北京海坨山典型林分土壤有機碳含量及有機碳密度垂直分布特征

聶浩亮，薄慧娟，張潤哲，王 江，聶立水＊，王 丹

(1. 北京林業大學林學院，北京 100083；2. 松山管理處，北京 延慶 102100)

土壤有機碳是土壤重要組成部分和土壤肥力的關鍵指標，又是全球碳循環的重要組成部分，因而，成為全球氣候變化領域研究的焦點之一。森林土壤是森林生態系統的重要組成部分，是陸地生態系統最大的有機碳庫之一[1-3]。森林土壤有機碳儲量約為全球土壤碳儲量的73%，約占森林生態系統有機碳庫的2/3[4]。森林土壤碳儲量發生輕微的變化，可能會引起CO2濃度的強烈變化[5-6]。

北半球溫帶森林起著重要的碳匯作用[7-9]，并可能導致CO2“失匯”[10]。華北地區是我國暖溫帶落葉闊葉林的重要分布區。土壤碳庫是森林陸地碳庫中最重要的一環，土壤有機碳含量、垂直分布、碳密度和碳儲量是重要的碳庫指標[11]。許多學者利用土壤普查數據以及剖面分布圖對華北地區進行區域或植被尺度土壤碳儲量估算[12-14]，這種估算往往存在一定的偏差，需要依靠林分尺度的研究提供依據。

林分類型不同，其輸入土壤的枯落物以及根系分泌物也不同，從而導致土壤有機碳積累狀況存在較大差異[15]。目前，關于華北地區不同林分類型的土壤有機碳庫特征的研究正逐步深入，并有不同的認識。方精云等[16]在東靈山的研究顯示，華北地區闊葉林和針葉林土壤碳密度差異不大；耿玉清等[17]在北京西山的研究則顯示，闊葉林比針葉林更能積累土壤有機碳；朱麗平等[18]認為，闊葉林下土壤較針葉林有更大的固碳潛力；李娜等[19]在東靈山研究顯示，土壤有機碳含量大小為白樺林 ＞遼東櫟+棘皮樺混交林 ＞ 遼東櫟林，這與劉國華等[20]研究得出結論相同；而王文靜等[21]研究顯示，櫟林下土壤碳儲量高于混交林。

松山國家級自然保護區擁有在華北地區保持完好的典型且豐富的植被類型，天然油松（Pinus tabuliformisCarriere.）林森林生態系統是保護區內最具特色的森林群落類型，對油松林碳儲量及養分垂直分布已有相關研究[22-24]；保護區內還分布有胡桃楸(Juglans mandshuricaMaxim.)、山楊(Populus davidianaDode.)、白 樺(Betula platyphyllaSuk.)、榆樹(Ulmus pumilaL.)為主要樹種的暖溫帶落葉闊葉次生林。本研究以5種典型林分為研究對象，分析林下不同土層土壤有機碳含量、密度垂直分布特征及與土壤理化性質的關系，探討不同林分類型下土壤有機碳積累與變化規律，為發揮森林土壤潛力和應對氣候變化提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于北京市西北部延慶區松山自然保護區（115°43′44″～115°50′22″ E，40°29′9″～40°33′35″ N），該區域地處燕山山脈海坨山南麓，森林覆蓋率87.6%，海拔628～2 198 m。該區成土母巖多為花崗巖，土壤垂直變化明顯，主要有山地褐土、山地棕壤和山地草甸土。屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫8.9℃，年均最低氣溫-27.3℃，年均日照時數2 836 h，無霜期約150 d，年降水量493 mm，年蒸發量1 772 mm。主要喬木樹種有：山杏(Armeniaca sibirica(L.) Lam.)、白樺、油松、核桃楸、榆樹、山楊、遼東櫟(Quercus wutaishanseaMary.)、黑樺(Betula dahuricaPall.)、蒙古櫟(Quercus mongolicaFisch. ex Ledeb.)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

依據研究區油松林、針闊混交林（山楊與油松）、核桃秋林、蒙古櫟林、山楊林等5種典型林分類型的分布情況，考慮海拔、坡度、坡位、坡向以及林分密度等對土壤有機碳的影響，在每種林分類型設面積均為20 m × 20 m的3塊標準地，共計15塊樣地。分別對所選標準地進行相關因子調查，樣地基本概況見表1。樣地土壤類型均為棕壤，林分起源均為天然林，林齡組成均為成熟林。

表 1 樣地基本概況Table 1 General characteristics of five stands

2.2 研究方法

2.2.1 野外調查與采樣 參照中華人民共和國林業行業標準 LY/T 1952—2011（森林生態系統長期定位觀測方法）進行土壤野外調查和樣品采集。在20 m ×20 m的各標準地內按三點布點法，設置并進行土壤剖面挖掘，深度100 cm。土壤剖面層次由上而下劃分為：A、AB、B、BC、C共5層。每個剖面按層次先下后上采集分析土樣及環刀樣。將每塊標準地內土樣進行同層次混合，保留土樣1 kg左右，共計75 份土壤樣品，作為分析土樣帶回實驗室風干備用。每種林分土壤層次平均深度見表2。

表 2 不同林分土壤層次深度Table 2 Soil genetic horizon depths of different stand types

2.2.2 樣品處理與分析 土壤樣品處理和各理化性質分析方法均參照林業行業標準或相關農業標準。森林土壤樣品的采集與制備，方法參考LY/T 1210—1999。土壤密度測定采用環刀法，方法參考NY/T 1121.4—2006。土壤顆粒組成測定采用吸管法，方法參考LY/T 1225—1999。土壤有機質測定采用硫酸-重鉻酸鉀容量法，方法參考LY/T 1237—1999。土壤全氮測定采用凱氏消煮法，方法參考LY/T 1228—2015

2.2.3 數據處理 取自同一林分不同土壤層次的理化性質數據取算術平均值。

由于不同林分類型剖面土層厚度不同，故采用分層法計算各土層土壤碳密度[25]，公式如下：

式中：SOCS為土壤有機碳密度（t·hm-2）；Ti為第i層土層厚度（cm）；pi為第i層土壤密度（g·cm-3）；Mi為第i層土壤有機碳含量（g·kg-1）；Ci為 ＞ 2 mm的石礫含量（%）；n為剖面土層數。

因按土壤發生層進行土壤層次劃分，各土壤層次深度均不相同，不便對土壤碳密度進行對比分析，因此，對計算得到的不同林分類型下土壤有機碳密度進行歸一化處理，即計算：

單位cm厚度土壤有機碳密度（t·hm-2）=各層次土壤有機碳密度/土層厚度

將得到的數據分配到指定深度（圖1A），其方塊面積即該土壤層次有機碳密度，此圖可直觀的研究土壤碳密度的垂直變化；無論土壤層次如何劃分，歸一化處理后也可將多組數據置于同一圖中直觀顯示（圖1B），可以對任意深度土壤碳密度進行比較，便于對比分析，更好的揭示其各自土壤碳密度垂直分布特征。

圖、表與其中數據的處理均采用Microsoft Excel及SPSS18.0完成。用單因素方差分析（oneway ANOVA）檢驗林分類型和土壤層次對土壤有機碳含量和密度的差異顯著性（p＜ 0.05），再用Duncan法進行多重比較；用Pearson相關系數評價有機碳與理化性質因子之間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳含量垂直分布特征

表3表明：不同林分類型各土層土壤有機碳含量為9.35～50.25 g·kg-1，均值為27.42 g·kg-1。100 cm土層土壤有機碳含量均值不同，山楊林土壤有機碳含量均值最低，為23.92 g·kg-1，油松林土壤有機碳含量均值最高，達30.41 g·kg-1，比山楊林高27%，土壤有機碳含量均值由小到大排序：山楊林 ＜ 針闊混交林 ＜ 核桃楸林 ＜ 蒙古櫟林 ＜ 油松林。單因素方差分析表明（表3）：除A層核桃楸林與山楊林及AB層蒙古櫟林與針闊混交林土壤有機碳含量差異不顯著外，林分類型對不同土層土壤有機碳含量影響顯著（p＜ 0.05）。

圖 1 數據歸一化處理后有機碳分布示意圖Fig. 1 Sketch map of SOC distribution by data standardization

表 3 不同林分類型各土層土壤有機碳含量 Table 3 The SOC contents of different soil genetic horizons under different forest stands

5種林分類型土壤有機碳含量有相似的垂直分布趨勢：從表層向下逐漸降低。（A+AB）層約占土壤總有機碳含量的57%，B層、BC層和C層分別占土壤總有機碳含量的19%、15%、10%。單因素方差分析（表3）表明：除核桃楸林BC層與C層差異不顯著外，各土層土壤有機碳含量差異顯著（p＜ 0.05）。各土層土壤有機碳含量垂直變化幅度蒙古櫟林最大，為9.35～50.25 g·kg-1，而核桃楸林有機碳含量變化幅度最小，為19.52～38.42 g·kg-1。

3.2 不同林分土壤有機碳密度的比較

各林分土壤有機碳密度為21.4～76.8 t·hm-2（表4）。土壤總有機碳密度大小排序為：山楊林 ＞ 核桃楸林 ＞ 針闊混交林 ＞ 蒙古櫟林 ＞ 油松林。山楊林土壤總有機碳密度最高(238.7 t·hm-2)，而油松林最低（215.1 t·hm-2）。各林分上部土層（A+AB）土壤有機碳密度占總土壤有機碳密度的35%～40%，其有機碳貢獻率較大。

本文使用單位cm厚度來描述土壤有機碳密度的垂直變化，表5表明：5種林分土壤有機碳密度自表層向下明顯降低；土壤A層單位cm厚度均值最高為4.26 t·hm-2，分別為AB層、B層、BC層、C層的1.1、1.6、2.2、3.0倍。

3.3 土壤有機碳與土壤密度、全氮、黏粒含量的相關性

土壤密度均值大小表現為核桃楸林 ＞ 針闊混交林 ＞ 油松林 ＞ 山楊林 ＞ 蒙古櫟林，隨著土層深度的增加，不同林分類型土壤密度均呈增加的趨勢（圖2A）；5種林分類型土壤黏粒含量隨土壤深度加深變化規律較一致，在30～40 cm深度出現明顯的黏粒聚集現象（圖2B）。各林分土壤全氮含量為0.21～4.65 g·kg-1，大小依次為油松林 ＞ 蒙古櫟林 ＞ 針闊混交林 ＞ 核桃楸林 ＞ 山楊林，隨土層深度增加，土壤全氮含量均呈逐漸下降趨勢，油松林土壤全氮含量明顯高于其它林分（圖2C）。

表 4 不同林分類型下各層次土壤有機碳密度 Table 4 Soil organic carbon densities of different soil genetic horizons under different forest stands

圖 2 不同林分類型土壤理化性質隨土層深度的變化Fig. 2 Changes of soil physical-chemical properties with soil depths under different stand types

以研究區域內不同林分各土層的土壤有機碳含量平均值與土壤密度、全氮、黏粒含量進行相關性分析，結果（表6）表明：不同林分土壤有機碳含量與全氮含量呈極顯著正相關，與土壤密度呈極顯著負相關，除山楊林土壤有機碳含量與土壤黏粒呈極顯著正相關外，其余林分有機碳含量與黏粒不顯著相關。

4 討論

4.1 土壤有機碳的垂直分布特征

林分類型對凋落物產量和分解速率均有顯著影響，進而造成其土壤有機碳存在差異[26]，國外研究認為，植被類型是影響土壤有機碳垂直分布格局的主要因素[27]，本研究也證明了林分類型對土壤有機碳含量的垂直分布有顯著影響。海坨山地區油松林土壤有機碳含量均值為30.41 g·kg-1，高于其它4種闊葉林，與高杰等[22]在同地區測定的油松林土壤有機碳含量33.17 g·kg-1類似；而王文靜等[21]在華北地區對多種林分類型土壤有機碳的研究結果表明，闊葉林有機碳含量高于針葉林，與本研究結果不一致，原因可能是森林土壤有機碳輸入主要以地上部分凋落物層為主，本研究區油松林因人為干擾較小，成林時間較長，因此，具有相當厚度的粗腐殖質化枯枝落葉層，增加了微生物活性和數量，進而導致其有機碳含量較高。本研究區山楊林土壤有機碳含量均值最低(23.92 g·kg#8722;1)，而趙偉紅等[28]在冀北測定的成熟山楊林有機碳含量也較低(16.56 g·kg#8722;1)，可能由于山楊林下枯枝落葉層較薄，且因其為速生樹種，生長所需吸收養分較多所致。本研究表明，蒙古櫟林有機碳含量比核桃楸林及針闊混交林的高，可能是由于櫟林葉片成分更易分解，周轉較快所致，這與王棣等[25]在秦嶺獲得的研究結果一致。前人研究還顯示，土壤有機碳含量還受地形、坡度等影響[29-31]。多地區土壤有機碳含量數據的積累可為進一步在植被尺度上估算土壤有機碳儲量提供依據。

表 6 土壤有機碳(SOC)與土壤密度(BD)、全氮(TN)、黏粒含量（Clay）相關系數（n=75） Table 6 Correlation coefficient between soil organic carbon (SOC) content and bulk density (BD)，total nitrogen(TN), clay content of the soils under different forest stands

各林分土壤有機碳均隨土層深度的增加呈下降趨勢，A+AB土層的土壤有機碳含量占總有機碳含量的57%左右，這與相關研究結果一致[32-33]。在森林土壤剖面的層次構造中，一般土壤腐殖質層的有機質含量顯著高于淀積層[34]，腐殖化作用明顯，這主要是因為土壤表層積累了大量的枯枝落葉等植物殘體；同時，隨著土層深度的增加，植物根系分布減少，有機質來源少[35]。

4.2 不同林分類型土壤有機碳密度特征

本研究區森林土壤總有機碳密度均值為228.4 t·hm-2，遠高于全國森林生態系統土壤有機碳密度均值107.8 t·hm-2。可見，研究區5種林分類型土壤有機碳密度總體較高，這可能與該地區封山育林等措施較好，生態系統維護比較穩定，腐殖質腐化程度高有關。研究證明，森林土壤表層土壤結構合理，枯落物分解較快，碳密度在表層土壤比底層土壤更高[26]。本研究中，山楊林、核桃楸林下土壤有機碳密度較高，因其土壤養分較高，使微生物活性較高，枯落物易于分解轉化；蒙古櫟林、針闊混交林其次；而油松林土壤有機碳密度最低，雖然油松林有機碳含量較高，但林分類型對土壤有機碳的影響主要在表土，且隨土層深度的增加而下降，因其土層較薄以及土壤密度較小等原因，其總碳密度并不高，這與劉國華等[20]研究結果一致。

本研究按發生層劃分土層，各層次土壤厚度并不一致，不便對土壤有機碳密度的垂直分布狀況進行研究。故本文引入單位cm厚度來描述土壤有機碳密度垂直變化，結果表明，土壤有機碳密度均隨土層加深而逐漸降低，各林分土壤有機碳密度具有明顯的表聚性。建立土壤有機質（或碳）含量、密度基于土壤發生層厚度和固定分層厚度之間的轉換，將使過去按土壤發生層取樣測定數據與現今常用的固定分層測定數據之間更好的對比分析，使多年的土壤有機碳數據可以用到研究土壤有機碳的長期變化。

4.3 土壤有機碳與土壤密度、全氮、黏粒含量的相關性

土壤有機碳含量變化是由有機質輸入量及分解速率決定的，其與土壤水熱狀況及物理化學等因素息息相關。該研究區域內5種林地均有較完整的土壤發生層次，土體上松下緊，土壤有機碳含量與土壤密度呈極顯著負相關，與土壤全氮含量呈極顯著正相關，這與Verterdal L等[36]在丹麥的研究結果相同，在高土壤密度條件下，土壤碳的礦化作用和氮的硝化作用受到抑制[37]。有研究認為，土壤有機碳含量會隨黏粒含量增加而增多，原因是黏粒含量能增加土壤水分的蓄持能力及對土壤有機碳有一定吸附和保護作用[38]。在本研究中，除山楊林外，其余林分土壤有機碳含量與土壤黏粒無顯著相關性，可能由于本研究區各林分土壤黏粒含量較接近，顯示不出規律，也可能有其他影響因素起主導作用，有待進一步研究。

5 結論

海坨山5種不同林分平均土壤總碳密度為228.4 t·hm-2，各林分間土壤總有機碳密度大小排序為：山楊林 ＞ 核桃楸林 ＞ 針闊混交林 ＞ 蒙古櫟林 ＞油松林。研究表明，森林土壤有機碳含量及單位cm厚度土壤有機碳密度均隨土層深度增加而降低；林分類型對土壤有機碳垂直分布有顯著影響，且其影響程度隨土壤深度的增加而下降。土壤有機碳含量與土壤全氮呈極顯著正相關，與土壤密度呈極顯著負相關，除山楊林外與黏粒含量呈不顯著相關。