赤水河下游3种林分类型土壤有机碳含量及影响因素分析

摘要：对贵州赤水河下游杉木[Cunninghamia Lanceolata （Lamb.） var]林、马尾松[Pinus massoniana （Lamb.） Hook]林及竹[Phyllostachys edulis（Carr.） H. Delehaie]林土壤有机碳、碳密度及其垂直分配特征进行了研究，并探讨了土壤养分对其影响。结果表明，3种林分类型0～80 cm剖面土壤有机碳平均含量为竹林（15.46 g/kg）﹥杉木林（13.78 g/kg）﹥马尾松林（9.72 g/kg），差异显著；有机碳密度为杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥马尾松林（8.21 kg/m2），差异极显著；3种林分类型土壤有机碳含量和碳密度均随土层深度增加而逐渐降低，有机碳含量均为0～10 cm层最大，分别是剖面有机碳含量均值的1.47～2.30倍，而0～20 cm土壤碳密度分别占剖面碳密度的31.71%～47.83%，显著高于其他各层，土壤有机碳和碳密度均具较强的表聚性，应加强生态环境保护，避免人为活动和减少水土流失；杉木林和毛竹林影响土壤有机碳含量的主导因子为水解氮，而马尾松林为有效磷。

关键词：林分类型；土壤有机碳；土壤碳密度；土壤养分

中图分类号：S714.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）23-5741-05

CO2在大气层中的积累引起了全球变暖、降水格局改变和海平面上升等全球性问题的发生，威胁着全球生态环境和人类自身生存与发展，因而引起国际社会普遍关注[1]。森林生态系统是陆地生态系统中最重要的碳库，在维护区域生态环境和全球碳平衡方面起着极其重要的作用[2，3]。森林土壤碳约占全球土壤有机碳库的73%[3-5]，森林土壤有机碳库贮量的微小变化都可显著地引起大气CO2浓度的改变[5]，是全球碳循环研究极其重要的部分。因此，在全球气候变化背景下，森林土壤有机碳库研究已成为全球碳循环研究的重点之一。虽然在黔中喀斯特地区[6]和贵州西部地区[7]已有过不同森林类型土壤有机碳的相关研究报道，但由于森林土壤有机碳库受植被类型、气候和土壤等因素的影响具有较高的变异性，而赤水河下游地区森林土壤有机碳的研究几乎是空白，给该区森林土壤碳储量估算造成了一定难度。为此，本研究对赤水河下游杉木[Cunninghamia lanceolata （Lamb.） Hook]林、马尾松[Pinus massoniana（Lamb.） var]林和毛竹[Phyllostachys edulis（Carr.）H. Delehaie]林3种主要林分类型土壤有机碳、碳密度及其垂直分配特征进行了研究，并探讨了土壤养分对其的影响，以期为掌握该区森林土壤有机碳的存储情况，为区域性森林土壤碳库估算及应对气候变化下的森林经营提供科学依据。

1 研究地概况

研究地位于贵州省赤水河下游的楠竹林场，北纬28°27′，东经105°58′。最高处海拔1 730 m，最低处221 m。土壤以紫色土为主。属中亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，水热同季，冬暖春早，夏季炎热多伏旱，全年日照少，初夏晚秋多阴雨，立体气候和地区差异显著的气候特点。年平均气温18 ℃（最高41 ℃，最低-2 ℃）。年均降雨量为1 268.8 mm，年均相对湿度82%，年日照时间1 297.7 h；无霜期300～340 d，并随海拔上升而递减，800 m以下地区无霜期300 d，800 m以上地区无霜期210～300 d。其森林植被主要有杉木林、马尾松林、毛竹林、常绿阔叶林等。

2 材料与方法

2.1 样地设置及样品采集

2008年9-10月在赤水河下游的楠竹林场选择相似立地条件的具有代表性的杉木林、马尾松林和竹林3种林分类型，各设置样地3个，样地规格为30 m×30 m。分别对样地进行每木检尺，调查密度、郁闭度、树高、胸径、枝下高和冠幅等因子，并对样地的坡度、坡位、坡向、土壤和岩性等基本情况进行记录（表1）。

在每个样地内按S形挖取3个土壤剖面，将每个剖面分为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，分别在每层内采集1个土壤环刀和1袋500 g土壤样品。用环刀法测定土壤容重，土壤样品经自然风干后，磨碎过2 mm筛，采用重铬酸钾-外加热容重法测定有机碳含量。土壤养分含量测定按《森林土壤分析方法》[8]进行。

2.2 土壤有机碳密度的计算

3种林分类型土壤有机碳含量随土层间的垂直变化分析发现，杉木林和马尾松林0～10 cm土层与10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm各土层之间有机碳含量均存在极显著差异（P

3.2 3种林分类型土壤碳密度及其剖面分布

土壤碳密度已成为评价和衡量土壤有机碳储量的一个极其重要的指标[9，13]，其大小主要取决于土壤有机碳含量和土壤容重2个重要参数。由表2可知，杉木林、马尾松林和竹林3种林分类型土壤有机碳密度分别为2.18～4.81 kg/m2、1.05～3.93 kg/m2和2.24～3.75 kg/m2，0～80 cm土壤碳密度为杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥马尾松林（8.21 kg/m2），不同林分类型间差异均极显著（P

3种林分类型土壤有机碳密度沿土壤剖面垂直分布均随着土壤深度增加而降低，但降低幅度不同。这主要是由于不同林分类型土壤有机碳和土壤容重在剖面上的垂直分布不同。3种林分类型均以0～20 cm土壤有机碳密度最大，介于3.75～4.81 kg/m2之间，与20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土壤有机碳密度差异均极显著（P0.05）；而杉木林土壤碳密度在20～40 cm与40～60 cm土层间差异不显著（P>0.05），40～60 cm与60～80 cm土层间差异显著（P

3.3 3种林分类型土壤养分状况

3种林分类型土壤的全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾0～80 cm剖面平均含量分别为1.25～2.01 g/kg、95.67～112.52 mg/kg、0.24～0.29 g/kg、1.11～1.17 mg/kg、8.44～8.91 g/kg和32.42～41.46 mg/kg（表3），全氮、全磷、全钾含量均表现为竹林>杉木林>马尾松林，水解氮含量表现为竹林>马尾松林>杉木林，有效磷含量表现为马尾松林>竹林>杉木林，速效钾含量表现为杉木林>马尾松林>竹林，说明森林的结构、组成等影响林地土壤的养分含量。方差分析表明3种林分类型除全氮和速效钾含量在0～80 cm剖面平均值存在极显著差异（P0.05），说明该区林分类型对土壤全氮和速效钾含量的影响较大。根据《森林土壤分析方法》[8]，3种林分类型土壤各指标都处于较低的水平，特别是有效磷和速效钾含量尤为明显。除全钾和速效钾含量随土壤深度的变化无明显规律外，其他养分含量均随土壤深度增加而降低。

3.4 3种林分类型土壤有机碳与土壤养分的关系

土壤理化特性在局部范围内都会影响土壤有机碳含量。对土壤有机碳含量与土壤pH和养分之间的相关性分析表明，土壤有机碳含量与pH均表现为负相关，马尾松林和竹林表现出显著或极显著的相关性，而杉木林相关性不显著；3种森林类型土壤有机碳含量与土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷均表现为极显著的正相关，而与全钾、速效钾的相关性不尽一致（表4）。说明土壤有机碳水平受诸多因素影响。

为了深入分析3种林分类型各土壤因子对土壤有机碳含量的影响，以杉木林土壤有机碳含量（y1）、马尾松林土壤有机碳含量（y2）和竹林土壤有机碳含量（y3）为因变量，土壤pH（x1）、全氮含量（x2）、水解氮含量（x3）、全磷含量（x4）、有效磷含量（x5）、全钾含量（x6）、速效钾含量（x7）为自变量，采用逐步剔除法进行多元回归分析（引入因子P

4 小结与讨论

1）3种林分类型0～80 cm剖面土壤有机碳平均含量为竹林（15.46 g/kg）﹥杉木林（13.78 g/kg）﹥马尾松林（9.72 g/kg），且差异显著，说明在相同或相似的立地条件下，森林类型的不同也会影响土壤有机碳含量。3种林分类型0～80 cm剖面土壤有机碳含量与黔中喀斯特地区不同森林类型土壤有机碳含量[6]比较，均小于该区阔叶混交林，但高于该区针阔混交林和灌木林，而与贵州西部不同森林类型土壤有机碳含量[7]比较，远小于该区杉木林、柳杉林、桦木林和华山松林土壤有机碳平均含量。说明加强区域性森林土壤有机碳的研究意义重大。

2）3种林分类型0～80 cm土壤碳密度表现为杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥马尾松林（8.21 kg/m2），不同林分类型间差异均极显著。3种林分类型0～80 cm土壤碳密度与黔中喀斯特地区不同森林类型0～80 cm土壤碳密度[6]比较，均小于该区阔叶混交林，杉木林与竹林高于针阔混交林和灌木林，而马尾松林小于该区针阔混交林和灌木林，而3种林分类型0～80 cm土壤碳密度与贵州西部不同森林类型土壤碳密度[7]比较，均远小于贵州西部杉木林、柳杉林、桦木林和华山松林。而3种林分类型的土壤碳密度与解宪丽等[13]报道的森林土壤碳密度全国平均水平11.59 kg/m2比较，杉木林略高，马尾松林略低，竹林接近，但都远低于周玉荣等[15]报道的我国森林土壤碳密度平均水平19.34 kg/m2。造成不同研究结果之间差异的原因有很多，而主要原因是由于土壤有机碳除了受到地表枯枝落叶、地下微生物和植物根系等的影响外，还受土壤类型，气温、降雨量以及森林的结构、组成等影响，致使土壤有机碳具有很高的空间变异性。另外，土壤容重和石砾含量的差异也对土壤碳密度产生一定程度的影响。

3）3种林分类型土壤有机碳含量及其碳密度在垂直分布上均随土壤深度增加而逐渐降低。一方面说明植被类型影响土壤有机碳的剖面垂直分布，另一方面，由于森林植被土壤有机碳的主要来源多为枯枝落叶，进入土壤的有机物质主要为地表的凋落物，表层有机碳含量高，向下急剧减少。3种林分类型0～10 cm土壤有机碳含量介于22.38～24.81 g/kg之间，显著高于其他各层，分别是剖面有机碳含量均值的1.80～2.30倍，而0～20 cm土壤碳密度在3.75～4.81 kg/m2之间，分别占整个土壤剖面的有机碳密度的31.97%～47.87%，显著高于其他各层。这充分说明该区森林土壤有机碳密度具有较强的表聚性，意味着不合理的人为活动极易造成土壤碳的损失[14]。因此，应加强森林管护，保护生态环境，避免不合理的人为干扰活动，以维持和增加土壤碳贮量，对减缓大气CO2浓度上升有着重大意义。与我国森林土壤0～20 cm土壤平均碳密度（4.24 kg/m2）[13]相比，杉木林0～20 cm土壤碳密度略高，而马尾松林和竹林0～20 cm土壤碳密度均略偏低。同时，3种林分类型0～20 cm土壤碳密度均低于黔中喀斯特地区[6]和贵州西部地区[7]森林土壤0～20 cm有机碳密度。除了森林类型的差异外，最主要的原因可能是由于该区山高坡陡，加之土壤为紫色土，土体相对疏松，水土流失较为严重，导致表层土壤有机碳含量较其他地区低。

4）土壤有机碳含量与pH均表现为负相关，马尾松林和竹林表现出显著或极显著的相关性，而杉木林相关性不显著；3种林分类型土壤有机碳含量与土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷均表现为极显著的正相关，而与全钾、速效钾的相关性不尽一致，但土壤有机碳含量与土壤因子的回归方程和回归系数均达到了极显著水平，所建方程可以正确反映二者间的关系。杉木林和竹林影响土壤有机碳含量的主导因子为水解氮，马尾松林影响土壤有机碳含量的主导因子为有效磷。而在贵州西部地区，影响杉木林土壤有机碳含量的主导因子为全氮和速效磷[7]，在贵州南部，影响马尾松林土壤有机碳含量的主导因子为全氮[16]，说明相同森林类型由于区域和立地条件的差异，影响林地土壤有机碳含量的主导因子也会存在差异。

参考文献：

[1] IPCC.Climate change 2001：the science of climate change. Summary for policymakers， a report of Working Group I of the Intergovern-mental Panel on Climate Change. Geneva， Switzerland[C]， 2001. 1-98. Available from http：//www.ipcc.ch/pub/spm22-01.pdf.

[2] BROWN S， LUGO A E. The storage and production of organic matter in tropical forests and their role in the global carbon cycle[J]. Biotropica，1982，14（3）：161-187.

[3] DIXON R K， BROWN S， HOUGHTON R A， et al. Carbon pools and flux of global forest ecosystem[J]. Science，1994， 263：185-190.

[4] POST W M， EMANUEL W R， ZINKE P J， et al. Soil carbon pools and world life zones[J]. Nature，1982，298：156-159.

[5] CHENG W. Investigating short-term carbon flows in the rhizospheres of different plant species， using isotopic trapping[J]. Agron J，1994，86：782-788.

[6] 丁访军，潘忠松，周凤娇，等.黔中喀斯特地区3种林型土壤有机碳含量及垂直分布特征[J].水土保持学报，2012，26（1）：161-164.

[7] 丁访军，高艳平，周凤娇，等.贵州西部4种林型土壤有机碳及其剖面分布特征[J].生态环境学报，2012，21（1）：38-43.

[8] 国家林业局.森林土壤分析方法[M].北京：中国标准出版社，1999.

[9] 杨金艳，王传宽.东北东部森林生态系统土壤碳贮量和碳通量[J].生态学报，2005，25（11）：2875-2882.

[10] 王海燕，雷相东，张会儒，等.近天然落叶松云冷杉林土壤有机碳研究[J].北京林业大学学报，2009，31（3）：11-16.

[11] YANG Y H， MOHAMMAT A， FENG J M， et al. Storage， patterns and environmental controls of soil organic carbon in China[J]. Biogeochemistry，2007，84：131-141.

[12] 周 莉，李保国，周广胜.土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展[J].地球科学进展，2005，20（1）：99-105.

[13] 解宪丽，孙 波，周慧珍，等.不同植被下中国土壤有机碳的储量与影响因子[J].土壤学报，2004，41（5）：687-699.

[14] 梁启鹏，余新晓，庞 卓，等.不同林分土壤有机碳密度研究[J].生态环境学报，2010，19（4）：889-893.

[15] 周玉荣，于振良，赵士洞.我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡[J].植物生态学报，2000，24（5）：518-522.

[16] 潘忠松，丁访军，戴全厚，等.黔南马尾松人工林土壤有机碳的研究[J].中南林业科技大学学报，2012，32（2）：75-80.