李智超，張勇強(qiáng)，宋立國(guó)，厚凌宇，孫啟武

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)和草原局森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091）

森林土壤是巨大的碳、氮儲(chǔ)存庫(kù)，其碳儲(chǔ)量約為全球土壤碳儲(chǔ)量的73%[1]，氮儲(chǔ)量占森林生態(tài)系統(tǒng)總氮量的85%以上[2]。土壤有機(jī)碳不僅對(duì)土壤質(zhì)量及功能的調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用[3]，其微小變化更能夠引起大氣CO2濃度的改變，從而影響全球氣候變化[4]。氮是植物生長(zhǎng)和發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是植物從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素[5]。土壤碳、氮是維持森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的兩個(gè)重要元素，二者之間相互影響，相互作用。土壤氮會(huì)通過(guò)影響作物生長(zhǎng)來(lái)影響土壤有機(jī)物的輸入量，氮素含量變化也將直接對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而造成土壤有機(jī)碳含量的差異。有機(jī)碳在土壤中的含量和組成情況同時(shí)也會(huì)對(duì)氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生重要影響[6]。土壤碳與氮共同調(diào)節(jié)和維持著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，并且與全球變化密切相關(guān)[7]。因此對(duì)不同類型森林土壤中碳庫(kù)、氮庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化及其調(diào)控機(jī)理研究是了解和預(yù)測(cè)全球氣候變化的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作[8]。

人工林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在改善生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮的作用已得到國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可和關(guān)注[9]。人工林每年可以截獲由化石燃料燃燒所釋放進(jìn)大氣的超過(guò)5.5 Pg 的碳，大部分潛在的全球氣候變暖可以通過(guò)營(yíng)造人工林來(lái)避免[10]。杉木Cunninghamia lanceolata作為中國(guó)特有樹種，已有超過(guò)1000年的種植歷史，種植面積約占中國(guó)人工林面積的30%[11]。江西省是我國(guó)杉木人工林種植的重要省份之一，杉木林占全省森林喬木層總碳儲(chǔ)量的35.53%，其中杉木天然林的碳儲(chǔ)量占46.13%，人工林占53.87%[12]。江西省5～40年生杉木人工林土壤碳儲(chǔ)量占杉木人工林森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的51.09%～92.92%，高于喬木層、枯落物層、草本層和灌木層的碳儲(chǔ)量[13]。目前對(duì)于我國(guó)南方各省的杉木人工林相關(guān)研究很多，主要針對(duì)不同因素對(duì)杉木人工林的土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、土壤微生物以及土壤呼吸的影響[14-17]，杉木人工林地力退化的防治[18]，杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量[19]等。在杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量方面，目前對(duì)于我國(guó)南方省份諸如湖南、福建等地的研究較多[20-24]，對(duì)于江西的杉木人工林碳氮儲(chǔ)量方面研究較少，且目前大部分研究集中于植被層和凋落物層碳儲(chǔ)量[25]，關(guān)于杉木人工林土壤層碳儲(chǔ)量的研究較少，這限制了對(duì)整個(gè)杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的了解，不利于杉木人工林發(fā)展經(jīng)營(yíng)的可持續(xù)性。

我國(guó)杉木人工林造林仍在進(jìn)行，不同發(fā)育階段的人工林隨處可見，了解林木不同發(fā)育階段土壤有機(jī)碳和氮儲(chǔ)量可以幫助我們合理調(diào)整林木密度，管理林下灌草，關(guān)注土壤養(yǎng)分的輸入與輸出，具有重要的生態(tài)學(xué)意義。本文通過(guò)研究江西大崗山5 種不同林齡杉木人工林土壤有機(jī)碳和全氮的變化特征及其影響因素，為揭示杉木人工林土壤碳氮循環(huán)規(guī)律，也為進(jìn)一步研究人工林土壤的固碳功能提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省新余市分宜縣中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，陽(yáng)光充足，氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，全年平均溫度17.2℃，年均降水量1 600 mm，年均無(wú)霜期270 d。土壤為地帶性低山丘陵紅壤、黃壤類型及其亞類，土壤pH 值為酸性。幼齡林林下植被主要有山茶花Camellia japonica，杜莖山Maesa japonica，小葉女貞Ligustrum quihoui，粗葉懸鉤子Rubus alceaefolius，七星蓮Viola diffusa，雙蓋蕨Diplazium donianum，醡漿草Oxalis corniculata，狗脊蕨Woodwardia japonica等；中齡林林下植被主要有海金沙Lygodiaceae、狗脊蕨、土茯苓Smilax glabra，枇杷葉紫珠Callicarpa kochiana，鱗蓋蕨Micrlepia，雙蓋蕨等；近熟林林下植被主要有杜莖山，朱砂根Ardisia crenata，小葉女貞，枇杷葉紫珠，土茯苓，合歡Albizia julibrissin，狗脊蕨，烏蕨Stenoloma chusanum，鐵芒萁Dicranopteris linearis等；成熟林林下植被主要有木荷Schima forrestii，刨花楠Machilus pauhoi，山茶花，杜莖山，狗脊蕨，海金沙，鱗蓋蕨，枇杷葉紫珠，半邊旗Pteris semipinnata，烏蕨，鐵芒萁，小葉女貞等；過(guò)熟林林下植被主要有楓香Liquidambar formosana木荷，狗脊蕨，烏蕨，玉葉金花，杜莖山，粗葉懸鉤子，朱砂根，小葉女貞，雙蓋蕨，鱗蓋蕨，海金沙等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與土壤樣品采集

將杉木人工林按≤10、11～20、21～25、26～35、≥36 a 劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林5 個(gè)林齡級(jí)[26]，于2018年3月在研究區(qū)選取幼齡、中齡、近熟、成熟、過(guò)熟5 種林齡杉木人工林，各圈出3 個(gè)20 m×24 m 的樣地，共15 個(gè)樣地。樣地基本特征見表1。在每個(gè)樣地內(nèi)用土鉆以S 型選定30 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣，將每5 個(gè)點(diǎn)的0～20 cm 土樣和20～40 cm 土樣分別混合后取約1 kg 裝入土壤袋貼好標(biāo)簽，共取得不同林齡不同土層共180 個(gè)土樣。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研磨并過(guò)0.149 mm 篩，編號(hào)待測(cè)。在取樣點(diǎn)附近，用鋼制環(huán)刀（直徑5 cm，容積100 cm3）取原狀土，用以測(cè)定土壤容重等物理性質(zhì)，大于 2 mm 石櫟含量通過(guò)過(guò)篩稱量算得。

2.2 樣品測(cè)定

土壤物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定，土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定。

表1 樣地基本特征Table1 Basic characteristics of sample plots

2.3 土壤碳氮儲(chǔ)量的計(jì)算

單位面積土壤剖面的碳儲(chǔ)量（SOC，t·hm-2）和氮儲(chǔ)量（TN，t·hm-2）的計(jì)算公式為：

式中：Hi為第i層土壤厚度（cm）；ri為第i層土壤平均容重（g·cm-3）；SOCi、TNi分別為第i層土壤的平均有機(jī)碳和全氮含量（g·kg-1）；Si為＞2 mm 礫石平均含量（% ）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理和圖表繪制，SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的單因素方差分析獲得數(shù)據(jù)方差并確定各林分間土壤性質(zhì)的差異性（P＜0.05），回歸分析確定碳氮儲(chǔ)量相關(guān)性 （P＜0.05）及變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡杉木人工林土壤物理性質(zhì)

表2為杉木人工林不同林齡下的土壤物理性質(zhì)?？梢钥闯龈鱾€(gè)林齡杉木人工林土壤容重均隨著土層的加深而增大，但不同土層間容重差異不顯著（P＞0.05）。各林齡土壤容重大小順序?yàn)椋哼^(guò)熟林＞成熟林＞中齡林＞近熟林＞幼齡林，且各林齡間容重差異不顯著（P＞0.05）。土壤毛管持水量除過(guò)熟林0～20 cm 大于20～40 cm 土壤外，其他林齡均為0～20 cm 小于20～40 cm，且差異不顯著（P＞0.05）。土壤田間持水量除幼齡林0～20 cm 小于20～40 cm 土壤外，其他林齡均為0～20 cm 大于20～40 cm 土壤外。土壤含水率和土壤孔隙度的差異性并不明顯。

表2 杉木人工林土壤物理性質(zhì)?Table2 Soil physical properties of the soils under Chinese fir plantations

3.2 土壤有機(jī)碳及全氮含量變化

5 種林齡不同土層土壤有機(jī)碳和全氮含量均隨著土層的加深而減小。不同林齡各層土壤有機(jī)碳和全氮含量之間均存在顯著性差異（P＜0.05）（圖1）。

圖1 不同林齡土壤有機(jī)碳和全氮含量變化Fig.1 Contents of organic carbon and total nitrogen in the soils under under Chinese fir plantations with different ages

在0～20 cm 土層，不同林齡杉木人工林土壤有機(jī)碳和全氮含量的變化一致，大體呈現(xiàn)從幼齡林到近熟林逐漸下降，到成熟林有所上升，到過(guò)熟林又下降的趨勢(shì)。其中，有機(jī)碳含量在幼齡林（26.99 g·kg-1）最高，其次為：中齡林 （26.30 g·kg-1）、成熟林（24.17 g·kg-1）、近熟林（21.89 g·kg-1）、過(guò)熟林（21.71 g·kg-1），且幼齡林、中齡林和成熟林的有機(jī)碳含量與近熟林、過(guò)熟林的有機(jī)碳含量之間差異顯著（P＜0.05）。全氮含量在幼齡林（1.75 g·kg-1） 最高，其次是中齡林（1.63 g·kg-1）、成熟林（1.60 g·kg-1）、近熟林（1.56 g·kg-1）、過(guò)熟林（1.46 g·kg-1）。幼齡林全氮含量與其他4 個(gè)林齡的全氮含量間差異顯著 （P＜0.05），中齡林和成熟林全氮含量與近熟林和過(guò)熟林的全氮含量之間差異顯著（P＜0.05）。由此可知0～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳和全氮含量在幼齡林最高，在中齡林和成熟林較高，在近熟林和過(guò)熟林最低。

在20～40 cm 土層，杉木人工林土壤有機(jī)碳含量大致呈現(xiàn)從幼齡林到中齡林下降，從中齡林到過(guò)熟林又逐漸上升的趨勢(shì)。其中，有機(jī)碳含量在幼齡林（14.88 g·kg-1）最高，其次是過(guò)熟林（13.39 g·kg-1）、成熟林（12.07 g·kg-1）、近熟林（12.05 g·kg-1），中齡林（11.87 g·kg-1），且幼齡林有機(jī)碳含量與其他4 個(gè)林齡有機(jī)碳含量差異均顯著（P＜0.05），中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林有機(jī)碳含量間的差異不顯著（P＞0.05）。另外，土壤全氮含量在不同林齡間大體呈幼齡林到近熟林上升，近熟林到過(guò)熟林下降的趨勢(shì)。全氮含量在近熟林（1.19 g·kg-1）最高，其次是幼齡林（1.05 g·kg-1）、中齡林（1.04 g·kg-1）、成熟林（1.00 g·kg-1）和過(guò)熟林（0.92 g·kg-1），近熟林全氮含量與其他4 個(gè)林齡的全氮含量存在顯著差異（P＜0.05），而幼齡林、中齡林、成熟林、過(guò)熟林之間的全氮含量差異不顯著（P＞0.05）。

3.3 不同林齡杉木人工林土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量特征

由圖2可知，有機(jī)碳儲(chǔ)量和全氮儲(chǔ)量隨著林齡的增加均先降后升。不同林齡杉木人工林有機(jī)碳儲(chǔ)量從大到小依次為：幼齡林（85.38 t·hm-2）＞過(guò)熟林（79.77 t·hm-2）＞成熟林（71.62 t·hm-2）＞中齡林（62.30 t·hm-2）＞近熟林（60.97 t·hm-2）。幼齡林、過(guò)熟林、成熟林這3 個(gè)林齡的有機(jī)碳儲(chǔ)量與中齡林、近齡林這兩個(gè)林齡的有機(jī)體儲(chǔ)量之間存在顯著性差異。

不同林齡杉木人工林全氮儲(chǔ)量從大到小依次為幼齡林（5.83 t·hm-2）＞過(guò)熟林（5.50 t·hm-2）＞成熟林（5.47 t·hm-2）＞近熟林（5.10 t·hm-2）＞中齡林（4.62 t·hm-2）。幼齡林、過(guò)熟林這2 個(gè)林齡全氮儲(chǔ)量與成熟林、近熟林、中齡林的全氮儲(chǔ)量均存在顯著差異，成熟林全氮儲(chǔ)量也與中齡林、近熟林全氮儲(chǔ)量存在顯著差異。由此我們可知，不同林齡杉木人工林土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量在幼齡階段最高，在成熟林和過(guò)熟林階段較高，在中齡林和近熟林時(shí)最低。

圖2 不同林齡0～40 cm 土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量Fig.2 Soil organic carbon storage and total nitrogen storage of 0-40 cm under Chinese fir plantations with different ages

3.4 杉木人工林的碳氮比及儲(chǔ)量關(guān)系

有機(jī)物中碳的總含量與氮的總含量的比叫做碳氮比，本研究中的平均碳氮比僅為10.64，低于微生物利用有機(jī)物的最佳碳氮比25∶1。

對(duì)5 種林齡杉木人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和全氮儲(chǔ)量進(jìn)行線性回歸分析（圖4），結(jié)果表明二者之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（y=10.639x+7.219，R2=0.539，P＜0.001）。

圖3 土壤有機(jī)碳與全氮儲(chǔ)量的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen

4 討 論

4.1 林齡對(duì)杉木人工林土壤容重以及碳氮含量的影響

土壤容重是土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，可反映出土壤的透水、通氣性及根系伸展的阻力狀況[27]。本研究結(jié)果表明隨著林齡的增加，容重基本上呈逐漸增加的趨勢(shì)，且容重對(duì)林齡變化的響應(yīng)不顯著。相關(guān)研究表明，土壤容重是影響土壤溶質(zhì)隨徑流遷移的重要因素之一。隨著土壤容重增大，徑流系數(shù)變大，溶質(zhì)（N，P，K）流失量也隨之增大[28,29]。

在0～20 cm 土層，土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)出完全一致的變化趨勢(shì)，二者均在幼齡林最高，隨著林齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，到成熟林有所升高，之后又下降。在前人針對(duì)不同林齡杉木人工林以及其他林分類型的碳氮含量研究中也有類型結(jié)論[30,31]。這是由于杉木種植初期，煉山對(duì)土壤具有短期激肥效益[32]，且幼齡期杉木還沒(méi)有達(dá)到速生階段，養(yǎng)分消耗較少，所以幼齡林碳氮含量最高。隨著杉木的速生生長(zhǎng)，雖然林下植被的豐富以及凋落物的增多為林地釋放了更多的養(yǎng)分，但杉木自身生長(zhǎng)消耗大量養(yǎng)分，加上土壤質(zhì)量因素如容重增大等使得流失的土壤養(yǎng)分越來(lái)越多，因此從中齡林到過(guò)熟林階段有機(jī)碳和全氮含量大體上逐漸降低。也有一些與本研究不同的研究結(jié)果[33-35]。這可能是這些研究地的初始造林方式、林地土壤質(zhì)量以及后續(xù)經(jīng)營(yíng)方式與本研究不同所致。

在20～40 cm 土層，土壤有機(jī)碳和全氮隨著林齡的增加變化趨勢(shì)不一致。這是因?yàn)橥寥垒^深層氮源主要來(lái)自樣地土壤本身所積累的氮素，而不是生物量中所獲得的氮素，受林型變化的影響較小。有機(jī)碳含量在幼齡林最高，在中齡林和近熟林最低，到了成熟林和過(guò)熟林又有所上升。這說(shuō)明到了成熟林和過(guò)熟林時(shí)期較深層的土壤有機(jī)碳水平有了一些改善。全氮?jiǎng)t隨著杉木林齡的增大先慢慢積累，而到近熟林時(shí)期以后又開始減少。

4.2 林齡對(duì)杉木人工林碳氮儲(chǔ)量以及碳氮比的影響

土壤碳氮儲(chǔ)量隨著杉木林齡的增長(zhǎng)表現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(shì)，即先降低后升高，且幼齡林階段的有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量始終是各個(gè)林齡中最高的。這與以往許多研究者得到的結(jié)果一致[13,25-26,36-38]。而對(duì)貴州杉木人工林的研究表明土壤有機(jī)碳密度隨林齡的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)[20]；黃土丘陵區(qū)刺槐人工林內(nèi)土壤碳氮儲(chǔ)量均隨著林齡的增加而增加[39]；豫西黃土丘陵區(qū)櫟類人工林和側(cè)柏人工林從3年生到45年生土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸增加，到60年生時(shí)有所下降。隨著林齡的增加土壤氮儲(chǔ)量則先減少再增加然后又減少，在45年生時(shí)氮儲(chǔ)量達(dá)到最大[40]。這說(shuō)明在不同的研究區(qū)，不同的樹種、氣候條件以及經(jīng)營(yíng)管理方式均會(huì)對(duì)土壤碳氮儲(chǔ)量產(chǎn)生影響。碳氮儲(chǔ)量的大小取決于有機(jī)碳和全氮含量的多少以及容重的大小，在本研究中碳儲(chǔ)量是從幼齡林到近熟林呈下降趨勢(shì)而后上升，而氮儲(chǔ)量卻是從幼齡林到中齡林呈下降趨勢(shì)而后上升，這是因?yàn)樵?0～40 cm 土層，土壤全氮含量和容重均在近熟林最高，且與其他4 林齡的全氮含量和容重均存在差異顯著，使得氮儲(chǔ)量在近熟林階段獲得了較高的提升。這提醒我們杉木人工林在中齡林和近熟林這兩個(gè)階段皆是碳氮儲(chǔ)量由下降轉(zhuǎn)為上升的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)更應(yīng)該注意避免人為干擾如采伐等，以防破壞有機(jī)物質(zhì)的輸入，增加林地土壤可溶性有機(jī)碳的淋溶，從而不利于碳氮積累[41]。另外，雖然在成熟林和過(guò)熟林階段杉木生長(zhǎng)所需養(yǎng)分多于幼齡林，碳氮的輸入量較大[42]，但土壤有機(jī)碳和其他營(yíng)養(yǎng)元素在長(zhǎng)期的植被恢復(fù)過(guò)程中的積累使得成熟林、過(guò)熟林階段碳氮儲(chǔ)量與幼齡林碳氮儲(chǔ)量之間不存在差異。由此說(shuō)明杉木人工林到了成熟林階段之后的碳氮積累顯著，固氮能力也越來(lái)越強(qiáng)，目前關(guān)于短期人工幼林和成熟人工林在固碳方面究竟誰(shuí)起主要作用還有很多爭(zhēng)議[43]。

回歸分析表明碳氮儲(chǔ)量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，平均碳氮比為10.64。土壤C/N 比值反映土壤有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化和腐殖化程度，土壤中C/N比值越高，土壤有機(jī)質(zhì)被微生物分解得越少，土壤表層累積的有機(jī)碳含量越高[44]?？梢姳狙芯康厣寄玖謨?nèi)的有機(jī)碳易被微生物分解，氮的礦化作用也較強(qiáng)，使得土壤中的有機(jī)碳和氮素難以積累。

5 結(jié) 論

江西大崗山杉木人工林在0～20 cm 土層土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)出完全一致的變化趨勢(shì)，均在幼齡林最高，過(guò)熟林和近熟林較低；在20～40 cm 土層有機(jī)碳在幼齡林最高，到中齡林和近熟林下降，到成熟林和過(guò)熟林又有所上升，而全氮含量則在近熟林最大，在其他林齡下較低。有機(jī)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)由幼齡林到近熟林階段下降，近熟林過(guò)后逐漸積累的規(guī)律，全氮儲(chǔ)量呈現(xiàn)由幼齡林到中齡林階段下降，中齡林過(guò)后逐漸積累的規(guī)律。本研究結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于煉山造林，樹種單一且伴有不同程度人為干擾的杉木人工林來(lái)說(shuō)，其生長(zhǎng)發(fā)育至成熟林階段碳氮的積累量才會(huì)上升至與幼齡林差異不顯著的水平，而有機(jī)碳及全氮含量幾乎一直沒(méi)有改善，這充分說(shuō)明煉山以及單一針葉樹種對(duì)人工林地力的不良影響，今后應(yīng)避免煉山造林，為單一針葉樹種補(bǔ)植鄉(xiāng)土闊葉樹種，以改善林分的樹種組成和結(jié)構(gòu)，促進(jìn)群落結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量的健康發(fā)展。