全 文 ：土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响 3
吴建国1 3 3 　张小全2 　徐德应2
(1 国家环保总局气候变化影响研究中心 ,北京 100012 ;2 中国林业科学研究院森林环境与保护研究所 ,北京 100091)
【摘要】　通过对比分析六盘山林区典型天然次生林 (杂灌林、山杨和辽东栎林) 与农田、草地及农田、草地
与人工林 (13、18 和 25 年生华北落叶松)邻近样地土壤有机碳含量和密度及其在土壤剖面上分布的差异 ,
研究了天然次生林变成农田或草地及农田或草地造林后对土壤有机碳贮量的影响. 结果表明 ,土壤有机碳
含量方面 ,农田和草地比天然次生林分别低 54 %和 27 % ,差异主要在 0～50cm 土层 ;农田和草地比人工林
分别低 42 %和 26 % ,差异主要在 0～40cm 土层. 土壤有机碳密度方面 ,农田和草地比天然次生林分别低
35 %和 14 % ,差异主要在 0～50cm 土层 ;农田比人工林低 23 % ,草地比人工林高 4 % ,差异主要在 0～30cm
土层. 天然次生林和人工林土壤有机碳含量和密度随土层加深而递减的幅度比农田或草地大. 这些差异主
要由土地利用变化引起的土壤有机碳输入与输出及根系分布的变化所致. 结果说明六盘山林区天然次生
林破坏变成草地或农田后土壤有机碳含量和密度 (主要是 0～50cm 土层) 将下降 ,而农田中造林后土壤有
机碳含量和密度 (主要是 0～30cm 土层) 又将增加 ,草地上造林后土壤有机碳含量增加而密度变化不大.
另外 ,土壤有机碳含量和密度在土壤剖面上的分布也将随土地利用变化而发生改变.
关键词 　土地利用变化 　土壤有机碳 　含量与密度
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 04 - 0593 - 07 　中图分类号 　S15411 　文献标识码 　A
Impact of land2use change on soil carbon storage. WU Jianguo1 , ZHAN G Xiaoquan2 , XU Deying2 ( 1 Research
Center of Im pact of Clim ate Change of Chinese S tate Envi ronmental Protection A dminist ration , Beijing
10091 , China ;2 Research Institute of Forest Envi ronment and Ecology , Chinese Academy of Forest ry Science ,
Beijing 10091 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (4) :593～599.
Through comparing the concentration and inventory of soil organic carbon (SOC) and its distribution in soil pro2
files under cropland , rangeland , natural secondary forest ( brushwood , natural secondary forest dominated by
Querces liaotungensis or Populus davidiana) and larch plantations (13 ,18 and 25 years old L arix principis2
rupprechtil) ,this paper studied the effect of land use change from natural secondary forest to cropland or range2
land as well as from cropland or rangeland to plantation on SOC storage in the Liupan mountain forest zone. The
results showed that the concentration of SOC in 0～110 cm soil layer under cropland and rangeland was 54 % and
27 % lower than that under natural secondary forest ,respectively. The difference of SOC concentration between
natural secondary forest and cropland or rangeland was greater in 0～50 cm than in 50～110 cm soil layer ,while
that between larch plantations and cropland or rangeland was greater in 0～40 cm than in 40～110 cm soil layer.
The inventory of SOC in 0～110 cm soil layer under cropland and rangeland was respectively 35 % and 14 %
lower than that under natural secondary forest ,while 23 % lower under cropland and 4 % higher under rangeland
than that under larch plantations. The difference of SOC inventory between natural secondary forest and cropland
or rangeland was greater in 0～50 cm than in 50～110 cm soil layer ,while that between plantations and cropland
or rangeland was greater in 0～30 cm than in 30～110 cm soil layer. The decreasing magnitude of SOC storage
with soil profile depth under natural secondary forest or larch plantations was greater than that under cropland or
rangeland. The above2mentioned facts resulted from the changes of SOC input or output and the distribution of
roots in soil. The results indicated that the SOC concentration and inventory would decline (mainly in 0～50 cm
soil layer) after converting from natural secondary forest to cropland or rangeland ,but increase (mainly in 0～30
cm soil layer) following afforestation on cropland. The SOC concentration would increase but its inventory would
not change following afforestation on rangeland ,and the distribution of the SOC concentration or inventory in soil
profile would change with the change of land use in Liupan mountain forest zone.
Key words 　Land use change , Soil organic carbon , Concentration and inventory.3 国家自然科学基金资助项目 (40271109/ D0124) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 25 收稿 ,2003 - 05 - 20 接受.
1 　引 　　言
全球气候变暖及其影响是当前人类所面临的最
为严重的环境问题之一. 追源和解决这些问题 ,准确
确定陆地生态系统碳循环及其影响因素是一个关
键.土地利用变化是影响陆地生态系统碳循环的最
大因素之一 ,也是仅次于化石燃料燃烧而使大气
应 用 生 态 学 报 　2004 年 4 月 　第 15 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2004 ,15 (4)∶593～599
CO2 浓度急剧增加的最主要人为活动[40 ] . 据估计 ,
从 1850～1998 年 ,已有 136 ( ±55) ×109t 碳通过土
地利用变化从陆地生态系统中 (包括土壤和植被)排
放到大气中 ,占目前大气中已增加的 CO2 数量的
33 %[40 ] . 在陆地生态系统中 ,土壤是贮量最大的碳
库部分 ,森林土壤碳库 (占全球土壤碳贮量 73 %) 又
是全球土壤碳库中最主要的部分[33 ] . 在全球按 1 m
土层计 ,仅土壤有机碳的贮量 (1550 ×109t 碳) 就约
占陆地生态系统碳贮量 (2100 ×109t ) 的 75 % ,是植
被碳贮量 (550 ×109t)的约 3 倍、大气碳贮量 (750 ×
109t 碳) 的近 2 倍[18 ] . 另外 ,土壤碳库在受到土地
利用变化的影响后 ,既可能变成大气中 CO2 的“源”
(如森林破坏变成农田) ,也可能变成“汇”(如森林恢
复或农田中造林) . 据估计 ,从 1850～1998 年 ,从土
壤中排放的 CO2 数量按碳计约 ( 80 ～ 110 ) ×
109t [18 ] . 而这些排放出来的碳又能通过合理土地利
用方式而被重新吸收到土壤中[11 ] . 由此 ,在制定应
对和缓解气候变暖的对策中 ,目前也提出了通过合
理经营土地来吸收大气中 CO2 的策略[35 ] . 因此 ,准
确确定土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响对科
学认识陆地生态系统碳循环规律及制定缓解和应对
气候变暖的对策方面都具有重要的理论和现实意
义[10 ,40 ] . 在国外 ,土地利用变化对土壤有机碳影响
的研究已经广泛展开 ,包括天然林变成草地、草地变
成次生林、草地变成人工林、天然林变成人工林、天
然林变成农田、农田变成人工林、农田变成次生林、
农田变成草地和草地变成农田对土壤碳的影响[7 ] .
其中对原始林变成次生林 [8 ] 、天然林变成人工
林[36 ] 、天然林变成农田[2 ,9 ] 和天然林变成草
地[26 ,37 ] ;天然林变成草地及人工林[30 ,38 ] 、草地中造
林[6 ,32 ,43 ]或演替为灌丛地[13 ] ;农田中造林[23 ,39 ]等
对土地利用变化土壤碳的影响研究相对较多 ,且进
行了系统总结[3 ,7 ,16 ,25 ,27 ,29 ,34 ] . 从这些结果可以看
出 ,尽管对土地利用变化影响土壤碳方面在一些地
区已经有相当多的研究 ,但由于所研究的森林、草地
及农田类型、土地经营方式、气候和土壤类型等方面
的差异 ,结果差异性还较大. 另外 ,目前大多数研究
局限于热带、亚热带、美洲或欧洲的一些地区 ,对包
括温带和暖温带区域在内的其它区域研究还较少 ,
还不足以总结和量化这些区域土地利用变化影响土
壤碳的趋势. 总体上 ,土地利用变化影响土壤碳方面
还需要进行更加广泛深入的研究. 在我国 ,土地利用
变化影响土壤有机碳的问题虽然也引起了关
注[19 ,20 ] ,但具体的研究报道还较少[42 ] .
我国是一个土地利用变化巨大的国家 ,尤其在
西北的黄土高原暖温带林区 ,几千年的人类活动已
经使土地利用方式发生了很大变化 ,近些年又开展
大规模的退耕还林还草 ,无疑这些活动对土壤碳都
将产生一定的影响 ,但目前对这些影响并不清楚. 本
文选择土地利用变化剧烈的宁夏六盘山林区为研究
地点 ,通过测定分析典型灌木林、次生乔灌林和由这
些类型转变的农田、牧草地 ,及由农田或牧草地转变
的人工林等土地利用方式土壤有机碳含量和土壤有
机碳密度及其在土壤剖面上分布的差异 ,对这个地
区土地利用变化影响土壤碳方面进行初步的研究 ,
希望为深入研究这个地区土地利用变化对土壤碳影
响提供一些科学依据.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地点概况
研究地点位于宁夏固原县的赵千户林场 ,地处六盘山自
然保护区与农牧业活动频繁的交错地带 (106°09′～106°30′
E、35°15′～35°41′N) . 属于暖温带半湿润区向半干旱区过渡
的地带. 地形属于石质山地 ,海拔 1800～2100 m. 土壤以灰
褐土为主. 地带性植被为亚高山草甸和落叶阔叶林 ,植被区
系具有明显的过渡特征. 年均气温为 518 ℃,年均降水量为
400～676 mm. 本区天然植被的破坏始于春秋战国时期 ,经
几千年的人类活动 ,已经形成了落叶阔叶次生林、杂灌林、人
工林、农田和牧草地等多种土地利用方式镶嵌的格局 [5 ] ,目
前又是退耕还林和天然林保护的示范区.
212 　研究方法
土地利用变化对土壤有机碳的影响是一个长期过程. 直
接测定的方法为不同时间在同一土地利用方式下重复采样
分析 ,这种方法需要较长的时间和严格的控制条件 ,不易于
操作. 间接方法包括相邻样地比较 ( Paired sites) 和空间代替
时间方法 ( Chronosequence) [25 ,31 ] ,这些方法需要的时间较
短、易于操作 ,为大多研究者所采用. 据 Polglase 等[28 ]总结的
41 个研究结果中 ,54 %的研究应用相邻样地比较的方法 ,
25 %的研究用空间代替时间的方法 ,而只有 21 %的研究用
重复测定的方法. Davis 和 Condron[3 ] 、Guo 和 Gifford[7 ] 及
Murty 等[25 ]总结的结果中也是大多数研究采用相邻样地比
较的方法. 本研究鉴于研究地区的土地利用变化没有准确的
时间记载和系统的研究 ,也采用相邻样地比较的方法.
为减少样地间地形及气候差异 ,在平缓的中上坡地段 ,
选择邻近、坡向和土壤类型都相同的 13 、18 和 25 年生的华
北落叶松 ( L arix principis2rupprechtii) 人工林各 8 块 ,每块
200 m2 ;辽东栎 ( Quercus liaotungensis) 与山杨 ( Populus da2
vidiana)天然次生林各 2 块 ,每块 400 m2 ;虎榛子 ( Ost ryopsis
davidiana)与木旬子 ( Cotoneaster acutif olius) 为主的杂灌林 8
块 ,每块 100 m2 ;牧草地和农田各 8 块 ,每块 100 m2 . 这些天
然林是原始林反复破坏经保护后的次生林 ,牧草地和农田是
495 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
天然林破坏形成的 ,人工林又是在农田或草地中营造的.
土样在秋末采集. 以 S 形方法在每块样地内布设 25 个
点. 除去凋落层后 ,挖土壤剖面 ,观察其特征 ,用 100 cm3 环
刀测容重 ,按 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～
70、70～90 和 90～110 cm 土层分层采集土样. 土样采后分
层充分混合 ,用四分法取足样品 ,自然风干过 2mm 土壤筛 ,
以 K2Cr2O7 (外源热氧化法)测有机碳含量 (g·kg - 1) . 土壤有
机碳密度根据土壤容重计算得到 (kg·m - 3) .
3 　结果与分析
311 　土地利用变化对土壤有机碳含量的影响
31111 不同土地利用方式下土壤有机碳含量 　土壤
有机碳含量是单位质量土壤中的有机碳质量. 土地
利用变化影响土壤有机碳的输入和输出 ,而输入和
输出又决定了土壤有机碳含量[12 ] . 表 1 显示 ,在 0
～110 cm 土层 ,农田土壤有机碳平均含量比草地、
灌木林、山杨林和辽东栎林分别低 27 %、53 %、51 %
和 37 % ;农田比天然次生林平均低 54 % ,草地比天
然次生林平均低 27 % ,表明灌木林、山杨林或辽东
栎林变成农田或草地后 ,土壤有机碳含量下降 (54 %
和 27 %) . 其原因可能是天然次生林变成农田或草
地后减少了土壤有机质的输入量 ,耕作土壤温度高
使土壤有机碳分解速度快及破坏了土壤有机碳稳定
性并加大了渗透量等[1 ] . 由表 1 可见 ,13、18 和 25
年生华北落叶松人工林土壤有机碳含量分别比农田
高 40 %、111 %和 82 % ;这些人工林平均比农田高
78 % ,比草地高 29 %( P = 0105) (或农田土壤有机碳
含量比 13、18 和 25 年生的华北落叶松人工林分别
低 29 %、53 %和 45 % ,草地比这些人工林分别低
2 %、34 %和 24 % ,农田和草地分别比人工林平均低
42 %和 26 %) ,表明农田或草地中营造华北落叶松
人工林后 ,土壤有机碳含量增加 (78 %或 29 %) . 这
可能因为农田或草地造林后 ,土壤有机碳的输入量
增加 ,土壤有机质的稳定性增强及影响有机碳分解
的环境条件改变.
表 1 　不同土地利用方式 0～110 cm土层的土壤有机碳含量
Table 1 Mean concentration of SOC in 0～110 cm soil layer under different land uses
土地利用方式
Land use pattern
土壤有机碳含量
The concentration of soil organic carbon
加权平均
Weighted mean
(g·kg - 1)
标准方差
Standard
deviation
变异系数
Variation
coefficient ( %)
样本数
Sample
number
灌木林 Brushwood 14156c 8129 56191 8
山杨林 Natural secondary forest dominated by P. davidiana 14118c 7197 56119 2
辽东栎林 Natural secondary forest dominated by Q . liaot ungensis 10190c 8127 75182 2
农田 Cropland 6189a 0195 13177 8
牧草地 Rangeland 9152b 3153 37111 8
13 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 132yr 9167b 5157 57161 8
18 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 182yr 14152c 6150 44177 8
25 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 252yr 12156c 8146 67134 83 列中相同字母表示差异不显著 ( P = 0105) 1 样本数为样地数 The same letters within each vertical column indicate no significantly difference for
concentration (or inventory for table 2) of SOC under different land use at 5 % level1Number of sample is number of plot1 下同 The same below.
31112 土壤有机碳含量随土层深度的变化 　土地利
用变化也影响土壤有机碳含量在土壤剖面上的分
布[12 ] .图 2 显示 ,农田和草地土壤有机碳含量随土
层加深而变化幅度较小 ,天然次生林 (灌木林、山杨
和辽东栎林) 和人工林 (13、18 和 25 年生的落叶松
人工林)随土层加深而递减的幅度较大. 这可能因为
农田和草本植物的根系分布浅 ,土壤有机碳输入量
少 ,而树木根系在土壤表层分布多且分布复杂 ,另外
林地土壤有机碳分解速度比农田和草地慢[15 ] . 图 2
也显示 ,农田、草地与天然次生林土壤有机碳含量差
异主要在 0～50 cm 土层 ,在这个土层中农田土壤有
机碳含量比天然次生林低 30 %～80 %、牧草地比天
然次生林低 18 %～50 %. 人工林与农田、草地差异
主要在 0～40 cm 土层 ,在这个土层人工林比农田高
75 %～350 % ,比牧草地高 6 %～177 % ,表明天然次
生林变成农田或草地后 ,主要是 0～50 cm 土层的土
壤有机碳含量下降 ;而农田或草地造林后 ,又主要是
0～40cm 土层土壤有机碳含量增加 ,土壤剖面底层土
壤有机碳含量随土地利用变化而改变的幅度不大.
综合上述结果 ,表明灌木林、山杨林和辽东栎林
变成农田或草地后 ,土壤表层 (0～50cm) 的土壤有
机碳含量下降 ;而在农田或草地中营造华北落叶松
人工林后 ,土壤表层 (0～40cm) 的土壤有机碳含量
将增加 ,在土壤剖面底层的有机碳含量受土地利用
变化的影响较小.
312 　土地利用变化对土壤有机碳密度的影响
31211 不同土地利用土壤有机碳的平均密度 　土壤
有机碳密度指单位体积土壤中有机碳质量 ,它由土
壤有机碳含量和土壤容重计算得到 ,其大小决定于
土壤有机碳含量和土壤容重的大小. 由表 2 可见 ,在
5954 期 　　　　　　　　　　　　　吴建国等 :土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响 　　　　　　　　　　　
图 1 　不同土地利用方式在不同土层深度有机碳含量差异比较
Fig. 1 Comparison of mean concentration of SOC in different soil layer under different land uses.
图中横向相同小写字母表示不同土地利用方式在同一土层的土壤有机碳含量差异不显著 ,列中相同大写字母表示同一土地利用方式不同土层
有机碳含量差异不显著 ( P = 0105) 1The same small letters within each row indicates no significant difference at 5 % level for concentration (inventory
for fig. 2) of SOC in the same soil layer among different land uses1The same capital letters within each vertical column indicates no significant difference
for concentration (inventory for fig. 2) of SOC at 5 % level in different soil layer under the same land use1AA :灌木林Brushwood ,BB :山杨林 Natural
secondary forest dominated by Populus davidiana) ,CC :辽东栎林 Natural secondary forest dominated by Quercus liaot ungensis ,DD :农田 Cropland ,
EE :草地 Rangeland ,FF :13 年生落叶松林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 132yr , GG:18 年生落叶松 Plantation of L ari x principis2
rupprechtii with 182yr ,HH :25 年生落叶松 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with age 252yr. 下同 The same below.
表 2 　不同土地利用方式下 0～110 cm土层深度土壤有机碳密度
Table 2 Mean Inventory of SOC in 0～110 cm soil layer under different land use
土地利用方式
Land use pattern
土壤有机碳密度
Inventory of soil organic carbon
加权平均
Weighted mean
(kg·m - 3)
标准方差
Standard
deviation
变异系数
Variation
coefficient ( %)
样本数
Sample
number
灌木林 Brushwood 13149d 5173 42145 8
山杨林 Natural secondary forest dominated by P. davidiana 13179d 6119 44193 2
辽东栎林 Natural secondary forest dominated by Q liaot ungensis 16114c 10109 62148 2
农田 Cropland 9135a 1148 14197 8
牧草地 Rangeland 12160d 3180 30120 8
13 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 132yr 9190b 4147 47182 8
18 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 182yr 16124c 6180 41189 8
25 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 252yr 11169d 6189 58199 8
0～110 cm 土层 ,农田土壤有机碳密度比灌木林、山
杨林和辽东栎林分别低 31 %、32 %和 42 % ,比这些
天然次生林平均低 35 % ;草地比这些天然次生林平
均低 14 %. 13、18 和 25 年生华北落叶松人工林比农
田分别高 6 %、73 %和 25 % ;这些人工林比农田平均
高 35 %、比草地平均高 1 %(或农田土壤有机碳的密
度比 13、18 和 25 年生华北落叶松人工林分别低
6 %、42 %和 20 % ,草地比 13 和 25 年落叶松林分别
高 27 %和 8 %、比 18 年生的华北落叶松林低 22 % ,
农田比人工林平均低 23 % ,草地比人工林平均高
4 %) ,表明灌木林、山杨林和辽东栎林变成农田或草
地后 ,土壤有机碳密度下降 (35 %和 14 %) ;农田中
营造华北落叶松人工林后 ,土壤有机碳密度将增加 ;
在草地中营造落叶松人工林后 ,土壤有机碳密度未
显著变化. 另外 ,土地利用变化后 ,土壤有机碳密度
的变化幅度比土壤有机碳含量的变化幅度小. 这可
能因为造林后 ,虽然土壤有机碳含量增加 ,但土壤容
重却明显下降 (13、18 和 25 年生华北落叶松人工林
土壤容重比农田分别低 31 %、23 %和 31 % ,平均低
28 % ,比草地中分别下降 24 %、15 %和 24 % ,比草地
平均下降 21 %) (表 3) .
31212 土壤有机碳密度随土层深度的变化 　由于不
同土层间土壤有机碳含量和土壤容重的差异 ,土壤
有机碳密度在土壤剖面上的分布明显不同. 图 2 显
示 ,农田和草地土壤有机碳密度随土层加深而变化
的幅度较小 ,差异主要在 0～50 cm 土层 ;天然次生
林和人工林土壤有机碳密度随土层加深而明显递减
(主要在 0～40 cm 土层) . 农田与天然次生林土壤有
机碳密度差异主要在 0～50 cm 土层 ,在这个土层农
田比天然次生林低 20 %～79 % ;不同土层 ,草地和
天然次生林土壤有机碳密度的差异不同 ,在 0～10
cm 土层 ,草地比天然次生林低 62 % ;在 10～20 cm
695 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
土层 ,草地比天然次生林高 19 % ;在 20～50 cm ,草
地比天然次生林低 11 %～34 %. 农田、草地和人工
林土壤有机碳密度的差异主要在 0～50 cm 土层 ,这
个土层人工林比农田高 16 %～322 %. 在 0～10 cm
土层 ,人工林比草地高 95 % ,在 10～20 cm 土层 ,人
工林比草地低 11 % ,在 20～30 cm 土层 ,人工林比
草地高 19 %(图 2) ,表明灌木林、山杨林和辽东栎林
变成农田或草地后 ,主要是 0～50 cm 土层土壤有机
碳密度下降 ,而农田或草地造华北落叶松人工林后
主要是 0～30 cm 土层的土壤有机碳密度增加. 另
外 ,土地利用变化后 ,土壤有机碳密度改变的幅度比
土壤有机碳含量小. 这些差异也主要由土壤有机碳
含量和土壤容重差异所致 (表 4) .
图 2 　不同土地利用方式在不同土层有机碳密度比较
Fig. 2 Comparison of mean inventory of SOC in different soil layer under different land uses.
4 　讨 　　论
许多研究表明森林变成农田或草地后土壤有机
碳含量将发生一定程度的变化. 如 Detwiler[4 ]指出 ,
热带森林转化为农田 ,土壤有机碳含量降低 40 % ,
变成草地降低 20 % ; Motavalli[24 ]指出 ,热带次生林
破坏开垦为农田后 ,土壤有机碳含量下降 44 % ,这
与本研究结果基本一致. 但 Lugo 等[21 ]总结发现森
林砍伐开垦为农田后经 10 年土壤有机碳含量下降
46 % ,80 年下降 70 % ; Knops 等[17 ]指出森林砍伐后
耕作变成农田 ,土壤有机碳含量降低 89 % ,这些结
果比本研究结果高. 这可能因为本研究是比较几种
天然林 0～110 cm 土层的平均值. 但是 ,也有研究表
明 ,森林变成农田或草地后 ,土壤碳含量变化较大.
如 Murty 等[25 ]总结发现 ,森林变成农田后土壤有机
碳含量下降 30 % ,森林变成草地后土壤有机碳含量
变化幅度在 - 50 %～ + 160 % ,平均后没有显著改
变 ; Guo 和 Gifford[7 ]总结得出 ,天然林变成农田后
土壤有机碳含量下降 42 % ,天然林变成草地后增加
8 % ;Johnson 和 Curtis[16 ]总结了 73 个研究结果 ,发
现绝大多数结果显示森林收获后对土壤有机碳含量
没有影响 ,部分结果显示土壤有机碳含量有不同程
度的降低或增加. 另外 ,全树皆伐 ( Whole tree har2
vesting)使土壤表层的有机碳含量下降 ,而用锯只伐
地上部分 ( Sawlog harvesting) 却只使土壤表层的有
机碳含量增加 ,且针叶树林增加的幅度比阔叶树林
大 ,但收获后的时间、收获类型和树种对土壤剖面底
层的土壤有机碳含量影响不大. 就差异大的原因 ,目
前认为可能是由于气候和土壤条件、森林类型、树木
组成、土地利用变化后的时间、土地经营方式及研究
方法等的差异所致[7 ] . 本研究中天然次生林变成农
田往往是破坏性的 ,树干和大根被移走了 ,类似全树
皆伐方式. 另外 ,本研究选择的地区是暖温带半湿润
区向干旱区过渡的地带 ,土地经营较为粗放 ,与国外
研究颇多的热带、亚热带集约经营的土地利用方式
等有一定区别.
农田或草地中造林后土壤有机碳含量将发生显
著变化 ,也为许多的研究所证实. 如 Lugo 等[21 ]总结
得出造林后土壤有机碳含量增加 100 %以上 ;Schiff2
man 和 Johnson[31 ]得出农田弃耕后土壤有机碳含量
增加 35 % ,这与本研究结果基本一致. 但 Wilde[41 ]
发现造林 50 年后 0～15 cm 土层的土壤有机碳含量
增加 300 %～400 % ,比本研究结果高 ,这主要因为
本研究是比较了人工林在 0～110 cm 土层的土壤有
机碳含量平均值 ,且本研究也显示人工林在 0～40
cm土层的有机碳含量比农田高 75 %～350 %. 但
Scott 等[32 ]发现 ,草地中造林后对土壤有机碳含量
的影响为 :在 0～10 cm 土层 ,人工林土壤有机碳含
7954 期 　　　　　　　　　　　　　吴建国等 :土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响 　　　　　　　　　　　
量比草地低 17 %～40 % ;在 0～30 cm 土层 ,人工林
比草地低 40 %～50 % ; Guo 和 Gifford[7 ]总结草地中
造林后土壤有机碳含量下降 10 % ,农田中造林后土
壤有机碳增加 18 % ; Polglase 等[28 ]总结了 41 个研
究造林后对土壤有机碳影响的研究结果 ,发现大部
分结果显示造林后土壤有机碳含量没有显著变化 ,
部分结果有不同程度的增加或降低. 另外 ,在 10 cm
或 30 cm 土层 ,造林后 10 年内土壤有机碳含量变化
很小 ,在 10 cm 或 30 cm 以下土层 ,土壤有机碳含量
增加.但是在造林经 10 年后 ,土壤有机碳含量一致表
现为增加.本研究的人工林的林龄都已超过 10 年 ,且
土壤有机碳含量的差异主要在 0～30 cm 土层.
表 3 　不同土地利用方式在 0～110 cm土层的土壤容重
Table 3 Mean soil bulk density in 0～110 cm soil layer under different land use
土地利用
Land use pattern
土壤容重
Soil bulk density
加权平均
Weighted mean
(g·kg - 1)
标准方差
Standard
deviation
变异系数
Variation
coefficient ( %)
样本数
Sample
number
灌木林 Brushwood 0198a 0111 11137 8
山杨林 Natural secondary forest dominated by P. davidiana 0199a 0110 10139 2
辽东栎林 Natural secondary forest dominated by Q liaot ungensis 1156b 0114 8182 2
农田 Cropland 1146b 0121 14153 8
牧草地 Rangeland 1133b 0111 8135 8
13 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 132yr 1101c 0109 9103 8
18 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 182yr 1113c 0103 0125 8
25 年生落叶松人工林 Plantation of L ari x principis2rupprechtii with 252yr 1101c 0109 9137 8
　　土地利用变化对土壤有机碳含量和有机碳密度
的影响程度存在一定差异 ,这种差异主要由土地利
用变化对土壤容重的影响造成的 [3 ,25 ,27 ] . Murty
等[25 ]总结发现 ,森林变成农田后 ,土壤容重增加
13 % ,土壤有机碳含量下降 30 % ,土壤有机碳密度
下降 22 %. 在本研究中 ,土地利用变化影响土壤有
机碳密度和土壤有机碳含量的趋势基本一致 ,但土
壤有机碳含量变化幅度比土壤有机碳密度大. 这主
要因为农田和草地土壤容重增加的幅度比土壤有机
碳含量变化幅度大 (表 3) . 一般认为 ,土壤有机碳含
量降低 ,土壤容重可能增加[25 ] ,尤其在耕作土壤[3 ] ,
且造林后土壤容重将降低[14 ] . 由表 3 可见 ,在 0～
110 cm 土层 ,农田土壤容重比灌木林和山杨林分别
高 49 %和 49 % ,草地比灌木林和山杨林分别高
36 %和 36 % ,而农田和草地分别比辽东栎林低 6 %
和 15 % ,农田和草地分别比天然次生林高 35 %和
29 % ;13、18 和 25 年生的华北落叶松人工林分别比
农田低 31 %、23 %和 31 % ,平均低 28 % ,分别比草
地低 24 %、15 %和 24 % ,比草地平均低 21 % ,与
Murty 等[25 ] 、Davis 和 Condron[3 ]及 Paul 等[27 ]总结
的一致.
土壤有机碳含量和密度随着土壤深度的变化主
要与植被的根系分布格局密切相关. 土壤有机碳密
度随土层加深而变化的幅度决定于土壤有机碳含量
和土壤容重随土层加深而变化的趋势. 由表 4 可见 ,
不同土地利用方式土壤容重都随土层加深而增加 ,
其中农田和草地土壤容重随土层加深而增加的幅度
表 4 　不同土地利用方式不同土层土壤容重 (g·cm - 3)
Table 4 Soil bulk density in different soil layer under different land use
土层深度
Soil depth
(cm)
AA BB CC DD EE FF GG HH
0～10 0179aA 0186aA 1133bA 1120cA 1114cA 0189aA 1110dA 0187aA
10～20 0187aA 0189aA 1140bA 1125cA 1120cA 0193aA 1112dA 0193aB
20～30 0190aB 0196aA 1144bA 1135cB 1136cB 0190aA 1111aA 0190aA
30～40 0190aB 0182aA 1145bA 1132cB 1130cB 0195aA 1110aA 0195aA
40～50 1101aB 0199aA 1158bB 1118cA 1149bC 0199aA 1116aA 0199aA
50～70 0197aB 1112aB 1160bB 1144cB 1135cB 0197aA 1116aA 0197aA
70～90 1107aB 1103aA 1163bB 1171cC 1133dB 1112aB 1115aA 1112aB
90～110 1112aC 1106aA 1174bC 1171bC 1141cC 1113aB 1112aA 1113aB3 表中行内相同小写字母表示不同土地利用方式在同一土层土壤容重差异不显著 ,列中
相同大写字母表示同一土地利用方式下不同土层土壤容重差异不显著 ( P = 0. 05) . The
same small letters within each row indicate no significant difference at 5 % level for soil bulk density
in the same soil layer under different land use. The same capital letters within each vertical column
indicate no significant difference for soil bulk density at 5 % level for the different soil layer under the
same land use pattern. AA :灌木林 Brushwood ,BB :山杨林 Natural secondary forest dominated by
Populus davidiana ,CC:辽东栎林 Natural secondary forest dominated by Quercus liaotungensis.
DD :农田 Cropland ,EE:牧草地 Rangeland ,FF :13 年生落叶松人工林 Plantation of L arix prin2
cipisupprechtii with 132yr , GG:18 年生落叶松人工林 Plantation of L arix princi pis2rupprechtii
with 182yr ,HH :25 年生落叶松人工林 Plantation of L arix princi pis2rupprechtii with 252yr.
比天然次生林和人工林大. 这种趋势与土壤有机碳
含量随土层加深而变化的趋势不同. 这两种不同的
趋势导致土壤有机碳密度随土层加深而变化的幅度
比土壤有机碳含量随土层加深而变化的幅度小. 这
种变化趋势与 Murty 等[25 ]总结的情况基本一致. 另
外 ,本研究结果中 ,农田、草地、人工林和天然次生林
的土壤有机碳含量和有机碳密度随土层加深而变化
的趋势及差异情况也与 Jobbagy 和 Jackson[15 ]总结
基本一致.
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作者简介 　吴建国 ,男 ,1971 年生 ,博士 ,助理研究员 ,从事
土地利用变化、气候变化影响、生态系统碳、氮循环、植物生
态、土壤生态学方面的研究 ,发表论文 10 余篇. E2mail :wujg
@craes. org. cn
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