全 文 ：第 wv卷 第 w期
u s s z年 w 月
林 业 科 学
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三峡库区几种退耕还林模式下土壤有机碳研究
陈亮中t ov 肖文发u 唐万鹏v 潘 磊v 史玉虎v
kt1 北京林业大学水土保持学院 北京 tsss{v ~ u1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 tsss|t ~
v1 湖北省林业科学研究院 武汉 wvssz|l
关键词 } 土壤有机碳 ~退耕还林模式 ~三峡库区
中图分类号 }≥ztw1u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsw p sttt p sw
收稿日期 }ussy p sv p u| ∀
基金项目 }国家林业局退耕还林科技支撑项目 }/三峡库区小流域防护林体系建设综合示范0和湖北省林业局生态监测专项/湖北省退耕还
林生态效益监测0项目资助 ∀
Στυδψ ον Σοιλ Οργανιχ Χαρβον υνδερ Σεϖεραλ Ρεαφφορεστατιον Παττερνσιν
τηε Τηρεε Γοργεσ Ρεσερϖοιρ Αρεα
≤«¨ ± ¬¤±ª½«²±ªtov ÷¬¤² • ±¨©¤u פ±ª • ¤±³¨ ±ªv °¤± ¨¬v ≥«¬≠∏«∏v
kt1 Χολλεγε οφ Σοιλανδ Ωατερ Χονσερϖατιον o Βειϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss{v ~ u1 Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Φορεστ Εχολογψ
Ενϖιρονµεντ ανδ Προτεχτιον o ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t ~ v1 Ηυβει Αχαδεµψοφ Φορεστρψ Ωυηαν wvssz|l
Αβστραχτ} ׫µ²∏ª«¦²°³¤µ¬±ª·«¨ ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± ¤±§¬±√¨ ±·²µ¼ ²©¶²¬¯ ²µª¤±¬¦¦¤µ¥²± k≥’≤l ¤±§¬·¶§¬¶·µ¬¥∏·¬²± ¬±·«¨ ¶²¬¯
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Κεψ ωορδσ} ¶²¬¯ ²µª¤±¬¦¦¤µ¥²±~µ¨¤©©²µ¨¶·¤·¬²± ³¤·¨µ±¶~·«¨ ·«µ¨¨ª²µª¨¶µ¨¶¨µ√²¬µ¤µ¨¤
陆地生态系统碳循环是导致全球气候变暖的重要因素之一k孙维侠等 oussw ~方运霆等 ousswl o土壤碳与
大气 ≤’u 的快速交换影响着地球表层与其他系统之间的碳循环k许信旺等 oussxl o而土地利用变化对土壤碳
的影响是陆地生态系统碳循环变化中影响最深远 !最直接的一个方面 ∀研究和了解土地利用变化对土壤碳
储量及转化的影响是研究陆地生态系统碳循环的重要前提 ∀目前中国正大力实施退耕还林工程 o退耕还林
后土壤有机碳和土壤理化性质都将发生一定程度的变化 o这必定会对陆地生态系统碳循环造成较大影响 ∀
许多研究表明 o在原有的农地造林以后 o土壤碳含量有大幅度增长k≤«¤µ¯¨ ¶ ετ αλqoussu ~吴建国等 o
usswl o也有研究发现造林后土壤有机碳含量没有变化或降低k¤¦¯¤∏oussv ~≥³¨¦«·ετ αλqoussvl ∀近年来 o不
少学者对不同土地利用方式下土壤有机碳贮量和分布特征进行了研究k刘梦云等 oussx ~贾月慧等 oussxl o
≤²±¤±·等kussvl研究了美国东南部不同土地利用方式下土壤有机碳组分的变化情况 o李鸿博等kussxl对不
同林下土壤有机碳与水分含量的相关变化进行了研究 ∀但退耕还林对土壤有机碳影响的研究很少 ∀本文以
长江三峡库区秭归县兰陵溪小流域几种不同退耕还林模式为对象 o探讨不同退耕还林模式对土壤有机碳的
影响 o为退耕还林工程的生态效益评价提供参考 o为研究土地利用变化对全球碳循环的影响提供基础数据 ∀
t 研究区概况
研究区位于长江三峡库区湖北省秭归县兰陵溪小流域 o距长江三峡大坝上游 x ®°ktts βxy χ ∞o
vs βxs χ ‘l ∀该区属中亚热带湿润季风气候区 o年均气温 t{1s ε o年均降水量 t txs °° o年均相对湿度 z|
h o多年平均日照率 ux h ∀土壤以黄壤为主 o基岩为花岗岩 ∀主要植被类型有马尾松k Πινυσ µασσονιαναl次生
林 !马尾松车麻栎k Θυερχυσαχυτισσιµl混交林等 ∀秭归县自 usss年实施退耕还林以来 o共退耕还林 t1vv万 «°u
以上 o涉及柑桔k Χιτρυσρετιχυλαταl !刺槐k Ροβινια πσευδοαχαχιαl !马尾松等退耕还林模式 uss多种 ∀本研究选择
兰陵溪小流域内枫香k Λιθυιδαµβαρ φορµοσαναl纯林 !松栎混交林 !柑桔 n 金荞麦k Φαγοπψρυµ διβοτρψσl !板栗
k Χαστανεα µολλισσιµαl n紫穗槐kΑµορπηα φρυτιχοσαl混交林 !马尾松林 !板栗纯林 !杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl
林等 z种主要退耕模式进行研究 ∀z种退耕模式中 o除板栗 !柑桔模式每年进行 t次点穴式施肥 o并在退耕 v
年后开始进行少量修剪外 o其余几种模式均未进行人为地抚育和管理 ∀z种退耕还林模式均为 usss年种
植 ∀
u 研究方法
u1t 试验方法 采用相邻样地比较k³¤¬µ¨§¶¬·¨¶l的方法 o每种退耕类型选择地形 !立地条件相似的典型样地
u ∗ v个 o每个样地内随机布设土壤剖面 v ∗ x个 ∀分别选取本底条件与几种退耕模式相对一致的农耕地和
灌丛地作为对照 t和对照 u ∀土样在秋末采集 ∀除去凋落层后 o挖土壤浅剖面 ys ¦°深 o分别于 s ∗ vs ¦°取
一个土样 ovs ¦°以下取一个土样 ∀采用环刀法测土壤密度 ∀土样经风干处理后过 u °°筛 o采用 Žu≤µu ’z 外
加热法测有机碳含量 ∀
u1u 数据处理 由于土地利用方式会在很大程度上改变土壤密度 o导致单位体积内的土壤质量发生变化 o
进而使不同退耕模式和对照类型下土壤碳密度失去可比性 ∀为此 o本文参照张小全等kusswl介绍的方法对
土壤密度k ∆l进行修正 ∀
∃ Μ € Μ°¤¬ p Μo
τ € p kα n δ ≅ βl n kα n δ ≅ βl
u n uβ ≅ ∃ Μ
uβ o
∆ € α n β ≅ k δ n τl ∀
式中 }Μ°¤¬和 Μ分别为土壤密度最大和密度较小的采样层包含的土壤质量 o∃ Μ为虚拟层土壤质量 o α和 β
为拟合参数 oδ为已采样深度 oτ为土壤虚拟层厚度 ∀
图 t 几种退耕还林模式k„ ∗ Šl和
对照类型k‹ oŒl不同土层土壤有机碳含量
ƒ¬ªqt ≥²¬¯ ²µª¤±¬¦¦¤µ¥²± ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± ∏±§¨µ
¶¨√ µ¨¤¯ µ¨¤©©²µ¨¶·¤·¬²± ³¤·¨µ±¶k„ ∗ Šl
¤±§¦²±·µ¤¶·¶k‹ oŒl
„ !… !≤ !⁄!∞ !ƒ !Š !‹ !Œ分别代表枫香纯林 !松栎
混交林 !柑桔 n金荞麦 !板栗 n紫穗槐 !马尾松
林 !板栗纯林 !杉木林 !对照 t !对照 u ∀下同 ∀
„ !… ! ≤ ! ⁄! ∞ ! ƒ ! Š ! ‹ ¤±§ Œ µ¨³µ¨¶¨±· Λq
φορµοσανα o Πq µασσονιανα ¤±§ Θq αχυτισσιµ °¬¬¨ §
©²µ¨¶·o Χq ρετιχυλατα n Φq διβοτρψσo Χq µολλισσιµα
n Αq φρυτιχοσα o Πq µασσονιανα o Χq µολλισσιµα o
Χq λανχεολατα ©²µ¨¶·o ¦²±·µ¤¶·t ¤±§ ¦²±·µ¤¶·u o
µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q׫¨ ¶¤°¨ ¥¨ ²¯º q
v 结果与分析
v1t 不同退耕还林模式下土壤有机碳含量 z种退耕还林模式
下 s ∗ vs 和 vs ∗ ys ¦° 土壤有机碳平均含量分别为 z1yw 和
w1ty ª#®ªpt ∀在 s ∗ vs ¦°土层 o除柑桔 n金荞麦模式土壤有机碳
含量偏低外 o其他几种退耕模式土壤有机碳含量均显著高于对照
uk农耕地l ~而在 vs ∗ ys ¦°土层中 o各退耕模式土壤有机碳含量
大多低于农耕地 ∀说明退耕还林对土壤有机碳含量的影响主要集
中在 s ∗ vs ¦°土层 ∀总体来看 oz种退耕模式下 s ∗ ys ¦°土壤有
机碳的平均值为 x1|s ª#®ªpt o变异系数为 tx1vv h o与对照 uk其 s
∗ ys ¦°土壤平均有机碳含量为 x1|| ª#®ªptl无显著差异 ∀
对几种退耕模式进行比较发现 o杉木模式下土壤有机碳平均
含量最高 os ∗ ys ¦°土层有机碳平均含量为 |1wu ª#®ªpt ∀柑桔 n
金荞麦模式下土壤有机碳含量最低 o其 s ∗ ys ¦°土层平均含量仅
为 w1t| ª#®ªpt ∀说明不同退耕模式对土壤有机碳含量的影响程
度不同 ∀
图 t显示 o各种退耕模式和对照类型下土壤有机碳含量总体
上都随着土层加深而降低 o但不同土地利用类型降低的幅度不同 ∀
在所有土地利用类型中 o对照 t不同土层土壤有机碳含量的变幅
最大 o达 y|1yt h o而对照 u土壤不同土层有机碳含量的降幅最小 o
仅为 w1xw h ∀在不同退耕模式中 o板栗纯林模式土壤有机碳随土
utt 林 业 科 学 wv卷
层加深而递减的幅度最大 o土壤有机碳在土层间的变化幅度为 xy1|{ h o柑桔 n金荞麦林地土壤有机碳含量
随土层加深而变化的幅度最小 o仅为 uu1vx h o但仍然明显大于农耕地土壤土层间有机碳含量的变幅 ∀这说
明退耕还林在很大程度上影响了土壤有机碳在剖面上的垂直分布 ∀
v1u 不同退耕还林模式下土壤碳密度 本研究涉及的几种退耕模式下 s ∗ vs ¦°土层土壤有机碳密度总平
均值为 v1ws ®ª#°pu o略高于对照 uk农耕地l o但在整个 s ∗ ys ¦°土壤层内 o几种退耕模式下土壤有机碳密度
与对照 u相比 o没有显著提高k柑桔 n金荞麦等个别模式甚至还有一定程度的下降l ∀可见 o不同的退耕还林
模式对土壤碳密度的影响与有机碳含量一样 o也主要表现在 s ∗ vs ¦°土层 o且不同退耕模式对土壤有机碳
密度的影响程度也不相同 ∀z种退耕模式下 s ∗ ys ¦°土壤有机碳密度大小顺序为 }杉木林 马尾松林 松
栎混交林 板栗纯林 枫香纯林 板栗 n紫穗槐 柑桔 n金荞麦k表 ul ∀
研究发现 o在 s ∗ vs ¦°土层 o各退耕模式下土壤有机碳密度均明显低于对照 tk灌丛地l ∀分析认为 o这
是由灌丛地受土地利用变化等人为干扰最少 o其表层土壤有机碳稳定积累时间较长引起的 ∀
在土壤剖面垂直分布上 o不同土地利用类型土壤有机碳密度和土壤有机碳含量一样随着土层加深而降
低 o从 s ∗ vs到 vs ∗ ys ¦°土层碳密度下降 t1xs h ∗ xt1|u h ∀在全部土地利用类型中 o对照 tk灌丛地l土壤
碳密度随土层加深而减小的幅度最大 o达 yz1|u h o对照 uk农耕地l碳密度的变化幅度最小 o仅为 t1xs h ~在
几种退耕还林模式中 o板栗纯林和马尾松林地土壤土层间土壤碳密度变化最大 o柑桔 n金荞麦模式的变幅最
小 ∀在 s ∗ vs ¦°土层 o各退耕模式下土壤有机碳密度均低于灌丛土壤碳密度 o而在 vs ∗ ys ¦°土层 o除柑桔 n
金荞麦模式外 o其余几种退耕还林模式下土壤有机碳密度均高于灌丛地 ∀这说明退耕后土壤有机碳密度在
不同土层间的差异比灌丛地小 o退耕还林有利于土壤有机碳向下输送 ∀
表 1 不同退耕模式下土壤有机碳密度 ≠
Ταβ . 1 Σοιλ χαρβον δενσιτψ υνδερ διφφερεντ ρεαφφορεστατιον παττερνσ
退耕模式
• ¤¨©©²µ¨¶·¤·¬²±
³¤·¨µ±
有机碳密度
≥²¬¯ ¦¤µ¥²± §¨±¶¬·¼Πk®ª#°pul
加权平均
• ¬¨ª«·¨§ °¨ ¤±Πk®ª#°pul
变异系数
∂¤µ¬¤·¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·Πh
标准差
≥·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²±Πk®ª#°pul
s ∗ vs ¦° vs ∗ ys ¦° s ∗ vs ¦° vs ∗ ys ¦° s ∗ vs ¦° vs ∗ ys ¦° s ∗ vs ¦° vs ∗ ys ¦°
„k|l u1x| ∗ w1ty t1sw ∗ u1v{ v1tx¤ t1zy¤ tw1{y uw1s{ s1wz s1wu
…kyl u1ts ∗ v1|w t1u{ ∗ u1yu v1us¤ u1ss¤ us1zz ut1{x s1yy s1ww
≤kzl t1|t ∗ v1xs t1x{ ∗ u1yw u1xx¥ t1xy¤ t|1yt tz1v s1x s1vy
⁄k{l u1tx ∗ v1|z t1x{ ∗ u1ut u1zt¥ t1|z¤ uu1wu tt1yv s1yt s1uv
∞k|l u1xx ∗ w1yt t1sy ∗ u1t| v1xv¤ t1zs¤ t{1w us1zz s1yx s1vx
ƒktxl u1xx ∗ w1wt t1sw ∗ u1vz v1vu¤ t1ys¤ ut1x uz1|y s1zt s1wx
Šk|l v1xw ∗ x1tv t1{u ∗ u1{w w1vs¦ u1uy¥ tv1ty tz1t s1xz s1v|
‹ktwl v1{t ∗ x1{s t1sv ∗ u1v{ w1|z§ t1x|¤ tx1tt uw1z{ s1zx s1v|
Œkyl u1vz ∗ v1vs u1t{ ∗ v1uv u1{|¤ u1{w¦ tu1uv tv1yx s1vx s1v|
≠列内相同字母表示差异不显著k Π€ s1sxl ~括号内数字为样本数 ∀ ׫¨ ¶¤°¨¯¨ ·¨µ¶º¬·«¬± ¤¨¦«√¨ µ·¬¦¤¯ ¦²¯∏°±¬±§¬¦¤·¨ ±²¶¬ª±¬©¬¦¤±·¯¼ §¬©©¨µ¨±¦¨
∏±§¨µ§¬©©¨µ¨±·³¤·¨µ±¶¤·x h ¯¨ √¨ ¯~‘∏°¥¨µ¶²©¶¤°³¯¨¬±·«¨ ³¤µ¨±·«¨ ¶¨¶q
w 结论与讨论
许多研究认为 o在农田和草地上造林后 o土壤有机碳将发生显著变化 ∀如吴建国等kusswl对宁夏六盘山
林区几种土地利用类型土壤有机碳研究后发现 otv !t{和 ux年生华北落叶松k Λαριξ πρινχιπισ2ρυππρεχητιιl人工
林土壤有机碳含量分别比农田高 ws h !ttt h 和 {u h ∀李跃林等kussul研究发现 o造林 tw年后土壤有机碳
贮量显著提高 ∀也有一些研究认为造林对土壤碳贮量没有明显影响 o如  ±¨§«¤°等kussvl研究了澳大利亚
西南部风化红壤和砂壤土地上毁林和造林对土壤有机碳的影响后发现 o毁林造林前后土壤有机碳并没有发
生明显变化 o只是导致了有机碳在土壤剖面上的重新分配 ∀
本文通过对几种退耕还林模式下 s ∗ ys ¦°土壤有机碳含量和碳密度分析发现 o退耕还林初期对土壤有
机碳含量和碳密度的影响主要体现在 s ∗ vs ¦°表层 ∀从整个 s ∗ ys ¦°土层来看 o退耕还林工程实施 x年
后 o土壤有机碳含量和碳密度均无明显变化 ∀ °¤∏¯等kussvl对造林后土壤有机碳的研究也得出类似结论 ∀
也有研究认为 o造林后土壤碳贮量通常是最初下降 o然后才开始积累k×∏µ±¨ µετ αλqousss ~史军等 oussxl ∀究
vtt 第 w期 陈亮中等 }三峡库区几种退耕还林模式下土壤有机碳研究
其原因 o可能是退耕还林初期 o农耕地上原有的农作物根系和残留物减少 o而新的林下凋落层尚未形成 o导致
地表对土壤有机质的输入减少 ∀
土壤有机碳含量和碳密度随土层深度的变化与植被的根系分布格局密切相关k吴建国等 ousswl ∀本研
究中 o各退耕还林模式下土壤有机碳含量和碳密度随土层加深而降低的幅度均明显小于对照 t k灌丛地l o但
却都大于对照 u k农耕地l ∀这说明退耕还林在很大程度上改变了有机碳在土壤剖面上的垂直分布 ∀这与
 ±¨§«¤°等kussvl的研究结论一致 ∀
在本研究的几种退耕模式中 o柑桔 n金荞麦模式下土壤有机碳含量和碳密度最低 ∀这可能是因为柑桔 n
金荞麦是几种退耕模式中唯一间作农作物的类型 o金荞麦和柑桔的收获与修剪等人为活动对土壤有机碳的
影响所致 ∀而灌丛地由于受土地利用变化等人为干扰最少 o有机碳稳定积累时间较长 o因而其表层土壤有机
碳含量相对较高 ∀说明三峡库区土地利用变化等人为干扰是影响土壤有机碳变化的重要因素之一 ∀
参 考 文 献
方运霆 o莫江明 o≥¤±§µ¤ …µ²º±o等 qussw1 鼎湖山自然保护区土壤有机碳贮量和分配特征 q生态学报 ouwktl }tvx p twu
贾月慧 o王天涛 o杜 睿 qussx1 v种林地土壤碳和氮含量的变化 q北京农学院学报 ouskvl }yv p yy
李鸿博 o史 锟 o孙咏红 o等 qussx1 三种林下土壤浅剖面有机碳含量研究 q生态学杂志 ouwktsl }tuvs p tuvv
李跃林 o彭少麟 o赵 平 o等 qussu1 鹤山几种不同土地利用方式的土壤碳储量研究 q山地学报 ouskxl }xw{ p xxu
刘梦云 o安韶山 o常庆瑞 qussx1 宁南山区不同土地利用方式土壤有机碳特征研究 q水土保持研究 otukvl }wz p w|
史 军 o刘纪远 o高志强 o等 qussx1 造林对土壤碳储量影响的研究 q生态学杂志 ouwkwl }wts p wty
孙维侠 o史学正 o于东升 o等 qussw1 我国东北地区土壤有机碳密度和储量的估算研究 q土壤学报 owtkul }u|{ p vss
吴建国 o张小全 o徐德应 qussw1 土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响 q应用生态学报 otxkwl }x|v p x||
许信旺 o潘根兴 o侯鹏程 qussx1 不同土地利用对表层土壤有机碳密度的影响 q水土保持学报 ot|kyl }t|v p uss
张小全 o陈先刚 o武曙红 qussw1 土地利用变化和林业活动碳贮量变化测定和监测中的方法学问题 q生态学报 ouwk|l }usy{ p uszv
≤«¤µ¯¨ ¶× qŠ¤µ·¨±qussu1 ≥²¬¯¦¤µ¥²±¶·²µ¤ª¨ ¥¨ ±¨ ¤·«µ¨¦¨±·¯¼ ¶¨·¤¥¯¬¶«¨ §·µ¨¨³¯¤±·¤·¬²±¶¬± × ±¨±¨ ¶¶¨¨¤±§≥²∏·«≤¤µ²¯¬±¤q˜≥„ q…¬²°¤¶¶…¬²2 ±¨¨ µª¼ ouv }|v
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¤¦¯¤∏° q ussv1 …¬²°¤¶¶¤±§ ¦¤µ¥²± ¶¨ ∏´¨¶·µ¤·¬²± ²© ³²±§¨µ²¶¤ ³¬±¨ ³¯¤±·¤·¬²±¶ ¤±§ ±¤·¬√¨ ¦¼³µ¨¶¶©²µ¨¶·¶¬± ±²µ·«º ¶¨·°¤·¤ª²±¬¤q ƒ²µ¨¶·∞¦²¯²ª¼ ¤±§
¤±¤ª¨ °¨ ±·ot{s }vtz p vvv
 ±¨§«¤° ⁄≥ o≤²±±¨ ¯¯ „ oŠµ²√¨×≥ qussv1 ≤«¤±ª¨ ¬±¶²¬¯¦¤µ¥²±¤©·¨µ¯¤±§¦¯ ¤¨µ¬±ª²µ¤©©²µ¨¶·¤·¬²±¬± «¬ª«¯¼ º ¤¨·«¨µ¨§ ¤¯·¨µ¬·¬¦¤±§¶¤±§¼¶²¬¯¶²©¶²∏·«2º ¶¨·¨µ±
„∏¶·µ¤¯¬¤ „ªµ¬¦q∞¦²¶¼¶·¨° ∞±√¬µ²±°¨ ±·o|x }twv p txy
°¤∏¯ ŽŒo°²¯ª¯¤¶¨ ° o •¬¦«¤µ§¶Š ° qussv1 ≥¨ ±¶¬·¬√¬·¼ ¤±¤¯¼¶¬¶²©³µ¨§¬¦·¨§¦«¤±ª¨ ¬± ¶²¬¯ ¦¤µ¥²±©²¯ ²¯º¬±ª¤©©²µ¨¶·¤·¬²±q∞¦²¯²ª¬¦²§¨¯otyw }tvz p txu
≥³¨¦«·„ o • ¶¨·° • qussv1 ∞¶·¬°¤·¬²± ²©¥¬²°¤¶¶¤±§¶¨ ∏´¨¶·¨µ¨§¦¤µ¥²± ²± ©¤µ° ©²µ¨¶·³¯¤±·¤·¬²±¶¬± ±²µ·«¨µ± ‘¨º ≥²∏·« • ¤¯ ¶¨o „∏¶·µ¤¯¬¤q …¬²°¤¶¶…¬²2
±¨¨ µª¼ouxkwl }vyv p vz|
×∏µ±¨ µo¤°¥¨µ· qusss1 ≤«¤±ª¨ ¬± ²µª¤±¬¦¦¤µ¥²±¬±©²µ¨¶·³¯¤±·¤·¬²± ¶²¬¯¶¬± ¤¨¶·¨µ± „∏¶·µ¤¯¬¤qƒ²µ¨¶·∞¦²¯²ª¼ ¤±§ ¤±¤ª¨ °¨ ±·otvv }uvt p uwz
k责任编辑 于静娴l
wtt 林 业 科 学 wv卷