三种人工林的土壤碳密度动态研究

黄香兰， 叶龙华， 卢广超， 薛 立

(华南农业大学林学院, 广东 广州 510642)

三种人工林的土壤碳密度动态研究

黄香兰， 叶龙华， 卢广超， 薛 立*

(华南农业大学林学院, 广东 广州 510642)

对木荷、尾叶桉、湿地松3种人工林的土壤碳密度进行研究。结果表明：不同林分的土壤碳密度存在差异，木荷、尾叶桉、湿地松林地1999年的土壤碳密度分别为181.13t/hm2、34.21t/hm2和100.35t/hm2，2012年的分别为237.94t/hm2、92.03t/hm2和144.39t/hm2，其大小排序为木荷林地>湿地松林地>尾叶桉林地，其中以乡土树种木荷林地的土壤有机碳密度最高。3种林地的土壤有机碳密度均显著增加，其中尾叶桉林地的增幅最大。

土壤有机碳； 有机碳密度； 人工林

陆地生态系统的碳循环对调节大气中CO2浓度有重要作用[1]。土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的贮库，研究其变化规律有助于揭示土壤碳贮藏对全球碳贮藏变化响应的时间、方式及规模[2]。森林是最大的陆地生态系统。森林土壤是重要的碳库，对全球碳平衡产生显著影响[3]。研究森林土壤碳储量对于正确评价土壤在陆地生态系统碳循环中的作用有重要意义。近年来，许多学者对不同类型的森林土壤碳储量进行了研究，如吴仲民等[4-5]对尖峰岭热带森林土壤碳含量进行了研究，王金叶等[6]研究了祁连山青海云杉(Piceacrassifolia)林的土壤碳平衡，刘建军等[7-9]报道了秦岭油松(Pinustabulaeformis)和锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)等森林类型的土壤碳循环，方昕等[10-11]对会同杉木(Cunninghamialanceolata)人工林的碳储量和碳平衡进行了研究，邓华平等[12]对豫南杉木林碳贮量进行了研究，薛立等[13]报道了不同坡位的杉木林土壤碳储量，方运霆等[14]、张治军等[15]、陶玉华等[16]、刘世荣等[17]、陈青青等[18]和吴丹等[19]对马尾松(Pinusmassoniana)林的碳贮量进行了研究。木荷(Schimasuperba)属山茶科常绿大乔木，耐干旱贫瘠，生长快，耐烟抗火力强，是我国南方重要的优良乡土阔叶树种和防火林带树种[20]。尾叶桉(Eucalypysurophylla)和湿地松(Pinuselliottii)具有生长快和材质好的特点，是华南地区主要用材树种[21]。目前对木荷、湿地松林地的土壤碳储量进行过少量的研究[22-23]，尚未见到对尾叶桉林地土壤碳储量的报道。我们对木荷林、湿地松林和尾叶桉林的土壤碳密度动态进行研究，以揭示不同树种对土壤碳密度的影响，为科学利用土壤资源，增加森林土壤碳储量提供参考。

1 试验区概况

试验地位于广州市华南农业大学树木园内。该区地处东经113°18′、北纬20°06′。其气候属南亚热带季风气候，温暖多雨、光热充足、夏长冬短；年平均气温、最冷月(1月)和最热月(8月)气温分别为21.8℃、13.3℃和28.1℃；年降雨量1714.4mm，4—9月降雨量占年降雨量的82%，年均相对湿度79%[24]。地貌为低矮丘陵，海拔约40m。土壤为花岗岩发育的赤红壤，土层深厚[25]。木荷林、尾叶桉林主要林下植被有芒箕(Dicranopterisdichotoma)和梅叶冬青(Ilexasprella)等，林下植物覆盖度分别为30%和40%；湿地松林主要林下植被有芒箕和桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)等，林下植物覆盖度为80%。试验林的基本特征见表1，1999年的林地其他特征见参考文献[26-27]。

表1 试验林的基本特征Tab.1 Basiccharacteristicofexperimentalstands年份树种树龄(年)郁闭度密度(株/hm2)胸径(cm)树高(m)木荷170.7130513.98.21999尾叶桉190.8150016.015.6湿地松260.616679.08.3木荷300.9130529.818.42012尾叶桉320.7120025.119.7湿地松390.7110015.012.0

2 研究方法

2.1土壤样品采集及有机碳含量测定

于1999年7月和2012年4月在坡向和坡度条件近似的木荷林、尾叶桉林和湿地松林分别设置3个20m×20m标准样地，测定样地内林木的胸径和树高。在各样地中设置面积为1m×1m的样方5个，调查其主要林下植被种类、高度、盖度。用环刀采取土层20cm处的土样(重复3次)，测土壤容重。用常规方法对0～40cm处的土壤进行5点取样，用重铬酸钾容量法测定混合土样的有机碳[28]。每1个样品重复测定3次，计算其算数平均值。

2.2土壤有机碳贮量计算

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳(SOC)的贮量，单位为t/hm2,其计算公式为：

SOC(t/hm2)=BD×S×T×A/10

2.3数据处理

利用Excel 2003和SAS 9.0统计软件进行数据处理和制图。

3 结果与分析

3.1土壤容重的变化

土壤容重是土壤的基本物理性质，其大小反映了土壤的质地、结构和有机质含量等综合物理特性[29]。木荷林、尾叶桉林和湿地松林2012年的土壤容重分别比1999年减少了6.68%、14.06%和8.49%，但差异均不显著，说明林地的土壤紧实度比较稳定(见图1)。

图1 3种林地不同年份的土壤容重比较Fig.1 Soil bulk density of three woodland types in different years

由图1可以看出: 1999年和2012年3种林地的土壤容重大小排序均为木荷林>湿地松林>尾叶桉林。可见，尾叶桉林地的土壤较其他2种林地相对疏松。同一年份中不同林地的土壤容重差异也不显著(见图2)。

3.2土壤有机碳的含量

土壤有机碳含量及其动态平衡是反映土壤质量的一个重要指标，其对土壤肥力的可持续性有重要影响[30]。3种林分2012年的土壤有机碳含量相对1999年均有显著增加(p<0.05)(见图3)，其中尾叶桉林地增加了213.55%，木荷林地和湿地松林地分别增加了40.76%和57.01%。1999年和2012年木荷林的土壤有机碳含量最高，湿地松林次之，尾叶桉林最低。3种林地的土壤有机碳含量均有显著差异(p<0.05)(见图4)。1999年时木荷林地的土壤有机碳含量分别是湿地松林地和尾叶桉林地的1.7倍和4.9倍，2012年时则减小到1.5倍和2.2倍。

图2 相同年份3种林地的土壤容重比较Fig.2 Soil bulk density of three woodland types in the same year

图3 3种林地不同年份的土壤碳含量比较Fig.3 Soil carbon content of three woodland types in different years

图4 相同年份3种林地的土壤碳含量比较Fig.4 Soil carbon content of three woodland types in the same year

3.3土壤有机碳密度

森林土壤的有机碳密度反映以植物残体为主体进入土壤的有机物质输入与以土壤微生物分解作用为主的有机质输出之间的动态平衡[31]。3种林分2012年的土壤有机碳密度均比1999年显著增加(P<0.05)(见图5)。木荷林地由1999年的181.13t/hm2增加到2012年的237.94t/hm2，尾叶桉林地由34.21t/hm2增加到92.03t/hm2，湿地松林地由100.35t/hm2增加到144.39t/hm2，增幅分别为31.36%、169.00%和43.89%。可见木荷林地的土壤有机碳密度最高，而尾叶桉的增幅最大。

1999年和2012年3种林分的土壤有机碳密度均有显著差异(P<0.05)(见图6)，其大小排序均为木荷林地>湿地松林地>尾叶桉林地；1999年时木荷林地的土壤有机碳密度分别是湿地松林地和尾叶桉林地的1.8倍和5.3倍，2012年时则减小到1.6倍和2.6倍。

图5 3种林地不同年份的土壤碳密度比较Fig.5 Soil carbon density of three woodland types in different years

图6 相同年份3种林地的土壤碳密度比较Fig.6 Soil carbon density of three woodland types in the same year

4 结论与讨论

不同造林树种的光合固碳能力和环境适应性不同，导致其在生产力、碳分配和凋落物数量、质量等方面的差异，从而对人工林生态系统的土壤碳汇(源)功能产生不同影响[32-33]。本研究中，木荷林的土壤有机碳密度最大，这与李跃林等[22]研究桉树(Eucalyptus)等5种人工林土壤的碳密度的结论相同。可能是因为木荷为乡土树种，生长旺盛，林下凋落物积累多，土壤微生物较活跃。这说明了乡土树种木荷是优良的土壤碳汇树种[22]。

湿地松林2012年的土壤碳密度是144.39t/hm2，高于广东鹤山地区的湿地松林土壤碳密度(104.61t/hm2)[22]，也高于江西泰和地区的湿地松林土壤碳密度(48.04t/hm2)[19]，但低于中国森林土壤的平均碳密度(193.55t/hm2)[34]。土壤有机碳主要来源于地上部分的枯枝落叶及根系周转产生的碎屑。凋落物的质和量与外界环境因子共同决定了土壤中有机碳的含量[32]。有研究表明，不同森林类型凋落物年产量存在显著差异，针阔叶混交林显著高于针叶纯林[35]。另一方面，不同树种凋落物具有各自不同的化学特性，从而导致其在土壤中的分解速率各不相同[36]。与其他树种特别是与阔叶树种相比，湿地松叶片上的厚角质层阻碍了叶片软组织分解，凋落物中难分解的木质素、单宁、蜡质等物质含量较高[37]，凋落时叶片和小枝一起脱落，难以紧贴地表，影响了凋落物分解，进而影响土壤有机质含量或有机碳的累积。所以湿地松林的碳贮量低于中国森林土壤平均碳密度。

尾叶桉林地土壤碳密度2012年增加到92.03t/hm2，高于广东省桉树人工林0～50mm土层的有机碳碳密度平均值(66.72t/hm2)[38]，但低于本研究中的其他2种林地。相关研究表明，微生物活动影响土壤有机碳的积累[38]。本研究中尾叶桉林地土壤微生物数量低[26]，引起凋落物的分解速率下降，不利于有机碳积累[39]。

3种林分的土壤碳密度2012年与1999年的相比，分别增加了31.36%、169.00%和43.89%。人工林在生长过程中碳贮量不断增长，轮伐期的长短对人工林在固碳有重要影响，延长轮伐期有利于人工林土壤的碳积累[40]。

[1] Houghton R A, Skole D L, Nobre C A. Annual fluxes of carbon from deforestation and regrowth in the Brazilian Amazon[J]. Nature, 2000, 403:301-304.

[2] 于贵瑞.全球变化与陆地生态系统碳循环与碳蓄积[M].北京:气象出版社,2003：275-297.

[3] Batlle Bayer L , Batjes N H, Bindraban P S . Changes inorganic carbon stocks upon land use conversion in the Brazilian Cerrado : Areview[J]. Agriculture , Ecosystems and Environment, 2010, 137:47-58.

[4] 吴仲民,曾庆波,李意德,等.尖峰岭热带森林土壤C储量和CO2排放量的初步研究[J].植物生态学报, 1997,21(5): 415-423.

[5] 吴仲民,曾庆波,李意德,等.尖峰岭热带山地雨林C素库及皆伐影响的初步研究[J].应用生态学报,1998,9(4):341-344.

[6] 王金叶,车克钧,蒋志荣.祁连山青海云杉林碳平衡研究[J].西北林学院学报,2000,15(1):9-14.

[7] 刘建军,王得祥,雷瑞德,等. 火地塘林区锐齿栎林土壤碳循环的动态模拟[J].西北农林科技大学学报：自然科学版, 2003,31(6):14-18.

[8] 刘建军,王得祥,雷瑞德,等.秦岭林区天然油松、锐齿栎林细根周转过程与能态变化[J].林业科学,2002,38(14):1-6.

[9] 刘建军,雷瑞德,吴钦孝,等.秦岭天然油松、锐齿栎林根系——土壤互动效应研究[J].西北林学院学报,2002,17(1):1-4.

[10] 方昕,田大伦,项文化.速生阶段杉木人工林碳素密度贮量和分布[J].林业科学, 2002,38(3):14-19.

[11] 方昕,田大伦,项文化,等. 第二代杉木中幼林生态系统碳动态与平衡[J].中南林学院学报,2002,22(1):1-6.

[12] 邓华平,李树战,何明山,等.豫南不同年龄杉木林生态系统碳贮量及其空间动态特征[J].中南林业科技大学学报, 2011, 31(8): 83-90, 95.

[13] 薛立,薛晔,列淦文,等.不同坡位的杉木林土壤碳储量研究[J].水土保持通报, 2012, 32(6): 43-46.

[14] 方运霆,莫江明.鼎湖山马尾松林生态系统碳素分配和贮量的研究[J].广西植物, 2002, 22(4): 305-310.

[15] 张治军,张小全,王彦辉,等.重庆铁山坪马尾松林生态系统碳贮量及其分配特征[J].林业科学,2009,45(5): 49-53.

[16] 陶玉华,冯金朝, 曹书阁,等.广西沙塘林场马尾松和杉木人工林的碳储量研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2012,40(5):38-43.

[17] 刘世荣,王晖,栾军伟.中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展[J].生态学报,2011, 31(19) : 5437-5448.

[18] 陈青青,徐伟强,李胜功,等.中国南方4种林型乔木层地上生物量及其碳汇潜力[J].科学通报, 2012, 57(13): 1119-1125.

[19] 吴丹,邵全琴,李佳,等.江西中南部红壤丘陵区主要造林树种碳固定估算[J].生态学报,2012,32(1): 0142-0150.

[20] 何启梅. 木荷种植管理技术[J].广东科技. 2011,3(6):37-38.

[21] 薛立,吴敏,徐燕,等.几个典型华南人工林土壤的养分状况和微生物特性研究[J].土壤学报. 2005,42(6):1017-1023.

[22] 李跃林,胡成志,张云,等.几种人工林土壤碳储量研究[J].福建林业科技, 2004,31(4):4-7.

[23] 黄林,周立江,王峰.红壤丘陵区典型植被群落根系生物量及碳储量研究[J].水土保持学报,2009,23(6):134-138.

[24] 薛立,张柔,奚如春,等.华南地区6种阔叶幼苗叶片形态特征的季节变化[J].生态学报,2012,32(1): 123-134.

[25] 曹鹤,薛立,谢腾芳,等.华南地区八种人工林的土壤物理性质[J].生态学杂志,2009,28(4):620-625.

[26] 薛立,邝立刚,陈红跃,等.不同林分土壤养分、微生物与酶活性的研究[J].土壤学报,2003,40(2):280-285.

[27] 薛立,陈红跃,邝立刚.湿地松混交林地土壤养分、微生物和酶活性的研究[J].应用生态学报, 2003 ,14 (1):157-159.

[28] 中国科学院南京土壤研究所.土壤的理化性质分析[M].上海：上海科技出版社,1980.

[29] Hope G D. Effects of mechanical site preparation on soil and foliar nutrients in the drier subzones of the DF, MSand ESSF zones-project 3[M].FRDA Res. Memo 193. BC Min. For., Victoria 1991:50.

[30] Tiessen H, Cuevas E, Chacon P.The role of soil organic matter in sustaining soil fertility [J].Nature, 1993, 371: 783-785.

[31] 王清奎,汪思龙,冯宗炜. 杉木纯林与常绿阔叶林土壤活性有机碳库的比较[J].北京林业大学学报, 2006,28(5):1-6.

[32] Raich J W, Schlesinger W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Tellus, 1992,44B :81-99.

[33] Oostra S , Majdi H, Olsson M. Impact of tree species on soil carbon stocks and soil acidity in southern Sweden[J].Scandinavian Journal of Forest Research,2006,21:364-371.

[34] 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.

[35] 张新平,王襄平,朱彪,等.我国东北主要森林类型的凋落物产量及其影响因素[J].植物生态学报, 2008,32(5):1031-1040.

[36] 闫美芳,张新时,江源,等.主要管理措施对人工林土壤碳的影响[J].生态学杂志,2010,29(11):2265-2271.

[37] 杨玉盛.不同栽杉代数林分生物量的研究[J].东北林业大学学报,1999,27(4):9-12.

[38] 刘姝媛,刘月秀,叶金盛,等.广东省桉树人工林土壤有机碳密度及其影响因子[J].应用生态学报. 2010,21(8):1981-1985.

[39] 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.

[40] Liski J, Pussinen A, Pingoud K, et al. Which rotation length is favourable to carbon sequestration [J] .Canadian Journal of Forest Research, 2001, 31: 2004-2013.

(文字编校：唐效蓉)

Dynamicsofsoilcarbondensityinthreeplantationtypes

HUANG Xianglan, YE Longhua, LU Guangchao, XUE Li*

(College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Soil carbon density was studied inSchimasuperba,EucalypysurophyllaandPinuselliottiiplantations. Results showed that the soil carbon density ofS.superba,E.urophyllaandP.elliottiiwoodlands in 1999 was 181.13 t/hm2, 34.21 t/hm2and 100.35 t/hm2respectively, and that was 237.94 t/hm2, 92.03 t/hm2and 144.39 t/hm2in the three woodland types in 2012 respectively, with the order ofS.superbawoodland>P.elliottiiwoodland>E.urophyllawoodland, among them the indigenous tree speciesS.superbwas the highest. Soil organic carbon density of the three woodlands significantly increased, with the greatest increment in theE.urophyllawoodland.

soil organic carbon; organic carbon density; plantation

2013-04-03

2013-05-10

广东省林业局资助项目“财政支持公益林森林生态效益补偿机制问题研究”(F10008)。

黄香兰(1987-)，女,广西省桂林市人，硕士研究生，主要研究方向为森林培育和树木生理学。

* 为通讯作者

S 714

A

1003-5710(2013)03-0018-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2013. 03. 005