg，and the densities of soil organic carbon were 63.0, 66.8, 100.7 and 72.5 mg/hm2, for 9-, 23-, 33- and 47-year-old plantations, respectively. Both the content and density of soil organic carbon increased first (9-33 years) and then decreased (33-47 years) over stand age. In addition, the content and density of soil organic carbon decreased gradually as soil depth increased. The density of organic carbon in surface soil layer (0-30 cm) accounted for 48.5%-57.9% of that of the entire observed soil layer. 2) The soil organic carbon content had a significantly positive correlation with total soil nitrogen, root biomass and litter biomass. However, there was a significantly negative relation between soil organic carbon and soil particle density. The correlation coefficients between soil organic carbon content and root biomass and litter biomass decreased gradually with soil depth increasing. The result of stepwise regression indicated that total soil nitrogen and litter biomass were the main factors affecting soil organic carbon content.

Pinustabulaeformisplantations; soil organic carbon content; soil organic carbon density; influencing factors; the Loess Hilly Region

2014-08-05

2015-03-21

項目名稱： 中國科學院先導專項“中國科學院暖溫帶落葉闊葉混交林區(qū)域陜西省森林固碳現狀、速率和潛力研究” (XDA05050203-05) ；國家自然科學基金“黃土丘陵區(qū)森林植物—凋落物—土壤化學計量特征耦合關系及對非生物環(huán)境因子的響應”(41371506)；中國科學院西部之光項目“黃土高原人工林土壤養(yǎng)分平衡與生產力維持機制”(K301021304)。

宋超(1991—)，男，碩士研究生。主要研究方向：植被與水土保持。E-mail:chaosxcz8866@163.com

?通信作者簡介： 陳云明(1967—)，男，博士，研究員。主要研究方向：生態(tài)恢復與水文。E-mail: ymchen@ms.iswc.ac.cn

S714.5

A

1672-3007(2015)03-0076-07