土壤碳库是陆地上的最大碳库，其细微变化会对大气CO₂浓度产生巨大影响。与易被破坏的地上植被碳库相比，土壤碳库具有更强的稳定性(Thuille et al., 2000)。造林对土壤碳库有很大影响。目前已在生态系统、区域和全球尺度开展了造林固碳研究(Lima, 2006; Mendham et al., 2003; Niu et al., 2006)，相对成熟林而言，中、幼龄林固碳功能研究还较少。我国近些年和未来造林面积很大，中幼林比例会一直较高，所以开展中、幼龄林固碳功能研究对准确评价和定量预测我国森林固碳功能有重要意义。

我国西北广大干旱地区生态环境十分脆弱，是退耕还林等生态建设工程实施的重点地区，也是我国森林面积将继续扩大的主要区域。该区目前已经形成而且未来还将大量增加人工中、幼龄林，它们对土壤碳库将产生怎样的影响？如何通过适宜的造林措施和经营管理减少土壤碳释放和增加土壤净固碳量，是急需解决的问题。本研究探讨造林措施和林龄对宁夏六盘山南部华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林土壤有机碳的影响，以期为当地及相似地区的造林固碳功能评价与造林设计提供依据。

宁夏回族自治区南端的六盘山地处黄土高原的中西部，位于半湿润区向半干旱区的过渡带，森林覆盖率高达65.5%，是泾河、清水河等黄土高原主要河流的发源地，发挥着水资源供给和生态平衡维护等独特而重要的作用。

研究区位于六盘山自然保护区南部香水河小流域(106°12′10.6″—106°16′30.5″E，35°27′22.5″—35°33′29.7″N)。研究区气候、土壤等基本情况见文献(刘延惠等, 2011)。小流域的森林覆盖率高达82.91%，地带性植被为落叶阔叶林和草甸草原，但已破坏殆尽，现存植被主要是经反复破坏后形成的天然次生林，占小流域面积的58.51%，主要树种有白桦(Betula platyphylla)、红桦(Betula albosinensis)、糙皮桦(Betula utilis)、华山松(Pinus armandii)、山杨(Populus davidiana)、少脉椴(Tilia paucicostata)和辽东栎(Quercus liaotungensis)等。小流域内还有不少自20世纪80年代以来多次营造的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林，现处中/幼龄阶段，占小流域面积的24.4%。灌木林占小流域面积的12.01%，主要分布在阳坡、半阳坡和山顶，包括李(Prunus salicina)、峨眉蔷薇(Rosa omeiensis)、灰栒子(Cotoneaster acutifolius)和华北珍珠梅(Sorbaria kirilowii)等。林下草本主要有苔草(Carex)、艾蒿(Artemisia argyi)和东方草莓(Fragaria orientalis)等。由苔草、艾蒿、东方草莓和蠹吾(Ligularia sibirica)等种组成的草地零星分布于沟底。山顶有小面积的草甸分布，面积比例为4.64%。

为比较不同扰动程度的造林活动对林地土壤固碳量的影响，于2009年7—8月在小流域内坡向、海拔、坡位、坡度相似的相邻坡面上选择了3块20 m×20 m样地(表 1)，它们均处于半阳坡。样地A作为对照，为天然多年生李灌木林，样地B和C林龄均为10年，造林前均为天然多年生李灌丛，样地B在原有灌木林内非均匀地稀疏(株行距2 m×2 m以上)造林，而样地C为全面去除灌木并整地后按1.5 m×1.5 m株行距营造的林分，造林均用2年生实生苗。

表 1 样地概况 Tab.1 Survey of sample plots

表 1 样地概况 Tab.1 Survey of sample plots

为比较不同坡向中、幼龄林的固碳功能及它们随造林年数的变化，在小流域内选择了与上述3块样地的海拔、坡位和坡度相似，但坡向或林龄不同的23块样地，加上上述3块样地共26块样地，将它们按坡向和林龄分组(表 1)。研究区植被类型的分布规律为退化灌木林基本上分布于阳坡和半阳坡，而阴坡和半阴坡的退化植被则主要为稀疏的次生林，因而假设造林前的对照植被在阳坡半阳坡为灌木林，在阴坡半阴坡则为次生林。将上述华北落叶松人工林样地按坡向归为阳坡半阳坡组(E)和阴坡半阴坡组(F)，然后分别分析林龄与土壤有机碳的关系。E0，E1和E2分别属阳坡半阳坡的造林前对照植被亚组(灌木林)、10~15年生华北落叶松人工幼龄林亚组和20~25年生华北落叶松人工中龄林亚组，F0，F1和F2则分别属阴坡半阴坡的造林前对照植被亚组(次生林)、10~15年生华北落叶松人工幼龄林亚组和20~25年生华北落叶松人工中龄林亚组。作为阳坡半阳坡的造林前对照植被亚组的灌木林(E0)，优势种为李，伴生少量灰栒子和峨眉蔷薇。作为阴坡半阴坡的造林前对照植被亚组的次生林(F0)，优势种为白桦、红桦，伴生少量的山杨、少脉椴，灌木层主要为忍冬(Lonicera webbiana)、峨眉蔷薇、虎榛子(Ostryopsis davidiana)和秦岭小檗(Berberis circumserrata)等。

在每个样地内，选择代表性样点3个，去除地表枯落物后，用内径8 cm的根钻按0~15，15~30和30~45 cm分层钻取土样。将3个样点的各层土样分层混匀，捡出石砾和植物根系后获得土壤样品。用排水法测定土壤石砾体积含量。土壤样品风干后过2 mm筛备用。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳含量。研究区内土层较薄，且大量研究表明(常宗强等, 2008；吴建国等, 2004；Jobbágy et al., 2000) 0~40 cm土层有机碳含量的波动大，土壤有机碳含量在40 cm以下的变化很小，所以本研究土壤取样深至45 cm。在每个样地内挖1个土壤剖面，按0~15，15~30和30~45 cm分层用环刀取原状土，105 ℃烘至恒质量，测定土壤密度。土壤有机碳密度计算方法为：

式中：SOC_d为土壤有机碳密度(t·hm^-2)；n为土层数；C_i为第i层土壤的有机碳含量(%)；θ_i为第i层土壤密度(g·cm^-3)；D_i为第i层土层厚度(m)；R_i(%)为第i层土壤中直径大于2 mm石砾体积含量百分比。本研究中土壤密度θ_i为已去除石砾体积和质量计算的实测土壤密度，故在计算土壤碳密度时直接采用公式：。

用Excel及SPSS软件整理分析试验数据。

图 1是在半阳坡2种不同造林措施下造林10年后的土壤有机碳含量变化。2种造林措施的0~45 cm平均土壤有机碳含量均比对照灌丛低，其中稀植造林(样地B，31.05 g·kg^-1)较对照灌丛(样地A，35.55 g·kg^-1)下降4.50 g·kg^-1，常规密度造林(样地C，23.17 g·kg^-1)较对照减少12.38 g·kg^-1，其降幅为稀植造林降幅的2.75倍。

图 1 各样地不同土层土壤有机碳含量 Fig.1 Soil organic carbon content in various soil layers of sample plots

2种造林措施下，土壤有机碳含量受造林扰动的影响程度基本随土层加深而衰减。表层土壤对环境变化最敏感，受造林整地干扰最强且易发生水土流失，因此土壤有机碳含量降幅最大的是0~15 cm层，造林10年后，稀植造林样地B(33.62 g·kg^-1)和常规造林样地C(29.74 g·kg^-1)分别比对照样地A(46.25 g·kg^-1)下降12.62和16.51 g·kg^-1；对于中层(15~30 cm)土壤有机碳含量，常规造林(20.73 g·kg^-1)比对照(31.46 g·kg^-1)下降10.74 g·kg^-1，而稀植造林(32.73 g·kg^-1)反而略有增加，表明在造林扰动弱的情况下该土层有机碳含量变化较小，甚至会出现输入量大于分解释放量的情况，而强扰动的全面整地后常规密度造林对该土层的影响仍很明显；当土壤深度增至30~45 cm，外界环境影响进一步减弱，稀植造林样地B(26.79 g·kg^-1)和常规造林样地C(19.03 g·kg^-1)的土壤有机碳含量比对照样地A(28.93 g·kg^-1)分别下降2.14和9.91 g·kg^-1。

造林扰动强的常规造林样地C各土层有机碳含量均明显低于扰动弱的稀植造林样地B：表层(0~15 cm)差异最小(相差3.88 g·kg^-1)；下层(30~45 cm)差异较大(7.77 g·kg^-1)；中层(15~30 cm)差异最大(12.00 g·kg^-1)，土壤有机碳含量对造林整地扰动强度的响应最敏感。

图 2表明，土壤有机碳密度存在明显的林龄变化，且不同坡向间差异很大。阳坡半阳坡林地表现为：造林10余年的幼林样地(E1)土壤碳密度(96.33 t·hm^-2)比对照样地(122.12 t·hm^-2)低了25.79 t·hm^-2；造林20余年后的中龄林样地(E2)土壤碳密度(189.27 t·hm^-2)比对照样地(E0)增加了67.15 t·hm^-2。阴坡半阴坡林地表现为：造林10余年后的幼林样地(F1)土壤碳密度(192.37 t·hm^-2)较作为对照的次生林样地(F0，256.64 t·hm^-2)降低了64.28 t·hm^-2；造林20余年后的中龄林样地(F2)土壤碳密度(222.03 t·hm^-2)比对照样地F0降低了34.61 t·hm^-2。总体来看，无论阳坡还是阴坡，在造林10余年的土壤碳密度都比对照低，在造林20余年后，阳坡土壤碳密度已恢复并高于未造林的灌丛水平，表明其固碳能力恢复期为10~20年；阴坡土壤碳密度虽然比阳坡恢复速度快，但因造林前有较高的土壤碳密度背景值，而仍未恢复到造林前的次生林水平，表明其固碳能力的恢复期高于阳坡且在20年以上。

图 2 坡向与林龄对土壤碳密度的影响 Fig.2 Influence of slope aspect and forest age on soil carbon density

由图 2还可看出，在林龄相同时，阴坡半阴坡立地的土壤碳密度均明显高于阳坡半阳坡立地：在幼龄林阶段，阴坡半阴坡样地的土壤碳密度(192.36 t·hm^-2)是阳坡半阳坡(96.33 t·hm^-2)的2倍多；在中龄林阶段，阴坡半阴坡样地的土壤碳密度(222.03 t·hm^-2)比阳坡半阳坡(189.27 t·hm^-2)高出32.76 t·hm^-2。

因样地数量有限，将现有样地归并为阳坡半阳坡、阴坡半阴坡2组，分析坡向相近的华北落叶松人工林0~45 cm土层土壤有机碳含量随造林年数变化的数量关系(图 3)。结果表明，2个坡向组的华北落叶松林地土壤有机碳含量均随造林年数延长，经历一个先下降再回升的过程。在造林初期，土壤有机碳输入增加小于分解释放，表现为净输出；有机碳含量在某一年降至最低水平，此时为土壤有机碳由净输出转为净积累的转折点；尔后土壤有机碳含量逐年回升，呈现土壤有机碳的净积累或净输入。

图 3 0~45 cm土层有机碳平均含量随造林时间的变化 Fig.3 Variation of mean soil organic carbon content in the 0-45 cm soil layer with increasing forestation time

阳坡半阳坡林地0~45 cm土层的平均土壤有机碳含量在造林初期降幅较小，因而恢复期短，造林20年左右就已恢复且超过对照灌木林的水平。阴坡半阴坡林地土壤有机碳含量在造林后降幅高于阳坡半阳坡，因而恢复时间较长。

表 2给出了2个坡向组0~45 cm土层土壤有机碳含量与造林年数的回归关系式，表 3是依据这些关系式计算得到的造林后土壤有机碳含量降至最低点的对应时间及恢复至造林前水平所需时间。

表 2 土壤有机碳含量与造林年数的回归关系 Tab.2 Regression equations of soil organic carbon content with the plantation years

表 2 土壤有机碳含量与造林年数的回归关系 Tab.2 Regression equations of soil organic carbon content with the plantation years

表 3 人工造林后的土壤有机碳含量变化特征 Tab.3 Features of the change of soil organic carbon content after plantation

表 3 人工造林后的土壤有机碳含量变化特征 Tab.3 Features of the change of soil organic carbon content after plantation

从图 4和5可以看出，在阴坡和阳坡各土层有机碳含量均呈非平行变化。在阳坡半阳坡，土壤有机碳含量对环境变化的敏感程度随土层增加而减弱。造林初期，表层土壤有机碳含量下降最快且降幅最大，土壤有机碳含量的最大降幅随土深增加而显著减少，出现最大降幅和恢复到对照水平所需时间也随土层加深而缩短。基于表 3中回归关系式的计算，阳坡半阳坡立地上0~15，15~30，30~45和0~45 cm土层的有机碳含量降到最低的时间点分别为造林后第10，8，3和8年，较之于造林前，其绝对降幅分别为8.15，3.67，0.39和3.72 g·kg^-1，下降比例分别为19.10%，11.81%，1.71%和11.56%；土壤有机碳含量恢复到造林前水平分别需要20，16，7和16年。在阴坡半阴坡，基于表 3中回归关系式的计算，和造林前相比，0~15，15~30，30~45和0~45 cm土层有机碳含量的绝对降幅分别为25.53，25.60，17.40和22.77 g·kg^-1，下降比例分别为32.45%，38.13%，32.77%和34.34%；阴坡半阴坡林地0~15，15~30，30~45和0~45 cm各土层的有机碳含量降至最低的时间点分别为造林后的第16，15，18和16年，土壤有机碳含量恢复到对照水平分别需要32，31，36和32年，各层土壤有机碳含量以15~30 cm土层的下降和恢复速度最快，0~15 cm土层次之，30~45 cm土层最慢。

图 4 阳坡半阳坡华北落叶松林地各土层土壤有机碳含量随造林时间的变化 Fig.4 Change of soil organic carbon content in vaious soil layer of Larix principis-rupprechtii stand with increasing planstation time on the sunny/semi-sunny slope

图 5 阴坡半阴坡华北落叶松林地各土层土壤有机碳含量随造林时间的变化 Fig.5 Change of soil organic carbon content in each soil layer of Larix principis-rupprechtii stand with increasing plantation time on the shady/semi-shady slope

在六盘山南部营造华北落叶松人工林后，不论任何坡向，土壤有机碳含量均呈现先下降后上升的变化过程，这是由造林干扰导致的土壤有机碳损失过程和植被生长带来的土壤有机碳增加过程造成的。各土层有机碳含量将在造林后某年出现最低点，其降幅基本随土层加深而减小。计算表明，造林后0~45 cm土层的有机碳含量在阳坡半阳坡的最大降幅为3.72 g·kg^-1，对应出现时间为造林后第8年；阴坡半阴坡的最大降幅为22.77 g·kg^-1，对应出现时间为造林后第16年。

在阳坡半阳坡，造林10年后的华北落叶松幼龄林0~45 cm土层的有机碳密度(96.33 t·hm^-2)仍低于对照灌丛(122.12 t·hm^-2)，而造林20年后的中龄林(189.27 t·hm^-2)已高于幼龄林和灌丛，表明土壤碳库已得到恢复。在阴坡半阴坡，幼龄林和中龄林0~45 cm土层的土壤碳密度分别为192.37和222.03 t·hm^-2，均低于对照天然次生林(256.64 t·hm^-2)，表明造林20年后土壤碳库仍未恢复。按本研究计算结果，阳坡半阳坡林地0~45 cm土层土壤有机碳恢复到造林前水平约需16年(灌木林对照)，阴坡半阴坡林地约需32年(天然次生林对照)。

在评价和预测人工林固碳作用时，必须考虑林龄和立地的影响。不同的立地具有不同的土壤碳库背景值，同时其植物生长速率及碳库变化速率也有差异，这导致了阴坡造林后的土壤有机碳损失量大于阳坡，下降阶段长于阳坡，恢复速度慢于阳坡；但阴坡的土壤有机碳含量绝对值在任何林龄阶段都高于阳坡，说明立地条件好的阴坡森林土壤碳储存能力高于干旱阳坡。

整地造林时的较少扰动会减少土壤有机碳损失。如在阳坡半阳坡灌丛采用扰动较弱的稀植造林时，造林10年后0~45 cm土层的平均土壤有机碳含量为31.05 g·kg^-1，虽然还低于对照灌木林(35.55 g·kg^-1)，但却远远高于扰动较强的全面整地后的常规密度造林(23.17 g·kg^-1)。这说明，寻找有利于减少中幼林时期林地土壤碳损失的合理造林与经营技术，是增强人工林固碳作用的有效途径，也是未来的研究方向。

多数研究表明，造林后的土壤碳含量变化呈现出先下降、再上升的趋势(史军等，2005)，但土壤碳损失的数量、持续时间和所需恢复时间因气候、造林模式和造林树种不同而异(Paul et al., 2002；王春梅等，2007；张新厚等，2009；栾军伟，2007；吴志祥等，2009)。

本研究在相对温暖湿润的六盘山南部调查华北落叶松人工林0~45 cm土层的平均有机碳含量，无论是阳坡还是阴坡、幼林龄与中龄林，均高于吴建国等(2002)在六盘山北部半干旱区调查的华北落叶松人工林0~40 cm土层的平均有机碳含量(13年生21.70 g·kg^-1；18年生13.78 g·kg^-1；25年生19.71 g·kg^-1)，表明良好立地上生长的森林具有更高的土壤固碳能力和土壤碳库恢复速度。本研究还表明，造林后土壤有机碳的损失速度、最大损失量和对应时间、恢复年数等存在着坡向差异，这和坡向导致的温度湿度差异有很大关系。许多研究的结果不一致，一个重要原因可能就是忽视了立地环境的影响。造林整地时的土壤扰动程度对土壤有机碳的影响也是一个重要因素，在类似于六盘山的西北干旱地区山地造林或经营森林时，应充分考虑并利用立地环境及干扰程度对土壤碳变化的影响差异，寻找合理的造林和经营管护措施，在发挥森林其他主要功能的同时提高其固碳功能。

由于本研究不是在造林后就开展的固定样地多年连续监测，而是对有限林龄范围内样地的调查，所以还不能很好地回答很多过程和机理问题，如不同造林方式对土壤有机碳的影响会持续多久？在华北落叶松造林20年以上的更长时间里土壤有机碳如何随群落结构和生产力的变化而变化？等等。这些还有待深入和连续研究。