徐貴來, 張洪江*, 呂相海，程金花, 杜士才，李乾坤，魏虎偉，張欣，田香姣

1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2. 中國國際工程咨詢公司，北京 100044；3. 重慶市林業(yè)局，重慶 401147

在陸地生態(tài)系統(tǒng)所有的碳庫中，土壤碳庫最大且其周轉(zhuǎn)時間最慢（王紹強(qiáng)等，2000），它包含有土壤有機(jī)碳庫和土壤無機(jī)碳庫，其中無機(jī)碳比較穩(wěn)定，且其庫存所占比例較小，因此它對碳循環(huán)意義較?。ń鈶楙惖?，2004）。土壤有機(jī)碳在土壤中的作用巨大，它不僅影響著碳循環(huán)，而且它還是陸地生態(tài)系統(tǒng)中地上和地下生物活動營養(yǎng)和能量的重要來源（Wang等，2002）。Eswaran，Sombroke，Sehlesinger根據(jù)不同數(shù)據(jù)估算得到全球土壤碳儲量范圍為 1.22×1012t ~1.576×1012t（H等，1993；W G等，1993；W H等，1982）。在整個陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的有機(jī)碳儲量大約是生長著的植物的 2倍多（WU等，2003），森林生態(tài)系統(tǒng)在有機(jī)碳儲存方面起著尤為重要的作用，陸地中大約有三分之二的有機(jī)碳都儲存在了森林生態(tài)系統(tǒng)中，因此它對全球的碳循環(huán)有著相當(dāng)重要的作用（Hua等，2013）。由于化石燃燒和毀壞森林等原因排放的CO2的30%被陸地生態(tài)系統(tǒng)所吸收，森林具有最大的碳的存儲空間，存儲著893Pg碳（45.7%的陸地碳）這個數(shù)值是大氣中碳數(shù)值的2倍（Fu等，2013）。

目前已有大量對土壤有機(jī)碳儲量影響因子的研究，土地利用方式的不同，方式的改變都會明顯影響到土壤有機(jī)碳儲量的大?。╓U等，2003；楊玉盛等，2007；P和I，1998；孫文義等，2010），周濤等[13]，解憲麗等[14]，孫文義等[12]，李輝等[15]分別研究了氣候，植被，地形，耕作方式等等因素對土壤有機(jī)碳儲量的影響，其結(jié)果表明：隨著這些因子的不同，其土壤有機(jī)碳儲量都會有不同差異的改變（周濤等，2003；解憲麗等，2004；孫文義等，2010；李輝等，2012）。現(xiàn)有的關(guān)于碳儲量的研究在土地利用方式方面研究較多，而對于不同林種的研究較少。

本文對重慶四面山五種人工林（杉木純林、杉木×馬尾松、杉木×馬尾松×木荷、木荷×石櫟×楓香×香樟、木荷×石櫟）的有機(jī)碳儲量進(jìn)行測定，旨在研究重慶四面山不同種人工林的土壤有機(jī)碳儲量特征。

表1 實驗樣地基本情況Table 1 The basic situation of the experimental plots

1 研究區(qū)概況

本研究的研究區(qū)位于重慶四面山，其地理位置為 106°17′~106°31′E，28°31′~28°46′N，海拔高度900~1500 m，地勢南高北低。氣候為中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨量充沛，四季分明且溫暖濕潤。多年平均氣溫為13.7 ℃，一年中，平均氣溫最高月在8月，高達(dá) 31.5 ℃，平均氣溫最低月在 1月，低至－5.5 ℃。多年平均降雨量達(dá)1522.3 mm，日最大降雨量達(dá)160.5 mm，雨季集中，在5~9月，雨季雨量占年降雨量的62.17%。年均日照小時數(shù)為1082.7 h，生長季 5~9月的日照小時數(shù)約為全年日照總時數(shù)的64%。

研究區(qū)內(nèi)林地土壤主要土壤類型為黃棕壤、黃壤。該區(qū)土層厚度一般在10到70 cm之間，植被特征為典型的亞熱帶常綠闊葉林，多為天然次生林，并有少量人工林。主要植被有杉木（cunning hamia lanceolata），石櫟（Lithocarpus glaber），馬尾松（Pinus massoniana），福建柏（Fokienia hodginsii），木荷（Schima superba），香樟（Cinnamomum camphora），楓香（Liguidambar formsana）等，還有約 20多種竹類植物，其中楠竹（Phyllostachys pubescens）為最常見。

2 材料與方法

于2013年6月在研究區(qū)以5 m×5 m網(wǎng)格用土鉆采集土樣，每個樣地設(shè)有 81個采樣點，每個樣地 A、B層各取81個土樣，本研究總計取樣 810個。同時，用GPS記錄每個采樣點的經(jīng)緯度、海拔、坡度、植被類型、坡向等信息。采樣深度為40 cm，按A（0~20 cm），B（20~40 cm），進(jìn)行分層采樣，每個采樣點每層進(jìn)行采樣5次，然后將5次土樣均勻混合，最終從中取出500 g土樣回實驗室分析。將風(fēng)干后土樣研磨混合均勻后過0.25 mm土壤篩，運(yùn)用重鉻酸鉀氧化稀釋熱法進(jìn)行有機(jī)碳測定，多余土樣裝入塑料袋備用。土壤容重采用環(huán)刀法測定，將用環(huán)刀分層取得的土樣帶回實驗室用烘箱在105 ℃烘10 h獲得。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理采用EXCEL2003和SPSS19.0進(jìn)行。

樣地基本情況見表1。

本研究所采用的有機(jī)碳密度SOCi（kg?m-2）公式為（王紹強(qiáng)等，2000；解憲麗等，2004）：

式中：Ci代表第i層土壤有機(jī)碳儲量（%），BDi代表第i層土壤容重（g?cm-3），di代表第i層土壤厚度(cm)，Hi代表第i層土壤中大于2 mm石礫的體積百分比（%）。

若一土壤剖面由N層土壤組成，那么此剖面的有機(jī)碳儲量（T）為：

式中：T代表剖面有機(jī)碳儲量（kg），Ai代表i層土壤中與有機(jī)碳密度一一對應(yīng)的面積，N代表該剖面的土層數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 五種人工林下的土壤容重

土壤容重的大小是表征土壤疏松程度、土壤緊實度、結(jié)構(gòu)性、孔隙度等土壤質(zhì)量指標(biāo)的一個重要參數(shù)（侯曉瑞等，2012）。從圖1分析可知，五種人工林分土壤容重A差異均不顯著，B層土壤中，杉木人工純林與杉木×馬尾松×木荷人工混交林、木荷×石櫟人工混交林差異顯著，其余差異均不顯著。在A、B、C三個土層總平均容重中，最大的為木荷石櫟人工混交林，為0.990 g?cm-3，分別是杉木人工純林的1.122倍和石櫟木荷楓香香樟人工混交林的1.117倍；從A(0 ~ 20 cm) 層土壤來看，各人工林的平均容重依次為：杉木人工純林<杉木馬尾松木荷人工混交林<石櫟木荷楓香香樟人工混交林<杉木馬尾松人工混交林<木荷石櫟人工混交林，其中木荷石櫟人工混交林土壤容重為0.759 g?cm-3，比杉木人工純林大11.49%；在B（20~40 cm）土層深度時，木荷石櫟人工混交林地土壤容重分別比杉木人工純林地的大14.65%；而杉木馬尾松人工混交林與杉木馬尾松木荷人工混交林的土壤容重差異相對較小。五種人工林地土壤層結(jié)構(gòu)良好，在同種人工林地下，隨著土層深度的增加，土壤容重也隨之增加。五種林分土壤容重有如此的分布規(guī)律可能與林地枯落物的質(zhì)與量的不同、土壤質(zhì)地的差異、土壤結(jié)構(gòu)狀況、土壤有機(jī)質(zhì)的差異、以及不同人工林根系對土壤的作用不同和人們對林地的擾動程度不同有關(guān)。

圖1 五種人工林各層土壤容重Fig.1 The Soil bulk density of different layers in five plantations

3.2 五種人工林下A、B層土壤有機(jī)碳含量

林分類型不同，A層土壤有機(jī)碳含量總體差異顯著（p<0.05），具體相互差異顯著性見表格2。對于 0~40 cm土層，五種人工林的平均有碳含量在2.983%到3.640%之間變化。在此五種林分類型中，土壤平均有機(jī)碳含量以杉木人工純林為最高，其次為杉木馬尾松木荷人工混交林，石櫟木荷楓香香樟人工混交林為最小。研究區(qū)內(nèi)的其他四種人工林下土壤有機(jī)碳含量均小于杉木人工純林，這與梁啟鵬等（梁啟鵬等，2010）的研究結(jié)果相悖，這可能與該研究區(qū)針葉林林齡和間伐有關(guān)，間伐使得林下聚集較多的枯落物，加之重慶地區(qū)水分充足使得枯落物腐蝕分解加快，從而保證了有機(jī)碳的輸入有關(guān)。在同一土壤深度層次，林分類型不同，其林下土壤有機(jī)碳含量也存在著明顯的差異。就A層土而言，土壤有機(jī)碳含量最大的為杉木馬尾松木荷人工混交林，為4.209%；其次是杉木人工純林，木荷石櫟楓香香樟人工混交林最小，杉木馬尾松木荷人工混交林下土壤有機(jī)碳含量是木荷石櫟楓香香樟人工混交林的1.29倍；在B層，土壤有機(jī)碳儲量最高的杉木人工純林比土壤有機(jī)碳含量最低的木荷石櫟楓香香樟人工混交林多17.37%，但是，B層土壤有機(jī)碳含量總體差異不顯著（p>0.05）其中除杉木人工純林和木荷×石櫟×楓香×香樟人工混交林差異顯著外，其余相互差異均不顯著。出現(xiàn)不同林地類型總體A層顯著，B層不顯著可能與林地枯落物聚集在表層，土壤微生物在表層活動頻繁有關(guān)。而出現(xiàn)不同林地類型兩兩間有無顯著性差異有無可能是林地的林齡不同、郁閉度不同、海拔不同、坡向因子不同以及人為因素間伐等原因造成的。

表2 不同人工林下土壤有機(jī)碳含量Table 2 The soil organic carbon content in different plantations

在垂直剖面上，五種人工林均差異顯著（p<0.05）, 表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，林下土壤有機(jī)碳含量隨之減小。其變化幅度順序為杉木馬尾松木荷人工混交林(40.28%)>杉木馬尾松人工混交林(31.74%)>杉木人工純林(30.16%)>木荷石櫟人工混交林(22.90%)>石櫟木荷楓香香樟人工混交林(21.36%)。說明杉木馬尾松木荷人工混交林下土壤有機(jī)碳含量隨土層深度變化明顯，反映了杉木馬尾松木荷人工混交林受成土母質(zhì)影響較小，能較好地改良表層土壤。

3.3 不同人工林下的土壤有機(jī)碳儲量

不同人工林下的有機(jī)碳密度與其相應(yīng)的面積的乘積即為其相應(yīng)面積內(nèi)的有機(jī)碳儲量，一般情況，我們計算碳儲量時均采用1 m土層深度作為計算標(biāo)準(zhǔn)，但是由于各地區(qū)土壤的發(fā)育程度的不同，許多地方土層深度達(dá)不到1 m，因此估算時需要根據(jù)實際調(diào)查情況為準(zhǔn)。有研究表明：土壤40 cm層所儲存的有機(jī)碳量大約是土壤層中有機(jī)碳的 71%（WU等，2003），所以本研究估算土壤碳儲量時僅計算40cm土層的碳儲量。

由表格3可知，五種人工林相同面積下土壤有機(jī)碳儲量差別不大，A層土壤有機(jī)碳儲量總體差異性顯著（p<0.05），B層總體差異性不顯著(p>0.05)，這基本與土壤有機(jī)碳儲量規(guī)律一致。各土層在7.18 t到9.31 t之間變化。其中，杉木人工純林A、B層的碳儲量分別是木荷石櫟楓香香樟人工混交林的1.24、1.11倍。在0~40 cm土層中，五種人工林總有機(jī)碳儲量為81.14 t，不同種人工林下土壤總有機(jī)碳儲量的大小順序為：杉木人工純林(16.97 t)>杉木馬尾松人工混交林(16.63 t)>杉木馬尾松木荷人工混交林(16.57 t)>木荷石櫟人工混交林(16.52 t)>石櫟木荷楓香香樟人工混交林(15.45 t)。杉木人工純林有機(jī)碳儲量最高，櫟木荷楓香香樟人工混交林最低，這可能與林齡及間伐有關(guān)。此研究中人工針闊混交林較闊葉人工林具有較大的有機(jī)碳儲量，說明營造針葉人工林在緩解大氣中CO2的升高發(fā)揮著更為積極的作用。

在垂直剖面上，此五種人工林有機(jī)碳儲量均差異顯著(p<0.05)，表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的規(guī)律，B層土壤有機(jī)碳儲量約占A層的百分比為 77.98%～97.84%，平均值為 90.38%，總體差別不大。分析表格3可知，不同林種類型、同一土層深度或是不同土層深度、同一林種類型其有機(jī)碳儲量變異系數(shù)大小均不一樣，這說明此五種林地土壤普遍存在空間異質(zhì)性且其異質(zhì)程度不一樣。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）五種人工林分土壤容重A差異均不顯著，B層土壤中，杉木人工純林與杉木×馬尾松×木荷人工混交林、木荷×石櫟人工混交林差異顯著，其余差異均不顯著。在A、B、C三個土層總平均容重中，最大的為木荷石櫟人工混交林，為0.990 g?cm-3，分別是杉木人工純林的1.122倍和石櫟木荷楓香香樟人工混交林的1.117倍；五種人工林地土壤層結(jié)構(gòu)良好，在同種人工林地下，隨著土層深度的增加，土壤容重也隨之增加。

（2）林分類型不同，A層土壤有機(jī)碳含量總體差異顯著（p<0.05）。對于0~40 cm土層，五種人工林的平均有碳含量在2.983%到3.640%之間變化。在此五種林分類型中，土壤平均有機(jī)碳含量以杉木人工純林為最高，其次為杉木馬尾松木荷人工混交林，石櫟木荷楓香香樟人工混交林為最小。但是，B層土壤有機(jī)碳含量總體差異不顯著（p>0.05）其中除杉木人工純林和木荷×石櫟×楓香×香樟人工混交林差異顯著外，其余相互差異均不顯著。在垂直剖面上，五種人工林均差異顯著（p<0.05），表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，林下土壤有機(jī)碳含量隨之減小，體現(xiàn)出土壤有機(jī)碳含量在此五種人工林地的表聚作用。

（3）五種人工林相同面積下土壤有機(jī)碳儲量差別不大，A層土壤有機(jī)碳儲量總體差異性顯著（p<0.05），B層總體差異性不顯著(p>0.05)，這基本與土壤有機(jī)碳儲量規(guī)律一致。各土層在7.18 t到9.31 t之間變化。在垂直剖面上，此五種人工林有機(jī)碳儲量均差異顯著(p<0.05)，表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的規(guī)律。不同林種類型、同一土層深度或是不同土層深度、同一林種類型其有機(jī)碳儲量變異系數(shù)大小均不一樣，這說明此五種林地土壤普遍存在空間異質(zhì)性且其異質(zhì)程度不一樣。

4.2 討論

分析表格3可知，研究區(qū)的五種人工林0~40 cm平均有機(jī)碳密度為10.14 kg?m-2，這個結(jié)果比林培松等（林培松和高全洲，2009）、Fu等（Fu等，2013）研究的相似氣候地區(qū)的 0~40 cm土壤有機(jī)碳密度(分別為 7.78 kg?m-2和 7.86 kg?m-2) 要高，這可能與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)，有關(guān)于闊葉林研究表明：水分和熱量會限制土壤儲存碳的能力，進(jìn)而影響土壤碳儲量的大小（蟻偉民等，1994）。本研究區(qū)在中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，雖然全年水分充足，熱量豐富，但是無論是從水分還是熱量來講均沒有林培松、Weijun Fu等研究的研究區(qū)高，這使得其有機(jī)物質(zhì)的代謝相對較慢，相比之下更有利于有機(jī)碳的積累。除此之外，研究區(qū)特殊的土壤、地形、植被情況及其各種物理化學(xué)因子和本研究與其他研究在方法上的差異也可能造成本研究區(qū)的有機(jī)碳儲量與其他研究區(qū)的有機(jī)碳儲量存在差異。

表3 不同人工林下土壤有機(jī)碳儲量Table 3 The soil organic carbon storage in different plantaions

就A土層而言，本研究區(qū)五種人工林平均有機(jī)碳密度為5.34 kg?m-2，比黃雪夏等研究的重慶市土壤有機(jī)碳密度3.11 kg?m-2（黃雪夏等，2005），解憲麗等研究的全國森林土壤有機(jī)碳密度 4.24 kg?m-2（解憲麗等，2004），全國土壤有機(jī)碳密度2.67 kg?m-2等都要高，且分別比它們多出 71.70%，25.94%，100%。這可能與研究區(qū)林下枯落物較多、水分充足、有機(jī)質(zhì)大多集中在表層等有關(guān)，也從側(cè)面反映出構(gòu)建人工林可以較好地增加土壤有機(jī)碳儲量，緩解大氣中CO2濃度，改善生態(tài)環(huán)境。

ESWARAN H, VANDENB E, REIEH P. Organic carbon in soil of the world[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57: 193-194.

FEARNSIDE P, BARBOSA I. Soil carbon changes from conversion of forest to pasture in Brazilian Amazonia[J]. Forest Ecology and Management. 1998, 108(1-2): 147-166.

HAIBIN WU, ZHENGTANG GUO, CHANGHUI PENG. Land use induced changes of organic carbon storage in soils of china [J]. Globle Change Biology(2003)9, 305-314.

HaiRen Hua, Chen LinJun, Li Pingheng, et al. Spatial and temporal patterns of carbon storage from 1992 to 2002 in forest ecosystems in Guangdong, Southern China[J]. Plant Soil (2013) 363: 123-138.

Hongqing Wang, Charles A.S. Hall, Joseph D. Cornell and Myrna H.P. Hall.Spatial dependence and the relationship of soil organic carbon and soil moisture in the Luquillo Experimental Forest, Puerto Rico [J] .Landscape Ecology, 2002, 17: 671-684

SEHLESINGER W H. Carbon storage in the calishe of arid soils [J]. A case study from Arizona [J]. soil Science, 1982, 298: 248-255.

SOMBROKE W G, Nachtergaele F O, Hebel A. 鮑顯誠譯.熱帶和亞熱帶土壤中碳的含量、動態(tài)及貯存[J]. 人類環(huán)境雜志, 1993, 22(7):418-426.

Weijun Fu, Peikun Jiang, Keli Zhao, et al. The carbon storage in moso bamboo plantation and its spatial variation in Anji County of southeastern China [J]. Soil Sendiment, 2013, doi:10.1007/s11368-013-0665-7 (SCI).

侯曉瑞, 薛志婧, 程曼, 等. 黃土丘陵區(qū)紙坊溝小流域土壤有機(jī)碳儲量研究[J]. 水土保持通報, 2012, 32(2): 21-25.

黃雪夏, 倪九派, 高 明, 等. 重慶市土壤有機(jī)碳庫的估算及其空間分布特征[J ] . 水土保持學(xué)報, 2005, 19(1): 54-58.

解憲麗, 孫 波, 周慧珍, 等. 不同植被下中國土壤有機(jī)碳的儲量與影響因子[J]. 土壤學(xué)報, 2004, 41(5): 687-697.

解憲麗, 孫 波, 周慧珍, 等. 中國土壤有機(jī)碳密度和儲量的估算與空間分布分析[J]. 土壤學(xué)報, 2004, 41(1); 35-37.

李輝, 張軍科, 江長勝, 等. 耕作方式對紫色水稻土有機(jī)碳和微生物生物量碳的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(1): 247-253.

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. 2010, 19(4): 889-893

林培松, 高全洲. 粵東北山區(qū)幾種森林土壤有機(jī)碳儲量及其垂直分配特征[J]. 水土保持學(xué)報, 2009, 23(5): 243-247.

孫文義, 郭勝利, 宋小燕. 地形和土地利用對黃土丘陵溝壑區(qū)表層土壤有機(jī)碳空間分布影響[J]. 自然資源學(xué)報, 2010, 25(3): 443-450.

王紹強(qiáng), 周成虎, 李克讓, 等. 中國土壤有機(jī)碳庫及空間分布特征分析[J]. 地理學(xué)報, 2000, 55(5): 533.

楊玉盛, 謝錦升, 盛浩, 等. 中亞熱帶山區(qū)土地利用變化對土壤有機(jī)碳儲量和質(zhì)量的影響[J]. 地理學(xué)報, 2007, 62(11): 1123-1129.

蟻偉民, 丁明懋, 張祝平, 等. 鼎湖山黃果厚殼桂群落的凋落物及其氮素動態(tài)[J ] . 植物生態(tài)學(xué)報, 1994, 18 (3) : 228-234.

周濤, 史培君, 王紹強(qiáng). 氣候變化及人類活動對中國土壤有機(jī)碳儲量的影響[J]. 地理學(xué)報, 2003, 58(5): 727-734.