尹海龍，張乃暄，許中旗

(1 河北省塞罕壩機械林場，河北 圍場 068466；2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要碳庫，在降低大氣二氧化碳濃度，緩解溫室效應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫包括3大組成部分，即生物碳庫、凋落物碳庫和土壤碳庫，其中森林土壤碳庫所占比重最大，高緯度地區(qū)的北方森林中，土壤碳儲量可占森林總碳儲量的84%[3]。有關(guān)森林土壤有機碳的研究日益受到人們重視，眾多學(xué)者從不同植被類型、不同空間尺度、不同地形地貌、不同坡面、養(yǎng)分與凋落物輸入等角度展開了對土壤有機碳儲量以及空間分布規(guī)律的研究[4-9]。多數(shù)研究表明，由于地形、土壤性質(zhì)、植被覆蓋等多方面因素，土壤有機碳空間上存在著強烈或中等程度空間自相關(guān)性，且土壤有機碳儲量具有表聚效應(yīng)，受土壤侵蝕作用及放牧等人為活動干擾[7]。森林中土壤有機碳的主要來源為外來有機物的輸入、分解和轉(zhuǎn)化。林分類型不同，其輸入土壤的枯落物以及根系分泌物也不同[10]。相同林分類型條件下，土壤有機碳也可能因海拔、氣候等因素所導(dǎo)致的立地條件不同而有所差異。塞罕壩地區(qū)分布有大面積的人工林，對華北平原地區(qū)起著重要的生態(tài)屏障作用。一方面，在氣候變化的背景下，冀北高海拔地區(qū)土壤有機質(zhì)分解速率可能發(fā)生改變，影響土壤有機碳儲量和土壤溫室氣體的排放[11]；另一方面，枯落物輸入作為土壤有機碳的最主要來源，受土壤凍融的影響強烈，而冀北壩上地區(qū)冬季氣候寒冷，廣泛存在土壤凍融現(xiàn)象，與壩下地區(qū)存在差異[12-13]。據(jù)此，本研究以塞罕壩地區(qū)典型人工林類型，華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)為研究對象，調(diào)查其土壤碳匯能力，對比壩上及壩下地區(qū)差異，探究同種林分類型條件下不同齡組不同區(qū)位對土壤有機碳含量和密度的影響，為該地區(qū)華北落葉松林碳匯功能的定量評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處冀北山地及蒙古高原交匯地帶，地勢分為壩上、壩下2部分，壩上以丘陵、曼甸為主，壩下為山地地形。研究地點為冀北壩上地區(qū)的塞罕壩機械林場千層板分場，以及處于壩下地區(qū)的木蘭圍場國有林場的孟灤林場。

塞罕壩機械林場位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣最北部，地理位置E 116°51′～117°39′，N 42°02′～42°36′，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春秋兩季短暫而干燥，冬季漫長而寒冷。年均氣溫-1.3 ℃，極端最高、最低氣溫分別為33.4 ℃和-43.3 ℃。年均日照時數(shù)2 368 h，年均無霜期64 d。年均降水量460 mm，其中6-8月占據(jù)68%，年平均降水天數(shù)134 d，積雪長達7個月。年平均蒸發(fā)量1 339.2 mm。多風(fēng)沙天氣，年平均大風(fēng)天氣53 d左右。土壤類型主要為灰色森林土、山地棕壤和風(fēng)沙土[14]。

孟灤林場位于燕山山脈西北部。地理位置E 116°32′～118°14′、N 41°35′～42°40′，海拔為700～2 000 m西北高，東南低;屬于半濕潤半干旱過渡地區(qū)，冬季酷寒干燥，夏季涼爽，春秋兩季多風(fēng)沙，年均降水445 mm，年均溫3.3 ℃，且雨熱同期；年均氣溫-1.3 ℃，極端最低氣溫-43.3 ℃，極端最高氣溫33.4 ℃，降水多集中在7、8月[15]。華北落葉松為2個林場的主要造林樹種。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查及室內(nèi)分析方法

在塞罕壩機械林場的千層板林場和木蘭圍場國有林場的孟灤林場分別選擇18年和40年生的華北落葉松人工林，設(shè)置調(diào)查樣地。每個樹齡分別在壩上和壩下設(shè)置3個20 m×20 m的調(diào)查樣地。在調(diào)查樣地內(nèi)，挖取土壤剖面，分別在0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 4個土層進行分層取樣。每個樣地內(nèi)做3個剖面，對同一層的土進行混合，用四分法保留1.5 kg，用于土壤分析。同時，在每層用取環(huán)刀測定土壤容重。所有樣品的有機碳含量均采用重鉻酸鉀容量法測定。

2.2 土壤有機碳密度計算

某土層i的土壤有機碳密度(SOCi，kg/cm2)計算公式為[16-17]：

SOCi=CiDiEi(1-Gi)/100

(1)

式中Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg)；Di為第i層土壤土壤體積質(zhì)量(g/cm3)；Ei為第i層土壤土層厚度(cm)；Gi為直徑大于2 mm的石礫所占的體積分數(shù)(%)。

一定剖面深度的SOC計算公式為：

(2)

式中n為土壤層數(shù)，Ci、Di、Ei和Gi同上式。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和做圖，使用SPSS Statistics 23進行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 壩上與壩下華北落葉松土壤有機碳含量的比較

不同地區(qū)相同年齡華北落葉松土壤有機碳含量的比較見圖1。

圖1 不同地區(qū)相同年齡華北落葉松林土壤有機碳含量的比較Figure 1 Comparison of SOC content of Larix principis-rupprechtii forest with the same age in different regions注：圖中字母不同表示壩上與壩下在α=0.05的水平上存在明顯差異。

由圖1可知，壩上和壩下地區(qū)華北落葉松人工林土壤有機碳含量(SOC)有顯著差異。18年生華北落葉松林土壤有機碳含量在不同層次表現(xiàn)出不同的差異，0～10 cm和10～20 cm壩下明顯高于壩上，分別為76.64 g/kg、41.50 g/kg和31.81 g/kg、29.25 g/kg，且0～10 cm達到顯著差異，20～40 cm二者相差不大，分別為18.13 g/kg和18.55 g/kg，40～60 cm壩上稍高于壩下，分別為13.50 g/kg和7.04 g/kg。而對于40年生的華北落葉松林來說，在各個土層上均為壩下高于壩上，壩下則分別為63.46 g/kg、52.64 g/kg、42.58 g/kg、32.52 g/kg，壩上則分別為46.22 g/kg、35.43 g/kg、28.44 g/kg、23.04 g/kg，前者為后者的1.37倍、1.49倍、1.50倍、1.41倍，前3土層均達到顯著差異。以上結(jié)果說明，壩下地區(qū)華北落葉松林土壤有機碳含量高于壩上地區(qū)，同時其差異隨土層深度的不同而有所不同。

同時，由圖1可以看出，除壩下18年生華北落葉松林0～10 cm土層的土壤含碳量明顯較高之外，40年生華北落葉松林的各個土層的有機碳含量均明顯高于18年生。說明，隨著林分年齡的增加，華北落葉松林的土壤碳含量有增加的趨勢。

3.2 壩上與壩下華北落葉松土壤有機碳密度的比較

不同地區(qū)相同年齡華北落葉松SOC密度比較見表1。

表1 不同地區(qū)相同年齡華北落葉松林SOC密度的比較Table1 Comparison of SOC density of Larix principis-rupprechtii forest of the same age in different regions

由表1可知，壩上與壩下華北落葉松林碳密度在不同年齡上表現(xiàn)出不同的變化特征。壩上地區(qū)18年生華北落葉松林土壤0～60 cm的碳密度為15.66 kg/m2，壩下為13.37 kg/m2，二者未表現(xiàn)出明顯差異；壩上壩下40年生的碳密度則分別為21.81 kg/m2和27.91 kg/m2，二者表現(xiàn)出明顯差異。從各個層次來看，壩上地區(qū)18年生華北落葉松林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有機碳的密度分別為3.55 kg/m2、3.57 kg/m2、4.84 kg/m2、3.70 kg/m2，壩下則分別為4.33 kg/m2、3.50 kg/m2、3.89 kg/m2、1.64 kg/m2；壩上40年生華北落葉松土壤有機碳密度分別為4.75 kg/m2、4.04 kg/m2、6.91 kg/m2、6.12 kg/cm2，壩下則分別為5.84 kg/m2、4.68 kg/m2、9.20 kg/m2、8.19 kg/m2。以上結(jié)果說明，年齡較小的華北落葉松林的土壤碳密度較為接近，未表現(xiàn)出明顯差異，但隨年齡的增加，其差異逐漸增大。同時，總體上年齡較大的華北落葉松林具有更大的碳密度，土壤貯存的碳量更大。

3.3 華北落葉松土壤有機碳的垂直分布特征

由表1可知，壩上壩下各年齡華北落葉松林土壤有機碳均集中分布于表層，深層土壤所占比例較小。各華北落葉松林土壤0～20 cm深土壤中有機碳貯量占到了0～60 cm總量的38%～58%，而40～60 cm只占總量的12%～29%。說明土壤有機碳主要集中于淺層土壤。

不同地區(qū)華北落葉松林木土壤有機碳含量與土壤深度的關(guān)系見圖2。

圖2 不同地區(qū)華北落葉松林土壤有機碳含量與土壤深度的關(guān)系Figure 2 Relationship between SOC content and soil depth in Larix principis-rupprechtii forest in different regions

同時，由圖2可知，壩上壩下華北落葉松林土壤有機碳含量均隨著土壤深度的增加而減小趨勢，但2個地區(qū)減小的趨勢不同。壩下18年生華北落葉松林土壤有機碳的擬合直線的斜率為-1.48，壩上為-0.43，壩下40年生華北落葉松林土壤有機碳擬合直線的斜率為-0.66，壩上則為-0.48。由以上結(jié)果可知，壩下地區(qū)土壤有機碳隨土層深度的增加而下降的趨勢更為明顯，土壤有機碳表聚效應(yīng)更為明顯。

4 討論

壩上壩下華北落葉松土壤有機碳含量存在顯著差異，總體上，壩下土壤有機碳含量明顯高于壩上地區(qū)。從壩上壩下的氣候差異來看，壩上氣候更為寒冷，應(yīng)該更有利于土壤有機碳的保存與積累，其原因在于，隨海拔的升高，年均溫逐漸下降，土壤有機質(zhì)的分解速率下降，導(dǎo)致土壤有機碳含量增加[18-19]。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)，壩下華北落葉松林的土壤有機碳含量更高。其原因主要在于，壩上地區(qū)的華北落葉松人工林均為20世紀60年代之后營造，且造林之前均為退化的沙地，較為貧瘠，有機質(zhì)含量較低，林分存在的時間相對較短，土壤有機質(zhì)的積累時間也相對較短，所以土壤有機碳含量相對較低；而壩下地區(qū)華北落葉松林造林前未經(jīng)過如壩上地區(qū)一樣的土壤退化過程，同時，壩下地區(qū)土壤為山地土壤，其沙化程度較低，利于有機碳的保存。

同時本研究發(fā)現(xiàn)，壩上與壩下地區(qū)土壤有機碳含量都以淺層土壤較高，這與許多結(jié)果研究一致[20-22]。土壤有機碳一方面來自于林下地表凋落物的分解，另一方面來自于植物死亡的根系，其根系主要集中在0～50 cm，以上原因?qū)е峦寥烙袡C質(zhì)主要集中于淺層土壤[23]。同時，華北落葉松根系在近地表土層的分布集中程度更為明顯，其生物量主要分布于淺層土壤(0～20 cm)，淺根性更加明顯[24-25]。同時本研究也發(fā)現(xiàn)，壩上與壩下地區(qū)的土壤有機碳含量隨深度變化的趨勢不同，壩上地區(qū)土壤有機碳隨深度的增加而下降的趨勢較為平緩，而壩下地區(qū)的下降趨勢更為明顯。其原因在于，壩上地區(qū)土壤的沙性更強，有利于土壤水的垂直運動，使得更多的有機碳隨著土壤水淋溶到土壤的深層，而壩下地區(qū)土壤的粘性更強，水分的垂直運動受限，不利于有機碳垂直運動，所以深層土壤的有機碳含量相對較低。

另外，本研究中壩上與壩下2地0～20 cm土壤有機碳密度在7.12～10.52 kg/m2之間，平均為8.56 kg/m2，為我國森林土壤平均碳密度4.24 kg/m2的2倍[26]。這說明該地區(qū)的華北落葉松林土壤的碳截存作用明顯，是一個巨大的碳庫，應(yīng)加強該地區(qū)華北落葉松人工林的科學(xué)經(jīng)營與保護，減少外來干擾對華北落葉松土壤碳庫的影響。

5 結(jié)論

(1)冀北壩下地區(qū)華北落葉松人工林的土壤有機碳含量明顯高于壩上地區(qū)。

(2)冀北壩上及壩下地區(qū)華北落葉松土壤有機碳密度因林分的年齡表現(xiàn)出不同的變化特征，18年生華北落葉松林土壤有機碳密度未表現(xiàn)出明顯差異，40年生華北落葉松林壩下明顯高于壩上地區(qū)。

(3)壩上及壩下地區(qū)華北落葉松人工林土壤有機碳含量對土壤深度的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢，壩上地區(qū)土壤有機碳含量隨土壤深度的增加呈緩慢下降的趨勢，而壩下地區(qū)下降趨勢更為明顯。