生态公益林土壤有机碳含量分布特征与环境因子的研究

摘要基于生态公益林效益监测体系的建立，采用野外调查、取样和室内实验分析相结合的方法，研究浙西南庆元县公益林土壤有机碳含量分布特征及其影响因子，结果表明：①研究区公益林土壤有机碳平均含量为44.28 g/kg，不同森林类型土壤有机碳含量差异显著，土壤有机碳平均含量的变化趋势从大到小为：阔叶林、针阔混交林 、松木林、杉木林、竹林，同一森林类型土壤有机碳含量变化很大。②不同林龄土壤有机碳含量呈极显著性差异，与林龄呈极显著相关，土壤有机碳含量随林龄增大而增加。③环境因子与土壤有机碳含量表现的相关性不同，生物量、枯枝落叶层厚度、海拔及土壤内在因子与土壤有机碳含量呈极显著或显著相关，各种环境因子交互作用，共同影响土壤有机碳含量。

关键词生态公益林；森林类型；土壤有机碳；环境因子

中图分类号S727.28文献标识码A文章编号0517-6611（2014）09-02659-03

作者简介李英升（1962- ），男，江西万安人，高级工程师，硕士，从事生态监测、碳汇计量、林业规划等方面的应用研究。

森林是陆地生物系统的主体，森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，在全球碳循环中扮演着源、汇、库的作用，森林土壤碳储量及空间分布已成为全球有机碳循环研究的热点问题。森林不仅在维护区域生态环境上起着重要作用，而且是大气 CO2的重要调节者之一，在全球碳循环中起着重要作用[1]。土壤有机碳的转化和积累，一方面直接影响着全球碳循环动态[2]，另一方面影响了土壤肥力和植物生长，从而间接影响了陆地生物碳库[3-4]。不同森林生态系统的土壤有机碳含量受植被类型、气候条件等因素的影响具有较高的变异性[5]。近年，随着碳循环成为全球研究的热点问题，有关土壤有机碳含量及碳密度的研究较多，但应用于区域森林生态效益监测的土壤有机碳含量的研究报道相对较少。

该文以浙江省庆元县生态公益林为研究对象，采用单因素方差分析、多重比较及相关分析等方法，研究了公益林5种主要森林类型的土壤有机碳含量分布特征，对土壤有机碳含量的主要影响因子进行了分析，探讨其中相关规律，为生态公益林效益监测及评价不同森林类型土壤的碳汇功能提供参考依据。

1研究区概况

研究区域为浙江省西南边陲——庆元县，该县是浙江省重点林业县之一，地理位置位于 118°49′～119°49′E，27°25′～27°51′N。該区属亚热带季风气候区，温暖湿润，冬暖夏凉，四季分明，光热资源丰富。地貌以丘陵山区为主，最高峰海拔1 857 m，最低海拔240 m，相对高差达1 617 m。境内山地起伏，山峦重叠，立体小气候复杂多样。主要土壤类型有红壤、黄壤，低山丘陵还零星分布着一些岩成土。森林植被在全国植被分区中属中亚热带常绿阔叶林北部亚地带——浙闽山丘甜储、木荷林区，地带性植被为亚热带常绿阔叶林。

2研究方法

2.1土壤样品采集根据不同地形、不同海拔、不同森林群落类型及结构特征确定公益林固定监测小班，群落本底调查后，在每个固定小班内均设置1个固定监测样地，样地大小统一为20 m×20 m（水平方向20 m样方用于林分乔木层资源调查），样地对角线布设3个2 m×2 m样方（用于下层木和草本资源调查）。同时，在每个样地外缘挖掘1个土壤剖面，记载土壤厚度、腐殖质厚度和枯枝落叶厚度，并在土壤A、B 2层各取500 g左右的土壤，作为该样点的土壤混合样品。各森林类型的基本特征见表1。

2.2样品处理与分析样品采集后，带回实验室，在室温下风干，除去砾石和根系后过2 mm钢筛，磨细待测。分析方法如下：土壤有机碳用重铬酸钾-外加热法测定；土壤全氮用半微量凯氏定氮法；土壤全磷用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法[6-7]。

2.3生物量计算方法生物量计算采用浙江省重点公益林不同树种相容性生物量模型[8]。

2.4数据处理数据采用Microsoft Office Excel 2010软件进行汇总分析，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析和多重比较，并进行相关分析和回归分析等。

3结果与分析

3.1不同森林类型土壤有机碳分布特征森林生态系统中，不同森林类型下土壤有机碳含量的差异主要是由植被类型、树龄、土壤容重和土层厚度等因素造成的，群落类型通过凋落物的输入、土壤根系的分布、固氮能力来影响土壤性质，不同的植物本身的特性对土壤碳密度和碳储量的影响较大。从表2可以看出，竹林土壤有机碳平均含量最小（31.55 g/kg），阔叶林的平均值最大（55.57 g/kg），不同林分下土壤有机碳平均含量的变化趋势从大到小为：阔叶林、针阔混交林 、松木林、杉木林、竹林。竹林土壤有机碳含量最低，与土壤表层人为活动影响和凋落物进入表层的输入较少有关。LSD分析结果得出，不同森林类型之间土壤有机碳含量有显著影响（df=4，F=4.333，P=0.003）。由此可见，不同森林类型土壤的碳汇功能有明显差异，对于生态公益林来讲，长期的封禁管理，植被主要以自然恢复为主，若通过适度抚育、补植或间伐措施，构建以阔叶混交林或针阔混交林为主森林群落对于提高公益林土壤的碳汇功能具有重要的作用。

3.2不同林龄阶段土壤有机碳分布特征随着林龄增大和郁闭度提高，林木间竞争剧烈，自然整枝强烈，林分凋落物逐渐增多，林内土壤的结构、质地得到改善，经过微生物分解成有机碳，有机碳含量随林龄增大而增加。该研究结果表明，在幼龄林至成熟林阶段呈现随林龄增大而增加，不同林龄阶段土壤有机碳平均含量分别为幼龄林36.65 g/kg、中龄林38.59 g/kg、近熟林50.81 g/kg、成熟林68.28 g/kg，其中成熟林土壤有机碳含量为幼龄林的1.9倍左右。不同林龄阶段土壤有机碳含量呈极显著性差异（df = 3，F=10.764，P=0000），与林龄呈极显著相关（相关系数0.433，P<0.01），这表明林龄是导致土壤有机碳含量差异的重要因素之一。在森林类型相同的情况下，土壤有机碳含量也是随林龄增大而增加（图1），与林龄呈显著或极显著相关，4种乔木林分各龄组相关系数分别为：松木林0.460（P=0.013），杉木林0633（P=0.000），阔叶林0.488（P=0.005），针阔混交林0.555（P=0.026）。在公益林生态效益监测时，合理划分不同林龄阶段，对估算土壤的碳汇功能有重要影响。

3.3.1植被因子与土壤有机碳含量。相关分析研究结果表明，公益林土壤有机碳含量與生物量、枯枝落叶层厚度呈显著性正相关，相关系数分别为：0.251、0.551，与草本盖度呈显著性负相关，相关系数为-0.204，这可能是草本盖度大与凋落物进入土层较少有关。土壤有机碳含量与其他植被因子没有显著性相关关系。森林群落生物量与土壤理化性质是一种相互依存关系。一方面，土壤结构好、营养丰富，则森林植物生物量高；另一方面，生物量高，则凋落物等返还量大，有机碳含量就越高。从图2可以看出，土壤有机碳含量和生物量随林龄增加而增大。凋落物也称枯落物或有机碎屑，其作为养分的基本载体，在养分循环中是连接植物与土壤的“纽带”。凋落物越厚，一方面保持水土的功能越强，越利于有机碳的存储，从而可减少土壤中的养分流失；另一方面由于土壤有机碳含量基本上来源于凋落物的分解，所以凋落物蓄积量越大，分解后释放的养分越多，相应地，土壤有机碳含量就越高。

3.3.3土壤内在因子与土壤有机碳含量。相关分析结果表明，公益林土壤有机碳含量与土壤厚度、腐殖质厚度、全氮、全磷、有效磷均呈极显著性正相关，相关系数分别为0.399、0.727、0.724、0.320、0.423。土壤厚度直接影响林地的生物量，随着土层厚度的加深，林地生物量迅速增加，各种含碳化合物量（如木质素、纤维素、单宁等）与养分元素含量（氮、磷、钾等）凋落物进入土层也就越多。土壤腐殖质对土壤肥力起着重大的作用，腐殖质物质以分子态进入到植物体后，可刺激根系的发育，促进植物对营养物质的吸收，且有巨大的比表面积，有巨大的吸收代换能力[10]；另外腐殖质的吸水率可达500%～600%[11]，具有良好的保持土壤水分的能力。该研究结果表明，腐殖质厚度与凋落物、全氮、全磷、有效磷呈显著或极显著相关关系，相关系数分别为0.395、0.447、0.208、0.278。因此，土壤内在各因子通过交互作用，共同影响土壤有机碳含量。

4结论

（1）土壤有机碳含量是生态系统在特定条件下的动态平衡值，植被类型对土壤有机碳的影响主要通过枯落物的质和量及根系作用，在不同的森林植被和人类扰动下，土壤有机碳积累的数量有很大差异。该研究结果表明：不同森林类型之间土壤有机碳含量有显著影响，土壤有机碳平均含量的变化趋势从大到小为：阔叶林、针阔混交林 、松木林、杉木林、竹林。

（2）研究结果表明：林龄是导致土壤有机碳含量差异的重要因素之一，在幼龄林至成熟林阶段呈现随林龄增大而增加，不同林龄阶段土壤有机碳含量呈极显著性差异，与林龄呈极显著相关。因此，在进行生态公益林效益监测时，林龄的合理划分对效益的估算有重要的影响。

（3）在森林生态系统中，土壤有机碳含量主要受气候、植被、土壤性质及人类活动的综合影响，且各个环境因子间存在互作效应。研究结果表明：植被因子中生物量、枯枝落叶层厚度与土壤有机含量存在良好的正相关，与草本盖度呈显著性负相关，与植被的乔、灌密度和盖度在不同植被上关系较为复杂，相关不显著；地形因子中，海拔与土壤有机碳含量呈显著正相关，与坡度、坡向、坡位关系不显著；土壤内在因子中，与土层厚度、腐殖质厚度、全氮、全磷、有效磷呈显著或极显著正相关。

参考文献

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[3] 沈宏，曹志洪，王志明.不同农田生态系统土壤碳库管理指数的研究[J].自然资源学报，1999，14（3）：206-211.

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[5] 苏永中，赵哈林.土壤有机碳储量、影响因素及其环境效应的研究进展[J].中国沙漠，2002，22（3）：220-228.

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[8] 李士生，袁位高.公益林监测研究[M].北京：中国林业出版社，2011.

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[10] 陈立新.东北山地人工林生态系统土壤肥力的研究[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2000.