宋青珍,白海金,劉 艷,蘇印泉

(1.陜西省延安市橋北林業(yè)局，陜西 富縣 727500；2.天水市麥積區(qū)林業(yè)局，甘肅 天水 741020；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

黃土高原刺槐人工林土壤有機碳動態(tài)研究

宋青珍1,白海金1,劉 艷2,蘇印泉3

(1.陜西省延安市橋北林業(yè)局，陜西 富縣 727500；2.天水市麥積區(qū)林業(yè)局，甘肅 天水 741020；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

為掌握黃土高原刺槐造林后對土壤有機碳儲量的影響，本文以黃土高原刺槐人工林為研究對象，分別對其10 a，26 a和35 a林地土壤有機碳儲量進行了調(diào)查分析。結(jié)果表明，黃土高原刺槐造林顯著改變了有機碳在土層的垂直分布，主要表現(xiàn)為有機碳的表聚現(xiàn)象以及其在10～30 cm土層范圍內(nèi)的顯著減少；造林26a內(nèi)土壤有機碳密度均小于對照荒地，且都會隨著林齡的增大而減小，但在35 a時顯著大于荒地，說明黃土高原刺槐林在造林后期會對土壤有機碳儲量的增長貢獻顯著。

黃土高原；刺槐；人工林；土壤；有機碳

土壤作為大氣CO2的匯或源，是抑制大氣中CO2濃度增加的另一個重要因素，土壤有機碳量動態(tài)平衡不僅直接影響土壤肥力和產(chǎn)量[1]，而且其固存與排放都會對溫室氣體的含量以及全球氣候變化產(chǎn)生重要影響[2-4]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心之一，土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時間最慢的碳庫，而森林土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫，其碳儲量約占全球土壤碳的73%[5]，在全球碳循環(huán)研究中有著重要的作用。

黃土高原地處我國的內(nèi)陸腹地，是世界最大的黃土沉積區(qū)和非常重要的碳庫。植被恢復(fù)被認(rèn)為是黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵措施，而人工林的經(jīng)營可轉(zhuǎn)變土地的利用過程并提高森林覆蓋率，因此人工林在黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中發(fā)揮著極其重要的作用，成為了黃土高原地區(qū)的主要碳庫之一。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對黃土高原的人工林地土壤有機碳進行了相關(guān)研究，但主要集中于同一林齡進行，對于同一人工林不同生長階段林地土壤有機碳的持續(xù)監(jiān)測研究還不多見。本文以黃土高原刺槐人工林為研究對象，對其主要生長階段中的土壤有機碳密度進行了調(diào)查研究，并對其動態(tài)變化規(guī)律進行了深入分析與探討，以期為該地區(qū)預(yù)測刺槐人工林土壤有機碳動態(tài)變化趨勢，并估算其在不同階段的碳匯效益提供依據(jù)和參考。

1 試驗地概況

試驗地位于陜西省延安地區(qū)的黃陵縣境內(nèi)(N 34°45′～39°40′，E 107°28′～111°15′31″)，為典型的黃土溝壑區(qū)，地勢西北高、東南低，略呈傾斜。該流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和。境內(nèi)海拔800～1 500 m，平均海拔1 200 m；年平均氣溫9.4 ℃，≥10℃年積溫為3 320 ℃；年平均降雨量為568.8 mm，5-10月降水量占全年降水量84%；年均日照時數(shù)2 528.4 h，無霜期172 d。區(qū)域內(nèi)主要的造林樹種有刺槐、油松、楊樹和側(cè)柏。

2014年，在研究區(qū)選擇并設(shè)置人工刺槐林調(diào)查樣地共11塊，其中10 a、26 a、35 a人工刺槐林地各3塊，鄰近的對照荒地2塊。刺槐人工林地造林前均為耕地，林地內(nèi)喬木生長良好，林相整齊，人為干擾較小(樣地基本概況詳見表1)。經(jīng)調(diào)查，刺槐人工林地內(nèi)生長的灌草植物主要有：酸棗(Ziziphusjujuba)、懸鉤子(Rubussaxatilis)、細(xì)葉苔草(Carexrigescens)、甘菊(Matricariarecutita)、白蒿(Artimisiaesieversianae)、黃蒿(Artemisiaannua)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)，纈草(Valerianaofficinalis)等；荒地內(nèi)生長的灌草植物主要有：酸棗、懸鉤子、胡枝子(Lespedezaformosa)、地丁草(Corydalisbungeana)、纈草、三芒草(Aristidaadscensionis)、白蒿、細(xì)葉苔草等。

表1 調(diào)查樣地概況

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

2012年7月，分別在各調(diào)查樣地內(nèi)設(shè)置20 m×20 m 的樣方，進行樣地喬木層的相關(guān)調(diào)查；再在該樣方的同一對角線上設(shè)置3個5 m×5 m的樣方，為樣地灌木層調(diào)查范圍；最后在每個5 m×5 m樣方的固定方位設(shè)置一個1 m×1 m的小樣方，進行草本層的調(diào)查。在每個1 m×1 m的草本調(diào)查樣方中心位置，用直徑為9 cm 的管鉆分層取土樣，取土深度為60 cm，測定每層土樣的鮮重，將所取得的土樣混合均勻后，進行土壤取樣，每層取1個土體樣品，每個剖面獲得6個土層調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 樣品分析

2.2.1 土壤層有機碳含量的測定 自然風(fēng)干所采集的土壤樣品，測定其干質(zhì)量后研磨，最后過0.25 mm的篩；得到的土壤樣品干物質(zhì)均采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定其有機碳含量[6]。

2.2.2 土壤層有機碳密度計算[7，8]

SOCD= 0.01×∑Fi×Vi×Di

式中， SOCD為土壤有機碳密度(kg·m-2)，F(xiàn)i、Vi、Di分別為土壤剖面第i層的有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)、土壤容重(g·cm-3)和土層的厚度(cm)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運用SPSS16.0 統(tǒng)計分析程序?qū)φ{(diào)查測得的土壤有機碳數(shù)據(jù)進行處理與分析，用雙因素方差分析(two-factor ANOVA)分別對各樣地土層有機碳進行組間對比分析，用單因素方差分析(ANOVA)法對比分析樣地內(nèi)各土層有機碳，并最小差異顯著法(LSD)檢驗均值間的顯著性。

本研究對24例HCMV肝炎患兒尿樣本進行UL144基因擴增，陽性率為45.8%。同源性分析結(jié)果顯示，UL144核苷酸及氨基酸存在顯著變異；與Toledo株比較，A型和C型氨基酸序列變異性小，同源性分別為98.2%和82.9%；而B型變異性大，同源性為48.8%~49.4%。提示UL144為多變性基因，但其中某些基因型較為保守。

3 結(jié)果與分析

3.1 林齡對土壤有機碳密度的影響

各調(diào)查樣地不同土層有機碳含量測定結(jié)果見表2。樣地土層有機碳含量的雙因素方差分析(two-factors ANOVA)結(jié)果表明，荒地、10 a和26 a人工刺槐林地土壤有機碳含量組間差異不顯著(P>0.05)，而35 a林地其他各樣地有機碳含量組間差異顯著(P<0.05)。

各樣地不同土層有機碳含量的測定結(jié)果顯示(表2)，土層有機碳含量均以表層最高，并隨著土層的深入而減小。運用公式 將樣地各土層有機碳含量轉(zhuǎn)化得到相應(yīng)的有機碳密度：荒地，10 a，26 a和35 a刺槐林地土壤總有機碳密度依次為3.806、3.46、3.341和5.102 kg·m-2。與鄰近荒地做對照，10 a林地土壤有機碳密度減少了9.09%，平均每年減少0.91%；26 a林地減少了12.22%，平均每年減少0.47%；而35a林地土壤有機碳密度增加了34.05%。

表2 各調(diào)查樣地土層有機碳含量

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

一些研究成果認(rèn)為，在土壤表層(<10 cm或<30 cm深度)，林分年齡對土壤碳變化有顯著影響，通常在造林后最初10年(尤其是最初5年)下降，之后土壤碳緩慢地恢復(fù)和積累[9，10]。黃土高原刺槐人工林土壤有機碳密度隨著林齡的變化趨勢表明，黃土高原刺槐造林至少在26年內(nèi)并不能提高土壤的有機碳儲量，且林地土壤有機碳密度會隨著林齡的增大而減小，但這種減小趨勢在造林后隨著林齡的增大而漸趨平緩；在造林35 a時，人工刺槐林土壤有機碳密度顯著高于荒地，與前人研究認(rèn)為黃土高原刺槐在造林初期并不能提高土壤有機碳儲量相符[11～13]。Paul等[14]通過分析整理相關(guān)文獻中造林后土壤碳的變化數(shù)據(jù)得出，造林5年后，土壤碳首先會呈下降趨勢，之后會逐漸增加，約30年后，林地土壤表面30 cm的碳儲量一般都會高于最初的土壤。黃土高原刺槐人造林35a后，林地土壤有機碳密度顯著高于對照荒地，并呈增加的趨勢，與前人研究較為一致，說明刺槐人工林在造林后期會對土壤有機碳儲量的增加做出一定的貢獻。

3.2 造林對土壤有機碳密度垂直分布的影響

對各林齡的土層有機碳數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果表明5組數(shù)據(jù)0～30 cm范圍內(nèi)ANOVA結(jié)果差異顯著(P<0.05)，30～60 cm差異不明顯(P>0.05)(表 2)，刺槐造林顯著改變了林地土壤有機碳的垂直分布結(jié)構(gòu)，林地土層有機碳密度隨著林齡的增加變化明顯(圖1)。

研究表明，樣地土層有機碳具有明顯的表聚現(xiàn)象?；牡嘏c林地有機碳密度均以表層(0～10 cm)最大，并顯著大于其他土層(P<0.05)。與荒地(1.193 kg/m2)做對比，10 a(1.45 kg·m-2)、26 a(1.57 kg·m-2)和35 a(2.11 kg·m-2)林地表層土壤有機碳密度分別增加了21.54%、31.60%和72.42%。在生態(tài)系統(tǒng)中凋落物是影響土壤有機碳積累的重要因素[15][16]，這主要是由于凋落物在地表的積累量與土壤表層有機碳的增加趨勢是一致的，而調(diào)查的人工林內(nèi)地表枯落物的生物量隨著林齡的增大而增加，此外，Arni等[17]的研究認(rèn)為，外界新輸入土壤的有機碳，大部分都會最先在土壤的表層進行分解和周轉(zhuǎn)。因此，刺槐林地表層土壤有機碳含量及碳密度均大于荒地，且在林地生態(tài)系統(tǒng)中隨著林齡的增大而增加。

距地表 10～30 cm深度為土層有機碳顯著減少的層次，相較于荒地，林地在該層的土壤有機碳密度分別減少了41.34%、45.77%、4.02%，這與Vesterdal等[18]的研究成果即土壤碳密度和碳儲量在土層表面5 cm隨林分年齡增加而增加，而在5～25 cm，則隨林齡增加而下降基本相符。有研究結(jié)果表明，人工幼林刺槐根系生物量與土層有機碳密度在土層10～30 cm 范圍內(nèi)呈顯著的負(fù)相關(guān)性[19]，此外，人工幼林和中齡林喬木根系的主要分布范圍，即根系有機碳大量積累的層次也是土層有機碳顯著減少的層次[20]，因此從統(tǒng)計學(xué)的角度上認(rèn)為，刺槐根系在該層吸收水和無機鹽的同時，可能會對土層微環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，進而影響土層有機質(zhì)的分解。

與荒地做對照，各刺槐林地土層30～60 cm 有機碳密度變化不明顯(P>0.05)，說明黃土高原刺槐造林對土壤30～60 cm 深度的土層不會產(chǎn)生顯著影響。這主要是由于林地土壤有機碳主要源于動植物殘體的分解，而刺槐屬于淺根系樹種，因此，下層土壤受外界的影響較小，有機碳密度能夠保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 各樣地土層有機碳密度變化

4 結(jié)論與討論

黃土高原刺槐造林能顯著改變林地土層的有機碳的垂直分布結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在有機碳在土層中的表聚現(xiàn)象以及在造林26 a內(nèi)10～30 cm土層范圍內(nèi)的隨著林齡的增大而顯著減少，但這種減小趨勢會在造林后期逐漸趨于平衡。Janzen等認(rèn)為，植物過程主要是通過改變進入到土壤中的碳的數(shù)量、土壤中的有機碳分解速率等來對有機碳變化產(chǎn)生影響，此外，植被變化后的土壤有機碳最終又會達到一種新的平衡，這種新的平衡使有機碳的含量不會無限制的降低，也不會積累很高[21]，在造林35 a時，10～30 cm 土層內(nèi)有機碳顯著高于荒地，因此，在造林后期林地有機碳密度在該層的變化在某一時間段內(nèi)呈現(xiàn)增加趨勢并在某一階段又會達到新的平衡，但還需做進一步研究與探討。

黃土高原人工刺槐林在造林的后期會對促進林地土壤有機碳儲量的增加。造林前期，若不考慮根系固碳量對土壤總有機碳儲量的貢獻量，刺槐造林并不能提高土壤的有機碳儲量，且會隨著林齡的增大而減小。盡管這種減少速度會隨著林齡的增大而減緩，但至少在造林26 a內(nèi)，林地土壤有機碳密度均小于對照荒地；在造林26 a后，刺槐人工林地有機碳密度開始逐漸積累，并在造林35a時明顯大于荒地，發(fā)揮出其顯著的碳匯能力。

土壤有機碳的積累除受造林樹種和人工林林齡的影響外，還受土壤微生物、地表枯落物層的厚度以及造林前的土地利用狀況等因素的影響，這些因子都將影響都諸如土壤有機質(zhì)的輸入質(zhì)量、時空分布、土壤呼吸等，從而進一步影響到造林后土壤有機碳的儲量[1]。人工林根系是林地土壤有機質(zhì)的來源之一，根系對土壤有機碳的變化有一定的影響[21，22]。一方面林木生長過程中，人工林根系生物量的快速增加改變了林地土壤的微環(huán)境，間接對土壤有機碳的轉(zhuǎn)化與積累產(chǎn)生了影響[12]，使得至少造林26 a以內(nèi)，土壤有機碳密度都隨著林齡的增大而減?。涣硪环矫嬗捎谟袡C物轉(zhuǎn)化成有機碳是一個非常漫長和復(fù)雜的過程，林木生長過程中死亡、脫落的根系會逐步分解，最終在林木生長后期轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C碳積累于林地土層之中。研究表明至少將在造林35 a時土壤的有機碳儲量會得到提高，因此認(rèn)為有機碳的增加除了來源于根系死亡、脫落后分解得到的有機碳，還得益于造林后期土壤中有機碳分解的微環(huán)境逐漸適應(yīng)了喬木根系的存在，逐步恢復(fù)有機碳的分解與積累，但還需在未來黃土高原林地碳匯研究中做更深入的探討。

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Dynamic Variation of Soil Organic Carbon inRobiniapseudoacaciaPlantations of Loess Plateau

SONG Qin-zhen1,BAI Hai-jin1,LIU Yan2,SU Yin-quan3

(1.QiaobeiForestryBureau,Yan'an,Shaanxi727500;2.MaijiDistrictForestryBureau,Tianshui,Gansu741020;3.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100)

The variation of soil organic carbon(SOC) storage after afforestation ofRobiniapseudoacaciaon loess plateau was analyzed by comparing the SOC storage in 10a,26a and 35a plantations.The result showed thatRobiniapseudoacaciahas changed the vertical distribution of SOC in the soil layers obviously,with SOC aggregation in surface and SOC decrease in 10-30cm layer of soil.For 26a plantations,the density of SOC is lower than the wasteland and increases with the age of plantations,whereas the density of SOC of 35a plantation is significantly higher than that of the wasteland,indicating that some time after afforestation ofRobiniapseudoacaciaon loess plateau,SOC storage would increase due to plantations effect.

loess plateau,Robiniapseudoacacia,plantation,soil,organic carbon

2015-01-10 作者簡介：宋青珍(1968-)，女，碩士生，工程師，主要從事森林資源管理等工作。

S718.55+4.2

A 文章編號:1001-2117(2015)02-0009-05