密云水库上游流域不同林分土壤有机碳分布特征

密云水库上游流域不同林分土壤有机碳分布特征
王淑芳;王效科;张千千;肖钦;罗云建;杨乐;欧阳志云
【摘要】在全球气候变化背景下,森林土壤有机碳库作为全球土壤碳库的重要组成部分,已成为全球碳循环研究的重点之一.以密云水库上游流域天然次生山杨(Populus davidiana.Dode)、白桦(betula platyphylla Suk.)混交林、天然次生辽东栎(Quercus wutaishanica Blume)林、人工华北落叶松(Larix Principis-rupprechtii Mayr.)林、人工油松(Pinus tabulaeformis Carr.)林和灌丛等5种典型林分为研究对象,选取典型样区,进行密集采样和试验分析,探讨了不同林分土壤有机碳质量分数和密度的分布特征.结果表明:在整个土壤剖面上(0～40 cm),不同林分土壤有机碳质量分数和密度大小顺序均为:杨桦林>辽东栎林>灌丛>落叶松林>油松林,总体上呈现出随土地利用强度和人为干扰程度增加而降低的变化趋势,即天然次生林比人工林更有利于土壤有机碳的储存和积累;不同林分类型土壤有机碳质量分数和密度均在表层(0～10 cm)最大,并随着土层深度的增加呈下降趋势,剖面分布差异明显;此外,不同林分在0～20 cm土层中的单位而积土壤有机碳储量均占其剖而总储量的57%以上,即土壤有机碳富集在0～20 Cln深的表层土体中.因此,为增加森林土壤固碳,应加强对天然次生林的保护,减少人类活动对森林及其表土层的干扰.
【期刊名称】《生态环境学报》
【年(卷),期】2010(019)011
【总页数】5页(P2558-2562)
【关键词】密云水库上游流域;土壤有机碳;林分类型;土层
【作者】王淑芳;王效科;张千千;肖钦;罗云建;杨乐;欧阳志云
【作者单位】中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心北京城市生态系统研究站,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085
【正文语种】中文
【中图分类】X144
陆地土壤是全球最大的碳库，总碳储量约为2500 Pg，分别是大气碳库(760 Pg)的3.3倍和生物碳库(560 Pg)的 4.5倍，其中土壤有机碳储量约为1550 Pg，占陆地生态系统碳库的2/3[1]。

土壤有机碳是反映土壤质量和土壤健康的一个重要指标，直接影响着土壤中的物理、化学和生物过程以及土壤肥力和土地生产力[2]。

另一方面，土壤有机碳受土壤微生物的分解作用，以CO2等温室气体的形式向大气释放碳，对全球气候变化产生影响。

由于土壤有机碳库容量巨大，其较小幅度的变化即可能导致大气CO2浓度较大幅度的波动，因而在全球碳循环中具有重要地位[3-4]。

森林土壤碳储量为全球土壤碳储量的73%[5]，是全球碳循环的重要组成部分，其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡[6]。

森林土壤碳储量及空间分布已成为全球碳循环研究的热点问题。

不同森林生态系统的土壤有机碳储量受植被类型和气候、地形等因素的影响具有较高的变异性。

研究不同植被条件下森林土壤
有机碳质量分数和密度的分布特征，可为估算区域森林土壤碳库提供基础数据，也有助于制定增加土壤碳储量的可持续的森林经营管理措施。

密云水库位于京郊密云县城北山区，是华北地区最大的水库，也是北京市最重要的地表水水源地。

受自然条件和密云水库特殊保护政策的影响，密云水库上游流域的土地利用方式以生态保护型林地为主，森林覆盖率达到49%以上，因此，森林土壤碳库在该区域碳平衡中具有重要地位。

本文选取天然次生山杨(Populus davidiana Dode)、白桦(Betula platyphylla Suk.)混交林(简称杨桦林)、天然次生辽东栎(Quercus wutaishanica Blume)林(简称辽东栎林)、人工华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr.)林(简称落叶松林)、人工油松(Pinus tabulaeformis Carr.)林(简称油松林)和灌丛等5种典型林分为研究对象，通过对典型样区密集采样和实验分析，研究流域内不同林分土壤有机碳的质量分数和密度及其分布特征，以期掌握该流域的森林土壤有机碳存储情况，为流域森林管理和生态建设提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况
密云水库上游流域(即密云水库以上潮白河流域)地处40°19′—41°31′ N、115°25′—117°33′ E之间，由注入密云水库的潮河和白河两大水系组成，总流域面积15788 km2，约占潮白河流域总面积的88%。

流域辖区主要涉及河北省的赤城县、沽源县、丰宁满族自治县、滦平县以及北京市的密云县、怀柔区、延庆县等区县，流域面积的2/3在河北省境内，1/3在北京市境内。

流域处于内蒙古地轴东段和燕山台褶带上，地势西北高、东南低，西北部以海拔1000~2290 m的中山为主，东南部大多为低山、丘陵和部分平原。

流域内气候垂直分布明显，以马营、独石口为界划分为2个气候带，即北部的中湿带半干旱森林草原气候带和南部的暖湿带半湿润山地气候带，多年平均降水量为488.9 mm，降水分布从东南向西
北递减。

土壤类型以淋溶褐土(28%)、棕壤(26%)、褐土性土(18%)和石灰性褐土(12%)为主，林地土壤土层较薄，厚度多集中在20~40 cm。

1.2 土壤样品采集与分析
采样于2009年8—9月份进行，在各种林分类型较集中分布的国有林场、森林公园和村集体林内分别设置典型样方，在各样方内按照S型布点方式布设3个采样点，每个样点按实际土壤厚度挖取土壤剖面，设置0~10 cm、10~20 cm和
20~40 cm3个层次(灌丛采样点不足40 cm深，分0~10 cm和10~20 cm 2个层次），以每层3个样点混合的方式采集土壤混合样。

共计79个样方，237个采样剖面，227个样品(各林分土壤样品数详见表1)。

另外每层采用环刀(容积100 cm3)取土测量土壤容重，3个重复。

土样带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，以四分法取样并过2 mm 筛，移出砾石和根系并称重，之后再过100目筛备用。

土壤有机碳质量分数采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[7]，土壤容重采用环刀法测定。

1.3 土壤有机碳密度的计算
土壤有机碳密度是指单位面积上一定深度的土层中土壤有机碳的储量，是土壤有机碳储量估算的一个主要参数，其本身也是反映土壤特性的一项重要指标[8]，一般认为土壤有机碳密度是由土壤有机碳质量分数、>2mm砾石体积百分比和土壤容重共同决定的。

土壤剖面内某一土层i的土壤有机碳密度 SOCdi（kg·m-2）计算公式为[9]：
如果某一土体的剖面由k层组成，则该剖面的土壤有机碳密度SOCd(kg·m-2)计算公式为：
式中，Ci为第i层土壤有机碳质量分数(g·kg-1)，
Bi为第i层土壤容重(g·cm-3)，Di为第i层土层厚度(cm)，δi为第i层土壤中>2 mm的砾石体积百分比。

第i层单位面积土壤有机碳储量占剖面总有机碳储量的百分比Ri按照下式计算：
1.4 数据分析
数据采用Microsoft Office Excel 2003软件进行汇总分析，采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析，在α=0.05显著水平上采用LSD法进行均值多重比较。

2 结果与分析
2.1 不同林分土壤有机碳质量分数及其分布特征
土壤有机碳质量分数由进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的输出决定[10]。

不同的林分类型，地表植被覆盖、土地经营活动以及人为干扰程度不同，直接影响土壤有机物质的输入和输出，进而影响土壤有机碳的质量分数。

由表1可见，不同林分类型下土壤有机碳质量分数存在明显差异，在0~40 cm土体中，杨桦林平均土壤有机碳质量分数最高，达34.38 g·kg-1；辽东栎林和灌丛次之，均大于25 g·kg-1；再次为落叶松林；油松林最低，其土壤有机碳质量分数不到杨桦林的1/3。

在各土层中，均以杨桦林土壤有机碳质量分数为最高和油松林土壤有机碳质量分数为最低。

进一步的方差分析表明，在各土层中，杨桦林、辽东栎林和灌丛的土壤有机碳质量分数均显著高于落叶松林和油松林(P<0.05)，由此可见，研究区域内天然次生林的土壤有机碳质量分数显著高于人工林。

这主要与两方面的因素有关。

一方面，植被的凋落物和根系分泌物是土壤有机碳的主要来源，因此，植被类型可直接影响土壤有机碳质量分数，不同林型产生的凋落物不同，导致其土壤有机碳质量分数不同。

天然次生的杨桦林生长年限最长，郁闭度最高，凋
落物厚度最大，分解后回归土壤的有机质也最多，因而其有机碳质量分数最高。

天然次生辽东栎林郁闭度也较高，但凋落物厚度比杨桦林小，而灌丛土壤土层较薄，二者的土壤有机碳质量分数均低于杨桦林。

人工华北落叶松林和油松林则由于其凋落物和根系分泌物较难分解转化[11-12]，由凋落物和细根腐解归还的有机物质较少，导致其土壤有机碳质量分数较低。

另一方面，受人类经营活动的影响，不同林分类型的土壤有机碳质量分数也会有所差异。

研究表明，天然次生林由于不受或少受人为干扰，不断累积的凋落物有效覆盖土壤表层，不仅降低了土壤表层有机质的氧化分解，减缓了土壤的呼吸强度，也降低了由水土流失造成的有机碳损失，而人工林由于受种植、采伐、炼山、整地、除草等经营活动的影响，土壤人为扰动频繁且强烈，使土壤透气性增强，促进了微生物活动而加速了有机质的分解[13-14]。

研究区域内的人工华北落叶松林和油松林种植时间为20~30年，均小于天然次生杨桦林和辽东栎林的生长年限，且受种植、采伐等人为干扰较强，因而其土壤有机碳质量分数远远小于杨桦林、辽东栎林和灌丛。

总体上，不同林分土壤有机碳质量分数呈现出随土地利用强度和人为干扰程度增加而降低的变化趋势，天然次生林比人工林更有利于土壤有机碳的储存和积累。

表1 不同林分类型的土壤有机碳质量分数Table 1 Soil organic carbon content of differe nt forest types g·kg-1表中数据为平均值±标准误，每行中相同大写字母表示不同土层间差异不显著（P>0.05），每列中相同小写字母表示不同土地利用类型间差异不显著（P>0.05），下同林分类型样品数 0～10 10～20 20～40 平均值土壤剖面/cm山杨/白桦混交林21 45.71±4.98aA 33.48±4.04aAB 23.96±2.93aB 34.38±2.59a辽东栎林60 34.09±7.15aA 26.61±6.33aA 20.39±4.96aA 27.03±3.63a华北落叶松林45 15.45±2.07bA 12.71±2.10bA 10.27±2.04bA 12.81±1.21b油松林81 14.87±1.13bA
9.80±0.78bB 7.30±0.74bB 10.66±0.62b灌丛20 26.91±3.90aA
24.50±1.75aA —25.70±2.05a
在土壤剖面上，各林分类型的土壤有机碳质量分数分布规律一致，均以表土层
(0~10 cm)最大，且随土层深度的增加呈现下降的趋势。

这一方面是由于地表凋落物的积累和分解使得土壤表层有机质具有稳定而丰富的来源；另一方面则与植物根系的分布格局密切相关[15]，即植物根系在土壤表层的分布数量多且范围广，但随着土层深度的增加，水分和营养物质向下输送受到限制，根系分布呈现出递减的趋势，深层土壤中的有机质也相应减少。

2.2 不同林分土壤有机碳密度及其分布特征
土壤有机碳密度计算通常以1 m深土层为标准，但由于土壤发育的情况有所差异，并非所有土壤的厚度都能达到1或1 m以上，所以在实际调查和计算中应以实际
土壤厚度为准。

本文以40 cm土层厚度为计算基准，不同林分土壤各层及剖面总
的土壤有机碳密度估算结果见表3。

土壤有机碳质量分数和土壤容重是决定土壤有机碳密度大小的2个重要参数。

不
同植被类型中，植物根系分布、凋落物分解程度以及人为干扰等因素不同，致使土壤有机碳质量分数及土壤容重随之发生变化，因而土壤有机碳密度也随之出现差异。

由表3可知，0~40 cm土层中，杨桦林土壤有机碳密度最大，其次为辽东栎林，再次为灌丛和落叶松林，油松林最小，这与各林分0~40 cm平均土壤有机碳质量分数的大小排序相同，并且在 10~20和20~40 cm土层，各林分土壤有机碳密度的大小关系也与相应层次的土壤有机碳质量分数相同。

而在表层0~10 cm，灌丛
土壤有机碳密度最大，并且高于其他林分土壤各层10 cm厚度的有机碳密度，这
除了与灌丛表层土壤有机碳质量分数丰富有关之外，可能还与其表层土壤容重最大有关(见表2)。

在土壤剖面上，各林分土壤有机碳密度均在表层(0～10 cm)最大，并且各层10 cm厚度的有机碳密度均随着土层深度的增加而逐渐减小，与各林分
土壤有机碳质量分数的剖面分布规律一致。

表2 不同林分类型的土壤容重Table 2 Soil bulk density of different forest types g·cm-3土地利用类型 0~10 10~20 20~40土壤剖面深度/cm山杨、白桦混交林0.92±0.05bA 1.07±0.04bAB 1.12±0.05bcB辽东栎林
0.96±0.08abA 1.08±0.08abA 1.09±0.07bA华北落叶松林1.33±0.05aA
1.34±0.04aA 1.37±0.06abA油松林1.30±0.03aA 1.35±0.03aAB
1.40±0.03aB灌丛1.41±0.09aA 1.28±0.06abA —
表3 不同林分类型的土壤有机碳密度Table 3 Soil organic carbon density of different forest types kg·m-2土壤剖面/cm土地利用类型 0～10 10～20 20～40 0～40山杨、白桦混交林3.77±0.26aAB 3.27±0.29aA 4.95±0.44aB 11.99±0.88a辽东栎林2.98±0.42abA 2.63±0.48abA 4.06±0.75abA
9.67±1.62ab华北落叶松林1.97±0.22bA 1.61±0.22bA 2.62±0.43bA
6.20±0.83b油松林1.90±1.36bA 1.30±0.09bB 1.99±0.18bA 5.19±0.34b灌丛4.32±0.47aA 2.27±0.53abB —6.59±0.61b
2.3 不同林分土壤有机碳储量的剖面分布
根据公式(3)计算5种林分不同土壤层次单位面积有机碳储量占剖面土壤有机碳总
储量的百分比。

由图1可知，0~10 cm各林分土壤有机碳储量百分比大小顺序为：灌丛(65.55%)>油松林(36.61%)>落叶松林(31.77%)>杨桦林(31.44%)>辽东栎林(30.82%)，平均为39.24%；10~20 cm各林分土壤有机碳储量百分比大小顺序为：灌丛(34.45%)>杨桦林(27.27%)>辽东栎林(27.20%)>落叶松林(25.97%)>油松林(25.05%)，平均为27.99%；20~40 cm各林分土壤有机碳储量百分比大小顺序为：落叶松林(42.26%)>辽东栎林(41.99%)>杨桦林(41.28%)>油松林(38.34%)，平均为40.97%。

由此可见，各林分土壤有机碳主要存储于 0~20 cm 土层中，其在整个剖面土壤有机碳储量中所占的比重均大于57%，并且随着土层的加深，各林分
土壤有机碳所占比重均呈下降趋势。

这主要是由于随着土层深度的增加，植被凋落
物和根系数量减少，土壤容重增加、水分减少、透气性变差，微生物分解的活性减弱，从而导致土壤有机碳储量下降[16]。

图1 不同林分类型土壤有机碳储量剖面分布Fig.1 Profile distribution of soil organic carbon storage in different forest types
3 结论
（1）不同植被条件下，由于受气候、地形、土壤理化性质、土壤微生物、植被凋落物和根系分布以及人为活动的影响，土壤有机碳质量分数和密度均存在明显差异。

在整个土壤剖面上(0~40 cm)，不同林分土壤有机碳质量分数和密度大小顺序均为：杨桦林>辽东栎林>灌丛>落叶松林>油松林，总体上呈现出随土地利用强度和人为干扰程度增加而降低的变化趋势，即天然次生林比人工林更有利于土壤有机碳的储存和积累。

因此，在密云水库上游流域，从维护森林生态系统可持续发展和增加森林土壤固碳的角度而言，应提倡维护森林种群多样性，保护天然次生林，减少人为活动干扰。

（2）不同林分类型土壤有机碳质量分数和密度在剖面上的分布具有明显的层次性，均在表层(0~10 cm)最大，具有明显的“表聚作用”[17]，并沿土壤剖面的延伸呈下降趋势。

（3）不同林分类型在0~20 cm土层中的单位面积土壤有机碳储量均占其剖面总
储量的57%以上，即土壤有机碳富集在20 cm深的表层土体中，这意味着土壤有机碳库受地表人类活动的影响非常大，应避免因不合理的人为活动破坏地表、引发水土流失而导致的土壤有机碳储量减少。

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