亚热带日本落叶松中、幼龄林土壤有机碳密度和分配特征

马丰丰, 张灿明, 罗 佳, 牛艳东, 吴天乐

(湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004)

亚热带日本落叶松中、幼龄林土壤有机碳密度和分配特征

马丰丰, 张灿明*, 罗 佳, 牛艳东, 吴天乐

(湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004)

本文基于32块样地土壤数据，对亚热带日本落叶松中、幼龄林的土壤有机碳密度及其分配特征进行了分析，结果发现：(1)中龄林的有机碳含量、有机碳密度明显高于幼龄林；(2)混交林的有机碳含量、有机碳密度明显高于纯林；(3)0～80cm的土壤有机碳密度为172.25t/hm2。有机碳主要集中在表土层0～20cm处，此表土层有机碳密度分别是土层20～40cm、40～80cm的175.21%、129.52%。在土层相同的情况下，随着土壤深度的增加，其土壤有机碳密度呈下降趋势；(4)与适宜亚热带地区生长的造林树种——杉木相比，日本落叶松林的土壤有机碳含量、土壤有机碳密度均明显高于20年生杉木人工林，说明日本落叶松林土壤的固碳能力大于杉木人工林，从侧面也反映了同样作为亚热带地区的造林树种，日本落叶松林要优于杉木人工林。

日本落叶松；土壤有机碳含量；土壤碳密度；碳分配特征；中、幼龄林；亚热带

森林的碳汇作用在应对全球气候变化和节能减排方面所做的贡献已有目共睹，并备受世界各国政府和科学家关注。森林本身是一个巨大的碳库，约占全球植被碳库的86%以上，而且森林土壤碳库也很大，约占全球土壤碳库的73%，在全球碳平衡中起着举足轻重的作用[1]。近年来，很多研究者[2-3]致力于陆地生态系统土壤碳库方面的研究，国内研究者[4-5]在土壤碳库方面的研究取得了一些进展，如周玉荣等[4]在广泛收集资料的基础上，对我国主要森林类型的土壤碳库进行了估算，研究结果发现土壤碳密度约是植被碳密度的3.4倍，随纬度的升高而增加，从而间接说明了土壤碳库在整个陆地生态系统碳库中的份量。

日本落叶松(Larixkaempferi)原产日本，具有生长迅速、抗性强、干形通直、材质优良、树形高大等特点，是建筑、造船、车辆、家具等的优良用材。日本落叶松在我国的生长适应范围比较广，是亚热带地区中山山地的重要造林树种，但其土壤有机碳方面尚未有人进行系统的研究，本文拟在样地调查的基础上，对亚热带地区日本落叶松中、幼龄林的土壤有机碳密度和分配特征进行初步研究，以丰富人们对其规律性的认识。

1 研究地概况

研究地分设于湖北省建始县长岭岗林场、高岩子林场、宜昌市大老岭林场、湖南省龙山县万宝山林场、洛塔林场、重庆市巫山县梨子坪林场等地。土壤为山地黄壤和黄棕壤，海拔1100～1900m,土层厚度1m左右，土质疏松、肥力高，pH值为4～6。气候属亚热带季风气候，年均气温7.9～10.6℃，极端低温-8.0℃，极端高温34.2℃，全年无霜期170d左右，年降水量1400～1600mm，年均相对空气湿度85%。

研究地日本落叶松林主要以中龄林、幼龄林为主，以20年为基准，10年一个龄组，日本落叶松林可以划分为如下几个龄组：林分年龄<20年为幼龄林，20～30年为中龄林，31～40年为近熟林，41～50年为成熟林[6]。

2 研究方法

2.1数据来源

数据来源于2008年调查的32块样地的土壤数据，样地面积为600m2，主要测定了海拔、坡度、坡位、坡向、树高、胸径、郁闭度、土层厚度、林分密度等因子，样地类型涵盖了日本落叶松中、幼龄林纯林、针阔混交林的所有类型，如表1所示。每个样地挖取一个土壤主剖面与副剖面，记录土壤厚度、采样地点等。然后，在样地内“S”形设置或对角线设置9个采样点，分别按0～10cm、10～20cm、20～40cm及40～80cm分层混合取样，测定土壤容重和土壤有机碳含量。因此，我们对亚热带日本落叶松中、幼龄林的土壤有机碳贮量的估算限定在表土层80cm的深度范围内，对于土层不足和超过80cm的均按80cm计算。

表1 日本落叶松中、幼龄林基本情况表龄组林分类型样地数量年龄区间(年)林分密度(株/hm2)平均胸径(cm)平均树高(m)幼龄林纯林14 8～20 350～271713.212.5混交林212～191150～135019.621.1中龄林纯林721～29 350～118320.219.3混交林921～29 567～100021.918.9

2.2实验方法

土壤容重采用土壤环刀法测定，土壤有机碳含量采用重铬酸钾-水合加热法测定[7]。

2.2数据处理软件

采用SPSS16.0和EXCEL2007软件进行数据处理。

2.3土壤有机碳密度计算方法

碳密度是指单位面积的碳贮量，一般用t/hm2表示[8]，本文所研究的土壤有机碳密度是各土壤剖面的土壤容重、有机碳含量与土壤实际厚度三者的乘积(仅指土壤颗粒直径<2mm部分的有机碳含量，不包括地表现存凋落物层等)，如公式(1)所示：

土壤有机碳密度=土壤容重×有机碳含量×土壤实际厚度

(1)

3 结果与分析

3.1土壤有机碳含量

日本落叶松中、幼龄林土壤有机碳含量随着土壤深度的增加而减少，其0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～80cm四个土壤层总平均值为4.82%、3.46%、2.32%和1.60%，其中，10～20cm、20～40cm、40～80cm土壤层总平均有机碳含量分别是0～10cm土壤层的71.84%、48.15%、33.16%。

日本落叶松林分配置模式不同，其同一土层的有机碳含量不同(如图1所示)。虽然，总体趋势是日本落叶松针阔混交林、纯林土壤有机碳含量随着土壤深度的增加而减少，但混交林土壤有机碳含量0～10cm、10～20cm、20～40cm三个土层均比纯林高，分别为纯林对应土层的1.19、1.01、1.05倍。可见，混交林、纯林0～10cm土层有机碳含量差异显著，10～20cm、20～40cm土层有机碳含量差异较小。由此可知，日本落叶松中、幼龄林纯林、针阔混交林土壤有机碳含量的差异主要表现在0～10cm土层。

图1 日本落叶松混交林、纯林土壤有机碳含量

日本落叶松林分年龄不同，其土壤有机碳含量不同，总体趋势是随着林分年龄的增长，同一土层的土壤有机碳含量增加。同一年龄阶段，土壤有机碳含量随着土壤深度的增加而减少(见图2)。

图2 日本落叶松中、幼龄林土壤有机碳含量

日本落叶松林的土壤有机碳含量随着坡向的变化而变化(见图3)。其平均值的总体趋势是：阴坡>半阳坡>阳坡>半阴坡(坡向划分标准参照孟宪宇《测树学》第2版)。同一坡向，土壤有机碳含量随着土层厚度的增加而减少。同一土层，除土层0～10cm是半阳坡的土壤有机碳含量最大外，其他土层有机碳含量的变化趋势与总均值的变化趋势基本一致，为阴坡的土壤有机碳含量最大。

图3 日本落叶松林不同坡向各土层土壤有机碳含量

与20年生杉木人工林比较[9]，日本落叶松林各土层有机碳含量明显高于20年生杉木人工林，如图4所示。

图4 日本落叶松林各土层土壤有机碳含量与杉木的比较

从图4我们可以看出，日本落叶松林与杉木人工林的土壤有机碳含量在土层0～20cm差异最大，约为杉木人工林的5.6倍。

3.2土壤有机碳密度

日本落叶松中、幼龄林土壤有机碳密度在54.90～234.49t/hm2，总平均为172.25t/hm2，略高于周玉荣[4]等估计的落叶松林的土壤有机碳密度166.52t/hm2，略低于全国森林土壤平均碳密度193.55t/hm2。其土壤有机碳密度主要集中在表土层0～20cm，约占42.24%，如图5所示。

图5 日本落叶松林混交林、纯林、总土壤有机碳密度平均值

从图5我们可以看出，日本落叶松针阔混交林的土壤有机碳密度高于纯林，0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～80cm土层有机碳密度的平均值分别是纯林对应土层的1.14、1.01、1.15、1.09倍，其中以0～10cm、20～40cm土层中有机碳密度相差最大。从图5我们还可以看出，土层20-40cm、40-80cm的土壤有机碳密度高于土层0～10cm、10～20cm。虽然这两层的土壤有机碳含量低于表土层0～10cm、10～20cm，但由于其土层厚度远远大于表土层，所以其土壤有机碳总量高于表土层。在土层厚度相同的情况下，其规律与其它学者[7]得出的结论一致，随着土壤深度增加，其土壤有机碳密度是呈下降趋势的，如土层10～20cm的土壤有机碳密度低于土层0～10cm的土壤有机碳密度。

土壤有机碳密度的高低，与林分的年龄也有关系，林分的年龄不同，其土壤有机碳密度也不同。随着林分年龄的增加，其各土层的土壤有机碳密度也随之升高。同样，其土壤有机碳密度的总平均值也随着林分年龄的增加而逐渐升高(见表2)。从表2中我们可以看出，日本落叶松中龄林各土层的土壤有机碳密度明显高于幼龄林。

日本落叶松林不同坡向的土壤有机碳密度的变化趋势与其土壤有机碳含量的变化趋势略有不同(见图6)，为：阴坡>阳坡>半阴坡>半阳坡。同一坡向下，土层0～40cm的土壤有机碳密度均大于土层40～80cm的土壤有机碳密度的2/3；同一土层下，除土层40～80cm是阴坡的最大以外，其他土层的土壤有机碳密度均是半阳坡的最大。

表2 日本落叶松林中、幼龄林各土层土壤有机碳密度t/hm2土层厚度0～10cm10～20cm20～40cm40～80cm合计总平均42.5930.9441.9656.77172.25幼龄林41.2329.4538.9850.33159.99中龄林43.8432.4244.7562.78183.79

图6 日本落叶松林不同坡向各土层土壤有机碳密度

与20年生的杉木人工林比较，日本落叶松林的土壤有机碳密度明显高于杉木人工林，如图7所示。 从图7我们可以看出，日本落叶松林土层0～20cm、20～40cm、40～60cm土壤有机碳密度分别是杉木的2.4倍、2.6倍、2.5倍，差异均较大。

图7 日本落叶松林与杉木人工林各层土壤有机碳密的比较

3.3土壤有机碳的分配特征

日本落叶松中、幼龄林有机碳密度在各层的分布比重不同，在0～80cm的土壤有机碳中，0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～80cm土层的土壤有机碳密度平均值分别占总平均值的24.72%、17.96%、24.36%、32.96%。由此可见，日本落叶松中、幼龄林0～80cm的土壤有机碳主要集中在表土层0～20cm，分别是土层20～40cm、40～80cm的175.21%、129.52%。这说明日本落叶松中、幼龄林土壤有机碳密度属表土层0～20cm的贡献最大。造成这种情况的原因可能与研究地实施天然林保护工程和封山育林工程有关，封山育林等措施使日本落叶松林地得到了较好的保护，使得表土层0～20cm的土壤有机碳含量积累比底层快。

4 结论

(1) 日本落叶松中、幼龄林0～80cm土层土壤有机碳含量随着土层深度的增加而减少，随着年龄的增加而增加。

(2) 日本落叶松中、幼龄林0～80cm土层的土壤有机碳密度为172.25t/hm2，略高于周玉荣等[4]估计的落叶松林的土壤有机碳密度166.52t/hm2，略低于全国森林土壤平均碳密度193.55t/hm2。

(3) 日本落叶松混交林0～80cm土层的土壤有机碳含量、土壤有机碳密度均高于纯林，其中，属土层0～10cm差异最大。

(4) 在日本落叶松中、幼龄林0～80cm的土壤有机碳中，属表土层0～20cm的贡献最大，原因可能是与研究地实施天然林保护工程和封山育林工程有关。

(5) 与适宜亚热带地区生长的造林树种——杉木相比，日本落叶松林的土壤有机碳含量、土壤有机碳密度均明显高于20年生杉木人工林，说明日本落叶松林土壤的固碳能力大于杉木人工林，从侧面也反映了同样作为亚热带地区的造林树种，日本落叶松林要优于杉木人工林。

(6) 日本落叶松林在亚热带地区分布面积大，是这些地区的主要造林树种，其土壤有机碳密度较大，说明其土壤贮存碳的潜力巨大，对减缓大气CO2浓度的上升有积极作用。

[1] 吕景辉,任天忠,闫德仁. 国内森林碳汇研究概述[J].内蒙古林业科技,2008,34(2):43-47.

[2] Rodeghiero M, Tonolli S., Vescovo L.,etc. Infocarb: a regional scale forest carbon inventory (Provincia autonoma di Trento, southern Italian Alps )[J].Forest Ecology and Management,2010, 259:1093-1101.

[3] David A.Coomes, Robert B.Allen, Neal A.Scott, etc. Designing systems to monitor carbon stocks in forests and shrublands[J]. Forest Ecology and Management,2002,164:89-108.

[4] 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.

[5] 王绍强,周成虎,李克让,等.中国土壤有机碳库及空间分布特征分析[J].地理学报,2000,55(5):533-544.

[6] 亢新刚.森林资源经营管理[M].北京：中国林业出版社,2001.

[7] 方晰.杉木人工林生态系统碳贮量与碳平衡的研究[D].长沙：中南林业科技大学,2004,118.

[8] 方运霆,莫江明,Sandra Brown，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.

[9] 陈楚莹,廖利平，汪思龙.杉木人工林生态系统的碳素分配与贮量的研究[J]. 应用生态学报, 2000, 11 (增) : 175-178.

(责任编辑：谭著明)

Densityanddistributionofsoilorganiccarbonofyoungandmiddle-agedLarixkaempferiforestinsubtropics

MA Fengfeng, ZHANG Canming*, LUO Jia, NIU Yandong, WU Tianle

(Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, China)

In this paper, the characters of density and distribution of soil organic carbon in young and middle-agedLarixkaempferiforest in subtropics were analyzed based on the soil data of 32 sample plots. The results showed as follows, (1) The concentration and density of soil organic carbon in middle-aged forest were obviously higher than those in young forest. (2) The concentration and density of soil organic carbon in mixed forest were obviously higher than those in pure forest. (3) The density of soil organic carbon (SOC) in 0～80 cm layer was 172.25t/hm2, and SOC mainly concentrated in top layer within 0～20cm. The densities of SOC within 0～20cm layer were 175.21%, 129.52% of that within 20～40cm, 40～80cm layer respectively. In the same soil profile, the soil organic carbon density was decreasing with the increase of depth of soil. (4) The concentration and density of soil organic carbon ofLarixkaempferiforest were obviously higher than those of 20-year-oldCunninghamialanceolataplantation, which not only indicated that the carbon fixation ability ofLarixkaempferiforest was greater than that ofCunninghamialanceolataplantation, but also implied that, from a distinctive aspect,Larixkaempferiwas superior toCunninghamialanceolataas an afforestation species in subtropical areas.

Larixkaempferi; soil organic carbon concentration; soil carbon density; character of carbon distribution; young and middle-aged forest; subtropics

Q 948.2

A

1003-5710(2010)04-0001-04

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2010. 04. 001

2010-07-20

2010-07-29

国家十一五科技支撑项目(2006BAD24B0603)。

马丰丰(1983-)，女，硕士，助理研究员，主要从事林业碳汇、森林生态方面的研究。

*通讯作者： 张灿明，E-mail: Zhang6664733@yahoo.com.cn