土壤有机碳既是反映土壤肥力变化的重要指标，又是大气中二氧化碳的源与汇。植被的生长发育状况影响林地土壤有机碳^[1]，林分结构、土壤养分又是影响植被生长发育的重要因素^[2]。人工林分布面积广，是中国陆地碳汇的主要来源，具有较高的碳汇增长潜力。因此，探究不同林型人工林地的土壤有机碳密度分布特性及其差异，判别不同的影响因素对土壤有机碳的作用机制，对于实现人工林的合理经营和林业发展具有至关重要的意义。

土壤有机碳一直是生态系统碳循环研究的热点，在林地中的分布受多种因素的影响，苟清平等人^[3]对陕北黄土区不同林地类型的土壤表层有机碳分布进行了较为系统的分析。结果表明，地表覆盖、表层枯落物、微生物作用和人类活动等因子对小流域区域土壤有机碳分布具有明显的影响；陈志林等^[4]以及解宪丽等^[5]的研究表明，不同海拔的土壤有机碳密度不同，随着海拔的升高，温度逐渐降低，降水量也逐渐减少，从而造成土壤有机碳释放速率减缓；夏晓莹^[6]指出不同坡位及不同郁闭度下土壤有机碳分布存在差异，下坡位与郁闭度大的林区，土壤凋落物较多，更有利于有机碳的富集；芦倩等^[7]发现，祁连山流域土壤有机碳分布受到坡向和不同植被类型的显著影响。由此可见，在研究对土壤有机碳的影响上，大多数研究聚焦于植被类型、地形因素、枯落物层因素以及人为干扰等，而针对不同林型下，植被层尤其是林分结构对土壤有机碳密度分布特性的研究却很少，而植被层、土壤层、枯落物层均提供着重要的生态系统服务功能，故本文同时考虑了多种因素，研究不同林型人工林地的土壤有机碳密度分布特性差异分析，对研究区的林业发展具有重要意义^[8]。

青海省大通县从20世纪80年代以来，进行着一系列的退耕还林工程，以用材林为主的林分结构呈现出横向平整、纵向笔直的特点，经过多年封禁管理后，土壤肥力下降且出现了病虫害等生态问题。为进一步提高林分质量，持续发挥土壤和植被的生态效益，同时改善区域生态环境，笔者选取塔尔沟流域的3种典型人工林为研究对象，分别为云杉(Picea crassifolia)纯林、白桦(Betula platyphylla)纯林、云杉白桦混交林，采用灰色关联分析方法，探究各种因素对不同林型土壤有机碳密度所产生的影响，进而探讨各因子对土壤有机碳密度分布特性的差异，为合理经营人工林地提供重要支持。

研究区地处中国青海省东北部的大通县塔尔沟小流域(E 100°51′~101°56′，N 36°43′~37°23′)，属祁连山东段。该流域总面积近270 hm²，为典型的退耕还林工程区域^[9]，其气候为大陆性高原气候，地形复杂，海拔在2 500~3 000 m之间，太阳辐射强烈，年平均气温4.9 ℃，最高气温36.6 ℃，最低气温-33.8 ℃，无霜期为60~120 d，降雨集中在6—8月份，年降雨量近500 mm。研究区的土壤类型以山地棕褐土为主。代表性造林树种主要为青海云杉、白桦，以纯林为主，混交林以青海云杉白桦混交林为主，这些林分在发挥“碳汇”功能方面极其重要。

本研究于2021年6—8月在大通县塔尔沟流域进行采样调查。选取当地海拔、坡度、林分密度、灌草多样性相近且林龄为25 a左右的3种典型林分进行研究，分别是云杉纯林、白桦纯林、云杉白桦混交林，所选树种均为人工林。根据研究区各类林分的面积和集中分布区域及海拔状况等，采取典型取样法在该地选取以上3种林分。样地大小为20 m×20 m，3种林分各布设5个样地(表 1)。为消除边缘效应，设置宽为4 m的缓冲区。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地基本信息 Tab. 1 Basic information of plot sites 林分类型 Stand type 样地序号 Plot No. 树种组成 Species composition 混交比 Mixed ratio 海拔 Altitude/m 坡向 Aspect 坡度 Slope/(°) 林龄 Stand age/a 平均树高 Average tree height/m 平均胸径 Average DBH/cm 林分密度 Stand density/(Trees·hm-2) 郁闭度 Canopy density 灌木多样性 Shrub diversity 草本多样性 Herbal diversity A1 PC / 2 960 半阴坡 Semi-shady slope 20 26 11.89±1.50 11.71±0.48 2 200 0.66 1.11 1.44 A2 PC / 2 883 阴坡 Shady slope 18 25 10.78±1.62 11.78±0.34 2 080 0.71 1.35 1.13 Ⅰ A3 PC / 2 871 半阴坡 Semi-shady slope 20 25 10.70±0.49 11.72±0.36 2 166 0.73 1.32 1.31 A4 PC / 2 910 半阴坡 Semi-shady slope 25 20 10.96±0.42 11.50±0.33 2 125 0.73 1.29 1.25 A5 PC / 2 922 半阴坡 Semi-shady slope 23 20 11.81±1.29 10.00±0.36 2 257 0.73 1.04 1.25 B1 BP / 2 880 阴坡 Shady slope 23 22 10.19±0.39 15.14±0.23 2 075 0.68 1.43 1.46 B2 BP / 2 850 阴坡 Shady slope 26 28 10.05±1.08 12.96±0.42 2 145 0.70 1.29 1.39 Ⅱ B3 BP / 2 900 阴坡 Shady slope 24 25 11.28±0.98 20.04±0.22 2 150 0.69 1.24 1.49 B4 BP / 2 970 阴坡 Shady slope 18 23 11.78±1.05 11.30±0.20 2 200 0.75 1.25 1.23 B5 BP / 2 944 阴坡 Shady slope 18 22 11.51±0.53 11.78±0.48 2 275 0.71 1.25 1.07 Ⅲ Y1 PC 9∶1 2 756 阴坡 Shady slope 23 27 10.33±0.79 12.55±0.27 2 075 0.68 1.19 1.33 BP 11.41±0.48 14.91±0.64 Y2 PC 8∶2 2 890 阴坡 Shady slope 24 25 12.56±0.53 20.55±0.43 2 250 0.65 1.32 1.19 BP 12.20±0.40 21.41±0.40 Y3 PC 8∶2 2 940 阴坡 Shady slope 23 20 12.98±0.99 16.89±0.72 2 180 0.72 1.21 1.16 BP 14.68±0.75 16.57±0.39 Y4 PC 7∶3 2 956 阴坡 Shady slope 18 27 13.79±0.71 18.72±0.25 2 150 0.70 1.07 1.59 BP 14.25±0.34 19.32±0.32 Y5 PC 6∶4 2 918 阴坡 Shady slope 25 20 12.73±0.48 13.77±0.64 2 164 0.70 1.18 1.24 BP 12.23±0.21 12.99±0.24 注：Ⅰ.青海云杉纯林; Ⅱ.白桦纯林; Ⅲ.云杉白桦混交林。树种云杉(Picea crassifolia)缩写为PC，树种白桦(Betula platyphylla)缩写为BP。/: 纯林，无混交比。下同。Notes: Ⅰ.Picea crassifolia forest; Ⅱ.Betula platyphylla forest; Ⅲ.Picea crassifolia & Betula platyphylla mixed forest. The tree species Picea crassifolia is abbreviated as PC, while the tree species Betula platyphylla is abbreviated as BP. /: Pure forest, no mixing ratio. The same below.

表 1 样地基本信息 Tab. 1 Basic information of plot sites

灌木生物量：采用五点采样的方法，布设2 m×2 m小样方，对各样方的灌木盖度、株数、高度等进行测定。对于样方内的灌木，进行枝、叶和根的分别采收，以获得其鲜质量。将样品带回实验室，并置于烘箱中，调至85 ℃烘干后进行称量，以便计算其生物量。

草本生物量：该层的生物量测定方式与灌木层所采用的方法相同。

利用五点取样法，在每个样地的中心和4角分别布设1 m×1 m的小样方，用土钻从0~20、20~40和40~60 cm 3个土层中获取土壤样品，同层土壤混合均匀分装于保鲜袋中，带回实验室，并经过自然风干后磨细、过筛(孔径为1 mm)，以供后续室内理化性质的测定。每层各取3个重复，共采集土壤样本135份。采用重铬酸钾—外加热法测定土壤中的有机碳，测定碱解氮、速效磷、速效钾分别采用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法和1 mo1/L NH₄Ac浸提-火焰光度法^[10]。

以五点取样，设25 cm×25 cm大小的样方，用土壤剖面法调查枯落物层厚度并取样，分装于保鲜袋中，将所取样品烘干称其干质量。

1) 林分结构指标计算。有关混交比、角尺度以及大小比数的计算方法参照文献[11]的相关内容。

2) 土壤有机碳密度计算。各土层内(每0.2 m一层)的土壤有机碳密度计算公式参考Yu等^[12]的方法，所采土样中粒径＞2 mm的颗粒含量可忽略不计，计算式如下：

式中：S_i为第i层的土壤有机碳密度，kg/m²; S为土壤有机碳质量分数, g/kg；B_i为第i层的土壤密度，g/cm³；D_i为第i层的土壤厚度, m，在本研究中均为0.2 m。

运用SPSS软件对数据进行统计分析，利用单因素方差分析法，对不同林分类型土壤有机碳密度(0~20、20~40和40~60 cm)之间的差异进行比较。利用Pearson相关性分析和Matlab中的灰色关联法，探究土壤有机碳密度(soil organic carbon density，SOCD)与各环境因子之间的关系与作用强弱，并运用Origin 2023软件绘图。

不同土层间土壤有机碳密度表现为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ(表 2)，白桦纯林(Ⅱ)和云杉白桦混交林(Ⅲ)的SOCD在0~20、20~40和40~60 cm不同土层间均存在显著差异(P < 0.05)，而云杉纯林(Ⅰ)则在0~20与20~60 cm土层上存在显著差异(P < 0.05)，反映出云杉林是浅根树种，土壤有机碳富集在0~20 cm土层。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同林地类型下的不同土层SOCD分布规律 Tab. 2 Distribution of SOCD under different soil layers of different stand types 土层 Soil layer/cm 林分类型 Stand type 平均值±标准误差 Mean±SE/(kg·m-2) Ⅰ 12.23±1.07Ca 0~20 Ⅱ 17.04±0.30Ba Ⅲ 28.97±0.60Aa Ⅰ 6.55±0.35Cb 20~40 Ⅱ 10.62±0.31Bb Ⅲ 14.48±0.39Ab Ⅰ 3.99±0.99Bb 40~60 Ⅱ 6.86±0.39Ac Ⅲ 7.08±0.44Ac 注：不同小写字母表示在相同林分类型下，不同土层之间的指标差异具有显著性(P < 0.05);不同大写字母表示在相同土层中，不同林分类型之间的指标差异具有显著性(P < 0.05)。Notes: Distinguishing lowercase letters indicate statistically significant variances in indicators among distinct soil layers within the same stand type(P < 0.05), and distinguishing capital letters indicate significant variances in indicators across diverse stand types within the same soil layer(P < 0.05).

表 2 不同林地类型下的不同土层SOCD分布规律 Tab. 2 Distribution of SOCD under different soil layers of different stand types

植被层中，不同林分间的郁闭度、平均树高、平均胸径、灌草生物量、大小比数、角尺度的值分别为0.66~0.75、10.05~14.02、10.00~20.98、568~1 678、0.40~0.65和0.31~0.58。如表 3所示，郁闭度、平均树高、平均胸径、灌草生物量均表现为Ⅲ>Ⅱ、Ⅲ>Ⅰ，且Ⅲ的大小比数和角尺度分别为0.48和0.37，均显著低于Ⅰ和Ⅱ(P < 0.05)。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同林分类型下的植被层基本特征统计量 Tab. 3 Basic characteristics statistics of vegetation layer under different stand types 植被层指标 Vegetation layer factor 林分类型 Stand type 平均值±标准误差 Mean±SE 最小值 Minimum 最大值 Maximum Ⅰ 0.69±0.01a 0.66 0.70 郁闭度Canopy density(CD) Ⅱ 0.69±0.01a 0.68 0.71 Ⅲ 0.73±0.01b 0.71 0.75 Ⅰ 11.23±0.26a 10.70 11.89 平均树高Average tree height(H)/m Ⅱ 10.96±0.35a 10.05 11.78 Ⅲ 12.72±0.57b 10.87 14.02 Ⅰ 11.34±0.34a 10.00 11.78 平均胸径Average DBH(DBH)/cm Ⅱ 14.24±1.59a 11.30 20.04 Ⅲ 16.77±1.48b 13.38 20.98 Ⅰ 699.00±67.25a 568 870 灌草生物量Shrub biomass(B)/(t·hm-2) Ⅱ 1 208.60±49.20b 1 100 1 370 Ⅲ 1 458.20±99.68c 1 200 1 678 Ⅰ 0.59±0.02a 0.52 0.65 大小比数Size ratio(D) Ⅱ 0.49±0.01a 0.45 0.51 Ⅲ 0.48±0.03b 0.40 0.58 Ⅰ 0.53±0.01a 0.50 0.55 角尺度Angular scale(U) Ⅱ 0.52±0.02a 0.45 0.58 Ⅲ 0.37±0.02b 0.31 0.41 注：不同字母代表不同林分之间差异显著(P < 0.05)。Notes: Different letters indicate significant differences between different stands(P < 0.05).

表 3 不同林分类型下的植被层基本特征统计量 Tab. 3 Basic characteristics statistics of vegetation layer under different stand types

3种林分类型中，0~60 cm土层的碱解氮(alkali-hydrolyzed nitrogen, AN)、速效磷(available phosphorus, AP)、速效钾(available potassium, AK)质量分数及枯落物质量特征如表 4所示，AP在不同林分间不存在显著差异(P>0.05)，AN在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间存在显著差异(P < 0.05)，质量分数表现为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，Ⅲ的AK为140.13 g/kg，显著高于Ⅰ和Ⅱ(P < 0.05)，Ⅲ的枯落物质量为670.80 g，显著高于Ⅰ和Ⅱ(P < 0.05)。

表 4(Tab. 4)

表 4 不同林分类型下的土壤层及枯落物基本特征统计量 Tab. 4 Basic characteristics statistics of soil and litter layer under different stand types 土壤层和枯落物层指标 Soil layer and litter layer factor 林分类型 Stand type 平均值±标准误差 Mean ±SE 最小值 Minimum 最大值 Maximum Ⅰ 147.63±3.59a 138.56 159.00 碱解氮Alkali-hydrolyzed nitrogen (AN)/(g·kg-1) Ⅱ 189.60±3.25b 179.00 198.50 Ⅲ 247.74±5.42c 235.18 260.00 Ⅰ 7.18±1.08a 3.67 10.43 速效磷Available phosphorus (AP)/(g·kg-1) Ⅱ 6.60±0.25a 5.72 7.06 Ⅲ 9.02±0.79a 6.30 11.10 Ⅰ 127.47±3.20a 120.17 136.00 速效钾Available potassium (AK)/(g·kg-1) Ⅱ 132.23±1.98a 128.33 138.30 Ⅲ 140.13±3.11b 130.89 148.76 Ⅰ 494.00±35.08a 425.00 602.00 枯落物质量Litter weight (LW)/g Ⅱ 483.60±50.12a 313.00 590.00 Ⅲ 670.80±23.25b 580.00 705.00 注：不同字母代表不同林分之间差异显著(P < 0.05)。Notes: Different letters indicate significant differences between different stands(P < 0.05).

表 4 不同林分类型下的土壤层及枯落物基本特征统计量 Tab. 4 Basic characteristics statistics of soil and litter layer under different stand types

利用SPSS对所有变量进行正态检验，运用Pearson分析SOCD与其植被层、土壤层、枯落物层因素的相关关系(图 1)。在植被层的林分非空间结构因子中，研究区SOCD与郁闭度(P＜0.01)、平均树高、平均胸径(P＜0.05)呈显著正相关，林分空间结构因子中，研究区SOCD与大小比数(P＜0.01)、角尺度(P＜0.001)呈显著负相关关系，生物量方面，与灌草生物量极显著正相关(P＜0.001)；土壤层因子中，研究区SOCD与AP(P＜0.05)、AK(P＜0.01)显著正相关, 与AN极显著正相关(P＜0.001)；枯落物层中，研究区SOCD与枯落物质量(P＜0.01)显著正相关。

图 1(Fig. 1)

图 1 林地SOCD与各影响因子之间的相关系数 Fig. 1 Correlation coefficient between SOCD in stands and various influencing factors

为了深入探究不同林分中各种因素对林地土壤有机碳密度的影响程度，采用灰色关联分析法进行具体分析(图 2)。在3种林分类型下，土壤有机碳密度与其各影响因子之间的灰色关联度介于0.57~0.95之间，关联程度均较大，且云杉纯林和白桦纯林的灰色关联度曲线变化趋势也较为一致。云杉纯林中，0~20 cm AP与SOCD的关联程度最大；白桦纯林中，0~20 cm AN、0~40 cm AP、平均树高均与SOCD的关联程度较大；云杉白桦混交林中，0~20 cm AK、郁闭度与SOCD的关联程度较大。且3种林分中，平均胸径与SOCD的关联程度均较小，在0.7左右。

图 2(Fig. 2)

20、40指0~20 cm、20~40 cm土层深度；LW、CD、H、DBH、B、D、U分别为枯落物质量、郁闭度、平均树高、平均胸径、灌草生物量、大小比数、角尺度。 20 and 40 refers to the depth of 0-20 cm and 20-40 cm soil layers; LW, CD, H, DBH, B, D, and U refer to litter weight, canopy density, average tree height, average diameter at breast height, shrub biomass, size ratio, and angular scale. 图 2 不同林分类型下SOCD与各影响因子之间的灰色关联度 Fig. 2 Grey correlation degree between SOCD and influencing factors across different stand types

3种林分类型土壤垂直剖面上，SOCD随着土层深度增加呈减小趋势。陈志林等^[4]发现，随着土层深度的增加，相同植被类型的SOCD呈递减趋势，与本研究结果相符。这可能是因为大多数土壤中的有机碳输入会在表层土壤中集中发生^[13]，同时植物根系一般集中于浅层土层，可使大量有机碳储存^[14]。土壤有机质输入受到不同植被类型的生长方式和植物根系分布的影响，因此在相同土壤深度下，不同植被类型的SOCD也会存在差异。

混交林由于复杂的林分结构，郁闭度更大，同时树高也能反映林木立地条件的好坏和生产力水平的高低，数值越大，树木生长越高，灌草生物量与地表凋落物也越多，使得SOCD增大^[15]，故混交林的郁闭度和灌草生物量对土壤有机碳的积累有着明显的促进作用。此外，较高的郁闭度意味着林冠截流作用明显，这可能减少雨水对地表的侵蚀，使表层土壤有机碳避免流失^[16]。

从相关性研究的分析结果可以得出，土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量的变化特征与土壤有机碳密度的变化特征一致，这一结果与曹丽花等^[17]的研究结果相同。师春娟等^[18]的研究表明，相较于纯林，混交林下枯落物中的矿质元素和氮素含量较高，有利于枯落物的分解，提高了氮的可利用性和碳氮的固定，促进混交林SOCD的增大。云杉白桦混交林的土壤中，碱解氮和速效磷的含量显著高于纯林，因此混交林的土壤有机碳密度更高。

根据研究结果，枯落物质量对SOCD的增加有促进作用，王晓峰等^[19]的研究结果与此存在差异，在研究杉木凋落物对土壤有机碳的影响时，王晓峰等发现一种名为激发效应的现象会产生于凋落物的输入过程中，正激发效应通过促进微生物加速土壤有机碳的分解，降低土壤有机碳含量，从而使SOCD下降，而负激发效应则对土壤有机碳分解产生抑制作用。后续将继续开展微生物研究，探讨激发效应对土壤有机碳的影响。

此外，根据本研究分析结果可以得出，研究区土壤有机碳密度与角尺度(P＜0.001)、大小比数(P＜0.01)呈显著负相关关系。这是由于纯林的角尺度和大小比数较混交林更接近于1，林木呈劣势生长状态，从而对土壤有机碳的积累产生不利影响^[20]。

合理的混交方式有利于加速枯枝落叶的分解，增加土壤有机碳，改善土壤环境，从而影响土壤肥力^[21]。在本研究中，云杉白桦混交林的SOCD显著高于纯林，这表明树种混交林更有利于土壤有机碳的积累，这可能是树种混交具有更好的土壤养分储量及土壤养分循环机制，可增加土壤养分的长期积累。

氮、磷、钾是植物生长发育的3大要素，是直接反映土壤肥力强弱的指标^[22]。在本研究中，混交林的碱解氮含量呈现出最高水平，并且SOCD与碱解氮之间存在着极为显著的正相关关系，另外在纯林中，速效磷和速效钾也存在着显著的差异，因而要对土壤肥力品质进行综合全面的评估，力求更加科学、准确地评价土壤质量。后续林分管理过程中，应通过增施有机肥，或增加有机无机复混肥中的氮钾含量来提高土壤肥力。

不同林分的植被层、土壤层和枯落物层指标存在显著差异，上述因素对SOCD的影响方式和作用程度也各不相同。混交人工林综合性质最优，土壤保育能力最强，更有利于土壤有机碳的贮存与累积。因此，在未来的林分结构调控中，大力发展混交林，运用科学的措施进行优化改造，适当对云杉林和白桦林进行补植，提高林分混交程度，增强林分空间异质性，使其发挥出混交林的培肥地力作用，以提高林下SOCD，维持林分稳定和可持续发展。