全 文 ：东北林区主要森林类型土壤有机碳密度
及其影响因素*
魏亚伟1,2,4摇 于大炮1摇 王清君3摇 周摇 莉1摇 周旺明1摇 方向民1,4摇 谷晓萍1,2,4摇 代力民1**
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室, 沈阳 110016; 2沈阳农业大学林学院, 沈阳 110866;
3黑龙江省伊春林业科学院, 黑龙江伊春 153000; 4 中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 2011 年在东北林区研究了 5 种主要森林类型(针叶混交林、针阔混交林、阔叶混交
林、落叶松林和白桦林)4 个林龄(幼龄林、中龄林、近熟林和过熟林)的土壤碳密度. 结果表
明: 东北林区不同森林类型的土壤有机碳含量和有机碳密度均以表层土壤最高,随土壤深度
的增加逐渐减少,而随森林类型和林龄的变化并不显著;森林土壤有机碳主要集中在表层土
壤,其中大兴安岭、小兴安岭和长白山森林 0 ~ 20 cm 土壤贮存了其剖面总有机碳密度的
84郾 7% ~86. 1% 、51. 7% ~59. 8%和 51. 2% ~53. 4% .随纬度的增加,森林土壤总有机碳密度
明显下降,可能与东北林区土壤发生层的厚度密切相关.
关键词摇 东北林区摇 土壤有机碳摇 森林类型摇 林龄摇 空间变异性
文章编号摇 1001-9332(2013)12-3333-08摇 中图分类号摇 Q948摇 文献标识码摇 A
Soil organic carbon density and its influencing factors of major forest types in the forest re鄄
gion of Northeast China. WEI Ya鄄wei1,2,4, YU Da鄄pao1, WANG Qing鄄jun3, ZHOU Li1, ZHOU
Wang鄄ming1, FANG Xiang鄄min1,4, GU Xiao鄄ping1,2,4, DAI Li鄄min1 ( 1 State Key Laboratory of
Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang
110016, China; 2College of Forestry, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;
3Yichun Academy of Forestry Science, Yichun 153000, Heilongjiang, China; 4University of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(12): 3333-3340.
Abstract: The five main forest types, i. e. larch forest, birch forest, coniferous mixed forest, broad鄄
leaved mixed forest, and coniferous and broadleaved mixed forest, with varied age classes (young,
mid鄄aged, pre鄄mature, and over mature) were selected to investigate the variation of soil organic
carbon density in the forest region of Northeast China. Results showed that both soil organic carbon
content and density were relatively larger in the top soil layer across the five forest types, decreased
gradually with soil depth, and varied insignificantly with either forest type or forest age class. The
forest soil carbon density was concentrated in the top 20 cm of soil which accounted for 84. 7% -
86郾 1% , 51. 7% -59. 8% and 51. 2% -53. 4% of total soil carbon density in the Daxing爷 an,
Xiaoxing爷an and Changbai mountains, respectively. The total soil organic carbon density decreased
significantly with increasing latitude, which might be attributed mainly to the thickness of soil layers
in forest region of Northeast China.
Key words: forest region of Northeast China; soil carbon pool; forest type; forest age; spatial varia鄄
bility.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2012BAD22B04)和中国科学院
战略性先导科技专项(XDA05060200)资助.
**通讯作者. E鄄mail: lmdai@ iae. ac. cn
2013鄄03鄄05 收稿,2013鄄10鄄08 接受.
摇 摇 土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,总有
机碳储量高达 1550 Pg C[1],是全球陆地植被碳库的
3 倍、大气碳库的 2 倍[2] .土壤碳库的微小变化即会
引起大气中 CO2浓度的巨大变化[2],因此在陆地生
态系统碳循环中有着举足轻重的作用[3] . Dixon
等[4]在总结大量文献的基础上得出全球森林土壤
碳库占陆地土壤总碳库的 73% ,认为土地利用方式
的变化所导致的森林土壤碳的释放是仅次于化石燃
料燃烧的全球第二大碳源[5] . 因此,开展森林土壤
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 12 月摇 第 24 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2013,24(12): 3333-3340
碳库的研究,对于减缓大气中 CO2浓度持续升高具
有重要的意义.
目前关于土壤碳库的研究已经有了较好的基
础.在全国尺度上,方精云等[6]、潘根兴[7]、王绍强
等[8]和 Yang 等[9]分别对我国土壤有机碳库进行了
估算,但结果间的差异较大(50. 0 ~ 185. 7 Pg C);在
省域尺度上,王新闯等[10]和黄从德等[11]对吉林省
和四川省的森林土壤碳库进行了估算,结果表明,无
论是在全国尺度还是省域尺度上,土壤碳储量均存
在较高的空间变异性. 这给土壤碳库的估算带来了
较大的不确定性.另外,对区域尺度土壤碳库的估算
均存在着采样点密度相对不足和各植被类型剖面数
量相对较少的缺陷.因此,在区域尺度上研究森林土
壤碳库的时空变异及其主要影响因素,对于全国森
林土壤碳库的精确估算具有重要的指导意义.
我国东北林区系北半球中高纬度森林的重要组
成部分,在全球森林生态系统碳循环中起着重要的
作用[12] .本文研究了东北林区主要森林类型不同林
龄土壤有机碳的空间差异及其主要影响因素,以期
为区域尺度森林土壤有机碳库的精确估算和森林生
态系统的经营管理提供科学参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
东北林区地处黑龙江、吉林和内蒙古三省
(区),是我国最大的国有林区,主要由大兴安岭、小
兴安岭和长白山等山系组成(图 1),总面积 5350 万
hm2,森林面积 3590 万 hm2,其中天然林面积高达
91. 4% .东北林区横跨温带和寒温带两个气候区,冬
天寒冷干燥,夏季湿热多雨;年均温为-2. 5 ~ 4. 8
益,年降雨量 350 ~ 1000 mm,降水多集中在夏季;由
南向北,年均温逐渐降低,生长季逐渐缩短. 东北林
区包括寒温带落叶针叶林和温带针阔混交林两个完
整的植被带,其中寒温带落叶针叶林带位于我国最
北部的大兴安岭,以耐寒的兴安落叶松(Larix gmeli鄄
图 1摇 东北林区样点分布
Fig. 1摇 Location of sampling sites in the forest region of North鄄
east China.
nii)为单优势树种,土壤类型主要为棕色针叶林土;
温带针阔混交林带位于小兴安岭和长白山,以喜湿
的红松(Pinus koraiensis)和紫椴(Tilia amurensis)为
优势种,伴生有多种阔叶树的阔叶红松林,土壤类型
主要为暗棕色森林土.
摇 摇 东北林区自 1998 年实施天然林保护工程以来,
森林采伐强度受到了严格的控制. 但是作为我国主
要的林木产品和林副产品生产基地,东北林区仍经
历着大量的采伐和采集等人为活动.
1郾 2摇 样地设置
根据东北林区的主要森林植被类型,于 2011 年
7—10 月分别在大兴安岭的呼中和根河林区、小兴
安岭的伊春林区和长白山的露水河林区设置研究样
地(图 1).在大兴安岭林区选择了落叶松林和白桦
林,主要树种为兴安落叶松、白桦(Betula platyphyl鄄
la)和山杨(Populus davidiana);在小兴安岭林区和
长白山林区均选择了针阔混交林、针叶混交林和阔
叶混交林,主要树种包括红松、云杉(Picea aspera鄄
ta)、冷杉(Abies religiosa)、椴树、黄波罗(Phelloden鄄
dron amurense)、蒙古栎(Quercus mongolica)、山杨、
白桦等.所选森林类型均为天然林,样地基本概况详
见表 1.
每个森林类型均包括幼龄林、中龄林、近熟林和
表 1摇 研究地点概况
Table 1摇 General status of study sites
地点
Site
纬 /经度
Latitude / longitude
海拔
Elevation (m)
年均温
Mean annual
temperature (益)
年降雨量
Mean annual
precipitation (mm)
森林类型
Forest types
样地数
No. of plots
大兴安岭
Daxing爷an Mt.
50毅29忆—52毅24忆 N,
120毅56忆—124毅03忆 E
446 ~ 1011 -2. 5 ~ 1. 1 208 ~ 636 落叶松林、白桦林 88
小兴安岭
Xiaoxing爷an Mt.
47毅05忆—48毅16忆 N,
128毅12忆—129毅15忆 E
259 ~ 599 1. 2 ~ 2. 8 421 ~ 823 针叶混交林、针阔混
交林、阔叶混交林
60
长白山
Changbai Mt.
42毅25忆—42毅39忆 N,
127毅45忆—128毅00忆 E
582 ~ 1039 2. 6 ~ 4. 8 509 ~ 810 针叶混交林、针阔混
交林、阔叶混交林
55
4333 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
过熟林 4 个龄组[13] .林龄的确定主要参照样地主林
层植被信息并结合当地林业局的相关资料;样地面
积均设为 20 m伊20 m,并将森林类型相同、林龄相
近、地理条件相似的样地作为重复,每块样地至少 3
个重复,共设置样地 203 块.
1郾 3摇 土样采集和土壤碳储量计算
土样的采集采用挖土壤剖面法,每块样地挖取
两个土壤剖面,最大深度为 1 m,不足 1 m按实际深
度进行分层取样;其中表层土壤(0 ~ 10 cm)采用多
点混合取样法,以减小表层土壤的异质性;土壤分层
标准按照 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 50 和 50 ~ 100
cm划分,取每层土样的混合样,带回室内风干,挑出
其中的石砾和细根,称量,计算>2 mm 砾石百分含
量,进行土壤有机碳的测定;同时取每层的环刀土
样,用于土壤容重的计算.
土壤有机碳含量(% )的测定采用重铬酸钾外
加热法,土壤有机碳密度的计算公式如下:
SOC =移
n
i = 1
SOC i 伊 BDi 伊 Hi 伊 (1 - R i / 100) / 10
式中:SOC为土壤剖面总有机碳密度(Mg C·hm-2);
SOC i为第 i层土壤有机碳含量(g·kg-1);BDi为第 i
层土壤容重(g·cm-3);Hi为第 i 层土壤厚度(cm);
R i为第 i层土壤>2 mm砾石的含量(% ).
1郾 4摇 数据处理
所有数据均为各处理结果的平均值;森林类型
和林龄对土壤剖面各层有机碳含量和有机碳密度,
以及土壤剖面总有机碳密度的影响采用双因素方差
分析(two鄄way ANOVA);同一林龄不同森林类型及
相同森林类型不同林龄间土壤剖面总有机碳密度的
差异均采用单因素方差分析(one鄄way ANOVA)和最
小显著差异法(LSD);并利用线性相关分析土壤各
层有机碳含量、有机碳密度与纬度的相关性(琢 =
0郾 05);数据分析软件为 SPSS 16. 0.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 东北林区主要森林类型土壤有机碳含量和有
机碳密度的分布
大兴安岭、小兴安岭和长白山森林的土壤有机
碳含量均以表层土壤最高,随土壤深度的增加逐渐
降低.其中,0 ~ 10 cm 土壤有机碳含量分别较 10 ~
20 cm土壤高 90% ~132% ;而 10 ~ 20 cm以下土壤
有机碳含量变化范围相对较小(表2) .除大兴安岭
表 2摇 东北林区土壤有机碳含量和有机碳密度的垂直分布
Table 2摇 Vertical distribution of soil organic carbon content
and density in the forest region of Northeast China (mean依
SD)
地点
Site
土壤深度
Soil depth
(cm)
剖面数
No. of
profiles
碳含量
C content
(g·kg-1)
碳密度
C density
(Mg C·hm-2)
大兴安岭 0 ~ 10 147 64. 5依3. 50 50. 6依16. 33
Daxing爷an Mt. 10 ~ 20 118 33. 9依1. 89 31. 9依18. 45
20 ~ 30 56 21. 5依1. 39 23. 4依13. 66
30 ~ 50 10 18. 1依1. 01 33. 1依27. 19
50 ~ 100 5 14. 9依0. 42 71. 6依20. 35
小兴安岭 0 ~ 10 111 80. 1依2. 40 49. 8依9. 71
Xiaoxing爷an Mt. 10 ~ 20 111 36. 7依1. 60 37. 8依9. 77
20 ~ 30 102 23. 2依0. 94 27. 8依9. 59
30 ~ 50 95 16. 2依0. 72 34. 2依12. 13
50 ~ 100 38 11. 2依0. 50 43. 2依27. 32
长白山 0 ~ 10 86 64. 0依2. 17 44. 9依11. 85
Changbai Mt. 10 ~ 20 86 27. 6依1. 39 29. 4依8. 46
20 ~ 30 86 15. 4依0. 93 22. 4依11. 44
30 ~ 50 84 8. 3依0. 53 20. 9依9. 15
50 ~ 100 69 6. 1依0. 42 28. 3依10. 30
0 ~ 10 cm、20 ~ 30 cm和小兴安岭 0 ~ 10 cm 土壤有
机碳含量受森林类型的影响显著,大兴安岭 0 ~ 10
cm、长白山 0 ~ 10 cm和 30 ~ 50 cm土壤有机碳含量
受林龄的影响显著外,3 个林区其他各层土壤有机
碳含量随森林类型和林龄的变化均不显著(表 3).
摇 摇 随剖面深度的增加,土壤有机碳密度(每 10
cm)逐渐降低,以表层土壤(0 ~ 10 cm)有机碳密度
最高(表 2),大兴安岭、小兴安岭和长白山森林土壤
有机碳密度分别占土壤剖面总有机碳密度的比例高
达 57. 4% 、32. 0%和 31. 7% ;其中大兴安岭森林土
壤有机碳密度主要集中在 0 ~ 30 cm,占其剖面总有
机碳密度的 98. 5% (图 2).底层土壤(50 ~ 100 cm)
图 2摇 东北林区表层土壤有机碳密度占剖面总有机碳密度
的百分比
Fig. 2摇 Percentage of soil organic carbon density of each layer
accounted for total soil organic carbon density in the forest region
of Northeast China.
Dx:大兴安岭 Daxing爷an Mt. ; Xx:小兴安岭 Xiaoxing爷an Mt. ; Cb:长
白山 Changbai Mt. 下同 The same below.
533312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 魏亚伟等: 东北林区主要森林类型土壤有机碳密度及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 森林类型和林龄对土壤有机碳含量和有机碳密度影响的方差分析
Table 3摇 ANOVA for effects of forest age and type on soil organic carbon content and carbon density
地点
Site
土壤深度
Soil depth
(cm)
碳含量 Carbon content
林龄
Forest age
(A)
林型
Forest type
(T)
林龄伊林型
A伊T
碳密度 Carbon density
林龄
Forest age
(A)
林型
Forest type
(T)
林龄伊林型
A伊T
大兴安岭 df 3 1 3 3 1 3
Daxing爷an Mt. 0 ~ 10 F 5. 30 4. 04 1. 86 0. 18 0. 04 0. 80
P 0 0. 04 0. 14 0. 91 0. 83 0. 50
10 ~ 20 F 2. 50 1. 30 3. 46 1. 28 0. 01 0. 17
P 0. 06 0. 26 0. 02 0. 29 0. 96 0. 91
20 ~ 30 F 0. 08 6. 88 1. 47 0. 32 0. 04 0. 27
P 0. 97 0. 01 0. 24 0. 81 0. 84 0. 85
小兴安岭 df 3 2 5 3 2 5
Xaxing爷an Mt. 0 ~ 10 F 0. 46 5. 40 1. 62 1. 27 0. 02 0. 75
P 0. 71 0 0. 16 0. 30 0. 98 0. 59
10 ~ 20 F 0. 24 1. 27 1. 95 0. 19 0. 95 1. 11
P 0. 87 0. 29 0. 09 0. 90 0. 40 0. 37
20 ~ 30 F 0. 07 1. 42 1. 12 0. 37 0. 76 0. 51
P 0. 98 0. 25 0. 36 0. 77 0. 47 0. 77
30 ~ 50 F 0. 78 0. 13 0. 79 0. 47 1. 98 1. 21
P 0. 51 0. 88 0. 56 0. 70 0. 15 0. 32
50 ~ 100 F 2. 16 0. 59 0. 65 0. 60 1. 34 1. 36
P 0. 12 0. 56 0. 63 0. 62 0. 29 0. 28
长白山 df 3 2 5 3 2 5
Changbai Mt. 0 ~ 10 F 3. 49 1. 76 0. 55 1. 55 0. 24 0. 61
P 0. 02 0. 18 0. 74 0. 22 0. 79 0. 70
10 ~ 20 F 2. 02 0. 23 0. 60 1. 91 0. 22 1. 35
P 0. 12 0. 80 0. 70 0. 14 0. 80 0. 26
20 ~ 30 F 1. 64 0. 52 1. 64 1. 29 1. 30 2. 15
P 0. 19 0. 60 0. 16 0. 29 0. 28 0. 08
30 ~ 50 F 3. 46 1. 69 1. 04 1. 12 0. 66 0. 80
P 0. 02 0. 19 0. 40 0. 35 0. 52 0. 56
50 ~ 100 F 1. 45 0. 54 1. 32 0. 23 3. 95 1郾 00
P 0. 24 0. 59 0. 27 0. 88 0. 03 0. 43
有机碳密度以大兴安岭最高,为 71. 6 Mg C·hm-2,
分别较小兴安岭和长白山森林底层土壤高 65. 7%
和 153. 6% ,但其剖面数量较少,仅为 5 个(表 2).除
长白山森林底层土壤有机碳密度受森林类型的显著
影响外,东北林区其余各层土壤有机碳密度在森林
类型和林龄间的变化均不显著(表 3).
此外,沿长白山—小兴安岭—大兴安岭,底层
30 ~ 50 cm 和 50 ~ 100 cm 土壤剖面数量逐渐减少,
森林土层厚度逐渐减小.
摇 摇 由图 3 和表 4 可以看出,大兴安岭林区土壤剖
面总有机碳密度以落叶松过熟林最高,为 134郾 3
Mg C·hm-2,其余各龄组土壤有机碳密度均为落叶
松林低于白桦林(图 3); 随林龄的增加,土壤剖面
总有机碳密度逐渐增大,但其受林龄和森林类型的
影响均不显著.小兴安岭土壤剖面总有机碳以阔叶
混交幼龄林最高,为 210. 7 Mg C·hm-2,各林型和
各龄组间的变化均不显著. 长白山森林土壤剖面总
有机碳密度的最小值和最大值分别出现在针叶混交
中龄林和针叶混交过熟林,为 121郾 1 和 171郾 4
Mg C·hm-2,随林龄和森林类型的变化均不显著.
表 4摇 林龄和林型对土壤剖面总有机碳密度影响的方差
分析
Table 4摇 ANOVA for effects of forest age and type on soil
carbon density
地点
Site
林龄
Forest age
(A)
林型
Forest type
(T)
林龄伊林型
A伊T
大兴安岭 df 3 2 5
Daxing爷an Mt. F 1. 04 0. 04 1. 31
P 0. 38 0. 96 0. 28
小兴安岭 df 3 2 5
Xaxing爷an Mt. F 0. 31 1. 39 1. 95
P 0. 82 0. 26 0. 1
长白山 df 3 1 3
Changbai Mt. F 0. 51 0. 67 0. 39
P 0. 68 0. 42 0. 76
6333 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 3摇 东北林区主要森林类型土壤有机碳密度随林龄的变化
Fig. 3摇 Soil organic carbon density of the main forest types varied with age class in the forest region of Northeast China (mean依SE).
BF:白桦 Birch forest; LF:落叶松 Larch forest; CMF:针叶混交林 Coniferous mixed forest; CBF:针阔混交林 Coniferous and broadleaved mixed for鄄
est; BMF:阔叶混交林 Broadleaved mixed forest. 玉:幼龄林 Young forest; 域:中龄林 Mid鄄aged forest; 芋:近熟林 Pre鄄mature forest; 郁:过熟林
Over鄄mature forest. 不同大写字母表示同一龄组不同林型间土壤有机碳密度差异显著,不同小写字母表示相同林型不同龄组间土壤有机碳密度
差异显著 Different uppercase letters meant significant difference among forest types within the same age class, and different lowercase letters meant signif鄄
icant difference among age classes within the same forest type.
图 4摇 东北林区主要森林类型土壤有机碳与纬度的相关关系
Fig. 4摇 Soil organic carbon of the major forest type varied along latitude in Northeast.
a ~ e分别代表 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 50 和 50 ~ 100 cm土壤有机碳含量(% )与纬度的相关性; f ~ i分别代表 0 ~ 10、0 ~ 20、0 ~ 30cm和土
壤剖面总有机碳密度与纬度的相关性 a-e indicated correlations between soil organic carbon concentration (% ) of 0-10, 10-20, 20-30, 30-50 and
50-100 cm layer with latitude, f-i indicated correlations between soil organic carbon density of 0-10, 0-20, 0-30 cm layer and the total with latitude,
respectively.
733312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 魏亚伟等: 东北林区主要森林类型土壤有机碳密度及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇
2郾 2摇 东北林区主要森林类型土壤有机碳含量和有
机碳密度随纬度的变化
由图 4 可以看出,3 种森林类型土壤有机碳含
量和有机碳密度在纬度上均呈现出较大的变化. 除
表层 0 ~ 10 cm土壤外,其余各层土壤有机碳含量均
随纬度的增加逐渐增大,而且 20 ~ 30 cm、30 ~ 50
cm和 50 ~ 100 cm土壤有机碳含量均与纬度呈现出
极显著的正相关关系.此外,0 ~ 10 cm、0 ~ 20 cm 和
0 ~ 30 cm 土壤剖面有机碳密度均随纬度的增加逐
渐增大,且 0 ~ 10 cm 和 0 ~ 30 cm 土壤剖面有机碳
密度与纬度的相关性达极显著水平;土壤剖面总有
机碳密度则随纬度的增加逐渐降低,呈极显著的负
相关关系.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 森林类型对土壤有机碳的影响
本文分别对东北林区大兴安岭、小兴安岭和长
白山主要森林类型土壤有机碳进行了研究,并与该
地区相同森林类型的其他研究进行比较.齐光等[14]
研究表明,大兴安岭落叶松林土壤有机碳密度的变
化范围为 110. 3 ~ 158. 9 Mg C·hm-2,杨金艳等[15]
研究表明,小兴安岭天然次生林土壤有机碳密度的
平均值为 155. 7 Mg C·hm-2;Zhou 等[16]研究得出,
长白山老龄林土壤有机碳密度的变化范围为 126 ~
148 Mg C·hm-2,与本研究结果相似,且均高于我国
森林土壤平均碳密度(107. 8 Mg C·hm-2) [17] .这说
明东北林区土壤的有机碳密度较高,是我国森林生
态系统中重要的土壤碳库[15] .
土壤有机碳库的大小取决于植被凋落物的分解
输入和土壤本身呼吸作用的输出[18] .森林类型或树
种组成不仅直接影响凋落物的产量和质量[19],也间
接地影响土壤微生物活动的微环境[20],是影响土壤
有机碳库的重要因素.研究表明,在气候条件相同的
情况下,森林类型对凋落物的产量和分解速率均有
显著影响,进而造成不同森林类型间土壤有机碳密
度的较大差异[21-24] . 本研究结果表明,除大兴安岭
和小兴安岭森林表层(0 ~ 10 cm)土壤有机碳含量
明显受森林类型影响外,其余各层土壤有机碳含量
和有机碳密度,以及剖面总有机碳密度受森林类型
的影响均不显著(表 3、4).这可能与东北林区近几
十年来较多的采伐、采集等人为活动影响了凋落物
的正常分解与输入有关. 尽管“天保工程冶实施以
后,森林采伐等人为活动有所减少,森林质量得到缓
慢恢复[25],但是这种干扰活动仍对土壤有机碳产生
一定的影响. Jonsson 等[26]认为,与森林类型或树种
组成等生物因素相比,人为干扰在土壤有机碳的积
累过程中扮演着更重要的角色;Saha 等[27]发现,在
无人为干扰的情况下,森林类型或树种组成对土壤
有机碳的固存潜力起决定作用. 而天然林转变为次
生林和人工林以后,土壤活性有机碳含量显著降低,
对土地利用方式的变化或森林类型转变具有较好的
指示作用[28] .
3郾 2摇 林龄对土壤有机碳的影响
迄今为止,有关森林土壤有机碳库随林龄的变
化研究较少,主要是由于缺乏长期的定位观测数据.
而以“空间代替时间冶的方法是目前探讨森林土壤
有机碳库变化的最优方法之一.研究表明,林龄是影
响土壤有机碳积累的重要因素[29-30] . 在自然状态
下,随林龄的增加,土壤有机碳的含量和储量均呈逐
渐增大的趋势[31-32],主要与地表枯落物的累积分解
输入有关.本研究结果发现,东北林区同一森林类型
各龄组间土壤有机碳密度并无显著差异(表 4),与
Fonseca鄄Gonz觃lez等[33]的研究结果相似. 这与人为
干扰影响了地表枯落物的分解以及土壤本身的理化
性质有关[34-35] .但是在无人为干扰情况下,即使在
老龄林,土壤碳库仍可表现为微弱的碳汇[16,36] .
3郾 3摇 土壤有机碳的空间变异及其垂直分布
土壤是一个不均匀的三维结构体,且与气候、植
被以及生物发生复杂的相互作用,因而其有机碳密
度具有较大的空间变异性[9,15] .本研究发现,土壤有
机碳含量(0 ~ 10 cm土壤除外)、以及相同剖面深度
(0 ~ 10、0 ~ 20 和 0 ~ 30 cm)土壤有机碳密度均随纬
度的增加逐渐增大(图 4f ~ h),与东北林区水热条
件的变化趋势相似,即随纬度的增加,年均温逐渐降
低,年降雨量逐渐减少[37] . 这与以往研究结果相类
似. Wynn等[20]认为,气候条件是影响土壤有机碳库
空间分配的主要因素,低温和湿润环境更有利于土
壤有机碳库的积累;Jobb觃gy 和 Jackson 等[38]对全球
尺度土壤碳库的研究也得出,土壤碳库随纬度的增
加逐渐增大,与水热条件密切相关;Pregitzer等[29]发
现, 北方森林土壤有机碳密度显著高于温带森林和
热带森林,低温更有利于土壤有机碳库的积累.而我
国东北林区土壤剖面总有机碳密度的变化趋势则相
反,随纬度的增加显著降低,这与大兴安岭、小兴安
岭和长白山森林土壤发生层的厚度密切相关. 而大
兴安岭由于常年的低温,土壤表面的苔藓和枯枝落
叶层较厚,滞水性较强,使土壤长期处于湿润状态,
因此土壤发生层较浅,土层深度一般在 40 cm 以
8333 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
内[14] .这是造成大兴安岭与小兴安岭和长白山森林
土壤剖面总有机碳密度差异的主要原因.
有研究表明,土壤有机碳含量的垂直分布与根
系及其分泌物密切相关[38],随土壤深度的增加逐渐
减少[15,39],这与本研究结果相似(表 2);森林土壤
有机碳密度主要集中在表层[9],本研究中大兴安岭
0 ~ 20 cm 土壤有机碳密度占剖面总有机碳密度的
84. 7% ~86. 1% (图 2),这与大兴安岭较浅的土壤
发生层有关(表 2). 此外,长白山和小兴安岭森林
0 ~ 30 cm土壤有机碳密度分别占剖面总有机碳密
度的 64. 7% ~69. 6%和 68. 2% ~ 75. 5% (图 2),高
于我国其他林区的研究结果[9,11],这与东北林区较
高的表层土壤有机碳含量及其底层土壤中较多的石
砾含量有关[40] .尽管如此,与表层土壤相比,底层土
壤有机碳稳定性更好,更有利于土壤有机碳的贮
存[41] .
总之,东北林区主要森林类型土壤含有较高的
有机碳含量和有机碳密度,是我国森林生态系统重
要的土壤碳库;土壤有机碳含量和有机碳密度均存
在较大的空间变异性,其中土壤总有机碳密度随纬
度的增加逐渐减小,与土壤发生层的厚度密切相关,
受森林类型和林龄的影响并不显著.因此,加强对东
北林区森林生态系统的管理,尤其是对地表枯落物
的科学管理,对于我国森林土壤碳库的增加具有重
要的意义.
参考文献
[1] 摇 Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global cli鄄
mate change and food security. Science, 2004, 304:
1623-1627
[2]摇 Smith P, Fang C, Dawson JJC, et al. Impact of global
warming on soil organic carbon. Advances in Agronomy,
2008, 97: 1-43
[3]摇 Johnston CA, Groffman P, Breshears DD, et al. Carbon
cycling in soil. Frontiers in Ecology and the Environ鄄
ment, 2004, 2: 522-528
[4]摇 Dixon RX, Brown S, Houghton RA, et al. Carbon pools
and flux of global forest ecosystems. Science, 1994, 263:
185-190
[5]摇 IPCC. Summary for policymakers / / Solomon S, Qin D,
Manning M, eds. Climate Change 2007: The Physical
Science Basis. Contribution of Working Group I to the
Fourth Assessment Report of the Intergovernment Panel
on Climate Change. Cambridge and New York: Cam鄄
bridge University Press, 2007
[6]摇 Fang J鄄Y (方精云), Liu G鄄H (刘国华), Xu S鄄L (徐
嵩龄). Carbon pools of China terrestrial ecosystem / /
Wang G鄄C (王庚辰 ). Concentration, Release and
Processes of Greenhouse Gases. Beijing: China Envi鄄
ronmental Science Press, 1996: 10-128 (in Chinese)
[7]摇 Pan G鄄X (潘根兴). Study on carbon reservoir in soils
of China. Bulletin of Science and Technology (科技通
报), 1999, 15(5): 330-332 (in Chinese)
[8]摇 Wang S鄄Q (王绍强), Zhou C鄄H (周成虎), Li K鄄R
(李克让), et al. Analysis on spatial distribution chara鄄
cteristics of soil organic carbon reservoir in China. Acta
Geographica Sinica (地理学报), 2000, 55(5): 533-
544 (in Chinese)
[9]摇 Yang Y, Mohammat A, Feng J, et al. Storage, patterns
and environmental controls of soil organic carbon in Chi鄄
na. Biogeochemistry, 2007, 84: 131-141
[10]摇 Wang X鄄C (王新闯), Qi G (齐摇 光), Yu D鄄P (于大
炮), et al. Carbon storage, density, and distribution in
forest ecosystems in Jilin Province of Northeast China.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2011, 22(8): 2013-2020 (in Chinese)
[11]摇 Huang C鄄D (黄从德), Zhang J (张摇 健), Yang W鄄Q
(杨万勤), et al. Spatial distribution characteristics of
forest soil organic carbon stock in Sichuan Province.
Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2009, 29(3):
1217-1225 (in Chinese)
[12]摇 Bousquet P, Ciais P, Peylin P, et al. Inverse modeling of
annual atmospheric CO2 sources and sinks. 1. Method
and control inversion. Journal of Geophysical Research,
1999, 104: 26161-26178
[13]摇 Xiao X鄄W (肖兴威). Forest Resource Inventory of Chi鄄
na. Beijing: China Forestry Press, 2005 (in Chinese)
[14]摇 Qi G (齐 摇 光), Wang Q鄄L (王庆礼), Wang X鄄C
(王新闯), et al. Soil organic carbon storage in differ鄄
ent aged Larix gmelinii plantations in Great Xing爷an
Mountains of Northeast China. Chinese Journal of Ap鄄
plied Ecology (应用生态学报), 2013, 24(1): 10-16
(in Chinese)
[15]摇 Yang J鄄Y (杨金艳), Wang C鄄K (王传宽). Soil car鄄
bon storage and flux of temperate forest ecosystems in
northestern China. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
2005, 25(11): 2875-2882 (in Chinese)
[16]摇 Zhou L, Dai L, Wang S, et al. Changes in carbon den鄄
sity for three old鄄growth forests on Changbai Mountain,
Northeast China: 1981-2010. Annals of Forest Science,
2011, 68: 953-958
[17]摇 Liu S鄄R (刘世荣), Wang H (王 摇 晖), Luan J鄄W
(栾军伟). A review of research progress and future
prospective of forest soil carbon stock and soil carbon
process in China. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
2011, 31(19): 5437-5448 (in Chinese)
[18]摇 Smith P, Fang C. Carbon cycle: A warm response by
soils. Nature, 2010, 464: 499-500
[19]摇 Yang W鄄Q (杨万勤), Deng R鄄J (邓仁菊), Zhang J
(张摇 健). Forest litter decomposition and itsresponses
to global climate change. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2007, 18 (12): 2889 -
2895 (in Chinese)
[20]摇 Wynn JG, Bird MI, Vellen L, et al. Continental鄄scale
measurement of the soil organic carbon pool with clima鄄
tic, edaphic, and biotic controls. Global Biogeochemical
933312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 魏亚伟等: 东北林区主要森林类型土壤有机碳密度及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇
Cycles, 2006, 20: GB1007: doi: 10. 1029 / 2005GB002576
[21]摇 Zhang D鄄Q (张德强), Ye W鄄H (叶万辉), Yu Q鄄F
(余清发), et al. The litter鄄fall of representative forests
of successional series in Dinghushan. Acta Ecologica
Sinica (生态学报), 2000, 20(6): 938-944 ( in Chi鄄
nese)
[22]摇 Zhou G, Guan L, Wei X, et al. Litterfall production
along successional and altitudinal gradients of subtropi鄄
cal monsoon evergreen broadleaved forests in Guang鄄
dong, China. Plant Ecology, 2007, 188: 77-89
[23]摇 Zhang X鄄P (张新平), Wang X鄄P (王襄平), Zhu B
(朱 摇 彪), et al. Litter fall prodution in relation to
environmental factors in Northeast China爷s forests. Chi鄄
nese Journal of Plant Ecology (植物生态学报), 2008,
32(5): 1031-1040 (in Chinese)
[24]摇 Li X鄄F (李雪峰), Zhang Y (张摇 岩), Niu L鄄J (牛丽
君), et al. Litter decomposition processes in the pure
birch (Betula platyphlla) forest and the birch and polar
(Populus davidiana) mixed forest. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2007, 27(5): 1782-1790 (in Chinese)
[25]摇 Yu D, Zhou L, Zhou W, et al. Forest management in
northeast China: History, problems, and challenges.
Environmental Management, 2011, 48: 1122-1135
[26]摇 Jonsson M, Wardle DA. Structural equation modelling
reveals plant鄄community drivers of carbon storage in
boreal forest ecosystems. Biology Letters, 2010, 6: 116-
119
[27]摇 Saha SK, Nair PKR, Nair VD, et al. Soil carbon stock
in relation to plant diversity of homegardens in Kerala,
India. Agroforestry Systems, 2009, 76: 53-65
[28]摇 Yang Y, Guo J, Chen G, et al. Effects of forest conver鄄
sion on soil labile organic carbon fractions and aggregate
stability in subtropical China. Plant and Soil, 2009,
323: 153-162
[29]摇 Pregitzer KS, Euskirchen ES. Carbon cycling and stor鄄
age in world forests: Biome patterns related to forest
age. Global Change Biology, 2004, 10: 2052-2077
[30]摇 Martin JL, Gower ST, Plaut J, et al. Carbon pools in a
boreal mixedwood logging chronosequence. Global
Change Biology, 2005, 11: 1883-1894
[31]摇 Wu J鄄G (吴建国), Zhang X鄄Q (张小全), Xu D鄄Y
(徐德应). Change in soil labile organic carbon under
different land use in the Liupan Mountain forest zone.
Acta Phytoecologica Sinica (植物生态学报), 2004, 28
(5): 657-664 (in Chinese)
[32]摇 Luan J, Liu S, Zhu X, et al. Soil carbon stocks and
fluxes in a warm鄄temperate oak chronosequence in Chi鄄
na. Plant and Soil, 2011, 347: 243-253
[33]摇 Fonseca鄄Gonz觃lez W, Rey鄄Benayas JM, Alice FE. Car鄄
bon accumulation in the biomass and soil of different
aged secondary forests in the humid tropics of Costa Ri鄄
ca. Forest Ecology and Management, 2011, 262:
1400-1408
[34]摇 Law BE, Sun OJ, Campbell J, et al. Changes in carbon
storage and fluxes in a chronosequence of ponderosa
pine Global Change Biology, 2003, 9: 510-524
[35]摇 Butnor J, Johnsen K, Sanchez F, et al. Impacts of pine
species, stump removal, cultivation, and fertilization on
soil properties half a century after planting. Canadian
Journal of Forest Research, 2012, 42: 675-685
[36]摇 Zhou G, Liu S, Li Z, et al. Old鄄growth forests can
accumulate carbon in soils. Science, 2006, 314: 1417
[37] 摇 Tan K, Piao S, Peng C, et al. Satellite鄄based estima鄄
tion of biomass carbon stocks for Northeast China爷s for鄄
ests between 1982 and 1999. Forest Ecology and Man鄄
agement, 2007, 240: 114-121
[38]摇 Jobb觃gy EG, Jackson RB. The vertical distribution of
soil organic carbon and its relation to climate and vege鄄
tation. Ecological Applications, 2000, 10: 423-436
[39]摇 Wei Y鄄W (魏亚伟), Su Y鄄R (苏以荣), Chen X鄄B
(陈香碧), et al. Effects of human disturbance on pro鄄
file distribution of soil organic C, total N, total P and
microbial biomass in Karst region of Northwest Guangxi.
Journal of Soil and Water Conservation (水土保持学
报), 2010, 24(3): 164-169 (in Chinese)
[40]摇 Zhu B, Wang X, Fang J, et al. Altitudinal changes in
carbon storage of temperate forests on Mt Changbai,
Northeast China. Journal of Plant Research, 2010,
123: 439-452
[41]摇 Von L俨tzow M, K觟gel鄄Knabner I, Ludwig B, et al. Sta鄄
bilization mechanisms of organic matter in four temperate
soils: Development and application of a conceptual
model. Journal of Plant Nutrition and Soil Science,
2008, 171: 111-124
作者简介摇 魏亚伟,男,1983 年生,博士研究生.主要从事森
林土壤生态与森林生态系统管理研究. E鄄mail: 2000wyw@
163. com.
责任编辑摇 李凤琴
0433 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷