以CO₂为主的温室气体排放是造成气候变暖和极端天气事件频发的主要原因，减少大气中CO₂的含量已经成为缓解全球变暖趋势的主要途径^[1]。从碳吸收来看，草原、湿地、灌丛和森林是吸收和固定碳的主要生态系统，尤其是森林生态系统，其固碳量可达到80%以上^[2]。森林植物通过吸收大气中的CO₂并将其转化为有机质固定在植被或通过凋落物固定在土壤中。IPCC将森林生态系统碳库划分为5大类，包括地上生物量碳库、地下生物量碳库、枯立木碳库、枯落物碳库和土壤有机质碳库。其中，土壤碳库是大气碳库的3倍，是地上生物量碳库的2.5倍^[3]，也是地球表层系统最大的碳储库，而乔木林地上生物碳库是森林生态系统中最重要的生物质碳库^[4]。

在人工造林、飞播造林、封山育林等不同造林方式中，人工造林具有最大的碳增汇潜力。林分的结构、植被丰富程度、林木胸径、树种组成会对人工林固碳效应产生影响。以往研究^[5]表明，林分结构复杂、植被丰富的混交林在固碳释氧方面优于其他林分。Holtmann等^[6]采用森林模型研究德国落叶混交林胸径大小和树种组成对碳吸收的影响发现中等大小的树木在碳吸收中的贡献最大，林分垂直结构与耐荫性对林分生长量的影响大于树种组成。Dawud等^[7]研究表明树种多样性倾向于增加深层土壤碳储量，以利于碳储存的长期性，而树种同一性则更倾向于影响地上碳储量^[8]。通过模型模拟不同造林情形，结果表明调整人工林林龄结构和林分密度可以进一步加强生态系统碳储量和固碳速率^[9]。

三峡库区是我国重点敏感生态区和长江中下游的生态屏障。但长期以来，重造林、轻经营的营造模式导致人工林质量较差，林分结构失衡，森林碳汇潜力受限。笔者以三峡库区5种典型人工防护林(杉木纯林、马尾松纯林、针叶混交林、阔叶混交林和针阔混交林)为实验对象，通过林分调查，对比不同林分类型的空间结构特征；通过土壤采样，明确纯林和混交林地上乔木层碳库、地下生物量碳库、土壤碳库和枯落物碳库特征，并分析碳密度的影响因素，有助于摸清研究区人工林固碳能力及其影响因子，为区域人工林经营管理，森林碳汇潜力的开发提供理论和依据。

1 研究区概况

研究区位于三峡库区尾端，属于重庆市江津区四面山林区的城郊人工防护林，地理位置为E 106°23′30″~106°28′58″，N 28°31′07″~28°37′14″。研究区森林覆盖率高，占林区总面积的95.41%。该区域属于亚热带季风气候，海拔在500~1 710 m之间，相对高差1 284 m。年均气温13.7 ℃，年均降水量1 522.3 mm，无霜期285 d。土壤为白垩纪夹关祖厚层砂岩风化形成的山地黄壤。森林土壤主要类型是红砂土和红砂泥土。通过对土壤成分进行检验，土壤的pH值集中在4.0~6.1范围，属于酸性土壤，供肥能力相对较差，难以维持森林的生长。整个地区土层厚度大约维持在10~70 cm范围，较厚的地方可以达到120 cm。四面山完好地存续着第三纪以来的植被和距今3.5亿年前的古热带和温热带植物物种。区域内典型的防护林乔木树种有杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superba)、枫香(Liquidambar formosana)、石栎(Lithocarpus glaber)、油松(Pinus tabulaefoemis)；灌木主要有芒萁(Dicranopteris dichotoma)、杜鹃(Rhododendron simsii)等。

2 材料与方法 2.1 样地选取与植被调查

在研究区选取杉木纯林、马尾松纯林、杉木+马尾松针叶混交林、木荷+枫香+石栎阔叶混交林、木荷+马尾松+杉木+枫香+石栎针阔混交林5种典型人工防护林作为研究对象，样地大小为30 m×30 m，编号分别为L1、L2、L3、L4和L5。不同样地基本调查情况如表 1所示。

2.2 土样采集与指标测定

按照随机布设原理，分别在上坡、中坡、下坡各布设3个土壤剖面，进行样点采集，考虑到研究区土层厚度一般为10~70 cm，因此开挖土壤剖面的深度统一为60 cm，所选样点土层厚度均为60 cm以上。以20 cm为一层，每层重复取样3次。土壤密度采用环刀法测定，土壤质量含水量采用烘干称量法测定，机械组成采用马尔文粒度仪测定，有机质的测定采用重铬酸钾外加热法。不同人工防护林土壤物理性质如表 2所示。

2.3 数据处理 2.3.1 林分空间结构特征

选取树种混交度^[10](M_i)，大小比数^[10](U_i)，角尺度^[10](W_i)、聚集指数^[11](R)表征林分空间结构特征，计算方法参照相关文献[10]和[11]。

2.3.2 碳密度

1) 土壤碳密度。某一土层i的有机碳密度C_i计算式为^[12]

$ C_i=S_i D_i E_i\left(1-G_i\right) / 10。$

式中: C_i为第i层土壤有机碳密度，t/hm²；S_i为土壤有机碳质量分数，%；D_i为土壤密度，g/cm³；E_i为土层厚度，cm；G_i为>2 mm的石砾所占的体积分数，%。研究区土壤为粉砂质壤土，根据重庆土壤二普数据^[13]可知该类型土壤0~20 cm中>2 mm石砾比例为12.3%，20~40 cm比例为11.1%，40 cm以下比例为12.3%。

若某一土体的剖面由k层组成，那么该剖面有机碳密度为k层相加。

2) 地上乔木层和地下生物量碳密度。根据不同树种地上和地下生物量模型计算乔木层、地下层生物量(表 3)，根据含碳系数换算各林分乔木层碳密度C_v，地下生物量碳密度C_below。立木生物量模型及含碳系C_above数均根据国标规定的现行立木生物量模型及碳计量参数进行换算。

3) 枯落物层碳密度。

$ C_{\text {litter }}=L_0 C_0 $

式中：C_litter为枯落物层碳密度，t/hm²；L₀为不同林地枯落物密度，t/hm²；C₀为不同林地枯落物含碳率，其中马尾松为0.427，杉木林为0.416，针叶混交林为0.370，针阔混交林为0.351，落叶阔叶林为0.347^[14]。

3 结果与分析 3.1 林分空间结构

从图 1可以看出，各林分类型混交度频率分布。针阔混交林接近极强度混交，阔叶混交林平均混交强度达到0.83，单点混交度达到0.75和1.00的占全林分的90%左右。针叶混交林接近中等混交程度，其中单点混交程度为0.25的超过75%，林分内单种聚集现象较为普遍。马尾松纯林属于弱度混交，由于调查样地马尾松其中零星夹杂着杉木，雪松等针叶树种，从而也改变了马尾松纯林的混交度。杉木纯林林区为三峡库区城郊人工防护林示范林，其中没有夹杂其他的树种，混交程度为0。

全林分胸径平均大小比数介于0.35~0.65之间，针叶混交林(0.65)>杉木纯林(0.51)>马尾松纯林(0.49)>针阔混交林(0.43)>阔叶混交林(0.35)，林分生长趋于亚优势或中庸状态。

从5种典型林分的平均角尺度值来看，针叶混交林和马尾松纯林的角尺度在[0.48，0.52]范围内，为随机分布。杉木纯林(0.55)，阔叶混交林(0.64)，平均角尺度均大于0.52，林木整体为聚集分布。5种林分类型的W_i值集中分布于0.25, 0.50和0.75。

通过对各林分聚集指数的计算得出杉木纯林、阔叶混交林、针叶混交林、马尾松纯林和针阔混交林的R值分别为0.92、0.82、1.08、1.04和0.73；其中针叶混交林和马尾松纯林的R>1.00为均匀分布，其他3种林地类型R < 1.00为聚集分布。

3.2 土壤有机碳质量分数及碳密度特征

5种林分类型土壤有机碳质量分数为0.83~5.25 g/kg(图 2)，随着土壤深度增加有机碳质量分数逐渐降低，不同林分类型的下降幅度有所不同，其中针阔混交林和阔叶混交林有机碳质量分数在土层间的下降幅度显著高于其他3种林分类型(P < 0.05)。在0~20 cm表层土壤中，阔叶混交林和针阔混交林有机碳质量分数显著高于纯林(P < 0.05)，且这种现象在20~40 cm土层中仍然存在。随着土壤深度增加，各类型林地土壤有机碳质量分数差异变小，以针叶混交林和阔叶混交林深层土壤(40~60 cm)中有机碳较为丰富。

由表 4可知，5种人工防护林总碳密度为211.32~305.08 t/hm²，土壤碳密度为91.88~223.25 t/hm²，乔木层碳密度为37.42~86.98 t/hm²。枯落物层碳密度在15.34~43.93 t/hm²之间，其中阔叶混交林枯落物碳密度比杉木纯林和马尾松纯林分别高56.72%和65.08%。马尾松纯林土壤碳密度及总碳密度为5种林分中最高。从图 3各碳库密度占总碳密度比例可知，土壤层>乔木层>枯落物层>地下生物量。土壤层所占比例变化范围为38.34%~73.44%，除阔叶混交林外，其比例均超过一半，马尾松林和针阔混交林超过70%。枯落物层碳密度比例平均为10.20%，其中阔叶混交林枯落物碳密度最大，是其他林地的1.50~3.25倍，其地下生物量碳密度比例也是5种林分中最高。

3.3 碳密度影响因素

乔木层和土壤层碳库是生态系统碳库中的重要组成部分，为探究土壤碳密度、乔木层碳密度的影响因素，将各因素进行相关性分析(表 5)。总体来看，土壤物理性质对有机碳质量分数及土壤有机碳密度具有显著影响，砂粒与土壤碳质量分数呈显著正相关(P < 0.05)，粉粒、黏粒和密度均呈负相关。乔木层碳密度主要与角尺度、聚集指数、大小比数等林分空间结构特征及树高、胸高断面积等非空间结构特征参数呈显著相关。具体而言，混交林乔木层碳密度与角尺度、聚集指数、树高、胸高断面积呈显著正相关(P < 0.05)，纯林乔木层碳密度与大小比数呈显著正相关(P < 0.05)。

为进一步对影响乔木层和土壤层碳密度的因子进行区分，利用回归分析，构建了碳密度与主要因子的模拟关系式(表 6)。

4 讨论

随着土壤深度的增加，研究区各林分类型土壤有机碳质量分数总体呈下降趋势，由于土壤表层枯落物分解使浅层土壤有机碳归还相较于深层多^[14]，有机碳出现表聚现象。三峡库区人工防护林平均碳密度(259.13 t/hm²)与周玉荣等^[15]计算的全国森林生态系统平均碳密度(258.83 t/hm²)相近，但本研究未将灌木及枯立木碳库计入，因此实际碳密度应略高于全国平均水平。研究区地处亚热带地区，雨量充沛，为植被生长提供了良好的条件，其乔木层碳密度68.58 t/hm²高于森林植被平均碳密度57.07 t/hm²，发挥了良好的固碳能力。土壤是该区域森林生态系统的主要碳库，而由于三峡库区降雨集中在6—8月，地表径流的冲刷带走了部分土壤碳^[16]，这可能是土壤层(152.99 t/hm²)碳密度低于全国平均水平(171.21 t/hm²)的主要原因。森林凋落物层是森林生态系统的重要组成部分，三峡库区各林分凋落物层平均碳密度为25.79 t/hm²，远高于全国平均水平(8.20 t/hm²)，凋落物的现存量很大程度上依赖于区域的水热条件及地域特征^[17]。混交林枯落物碳密度高于纯林，阔叶混交林枯落物层碳密度达到针叶纯林的两倍以上。一方面是由于混交林通常比纯林具有更高的物种丰富度与植物残体输入，高度物种多样性可以增加凋落物的数量和种类。另一方面，由于不同林型枯落物分解的难易程度不同，相比于阔叶林树种，针叶林纤维发达，木质素含量高，叶片含有油脂等特定成分使其分解速率更慢^[18]，短期内枯落物达不到半分解或分解状态，使物质循环降低。

土壤有机碳密度的地理分布受气候、植被及人类活动的影响^[12]。研究结果显示，土壤层碳密度主要与土壤机械组成和土壤密度等物理性质有关。土壤砂粒和粉粒为主要固碳组分，细砂粒含量高的土壤，孔隙结构良好，微生物活性较高，根系生长较快，为土壤提供丰富的植物碳源输入，以此促进碳积累^[19]。而林分结构对土壤碳固持无显著影响，乔木层碳密度则主要受林分结构的调控。角尺度与混交林乔木层碳密度呈极显著正相关，说明林分内林木竞争力越强，林木个体相对越集中，单位面积内林木固碳能力越强。大小比数反映林木的竞争关系，大小比数越大林分越不稳定，以往研究表明林木间大小分化越严重，林下根系退化，将导致土壤变紧实，土壤的通气透水性能、有机质含量和抗蚀性能随之变差^[20]，间接影响林分生物量。而本研究中林分大小比数与纯林乔木层碳密度呈显著正相关关系，这是由于林分趋于中庸或亚优势状态，在此范围内，林分间的良性种内竞争对于乔木生长起到积极推动作用^[21]。

林龄结构和林分密度也是影响人工防护林固碳潜力的重要因素，本研究中林分林龄较低。研究表明，随着龄级的增加，碳密度呈上升趋势，中龄林和幼林龄的固碳效益最显著^[22]。未来应增加对于三峡库区不同林分密度，不同林龄结构的人工防护林固碳增汇功能的对比研究，以全面评估区域人工防护林的固碳增汇效益。

5 结论

1) 研究区5种人工防护林林分空间结构为聚集型分布，3种混交林平均混交程度为中度以上，林木胸径大小分化趋于中庸状态。

2) 总体来看，三峡库区人工防护林碳密度达全国平均水平，乔木层固碳能力显著，尤其是马尾松纯林及针阔混交林，土壤固碳功能欠佳。混交林在乔木层和枯落物层固碳方面明显优于纯林。

3) 土壤层有机碳密度受土壤密度和黏粒含量的影响，而林分空间结构主要通过影响乔木种间竞争、分化程度进而影响林分生物量最终达到对乔木层碳密度的调控作用。