中国科学院水利部水土保持研究所机构知识库

黄土高原退耕还林还草工程对陆地生态系统碳汇及碳循环具有重要的意义。森林生态系统碳库一般由植被地上部分、地下根系、土壤和凋落物四个部分组成。根系将土壤和大气相连与植物体共同影响生态系统的碳循环，同时植被根系也是深层土壤有机碳库的重要来源。由于深层土壤取样难度大，使得垂直剖面上土壤有机碳和无机碳含量及其分布特征不甚清晰，并且根系测量具有一定难度，费时费力还不一定准确。目前大部分研究都集中于植被地上部分和浅层土壤，而对于植被地下部分和深层土壤的研究相对较少。本研究以黄土高原地区的整个森林生态系统为研究对象，通过碳专项调查资料，共收集了527个地下生物量及背景资料，分析了森林生态系统地下生物量的分布及影响因素；结合黄土高原地区神木、绥德、安塞、长武、富县五个试验点，通过野外深层取样、室内试验处理和数据分析等方法，对10 m深土壤剖面的土壤样品及根系样品进行分析，阐明黄土高原典型区域人工林地土壤有机碳、无机碳的分布特征，分析了不同降雨量、树种、阴坡和阳坡立地条件下土壤碳的差异性，讨论了土壤有机碳和土壤无机碳的影响因素，揭示了深层土壤碳、土壤水分与细根生物量之间的关系，探究了根系有机质和土壤水分对土壤碳储量的影响。研究结果如下：

（1）黄土高原森林生态系统地下生物量的范围在11.99—27.46 Mg/hm²之间；非生物因素对地下生物量起主导作用，其中降雨因子和地形因子影响最为显著；不同土壤类型地下生物量表现出：棕壤>褐土>岩性土；不同森林类型地下生物量由大到小为：针叶林>针阔叶混交林>落叶阔叶林；人类活动和动物活动干扰对地下生物量影响较小且无显著性差异。另外，在分析中发现若影响因素中含经纬度，非生物和生物因素对地下生物量的影响程度分别为68.9%和31.1%；若影响因素中不含经纬度，非生物和生物因素对地下生物量的影响程度分别为81.1%和18.9%，说明经纬度与其他因素高度相关，并显著影响着生物因素和非生物因素对森林生态系统地下生物量的比重。

（2）在土壤垂直剖面上，表层土壤有机碳含量最高，深层土壤无机碳含量略高于表层，因此深层土壤蕴含丰富的无机碳库。黄绵土有机碳含量显著高于风沙土（p<0.05）。在不同土层中，土壤有机碳含量由大到小表现出：表层（0—40 cm）>浅层（40—200 cm）>深层(200—1000 cm)，而土壤无机碳含量分布特征与此相反。土壤有机碳和无机碳垂直分布受降雨影响较大，随降雨量增大（降雨量：神木<绥德<安塞<长武<富县），垂直剖面土壤有机碳含量的变异系数增大。土壤有机碳、无机碳含量在水平和垂直分布上都表现出：富县、长武>安塞、绥德>神木；富县土壤有机碳含量显著高于绥德和神木；不同立地条件下土壤有机碳含量表现出阳坡小于阴坡；无论是阴坡还是阳坡立地，表层土壤有机碳含量在土壤剖面中达到最大值，且随土层加深逐渐减小；刺槐林土壤无机碳含量总体上小于油松林的土壤无机碳含量。综上所述影响土壤有机碳、无机碳含量的是土壤含水量和细根生物量。

（3）深层土壤有机碳含量不仅受植被根系影响，还受到土壤水分限制。土壤有机碳含量和土壤碳总量分布趋势是：自上而下呈现梯度递减趋势。大部分土壤有机碳存在于0—40 cm土层中并且随土层深度增加而减小，40 cm以下土壤有机碳含量处于1.48—2.66 g/kg之间；土壤无机碳含量随土层深度增加缓慢升高，但始终处于0.67—0.94 g/kg之间。刺槐林和油松林土壤水分（SWC）和根系生物量（UBM）与土壤有机碳含量（SOC）之间存在线性关系：SOC<15 g/kg时符合数量关系SOC=0.697 UBM+0.459 SWC（r=0.813）。土壤无机碳含量受诸多因素影响，垂直剖面分布无明显规律。

土壤碳含量受地下生物量影响，研究地下生物量不仅能够反应植被生长状况，还能为陆地生态系统地下碳库的研究提供理论依据。本研究对地下生物量估测的相关研究有一定的意义，能够为估算有机碳作基础，同时为遥感模型提供数据参考。对解释树木如何通过根系适应环境机制方面、提出森林经营管理建议方面也能提供参考。土壤碳分布特征对估测土壤有机碳库和无机碳库提供参考，土壤碳影响因素和预测模型能够为深层土壤碳储量的研究提供理论依据。

关键词：根系生物量，土壤碳，深层土壤，林地，黄土高原