竹萬寬，陳少雄，張利麗，王志超，杜阿朋

(國(guó)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(jī)碳儲(chǔ)量變化差異

竹萬寬，陳少雄，張利麗，王志超，杜阿朋＊

(國(guó)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(píng)價(jià)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(chǔ)量，測(cè)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(jī)碳含量隨土層深度增加而呈降低趨勢(shì)，不同林齡0 ～ 20 cm土層有機(jī)碳含量差異顯著，不同林齡相同土層之間土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異不顯著；枯落物碳儲(chǔ)量差異顯著，大小順序?yàn)椋? 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(chǔ)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(jī)碳碳儲(chǔ)量；相關(guān)性

土壤碳庫一直以來都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。土壤有機(jī)碳庫是地球表層系統(tǒng)中最大最活躍的碳庫之一，其有機(jī)碳儲(chǔ)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(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)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(jī)碳庫的73%[2]，森林土壤有機(jī)碳庫的變化對(duì)全球碳循環(huán)有重要影響[3]。土壤有機(jī)碳(Soil Organic Carbon, SOC)不僅對(duì)全球氣候變化有著重要影響，也為植被的生長(zhǎng)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(píng)價(jià)土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。人工林受人類活動(dòng)影響較大，對(duì)林地土壤有機(jī)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(guó)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(chǔ)量垂直分配特征為探討若干因子影響土壤碳儲(chǔ)量提供科學(xué)依據(jù)。本研究選擇雷州半島5個(gè)林齡階段的尾巨桉(E. urophylla × E. grandis) 人工林為研究對(duì)象，旨在揭示不同林齡尾巨桉人工林土壤有機(jī)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(chǔ)量差異及尾巨桉樹林地碳儲(chǔ)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(chǔ)量的變化規(guī)律及其控制機(jī)理，對(duì)于提高其經(jīng)營(yíng)管理水平，增強(qiáng)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(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣東省湛江市南方國(guó)家級(jí)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(rùn)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(duì)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(jī)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(zhǎng)。

本研究中試驗(yàn)林分別為1 a、2 a、3 a、5 a、7 a共5個(gè)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(yàn)林基本情況

2 材料與方法

2.1 土壤有機(jī)碳含量和地表枯落物碳含量的測(cè)定

2015年5月份，在5個(gè)不同林齡尾巨桉林地內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m樣地，樣地選擇時(shí)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(gè)樣地隨機(jī)挖取2個(gè)土壤剖面，共獲得30個(gè)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(cè)定土壤有機(jī)碳，同時(shí)每層另取2個(gè)環(huán)刀用于測(cè)定土壤容重。在每個(gè)樣地內(nèi)按對(duì)角線等距選取3個(gè)1 m × 1 m的樣方，收集樣方內(nèi)的枯落物并稱重，用于測(cè)定枯落物碳含量。土壤有機(jī)碳含量和枯落物有機(jī)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(jī)碳儲(chǔ)量由土壤有機(jī)碳密度確定，本文土壤碳儲(chǔ)量測(cè)定深度為0 ～ 60 cm。土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)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(jì)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(píng)價(jià)和衡量土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)[7]。某一土層 i的有機(jī)碳密度SOCi，kg·m-2)的計(jì)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(jī)碳密度(SOCi，kg·m-2)，計(jì)算公式為：

式中，Ci為土壤有機(jī)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(cè)定

喬木層生物量的測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)木解析木法，取樣測(cè)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(cè)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(duì)不同林齡尾巨桉林地的土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)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(jì)分析由SPSS 19統(tǒng)計(jì)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(jī)碳含量和地表枯落物碳含量變化差異

由表2看出，5個(gè)林齡桉樹林地土壤碳含量均隨著土層加深而減小。而對(duì)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?yàn)椋? 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(duì)于各土層的平均SOC含量來說，0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm 3個(gè)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(duì)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(jī)碳儲(chǔ)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(chǔ)量間差異不顯著(P＞0.05)，0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、 40 ～ 60 cm土層SOC碳儲(chǔ)量波動(dòng)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(jī)碳儲(chǔ)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(zhǎng)而增大。不同林齡枯落物碳儲(chǔ)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(jī)碳儲(chǔ)量及枯落物碳儲(chǔ)量變化

3.3 尾巨桉林地土壤碳儲(chǔ)量的影響因素分析

利用0 ～ 60 cm土壤碳儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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?yàn)楦档拇x活動(dòng)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(zhǎng)，地表枯落物的種類和數(shù)量的增加會(huì)改變微生物群落的結(jié)構(gòu)[9]，進(jìn)而對(duì)枯落物的分解速率產(chǎn)生影響，間接影響土壤有機(jī)碳變化。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡0 ～ 20 cm土層的土壤有機(jī)碳含量差異顯著，可見林齡對(duì)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(shí)的整地方式改變了土層間SOC的差異，同時(shí)整地的深度也會(huì)影響土層間的差異[10]。本研究中對(duì)林下地表枯落物進(jìn)行的收集和碳儲(chǔ)量測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，枯落物碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為5 a＞7 a＞3 a＞2 a＞1 a。這表明林業(yè)經(jīng)營(yíng)中較長(zhǎng)的生長(zhǎng)期會(huì)使土壤表層枯落物碳儲(chǔ)量明顯提高，較長(zhǎng)輪伐期有利于SOC碳源數(shù)量增加。

0 ～ 60 cm土層土壤碳儲(chǔ)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(chǔ)量與各影響因子之間相關(guān)性不顯著(P＞0.05)。土壤碳儲(chǔ)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(jī)制是今后研究的重點(diǎn)。

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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(xiàng)(2014KJCX021－04)；廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)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(yíng). 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