全 文 ：第 31 卷　第 3期
2009 年 5 月
北　京　林　业　大　学　学　报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.31 , No.3
May , 2009
收稿日期:2008--07--11
http: www.bjfujournal.cn , http: journal.bjfu.edu.cn
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD03A0802)。
第一作者:王海燕 ,博士 ,副教授。主要研究方向:土壤学 、植物营养学。电话:010--62338103　Email:haiyanwang72@yahoo.com.cn　地址:
100083 北京林业大学水土保持学院。
近天然落叶松云冷杉林土壤有机碳研究
王海燕1　雷相东2　张会儒2　杨　平1
(1北京林业大学水土保持学院 ,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室
2 中国林业科学研究院资源信息研究所)
摘要:森林土壤有机碳是土壤有机碳库的重要组成部分。研究森林经营对土壤有机碳的影响对于应对气候变化下
的森林经营有重要意义。该文以东北近天然落叶松云冷杉林地为对象 , 研究不同层次(0 ～ 20 cm 、20 ～ 40 cm和 40～
60 cm)的土壤有机碳含量和有机碳密度 、间伐的影响及其与其他土壤特性的关系。结果表明:①近天然落叶松云
冷杉林土壤有机碳含量平均值为 51.11 g kg , 0 ～ 60 cm 土壤剖面有机碳密度为 27.20 kg m2;②土壤有机碳含量和有
机碳密度随土壤深度增加而显著减少 ,但采伐强度不同其减少程度不同;③间伐强度对土壤有机碳含量和有机碳
密度的影响不显著 ,间伐 20 年后不同间伐强度间土壤有机碳含量和有机碳密度没有明显的差异;④土壤有机碳含
量与土壤密度呈显著或极显著负相关 ,而与土壤含水量呈显著或极显著正相关;⑤不同土层中 , 土壤有机碳含量和
有机碳密度与土壤 pH值和土壤 N、P、K 全量和有效量的相关性不尽一致。在整个土壤剖面 , 除土壤 pH 以外 , 土壤
有机碳含量和有机碳密度与土壤 N、P和 K的全量和有效量均呈显著或极显著正相关。
关键词:近天然落叶松云冷杉林;土壤有机碳含量;土壤有机碳密度;间伐
中图分类号:S714.5　　文献标志码:A　　文章编号:1000--1522(2009)03--0011--06
WANG Hai-yan1;LEI Xiang-dong2;ZHANG Hui-ru2;YANG Ping1.Soil organic carbon in semi-natural
mixed larch-spruce-fir stands of northeastern China.Journal of Beijing Forestry University (2009)31(3)
11-16 [Ch , 32 ref.]
1 School of Soil and Water Conservation , Key Laboratory of Soil and Water Conservation &Desertification
Combating of Ministry of Education ,Beijing Forestry University ,100083 ,P.R.China;
2 Institute of Resource Information Techniques ,Chinese Academy of Forestry ,Beijing ,100091 ,P.R.China.
Forest soil organic carbon (SOC)is an important component of SOC pool.It is of great importance to
study the effects of forest management on SOC for mitigating climate changing effects.Semi-natural mixed
larch-spruce-fir stands in northeastern China were selected for field experiment to study SOC content in the soil
layers of 0-20 cm ,20-40 cm , 40-60 cm and SOC density.The authors also examined the effects of thinning
on SOC and the relationship between SOC and other soil characteristics.The results were showed as the
followings:1)the mean SOC content was 51.11 g kg and SOC density in the whole soil profile(0-60 cm)was
27.20 kg m2;2)with the increase of soil depth ,SOC content and density decreased significantly , but the
decrease varied with thinning intensity;3)there was no significant effects of thinning intensity on SOC content
and density.No obvious difference was observed for SOC content and density 20 years after thinning;4)SOC
content had significant negative correlations with soil bulk density , but positive correlations with soil water
content;5)the correlations between SOC content as well as SOC density and soil pH value , total and available
soil N ,P and K varied in different soil layers.In the whole soil profile , except for soil pH , the SOC content
and density had very significant or significant positive correlations with total and available soil N ,P and K.
Key words　 semi-natural mixed larch-spruce-fir stands;soil organic carbon content;soil organic carbon
density;thinning
DOI :10.13332/j.1000-1522.2009.03.019
　　森林土壤碳约占全球土壤有机碳库的
73%[ 1--2] ,是森林生态系统碳循环极其重要的组
分[ 3-4] 。土壤有机碳不仅为植被生长提供碳源 ,维持
良好的土壤结构 ,还在很大程度上影响着土壤的持
水性能和土壤养分的生物有效性 ,而且以 CO 2 等温
室气体形式向大气释放碳[ 5--7] 。全面理解土壤有机
碳的性质和变化规律 ,对预测气候变化具有重要意
义。土壤有机碳含量是土壤碳循环研究的基础 ,直
接取决于地上 、地下凋落物的输入和有机质分解 ,其
中有机物质的输入量在很大程度上取决于气候条
件 、土壤水分状态 、养分的有效性 、植被生长以及人
类活动等因素 ,而土壤中有机物质的分解速率则受
制于有机物的化学组成 、土壤水热状况以及物理化
学特性等因素[ 8-10] 。由于植被类型 、气候特点以及
土壤类型的差异 ,不同林型的土壤有机碳含量存在
很大的差异[ 3 , 8, 11-14] 。有关森林采伐和收获对土壤
有机碳的影响研究结果不尽相同:或对土壤有机碳
没有影响[ 15-16] ,或认为是减少的趋势[ 17-19] ,或使土壤
碳含量略有增加[ 20] ,但有关间伐对土壤碳储量的长
期效应的田间试验在文献中报道很少。本文以东北
近天然落叶松云冷杉林为对象 ,研究不同间伐强度
对不同层次土壤有机碳的影响 ,以及土壤基本理化
性质(如土壤含水量 、土壤密度 、土壤养分等)与土壤
有机碳的关系 ,以期为近天然落叶松云冷杉林土壤
碳库的估算 、应对气候变化下的森林经营提供依据 。
1　研究地概况
研究地位于吉林省汪清林业局金沟岭林场
(130°05′～ 130°20′E , 43°17′～ 43°25′N),属吉林省东
部山区长白山系老爷岭山脉雪岭支脉 。地貌属低山
丘陵地带 ,海拔 550 ～ 1 100 m 。阳坡较陡 ,阴坡平
缓 ,平均坡度 10°～ 25°左右 。该区气候属季风型气
候 ,全年平均气温 4℃左右 ,最冷月(1月份)和最热
月(7月份)的平均气温分别为-32℃和 32℃左右;
年均降水量 600 ～ 700 mm ,且多集中在 7月份 。植
物生长期为 120 d 左右 。山地土壤种类以暗棕壤
为主 。
调查样地为 1964—1967年间营造的有部分保
留树种的人工落叶松林 ,经过多年的演变 ,大部分已
成为落叶松云冷杉针阔混交林 ,具有天然林的部分
特征 ,称为近天然落叶松云冷杉林 。以长白落叶松
(Larix olgensis )、 云 杉 (Picea jezoensis var.
microsperma)、冷杉(Abies nephrolepis)为优势树种 ,其
他树种有红松(Pinus koraiensis)、色木(Acer mono)、
水曲 柳 (Fraxinus mandshurica)、 白 桦 (Betula
platyphylla)、椴树(Tilia amurensis)、枫桦(Betula
platyphylla)、榆树(Ulmus propinqua)等阔叶树种。
1986年按照完全随机区组设计设置样地12块 ,包括
3个区组 4个处理(对照 ,间伐强度为 20%(弱度间
伐)、30%(中度间伐)和 40%(强度间伐))。样地面
积最小为 0.077 5 hm2 ,最大为0.25 hm2 ,因此共有间
伐样地 9块 ,对照样地 3块 。间伐时间为 1987 年 ,
方式为下层抚育伐 。样地设置时林分概况见表 1。
2　研究方法
2.1　土样采集与测定
2007年 7 月 ,沿每块样地坡面的上 、中和下部
随机挖取 3个土壤剖面 ,按 0 ～ 20 cm 、20 ～ 40 cm 和
　　　　
表 1　样地设置基本概况
TABLE 1　Basic characteristics of experimental stands established in 1986
区组 样地号 面积 hm2 海拔 m 坡向 坡度 (°) 坡位 造林时间 断面积间伐强度 %
Ⅰ区 301 0.077 5 760 东北 10 下 1962年 40
302 0.077 5 760 东北 10 下 1962年 0(对照)
303 0.130 0 760 东北 10 下 1962年 30
304 0.097 5 760 东北 10 下 1962年 20
Ⅱ区 309 0.250 0 660 西北 6 下 1964年 0(对照)
310 0.250 0 670 西北 10 中 1964年 30
311 0.250 0 670 西北 6 下 1964年 20
312 0.250 0 680 西北 10 下 1964年 40
Ⅲ区 317 0.100 0 615 东北 7 下 1964年 20
318 0.112 5 610 东北 7 下 1963年 40
319 0.100 0 605 东北 9 下 1963年 30
320 0.100 0 600 东北 9 下 1964年 0(对照)
12 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷　
40 ～ 60 cm 3个层次采集各土层的土壤样品 ,共采集
土样 108个 。土样经风干 、磨细 、过筛(2 、1 和 0.25
mm土壤筛)后 ,用于测定土壤有机碳含量(重铬酸
钾外加热法)。全 N 用凯氏法测定;碱解 N 用扩散
法测定;全 P 用HClO4-H2SO4法测定;速效 P 用钼锑
抗比色法测定;全K 、速效 K用火焰光度计法测定;
土壤 pH 值用酸度计法(水土比 2.5∶1)测定[ 21] 。用
环刀法采样测定土壤密度和土壤含水量 。
2.2　土壤有机碳密度的计算
土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层
中土壤有机碳的储量 ,一般用 t hm2 或 kg m2 表示 。
由于它以土体体积为基础来计算 ,排除了面积和土
壤深度的影响 ,因此土壤碳密度已成为评价和衡量
土壤有机碳储量的一个极其重要的指标[ 3 , 22-24] 。某
一土层 i的有机碳密度(SOCi ,kg m2)计算公式为:
SOCi =CiDiE i(1-Gi) 100
式中:Ci 为土壤有机碳含量(g kg), Di 为土壤密度
(g cm3), E i 为土层厚度(cm), Gi 为直径大于 2 mm
的石砾所占的体积百分比(%)。
一定剖面深度的土壤有机碳密度计算公式为:
SOC =∑n
i=1
CiDiE i(1 -Gi) 100
式中:n为土层数 ,本研究中 n=3。
2.3　数据分析
采用单因素方差分析研究不同采伐强度及土层
深度对土壤有机碳含量和有机碳密度的影响 ,并在
差异显著时进行多重比较(P <0.05 ,LSD , t 检验);
采用相关分析研究土壤有机碳含量和基本理化性质
间的关系 。
3　结果与分析
3.1　土壤有机碳含量和有机碳密度垂直分布
土壤剖面上有机碳的变化主要取决于地表植被
状况 、有机物质进入土壤的量和进入方式以及土壤
淋溶状况等因素 。随着土壤深度增加 ,土壤有机碳
含量显著减少 ,在0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm 和40 ～ 60 cm
土层中的均值±标准差分别为(95.2±52.2)g kg 、
(37.7±15.1)g kg和(20.4±14.8)g kg(见图 1)。方
差分析及多重比较结果表明:0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm
和40 ～ 60 cm 土层的土壤有机碳含量差异极显著
(n=36 , p=0.000),20 ～ 40 cm和 40 ～ 60 cm 的土壤
有机碳含量差异显著(n=36 , p=0.026)。
随着土壤深度增加 ,土壤有机碳密度也表现为
显著降低 ,在 0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm和 40 ～ 60 cm土
层中的均值±标准差分别为(13.4±7.0)kg m2 、(7.8
±3.3)kg m2和(4.4±3.1)kg m2(见图 2)。方差分
析及多重比较结果表明 ,各土层间的土壤有机碳密
度差异极显著 。
本试验区土壤有机碳含量(0 ～ 60 cm)均值为
51.11 g kg;0 ～ 60 cm 土壤剖面有机碳密度为 27.20
kg m2 。
图 1　土壤有机碳含量随土壤深度的变化
FIGURE 1　Variations of soi l organic carbon(SOC)
content with soil depth
图 2　土壤有机碳密度随土壤深度的变化
FIGURE 2　Variations of SOC density with soil depth
3.2　间伐对土壤有机碳含量和有机碳密度的影响
不同间伐强度下各层次土壤有机碳含量见表
2。各土层土壤有机碳含量均表现为:对照>中度间
伐>强度间伐>弱度间伐 ,但方差分析结果表明:不
同间伐强度间土壤有机碳含量并无显著差异 ,这说
明间伐 20年后 ,不同间伐强度下土壤有机碳含量没
有明显的差异 。
不同间伐强度下各层次土壤有机碳密度见表
3。在 0 ～ 20 cm ,土壤有机碳密度表现为对照>中度
间伐>强度间伐>弱度间伐;在 20 ～ 40 cm ,表现为
中度间伐>对照>强度间伐>弱度间伐;而在 40 ～
60 cm ,则表现为对照>强度 、中度和弱度间伐 。但
方差分析结果表明 ,不同间伐强度间土壤有机碳密
度并无显著差异。
3.3　土壤有机碳与土壤基本理化性质的相关性分析
3.3.1　土壤有机碳含量与土壤密度和土壤水分的
相关性分析
对土壤有机碳含量与土壤密度和土壤水分之间
进行了相关分析 ,结果见表 4。在 0 ～ 20 cm ,土壤有
机碳含量与土壤密度呈显著负相关(r=-0.357),
与土壤质量含水量和体积含水量均呈显著正相关
(r=0.345 , r =0.332);而在 20 ～ 40 cm 和 40 ～ 60
13第 3期 王海燕等:近天然落叶松云冷杉林土壤有机碳研究
　　　　表 2　不同间伐强度下各层次土壤有机碳含量 g·kg-1
TABLE 2　SOC content in different soil layers under varied thinning intensity
土壤深度 cm 对照 弱度间伐 中度间伐 强度间伐 F p
0～ 20 108.7(45.6) 72.6(32.5) 104.3(61.3) 95.1(64.3) 0.85 0.48
20～ 40 42.5(19.7) 33.8(12.4) 40.6(12.6) 33.8(15.1) 0.81 0.50
40～ 60 25.5(15.2) 17.9(17.1) 19.3(15.5) 19.0(12.3) 0.47 0.71
0～ 60 58.9(46.6) 41.4(31.8) 54.7(51.3) 49.3(50.1) 0.74 0.53
注:括号外数据表示均值 ,括号内数据表示标准差。表 3同此。
表 3　不同间伐强度下各层次土壤有机碳密度 kg·m-2
TABLE 3　SOC density in different soil layers under varied thinning intensity
土壤深度 cm 对照 弱度间伐 中度间伐 强度间伐 F p
0～ 20 15.9(4.8) 9.9(4.9) 14.6(7.2) 13.1(9.8) 1.24 0.31
20～ 40 8.2(4.0) 6.8(2.5) 9.1(3.4) 7.1(3.4) 0.86 0.47
40～ 60 5.2(3.4) 4.0(3.8) 4.1(3.1) 4.1(2.5) 0.29 0.83
0～ 60 29.4(7.3) 24.0(10.9) 31.0(9.6) 24.4(14.2) 0.97 0.42
cm ,其间的相关性均未达到显著水平。若对整个土
壤剖面进行分析 ,土壤有机碳含量与土壤密度呈极
显著负相关(r=-0.630),与土壤质量含水量和体
积含水量均呈极显著正相关(r =0.639 , r=0.502)。
土壤有机碳含量与土壤密度的负相关性在很多文献
中都有提及 ,用以推算土壤密度 ,从而进行土壤有机
碳密度 、碳储量的估算[ 11--12 , 14] 。
表 4　土壤有机碳含量与土壤密度和土壤含水量的相关系数
TABLE 4　Correlation coefficients between SOC content
and soil bulk density as well as soil water content
土壤深
度 cm 样本数 土壤密度
土壤质量
含水量
土壤体积
含水量
0～ 20 36 -0.357＊ 0.345＊ 0.332＊
20～ 40 36 -0.050 -0.011 -0.080
40～ 60 36 -0.215 -0.025 -0.145
0～ 60 108 -0.630＊＊ 0.639＊＊ 0.502＊＊
注:＊表示相关性显著(P<0.05), ＊＊表示相关性极显著(P<0.01)。
表 5～ 6同此。
3.3.2　土壤有机碳与土壤 pH值和养分相关性分析
对土壤有机碳含量与土壤 pH值和养分之间的
相关分析(见表 5)表明 ,不同土层土壤有机碳含量
与土壤 pH和土壤 N 、P 、K全量和有效量的相关性不
尽一致。在 0 ～ 20 cm ,土壤有机碳含量与土壤 pH
值呈极显著正相关 ,与全N 、碱解 N和全P 呈显著正
相关;在 20 ～ 40 cm ,与速效 K 呈极显著正相关 ,与
全N呈显著正相关;在 40 ～ 60 cm ,与土壤有效 P 呈
显著正相关。若对整个土壤剖面进行分析 ,除土壤
pH以外 ,土壤有机碳含量与土壤 N 、P 和 K 的全量
和有效量均呈极显著正相关 ,且与土壤全 N 、碱解 N
的相关系数较高 ,分别为 0.721和 0.681。相关分析
结果也在一定程度上表明了土壤 N 、P 、K的来源 。
对土壤有机碳密度与土壤 pH 和养分之间也进
行了相关分析(见表 6),结果和土壤有机碳含量与
土壤 pH和养分之间的相关性基本一致 。若对整个
土壤剖面进行分析 ,除土壤 pH 以外 ,土壤有机碳密
度与土壤N 、P 和 K的全量和有效量均呈显著或极
显著正相关。
由以上相关性分析可知 ,土壤有机碳水平受诸
多因素影响 ,这些因素之间又互相影响。土壤理化
特性如土壤密度 、土壤水分 、土壤 pH 、土壤养分等在
局部范围内都会影响土壤有机碳的含量[ 27-28] 。
4　结论与讨论
1)近天然落叶松云冷杉林土壤有机碳含量平均
值为 51.11 g kg , 0 ～ 60 cm 土壤剖面有机碳密度为
27.20 kg m2;这比以前该区域平均土壤有机碳密度
的估算结果要大 ,如云冷杉林 、落叶松林的土壤碳密
表 5　土壤有机碳含量与土壤 pH值和养分的相关系数
TABLE 5　Correlation coefficients between SOC content and soil pH value as well as soil nutrients
土壤深度 cm 样本数 pH 全 N 碱解 N 全P 有效 P 全 K 速效 K
0～ 20 36 0.535＊＊ 0.419＊ 0.366＊ 0.332＊ -0.058 -0.222 -0.018
20～ 40 36 0.013 0.349＊ 0.149 0.121 0.198 0.127 0.692＊＊
40～ 60 36 -0.231 0.092 0.223 0.114 0.379＊ 0.281 0.292
0～ 60 108 0.187 0.721＊＊ 0.681＊＊ 0.478＊＊ 0.305＊＊ 0.286＊＊ 0.437＊＊
14 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷　
表 6　土壤有机碳密度与土壤 pH值和养分的相关系数
TABLE 6　Correlation coefficients between SOC density and soil pH value as well as soil nutrients
土壤深度 cm 样本数 pH 全 N 碱解 N 全P 有效 P 全 K 速效 K
0～ 20 36 0.432＊＊ 0.252 0.225 0.167 -0.156 -0.257 0.012
20～ 40 36 0.086 0.211 0.032 0.039 0.138 -0.003 0.597＊＊
40～ 60 36 -0.169 0.007 0.181 0.026 0.444＊＊ 0.200 0.289
0～ 60 108 0.150 0.584＊＊ 0.555＊＊ 0.355＊＊ 0.230＊ 0.206＊ 0.411＊＊
度分别为 36.079 和 16.653 kg m2[ 8] ,东北地区平均
土壤有机碳密度为 21.27 kg m2[ 29] ,吉林省暗棕壤的
有机碳密度的估算结果为 16.55 kg m2 [ 22] 。一方面
土壤有机碳受生物物理因素(植被 、土壤 、气候)和经
营活动的综合影响。这些因子的差异影响到土壤碳
的形成和分解过程 ,因此导致土壤有机碳具有较大
的空间变异性特征 ,尤其是某个特定的生态系统 。
本研究中的林分类型既不是落叶松或云冷杉人工纯
林 ,也不是天然混交林 ,而是一种特殊的近天然森林
类型 。另一方面 ,研究方法的不统一也是导致土壤
有机碳不确定性的一个重要原因[ 3] ,尤其是取样深
度和数量等。
2)土壤有机碳含量随土壤深度增加而显著减
少 ,这与以前的研究结果一致[ 3 , 11, 25-26 , 30] ,说明土壤
有机碳主要受地上动植物残体 、根系和地下微生物
的分解 、积累程度直接影响。在森林植被下 ,进入土
壤的有机物质主要为地表的凋落物 ,表层有机碳含
量高 ,向下急剧减少 ,但采伐强度不同其减少程度不
同。土壤有机碳密度随土壤深度增加而显著降低 ,
这与方运霆等[ 11] 、陈亮中等[ 30] 的研究结果一致 ,而
杨金艳等[ 3] 却发现土壤有机碳密度随深度增加而增
大。这主要是受土壤密度和直径大于 2 mm 的石砾
所占的体积百分比的影响 。
3)伐后 20 年的结果表明不同间伐强度间土壤
有机碳无显著差异 ,说明 40%以下的间伐强度在 20
年后没有引起土壤碳储量的显著变化。但这一结论
的前提是假设样地建立时不同采伐强度样地间的土
壤碳储量无显著差异 。
4)土壤有机碳含量与土壤密度呈显著或极显著
负相关 ,即土壤有机碳积累使土壤显著疏松 ,土壤密
度下降;而与土壤含水量呈显著或极显著正相关;根
据森林土壤养分元素动态变化规律 ,有机质含量与
土壤全N 、全 P 、碱解N 、有效P 含量等分别呈不同程
度的正相关[ 31-32] 。在本研究中 ,不同土层土壤有机
碳含量和有机碳密度与土壤 pH 和土壤N 、P 、K全量
和有效量的相关性不尽一致。若对整个土壤剖面进
行分析 ,除土壤 pH值以外 ,土壤有机碳含量和有机
碳密度与土壤N 、P 和 K 的全量和有效量均呈显著
或极显著正相关 。
致谢　参加外业调查的还有朗璞玫 、李春明 、武继成 、陈新美 、向玮 、
曾 、何鹏 、刁军 、戎建涛 、陈晓光 、刘国民 、侯举亮 、秦嗣波等 , 在此
一并致谢 !
参 考 文 献
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(责任编辑　冯秀兰)
16 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷