竹萬寬，陳少雄，張利麗，王志超，杜阿朋

(國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

不同林齡尾巨桉林地土壤有機碳儲量變化差異

竹萬寬，陳少雄，張利麗，王志超，杜阿朋＊

(國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

為桉樹人工林的土壤質(zhì)量評價提供科學(xué)依據(jù)，研究了不同林齡(1 a、2 a、3 a、5 a、7 a)尾巨桉林地0 ～ 60 cm土壤和枯落物的碳含量及碳儲量，測算了不同林齡桉樹林地葉面積指數(shù)，喬木層、灌木層、草本層和枯落物層生物量。結(jié)果表明：土壤有機碳含量隨土層深度增加而呈降低趨勢，不同林齡0 ～ 20 cm土層有機碳含量差異顯著，不同林齡相同土層之間土壤有機碳儲量差異不顯著；枯落物碳儲量差異顯著，大小順序為：5 a (4.83 t·hm-2)＞7 a (3.89 t·hm-2)＞3 a (2.66 t·hm-2)＞2 a (2.43 t·hm-2)＞1 a (1.56 t·hm-2)；0 ～ 60 cm土層土壤碳儲量與葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與林齡、喬木層生物量、灌木層生物量、草本層生物量、枯落物層生物量之間呈正相關(guān)性，但相關(guān)性都不顯著。

林齡；尾巨桉林；土壤有機碳碳儲量；相關(guān)性

土壤碳庫一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。土壤有機碳庫是地球表層系統(tǒng)中最大最活躍的碳庫之一，其有機碳儲量是大氣碳庫的2倍，陸地生物質(zhì)碳庫的2 ～ 4倍[1]。全球約有1.5萬億t碳以有機質(zhì)形態(tài)儲存于土壤中，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫約占全球土壤有機碳庫的73%[2]，森林土壤有機碳庫的變化對全球碳循環(huán)有重要影響[3]。土壤有機碳(Soil Organic Carbon, SOC)不僅對全球氣候變化有著重要影響，也為植被的生長和繁殖提供了必不可少的碳源，在維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu)方面起了重要作用，是評價土壤肥力的一個重要指標(biāo)。人工林受人類活動影響較大，對林地土壤有機碳的收支平衡有重要影響。

桉樹(Eucalyptus)是世界三大速生樹種之一，也是重要的闊葉硬質(zhì)材之一。目前我國桉樹人工林面積450萬hm2，廣泛分布于廣西、廣東、海南和福建等沿海省區(qū)[4]，在森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中占有重要地位。桉樹林地土壤碳儲量垂直分配特征為探討若干因子影響土壤碳儲量提供科學(xué)依據(jù)。本研究選擇雷州半島5個林齡階段的尾巨桉(E. urophylla × E. grandis) 人工林為研究對象，旨在揭示不同林齡尾巨桉人工林土壤有機碳含量和地表枯落物碳含量的變化、不同林齡尾巨桉林地土壤碳儲量差異及尾巨桉樹林地碳儲量與林齡、葉面積指數(shù)和地表各層生物量之間的相關(guān)性。研究桉樹人工林地下碳儲量的變化規(guī)律及其控制機理，對于提高其經(jīng)營管理水平，增強桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能提供科學(xué)依據(jù)具有重要的意義。

1 試驗地概況

試驗地位于廣東省湛江市南方國家級林木種苗示范基地。地理位置為東經(jīng)111°38′，北緯21°30′，屬于北熱帶濕潤大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，為海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫23℃左右，年降雨量集中在1 200 ～1 700 mm之間，太陽年輻射總量4 240 MJ·m-2，年相對濕度在80%以上。土壤類型主要有淺海沉積物磚紅壤和玄武巖磚紅壤，其次為砂頁巖紅壤、花崗巖磚紅壤，有機質(zhì)含量偏低[5]，pH 4.5 ～ 5.3，土壤肥力屬中等水平，均為緩坡或平地，氣候很適宜桉樹的生長。

本研究中試驗林分別為1 a、2 a、3 a、5 a、7 a共5個不同林齡尾巨桉林地，樹種均為DH32-29無性系，其基本情況見表1。

表1 尾巨桉試驗林基本情況

2 材料與方法

2.1 土壤有機碳含量和地表枯落物碳含量的測定

2015年5月份，在5個不同林齡尾巨桉林地內(nèi)分別設(shè)置3個20 m × 20 m樣地，樣地選擇時要求所選樣地土壤母質(zhì)相同，環(huán)境條件大體相似，以減少環(huán)境因素造成的影響。每個樣地隨機挖取2個土壤剖面，共獲得30個土壤剖面。確定土壤剖面的發(fā)生層次后，分別在剖面深度0 ～ 20 cm，20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm處分層取樣，每層取約200 g土壤樣品裝入密封袋用于測定土壤有機碳，同時每層另取2個環(huán)刀用于測定土壤容重。在每個樣地內(nèi)按對角線等距選取3個1 m × 1 m的樣方，收集樣方內(nèi)的枯落物并稱重，用于測定枯落物碳含量。土壤有機碳含量和枯落物有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法―外加熱法[6]；土壤容重采用環(huán)刀法。

土壤有機碳儲量由土壤有機碳密度確定，本文土壤碳儲量測定深度為0 ～ 60 cm。土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量，單位為t·hm-2或kg·m-2，由于其以土體體積為基礎(chǔ)作計算，排除了面積和土壤深度的影響，因此土壤碳密度已成為評價和衡量土壤中有機碳儲量的一個極其重要的指標(biāo)[7]。某一土層 i的有機碳密度SOCi，kg·m-2)的計算公式為：

若某一土壤剖面由n層組成，則該土壤剖面的總有機碳密度(SOCi，kg·m-2)，計算公式為：

式中，Ci為土壤有機碳含量(g·kg-1)，Di為土壤容重(g·cm-3)，Ei為土層厚度(cm)，Gi為直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。

2.2 地表各層生物量的測定

喬木層生物量的測定采用標(biāo)準(zhǔn)木解析木法，取樣測定其樹葉、樹枝、樹皮、樹干、樹根各部干、鮮質(zhì)量比例，建立各器官及總生物量(W)和樣木胸徑(D)的冪回歸方程(W=aDb)，進(jìn)而推算出喬木層生物量。灌木層、草本層及枯落物層生物量的測定采用“品”字形采樣收集，稱量干鮮質(zhì)量，推算各層生物量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對不同林齡尾巨桉林地的土壤有機碳含量、土壤有機碳儲量、枯落物碳含量進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，比較其差異。利用回歸分析確定土壤碳儲量、葉面積指數(shù)及地表各層生物量之間的相關(guān)性，統(tǒng)計顯著性水平以標(biāo)注為準(zhǔn)。所有數(shù)據(jù)圖表均由M icrosoft Excel 2003/2007處理完成，統(tǒng)計分析由SPSS 19統(tǒng)計分析軟件處理完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡尾巨桉林地土壤有機碳含量和地表枯落物碳含量變化差異

由表2看出，5個林齡桉樹林地土壤碳含量均隨著土層加深而減小。而對于同一土層不同林齡土壤碳含量比較而言，0 ～ 20 cm土層SOC含量差異顯著(P＜0.05)，其大小排序為：7 a＞3 a＞5 a＞2 a＞1 a；不同林齡20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層的土壤碳含量各林齡間差異不顯著(P＞0.05)。對于各土層的平均SOC含量來說，0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm 3個土層的最大值分別出現(xiàn)在7 a (28.20 g·kg-1)、1 a (17.94 g·kg-1)、5 a (13.98 g·kg-1)尾巨桉林分。

另外對于林地枯落物碳含量而言，各林齡之間差異不顯著(P＞0.05)，其碳含量在 480.83 g·kg-1～511.50 g·kg-1之間變化。

表2 不同林齡尾巨桉林地SOC含量和地表枯落物碳含量

3.2 不同林齡尾巨桉林地土壤有機碳儲量的變化差異

從表3可知，不同林齡相同土層尾巨桉林SOC儲量間差異不顯著(P＞0.05)，0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、 40 ～ 60 cm土層SOC碳儲量波動范圍分別為34.33 ～50.16、35.44 ～ 39.93和23.23 ～ 31.08 t·hm-2；0 ～ 60 cm土層1 ～ 7 a 各林齡總有機碳儲量分別為104.60 t·hm-2、95.71 t·hm-2、110.49 t·hm-2、109.92 t·hm-2、112.08 t·hm-2，基本隨林齡的增長而增大。不同林齡枯落物碳儲量差異顯著(P＜0.01)，表現(xiàn)為5 a＞7 a＞3 a＞2 a＞1 a。

表3 不同林齡尾巨桉林地土壤有機碳儲量及枯落物碳儲量變化

3.3 尾巨桉林地土壤碳儲量的影響因素分析

利用0 ～ 60 cm土壤碳儲量與林齡、葉面積指數(shù)及林地各層生物量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明(表4)：0 ～ 20 cm土層碳儲量與林齡、喬木層生物量、灌木層生物量和凋落物層生物量呈正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.356、0.269、0.236和0.186，與林地葉面積指數(shù)和草本層生物量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.32和0.265；20 ～ 40 cm土層碳儲量與林地葉面積指數(shù)、草本層生物量和凋落物層生物量呈正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.096、0.138和0.057，與林齡、喬木層生物量、灌木層生物量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.065、0.041和0.036；40 ～ 60 cm和0 ～ 60 cm土層碳儲量除與林地葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.285和0.314)外，其余均呈正相關(guān)關(guān)系。以上相關(guān)性均不顯著(P＞0.05)。

表4 碳儲量及各因子之間的相關(guān)系數(shù)

4 討論

不同林齡尾巨桉林地SOC總含量波動在16.37～ 19.66 g·kg-1。同一土壤中，隨著土層深度的加深，SOC含量逐漸減少，表明植物根系的分布直接影響SOC的垂直分布，主要是因為根系的代謝活動為土壤提供了碳源。地表植被枯落物也為SOC提供重要碳源，因此枯落物的分解速率也可能造成同一林分各土層SOC含量變化[8]。另外，隨著林齡的增長，地表枯落物的種類和數(shù)量的增加會改變微生物群落的結(jié)構(gòu)[9]，進(jìn)而對枯落物的分解速率產(chǎn)生影響，間接影響土壤有機碳變化。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡0 ～ 20 cm土層的土壤有機碳含量差異顯著，可見林齡對0 ～ 20 cm土層碳含量影響較大。1 a尾巨桉林分SOC含量在0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層變化很小，可能原因是造林時的整地方式改變了土層間SOC的差異，同時整地的深度也會影響土層間的差異[10]。本研究中對林下地表枯落物進(jìn)行的收集和碳儲量測定后發(fā)現(xiàn)，枯落物碳儲量表現(xiàn)為5 a＞7 a＞3 a＞2 a＞1 a。這表明林業(yè)經(jīng)營中較長的生長期會使土壤表層枯落物碳儲量明顯提高，較長輪伐期有利于SOC碳源數(shù)量增加。

0 ～ 60 cm土層土壤碳儲量與葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與林齡、喬木層生物量、灌木層生物量、草本層生物量及枯落物層生物量呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性皆不顯著(P＞0.05)。分層而論，各層土壤碳儲量與各影響因子之間相關(guān)性不顯著(P＞0.05)。土壤碳儲量本身受到各種因素的綜合作用，如氣候因素(降水、溫度等)、土壤理化性質(zhì)、海拔以及人為因素(放牧、開墾等)[11]。因此，各因素之間的相互作用機制是今后研究的重點。

[1] 王大鵬,王文斌,鄭亮,等.中國主要人工林土壤有機碳的比較[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2014,23(4):698?704.

[2] 和學(xué)智,陳先剛,張瑞,等.退耕還林杉木林地土壤有機碳儲量變化特征--以貴州興義市三江口鎮(zhèn)為例[J].林業(yè)資源管理,2015(2):95?99.

[3] 劉姝媛,劉月秀,葉金盛,等.廣東省桉樹人工林土壤有機碳密度及其影響因子[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2010,21(8):1981?1985.

[4] 黃國勤,趙其國.廣西桉樹種植的歷史、現(xiàn)狀、生態(tài)問題及應(yīng)對策略[J].生態(tài)學(xué)報,2014,34(18):5142?5152.

[5] 鐘繼洪,李淑儀,藍(lán)佩玲,等.雷州半島桉樹人工林土壤肥力特征及其成因[J].水土保持通報,2005,25(3):44?48.

[6] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[7] 楊金艷,王傳寬.東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量和碳通量[J].生態(tài)學(xué)報,2005,25(11):2875?2882.

[8] 韓營營,黃唯,孫濤,等.不同林齡白樺天然次生林土壤碳通量和有機碳儲量[J].生態(tài)學(xué)報,2015,35(5):1460?1469.

[9] 王清奎.碳輸入方式對森林土壤碳庫和碳循環(huán)的影響研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(4):1075?1081.

[10] 王謝,李賢偉,范川.林分改造初期整地行為對土壤有機碳、氮和微生物量碳氮及土壤碳庫管理指數(shù)的影響[J].水土保持學(xué)報,2013,27(6):193?198.

[11] 周恒,田福平,路遠(yuǎn),等.草地土壤有機碳儲量影響因素研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2015,31(23):153?157.

Differences in SOC Storage of Eucalyptus urophylla × E. grandis Plantation across Different Ages

ZHU Wan-kuan, CHEN Shao-xiong, ZHANG Li-li, WANG Zhi-chao, DU A-peng
(China Eucalypt Research Centre, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

Soil organic carbon content and storage of the uppermost 60 cm of soil along w ith the carbon content and reserves of litterfall of Eucalyptus urophylla × E. grandis plantations at different ages (1 a, 2 a, 3 a, 5 a, 7 a) were studied to provide the scientific basis for the soil quality assessment and sustainable plantation development. Leaf area index, biomass of the tree, bush, herbaceous and litter layers in eucalypt plantations were measured. The results showed that soil organic carbon content in the uppermost 60 cm of plantation soil decreased as depth in the soil profile increased. In addition, soil organic carbon (SOC) content changed significantly in surface soil (0 ～ 20 cm). No significant differences were found in SOC storage in the one soil layer between different ages. In contrast, differences among carbon storage in litter changed significantly w ith age in the order of: 5 a (4.83 t·hm-2) ＞ 7 a (3.89 t·hm-2) ＞ 3 a (2.66 t·hm-2) ＞ 2 a (2.43 t·hm-2) ＞ 1 a (1.56 t·hm-2). SOC storage was not significantly correlated w ith stand age, leaf area index, biomass of tree layer, bush layer, herbaceous layer nor litter layer. Soil organic carbon storage of the top 60 cm of soil was negatively correlated w ith leaf area index and positively correlated w ith stand age, biomass of tree layer, bush layer, herbaceous layer and litter layer though these correlations were not significant.

stand age; Eucalyptus urophylla × E. grandis plantation; soil organic carbon; correlation

S718.5

A

2015-11-20

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(2014KJCX021－04)；廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(2015-LYPT-DW-006)

收稿日期：竹萬寬(1989— )，男，在讀碩士研究生，主要從事桉樹可持續(xù)經(jīng)營. E-mail:zwk_2015@163.com

＊通訊作者：杜阿朋(1979— )，副研究員，主要從事桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)定位研究. E-mail:dapzj@163.com