由大气CO₂浓度上升导致的全球气候变暖威胁着人类的生存和发展^[1]。陆地生态系统具有重要的碳汇作用，其中，土壤是储量最大的碳库，其微小变化就会对大气CO₂浓度产生巨大影响^[2]。与地上生物碳库相比，土壤碳库受各种干扰影响更小，周转速率更慢，具有更高的稳定性^[3-4]。人工造林可以显著影响土壤有机碳密度，人工造林能够通过地上和地下凋落物的分解将碳转移至土壤，最后转化成稳定的土壤有机质，是一种有效的固碳途径^[5]。因此，有关人工造林对土壤碳密度影响的研究日益增多，但已有研究^[6-8]的结论不尽相同。多数研究^[9-11]认为，人工造林后土壤碳密度会有明显增加，但也有研究^[12-13]发现，人工造林导致了土壤碳密度的下降。同时，也有研究认为，造林只是改变了碳在不同土壤空间的重新分配，对碳密度并无明显影响^[14-15]。已有研究产生不同结论的原因，可能与研究地域的生态条件、植被状况、造林树种等因素有关，它们影响着土壤的初始条件、林下凋落物的数量和质量以及分解速率，从而对土壤有机碳密度产生影响^[16-18]。明确不同条件下人工造林对土壤有机碳密度的影响，对于通过人工造林提升陆地生态系统的碳汇功能具有重要意义。

河北省御道口牧场地处内蒙古高原与冀北山地的交汇带，与浑善达克沙地接壤，为典型的森林草原过渡带^[19-20]。自1999年以来，河北省实施了“再造3个塞罕坝工程”，御道口地区进行了大规模人工造林，使得该地区的森林覆被率明显增加。但是人工林营造对该地区的土壤有机碳密度有何影响，不同造林树种之间是否有明显差异，这些问题都尚不清楚。为此，本研究以御道口牧场的人工林为研究对象，以未造林地为对照，研究人工造林对土壤有机碳含量及碳密度的影响，为科学认识造林活动对土壤有机碳的影响以及合理营造碳汇林提供科学依据。

1 研究地概况

研究地点位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县御道口牧场管理区，地处北纬40°23′—42°36′，东经116°57′—117°01′。御道口牧场南部与御道口乡毗邻，北部、东部与塞罕坝机械林场相连，属于高原(坝上)丘陵地带，地势东高西低，海拔高度在1 180~1 730 m。气候为寒温带大陆性季风型高原气候，多年平均气温-0.9 ℃，极端最低气温-42.9 ℃，极端最高气温33 ℃，低温天数为150 d，无霜期年平均73 d，年平均降水量461.2 mm。土壤以风沙土为主，约占总面积的65%，其次为灰色森林土，占总面积的20%，其余为沼泽土、草甸土，土层厚度在10—150 cm。该地区为森林草原过渡带，植被类型以为草原为主。该地区植物种类丰富，有50多个科，400多种，优势种有羊草(Leymus chinensis)、克氏针茅(Stipa krylovii)、披碱草(Elymus dahuricus)、无芒雀麦(Bromus inermis)和冰草(Agropyro cristatum)等。为了构筑京津生态屏障、改善区域环境，河北省1999年启动实施了“再造3个塞罕坝林场”项目。在该项目下，御道口牧场进行了大规模的人工造林，主要造林树种为樟子松和华北落叶松^[17]。

2 研究方法 2.1 野外调查及取样

2022年7月于御道口牧场管理区，在进行充分踏查的基础上，选取坡度、海拔等立地条件相似的樟子松人工林和华北落叶松人工林，各设置调查样地32块，样地面积400 m²。同时，在未进行人工造林的地段设置面积为400 m²的对照样地30块，各样地概况如表 1所示。在每一样地进行植被调查和取样。在人工林样地，对乔木层进行每木检尺，调查树高、胸径、林分密度等指标，对于草本层则按照对角线取样法设置1 m×1 m的样方3个，调查地上、地下生物量。在对照样地中，调查植物地上、地下生物量等指标。因对照样地植被状况变化较大，将其分为3组，未造林地Ⅰ，植被状况最好，其平均生物量约为10.28 t/hm²; 未造林地Ⅱ，植被状况中等，平均生物量约为7.66 t/hm²; 未造林地Ⅲ，植被状况较差，平均生物量约为4.89 t/hm²。因调查样地中几乎没有灌木分布，因此未进行灌木调查。在调查样地内，利用对角线法选取3个点挖取土壤剖面，使用环刀分别在0—10 cm, 10—30 cm, 30—60 cm这3个土层进行取样，测定土壤容重; 同时分层采集土壤样品，装入布袋中，用于土壤分析，共取得土壤样品282个。

2.2 室内分析

将取回的土壤样品进行阴干、过筛等处理之后，采用重铬酸钾浓硫酸外加热法测定土壤有机碳含量。

2.3 土壤有机碳密度的计算方法

计算土壤有机碳密度(SOCD)：

$ S_i=C_i \cdot D_i \cdot E_i \times 0.1 $

(1)

式中：S_i表示第i层土壤碳密度(t/hm²)；C_i表示第i层土壤有机碳含量(g/kg)；D_i表示第i层土壤容重(g/cm³)；E_i表示第i层土层厚度(cm)。

2.4 数据统计

使用Microsoft Excel 2021进行数据统计和制图，使用IBM SPSS Statistics 25的单因素方差分析和事后比较邓肯法进行组与组之间的均值比较、显著性分析和相关性分析。

3 结果与分析 3.1 未造林地土壤碳含量与植被生物量的相关关系

由图 1可以看出，未造林地土壤有机碳含量(0—60 cm)与植被生物量呈显著正相关关系(p < 0.001)。未造林地的草本生物量在1.37~17.79 t/hm²，有机碳含量在2.54~60.57 t/hm²。土壤有机碳含量与生物量具有显著正相关关系，说明植被状况对土壤有机碳具有明显影响，同时，可通过地表植被状况来评估土壤有机碳含量的大小。未造林地以草本植物为主，土壤有机碳主要来自草本植物地上及地下部分有机碳的输入，草本植被发育越好，其地上地下生物量越高，由地上凋落物和地下根系输入到土壤的有机碳就越多。

3.2 人工造林对土壤有机碳含量及碳密度的影响

16~20 a华北落叶松人工林和樟子松人工林3个土层土壤有机碳含量均明显高于未造林地Ⅱ和未造林地Ⅲ，但明显低于未造林地Ⅰ(p < 0.05)，华北落叶松人工林的土壤有机碳含量又高于樟子松人工林，且在0—10 cm土层上差异显著(p < 0.05)(图 2)。各土层土壤有机碳密度均表现为：未造林地Ⅰ>华北落叶松人工林>樟子松人工林>未造林地Ⅱ>未造林地Ⅲ，各处理间差异显著(p < 0.05), 0—60 cm土层土壤有机碳密度分别为127.56, 105.26, 75.52, 56.06和31.78 t/hm²(图 3)。

3.3 林龄对土壤有机碳密度的影响

华北落叶松人工林各土层有机碳含量和碳密度均随林分年龄的增加而增加，16~20 a, 21~25 a和26~30 a华北落叶松人工林0—60 cm的土壤有机碳密度分别为105.26, 112.29和159.73 t/hm²(图 4)。与华北落叶松人工林不同，樟子松人工林的土壤有机碳含量和碳密度均随年龄的增加表现为先下降后增加的趋势，6~10 a, 11~15 a，16~20 a和>20 a樟子松人工林0—60 cm土壤有机碳密度分别为79.38, 54.24, 75.52和82.24 t/hm²(图 5)。

3.4 造林地和未造林地的土壤有机碳垂直分布特征

人工林和未造林地土壤有机碳含量均随土层深度的增加而降低，且表层(0—10 cm)土壤有机碳含量显著高于10—30 cm和30—60 cm土层的有机碳含量(p < 0.05)。2种人工林和3种未造林地0—30 cm土壤有机碳密度占到了0—60 cm总量的57%~70%，而30—60 cm只占总量的30%~43%(表 2)。同时，人工林与未造林地土壤有机碳积累量在垂直方向上的分配也有所不同，华北落叶松人工林和樟子松人工林30—60 cm土壤有机碳占比均为42%，未造林地该土层的占比则分别为29%, 35%和37%，这说明，林地深层土壤有机碳所占比例较未造林高，这是由于林木的根系深度更大，能够将更多的碳转移至深层土壤。

4 讨论 4.1 造林对土壤有机碳含量和碳密度的影响

本研究以御道口林草交错区的樟子松人工林和华北落叶松人工林为研究对象，以未造林地为对照，研究了人工造林对土壤有机碳的影响。研究发现，华北落叶松和樟子松两种人工林的土壤有机碳含量和碳密度明显高于植被状况中等的未造林地Ⅱ和植被状况较差的未造林地Ⅲ，但明显低于植被状况较好的未造林地Ⅰ。这说明人工造林对土壤有机碳的影响与初始条件有关，当未造林地初始土壤的有机碳含量和碳密度较低时，人工造林将会提高土壤有机碳含量和碳密度; 当未造林地的初始土壤有机碳含量和碳密度较高时，人工造林在短期内不能提高土壤有机碳含量和碳密度，甚至会导致其下降。这与Hong等^[18]的研究结论一致，他们研究发现，植树造林对土壤有机碳密度的影响取决于土壤本底，在土壤有机碳丰富区域，造林会降低土壤有机碳密度，而在土壤本底有机碳较少区域，造林则会增加土壤碳密度。另外一些研究^[19-20]也表明，土壤有机碳变化与初始土壤有机碳密度呈负相关，土壤有机碳贫乏的土壤更容易获得或储存土壤有机碳，而富含有机碳的土壤则表现出较弱的收益或较强的损失。造林导致土壤有机碳下降的原因包括：①造林活动所产生的土壤扰动促进了土壤有机碳的分解; ②造林后有机质的输入可能导致激发效应，土壤有机碳含量越高，激发效应越显著，从而导致有机碳的损失，土壤有机碳含量越低，激发效应越弱，碳损失越少^[21-23]。同时，本研究中，华北落叶松和樟子松人工林目前还处于中幼龄阶段，随着林分年龄的增加，两种人工林的土壤有机碳含量和碳密度还将继续增加，是否能够达到，甚至超过未造林地Ⅰ的水平，尚需要进一步研究。因此，在实施以增加碳汇为目标的造林项目时，应考虑当地的自然植被条件，在自然植被较好、土壤具有较高碳密度的地段应慎重开展人工造林，而应选择植被状况较差、土壤碳含量及碳密度较低的地段进行造林。

4.2 造林树种对土壤有机碳密度的影响

本研究发现，尽管樟子松人工林和华北落叶松人工林土壤有机碳含量和碳密度均高于未造林地Ⅱ和未造林地Ⅲ，但二者之间具有明显差异，华北落叶松人工林明显高于樟子松人工林。姜玲玲^[24]对比了塞罕坝地区不同林分类型土壤有机碳的差异，发现华北落叶松、云杉人工林的土壤有机碳明显高于樟子松人工林，且其组成也有明显差异。大兴安岭火烧地不同恢复方式下森林土壤有机碳含量也因树种的不同而有明显差异，表现为杨桦林最高，兴安落叶松人工林次之，樟子松人工林最低^[25]。不同人工林土壤有机碳存在明显差异，主要是由于各树种地上地下凋落物产量、功能性状以及周转率的不同导致其向土壤进行的碳输出存在差异^[26]。16~20 a生的樟子松人工林的凋落物积累量和华北落叶松人工林的凋落物积累量分别为9.65和14.54 t/hm², 7 a生华北落叶松林林木0—20 cm深土层根系生物量为165.94 g，同林龄的樟子松则只有80.65 g^[27]，这说明无论是地上凋落物的积累量还是地下根系生物量，华北落叶松都明显高于樟子松，从而导致樟子松人工林土壤有机碳密度明显低于华北落叶松人工林。

4.3 林龄对土壤有机碳密度的影响

本研究中，两种人工林土壤有机碳含量和碳密度随年龄的增加表现出了不同的变化趋势。华北落叶松人工林随年龄的增加呈现逐渐增加的趋势，而樟子松人工林则表现出先下降后增加的趋势。在巴西的Belo Oriente地区，草地营造桉树人工林后第13 a时土壤有机碳密度达到最低，而在33 a后又显著高于原草地^[28]; 湖北省太子山国家森林公园的马尾松人工林的土壤有机碳也出现了先下降后上升的趋势，由6 a生时的15.35 g/kg下降为13 a生时的13.22 g/kg, 29 a生时则升高至18.28 g/kg^[29]; 地处淮河流域黄泛平原风沙区的杨树人工林的土壤有机碳含量从3 a到10 a也呈现出先下降后上升的趋势^[30]。造林后土壤有机碳出现先下降后增加的趋势，其原因在于，在造林的初期，造林活动对土壤的扰动导致了土壤有机碳的损失，同时，由于此时生物量较小，林木通过地表凋落物和根系向土壤输送的有机碳较少，随着林木的生长，其通过凋落物或者根系向土壤转移的有机碳逐渐增加，使得土壤有机碳逐渐增加。

5 结论

(1) 人工造林对土壤有机碳含量和碳密度的影响与初始条件有关，当未造林地的初始土壤有机碳含量和碳密度较高时，人工造林在短期内不能提高土壤有机碳含量和碳密度，甚至会造成土壤有机碳含量和碳密度的下降; 当未造林地的初始土壤有机碳含量和碳密度较低时，人工造林将会使土壤有机碳含量和碳密度升高。

(2) 不同类型人工林土壤有机碳含量和碳密度存在明显差异，华北落叶松人工林的土壤有机碳密度大于樟子松人工林，华北落叶松人工林提升土壤有机碳密度的效果优于樟子松人工林。

(3) 华北落叶松人工林和樟子松人工林土壤有机碳含量和碳密度随年龄的增长变化趋势不同，华北落叶松在各个土层均随林分年龄的增加而增加，樟子松人工林则呈现先下降后上升的趋势。

(4) 通过人工造林来增加碳汇需考虑造林地的初始条件，在自然植被较好、具有较高土壤碳密度的地段不宜进行人工造林，而应选择植被状况较差、土壤碳密度较低的地段进行造林，同时，应选择适宜造林树种。