鄂尔多斯高原水土保持林碳密度分配格局及其影响因素

Distribution pattern of carbon density and its influencing factors in soil and water conservation forests on Ordos Plateau

摘要

目的 探究鄂尔多斯高原水土保持林碳密度及其分布规律，为该地区水土保持林碳汇经营管理与科学规划提供依据。 方法 以鄂尔多斯市水土保持林山杏（Prunus sibirica）林、油松（Pinus tabulaeformis）林和山杏-油松混交林为研究对象，通过野外调查与试验相结合的方法，综合探究不同水土保持林生态系统碳密度分布特征及其影响因素。 结果 （1） 3种水土保持林生态系统碳密度依次为山杏林（60.99 t/hm²）>油松林（47.09 t/hm²）>山杏-油松混交林（44.30 t/hm²）>撂荒地（27.43 t/hm²），较撂荒地分别增加122.33%，71.64%和61.47%（p<0.05）。（2） 3种水土保持林生态系统各组分碳密度依次为土壤层>乔木层>凋落物层>草本层，土壤层碳密度所占比例最高，占生态系统碳密度的92.64%~94.59%。（3） 3种水土保持林乔木层各组分碳密度依次为树干>根系>枝条>叶。其中，树干和根系分别占整个乔木层的40.41%~60.61%和26.04%~37.74%。（4） 相关关系分析发现，生态系统、乔木层、草本层和土壤层碳密度均与土壤含水量（SWC）、氨态氮（AN）极显著正相关（p<0.01），与pH和硝态氮（NN）显著负相关（p<0.05）。（5）冗余分析发现，氨态氮（AN）、硝态氮（NN）、全氮（TN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）是影响水土保持林碳密度的关键因子。 结论 在营造水土保持林的过程中，选择山杏更有利于生态系统有机碳固存和积累，并在造林过程中需要对水土保持林施加氮肥。

Abstract

Objective To explore the carbon density and its distribution pattern of the soil and water conservation forests on the Ordos Plateau， thereby providing a basis for carbon sink management and scientific planning in this area. Methods The soil and water conservation forests consisting of Prunus sibirica forest， Pinus tabulaeformis forest， and Prunus sibirica-Pinus tabulaeformis mixed forest in Ordos City were selected as the research objects. Through the combination of field investigation and experiment， the carbon density distribution characteristics and influencing factors of different soil and water conservation forest ecosystems were comprehensively explored. Results （1） The ecosystem carbon densities ranked as follows： Prunus sibirica forests （60.99 t/hm²） > Pinus tabulaeformis forests （47.09 t/hm²） > Prunus sibirica-Pinus tabulaeformis mixed forests （44.30 t/hm²） > abandoned land （27.43 t/hm²）. Compared to abandoned land， carbon densities of planted forests increased by 122.33%， 71.64%， and 61.47%， respectively （p<0.05）. （2） The carbon densities of the components of the three types of soil and water conservation forest ecosystems were in the following order： soil layer > tree layer > litter layer > herbaceous layer. The proportion of carbon density in the soil layer was the highest， accounting for 92.64% to 94.59% of the ecosystem carbon density. （3） The carbon densities of the components of the tree layer in the three types of soil and water conservation forests were in the following order： trunk > root > branch > leaf. Among them， the trunk and root accounted for 40.41% to 60.61% and 26.04% to 37.74% of the entire tree layer， respectively. （4） Correlation analysis revealed that the carbon densities of the ecosystem， tree layer， herbaceous layer， and soil layer were all highly significantly positively correlated with soil water content （SWC） and ammonium nitrogen （AN） （p<0.01）， and significantly negatively correlated with pH and nitrate nitrogen （NN） （p<0.05）. （5） Redundancy analysis showed that ammonium nitrogen （AN）， nitrate nitrogen （NN）， total nitrogen （TN）， available phosphorus （AP）， and available potassium （AK） were the key factors influencing the carbon density of soil and water conservation forests. Conclusion In establishing soil and water conservation forests， selecting Prunus sibirica is more conducive to the sequestration and accumulation of organic carbon in the ecosystem. Additionally， nitrogen fertilizer needs to be applied to the soil and water conservation forests during the afforestation process.

Graphical abstract

关键词

碳密度 / 空间分配格局 / 树种类型 / 水土保持林 / 鄂尔多斯高原

Key words

carbon density / spatial distribution pattern / tree species type / soil and water conservation forest / Ordos Plateau

全球气候变化是21世纪人类面临的重大挑战之一，其中CO₂等温室气体排放增加是引发这一问题的关键因素^［1-2］。森林作为陆地生态系统最大的碳库，在调节碳平衡、减缓气候变化方面具有举足轻重的作用^［3］。因此，系统地探讨森林生态系统碳密度及其分配格局，对于精确评估森林碳汇能力、制定科学有效的森林管理措施具有重要价值。鄂尔多斯高原位于我国北方半干旱地区，生态环境脆弱，水土流失以及土地荒漠化问题严重。为了改善生态环境，控制水土流失，自20世纪50年代以来当地政府开展了大规模的水土保持林建设，形成了以人工林为主体的森林生态系统^［4］。经过数十年的努力，鄂尔多斯高原水土保持林已形成一定规模，水土保持林的存在不仅起到了防风固沙、保持水土的作用，还极大改善了当地的生态环境^［5］。这些水土保持林在发挥生态效益的同时，也积累了大量的生物量碳，成为区域碳汇的重要组成部分。

水土保持林作为陆地生态系统碳汇功能的重要载体，在应对全球气候变化和推进生态修复中具有不可替代的作用。其碳密度特征直接反映了林分固碳效率与生态服务功能，而碳密度的空间分异与动态变化受多重环境因子的综合调控。近些年，国内外学者对水土保持林碳密度进行了大量探索。唐志明^［6］和梁爱华^［7］等对水土流失地区生物量积累速率和碳含量进行研究，发现不同树种的碳密度存在显著差异。孙雷^［8］、马炜^［9］、包雪源 ^［10］等对不同地区水土保持林研究发现，林龄是影响水土保持林碳密度的重要因素，林龄与森林生物量、碳密度呈正相关关系。然而，当森林达到成熟阶段后，碳密度增加速率减缓，并趋于稳定。张建军等^［11］研究发现立地条件是影响水土保持林碳密度的另一个重要因素。立地条件包括土壤类型、地形地貌、水分条件等，这些因素直接影响森林植被的生长状况和生物量积累。例如土壤肥沃、水分充足的地段，森林植被生长旺盛，生物量积累较快，碳密度较高；而土壤贫瘠、水分匮乏的地段，森林植被生长受限，生物量积累较慢，碳密度较低。梁爱华 ^［7］和Gates ^［12］等研究发现气候因素也对水土保持林碳密度产生重要影响。温度和降水是影响森林植被生长的主要气候因素。适宜的温度和充足的降水有利于森林植被的生长和生物量积累，从而提高碳密度；而极端气候事件，如干旱、洪涝等，则会对森林植被造成不利影响，降低碳密度。通过上述研究发现，水土保持林碳密度受到多种生态因子制约，然而，树种类型也是影响水土保持碳密度的重要因素，由于不同树种类型的生物量和含碳率或同一树种类型不同器官含碳率也不尽相同，这对水土保持林碳储量估算产生重大影响。

基于此，本研究以鄂尔多斯高原水土保持林（山杏林、油松林和山杏油松混交林）为研究对象，采用野外调查与室内试验相结合的方法，测定各水土保持林生态系统不同组分生物量、碳密度，并分析其空间分布格局及其关键影响因子。以期为准确评估鄂尔多斯高原水土保持林生态系统碳汇功能，制定科学合理的生态恢复和管理策略提供重要参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本研究选择在内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗合同沟（110°01′59″N，40°02′49″E）进行，研究区属典型的半干旱温带大陆性气候。1月平均气温为-17.4 ℃，7月平均气温为33.5 ℃，冬寒夏热，昼夜温差大，年均日照时数约3 000 h，年均气温6.1~7.1 ℃，无霜期135~150 d。年平均降水量310.3 mm，集中于7—9月。土壤类型为栗钙土。研究区小灌木与草本植物居多，主要有柠条（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、百里香（Thymus mongolicus）、本氏针茅（Stipa capillata）、羊草（Leymus chinensis）、油蒿（Artemisia ordosica）和沙蓬（Agriophyllum pungens）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

本研究样地选于鄂尔多斯市达拉特旗合同沟内，该地区造林前植被稀疏、沟壑纵横，水土流失现象严重，为遏制水土流失，该地区2008年开始营造水土保持人工林。2023年7月研究团队对当地具有代表性的水土保持林（油松林、山杏林、油松—山杏混交林）开展样地调查，并分别设置3个20 m×20 m样方，并对样方内所有树种胸径、冠幅、树高等指标进行测定（表1）。利用五点法在每个样方内设置5个1 m×1 m草本样方和3个0.25 m×0.25 m凋落物样方。

1.2.2 样品采集

在每个样方内选定3株标准株，分别收集其树干、枝条、树叶和根系，采用全挖法收集不同土层深度根系，直至挖尽为止；草本层采用全挖法收集其地上部分和根系；采用收获法收集凋落物；将全部样品测量鲜重并带回实验室置于烘箱中（80 ℃）烘干至恒重，称其干重，计算生物量。用环刀法分别采集0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土壤样品，带回实验室经自然风干后用于土壤样品测定。

1.2.3 样品测定与计算

将乔木层、草本层和凋落物层所采集的样品在105 ℃干燥箱内杀青30 min后调至65 ℃烘干至恒重，获得生物量。乔木层、草本层、枯落物层和土壤含碳率采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤含水率采用烘干称量法测定；土壤容重、孔隙度采用环刀法测定；土壤pH值采用pH测试仪测定；土壤电导率用电位计法测定；土壤含水率采用烘干称量法测定；土壤容重、孔隙度采用环刀法测定；全氮采用半微量凯式定氮法测定；全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融测定；土壤速效磷采用全自动化学分析仪测定；土壤速效钾采用火焰分光光度计测定；铵态氮采用氯化钾提取后，通过靛酚蓝比色法测定；土壤硝态氮采用氯化钙溶液浸提后测定^［13］。

（1） 乔木层生物量（t/hm²）的计算。确定具体调查的样地后，每块样地设置为20 m×20 m，调查出每块样地的乔木数，根据求得标准木的生物量，进而计算得到单位面积灌木林的生物量。

（2） 草本层和调落物层生物量（t/hm²）的计算。草本层和调落物层在取样时样方分别设计为1 m×1 m和0.25 m×0.25 m，折算后计算分别求得单位面积草本层和调落物层的生物量。

（3） 乔木层、草本层和调落物层碳密度的计算。乔木层、草本层和调落物层碳密度由生物量乘以所测含碳率求得。

其中，土壤碳密度使用以下公式计算^［14］：

\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{D}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\frac{D_i\times \mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{O}i\times Hi\times (\mathrm{1}-Gi)}{\mathrm{10}}⑴

式中：SOCD是土壤碳密度（t/hm²）；SOC _i 是土壤有机碳含量（g/kg）；D_i 是土壤容重（g/cm³）；H_i 是土层深度（m）；G_i 是>2 mm的砾石质量含量（%）。本研究>2 mm的砾石含量为0。

生态系统碳密度使用以下公式计算：

E=S_{\mathrm{1}}+H+L+S_{\mathrm{2}}⑵

式中：E是生态系统碳密度；S₁是灌木层碳密度；H是草本层碳密度；L是凋落物层碳密度；S₂是土壤层碳密度。

1.2.4 数据处理

运用SPSS 26.0对数据进行方差分析，运用Canoco 5.0对数据进行冗余分析，运用Origin 2024进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同林分生态系统各组分碳密度及其分配

2.1.1 人工林生态系统碳密度

由图1可知，3种水土保持林生态系统碳密度依次为山杏林（60.99 t/hm²）>油松林（47.09 t/hm²）>山杏-油松混交林（44.30 t/hm²）>撂荒地（27.43 t/hm²），山杏林、油松林和山杏-油松混交林生态系统碳密度较撂荒地分别增加122.33%，71.64%和61.47%，且各林分生态系统碳密度存在显著差异（p<0.05）。3种水土保持林生态系统各组分碳密度依次为土壤层>乔木层>凋落物层>草本层，土壤层碳密度比例最高，占92.64%~94.59%。

2.1.2 乔木层碳密度

由图2可知，3种水土保持林乔木层碳密度依次为山杏林（1.86 t/hm²）>山杏-油松混交林（1.39 t/hm²）>油松林（1.11 t/hm²），且3种水土保持林乔木层各组分碳密度依次为树干>根系>枝条>叶（p<0.05）。其中，树干碳密度占整个乔木层的40.41%~60.61%，根系占整个乔木层的26.04%~37.74%。

由图3可知，不同水土保持林草本层碳密度依次为山杏林（0.85 t/hm²）>山杏-油松混交林（0.64 t/hm²）>油松林（0.57 t/hm²）>撂荒地（0.35 t/hm²），且山杏林、山杏-油松混交林和油松林草本层分别是撂荒地的2.42倍、1.62倍和1.82倍（p<0.05）。撂荒地和油松草本层碳密度主要集中在地上部分，而山杏林、山杏-油松混交林草本层主要碳密度主要集中在地下部分。就草本层地上部分而言，山杏林、山杏-油松混交林和油松林草本层分别是撂荒地的0.89倍、1.21倍、0.42倍（p<0.05）；就草本层地下部分而言，山杏林、山杏-油松混交林和油松林草本层分别是撂荒地的6.11倍、2.60倍、5.17倍（p<0.05）。

2.1.3 凋落物层碳密度

由图4可知，不同水土保持林凋落物层碳密度依次为山杏林（1.77 t/hm²）>撂荒地（1.54 t/hm²）>油松林（1.20 t/hm²）>山杏-油松混交林（0.84 t/hm²）（p<0.05）。与撂荒地相比，山杏林地凋落物层碳密度增加15.00%（p<0.05），油松林、山杏-油松混交林凋落物层碳密度减少32.38%和29.58%（p>0.05）。

2.1.4 土壤层碳密度

由图5可知，山杏林、山杏-油松混交林、油松林土壤层碳密度较撂荒地分别增加121.25%，62.14%和74.37%（p<0.05），说明人工建植水土保持林后，土壤层碳密度有了较大提高。但是，不同深度土壤层碳密度其增加速率不同；在0—10 cm土层深度，山杏林、山杏-油松混交林、油松林土壤层碳密度较撂荒地分别增加52.19%，43.09%和102.25%（p<0.05）；在10—20 cm土层深度，山杏林、山杏-油松混交林、油松林土壤层碳密度较撂荒地分别增加138.55%，-6.67%和10.04%（p<0.05）；在20—40 cm土层深度，山杏林、山杏-油松混交林、油松林土壤层碳密度较撂荒地分别增加59.97%，88.57%和-52.77%（p<0.05）；在40—60 cm土层深度，山杏林、山杏-油松混交林、油松林土壤层碳密度较撂荒地分别增加246.34%，102.26%和276.32%（p<0.05）。

2.2 人工林生物量与理化性质的相关关系

由图6可知，生态系统碳密度（Ecosystem Carbon Density， ECD）与土壤含水量（Soil Water Content， SWC）和氨态氮（Ammonium Nitrogen， AN）呈极显著正相关（p<0.01），与全氮（Total Nitrogen， TN）呈显著正相关，与pH、硝态氮（Nitrate Nitrogen， NN）呈显著负相关（p<0.05）；乔木层碳密度（Tree Carbon， TC）与SWC和AN呈极显著正相关，与NN呈极显著负相关（p<0.01），与pH呈显著负相关（p<0.05）；草本层碳密度（Herbaceous Carbon， HC）与SWC和AN呈极显著正相关（p<0.01），与pH和NN呈显著负相关（p<0.05）；凋落物层碳密度（Litter Carbon， LC）与有机质（Soil Organic Matter， SOM）和全氮（TN）呈显著正相关（p<0.05）；土壤层碳密度（Soil Organic Carbon， SOC）与SWC和AN呈极显著正相关（p<0.01），与pH和NN呈显著负相关（p<0.05）。ECD， TC， HC和LC与土壤容重（Bulk Density， BD）、全磷（Total Phosphorus， TK）、全钾（Total Potassium， TP）、速效磷（Available Phosphorus， AP）、速效钾（Available Potassium， AK）无相关性（p<0.05）。

由图7可知，对3种水土保持林碳密度和理化性质进行冗余分析发现，轴1和轴2解释量分别为71.64%和20.50%，总解释量为92.14%，说明能够充分解释水土保持林碳密度与土壤理化性质之间的相关关系。ECD，TC，HC和SOC均与氨态氮（AN）、SWC和TN呈正相关，与pH和NN呈负相关。

由表2可知，通过蒙特卡罗置换检验（Monte-Carlo Permutation Test）表明，AN对水土保持林碳密度的解释程度最高（54.70%），其次是NN（18.10%）、TN（13.50%）、AP（5.90%）和AK（4.60%），且影响程度达到极显著（p<0.01）或显著（p<0.05）水平，其他环境因子对碳密度的解释量均小于1%，且影响程度不显著（p>0.05）。

3 讨 论

陆地碳循环研究一直备受关注，而森林生态系统是陆地碳循环研究的重要组成部分，碳储量水平和固碳潜力的研究是掌握碳循环机制和制定减排政策的根本。本研究中，山杏林、油松林和山杏-油松混交林生态系统碳密度分别为60.99 t/hm²，47.09 t/hm²，44.30 t/hm²，均高于撂荒地生态系统碳密度（27.43 t/hm²），该研究结果与郭玉伟^［15］、李平^［16］等得出种植人工林的生态系统碳密度均大于撂荒地的结果一致。乔木层碳密度表现为山杏林（1.86 t/hm²）>山杏-油松混交林（1.39 t/hm²）>油松林（1.11 t/hm²），与邢尚军^［17］和许小明 ^［18］分别对太行山区典型水土保持林、黄河三角洲人工林和东秦岭地区典型恢复植被类型得出的结论一致。此外，山杏林、油松林和山杏-油松混交林土壤碳密度较撂荒地分别增加121.25%，62.14%和74.37%（p<0.05），与Hu等^［19］和Wang ^［20］ 等研究不同树种土壤固碳能力存在差异的结果一致，其原因是植物群落在土壤碳积累过程中起着优势作用^［21］，树种通过调节碳输入（凋落物和根际沉积）和碳输出（呼吸和淋溶）影响土壤碳的积累与分布^［22］。

同时，本研究发现土壤碳密度随着土层深度增加而增加，与王冰怡^［23］、舒洋^［24］、顾宇晨^［25］和沈会涛^［26］等对土壤表层富集效应的研究结果相悖，这些研究表明土壤碳密度随土层深度增加而降低。其原因有二，其一，水土流失区表层土壤易发生风蚀与水蚀，导致表层土壤中的粉粒和黏粒含量锐减，土壤有机质含量减少，进而导致土壤表层碳密度减少，导致深层土壤碳密度高于表层土壤；其二，植物根系向深层土壤输送有机质时，根系残体分解速率较慢，与矿物质结合形成稳定的有机-无机复合体所造成的结果，亦可能是根系死亡后转化为土壤有机碳造成的结果。

本研究发现土壤氨态氮、硝态氮、全氮、速效钾和速效磷是影响人工林碳密度的主要因子。土壤氮、磷、钾可作为土壤养分的表征之一，阐述土壤碳密度和土壤养分之间的关系^［27］。土壤养分通过影响微生物活性、植被生长及有机质分解速率，进而影响人工林碳密度^［28］。氮是植物生长必需的重要营养元素，直接影响植物的生理活动和竞争能力，会刺激树木的生长，增强森林净初级生产力，提高碳固存。氮也是叶绿素的主要成分，植物的光合能力与氮含量密切相关，氮添加会促进叶绿素的合成，提高树木的光合速率，进而促进树木生长，氮含量的变化还可以影响微生物的群落结构和活性，进而影响有机碳转化效率。这与本研究中氮对人工林碳密度影响显著的结果一致。速效钾会影响土壤中微生物的生长和活动，改变有机物质的分解和稳定过程，速效磷调控了限磷土壤中土壤微生物活性和丰度的动态，从而影响了人工林碳密度^［29-30］。钾和磷还是植物光合作用、能量转化、核酸合成所需的元素，在水土流失地区中，钾和磷均是影响植被生长的主要因素。

4 结 论

（1） 在水土流失区建植水土保持林有利于森林碳汇。各水土保持林中，山杏林生态系统碳密度（60.99 t/hm²）>油松林（47.09 t/hm²）>山杏-油松混交林（44.30 t/hm²），造林后生态系统碳密度较撂荒地分别增加122.33%，71.64%和61.47%（p<0.05）。

（2） 水土保持林生态系统碳密度各组分碳密度依次为土壤层>乔木层>凋落物层>草本层，土壤层碳密度所占比例最高，占生态系统碳密度的92.64%~94.59%。

（3） 3种水土保持林乔木层各组分碳密度依次为树干>根系>枝条>叶。其中，树干和根系分别占整个乔木层的40.41%~60.61%和26.04%~37.74%。

（4） 相关关系分析发现，生态系统、乔木层、草本层和土壤层碳密度均与土壤含水量（SWC）、氨态氮（AN）极显著正相关（p<0.01），与pH和硝态氮（NN）显著负相关（p<0.05）

（5） 冗余分析发现，AN、NN、TN、AP和AK是影响水土保持林碳密度的关键因子。该地区在后期营造水土保持林的过程中，选择山杏更有利于土壤有机碳固存和积累以及区域碳汇效益。造林过程中还需要对林内施加氮肥。

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基金资助

内蒙古自治区科技兴蒙行动重点专项(2022EEDSKJXM003)

内蒙古科技创新揭榜挂帅项目(2024LKY-TH01)