全 文 ：第 33卷 第 5期 生 态 科 学 33(5): 920−925
2014 年 9 月 Ecological Science Sep. 2014

收稿日期: 2013-09-24; 修订日期: 2013-12-11
基金项目: 宁夏农林科学院自主研发项目“贺兰山自然保护区森林碳汇功能研究”(NK1105); 宁夏自然科学基金项目“贺兰山自然保护区灰榆疏林固
碳效应研究(NZ13120);
作者简介: 季波(1982—), 女, 宁夏青铜峡人, 硕士生, 助理研究员, 主要从事生态学等方面的研究, E-mail: nxjibo311@163.com
*通信作者: 张源润(1960—), 女, 研究员, 主要从事森林生态学等方面的研究, E-mail: zhangyuanrun@163.com

季波, 许浩, 何建龙, 等. 宁夏贺兰山青海云杉林土壤碳储量研究[J]. 生态科学, 2014, 33(5): 920−925.
JI Bo, XU Hao, HE Jianlong, et al. Research on soil carbon storage of Qinghai spruce (Picea crassifolia) in Ningxia Helan Mountain
[J]. Ecological Science, 2014, 33(5): 920−925.

宁夏贺兰山青海云杉林土壤碳储量研究
季波 1,2, 许浩 1, 何建龙 1, 李娜 1, 张源润 1,*
1. 宁夏农林科学院荒漠化治理研究所, 宁夏银川 750002
2. 宁夏大学, 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室/西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地/
西部生态与生物资源开发联合研究中心, 宁夏银川 750021

【摘要】 云杉林是我国北方重要的森林类型, 为了摸清宁夏贺兰山区青海云杉林土壤碳储量, 通过实地调查取样和室
内实验测定, 研究该区青海云杉林土壤碳储量, 并比较不同坡位土壤碳储量的差异, 研究坡位对该区青海云杉林固碳
功能的影响。结果表明, 宁夏贺兰山青海云杉林林下土壤碳储量为 176.7 t⋅hm–2, 其中, 上中下三个坡位的碳储量分别
为 203.45 t⋅hm–2、129.18 t⋅hm–2 和 163.42 t⋅hm–2, 上坡碳储量最高, 其次是下坡, 最低的为中坡, 分别比中坡和下坡高
74.27 t⋅hm–2 和 40.03 t⋅hm–2。上中下三个坡位的土壤有机碳含量随土层加深而呈现递减, 尤其是下层土递减趋势明显。

关键词：宁夏贺兰山; 土壤有机碳; 青海云杉; 坡位
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2014.05.016 中图分类号：S714 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)05-920-06
Research on soil carbon storage of Qinghai spruce (Picea crassifolia) in Ningxia
Helan Mountain
JI Bo1,2, XU Hao1, HE Jianlong1, LI Na1, ZHANG Yuanrun1,*
1. Institute of Desert Manage, Ningxia Agriculture and Forestry Science Academy, Yin Chuan 750002, China
2. Education Key Laboratory For Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem In North-Western China/Breeding
Base For State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration of North-Western China/Union Research Center
For Ecology and Exploitation of Biological Resources in Western China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
Abstract：Qinghai spruce forest is an important forest type in the north of China. In order to find out the soil carbon storage
of Qinghai spruce forest in Ningxia Helan mountain area, we researched the soil carbon storage of Qinghai spruce, using field
investigation and laboratory analysis. We compared soil organic carbon between different slope positions of Qinghai spruce
(Picea crassifolia) in Ningxia Helan mountain and the effects of slope position on carbon fixation of Qinghai spruce (P.
crassifolia). The results showed that the soil organic carbon storage of Qinghai spruce (P. crassifolia) was 15.94 kg⋅m–2; the
differ slope position organic carbon storage was 203.45 t⋅hm–2, 129.18 t⋅hm–2 and 163.42 t⋅hm–2 in upper-slope, middle-slope,
and lower-slope, respectively. The soil organic carbon storage of upper-slope was the highest, followed by the middle-slope; the
lowest was lower-slope, 74.27 and 40.03 t⋅hm–2 higher than the middle slope and lower slope. The soil organic carbon storage
decreased with the increase of soil depth in the three slope position, especially in the lower soil.
Key words: Ningxia Helan mountain; soil organic carbon; Qinghai spruce (Picea crassifolia); slope position
5 期 季波, 等. 宁夏贺兰山青海云杉林土壤碳储量研究 921
1 前言
大气CO2浓度增加引起的全球气候变暖,已成为
当今世界关注的重大环境问题[1–2]。而据统计, 全球
森林生态系统中贮存的总碳量约为854—1505 Gt,
其中森林植被的碳储量约为359—766 Gt, 汇聚着全
球植被碳库的86%以上的碳 , 及全球土壤碳库的
73%的碳, 在缓解大气CO2升高及调节全球气候方
面具有举足轻重作用[1,3]。
宁夏贺兰山自然保护区是宁夏三大天然林区之
一, 地处我国温带草原区与荒漠区的过渡地带, 是
银川平原的天然屏障和水源涵养区, 保存着西北干
旱区较为罕见的天然森林生态系统 , 青海云杉
(Picea crassifolia)作为该区的主要建群树种之一, 对
于提升该区的生态服务功能和维护生态平衡具有十
分重要的作用。对此, 我国很多学者都对该区的土壤
养分、水文、物种多样性等做了一定的研究[4–8], 但对
于该区青海云杉林土壤碳储量的研究还鲜有报道[9]。
通过本研究可以了解该区青海云杉林固碳能力, 对
于评价贺兰山自然保护区森林生态服务功能和区域
碳循环研究具有重要意义。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
宁夏贺兰山自然保护区位于宁夏银川平原和阿拉
善高原之间, 地理位置为105°49′—106°41′ E, 38°19′—
39°22′ N, 处于我国温带草原区与荒漠区的过渡地带,
是我国西北干旱区保存较为完整的天然森林生态系
统, 具有温带草原区、荒漠区和山地森林区镶嵌分
布的气候特征, 年均降水量约在 200—400 mm 之
间, 最高达 627.5 mm, 6—8月降水最为集中。年均
蒸发量约为 2000 mm[9–10]。青海云杉林分布于海拔
2400—3100 m的地带, 该地带降雨量350 mm—450 mm,
林下土壤以灰褐土为主, 土层较厚, 地表有较厚的
苔藓层覆盖。
本研究选取的试验地位于贺兰山自然保护区苏
峪口响水地段, 海拔2423—2700 m。具体特征详见
表1。
2.2 研究方法
土壤取样: 在选定的上中下三个坡面上, 每个坡
面随机选取3个重复样地, 共9个重复样, 设定1 m×1 m
的土壤样方。挖开土壤剖面, 除腐殖质层, 其土层有
表 1 研究区段基本特征
Tab. 1 The basic feature on the study area
坡位 海拔 坡度 平均树高/m 平均胸径/cm
上坡 2690 25° 11.5 19.81
中坡 2556 25° 10.1 15.50
下坡 2423 25° 9.9 19.27

很明显的分层, 故按土壤发生层对土壤剖面采样, 分
为上下层, 直接用环刀取上下层土壤容重, 然后取样
带回实验室测定容重和土壤有机碳含量。上层腐殖质
不宜用环刀取样测定容重, 因此取10 cm× 10 cm平方
的腐殖质层, 称重后带回实验室测定其有机碳含量。
有机碳测定: 带回室内的土样在80 ℃下烘干,
置于室温下至恒重, 测定其重量, 计算含水率。然后
把样品粉碎过筛过60 m筛, 采用重铬酸钾—浓硫酸
外加热氧化法测定其含有机碳含量[11]。
有机碳储量计算: 根据土壤有机碳含量、土壤
密度和土层深度计算土壤有机碳储量。
( )
1
n
i
SOC Ci di hi
=
= × ×∑
式中: i表示土壤层次, Ci表示土壤有机碳含量, di表
示土壤密度, hi表示土壤深度。
3 结果与分析
3.1 云杉林林下土壤有机碳含量及构成
林下土壤是森林有机碳库重要的组成部分之
一。对宁夏贺兰山青海云杉林林下土壤取样, 并测
定其含碳率, 结果显示(表2): 青海云杉林林下土壤
分层结构比较明显, 从上到下依次为腐殖质、上层
灰褐土和下层壤土。腐殖质层平均厚度为4.62 cm,
其含碳率为7.305%, 含碳率最高, 其次是上层灰褐
土, 其含碳率为4.254%; 下层壤土其颜色较浅、偏沙
性, 含碳率也最低, 为2.569%。腐殖质层含碳率较高
主要是由于地表凋落物的分解所致。上层土含碳率
较下层土壤含碳率高的原因很可能主要是由于表层
凋落物的分解与积累, 凋落物分解释放的有机质进
入土壤的数量随着土层加深而减少, 同时林木的生
长需要通过根系从深层土壤中吸收养分, 造成土壤
有机碳含量随着土层深度的增加而降低[1, 12]。但从
其单位面积的碳储量的角度来看, 其碳储量最高的
为下层土, 主要是由于其碳储量不仅与含碳率有关,
且与容重、土层厚度相关。总体来看, 贺兰山青海
云杉林林下土体内有机碳储量为17.67 kg⋅m–2。
922 生 态 科 学 33 卷
表 2 青海云杉林下土壤构成及有机碳含量
Tab. 2 the constituent and carbon content of the soil in Picea crassifolia
土壤类型 层次 厚度/cm 容重/(g⋅cm–3) 含碳率/% 干重/(g⋅m–2) 碳储量/(kg⋅m–2)
腐殖质 4.62±2.64 — 7.305±2.64 2.74 1.998±0.595
上层土壤 26.00±6.93 0.72±0.11 4.254±0.796 71.9 8.027±1.975 灰褐土
下层土壤 32.7±7.74 0.91±0.15 2.569±0.681 91.0 7.645±0.943

3.2 不同坡位土壤有机碳的变化
3.2.1 不同坡位土壤容重的变化
3.2.1.1 不同坡位土壤分层及土壤厚度变化
在实际土壤取样过程中挖开土壤剖面, 除去腐
殖质层, 研究区土壤很明显具有两个分层, 故此,
在本研究中, 对不同坡位的土壤按照上下层进行划
分, 其上中下三个坡位的平均土层深度为68.16 cm、
49.33 cm和64.03 cm(图1), 具体土壤分层厚度情况
详见表3。
3.2.1.2 不同坡位土壤容重的变化
从不同土层的角度来看, 本研究青海云杉林
上、中、下三个坡位土壤容重均为下层土壤容重显
著高于上层土壤容重(图2)(p<0.05), 这说明下层土
壤紧实, 通透性差。究其原因, 可能主要是由于青海
云杉林其上层土壤分布着大量根系及枯枝落叶, 且
腐殖质含量高, 所以上层土壤相对下层土壤结构疏
松, 通透性好。从不同坡位的角度来看, 上层土壤其

图 1 不同坡位土壤厚度组成
Fig. 1 The soil thickness constitution on different slope
position
表 3 不同坡位各层土壤厚度
Tab. 3 The soil thickness on different slope positions
坡位 腐殖质层 上层厚度/cm 下层厚度/cm
上坡 6.83 32.33 29.00
中坡 5.33 29.00 22.00
下坡 1.70 22.33 40.00

注: 图中 1, 2 分别表示上层土壤和下层土。
图 2 不同坡位土壤容重变化图
Fig. 2 The variety of soil bulk density in different slope
position
下坡的土壤容重最大, 其次为上坡, 中坡最低; 这
可能主要是由于随着坡位的降低, 由于雨水的冲刷,
下坡土壤含石砾较多, 因此土壤容重较大。下层土
其土壤容重随着坡位的降低其容重呈现出递减的趋
势, 但其之间的差异不显著。

图 3 相同土层不同坡位土壤容重变化
Fig. 3 The variety of soil bulk density in same soil layer of
different slope position
5 期 季波, 等. 宁夏贺兰山青海云杉林土壤碳储量研究 923
3.2.2 不同坡位土壤有机碳含量的变化
宁夏贺兰山青海云杉林不同坡位土壤有机碳的
含量随土层深度的加深而递减(图4)。就土层深度而
言, 随土层深度的加深, 其上层土壤有机碳显著高
于下层土壤有机碳(p < 0.05)。这可能主要是由于地
表凋落物分解释放的有机质进入土壤, 随着土层深
度的加深累积进入的有机质含量逐步减少; 同时,
林木的生长需要通过根系从深层土壤中吸收养分,
从而造成土壤有机碳含量下层土壤低于上层土壤。
其中, 其上坡上下层的土壤有机碳从46.50 g⋅kg–1显
著下降到28.45 g⋅kg–1; 中坡上下的土壤有机碳从
39.32 g⋅kg–1下降到28.31 g⋅kg–1; 下坡上下层的土壤
有机碳从41.89 g⋅kg–1下降到21.23 g⋅kg–1, 差异均不
显著。就不同坡位而言, 其上层土壤有机碳上坡>下
坡>中坡, 上坡分别比中坡和下坡高7.18 g⋅kg–1和
4.61 g⋅kg–1。下层土壤有机碳含量上坡>中坡>下坡,
即随坡位的下降而递减, 上坡分别比中坡和下坡高
0.14 g⋅kg–1和7.22 g⋅kg–1 (图5)。总体而言, 上、中、
下三个坡位上下层土壤有机碳含量均为上坡最高,
这一结果与薛立、薛晔等研究的不同坡位杉木林土
壤碳储量, 下坡有机碳含量高于上坡有机碳含量的
结果不一致, 究其原因可能主要与林分密度、小气
候环境条件等有关, 经过调查, 宁夏贺兰山青海云
杉林, 上坡云杉林的冠幅、胸径、郁闭度均高于中
坡和下坡, 下坡郁闭度最低, 林木稀疏, 采光度好;
水分条件上坡优于中坡和下坡, 温度随着海拔的升

图 4 不同坡位土壤有机碳含量变化图
Fig. 4 The variety of soil organic carbon in different slope
position

图 5 相同土层不同坡位土壤有机碳含量变化图
Fig. 5 The variety of soil organic carbon in same soil layer
of different slope position
高, 上坡温度低于中下坡, 进而影响了土壤有机碳
的分配, 因为在光照条件和温度较低的条件下, 土
壤含水量增加, 不利于枯枝落叶层的分解, 故此, 有
机质积累较多; 另外上坡地被层及腐殖质层厚度均
高于中、下坡, 而且中、下坡常受到人为干扰的影
响, 一定程度上影响了林下植被盖度, 进而影响了
土壤有机碳的累积。
3.2.3 土壤有机碳储量
研究区青海云杉林上、中、下三个坡位单位面积
的有机碳储量, 从不同土层的角度来看, 腐殖质层上、
中、下坡三个坡位的有机碳储量随着坡位的降低呈现
出递增的趋势, 分别为 1.258 kg⋅m–2, 1.9062 kg⋅m–2和
2.446 kg⋅m–2; 上层土和下层土壤有机碳储量均以上坡
最高, 为 9.061 kg⋅m–2 和 10.026 kg⋅m–2, 其次为下
坡 , 中坡相对最低 , 上坡上层土碳储量分别较中
坡和下坡高44.00%和25.99%, 下层土碳储量分别较
中坡和下坡高 40.78%和 28.28%(图 6), 但从上下土
层总体固存的碳储量来看, 上、中、下三个坡位, 下
层土固存的碳储量最高, 较上层土高 2.314 kg⋅m–2
(图 7)。这主要与土层厚度有关; 从不同坡位的角度
来看, 上坡固存的碳储量最高, 其次是下坡, 最低
的为中坡, 上坡分别较中坡和下坡高7.427 kg⋅m–2和
4.00 kg⋅m–2(图 8), 这主要与上坡土层有机碳含量
有关。
4 结论
(1) 宁夏贺兰山青海云杉林林下土体内有机碳储
量为 17.67 kg⋅m–2。其中, 上、中、下三个坡位的碳储
924 生 态 科 学 33 卷

图 6 不同坡位土壤碳储量变化图
Fig. 6 The variety of soil carbon storage in different slope
position

图 7 不同坡位同一土层碳储量变化图
Fig. 7 Variety of soil carbon storage in same soil layer of
different slope position

图 8 不同坡位土壤碳储量变化图
Fig. 8 The variety of soil carbon storage in different slope
position
量分别为203.45 t⋅hm–2、129.18 t⋅hm–2和163.42 t⋅hm–2。
碳储量低于中国森林土壤平均碳贮量(193.55 t⋅hm–2)[14],
明显高于薛立、薛晔等研究的华南地区杉木林0—
70 cm土层碳储量(120 t⋅hm–2和139 t⋅hm–2)[1], 高于魏
文俊, 王兵等研究的豫南地区杉木林的土壤碳贮量
(107.21 t⋅hm–2 —119.80 t⋅hm–2, 0—75 cm土层)[12]; 高
于方晰, 田大伦等研究的会同地区杉木林的土壤碳
贮量(91.14 t⋅hm–2, 0—60 cm土层)[13]; 但其中坡和下坡
上坡碳储量与其相当。分析原因可能主要受林分密
度和气候条件的影响, 宁夏贺兰山青海云杉林分布
于海拔2400—3100 m的地带, 降雨量350—450 mm,
林下温度略低、湿度高, 林下土壤以灰褐土为主, 土
层深厚, 优越的自然地理条件, 促进了该区土壤碳
素的积累; 且林下具有较厚的苔藓层, 有利于土壤
有机碳的累积。另一方面, 与其他树种特别是与阔
叶树种相比, 云杉林凋落物中难分解的木质素、单
宁、蜡质等物质含量较高[15], 凋落时叶片和小枝一
起脱落, 难以紧贴地表, 影响了凋落物分解, 且随
着坡位的下降, 由于水土流失, 雨水冲刷等原因,
从上坡到下坡, 土壤表面的枯落物逐渐向中下坡堆
积[1], 而中下坡林木稀疏, 采光度好、水分条件较
差、温度较高, 且作为旅游区, 人为活动的干扰都
影响了有机碳的累积, 这些因素可能也是该研究
区中下坡碳储量低于中国森林土壤平均碳贮量的
一个原因。
(2) 从不同土层角度来看, 宁夏贺兰山青海云
杉林土壤有机碳含量下层土显著低于上层土, 呈现
递减的趋势, 这与薛立、薛晔等研究的华南地区杉
木林的土壤有机碳含量的结果相一致。且下层土的
有机碳含量随着坡位的下降也呈现出明显递减的趋
势; 同时, 上坡上下层的有机碳含量显著大于中坡
和下坡, 其间的差异随着坡位的下降而降低明显,
究其原因可能主要是由于地表凋落物的分解和表
层细根分布较多所致。森林土壤表层土壤的有机碳
主要来源于凋落物的分解与积累, 深层土壤有机质
最主要的补充途径则是根系分泌物。凋落物分解释
放的有机质进入土壤的数量随着土层加深而减少,
同时林木的生长需要通过根系从深层土壤中吸收
养分, 造成土壤有机碳含量随着土层深度的增加而
降低[1, 12]。
5 期 季波, 等. 宁夏贺兰山青海云杉林土壤碳储量研究 925
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