毛乌素沙地樟子松人工林不同坡向的碳储量及空间分布研究

徐 松，廖超英，多杰吉，付广军

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学资源环境学院；3.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌712100；4.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100；5.陕西省治沙研究所，陕西 榆林719000）

沙漠化作为一个全球性环境问题日益引起人们的关注［1］。对沙漠化的防治和研究重点应为两种生态系统相邻的边界区域，即是生态系统脆弱带的研究［2］。毛乌素沙地东南缘位于我国农牧交错带的西部，典型的多层次过渡带生态环境脆弱［3］，是我国北方沙漠化最为严重的区域之一，但其中防风固沙林一直发挥着重要的生态、经济和社会效益。

樟子松（Pinussylvestrisvar）因其具有耐寒、耐旱、速生、材质好以及抗逆性强等特性，成为干旱、半干旱风沙区主要造林树种［4］。部分学者对人工栽植林地碳储量的研究表明，立地条件（坡向、坡位、土壤等）对人工林的生长及碳储量具有重要影响［5－9］，而目前测定碳储量方法多以空间方法为主，很难准确测定且结果可靠性差［10］，沙区这方面研究比较匮乏，尚需要更多区域实测数据［11－12］。基于此，本文以榆林毛乌素沙地栽植年代相近的人工樟子松林为研究对象，研究不同坡位条件下樟子松人工林碳储量，为空间尺度区域调查提供实测碳储量数据，以期为毛乌素樟子松固沙林的可持续经营、治沙成果巩固提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处毛乌素沙地东南部红石峡（109°12′E，38°26′N），属温带半干旱大陆性季风气候，日照充足，热量丰富。该区海拔1 100m，年均温7.9℃，极端最高温37.6℃，极端最低温－32.7℃，年均无霜期159d，年均蒸发量967.3mm，年均降水量397mm，雨量分配不均，年际变化大。土壤类型主要为风沙土，表土疏松，区域性植被稀少，主要的建群种为踏郎（Hedysarum mongolicum）、花棒（Hedysarumscoparium）、柠条（Caraganakorshinskii）、沙蒿（Artemisiadesterorum）、沙棘（Hippophaerhamnoides）、沙柳（Salixcheilophila）等。乔木固沙树种多为樟子松（Pinussylvestrisvar.）、河北杨（PopulusXhopeiensis）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 2013年9月选择典型立地条件设置样地进行调查，选取海拔、林龄相近的樟子松林地为研究对象，在迎风坡（Windward，WD）和背风坡（Leeward，LD）以及丘间地（Interdune，ID）3种立地条件下按照坡位分别建立3块20m×20m的样地，对每块样地进行每木检尺，测定树高和胸径。样地基本状况（表1）。

1.2.2 林分生物量测定 本文生物量，仅指以重量表示单位面积上或单株林木地上部分和根系有机体干重。根据林地每木检尺，每个样地内选择1株标准木伐倒，其中树干从基部到梢按1m分段取样，称量带皮鲜重，在两端处取5cm树皮称重，按比例计算全段鲜树皮重，并由此计算树干鲜重，枝叶分别全部称重；以伐倒木为中心1m为半径挖取根系，冲洗干净，阴干称其总重［13］。将各部分称取少量密封编号带回实验室在75℃烘箱中烘至恒重，测定各部分含水率，得出植株各器官干物质量及地上部分干物质量。由于林下灌木和草本稀疏，故本研究忽略不计。

表1 各标准地基本情况

1.2.3 林木碳密度测定 将烘干的树木叶、枝、干、根样品进行研磨，过60目筛放于密封袋中。采用重铬酸钾氧化—外加热法测定各组分w（植株碳）。通过树木各组分生物量和w（植株碳），求出樟子松各器官碳密度。然后结合林分密度，计算树木碳密度。

1.2.4 凋落物及土壤碳密度测定 在每块样地中，采用“S”形5点采样法挖取5个剖面按照0—15，15—30，30—50cm分层取样，同一层5个土样混合后，四分法留取300～500g土样装袋、编号；同时每层土壤用环刀取样测定土壤容重。在每个样地内随机设置5个1m×1m的小样方收集凋落物，并选取约250g凋落物带回实验室测定含水率，并通过小样方内干物质量和凋落物含碳率来推算单位面积凋落物碳密度［14］，以裸沙地为对照。土壤碳密度和凋落物碳密度均采用重铬酸钾氧化—外加热法测定。土壤碳密度［15］（SOC，t/hm2）采用下式计算：

式中：Ci——每层土壤有机碳（g/kg）；Hi——每层厚度（cm）；Bi——每层土壤容重（g/cm3）；Si——每层石砾。

1.3 数据处理

所有试验数据均使用 Excel 2003和SPSS 16.0软件进行分析，采用SPSS 16.0的单因素方差分析

2 结果与分析

2.1 植株碳储量

对三种不同坡位条件下的樟子松不同器官碳密度的分析表明（表2），干的碳密度ID最高，其次LD，WD最小，LD的干碳密度是 WD的2.43倍；枝碳密度也以WD最小，ID和LD之间没有显著差异；叶碳密度在三种立地条件下差异不显著。根密度大小为ID＞LD＞WD，其碳密度在三种立地条件下的差异性显著。三种立地条件下的樟子松总碳密度有显著差异性，ID最高，其次为LD，WD最小，ID总碳密度分别是LD和 WD的1.4倍和2.12倍。在干旱、半干旱地区水分是土壤发育、植被生长重要的因子，植被吸收水分和养分主要是由植被根系的细中根部分［16］，樟子松细中根主要集中分布在50cm以上土层［17］，因此采用细中根系较浅的樟子松造林，一方面对沙区有限土壤水分和养分利用更为充分，同时又不会造成土壤中地下水位迅速下降而导致植物根系脱离含水层而枯萎。根据学者研究，在不进行人工灌水情况下，樟子松人工林土壤质量含水量丘间地＞背风坡＞迎风坡［18］。由此可见，在贫瘠较旱的毛乌素沙地区域坡度较低的丘间地更有利于樟子松林的生长和碳含量的累积。

表2 不同立地条件下樟子松各器官碳密度 t/hm2

樟子松林在三种立地条件下的各器官碳储量分配模式基本一致，均为干碳密度最大，其次为根碳密度，再次是枝碳密度，叶碳密度最小。ID和LD根密度分别占林木总碳密度的13.3%和13.2%，而 WD根密度占林木碳密度的16.7%。对比于ID和LD，WD条件下，林木分配更多的碳累积物供给根系的生长以储存更多的碳，更有利于碳的累积。

2.2 凋落物碳储量

三种立地条件下的植被凋落物的碳密度也不同，LD，WD和ID之间存在显著差异，WD条件下凋落物碳密度显著低于LD和ID（图1）。LD和ID凋落物碳密度分别比 WD高44.5%和107.5%。坡向的不同，其水分条件会存在一定差异，受环境大气候及光照的影响也有所不同，从而造成不同坡向林分内的温湿度不同，影响植物枝叶的正常新陈代谢及枯落物产生［19］。不同坡向的自然环境（风、雨等）在不同程度上也导致凋落物层生物量产生较大异质性，因而造成凋落物层碳含量相差较大［20－21］。

图1 不同立地条件凋落物碳密度

2.3 土壤碳储量

不同立地条件下土壤有机碳在土层中的分配基本一致，有机碳密度均随土层深度的增加而递减（表3）。在各个土层ID土壤有机碳密度均显著高于LD和WD，在30—50cm土层，LD，WD和ID差异性不显著，LD和WD土壤有机碳密度在该层相近。ID土壤有机碳密度也在整个土壤剖面（0—50cm）中最高，分别比LD和WD高26.4%和50.26%。3种立地条件下每层土壤有机碳比裸沙地高出161%～605.2%，总有机碳密度分别是裸沙地的4.1倍、3.46倍和5.19倍，这说明樟子松对土壤有明显改良作用。土壤中大部分有机质来自植被枯枝落叶分解的物质转移，一部分来自根系分泌物和根系老化分解及动物活动。樟子松自然整枝能力较强，凋落物层生物量输入大［22］，相比于WD和LD，ID条件下凋落物层向土壤转移有机质的过程更少受到自然环境的破坏，向土壤层输入有机物更多。凋落物对土壤的影响都集中于土壤表层，短时间内对深层土壤影响较小，但随着植被生长、土壤中有机碳分解和转移，土壤碳含量逐渐增大但彼此间差距逐渐减小，是土壤趋于稳定的一个表现。

表3 不同立地类型土壤有机碳密度 t/hm2

三种立地条件下樟子松人工林总碳密度分别是72.3t/hm2（LD）、51.2t/hm2（WD）、98.86t/hm2（ID），丘间地条件下樟子松林总碳密度显著高于其他两种立地条件（图2）。不同立地条件下均为树木碳密度最高，其次为土壤碳密度，凋落物碳密度占林分总碳密度的2.8%～3.1%。LD和ID的土壤碳密度占林分总碳密度的比例低于WD，但林木碳密度占林分总碳密度比例则相反，表明不同立地条件影响樟子松林地碳储量的空间分布。相比于LD和ID，WD条件下空间碳储量分布更倾向于土壤碳的增加，这可能与林分分配更多的碳有机物用于根系的生长有关。

图2 不同立地条件下樟子松林木、凋落物和土壤碳密度

3 讨 论

坡向对林木各个器官的碳储量分配，林分的生长和空间碳储量均有显著影响。于顺龙［23］、王向荣［13］等指出坡向、坡位对东北林区水曲柳中龄林林分生长和生物量分配有重要影响，坡向对林分平均胸径和树高的影响大于坡位；何志斌等［24］报道了祁连山青海云杉木林受地形条件的影响变化，指出坡向直接影响森林土壤有机碳含量及其分配；这些研究结果都揭示了坡向因子对林分碳储量有显著影响。研究表明，阴坡方向的林木碳储量和土壤碳储量显著高于阳坡。研究样地区域处于陕西北部易旱区，土壤水分可能是限制该区域林地碳储量的主要因素之一。研究发现，丘间地（ID）的土壤含水量高于背风坡（LD）和迎风坡（WD）。对麻栎林［14］、沙棘林［25］的研究也表明，坡向对林地生产力有显著影响，阴坡方向林分的生物量和生长量都明显高于阳坡，这些研究均认为林分土壤肥力和土壤含水量与阴坡较高林地碳储量有密切关系。而学者对毛竹林的研究则指出处于阳坡的植被碳储量和土壤碳储量均显著高于阴坡［26］。这些不同的研究结果说明了研究不同的树种在特定生物环境中影响其林木生长的主要生态因子存在差异。由于毛竹林生长区域降雨量普遍较高，坡位对阳光的影响可能优先于土壤水分的作用，这也使得处于阳坡的毛竹林具有较高的生产力和碳储量。而本研究林地处于陕北土壤水分贫瘠区域，土壤水分对林木的碳储量有重要影响，因而处于水分条件较好的丘间地（ID）更有利于樟子松林的生长和碳的累积，这与学者研究一致［9，13］。

林地中土壤碳含量具有“表聚作用”［27］。本文中同一坡向0—15cm土层土壤有机碳密度是15—30 cm的1.2～1.7倍，是30—50cm的1.5～1.7倍，说明不同坡向条件下土壤有机碳有较强的表聚性，与相关研究结果一致［7，14，18］。土壤中的碳含量是受生物因素和非生物因素共同影响的结果。植被覆盖类型的不同直接影响SOC的含量和分布，还通过影响与SOC形成和转化有关的因子间接影响SOC［28］。对天然柴松林、辽东栎林和油松林的土壤有机碳研究表明，三种林地土壤有机碳含量差异显著，不同土层有机碳也达到显著水平，但随着深度增加，不同林分间差异逐渐减小［15］。研究发现，相同植被类型条件下，ID土壤有机碳密度在整个土壤剖面（0—50cm）中最高，分别比LD和 WD高26.4%和50.26%，说明不同坡向影响着土壤的碳储量及其分布。三种立地条件的总有机碳密度分别是裸沙地的4.1倍、3.46倍和5.19倍，裸沙地没有很好的植被覆盖，长期处于侵蚀状态，土壤养分损失严重，表现为裸沙地各层土壤碳相近且随土壤深度增加，碳含量逐渐增加趋势。但随着植被的生长，生物量不断增加，进入土壤的植被凋落物增多，微生物数量逐渐增加，代谢加强，从而提高了土壤碳的含量，改善了土壤性质［29］。植被的枯落物作为土壤中碳的主要来源，由于坡向不同，影响了林木的生物量和进入土壤中的植被凋落物含量，因而处于生境条件相对较好的丘间地（ID）和背风坡（LD），土壤有机碳含量要高于迎风坡（WD）。樟子松作为乔木，其根系发达，分布范围广，根系分泌物对土壤碳也有着重要影响［30］。本研究中坡向除了影响林木生长外，还会造成林分水热状况的差异，必然会影响土壤温度，呼吸等，进而导致土壤碳的分解和转移出现差异。今后应加强土壤温度、土壤呼吸和根系分泌物对土壤碳的研究，以便更深入揭示其影响机理。

4 结 论

（1）三种立地条件下林木各个器官的碳储量分配模式基本一致，都为树干密度最大，其次为根碳密度，其次为枝碳密度，叶碳密度最小。不同立地条件下的樟子松总碳密度ID最高，其次为LD，WD最小，其中ID和LD根密度分别占林木总碳密度的13.3%和13.2%，而WD根密度占林木碳密度的16.7%。相比于ID和LD，WD条件下林木分配更多的碳累积物供给根系的生长以储存更多的碳，更有利于碳的累积。

（2）土壤有机碳在不同立地条件下土层中的分配基本一致，有机碳密度均随土层深度的增加而递减。ID土壤有机碳密度在整个土壤剖面（0—50cm）中最高，分别比LD和 WD高26.4%和50.26%。3种立地条件下每层土壤有机碳比裸沙地高出161%～605.2%，表明林分不断的生长，提高了土壤碳含量，改善了土壤性质。

（3）三种立地条件下樟子松人工林总碳密度分别是72.3t/hm2（LD）、51.2t/hm2（WD）、98.86t/hm2（ID），其碳的空间分配模式基本一致，均为树木碳密度最高，其次为土壤碳密度，凋落物碳密度最小。其中LD和ID的土壤碳密度占林分总碳密度的比例低于WD，但林木碳密度占林分总碳密度比例则相反，表明不同立地条件影响樟子松林地碳储量的空间分布。

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