基于扣除根系体积新方法的秦岭辛家山2种林分土壤有机碳密度特征

DOI: 10.11707/j.1001-7488.20190616

文章信息

王志康, 许晨阳, 耿增超, 刘莉丽, 侯琳, 杜璨, 王强, 吕东唯.

Wang Zhikang, Xu Chenyang, Geng Zengchao, Liu Lili, Hou Lin, Du Can, Wang Qiang, Lü Dongwei.

Characteristics of Soil Organic Carbon Density in Two Stands of Xinjiashan in Qinling Mountains Based on a New Method of Deducting Root Volume

林业科学, 2019, 55(6): 133-141.

Scientia Silvae Sinicae, 2019, 55(6): 133-141.

DOI: 10.11707/j.1001-7488.20190616

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收稿日期：2017-09-01

修回日期：2019-05-09

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王志康

许晨阳

耿增超

刘莉丽

侯琳

杜璨

王强

吕东唯

引用本文

王志康, 许晨阳, 耿增超, 刘莉丽, 侯琳, 杜璨, 王强, 吕东唯. 2019. 基于扣除根系体积新方法的秦岭辛家山2种林分土壤有机碳密度特征. 林业科学, 55(6): 133-141.

Wang Zhikang, Xu Chenyang, Geng Zengchao, Liu Lili, Hou Lin, Du Can, Wang Qiang, Lü Dongwei. 2019. Characteristics of Soil Organic Carbon Density in Two Stands of Xinjiashan in Qinling Mountains Based on a New Method of Deducting Root Volume. Scientia Silvae Sinicae, 55(6): 133-141. DOI: 10.11707/j.1001-7488.20190616

基于扣除根系体积新方法的秦岭辛家山2种林分土壤有机碳密度特征

王志康¹, 许晨阳^1,2, 耿增超^1,2, 刘莉丽³, 侯琳³, 杜璨¹, 王强¹, 吕东唯¹

1. 西北农林科技大学资源环境学院农业部西北植物营养与农业环境重点实验室杨凌 712100;
2. 农业部农业环境重点实验室北京 100081;
3. 西北农林科技大学林学院杨凌 712100

收稿日期：2017-09-01; 修回日期：2019-05-09

基金项目：国家林业公益性行业科研专项（201304307）；农业部农业环境重点实验室开放基金（K4030217149）

通讯作者：耿增超

摘要：【目的】比较秦岭辛家山林场云杉和红桦天然林土壤有机碳密度的估算结果，检验新方法通过扣除根系体积而提高的估算精度。【方法】分别估算矿质土层（表土层、心土层和底土层）和有机土层（凋落物的未/半分解层和完全分解层）的有机碳密度。在现有方法的基础上通过扣除林木根系体积含量来提高矿质土层有机碳密度的估算精度。各层林木根系体积含量的估算方法为：首先，使用前人提出的回归方程估算出单株林木根系生物量，乘以林木生长密度得到单位面积林地的根系总生物量；其次，通过采集部分根系样品测定其生物量和体积，并计算出根系样本的密度以代表整体根系的密度；然后，通过单位面积林地的根系总生物量除以根系的密度计算出单位面积林地的根系总体积；最后，利用前人研究得出的根系沿深度的分布规律，将单位面积根系总体积分配到各土层，计算出根系体积含量。对有机土层有机碳密度的估算，使用林木平均地径估算林木根基部所占面积，将有机土层中含有的林木体积扣除。此外，由于有机土层的各组分分布极不均匀，本研究依据来源器官和物理形态对凋落物（有机土层）中的不同成分进行了细致的分组，分别测定各组分的有机碳密度。【结果】云杉林表土层、心土层和底土层的厚度分别为19.10、14.20和31.03 cm，红桦林则分别为18.57、15.13和28.13 cm；云杉林表土层、心土层和底土层的有机碳含量分别为（44.56±3.72）、（25.63±1.77）和（10.79±2.28）g·kg^-1，红桦林的分别为（34.11±5.46）、（19.06±4.95）和（11.02±3.86）g·kg^-1；2种林分有机土层各组分有机碳含量差异显著（P < 0.05），凋落物中枝条、根系、云杉球果和苔藓的有机碳含量均大于600 g·kg^-1，叶片次之，云杉林和红桦林分别为（458.90±46.81）和（420.72±55.66）g·kg^-1，其余难以分辨的细颗粒含量最低均小于300 g·kg^-1；在矿质土层，云杉林各层每公顷根系体积（及体积比例）分别为表土层66.81（3.5%）、心土层20.69（1.5%）以及底土层9.18（0.3%）m³，红桦林则分别为50.57（2.7%）、31.75（2.1%）和17.22（0.6%）m³；使用改进公式估算的云杉林矿质土层有机碳密度为16.58 kg·m^-2，有机土层有机碳密度为4.26 kg·m^-2，完全分解层和半分解层分别占84%和16%，矿质土层和有机土层有机碳密度分别较原方法降低2.13%和0.73%；使用改进公式估算的红桦林矿质土层有机碳密度为14.06 kg·m^-2，有机土层碳密度为3.49 kg·m^-2，分解层和半分解层分别占90%和10%，矿质土层和有机土层有机碳密度分别较原方法降低1.61%和0.48%。【结论】去除根系体积含量后，云杉林与红桦林的土壤总有机碳密度估算值分别降低1.85%和1.39%，这意味着目前预测的林地土壤碳储量可能普遍偏高。

关键词：土壤有机碳密度碳汇估算森林土壤天然林凋落物新方法

Characteristics of Soil Organic Carbon Density in Two Stands of Xinjiashan in Qinling Mountains Based on a New Method of Deducting Root Volume

Wang Zhikang¹, Xu Chenyang^1,2, Geng Zengchao^1,2, Liu Lili³, Hou Lin³, Du Can¹, Wang Qiang¹, Lü Dongwei¹

1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture Yangling 712100;
2. Key Laboratory for Agricultural Environment, Ministry of Agriculture Beijing 100081;
3. College of Forestry, Northwest A & F University Yangling 712100

Abstract: 【Objective】Through the comparison among the estimated result of the soil organic carbon density in the spruce (Picea asperata) and red birch (Betula albosinensis) natural forests in the Xinjiashan Forest Farm in Qinling Mountains with different estimation method, we tested the improvement of the new method on estimation accuracy by subtracting the root volume.【Method】The organic carbon densities of the mineral soil layers (top soil layer, core soil layer and subsoil layer) and organic soil layers (non/semi-decomposed layer namely L + F and fully decomposed layer of litter namely H) were estimated separately. For the estimation of the organic carbon density in the mineral soil layer, the estimation accuracy is improved by deducting the root volume of trees based on the existing method. The method for estimating the volume content of roots in each layer contains 4 steps as follow. Firstly, the root biomass of a single tree was estimated with the regression equations proposed by the previous study, which is multiplied by the growth density of the forest to obtain the total biomass of the roots per unit area of the forest land; secondly, by measuring the biomass and the volume of a partial sample of the root system, the density of the partial root sample is calculated to represent the density of the whole root system; then, the total root volume of the forest area per unit area is calculated by dividing the total biomass of the roots per unit area of the root system by the density of the root system; Finally, according to the distribution result of the root system along the depth obtained in previous studies, the total root volume per unit area is distributed to each soil layer and the content of root volume is calculated. For the estimation of the carbon density of the organic soil layer, the volume of the base of the trunk contained in the organic soil layer is subtracted, which is calculated with the mean ground diameter. In addition, due to the extremely uneven distribution of different components in the organic soil layer, the different components in the litter (organic soil layer) are carefully grouped according to the source organs and physical forms, and the organic carbon content of each component is determined.【Result】Thicknesses of top soil layer (A), core soil layer(B) and subsoil layer(C) were 19.10, 14.20, 31.03 cm and 18.57, 15.13, 28.13 cm for the spruce and the red birch, respectively. The SOC contents in A, B and C horizons were (44.56±3.72) g·kg^-1, (25.63±1.77) g·kg^-1 and (10.79±2.28) g·kg^-1 respectively for spruce; they were (34.11±5.46) g·kg^-1, (19.06±4.95) g·kg^-1 and (11.02±3.86) g·kg^-1 respectively for red birch. The carbon contents of various components in organic soil layer of the two stands were significantly different (P < 0.05). The organic carbon contents of spruce cones, moss, tree branches and roots in litters were greater than 600 g·kg^-1. Followed by the organic carbon contents of leaves, which were (458.90±46.81) g·kg^-1 for spruce forest and (420.72±55.66) g·kg^-1 for red birch forest. The organic carbon contents of other undistinguishable fine particles was the minimum which were less than 300 g·kg^-1. The root volumes in A, B and C horizons were 66.81 (3.5%), 20.69 (1.5%) and 9.18 (0.3%) m³·hm^-2 respectively for spruce, and they were 50.57 (2.7%), 31.75 (2.1%) and 17.22 (0.6%) m³·hm^-1 respectively for red birch. The carbon density of organic soil layers was 4.26 kg·m^-2 for spruce, less than that of the original method by 0.73%; H and L+F layers accounted for 84% and 16% respectively; the carbon density of mineral soil layers was 16.58 kg·m^-2, less than that of the original method by 2.13%. The carbon density of organic soil layers was 3.49 kg·m^-2 for red birch, less than that of the original method by 0.48%; H and L + F layers accounted for 90% and 10%; the carbon density of mineral soil layers was 14.06 kg·m^-2 for red birch, less than that of the original method by 1.61%.【Conclusion】The estimated total organic carbon densities of soil in spruce forest and red birch forest decreased by 1.85% and 1.39% respectively after deducting the content of root volume, which suggested that the currently-estimated forest soil carbon storage might be generally higher than the actual value.

Key words: soil organic carbon density carbon storage estimation forest soil natural forest forest floor new method

森林生态系统是最大的陆地碳库，贮存了陆地生态系统76%~98%的有机碳(王效科等，2001)，其中45%存在于森林土壤中。土壤有机碳库估算需要基于各土层厚度、密度、有机碳含量和土地面积(Mcdaniel et al., 1985)。目前广泛采用的有机碳密度公式(Batjes，1996)将粒径大于2 mm的砾石等粗组分的体积扣除，能提高一定的估算精度，但尚未扣除土壤中的林木根系体积含量，扣除林木根系体积含量对估算精度的影响未见报道。

秦岭是我国南北气候的重要分界线，地理位置独特，对气候变化响应比较明显，在全球气候变化的大背景下，研究秦岭森林土壤的碳循环动态有重要意义(屈冉等，2010)。前人调查了秦岭辛家山林场多种林分的矿质土层有机碳储量和碳形态(季志平等，2006；康博文等，2005；王棣等，2014)及部分林分的凋落物层分解速率(康博文等，2005)和化学特性(韩其晟等，2012；白龙龙等，2016)，但在有机碳密度估算中并未扣除根系体积含量。本研究以秦岭辛家山林场云杉(Picea asperata)天然林和红桦(Betula albosinensis)天然林为例，首次扣除各土层中的根系体积含量后估算土壤有机碳密度，探讨2种林分各土层有机碳密度特征及扣除根系体积含量对土壤有机碳密度估算值的影响，以期为提高森林土壤碳储量估算精度提供参考。

1 研究区概况

辛家山林场(106°28′—106°38′ E，34°10′—34°20′ N)位于陕西省凤县与甘肃省相接部，属秦岭西部南坡、秦岭主梁南侧嘉陵江上游，具有暖温带半湿润山地气候，垂直变化明显，小气候差异大，年均气温7.6 ℃，年均降水量900 mm，降水集中于7—9月。主要树种有冷杉(Abies fabri)、云杉、红桦、锐齿栎(Quercus aliena var. acuteserrata)、辽东桦(Betula schmidtii)、华山松(Pinus armandii)、油松(Pinus tabulaeformis)、漆树(Toxicodendron succedaneum)和山杨(Populus davidiana)等(王棣等，2014)。本研究所选的云杉林和红桦林均为天然林，位于韭菜坪地区，树龄组成复杂，从小于20年的幼树到大于200年的老树均有分布，以成熟林为主(高甲荣等，2000)。2种林分均有过适当的间伐和卫生伐，海拔都在2 100 m以上。云杉林位于坡脚，坡度较缓；红桦林位于坡肩，坡度较陡(表 1)。2种林分的土壤类型均为山地棕壤，在系统分类中属于简育湿润雏形土，其物理性质见表 2。云杉林的未分解+半分解层(L+F)和完全分解层(H)厚度分别为5.19和5.33 cm，略低于红桦林的5.81和5.57 cm；云杉林L+F层和H层每平方米干质量分别为1.29和15.86 kg·m^-2，略高于红桦林的0.71和14.31 kg·m^-2。

表 1 2种林分概况 Tab.1 Survey of two stand types

表 2 2种林分土壤物理性质^① Tab.2 Soil physical properties of two stand types

表 2 2种林分土壤物理性质^①

Tab.2 Soil physical properties of two stand types

林分类型 Stand type	土层 Soil layer	厚度 Thickness/cm	砂粒含量 Sand content(0.02~2 mm)(%)	粉粒含量 Silt content(0.002~0.02 mm)(%)	黏粒含量 Clay content(< 0.002 mm)(%)	密度 Density/(g·cm^-3)	干质量 Dry mass/(kg·m^-2)
云杉 Picea asperata forest	L+F	5.19	ND	ND	ND	ND	1.29
	H	5.33	ND	ND	ND	ND	15.86
	A	19.10	42.33	29.12	28.55	0.96	ND
	B	14.20	35.03	41.57	23.40	1.11	ND
	C	31.03	29.04	46.50	24.46	1.45	ND
红桦 Betula albosinensis forest	L+F	5.81	ND	ND	ND	ND	0.71
	H	5.57	ND	ND	ND	ND	14.31
	A	18.57	45.28	26.77	27.94	1.01	ND
	B	15.13	32.54	47.25	20.21	1.20	ND
	C	28.13	30.03	43.89	26.08	1.47	ND
①参照加拿大土壤分类系统(CSCS)划分土层The definitions of soil horizons refer to Canadian soil classification system (CSCS); L+F：未分解和半分解凋落物层Undecomposed and semi-decomposed layers of litter；H：完全分解层Complete decomposed layer of litter; A，B和C分别指矿质土层的表土层、心土层和底土层A, B and C represent the surface horizon, sub-surface horizon and base horizon of mineral soil, respectively; ND表示该组分无法分离和测量ND means that this component cannot be separated and measured.下同The same below.

2 研究方法 2.1 样地设置和调查及土壤样品采集

在云杉林内以地理坐标106°31′32″E，34°16′49″N为中心，在红桦林内以地理坐标106°31′32″E，34°16′51″N为中心，在半径为20 m的圆中各设3块10 m×10 m样地；每块样地设3个50 cm×50 cm样方，在各样方手工收集较大的镶嵌或平铺在有机层上的树枝和云杉果后，按层收获各有机土层，每样地的每层土样混合为1个样品。土层的定义和划分参照加拿大土壤分类系统(CSCS)，自上而下依次为有机土层的未分解层L、半分解层F和完全分解层H，接下来是矿质土层的表土层A、心土层B和底土层C。凋落物厚度在很小的距离就会有很大变化(Smit，1999)，故测定50个点去除极高值和极低值后取均值，作为该样地的凋落物平均厚度。L层和F层较薄且界限不明显，故分为一层，记为L+F。L+F层分为叶、枝、果、根系(包括无法剔除的活根系)和粉状物(包括极小的枝叶碎屑，已分解的腐殖物质和扰动混入的矿质土壤物质)；H层使用2 mm筛分选出较大的植物残体、根系和粉状物，作为3个组分。各样方收获有机土层后，挖取1个40 cm宽的土壤剖面(秦岭山地土壤浅薄，土层厚度为60~70 cm)，每土层均以土层厚度为高，挖取1个长和宽都是20 cm的土柱，冲洗土柱获得根系和砾石；同样以土层厚度为高，在A、B、C土层上各收集1个2 cm宽5cm长的土样用于测定理化性质。各样地内每木检尺，测定树高、胸径和地径。统计各林分3块样地内的树木总数，计算各样地的林分密度，取3个样地的均值作为该林分的林分密度。

2.2 土壤各指标的测定方法

土壤密度测定采用环刀法；土壤有机碳含量采用浓硫酸与重铬酸钾外加热法测定(鲍士旦，2000)。砾石体积采用满水溢出法测定。

2.3 不同矿质土层根系体积含量的估算方法

第i土层根系体积含量(R_i，%)的估算公式为：

$ R_{i}=V_{i} / E_{i} \times 10^{-2} \times 100 \%。$

(1)

式中：V_i为第i层单位面积的根系体积(m³·hm^-2)，计算方法见公式(2)；E_i为第i层厚度(cm)。V_i的计算公式为：

$ V_{i}=d \times n \times W_{\mathrm{R}} / a \times 10^{-3}。$

(2)

式中：d为分配系数，即该层根系生物量占总根系生物量的比例(%)，是依据前人研究(刘兴良等，2006；陈存根等，1996)的根系在不同土层的分布规律确定；n为林分密度(hm^-2)；W_R为单株根系生物量(kg)，使用前人研究(王金叶等，2000；陈存根等，1996)得出的回归方程计算得出；a为根系密度，单位为g·cm^-3。

1) 分配系数d的确定云杉林和红桦林根系生物量在各土层的分配系数分别参考刘兴良等(2006)与陈存根等(1996)的研究结果。云杉林根系在0~20、20~40和40 cm以下土层的生物量之比为34:12:1，根据云杉林A层(19.10 cm)、B层(14.20 cm)和C层(31.03 cm)的厚度，可计算出3层根系的生物量比例为(19.10/20×34):(0.9/20×34+13.30/20×12):(6.70/20×12+1)=32.47(69.1%):9.51(21.4%):5.02(9.5%)。红桦林在0~10、10~20、20~30、30~40和40 cm以下土层的生物量密度分别为6.0、3.2、4.8、2.0和1.6 t·hm^-2，根据红桦林A层(18.57 cm)、B层(15.13 cm)和C层(28.13 cm)的厚度，可计算出3层根系的生物量比例为(6.0+8.57/10×3.2):(1.43/10×3.2+4.8+3.7/10×2):(6.3/10×2+1.6)=8.74(49.7%):6.00(34.0%):2.86(16.3%)。

2) 单株根系生物量W_R的估算由于本研究的云杉林树高和胸径与王金叶等(2000)的云杉成熟林相近，故采用王金叶等(2000)提出的回归方程估算云杉林单株根系生物量：

$ W_{\mathrm{R}}=3.3756\left(D^{2} H\right)^{0.2725}。$

(3)

式中：D为胸径(cm)；H为树高(m)。

由于研究地区和林龄相近，采用陈存根等(1996)提出的回归方程估算红桦林单株根系生物量：

$ \ln W_{\mathrm{R}}=2.68879 \ln D-4.33607。$

(4)

3) 根系密度a的估算将不同林分各样地各土层根系冲洗干净后，使用WinRhizo 2013e根系扫描系统测定各样地不同土层的根系样品体积(单位cm³)，并在60 ℃下烘至质量恒定，并称取干质量(单位g)。分别将2种典型林分的各矿质土层的根系干质量(y)和根系体积(x)进行线性回归，设定截距为0，即回归方程为y=ax，斜率a代表根系密度(g·cm^-3)，相关性系数R²均接近1，说明2种典型林分的根系都存在一个比较稳定的密度。

2.4 土壤有机碳密度估算

1) 矿质土层土壤有机碳密度计算在Batjes(1996)提出的有机碳密度公式基础上进行修正，第i层的有机碳密度SOC_i(kg·m^-2)为：

$ \mathrm{SOC}_{i}=C_{i} D_{i} E_{i} \times\left(1-G_{i}-R_{i}\right) / 10。$

(5)

式中：C_i为第i层土壤有机碳含量(%), D_i为第i层土壤密度(g·cm^-3)；E_i为第i层土层厚度(cm)；G_i为第i层>2 mm石砾的体积含量(%)；R_i为第i层根系体积含量(%)。该公式将土壤中的根系体积含量扣除，土壤有机碳密度估算更加精确。

由A、B和C 3层土壤组成的剖面其矿质土层有机碳密度SOC_M为：

$ \mathrm{SOC}_{\mathrm{M}}=\sum\limits_{i=1}^{3} \mathrm{SOC}_{i}=\sum\limits_{i=1}^{3} C_{i} D_{i} E_{i}\left(1-G_{i}-R_{i}\right) / 10。$

(6)

为了比较本估算方法和目前常用估算方法的区别，本研究也用目前常用方法对矿质土层土壤有机碳密度进行了计算。目前常用的2种估算公式分别为：

$ \mathrm{SOC}_{1}=\sum\limits_{i=1}^{3} C_{i} D_{i} E_{i} / 10; $

(7)

$ \mathrm{SOC}_{2}=\sum\limits_{i=1}^{3} C_{i} D_{i} E_{i}\left(1-G_{i}\right) / 10。$

(8)

公式(7)和(8)分别参考Mcdaniel等(1985)和Batjes(1996)的研究。公式(7)未扣除石砾体积含量和根系体积含量，其估算结果表示为SOC₁；公式(8)只扣除了石砾含量但未扣除根系体积含量，其估算结果表示为SOC₂。

2) 有机土层土壤有机碳密度计算 De Vos等(2015)采用的有机土层有机碳密度SOC₀计算公式为：

$ \mathrm{SOC}_{0}=M \times C_{\mathrm{m}} \times a。$

(9)

式中：M为有机层总的每平方米干质量；C_m为平均有机碳含量；a为量纲换算系数。

Labaz等(2014)采用上述公式计算L层和F层的有机碳密度，H层使用矿质土层的方法。本研究认为林地土壤有机层的成分组成复杂，有机碳含量不均匀，故应对其进行细致的分组，测定各组分的有机碳含量和干质量后计算该层的有机碳密度，并且将林木所占的体积扣除。本研究在对有机层进行更细分组的基础上，修正了De Vos等(2015)的有机层土壤有机碳密度公式。各有机土层的土壤有机碳密度计算公式为：

$ \mathrm{SOC}=\sum\limits_{j=1}^{k} C_{j} P_{j} D_{i} \cdot\left(1-R_{\mathrm{o}}\right); $

(10)

$ \begin{array}{l}{R_{o}=n\left(0.25 \pi d^{2}\right) / 10000 \times 100 \%=} \\ {0.0000785 n d^{2} \times 100 \%。}\end{array} $

(11)

式中：n为每公顷林木数量；d为林木平均地径(m)；k表示第i有机土层分有k个组分；C_j为第j组分的有机碳含量(%)；P_j为第j组分占该层的干质量百分比(%)；D_i为第i有机土层的每平方米干质量(kg·m^-2)；R_o为有机土层中凋落物覆盖的林木树干基部及主根占该层总体积的百分比(%)，使用树木的平均地面截面积与总面积的比值代替，用公式(11)计算得出。

有机土层的总有机碳密度SOC_O(kg·m^-2)计算公式为：

$ \mathrm{SOC}_{\rm O}=\sum\limits_{j=1}^{k} C_{j} P_{j} D_{\mathrm{L}+\mathrm{F}} \cdot\left(1-R_{\mathrm{o}}\right)+\sum\limits_{j=1}^{k} C_{j} P_{j} D_{\mathrm{H}} \cdot\left(1-R_{\mathrm{o}}\right)。$

(12)

式中：D_L+F为L+F层的每平方米干质量；D_H为H层每平方米干质量；该公式考虑了土壤有机层的各个组分，并将凋落物覆盖的林木树干基部及主根所占的土层体积扣除，估算结果更加准确。

3) 土壤总有机碳密度计算总有机碳密度SOC_T(kg·m^-2)为有机土层和矿质土层有机碳密度之和。

2.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22软件进行数据处理和制图。one-way ANOVA法分析不同林分、不同土层间各指标的差异显著性，最小显著差异法(LSD)进行多重比较。

3 结果与分析 3.1 矿质土层单位面积根系体积含量

分别将云杉林和红桦林3个重复的各土层的根系干生物量和根系体积制成散点图，添加截距为0的趋势线，其斜率反映出云杉和红桦林的根系密度分别为0.33和0.31 g·cm^-3，其相关系数分别为0.992和0.974，均接近1，故认为2种林分的根系密度都比较均匀，可以代表整株的根系密度(图 1)。

图 1 2种林分的根系生物量与根系体积的线性回归关系 Fig. 1 Linear regression analyses between root biomass (dry weight) and root volume for two forest stands

由公式(3)和(4)估算得到云杉和红桦的单株根系生物量分别为51.77和21.17 kg；云杉林单株根系体积为0.16 m³，高于红桦林(0.07 m³)的2倍，云杉林和红桦林全部土层总的单位面积根系体积含量分别为96.68和99.54 m³·hm^-2，两者相近，云杉林单位面积根系体积含量在A层高于红桦林，在B层和C层却低于红桦林(表 3)。

表 3 单株根系生物量、单株根系体积和各矿质土层的单位面积根系体积(含量) Tab.3 Dry weight and volume of single plant root, and root volume (content) in unit area of each mineral soil layer

3.2 矿质土层土壤有机碳含量和有机碳密度

2种林分矿质土层有机碳含量表现为A层>B层>C层，且各层间差异显著(P < 0.05)，云杉林A层和B层的土壤有机碳含量均显著高于红桦林(P < 0.05)，C层差异不显著(P < 0.05)(表 4)。2种林分使用不同计算公式得到的各矿质土层有机碳密度如表 4所示，第1种既不扣除石砾体积含量也不扣除根系体积含量的有机碳密度表示为SOC₁；第2种只扣除石砾体积含量得出的有机碳密度表示为SOC₂，本研究提出的石砾体积含量和根系体积含量均扣除的方法计算出的有机碳密度表示为SOC_M。云杉林A层使用3种公式计算的有机碳密度(SOC₁、SOC₂和SOC_M)分别为8.17、8.15和7.87 kg·m^-2，SOC₁和SOC₂接近而高于SOC_M，红桦林A层的有机碳密度也有相同规律，3种公式的估算结果依次为6.40、6.38、6.21 kg·m^-2，说明A层中林木根系体积对土壤有机碳密度的估算值影响较大且高于砾石含量；2种林分B层使用3种公式得出的结果较为相近，云杉林和红桦林分别为3.97~4.04和3.41~3.46 kg·m^-2，2种林分C层土壤有机碳密度使用3种公式计算的结果均表现出SOC₁高于SOC₂和SOC_M，SOC₂和SOC_M比较接近，使用3种公式的云杉林估算值依次为4.85、4.75和4.74 kg·m^-2，红桦林则依次为4.56、4.46和4.44 kg·m^-2(表 4)。

表 4 矿质土层有机碳含量及有机碳密度^① Tab.4 Organic carbon content and density of each mineral soil horizon

3.3 有机土层的组分和结构

2种林分的L+F层都具有枝、叶和粉状物组分，云杉林有果实组分，林下有苔藓，红桦林无苔藓组分和明显的果实组分；红桦林有季节性的树皮剥落，而云杉林的树皮多随树枝凋落或在枝干上腐烂。L+F层中树枝干质量占总干质量的一半以上，云杉和红桦分别为52.70%和54.32%；云杉林果实干质量占总干质量的26.69%，仅次于树枝；红桦林L+F层含有的粉状物和沙粒干质量显著高于云杉。凋落物中来源于岩石风化和动物扰动的石头和沙粒等组分含有的有机碳数量可以被忽略。云杉和红桦2个林分的H层中，粉状物干质量分别占总干质量的43.57%和57.24%，木质物残体干质量分别占总干质量的17.46%和14.81%(表 5)。

表 5 有机土层各组分干质量占该层总干质量的百分比^① Tab.5 Percentage of single component in total dry weight of each organic soil horizon

3.4 有机土层各组分有机碳含量

有机土层各组分中，云杉林H层根系的有机碳含量最高，平均692.31 g·kg^-1，云杉林L+F层粉状物有机碳含量最低，平均204.87 g·kg^-1。云杉林L+F层中的树叶、树枝有机碳含量显著高于红桦林而粉状物显著低于红桦林(P < 0.05)。红桦林H层木质物残体有机碳含量大于云杉林、而粉状物和根系有机碳含量小于云杉林，但差异均不显著(P < 0.05)(表 6)。

表 6 2种林分有机土层各组分有机碳含量 Tab.6 Organic carbon content of each component in organic soil layers of two forest types

3.5 有机土层土壤有机碳密度

各有机土层土壤有机碳密度按照公式(9)计算。云杉林有机层各层有机碳密度均高于红桦林，云杉林和红桦林H层的碳密度分别为3.86和3.16 kg·m^-2，分别占总有机土层的84%和90%，远高于L和F层的总和。

3.6 2种林分的土壤总有机碳密度及各组分占比

云杉林和红桦林的平均土壤有机碳密度分别为21.20和17.56 kg·m^-2，各土层所占比例从高到低依次为A(云杉37%，红桦35%)>C(云杉22%，红桦25%)>B(云杉19%，红桦20%)>H(云杉18%，红桦18%)>L+F(云杉4%，红桦2%)(表 8)。云杉林和红桦林有机土层占总土层的比例分别为22%和20%，矿质土层分别占78%和80%。矿质土层中，云杉林A层所占比例大于红桦林，而B层和C层所占比例略小于红桦林。

表 8 各土层有机碳密度及占比 Tab.8 Organic carbon densities of different horizons and theirpercentages

4 讨论

林地土壤有机碳密度的计算公式现存多个版本。以本研究的云杉林和红桦林2种林分为例，用既不扣除石砾体积含量也不扣除根系体积含量的公式(7)计算出的矿质土层有机碳密度(SOC₁)分别为17.07和14.41 kg·m^-2；用只扣除石砾体积含量的公式(8)计算出的结果(SOC₂)分别为16.94和14.29 kg·m^-2；使用本研究改进的石砾体积含量和根系体积含量均扣除的公式(6)计算出的结果(SOC_M)分别为16.58和14.06 kg·m^-2(表 4)。云杉林和红桦林的SOC₁估算结果分别比SOC₂高0.76%和0.84%，这是由于SOC₂扣除了砾石体积含量。SOC_M的估算结果比SOC₂分别低2.13%和1.61%，这是由于SOC_M扣除了根系体积。综上所述，根系体积对土壤有机碳密度的影响高于砾石含量，估算林地土壤碳汇时应充分考虑根系体积的影响。目前，对乔木林根系体积及其分布的研究主要集中在细根方面，为了更精确地估算森林土壤有机碳密度，粗根体积和整株林木根系在不同土层的分配研究应作为未来研究重点。

云杉林和红桦林的L+F层每平方米干质量分别为1.29和0.71 kg·m^-2，L+F层有机碳密度分别为0.76和0.33 kg·m^-2(表 7)，云杉林与周玉荣(2000)报道的针叶、针阔混交林的结果(0.766 kg·m^-2)相近，高于本研究的红桦林和杨玉盛等(2006)研究的格氏栲(Castanopsis kawakamii)林的结果(0.329 kg·m^-2)，由此可推测出针叶林的L+F(凋落物)层比落叶阔叶林更难分解，更有利于碳固定。依此计算云杉林和红桦林的该层平均有机碳含量分别为59%和46.5%，分别高于和低于周玉荣等(2000)提出的凋落物固碳量的换算系数0.5。因此，0.5的转换系数不适合云杉或者红桦纯林的凋落物有机碳密度估计，但是有可能适合大面积混交林的有机碳密度估算。本研究的云杉林有机层有机碳密度为4.62 kg·m^-2，高于红桦林的3.49 kg·m^-2，均高于邓仁菊等(2007)对川西地区云杉林(2.938 kg·m^-2)和白桦(Betula platyphylla)林(0.863 kg·m^-2)的报道，存在的差异可能与川西地区的地形地貌、地质活动和自然灾害的频繁发生有关。

表 7 2种林分林木平均地径和有机土层的有机碳密度 Tab.7 Organic carbon densities in organic soil layers of two forest stands

5 结论

林地的矿质土层和有机土层有机碳密度估算量均受根系体积含量影响；根系体积含量对土壤有机碳密度估计的影响高于砾石体积含量；未扣除根系体积含量会使林地土壤固碳量估算值偏高，因此在估算林地土壤有机碳密度时，应充分考虑根系体积含量的影响，推荐使用本研究的改进公式。

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