几种人工林土壤碳储量研究

几种人工林土壤碳储量研究
李跃林1,胡成志2,张　云1,3,文锦柱2
(11中国科学院华南植物园,广东广州510650;21广东省鹤山市林业局,广东鹤山529700;
31湖北大学资源与环境学院,湖北武汉430062)
摘要:对鹤山几种不同人工林的土壤碳的研究,结果表明不同植被作用下的土壤碳储量存在差异。

人工林地、草地土壤有机碳含量均随土壤深度增加而减少。

在同一深度不同人工林有机碳含量比较:木荷林土壤最高,大叶相思林土壤最低。

全氮的变化趋势也与有机碳一样,随土壤深度增加而递减。

土壤有机碳储量的计算结果为:柠檬桉105167t ・hm -2,湿地松
104161t ・hm -2,马占相思114162t ・hm -2,大叶相思71149t ・hm -2,木荷127166t ・hm -2,草地89131t ・hm -2。

据此认为,植
树造林是增加土壤有机碳积累的有效措施,其中以营造乡土树种木荷林效果最好。

关键词:土壤有机碳;碳储量;人工林;鹤山
中图分类号:S714 文献标识码:A 文章编号:1002-7351(2004)04-0004-04
Studies of the C arbon Storages of Soils under the Different Kinds of Plantations
L I Yue 2lin 1,HU Cheng 2zhi 2,ZHANG Yun 1,3,WEN Jin 2zhu 2
(1.South China Institute of Botany ,CAS ,Guangzhou 510650,China ;2.Heshan Forestry Bureau ,Heshan 529700,China ;3.Resource and Environment College ,Hubei University ,Wuhan 430062,China )
Abstract :The study results of carbons of soils under some different kinds of plantations in Heshan showed that the differences of carbon storages of soils existed under the actions of different kinds of plantations.The soil organic carbon contents of plantation lands and grassplots decreased with the increase of soil dee pness.The content comparison results of organic carbons at the same deep under different plantations showed that the organic carbon content of soil under Schim a superba forest was highest ,that of soil un 2der Acacia auriculaef ormis forest was lowest.The total nitrogen content changing tendency was the same as the tendency of or 2ganic carbon content.The calculated result of soil organic carbon reserve was the following :the soil organic carbon reserve of forest land of Eucalyptus cit riodora 105.67t ・hm -2,that of Pinus elliotu 104.61t ・hm -2,that of Acacia m angium 114.62t ・hm -2,that of Acacia auriculaef ormis 71.49t ・hm -2,that of Schim a superba 127.66t ・hm -2,that of grassplot 89.31t ・hm -2.Accord 2ing to the above ,this paper concluded that the afforestation was the effective measure for increasin g the soil organic carbon accumu 2lation ,the effect of planting the indigenous tree species S.superba was best.K ey w ords :soil organic carbon ;carbon reserve ;plantation ;Heshan
由于石化燃料的使用和土地利用的变化,80年代全球人为平均释放到大气中的碳是711±111PgC ・Y -1(1Pg =1015g )[1],为了寻求CO 2的源与汇,土壤已被视为丢失汇(missing sink )的候选者,土壤作为陆地有机碳的最大库,它和大气组分、气候及植被变化相互作用强烈,人类预测和改善全球变化的后果的能力部分地依赖于对土壤有机碳的分布与控制的较完善的理解,及对植被变化可能影响土壤有机碳分布深度的理解[2]。

适合的土地资源管理形式,持续土壤碳吸存(sequestration )的经营抉择,最终可达到以稳定腐殖质形式提高土壤对大气CO 2的吸存[3],基于目前科学研究的认识,在我国南亚热带探讨不同人工林类型林地土壤碳的变化动态对全球区域环境变化的研究来说意义重大。

本文以中国科学院鹤山丘陵综合试验站的几种人工林的土壤和对照草地土壤为研究对象,对其不同树种人工林的土壤碳储量进行了研究,以期探索土地经营中土壤碳吸存的响应,了解土地利用抉择对大气CO 2的浓度的影响。

　收稿日期:2004-02-16;修回日期:2004-08-12　基金项目:国家自然科学基金项目(编号:30200035)、中国科学院知识创新项目(KZCX2-407)、及中国科学院鹤山开放
基金共同资助
　作者简介:李跃林(1970-),男,湖南邵阳人,中国科学院华南植物园博士,从事土壤生态、植被生态及生态系统全球变化
研究。

第31卷第4期2004年12月
福建林业科技
Jour of Fujian Forestry Sci and Tech
Vol 131　No 14Dec 1,2004
1　试验地概况
试验地位于中国科学院鹤山丘陵综合试验站(以下简称鹤山站),属广东省南亚热带粤中丘陵区,东经112°54′,北纬22°41′。

试验区为低丘地势,山脊平圆,坡面平缓,最高峰98m 。

气候温暖、多雨。

年平均气
温2117℃,最热月均温2912℃,最冷月均温1216℃,年平均日照时数179718h ,年均太阳辐量为435417MJ ・m -2・a -1。

年平均降水量为180111mm ,其分布有明显的干湿季。

该区年蒸发量为163818mm ,每年还有数次台风或热带风暴。

土壤酸性较强,质地较粘,有机质含量大都为0156%～1164%[4]。

该地区历史上为森林地带,顶极群落是亚热带季风常绿阔叶林。

但由于不断增长的人类活动的影响,造成植被退化、水土流失、土壤瘠瘦和水源枯竭。

人为活动的干扰,许多地方退化为亚热带草坡,立地环境基本一致。

自1984年起,鹤山站先后营造了多种类型的人工林,主要造林树种有乡土树种(木荷Schi m a
superba 、红荷S 1w allichii Choisy 、红锥Castanopsis hickelii 和阴香Ci nnamom um burm anii 等)、相思类树
种、桉树(Eucalypt us )和松类树种等[5]。

为了提高研究的可比性,保证种植地的立地环境基本一致,各类型林分均分集水区种植,且分布在试验地总体为低丘和较为平坦的小范围内。

再者为了对照,并设立了一个草坡集水区。

经营措施主要是前期进行幼林抚育,保证成林,成林后自然生长,尽量避免人为干扰。

其中近20a 进行了植被恢复过程研究、造林绿化树种筛选等研究,为当地纯针叶林的改造建立示范模式,其中复合农林生态系统模式已广泛推广,获得了良好的经济、生态、社会效益[6]。

2　研究方法
211　土壤C 、N 理化性质指标测定
按照参考文献[7]相关方法进行。

212　样地的设置及取样方法
在每种林分或植被的固定样地中设置本次试验的样地,并补充临时样地。

在每个样地中挖取土壤剖面3个,并分层取样;考虑固定样地是本试验站的长期样地,不宜进行大采样,于是用土钻法补充取样,每个样地随机取9管,分层用布袋收集样品。

在取样过程中,将同一层次的样品混合,取混合样。

213　土壤碳储量测定
挖土壤剖面100cm 深,上层50cm 每10cm 取一个土样,以后25cm 一个土样。

土样在室内自然风干后过2mm 筛,用玻璃瓶或塑料瓶密封存放,备作化学分析(有机碳含量或有机质含量)。

同时用环刀法每10cm 取一个容重样,带回室内测定土壤容重。

数据处理方法[8]:100cm 土层C 储量S (t ・hm -2)采用以容量di (g ・cm -3)、含量Ci (g ・kg -1)及每层土厚度Di (cm )进行计算,公式为:
S =∑7
i =1
(C i ×d i ×D i )　式中i 为土壤层次。

3　结果与讨论
311　人工林林地及草地土壤有机碳含量
鹤山站整个林地面积虽然只有130多hm 2,土壤成土母岩也均属砂页岩。

但经过近20a 的植被改造,由于植被———土壤———人为活动的共同干预,不同植被下的土壤理化成分已有差异,有机碳含量及碳储量上已具有不同特征。

对林地土壤C 、N 理化性质的测定(见表1),由表1及相应图1可知,土壤在不同植被的作用下,表土层均表现为有机碳与全氮含量相对较高,但随土壤深度的增加相应降低。

根据对不同植被下土壤有机碳含量方差分析和多种比较可得到如下结果(表2、表3):木荷林土壤与大叶相思林、湿地松林、柠檬桉林及草地土壤的有机碳含量差异显著;大叶相思林土壤与其它林分及草地土壤的有机碳含量差异显著;湿地松与柠檬桉林分土壤、草地、马占相思林土壤差异不显著。

结合实测数
・
5・第4期李跃林,等:几种人工林土壤碳储量研究
据,乡土林、木荷林表现出最高的有机碳水平,而大叶相思林土壤则表现出最低的有机碳水平,这可直观地从图1中看出。

表1　人工林及草地土壤剖面有机碳和全氮含量
土壤深度
/cm
土壤容重/g ・cm -3
柠檬桉
湿地松
马占相思
大叶相思
荷 木
草 地
SOC
TN
SOC
TN
SOC
TN
SOC TN
SOC
TN
SOC
TN
0～10112719103114719190115821140117216101113322151118018127113610～2011521212411071214101981212411196173016414185113014110110720～301152718901707131016971710173510301541018501988170017730～40114961500170516001567137016341890151810601797166016340～50115251140154419401556150015941480144711901716196015550～7511545104014441610151417401462173013616701704188014875～100
1152
3169
0141
4115
0145
4173
0151
2128
0125
3100
0133
2181
0129
　3:SOC 代表有机碳含量,TN 代表全氮含量,单位均为g ・kg -1。

图1　不同人工林及草地有机碳变化比较
另由差异显著性分析可知,不同植被下的土
壤中全氮的差异性,其表现形式也基本上与有机碳的表现形式一样,仅不同的一点是,马占相思与柠檬桉林下土壤的全氮含量差异不显著,而有机碳含量差异显著,这与有机碳与全氮的相关一致性是相吻合的。

由相关分析可得,林地有机碳含量与全氮呈极显著相关(相关系数为01991;n =42,R 01001=01925),其直线回归方程为:SOC =131446TN -010171。

这也表明了土壤有机碳与全氮含量关系
密切,土壤有机质含量高,有利于土壤养分氮素的增加。

312　林地、草地土壤有机碳储量
根据以上试验数据,运用前述公式,分别对各种土地利用方式的土壤有机碳储量土层1m 深度进行计算,有如下结果:柠檬桉105167t ・hm -2,湿地松104161t ・hm -2,马占相思114162t ・hm -2,大
表2　各不同林地有机碳含量的方差分析
误差来源Ⅲ型离差平方和
自由度F 0105
P
总模型0111811871860100林地类型
01008
5
121290100
叶相思71149t ・hm -2,木荷127166t ・hm -2,草地为89131t ・hm -2(图2)。

表3　有机碳含量均值Duncan 多重比较
林地类型大叶相思林
湿地松林
柠檬桉林
草地
马占相思林
木荷林
平均值0106020108417010850401090540109241011045标准误010040100401004010040100401004差异显著性
c
b
b
b
ab
a
　3:含有相同字母者表示α=0105水平上差异不显著。

森林土壤中的有机碳主要来源于森林动植物的残体和森林枯枝落叶经微生物分解转化和化学淋溶。

由于土地利用方式的不同,在各种类型植被系统的综合作用下,立地环境产生了较大差异,在林地中,森林植物根系较草本远远发达,对土层影响的深度远超过其它土地类型,且森林凋落物保护完整,没有人为破坏,其土壤中的动物、微生物种类和数量丰富,因而表现出高的土壤碳储量。

在本研究中柠檬桉、湿地松、马占相思及木荷林土壤其土壤有机碳储量均高于草地有机碳储量。

但大叶相思林土壤碳储量则低于草地有机碳储量,这主要有以下原因:一是该立地的土壤石砾较多,土层较薄。

如在选取土壤剖面时,曾碰到无法挖到1m 深度的样点,为了保证取样的准确性,只好另选样点的情况;最重要的原因是大叶相思在本试
・6・福建林业科技第31卷
图2　不同人工林土壤有机碳储量比较
验区不是适地树种,已从本站相关对照试验得到证明。

目前该区大叶相思林分已砍伐,正在进行乡土树种林分改造试验。

值得注意的是,在本研究中乡土树种木荷林土壤具有最大土壤有机碳储量,原因可归结为木荷为适地适树的树种,生长旺盛,林下凋落物积累多,土壤微生物及动物活跃。

这说明了乡土树种在本试验区是最具有潜力的土壤碳改良树种。

4　结语
由以上分析可知,不同植被下的土壤,在一定
程度上存在碳储量的差异,总体表现为人工林土壤碳储量大于草地的碳储量,其中以乡土树种木荷林土壤有机碳的储量最大。

这在一定程度上给予我们一个结论,森林植被特别是乡土树种的营造有利于碳的积累,应当重视植树造林及对人工林的抚育管理[9]。

同时必须看到我国天然林中乡土树种的作用,高度重视天然林保护的重要性,各级政府和森林管理者应该把天然林保护的措施落到实处,为保护环境和缓解大气CO 2浓度的上升做出实际行动。

关于土壤碳储量的计算,由于土壤容重的差别可能导致有机碳含量不高的林地或草地,其碳储量反而高于有机碳含量较高的林地或草地,于是可能会误解为在南亚热带植树造林的效果不一定有利于土壤碳的储存,不如丢荒为草地。

因此在研究中要考虑该容重因素,以动态测定中的碳储量的增量作为测定判别的依据。

本文研究的草地有机碳含量并不最低,如果要跟踪不同植被类型的土壤碳储量必须依靠长期动态监测。

由于成土母岩、小气候、植被等综合因素的作用,不同的植被应该有不同的土壤固定碳的能力,但是这种固定碳的过程是缓慢的,且其积累碳或许在某一条件下又会以一种较快的方式返回大气圈[10]。

这就是说,森林植被保护虽然是一项有效对策,并不意味它是一个一劳永逸的办法,而应遏制CO 2排放的源头才是降低CO 2的温室效应的根本。

参考文献:
[1]Schimel D.S.Terrestrial ecosystems and the carbon cycle[J ]1G lobal Change Boil ,1995,(1):77-91.
[2]Jobb ágy ,Esteban G.,Jackson ,Robert B.The vertical distribution of soil or ganic carbon and its relation to climate and vegeta 2tion[J ]1Ecological Applications ,2000,10(2):423-4361
[3]Batjes N.H.Mitigation of atmos pheric CO 2concentrations by increased carbon sequestration in the soil [J ]1Biol Fertil S oils ,1998,27:230-235.
[4]余作岳,彭少麟1热带亚热带植被恢复生态学[M ]1广州:广东科技出版社,199611-51[5]彭少麟1南亚热带森林群落动态学[M ]1北京:科学出版社,1996124-291
[6]彭少麟1中国南亚热带退化生态系统的恢复及其生态效应[J ]1应用与环境生物学报,1995,1(4):403-4141[7]中科院南京土壤研究所1土壤理化分析[M ]1上海:上海科学技术出版社,19781
[8]吴仲民,曾庆波,李意德,等1尖峰岭热带森林土壤C 储量和CO 2排放量的初步研究[J ]1植物生态学报,1997,21(5):416-4231
[9]李克让,陈育峰,刘世荣,等1减缓用适应全球气候变化的中国林业对策[J ]1地理学报,1996,51(增刊):109-1191[10]Allen ,A.S.,Andrews ,J.A.,Finzi ,A.C.et al.E ffects of free -air CO 2enrichment (FACE )on belowground processes in a Pi 2
nus taeda forest [J ]1Ecological Applications ,2000,10(2):437-448.
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7・第4期李跃林,等:几种人工林土壤碳储量研究。