不同林型土壤有机碳含量及垂直分布特征

徐 萌

(吉林省林业厅，吉林 长春 130022)

土壤有机碳是土壤养分重要组成部分，随着全球气候变化，引起了许多科学家对陆地生态系统中碳平衡、碳存储及分布的关注。全球约有1 400 ～1 500 Gt 碳以有机态形式储存于土壤中，是陆地植被碳库2 ～3 倍，而森林土壤约占全球土壤有机碳库73%，是陆地生态系统最大有机碳库［1～2］，因而其储量、分布及转化日益成为全球有机碳研究热点。由于植被类型、立地条件、气候特点及土壤性质差异，使不同地区、不同林分间土壤有机碳存在较大差异［3～11］，因此，针对不同林分，对土壤有机碳含量、分布进行研究十分必要。长白山自然保护区、露水河林业局大部分原始森林保存完好，但自20 世纪以来，许多森林生态系统经过强烈人为干扰，形成大面积次生林和人工林。本研究以长白山地区3 种森林类型土壤为研究对象，比较分析不同林型土壤有机碳含量及垂直分布规律，探讨不同植被类型对土壤碳储量影响，为进一步研究长白山地区森林土壤碳储量提供依据。

1 研究区概况

研究区位于吉林省露水河林业局，地理坐标:127°29'～128°02'E，42°24'～42°49'N。该区域位于长白山山脉西麓，地处长白山北部台地边缘地带。研究区域属寒温带大陆性气候，气温较低，降水充沛，为冷凉的高寒山区，年降水量800 ～1 040 mm，年平均气温2.7℃，最高气温32.2℃，最低气温－44.1℃，平均相对湿度72%。土壤为典型暗棕壤，土厚度20 ～100 cm。该区植被属长白山植物区系，种类多样，分布复杂。主要树种有红松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、臭松(Symplocarpus foetidus)、长白落叶松(Larix gmelinii)、椴树(Tilia tuan)、水曲柳(Fraxinus mandschurica)、杨树(Populus)、五角槭(Acer mono)、核桃楸(Juglans Mandshurica)、黄菠萝(Phellodendron amurense)、蒙古栎(Quercus mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、榆树(Ulmus pumila)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

样地设在露水河林业局宏光林场，从植被生长以及林地群落保存、演替及稳定的角度出发，2013 年8 月分别选择红松天然林、长白落叶松人工林、杨树人工林3 种典型的林分为研究对象，每个林型选择3 块20 m×20 m 的标准样地。综合考虑，各林型选择坡度坡位相似的近熟或成熟林。

2.2 样品采集和处理

在标准样地边界或是距样地边界2 ～3 m处随机挖取3 个土壤剖面，剖面深度视土壤发生层次而定(深至母质层为止)。确定土壤剖面发生层次后，用土壤环刀(100 cm3)在每一土层取土样测定土壤容重;同时取约500 g 土样装入样品袋，用于土壤碳氮测定。仔细去除环刀内土样植物根系和石砾，在105℃烘干24 h后，称重并计算土壤容重。将采集的样品袋带回实验室，于阴凉处自然风干后用四分法过100 目筛，编号待测。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热油浴法［12］。

2.3 数据处理

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度土层中土壤有机碳储量。土壤有机碳密度计算公式为［13 ～14］:

SOCDk=Ck×Dk×Ek×(1－Gk)/100

式中:SOCDk——第k 层土壤有机 碳 密度

(kg·m－2);

Ck为第 k 层土壤有机碳含量(g·kg－1);

Dk为第k 层土壤容重(g·cm－3);

Ek为第k 层土壤厚度(cm);

Gk为第k 层直径大于2 mm 的石砾所占的体积百分比(%)。

一定深度土壤有机碳密度为各个土层有机碳密度之和。

表1 不同林分类型土壤容重、有机碳含量及垂直分布特征Tab.1 Soil bulk density，organic carbon content and vertical distribution features of different stand type

3 结果与分析

3.1 不同林分类型土壤有机碳含量及垂直分布特征

整理统计不同林分类型、不同土层中有机碳含量数据，并分析垂直分布特征，结果见表1。

从表1 可以看出，不同林分类型A 土层间有机碳含量存在较大差异。在A 土层中，红松天然林有机碳含量高达157.93 g·kg－1，而长白落叶松人工林和杨树人工林分别为75.79、51.71 g·kg－1，前者是后两个林分类型2 倍之多。从3 种林分类型起源来说，天然林有机碳含量远远大于人工林含量，可见，人为干扰严重破坏土壤碳氮自身储存和循环，导致土壤营养物质含量大大降低。AB 层是介于A 层和B 层之间土壤发生层，红松天然林有机碳含量为27.33 g·kg－1，长白落叶松人工林和杨树人工林分别为22.74、23.08 g·kg－1，前者有机碳含量分别高于后两者20%、18%。在B 土层中，红松天然林、长白落叶松人工林、杨树人工林有机碳含量分别为7.14、9.28.、9.86 g·kg－1，三者差异不显著。随着土壤深度增加，不同林分间差异逐渐减小，特别是长白落叶松人工林和杨树人工林尤其明显。

在剖面垂直分布上，3 种林分土壤表层A层有机碳含量最大，并随土壤深度增加有机碳含量递减，这种变化幅度大，可见，土壤深度对有机碳含量具有显著影响。在A、AB 土层中，3种林地有机碳含量均占整个采样剖面85%以上，这说明残枝落叶分解后输入土壤的有机碳都聚集在土壤表层，土壤有机碳表聚性较明显;而B 土层，各林分土壤有机碳含量差异变小，这主要是因为土壤成土母质大致相同所造成的，此时植被类型差异对其影响不大。

3.2 不同林分类型土壤有机碳密度

整理统计不同林分类型、不同土层中有机碳密度数据，结果见表2。

表2 不同林分类型土壤有机碳密度Tab.2 Soil organic carbon density of different stand type

由表2 可见，3 种林分类型土壤碳密度各土层变化范围为2.85 ～11.39 kg·m－2。对整个土层而言，3 种林分土壤碳密度在16.82 ～23.04 kg·m－2之间，从大到小依次为:长白落叶松人工林＞杨树人工林＞红松天然林。各林分土壤碳密度与碳含量表现规律并不一致，这是由于土壤碳密度受到土壤容重和土层厚度强烈影响。在土壤垂直剖面上，土壤有机碳密度与其含量变化规律也截然不同，但是不同林型变化趋势相同，碳密度从大到小依次为:B 层＞A 层＞AB 层。

4 结论与讨论

通过对长白山区3 种林分类型表层土有机碳含量测定与分析，含量存在较大差异，红松天然林有机碳含量高达157.93 g·kg－1，而落叶松人工林和杨树人工林分别为75.79 g·kg－1和51.71 g·kg－1。3 种林分类型土壤碳密度变化范围为16.82 ～23.04 kg·m－2，长白落叶松人工林土壤碳密度最大，为23.04 kg·m－2，杨树人工林为18.17 kg·m－2，红松天然林为16.82 kg·m－2。

当今，中国在土壤有机碳方面研究较多，但其差异较大。土壤有机碳含量主要取决于植被每年归还量和分解速率，而植被类型、气候特点以及土壤性质差异，均会导致土层内有机碳含量大小及分布。在土壤垂直剖面上，随着土层深度增加，土壤有机碳含量随之递减，，这与许多研究结果相同［14～17］。土壤碳含量尚不能真实反映土壤碳库水平，国际上常采用碳密度为指标对森林碳库贮量进行比较。有报道显示，土壤碳密度除了土壤有机碳含量外，还受到土壤容重和土层厚度强烈影响。因此，本研究不同林型土壤碳密度和土壤碳含量呈现出并不一致的规律。

［1］Schlesinger W H. Evidence from chrono sequence studies for a low carbon－storage potential of soil［J］.Nature，1990，348:232－234.

［2］Dixon R K.Carbon pools and flux of global forest ecosystems［J］.Science，1994，264:185－190.

［3］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.

［4］刘巍巍，莫雷，隋波，等. 阔叶红松林土壤氮素的空间分布［J］.吉林林业科技，2015，(1):7－10，20.

［5］马长顺，王雨朦.不同经营方式对人工林土壤化学性质的影响［J］.森林工程，2014，30(1):30－35.

［6］徐晶，纪鹏飞，隋波，等. 吉林市主要绿地土壤汞污染的初步研究［J］.吉林林业科技，2014，(5):19－22.

［7］陆昕，孙龙，胡海清. 森林土壤活性有机碳影响因素［J］.森林工程，2013，29(1):9－14.

［8］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.

［9］方运霆，莫江明，BROWNS，等.鼎湖山自然保护区土壤有机碳贮量和分配特征［J］.生态学报，2004，24(1):135－142.

［10］何志斌，赵文智，刘鹄，等.祁连山青海云杉林斑表层土壤有机碳特征及其影响因素［J］.生态学报，2006，26(8):2572－2577.

［11］张城，王绍强，于贵瑞，等.中国东部地区典型森林类型土壤有机碳储量分析［J］.资源科学，2006，28(2):97－103.

［12］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京:中国农业出版社，2011.

［13］国家林业局.森林生态系统长期定位观测方法中华人民共和国林业行业标准. LY/T 1952 ～2011［S］.北京，中国标准出版社，2011.

［14］宋彦彦，史宝库，张言，等.长白山8 种林型土壤有机碳和全氮的质量分数及垂直分布特征［J］.东北林业大学学报，2014，42(12):94－97.

［15］齐光，王庆礼，王新闯，等.大兴安岭林区兴安落叶松人工林土壤有机碳贮量［J］.应用生态学报，2013，24(1):10－16.

［16］迟璐，王百田，曹晓阳，等. 山西太岳山主要森林生态系统碳储量与碳密度［J］.东北林业大学学报，2013，41(8):32－35.

［17］张兴锐，许中旗，纪晓林，等，燕山北部山地典型植物群落土壤有机碳贮量及其分布特征［J］.水土保持学报，2010，24(1):186－191.