全 文 ：第 23 卷 第 12 期
2010 年 12 月
环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences
Vol. 23，No. 12
Dec.，2010
秦岭太白红杉林土壤有机碳密度研究
郭建明1，2，胡理乐1，林 伟1，2，郑博福2，李俊生1*
1.中国环境科学研究院，北京 100012
2.南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031
摘要:土壤有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)库是陆地生态系统中最大的碳库，确定土壤有机碳储量及影响因子对碳循环和
气候变化的研究具有重要意义 . 在秦岭太白山南、北坡分别沿不同海拔梯度共调查了太白红杉(Larix chinensis Beissn)林的 18
个样点，共计 54 个土壤剖面，分南、北坡对太白红杉林土壤有机碳密度进行了估算，并分析了土壤有机碳的主要影响因子 . 结
果表明:太白红杉林北坡土壤有机碳平均密度在枯落物层为(0. 31 ± 0. 18)kg /m2，在 0 ～ 100 cm 土层为(15. 84 ± 9. 08)kg /m2;
南坡土壤有机碳平均密度在枯落物层为(0. 27 ± 0. 07)kg /m2，在 0 ～ 100 cm 土层为(14. 51 ± 7. 85)kg /m2;太白红杉林南、北坡
0 ～ 100 cm 土层土壤有机碳平均密度为(15. 18 ± 8. 51)kg /m2 . 秦岭太白红杉林北坡 0 ～ 100 cm 土层土壤有机碳密度随海拔的
增加呈显著减小趋势(P < 0. 05)，此外，该层土壤有机碳密度随年降水量的增加呈下降趋势 . 土壤容重与w(有机碳)呈显著负
相关 (P < 0. 05).
关键词:土壤有机碳;气候变化;碳循环;影响因子;太白红杉
中图分类号:X171 文献标志码:A 文章编号:1001 － 6929(2010)12 － 1464 － 06
Soil Organic Carbon Density of Larix Chinensis Beissn Forest in Mt. Taibai in
Qinling
GUO Jian-ming1，2，HU Li-le1，LIN Wei1，2，ZHENG Bo-fu2，LI Jun-sheng1
1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2. School of Environment and Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China
Abstract:Soil organic carbon (SOC)is the biggest carbon pool in terrestrial ecosystems. Determining soil organic carbon storage and
impact factors is significant in research on the carbon cycle and climate change. In Larix Chinensis Beissn forest along the northern and
southern slopes of Mt. Taibai in the Qinling Mountains，54 soil profiles from 18 sample sites along different altitude grades were
investigated for soil organic carbon density estimations. The main factors impacting SOC were analyzed. The results demonstrate that
the average soil organic carbon density along the northern slope was (0. 31 ± 0. 18)kg /m2 in the litter layer，and (15. 84 ± 9. 08)
kg /m2 at the soil depth of 0-100 cm. The average soil organic carbon density along the southern slope was (0. 27 ± 0. 07)kg /m2 in the
litter layer，and (14. 51 ± 7. 85)kg /m2 at the soil depth of 0-100 cm. The average soil organic carbon density was (15. 18 ± 8. 51)
kg /m2 at the soil depth of 0-100 cm along the northern and southern slopes in the Taibai Red Larix (Larix Chinensis Beissn)forest.
Along the northern slope，the organic carbon density at the soil depth of 0-100 cm decreased with increased elevation (P < 0. 05)and
annual precipitation increase. Soil bulk density was significantly and negatively correlated with soil organic carbon (P < 0. 05).
Key words:soil organic carbon;climate change;carbon cycle;impact factor;Larix Chinensis
收稿日期:2010 － 03 － 11 修订日期:2010 － 07 － 10
基金项目:中央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 专 项
(2007KYYW04，2009KYYW12)
作者简介:郭建明(1981 －)，男，江西吉安人，57859998@ qq. com.
* 责任作者，李俊生(1968 － )，男，安徽巢湖人，研究员，博士，主要
从事生态环境保护研究，lijsh@ craes. org. cn
土壤有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)是陆地
生态系统中最大的碳库，对温室效应和全球气候变
化具有重要的控制作用［1-3］. 全面理解土壤有机碳
储量、变化过程及其关键控制因子，不仅有助于正确
评估土壤有机碳的变化方向和速率，而且有助于正
确评估全球碳循环，提高对地下碳循环机制的认识，
科学评价土壤碳汇功能，对准确地预测气候变化以
及制订应对气候变化的策略和措施具有重要的意
义［4］. 土壤有机碳密度与气候等因子之间的关系密
切，分析与讨论两者之间的关系可为研究碳循环机
制、构建碳平衡模型打下基础 . 近年来，国内外学者
在土壤有机碳方面开展了众多相关研究［5-11］，国内
相关研究表明:土壤有机碳具有较大的空间变异性，
主要受气候、地形、植被、土壤属性以及土地管理措
DOI：10.13198/j.res.2010.12.22.guojm.018
第 12 期 郭建明等:秦岭太白红杉林土壤有机碳密度研究
施等多种因素影响，且各种因素之间也存在相互作
用［12］. 也有研究表明:降水是影响表层土壤有机碳
密度(Soil Organic Carbon Density，SOCD)分布的主
导气候因子，土壤容重和土壤 pH 与土壤有机碳密
度均呈负相关［13］. 张勇等［14］对滇黔桂地区相关研
究表明，环境因子(海拔、经度、纬度、气温和降水)、
成土母质及土地利用方式对表土层和土壤剖面土壤
有机碳密度变异性的解释度分别为 37. 9% 和
30. 7%，环境因子是影响土壤有机碳密度的主要因
子，环境因子中气温对土壤有机碳密度的影响大于
降水 . 但目前对于土壤有机碳的主导控制因子及其
控制过程了解不全面，这可能制约着大气碳收支的
准确评估，是出现未知碳汇、预测气候变化及其影响
不确定性的重要原因之一［15］.
秦岭太白红杉(Larix Chinensis Beissn)林分布
于高海拔、低温度的特殊位置，其森林植被和土壤有
机碳对气候变化比较敏感，有助于揭示土壤有机碳
与影响因子之间关系，因此对秦岭太白红杉林土壤
有机碳密度及其影响因子进行分析尤为重要，而对
秦岭太白红杉的研究多集中在生物方面，对土壤有
机碳密度及其影响因子的研究目前鲜见文献报道 .
有研究利用土壤碳循环分室模型对秦岭火地塘林区
油松林的土壤碳储量进行了估算［16］，但对土壤有机
碳密度的影响因子未作详细分析 . 因此，笔者对秦
岭太白红杉林土壤有机碳密度进行估算，并对主要
影响因子进行分析，为准确评价陕西省森林土壤有
机碳对我国陆地生态系统碳平衡的贡献提供参考，
也为进一步开展区域尺度上高山土壤碳循环研究奠
定基础 .
1 研究方法
1 . 1 研究区域概况
太白山自然保护区位于秦岭中段，是我国秦岭
山脉的主峰，地处 107° 22′ 25″ E ～ 107° 51′ 30″ E，
33°49′30″N ～ 34°07′35″N，最高海拔 3 767. 2 m. 太
白山地处暖温带与北亚热带的过渡地带，年均气温
12. 9 ℃，最高温度 42 ℃，最低温度 － 17. 2 ℃，年降
水量 580. 0 mm，年相对湿度 71%，无霜期 220 d［17］.
太白红杉属松科落叶松属的落叶乔木，是秦岭山区
特有的珍稀树种，为国家二级保护植物，其主要分布
在海拔 2 700 ～ 3 500 m 的亚高山区，对秦岭林区的
水源涵养、国土保安等具有重要意义［18-19］.
1 . 2 野外调查与样品采集
2009 年 7 月在秦岭太白红杉区域南、北坡沿不
同海拔高度布设 18 个采样点，每个样点设置 3 个重
复，每个重复测定枯枝落叶生物量并采集样品，供
w(有机碳)分析用，挖掘土壤剖面，并沿土壤垂直往
下方向划分为 0 ～ 10，> 10 ～ 20，> 20 ～ 30，> 30 ～
60 和 > 60 ～ 100 cm 5 个土层，分层用环刀采集土样
(用于测定土壤容重)和随机采集土样(供测定分
析). 野外采样的同时，利用 GPS 定位仪确定采样
点准确位置(经度、纬度和海拔)并记录，气候因子
(年均气温、年降水量)数据来源于网站(www.
worldclim. org)，并通过软件 Diva － GIS (V7)和
ArcGIS(V9. 2)制取 . 土壤容重采用环刀法测定，
w(有机碳)的测定采用重铬酸钾 －外加热法［20-21］.
1 . 3 土壤有机碳密度
土壤有机碳密度计算［22］:
SOCD = Σ
n
i = 1
(1 － θ i)× ρ i × Ci × Ti ÷ 100
式中，SOCD 为整个土壤剖面有机碳密度，kg /m2;n
为整个土壤剖面的分层数;Ci 为第 i 层土壤 w(有机
碳)，g / kg;ρ i 为第 i 层土壤平均容重，g / cm
3;θ i 为第
i 层 > 2 mm 土壤石砾的体积分数，%;Ti 为第 i 层土
壤厚度，cm.
1 . 4 数据处理
利用 Microsoft Excel (2003)软件对试验数据进
行处理，将同一样点 3 个重复剖面中相同土层测定
值的平均值作为该样点该层的测定值;秦岭南、北坡
温差较大，土壤有机碳密度亦可能存在较大差异，因
此分南、北坡进行统计和分析 . 利用 Microsoft Excel
(2003)软件、统计软件 SPSS(13. 0)和作图软件
SigmaPlot (10. 0)进行有关分析和作图 .
2 结果与分析
2 . 1 土壤 w(有机碳)垂直分布
由图 1 可以看出，秦岭太白红杉林南、北坡不同
海拔土壤 w(有机碳)沿垂直剖面深度皆呈现递减趋
势.一般 20 cm 以上土层的 w(有机碳)很高，30 cm
以下土层 w(有机碳)明显下降 . 枯落物 w(有机碳)
最高值、最低值分别为 421. 13 g / kg(北坡 HS7)和
262. 04 g / kg(北坡 HS1);0 ～ 10，> 10 ～ 20，> 20 ～
30，> 30 ～ 60和 > 60 ～ 100 cm 土层w(有机碳)的最
高值、最低值分别为 211. 74 g / kg(北坡 HS8)和
45. 17 g / kg (南坡 HS13)，147. 66 g / kg(北坡 HS2)
和 24. 12 g / kg(南坡 HS13)，105. 00 g / kg(北坡
HS6)和 20. 74 g / kg(南坡 HS13)，65. 82 g / kg(北坡
HS1)和 18. 56 g / kg(南坡 HS13)，53. 90 g / kg(北坡
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环 境 科 学 研 究 第 23 卷
图 1 土壤 w(有机碳)的垂直分布
Fig. 1 Vertical distribution histogram of the soil organic carbon content
HS1)和 21. 26 g / kg(北坡 HS2).
2 . 2 土壤有机碳密度
从表 1 可以看出，秦岭太白红杉林北坡枯落物
层的土壤有机碳密度为 0. 13 ～ 0. 76 kg /m2，0 ～ 10
cm 土层为 2. 53 ～ 5. 34 kg /m2，0 ～ 20 cm 土层为
4. 60 ～ 8. 50 kg /m2，0 ～ 100 cm 土层为 5. 26 ～ 28. 28
kg /m2;南坡枯落物层的土壤有机碳密度为 0. 17 ～
0. 42 kg /m2，0 ～ 10 cm 土层为 3. 37 ～ 5. 96 kg /m2，
0 ～ 20 cm土层为 5. 51 ～ 10. 61 kg /m2，0 ～ 100 cm 土
层为 6. 82 ～ 32. 52 kg /m2;南、北坡枯落物层的土壤
有机碳平均密度为(0. 29 ± 0. 14)kg /m2，0 ～ 10 cm
土层为(4. 15 ± 0. 88)kg /m2，0 ～ 20 cm 土层为
(7. 41 ± 1. 56)kg /m2，0 ～ 100 cm 土层为(15. 18 ±
8. 51)kg /m2，远高于全国 100 cm 厚度土壤平均有机
碳密度(10. 53 kg /m2)［23］. 南、北坡有机碳密度沿
土壤垂直剖面由高至低的顺序均为 0 ～ 10 cm 土层，
> 10 ～ 20 cm 土层，> 20 ～ 30 cm 土层，枯落物层;
5 个土壤采样层均为南坡 >北坡，枯落物层为北坡 >
南坡. 枯落物层有机碳密度最大值、最小值均在北
坡，0 ～ 20 cm 和 0 ～ 100 cm 土层有机碳密度最大值均
在南坡，而最小值均在北坡. 随着土壤剖面深度的增
加，w(有机碳)逐渐下降，且一般土壤厚度 > 20 cm，
w(有机碳)迅速递减，但是由于随着土壤剖面深度的
增加，土壤容重逐渐上升，所以深层土壤有机碳密度
也很大，特别是 > 30 ～ 60 cm 土层和 > 60 ～ 100 cm 土
层，这 2 层土壤有机碳密度不可忽视，> 30 ～ 60 cm 土
层有机碳密度几乎达到前 3 层的总和.
2 . 3 土壤有机碳影响因子
2 . 3 . 1 海拔与土壤有机碳密度的关系
对比秦岭南、北坡太白红杉林中枯落物层，0 ～
10 cm 土层，> 10 ～ 20 cm 土层和 0 ～ 100 cm 土层的
有机碳密度随海拔梯度变化可知(见图 2)，在北坡
枯落物层和 0 ～ 10 cm 土层的有机碳密度在海拔
3 350 m附近均有一峰值，0 ～ 10 cm 土层和 > 10 ～
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第 12 期 郭建明等:秦岭太白红杉林土壤有机碳密度研究
表 1 枯落物与土层中的有机碳密度
Table 1 Organic carbon density of litter and soil
采样点编号 海拔 /m
有机碳密度 /(kg /m2)
枯落物层
土层 / cm
0 ～ 10 > 10 ～ 20 > 20 ～ 30 > 30 ～ 60 > 60 ～ 100
北坡
南坡
HS1 3 163 0. 31 3. 64 2. 05 2. 86 8. 61 11. 11
HS2 3 229 0. 44 3. 94 3. 82 2. 85 7. 31 10. 23
HS3 3 347 0. 76 5. 34 3. 16 2. 98 8. 28 岩层
HS4 3 382 0. 38 2. 53 2. 07 2. 42 7. 04 10. 69
HS5 3 332 0. 28 3. 69 3. 40 岩层
HS6 3 432 0. 18 3. 68 2. 72 3. 96 4. 69 岩层
HS7 3 437 0. 13 2. 65 2. 61 岩层
HS8 3 397 0. 14 3. 75 3. 03 岩层
HS9 3 487 0. 21 4. 00 3. 47 岩层
平均值 0. 31 ± 0. 18 3. 69 ± 0. 76 2. 93 ± 0. 58 3. 01 ± 0. 50
HS10 3 526 0. 20 5. 96 4. 65 岩层
HS11 3 455 0. 28 4. 27 3. 64 岩层
HS12 3 450 0. 22 5. 17 4. 24 岩层
HS13 3 505 0. 28 3. 37 2. 14 1. 75 6. 72 岩层
HS14 3 334 0. 30 4. 16 2. 66 岩层
HS15 3 269 0. 35 3. 95 2. 96 2. 71 8. 91 13. 99
HS16 3 225 0. 42 5. 07 3. 64 3. 79 11. 05 岩层
HS17 3 120 0. 17 4. 53 3. 76 4. 10 岩层
HS18 3 070 0. 25 5. 10 4. 43 3. 84 岩层
平均值 0. 27 ± 0. 07 4. 62 ± 0. 73 3. 57 ± 0. 79 3. 24 ± 0. 88
总平均值 0. 29 ± 0. 14 4. 15 ± 0. 88 3. 24 ± 0. 76 3. 13 ± 0. 72
注:表中未显示数据表明已经开挖到岩层，原则上不再向下挖掘 .
注:a 线性为北坡 0 ～ 100 土层有机碳密度与海拔之间的线性关系(y = 248. 1 － 0. 07x，R2 = 0. 553 9，P < 0. 05).
图 2 土壤有机碳密度与海拔的关系
Fig. 2 The relationship between the altitude and soil organic carbon density
20 cm 土层的有机碳密度在海拔 3 380 m 附近均有
一极小值;从整体上随着海拔的升高，枯落物层，0 ～
10 cm 土层和 > 10 ～ 20 cm 土层的有机碳密度均无
明显变化，其对应的检验值(F)和显著水平(P)分
别为(F = 1. 192，P < 0. 311)，(F = 0. 187，P <
0. 678)和(F = 0. 080，P < 0. 786)，而 0 ～ 100 cm 土
层的有机碳密度随海拔的升高呈显著递减趋势
(P < 0. 05)，这与对兴国县森林土壤有机碳的研究
结论［12］〔海拔与土壤 w(有机碳)呈显著正相关〕相
反 . 由于海拔的上升，年均气温逐渐降低 . 一方面，
气温影响了太白红杉的净初级生产力(NPP)，从而
改变其残体向土壤的归还量;另一方面，气温影响了
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环 境 科 学 研 究 第 23 卷
土壤有机碳的分解速率，改变了土壤中有机碳的释
放量，二者之间的平衡决定土壤有机碳的储存
量［24］，如果气温对前者的影响大于后者，则随海拔
上升，气温降低，土壤有机碳密度有所下降 . 在南
坡，0 ～ 10 cm 土层和 > 10 ～ 20 cm 土层的有机碳密
度在海拔 3 500 m 附近均有一极小值，0 ～ 100 cm 土
层有机碳密度在海拔 3 270 m 附近达到最大值;从
整体上随着海拔的升高，枯落物层，0 ～ 10 cm 土层
和 > 10 ～ 20 cm 土层有机碳密度均无明显变化，其
对应 的 检 验 值 (F)和 显 著 水 平 (P)分 别 为
(F = 0. 079，P < 0. 787)，(F = 0. 015，P < 0. 907)和
(F = 0. 197，P < 0. 670)，而0 ～ 100 cm土层有机碳密
度在海拔3 100 ～ 3 270 m 之间随高度上升而增加，
在海拔3 270 ～ 3 320 m 之间的土壤有机碳密度逐渐
减小，大于海拔3 320 m 时有机碳密度又开始上升 .
2 . 3 . 2 年降水量与土壤有机碳密度的关系
从秦岭太白红杉林南北坡土壤有机碳密度与年
降水的分析结果(见图 3)可以看出，在北坡，年均
降水量为 995 mm 时，枯落物层，0 ～ 10 cm 土层和
> 10 ～ 20 cm土层的有机碳密度达到最大值，0 ～ 100
cm 土层的有机碳密度在降水量为 969 mm 时最大，
1 024 mm 时最小;从整体上随着年降水量的增加，
枯落物层，0 ～ 10 cm 土层和 > 10 ～ 20 cm 土层的有
机碳密度均无明显变化，其对应的检验值(F)和显
著水平(P)分别为(F = 0. 335，P < 0. 796)，(F =
0. 898，P < 0. 310)和(F = 0. 074，P < 0. 915)，而 0 ～
100 cm 土层有机碳密度与年降水量呈负相关关系，
R2 = 0. 697 7，该结论与一般研究结论［25］(土壤有机
碳密度随年降水量的增加而增加)不同，但与王金
达等［26］对松嫩平原黑土土壤有机碳的研究结果类
似(土壤有机碳密度随年降水量的增加而有所下
降，且 R2 = 0. 248 2)，这可能是由于一般高降水量
位于高海拔处，地势陡峭，水土流失严重，而低降水
量位于低海拔处，地势平坦，土壤固定性好，因此固
碳能力佳 . 在南坡，枯落物层，0 ～ 10 cm 土层和
> 10 ～ 20 cm 土层的有机碳密度随年降水量的变化
均无明显变化，其对应的检验值(F)和显著水平
(P)分别为(F = 0. 110，P < 0. 621)，(F = 3. 564，
P < 0. 443)和(F = 0. 018，P < 0. 811)，0 ～ 100 cm 土
层的土壤有机碳密度在年降水量为 1 006 mm 时最
大，在年降水量为 1 030 mm 时最小 .
2 . 3 . 3 土壤容重与 w(有机碳)的关系
注:a 线性为北坡 0 ～ 100 土层有机碳密度与年降水量之间的线性关系(y = 396. 5 － 0. 38x，R2 = 0. 697 7，P > 0. 05).
图 3 土壤有机碳密度与年降水量的关系
Fig. 3 The relationship between the annual precipitation and soil organic carbon density
综合秦岭太白红杉林南北坡所有采样点全部土
层对应的土壤 w(有机碳)与土壤容重进行相关性
分析和回归分析可知，二者呈显著的负相关关系
(见图 4). 随着土层深度增加，土壤容重逐渐增加，
而土壤 w(有机碳)逐渐减少，这是因为土壤表层紧
靠枯落物层，腐烂的枯枝落叶使土壤表层变得疏松，
且涉入土壤表层高浓度的有机碳，因此表层土壤容
重比较小，而土壤 w(有机碳)比较高;另外，一般而
言，容重高的土壤含有高密度砂粒、石砾等物质的可
能性大，而容重小的土壤中含有低密度腐殖质等有
机质的可能性大，因此土壤容重指标从侧面反映了
土壤中所含有机碳的多少 .
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第 12 期 郭建明等:秦岭太白红杉林土壤有机碳密度研究
图 4 土壤 w(有机碳)与土壤容重的关系
Fig. 4 The relationship between the soil bulk
density and content of soil organic carbon
3 结论
a. 秦 岭 太 白 红 杉 林 南 北 坡 不 同 海 拔
土壤 w(有机碳)沿垂直剖面深度皆呈递减趋势，且
枯落物层土壤 w(有机碳)远远大于相应 5 个土层
的w(有机碳).
b. 秦岭太白红杉林北坡枯落物层有机碳平均密
度为(0. 31 ± 0. 18)kg /m2，略大于南坡的(0. 27 ±
0. 07)kg /m2;北坡 0 ～ 10 cm 土层的土壤有机碳平均
密度为(3. 69 ± 0. 76)kg /m2，小于南坡的(4. 62 ±
0. 73)kg /m2;北坡 0 ～100 cm土层的土壤有机碳平均
密度为(15. 84 ± 9. 08)kg /m2，大于南坡的(14. 51 ±
7. 85)kg /m2;太白红杉林南北坡土壤有机碳平均密度
在 0 ～100 cm土层为(15. 18 ±8. 51)kg /m2 .
c. 秦岭太白红杉林北坡 0 ～ 100 cm 土层的土
壤有机碳密度随海拔高度的增加呈显著减小趋势
(P < 0. 05);北坡 0 ～ 100 cm 土层土壤有机碳密度
随年降水量的增加而呈下降趋势;土壤容重与
w(有机碳)呈显著负相关(P < 0. 05).
d. 秦岭太白山山高路险，调查样点数目相对较
少、样点分布范围也较小，代表性可能相对欠差，因
此在讨论土壤有机碳密度与环境因子关系时得出结
论与一般结论存在差异，但研究中所提供的数据真
实可靠，可对未来估算太白山森林土壤有机碳储量
及其主导影响因子的分析研究提供参考 .
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