全 文 ：林业科学研究　2006, 19 (6) : 773～777
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0620773205
农田营造早竹林后土壤有机碳的变化 3
李正才 1 , 傅懋毅 1 , 徐德应 2 , 孙雪忠 3 , 奚金荣 3
(1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 ,浙江 富阳 311400; 2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护
研究所 ,北京　100091; 3. 浙江省富阳市林业局 ,浙江 富阳 311400)
摘要 :对农田营造早竹林后不同年限土壤有机碳变化规律的研究结果表明 : ( 1)竹林 3年生时 ,各层次土壤有机碳
含量都呈现下降的趋势 ,其中表土层 (0～30 cm)下降幅度最大 ;竹林满园后 ,由于采取了集约经营措施 ,竹林土壤有
机碳含量迅速回升 ,至 9年生时 ,各层次土壤有机碳含量都超过了农田相应层次水平 ,但是 12年生时竹林各层次土
壤有机碳含量又呈现下降趋势。 (2)土壤有机碳密度变化和土壤有机碳含量相似 ,竹林 3年生时各层土壤有机碳
密度均呈现下降趋势 ; 6年生时 ,除了 0～30 cm土层继续下降外 ,其余各层次有机碳密度都增加 ;至 9年生时 ,有机
碳密度都超过相应农田各层土壤有机碳的密度 ; 12年生时 ,各层土壤有机碳密度都呈现下降趋势。 (3) 3年生竹林
土壤有机碳储量下降了近 22% ;以后土壤有机碳储量均逐渐增加 , 9年生竹林 ,土壤有机碳储量要超过农田土壤有
机碳的储量 ; 12年生时竹林有机碳储量下降 ,但是依然高于农田土壤有机碳的储量。
关键词 :农田营造早竹林 ;土壤有机碳含量 ;土壤有机碳密度 ;土壤有机碳储量
中图分类号 : S714 文献标识码 : A
收稿日期 : 2005210212
基金项目 : 国际合作项目“与气候变化有关的目标研究”(CPR /00 /G33 /A /1G/99)部分研究内容
作者简介 : 李正才 (1965—) ,男 ,江苏扬州人 ,副研究员 ,主要从事森林生态研究 13 外业调查得到浙江省富阳市林业局的大力支持 ,内业分析得到本所国家林业局亚热带林木培育重点实验室的协助 ,在此一并致谢 1
Changes in So il O rgan ic Carbon after Bam boo Afforesta tion in Cropland
L I Zheng2cai1 , FU M ao2yi1 , XU De2ying2 , SUN Xue2zhong3 , X I J in2rong3
(11Research Institute of Subtrop ical Forestry, CAF, Fuyang　311400, Zhejiang, China; 2. Research Institute of Forest Ecology, Environment
and Protection, CAF, Beijing　100091, China; 3. Forestry Bureau of Fuyang City, Fuyang　311400, Zhejiang, China)
A bstract: This paper deals w ith the changing regularity of so il organic carbon ( SOC) after afforestation in crop2
land, which showed: ( 1 ) in three years after afforesta tion, the contents of SOC were decreased in differen t so il
p rofiles and the top soil p rofile ( 0～30 cm ) was decreased more than that of the others; Three years later, due
to the in tensive m anagem ent, the contents of SOC were increased quickly and up to nine years, the con ten ts of
SOC being larger than those of crop land; but twelve years later, the contents of SOC were decreased again be2
cause of the less in tensive m anagem ent. ( 2 ) The density of SOC showed almost the sam e tendency as the con2
ten t of SOC; In three years, the density of SOC were decreased, later, the density of SOC was increased and in
nine years, the density of SOC becam e larger than that of crop land; after n ine yeas, the density of SOC were
decreased again, but still more than those of crop land; ( 3 ) Three years after afforestation, the storage of SOC
was decreased by 22 %. A fter three years, the storage of SOC was increased gradually and in nine years, the
storage of SOC becam e larger than that of crop land; In 12 years o ld stand, the storage of SOC was decreased,
but larger than that of crop land. The content, density and storage of SOC all showed the tendency of decline,
rising gradually, excessing and then decreasing.
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
Key words: bamboo afforestation in crop land; the content of soil organic carbon; the density of soil organic carbon;
the storage of soil organic carbon
气候变化是当今世界关注的热点问题和面临的
巨大挑战之一 ,世界各国正在积极致力于减缓全球
温室气体排放的增长速度。土地利用变化是影响陆
地生态系统碳循环的主要因素之一 ,也是仅次于石
化燃料燃烧而使大气 CO2浓度急剧增加的主要人为
活动。据统计 ,至 1998年已有约 750 ×106 hm2的森
林被用作农田 ,占土地利用变化的 45% [ 1 ] ,且已有
(136 ±55) ×109 t碳通过土地利用变化从陆地生态
系统 (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% [ 2 ]。在陆地生态系统
中 ,森林是最大的有机碳贮库 ,占整个陆地生态系统
碳库的 56% ,是陆地生态系统中重要的碳汇和碳
源。据报道 [ 3 ] ,世界森林地上部分生物量碳储量约
为 359 ×1015 g,而森林土壤的含碳量为 787 ×1015 g,
约是森林生态系统地上部分的 2. 2倍。
国内外 ,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、人工林、农
田 ,草地变成次生林、人工林和农田 ,农田变成人工
林、次生林、草地等对土壤碳的影响 [ 4～16 ]。农田中
造林是研究土地利用变化对土壤碳影响的重要研究
内容 ,研究也相对较多 ,但是 ,目前国内外关于亚热
带地区农田造林对土壤有机碳的影响研究尚不多
见 ,特别是对农田种竹以后土壤有机碳变化的研究
尚见未报道。本文通过对农田营造早竹 ( Phyl2
lostachys praecox C. D. Chu et Z. H. Yu)林以后土壤
有机碳变化的研究 ,探讨土地利用变化中竹林对
CO2截留的响应 ,为缓解土地利用变化对大气 CO2的
浓度的影响提供基础研究数据。
1　试验地概况
111　试验地区概况
试验区位于浙江省富阳市春建乡 ,地理位置
119°25′～120°09′E, 29°44′～30°12′N,属亚热带季
风气候 ,雨量充沛 ,气候温和 ,年均气温 16. 2 ℃,年
均降水量 1 464 mm ,无霜期 237 d。
该地区历史上为森林地带 ,顶极群落是北亚热
带常绿阔叶林 ,由于过去对木材、薪炭需求量的增加
以及农业活动的发展 ,本地区天然原始林大多已遭
到破坏 ,森林被砍伐转化为次生林、农业用地和人工
林等 ,现存主要是次生林 (以壳斗科 ( Fagaceae)、樟
科 (Lauraceae)、山茶科 ( Theaceae)和木兰科 (Magno2
liaceae)植物为主 )和人工林 ,人工主要栽培杉木
(Cunningham ia lanceola ta (Lamb. ) Hook. )、竹林和
茶叶 (Cam ellia sinensis O. Ktze. )等 [ 13 ]。
112　样地选择和样地经营概况
试验地历史上以栽培双季水稻为主 , 20世纪 90
年代以后 ,由于水稻产量大幅度提高 ,部分农田改种
单季水稻 ,同时由于农业产业结构调整 ,相当一部分
农田改造成为早竹林。农田种早竹之前 ,稻田全垦
(深度为 30 cm左右 ) ,并开沟以利排水 ,冬季挖穴造
林 ,采用移母竹造林的方法 ,造林密度为 1 050～
1 200株 ·hm - 2。竹林满园之前 ,除草、松土 ,但不覆
盖和施肥 ,不挖笋和砍竹 ;竹林 4年生至 9年生时 ,
采取集约经营措施 (竹林覆盖、施肥和灌溉 ) ,强度
挖笋 ,并每年采伐 3年生以上的老竹 ; 9年生以后 ,
由于之前竹林强度经营 ,竹林衰败严重 ,竹笋产量下
降 ,因此 ,竹林投入 (施肥、覆盖和灌溉 )相对减少 ,
但每年依然挖笋和砍除老竹。
本研究采用相邻样地比较方法 ,即选择农田栽
培历史相似 ,满足农田造林之前土壤本底条件基本
相同 ,经营水平大体一致的 4种不同经营年限的竹
林 ,试验样地基本情况参见表 1。
表 1 试验样地基本情况
土地利
用类型
平均树
高 /m
平均胸
径 / cm
立木密度 /
(株·hm - 2 )
郁闭度 管理方式
农田 - - - - 单季水稻 ,秸秆未还田
3年生
早竹林
3～5 4～5 14 553 0. 8 垦复、施肥、覆盖和灌溉
6年生
早竹林
3～5 4～5 14 285 0. 9 垦复、施肥、覆盖和灌溉
9年生
早竹林
3～5 4～5 15 000 0. 9 垦复、施肥、覆盖和灌溉
12年生
早竹林
3～5 4～5 14 107 0. 9 挖笋 ,砍除老竹
2 研究方法
在选择的不同年龄的竹林内设立调查样方 (样
方面积 10 m ×10 m ) ,对样方内的早竹进行每木检
测 ,调查样方内立竹的株数、胸径、竹竿高度 (重复 6
次 )。
477
第 6期 李正才等 :农田营造早竹林后土壤有机碳的变化
在每一调查样地内 ,先挖取典型土壤剖面 ,观察
剖面特征 ,用 50 cm3环刀测定土壤密度 ;采用 S形的
布设方法 ,在各个样地内布设 5个点 ,除去枯枝落叶
层后 ,用 5 cm内径的土钻分 0～10、10～20、20～30、
30～40、40～50、50～60 cm采集土壤样品 ;将各个样
地的土样按照层次进行分层混合 ,然后用四分法取
出足够样品 ,自然风干后过 2 mm孔径的土壤筛 ,以
K2 Cr2 O7 (稀释热法 )测定有机碳含量 [ 17 ] ;有机碳密
度根据土壤密度计算得到 ,再根据土壤有机碳密度
和土壤深度计算土壤有机碳储量。
土壤有机碳储量 = ∑
n
i =1
(Ci diD i ) , i表示土壤层
次 , Ci 表示土壤有机碳含量 , di 表示土壤密度 , D i 表
示土壤深度。
方差分析采用 SPSS1010统计软件包中的相应
程序进行分析 ,多重比较采用 LSD方法。
3　结果与分析
3. 1　农田营造早竹林后土壤有机碳含量的变化
由于砍除了早竹林 3年生以上不再发笋的老
竹 ,林地立竹数量保持相对稳定 ,因此早竹林活体生
物量碳储量基本一致 ,本文主要从土壤方面分析农
田营造早竹林后土壤有机碳的变化。
由表 2可以看出 : (1)农田营造早竹林后 ,一方
面新造林地由于土壤通气条件的改善 ,土壤微生物
的活性增强 ,土壤呼吸作用增强 ,另外一方面 ,新造
竹林处于林分形成阶段 (每公顷立竹株数从造林时
期的 900株 ,到 3年生时 ,立竹株数达到 14 550株左
右 ) ,消耗了大量的土壤养分和有机质 ,因此土壤有
机碳含量下降很快 ,尤其以表土层 (0～40 cm,是早
竹林根系分布的主要区域 )下降幅度最大 ,达到
27% ～34% ,其它 2个层次也有下降 ,但是下降幅度
低于表土层。 ( 2)竹林满园以后 ,由于采取了集约
经营措施 ,施用大量的覆盖物、有机肥料和化肥 ,一
方面满足丰产竹林生物产量和经济产量对养分的需
求 ,另一方面 ,土壤性质也得到了改良 , 6年生竹林
土壤有机碳含量得到了一定程度的提高 ,其中 0～
10 cm土层提高了 4. 14%。 (3)土壤有机碳含量继
续上升 , 9年生竹林除了 30～40 cm土层尚未恢复到
相应层次农田水平外 ,其它各层次的土壤有机碳含
量都超过了农田的水平 , 40～60 cm土层土壤有机
碳含量提高幅度又大于 0～30 cm土层 ,这主要是表
层土壤由于竹林经营的影响 ,疏松透气 ,同时也是竹
林根系分布的主要区域 ,对土壤有机碳的消耗比下
层土壤强 ,因此上层土壤有机碳上升的幅度比下层
小。 (4)由于竹林强度经营 ,竹林衰败较严重 ,竹笋
产量下降 , 9～10年以后 ,竹林几乎只是索取竹笋产
量 ,而没有更大的投入 (肥料 ) ,因此 ,土壤有机碳含
量又开始下降 , 0～30 cm土层是竹林养分的主要提
供层次 ,故下降的幅度大于下层土壤 ; 30～60 cm土
层由于受竹林生长的影响不大 ,所以土壤有机碳含
量依然比农田相同层次的土壤有机碳含量高。
表 2　农田营造早竹林后不同经营年限土壤有机碳含量的差异
土层深度 / cm 项目 农田 3年生早竹林 6年生早竹林 9年生早竹林 12年生早竹林 统计检验
0～10
有机碳含量 / ( g· kg - 1 ) 20. 07ahi 14. 00bd 14. 83cdg 22. 16eh 17. 71fgi F = 9. 695
比例 /% 100. 00 69. 75 73. 89 110. 44 88. 23 P = 0. 000
10～20
有机碳含量 / ( g· kg - 1 ) 15. 26ai 10. 16beg 10. 47ceh 17. 26fi 12. 13dgh F = 8. 871
比例 /% 100. 00 66. 58 68. 64 113. 14 79. 50 P = 0. 000
20～30
有机碳含量 / ( g· kg - 1 ) 11. 54aij 8. 48beg 8. 63ceh 13. 09fi 9. 82ghj F = 9. 766
比例 /% 100. 00 73. 53 74. 77 113. 45 85. 16 P = 0. 000
30～40
有机碳含量 / ( g· kg - 1 ) 9. 97a 7. 49bd 7. 58cd 9. 44ad 8. 98ad F = 2. 592
比例 /% 100. 00 75. 09 75. 98 94. 60 89. 98 P = 0. 061
40～50
有机碳含量 / ( g· kg - 1 ) 8. 00ab 6. 53a 6. 96ac 9. 24b 8. 81cb F = 2. 806
比例 /% 100. 00 81. 58 86. 91 115. 48 110. 11 P = 0. 047
50～60
有机碳含量 / ( g· kg - 1 ) 6. 68ab 5. 72a 5. 88a 9. 16b 8. 85b F = 2. 698
比例 /% 100. 00 85. 66 88. 01 137. 07 132. 53 P = 0. 054
　　注 : a～j表示同一土层 t检验 0. 05水平差异 ,相同字母表示差异不显著 ,不同字母表示差异显著 ,下同。
3. 2 农田营造早竹林后土壤有机碳密度的变化
土壤有机碳密度和土壤有机碳含量有相似的变
化趋势 : (1)农田种竹后至满园 (3年生竹林 )时 ,土
壤有机碳密度均呈现下降趋势 ,从总体趋势来看 , 40
577
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
～60 cm土层下降的幅度小于 0～40 cm土层下降的
幅度。 (2)至竹林 6年生时 ,由于竹林集约经营的影
响 ,虽然土壤有机碳含量呈现增加的趋势 ,但是 0～
10 cm土层土壤密度反而下降 ,因此土壤有机碳密
度反而下降 ,但是其它层次的土壤有机碳密度都呈
现增加的趋势 ,且增加的幅度 40～60 cm土层比 10
～40 cm土层大。 (3) 9年生竹林 ,各层土壤有机碳
密度都超过相应农田土层土壤有机碳的密度 ,且 10
～20 cm土层总体增加的幅度大于 20～60 cm土层
增加的幅度。 (4)竹林 12年生时 ,由于竹林集约经
营水平下降 ,各层土壤有机碳密度都呈现下降的趋
势 , 0～30 cm土层下降幅度要比 30～60 cm土层下
降的幅度大 ,除了 20～40 cm土层土壤有机碳密度
低于农田外 ,其它各层次的土壤有机碳密度均比农
田高 (表 3)。
表 3　农田营造早竹林后不同经营年限土壤有机碳密度的差异
土层深度 / cm 项目 农田 3年生早竹林 6年生早竹林 9年生早竹林 12年生早竹林 统计检验
0～10
有机碳密度 / ( kg· m - 3 ) 18. 60a 14. 84b 13. 61cb 25. 24d 19. 77a F = 14. 652
比例 /% 100. 00 79. 77 73. 17 135. 73 106. 28 P = 0. 000
10～20
有机碳密度 / ( kg· m - 3 ) 13. 74a 11. 37a 11. 69a 20. 65b 14. 47a F = 10. 277
比例 /% 100. 00 82. 78 85. 11 150. 27 105. 35 P = 0. 000
20～30
有机碳密度 / ( kg· m - 3 ) 15. 00a 10. 49b 10. 87cb 16. 45a 12. 15db F = 11. 068
比例 /% 100. 00 69. 93 72. 43 109. 64 80. 97 P = 0. 000
30～40
有机碳密度 / ( kg· m - 3 ) 13. 50a 9. 89b 10. 09cb 13. 57a 12. 55ab F = 3. 674
比例 /% 100. 00 73. 25 74. 73 100. 54 93. 01 P = 0. 017
40～50
有机碳密度 / ( kg· m - 3 ) 11. 97abd 9. 67a 10. 23da 13. 83b 13. 01cdb F = 2. 975
比例 /% 100. 00 80. 75 85. 48 115. 51 108. 66 P = 0. 039
50～60
有机碳密度 / ( kg· m - 3 ) 10. 15abcd 8. 67a 9. 03da 13. 88b 13. 38cdb F = 2. 614
比例 /% 100 85. 49 89. 05 136. 78 131. 90 P = 0. 059
　　注 : a～d表示同一土层 t检验 0. 05水平差异。
3. 3 农田营造早竹林后土壤有机碳储量的变化
综合考虑土壤有机碳含量、土壤密度和土壤有
机碳密度的变化 ,由表 4可知 : (1)由于土壤有机碳
含量、土壤密度的变化 ,农田种竹后 , 3年生竹林 ,土
壤有机碳储量下降了近 22%。 (2)由于上述竹林集
约经营的影响 ,土壤有机碳含量至竹林 6年生时总
体呈现上升趋势 ,但是土壤有机碳储量的增加幅度
并不是很大 ,只有 0. 7%左右。 (3) 9年生竹林的土
壤有机碳储量要超过农田土壤有机碳的储量 ,表现
为土壤有机碳的积累。 (4)同样也由于上述分析的
原因 ,竹林 12年生时 ,由于竹林集约经营水平的下
降 ,同时由于挖笋和伐竹的影响 ,土壤有机碳密度下
降 ,因此土壤有机碳储量下降 ,但是稍高于农田土壤
有机碳的储量。
表 4　农田造林后不同经营年限土壤有机碳储量的差异
土层深度 / cm 项目 农田 3年生早竹林 6年生早竹林 9年生早竹林 12年生早竹林 统计检验
0～60
有机碳储量 / ( t· hm - 2 ) 82. 95a 64. 93b 65. 52cb 103. 61d 85. 33a F = 13. 207
比例 /% 100 78. 27 78. 99 124. 90 102. 86 P = 0. 000
　　注 : a～d表示 t检验 0. 05水平差异。
4 结论与讨论
(1)农田营造早竹林后 ,至满园时 (3年生 )土壤
有机碳含量都呈现下降趋势 ,其中表土层 ( 0～30
cm)下降幅度最大 ;满园后 ,由于竹林采取了集约经
营措施 ,土壤有机碳含量迅速回升 ,至竹林 9年生
时 ,除了 30～40 cm土层尚未恢复到农田水平外 ,其
它层次的土壤有机碳含量都超过了农田的水平 ;由
于竹林经营水平的影响 , 12年生竹林各层土壤有机
碳含量又呈现下降趋势。
(2)早竹林土壤有机碳密度和土壤有机碳含量
变化趋势相似 ,满园时土壤有机碳密度均呈现下降
趋势 ;竹林 6年生时 ,除了 0～30 cm土层继续下降
外 ,其它各土层有机碳密度都增加 ;至竹林 9年生
时 ,各土层有机碳密度都超过相应农田土层土壤有
机碳的密度 ;竹林 12年生时 ,由于竹林集约经营水
677
第 6期 李正才等 :农田营造早竹林后土壤有机碳的变化
平下降 ,各层土壤有机碳密度都呈现下降的趋势。
(3)农田营造早竹林后 , 3年生竹林土壤有机碳
储量下降了近 22% ;以后土壤有机碳储量均逐渐增
加 , 9年生竹林土壤有机碳储量要超过农田土壤有
机碳的储量 ; 12年生竹林有机碳储量下降 ,但是仍
高于农田土壤有机碳的储量。
(4)农田造林后土壤有机碳含量的变化比较复
杂 ,一般认为土壤有机碳含量增加 [ 18, 19 ] ,但也有些
结果表明 ,农田造林后土壤有机碳增加和减少的情
况都有 [ 8, 9 ]。竹林不同于其它类型的森林 ,每年异
龄择伐的收获方式不仅可获得竹笋、竹材 ,获得一定
的经济收益 ,而且更是一种必需的抚育经营措施 ,因
而受到的人为干扰比其它森林类型更为严重。因此
和其它土地利用方式相比 ,农田种竹后对土壤有机
碳的影响更复杂 ,存在着更大的不确定性。本文初
步揭示了农田营造早竹林后 ,土壤有机碳含量、密度
和储量的变化趋势 ,即短期内土壤有机碳含量、密度
和储量开始迅速下降 ,再逐渐上升 ,然后超过农田水
平 , 12年生时又表现下降的趋势 ,因此兼有下降和
上升两种变化趋势 ,应该说是竹林经营干扰对土壤
有机碳影响的一种体现。同时也说明 ,竹林集约经
营一段时间以后 ,竹林竹笋产量的下降 ,并不是由于
土壤有机质 (有机碳 )含量下降引起的 ,而是其它因
素影响着竹林竹笋产量。
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