范曉暉

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廣西桉樹人工林土壤有機碳密度及其影響因子研究

范曉暉

(寧德市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，福建 福安 355017)

本研究利用條件拉丁超立方抽樣方法在廣西高峰林場的桉樹人工林地內(nèi)布設(shè)采樣點，并運用決策樹分析方法分析影響因子與桉樹人工林土壤有機碳密度的關(guān)系，旨在找出主導(dǎo)因子。研究結(jié)果表明：本研究區(qū)的桉樹人工林土壤0 ~ 50 cm有機碳密度均值為7.7 kg·m-2，屬于中等水平；影響本研究區(qū)桉樹人工林土壤有機碳密度的主導(dǎo)因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率。

土壤有機碳密度；決策樹；桉樹人工林；影響因子

全球氣候變化是當(dāng)前國際社會普遍關(guān)注的重大環(huán)境問題，是人類社會目前面臨的重大威脅之一。大量研究表明，發(fā)揮陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能是緩解、應(yīng)對這一問題的有效途徑[1-4]。因而，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳存儲及收支平衡是全球氣候變化研究中的熱點[5-10]，其中陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤的碳儲量相對較大。據(jù)估計，全球土壤碳儲量約為1 500 Pg(10億噸)，是植被碳儲量的3倍、大氣圈碳儲量的2倍[1,5]。而森林土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的73%[5,9]。因此，國際社會對森林碳儲量變化、森林碳匯給予了很大關(guān)注[8]。大量的研究表明：人工造林可以增加森林土壤碳儲量[1, 4,7-9]。

桉樹()是世界主要速生樹種之一，在我國華南地區(qū)種植廣泛。廣西作為桉樹的主要種植區(qū)，至2016年桉樹人工林的面積約為2.0í106hm2[11]。有研究認(rèn)為，如果長期管理不善，種植桉樹在一定程度上會引發(fā)水土流失、土壤肥力退化等問題[12-15]。因此，桉樹人工林地對林下土壤的碳儲量會產(chǎn)生一定影響。為了準(zhǔn)確了解影響桉樹人工林地土壤碳儲量的原因，本研究在廣西國有高峰林場選取桉樹人工林地為研究區(qū)，在不同地形部位和空間距離上，采集土壤樣本進行分析，目的在于揭示桉樹人工林土壤有機碳儲量的主要影響因素，為精確估算桉樹人工林地土壤碳儲量提供理論依據(jù)，并為發(fā)揮人工林的生態(tài)固碳作用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西南寧市廣西國有高峰林場林業(yè)示范基地內(nèi)(22°57′8″ ~ 22°58′41″ N，108°20′57″~ 108°21′54″ E)，研究區(qū)面積約為3.03 km2。年均降水量1 300.6 mm，年均氣溫為21.6℃，年均屬于南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。土壤母質(zhì)以沉積巖系為主，土壤類型為赤紅壤[16-17]；研究區(qū)以種植尾巨桉人工林為主，林下植物主要有鐵芒箕、毛桐、木姜、五節(jié)芒、半邊旗、鹽膚木等[18]。

2 材料與方法

2.1 土壤采樣及實驗分析

本研究將地形因子設(shè)定為條件變量，運用條件拉丁超立方抽樣法布設(shè)50個樣點[19]，樣點位置見圖1。但是在實際的采樣中，有些樣點位置受到自然環(huán)境的限制無法采樣，最終有效樣點數(shù)41個。土壤有機碳含量使用重鉻酸鉀容量法測定；土壤總孔隙度及土壤飽和含水量測定采用環(huán)刀烘干法[20]。本文運用Arcgis10軟件，建立研究區(qū)的DEM(圖1)，同時提取出采樣點位置上的坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率等數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)數(shù)字高程圖(DEM)及采樣點概況圖

2.2 土壤有機碳密度計算方法

本文應(yīng)用公式(1)計算0 ~ 50 cm土壤有機碳密度[21]：

式中：為土壤的有機碳密度(kg?m-2)，為土壤有機碳含量(g?kg-1)，為土壤容重(g?cm-3)。

2.3 土壤有機碳密度的影響因子分析

用Weka軟件對土壤有機碳密度的影響因子進行決策樹分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響因子

用Arcgis10軟件提取采樣點上的坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率等地形因子數(shù)據(jù)，對0 ~ 50 cm土壤的土壤總孔隙度和土壤飽和含水量數(shù)據(jù)進行基本統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。由表1可知，研究區(qū)坡度較陡，平均坡度27.56°；海拔數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為16.22%，屬中等變異；平面曲率和剖面曲率具有極強的變異性，樣點所包含的坡形類型豐富；說明樣點代表性較強。另外，土壤總孔隙度和土壤飽和含水率的變異系數(shù)分別為12.58%和12.99%，屬于中等變異。

表1 研究區(qū)樣點的影響因子基本數(shù)據(jù)

3.2 桉樹人工林地土壤有機碳密度

通過分析得到各采樣點土壤的有機質(zhì)數(shù)據(jù)，按照公式(1)計算土壤有機碳密度，同時進行基本統(tǒng)計分析，并將0 ~ 50 cm土層的土壤有機碳密度分為5個等級[22](表2)。由表2可知，桉樹人工林地50 cm土層的土壤有機碳密度差異較大，最小值僅為3.25 kg?m-2，而最大值可達10.72 kg?m-2，兩者相差7.47 kg?m-2。此外，研究區(qū)50 cm土層的土壤有機碳密度主要集中分布在C1(<7 kg?m-2)和C2(7 ~ 8 kg?m-2)，兩個等級占總樣點的68.29%，而隨著等級的升高，所占比例逐漸減少，說明研究區(qū)整體上土壤有機碳密度含量偏低。

表2 桉樹人工林地土壤有機碳密度基本情況

3.3 影響因子與土壤有機碳密度的關(guān)系分析

本研究依據(jù)0 ~ 50 cm土層的土壤有機碳密度劃分的等級，利用Weka軟件進行決策樹分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，從決策樹圖的整體上分析看，本研究選取的影響因子除土壤飽和含水量外，其他都被選入決策樹分裂結(jié)點，海拔被用于第一個節(jié)點處來分裂樹，位于第二個節(jié)點是土壤總孔隙度和剖面曲率；因此，本研究區(qū)影響0 ~ 50 cm土層土壤有機碳密度的主導(dǎo)影響因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率。此外，隨著決策樹節(jié)點遞減，影響因子分別是平面曲率、坡度和坡向。說明本研究選取的影響因子除土壤飽和含水量外都均與0 ~ 50 cm土壤有機碳密度存在一定的關(guān)聯(lián)性，但影響的程度有所不同。

注：Alt:海拔；Por:土壤總孔隙度；Prc:剖面曲率；Plc:平面曲率；Slo:坡度；asp:坡向；

4 討論

本研究區(qū)的桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機碳密度的均值為7.7 kg?m-2，要高于劉姝媛等[23]研究的廣東省桉樹人工林有機碳密度(6.67 kg?m-2)，低于張舒峻等[24]研究粵西的桉樹人工林的有機碳密度(10.96 ~ 11.01 kg?m-2)，屬于中等水平。桉樹人工林土壤有機碳密度值存在一定的地區(qū)差異性，可能主要來自兩個方面：第一，區(qū)域環(huán)境因子影響的差異性。本研究桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機碳密度的主導(dǎo)因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率，而劉姝媛等[23]研究結(jié)果表明廣東地區(qū)桉樹人工林土壤有機碳密度的主導(dǎo)因子為土壤毛管孔隙度、毛管持水量和pH值；第二，土層厚度計算不同。本研究主要探討的是桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機碳密度，而張舒峻等[24]是將0 ~ 50 cm土層分為A、B兩層進行計算。

本研究桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機碳密度的主導(dǎo)因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率。這主要是因為不同的海拔高度對自然的降水、光和熱等進行重新分配，導(dǎo)致桉樹人工林土壤的水分及溫度差異，從而影響土壤中微生物的活躍度和林下植被的種類數(shù)量及其分布等；其次是因為疏松多孔的土壤和較好濕度的土壤促進植物根系的生長和有利于土壤中微生物的活動；另外，土壤中物質(zhì)和能量流動的速度也影響土壤微生物和土壤有機物質(zhì)的積累[25]。通過這些因素的相互影響、相互作用，進而影響桉樹人工林土壤有機物質(zhì)的分解速率和土壤有機碳的積累。

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，影響土壤有機碳密度的因素很多[23-24]，本研究僅討論了基本地形因子坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率，土壤物理指標(biāo)土壤總孔隙度和土壤飽和含水量，未來將進一步研究其他環(huán)境因子和土壤理化指標(biāo)與桉樹人工林土壤有機質(zhì)碳密度的關(guān)系。

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Soil Organic Carbon Density and Factors Affecting This inPlantations in Guangxi

FAN Xiao-hui

()

This study examined soil carbon densities ofplantations in Gaofeng Forest Farm in Nanning, Guangxi. A conditional Latin hypercube sampling method was employed to design a soil sampling strategy and then the decision tree analysis method was used to analyze the relationships between site factors and soil organic carbon density, with a view to finding the main factors influencing this soil trait. The results showed that the average soil organic carbon density of the 0 ~ 50 cm soil layer underplantations was 7.7 kg?m-2, which is considered to be of a medium level. The main factors affecting soil organic carbon density were altitude, soil total porosity and profile curvature.

soil organic carbon density; decision tree;plantation;affecting factors

S714.5

A

范曉暉(1990— )，碩士，主要從事土壤質(zhì)量、土壤與植物營養(yǎng)及高效生態(tài)栽培等研究，E-mail:mdny9010@163.com.