李玉鳳，李妹珍，馬姜明，，宋尊榮，莫燕華，楊章旗，陸紹浩

(1.廣西師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新研究院，廣西桂林 541006；2.珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541006；3.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002；4.橫縣鎮(zhèn)龍林場，廣西橫縣 530327)

土壤有機(jī)碳可反映土壤肥力和健康狀況，其積累和分解速率可進(jìn)一步調(diào)控土壤碳儲量及碳庫的動態(tài)平衡，同時對人工林碳循環(huán)及氣候變化有一定指示作用[1]。森林土壤碳儲量在全球土壤碳儲量中的占比達(dá)73%[2]，土壤作為地球上最大的陸地碳庫載體，可通過增加土壤碳儲量來調(diào)節(jié)大氣中的二氧化碳水平。土壤碳儲量受氣候、林齡、土壤特性和地形等多種環(huán)境因子共同影響[1]。林分密度是人工林可持續(xù)經(jīng)營的有效手段之一，密度調(diào)整可實(shí)現(xiàn)針葉林的近自然恢復(fù)轉(zhuǎn)變[3]，通過調(diào)控土壤碳庫的輸入與輸出，可改變土壤有機(jī)碳含量，改善土壤結(jié)構(gòu)；林分密度會影響林分小氣候條件，對人工林生產(chǎn)力及其碳儲量產(chǎn)生影響[4]。

馬尾松（Pinus massoniana）分布范圍廣，蓄積量高，是我國南方重要的用材林樹種及荒山造林的先鋒樹種之一，具有耐干旱瘠薄、速生豐產(chǎn)和適應(yīng)性廣泛等優(yōu)良特性，廣泛分布于廣西和貴州等17個?。ㄊ?、自治區(qū)）[5-6]。目前，關(guān)于不同密度馬尾松人工林的研究主要集中于針葉和根系的化學(xué)計(jì)量特征[7]、凋落物養(yǎng)分動態(tài)變化[8]、根系生物量[9]和水源涵養(yǎng)能力[10]等方面，對土壤碳儲量分配特征的研究較少。本研究以廣西不同林分密度馬尾松純林為研究對象，探討其土壤碳儲量及其分配特征，旨在提升人工林生產(chǎn)力及碳固持能力[11]，為實(shí)現(xiàn)馬尾松林的近自然化經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西橫縣鎮(zhèn)龍林場（109°08′～109°19′E，23°02′ ～23°08′N），地處橫縣北部，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔為400 ～700 m，為低山丘陵地貌。年均氣溫21．5 ℃，最低氣溫-1 ℃，最高氣溫39．2 ℃；年均降水量1 477．8 mm；年均日照時長1 758．9 h。土壤多為紅壤，由細(xì)石英巖和泥質(zhì)粉砂巖發(fā)育而成[6]。

1．2 樣地設(shè)置與調(diào)查

試驗(yàn)林均為1997年?duì)I造的馬尾松人工純林，造林密度分別為6 000 株/hm2（株行距1 m×1．67 m）和2 500 株/hm2（株行距2 m×2 m），當(dāng)前林分密度分別為較高密度林分D1（1 156 株/hm2）和較低密度林分D2（820 株/hm2）（表1）。兩種密度林分僅于第1年進(jìn)行除雜灌草撫育措施兩次，之后未進(jìn)行間伐等處理，利用林木的自疏現(xiàn)象，調(diào)控林分密度[12]。試驗(yàn)林立地條件基本一致，土壤質(zhì)地典型且林木長勢較一致。在兩種密度馬尾松人工林樣地內(nèi)，分別設(shè)置3個20 m×20 m 標(biāo)準(zhǔn)樣方，均為廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院已經(jīng)建立的長期固定監(jiān)測樣地[10]。

表1 兩種密度馬尾松人工林樣地概況Tab.1 Situation of stands in P.massoniana plantations with two densities

1．3 樣品采集與測定

2019年7月，采集土壤樣品，在每個樣方內(nèi)沿對角線設(shè)置3 個取樣點(diǎn)，使用內(nèi)徑為5 cm 的土鉆，按0～20、20 ～40 和40 ～60 cm 的深度采集土壤分析樣品。按四分法取500 g 同層混合土樣，自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)后過60目篩，采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量測定[13]，每個樣品重復(fù)測定3 次。土壤剖面碳儲量的計(jì)算公式為[14]：

式中，SOCD為單位面積土壤剖面碳儲量（t/hm2）；Gi為第i層直徑＞2 mm 的石礫含量（%）；Di為第i層土壤容重（g/cm3）；Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量（g/kg）；Ti為第i土層厚度（cm）。

土壤容重、總孔隙度及土壤含水量等物理性質(zhì)均采用環(huán)刀法進(jìn)行取樣測定[3]。土壤pH 值采用酸度計(jì)測定（水土比2．5∶1），土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，土壤全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法測定，土壤速效磷含量采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[15]。

1．4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22．0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤有機(jī)碳含量、土壤碳儲量與土壤理化特性的相關(guān)關(guān)系；采用Sigmaplot 14．0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤有機(jī)碳含量

土壤有機(jī)碳含量整體表現(xiàn)為較高密度林分D1（13．49 g/kg）顯著高于較低密度林分D2（12．12 g/kg）（P＜0．05），提升了11．30%，含量范圍為7．61 ～23．16 g/kg（圖1）。D1 與D2 在0 ～20 cm 土層中差異極顯著（P＜0．01），在20 ～40 cm 土層中差異顯著（P＜0．05），在40 ～60 cm 土層中差異不顯著。土壤有機(jī)碳含量隨土層深度增加呈下降趨勢，具有垂直分布特征，表現(xiàn)為0 ～20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量顯著高于20 ～40 和40 ～60 cm 土層（P＜0．05）。D1 中，各土層間均差異顯著（P＜0．05）；D2 中，20 ～40 與40 ～60 cm 土層差異不顯著。

圖1 兩種密度馬尾松人工林土壤有機(jī)碳含量Fig.1 Soil organic carbon contents of P.massoniana plan?tations with two densities

2．2 土壤碳儲量

土壤碳儲量整體表現(xiàn)為較高密度林分D1（96．50 t/hm2）顯著高于較低密度林分D2（83．35 t/hm2）（P＜0．05），提升了15．78%，含量范圍為18．87 ～52．35 t/hm2（圖2）。D1 與D2 在0 ～20 和40 ～60 cm土層中差異不顯著，在20 ～40 cm 土層中差異極顯著（P＜0．01）。土壤碳儲量隨土層深度增加呈下降趨勢，表現(xiàn)為0 ～20 cm 土層顯著高于20 ～40 和40～60 cm 土層（P＜0．05）。D1 中，各土層間均差異顯著（P＜0．05）；D2 中，20 ～40 與40 ～60 cm 土層差異不顯著。

D1 和D2 中，土壤碳儲量的分配比例均隨土壤深度增加呈下降趨勢（圖3）。碳主要儲存于0 ～20 cm 土層中，在D1 和D2 中的分配比例分別為54．25%和52．31%，兩者間差異不顯著。在20 ～40 cm 土層中，D1 中土壤碳儲量的分配比例顯著高于D2（P＜0．05）；40 ～60 cm 土層中，D2 極顯著高于D1（P＜0．01）。

圖2 兩種密度馬尾松人工林土壤碳儲量Fig.2 Soil carbon storage of P.massoniana plantations with two densities

圖3 兩種密度馬尾松人工林土壤碳儲量分配比例Fig.3 Percentage of soil carbon storage of P.massoniana plantations with two densities

2．3 土壤有機(jī)碳含量、碳儲量與土壤理化特性的相關(guān)性

D1 和D2 的土壤有機(jī)碳含量和土壤碳儲量與土壤容重分別呈極顯著（P＜0．01）和顯著（P＜0．05）負(fù)相關(guān)（表2）。D1的土壤有機(jī)碳含量和土壤碳儲量與土壤含水量和總孔隙度呈極顯著正相關(guān)（P＜0．01），與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)（P＜0．05），與其他指標(biāo)相關(guān)性均不顯著。D2 的土壤有機(jī)碳含量和土壤碳儲量與土壤容重外其他指標(biāo)的相關(guān)性均不顯著。

表2 兩種密度馬尾松人工林土壤有機(jī)碳含量、碳儲量與土壤理化特性的相關(guān)性Tab.2 Correlation between soil organic carbon content,carbon storage and soil physicochemical properties of P.massoniana plantations with two densities

3 結(jié)論與討論

馬尾松人工林中，較高密度林分D1和較低密度林分D2 的0 ～20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量分別為23．16 和20．14 g/kg，略高和略低于全國馬尾松人工林0 ～20 cm 土層有機(jī)碳含量（22．00 g/kg）[16]。D1 和D2 的0 ～60 cm 土層土壤有機(jī)碳含量分別為13．49和12．12 g/kg，均高于華南地區(qū)馬尾松人工林0 ～60 cm 土層土壤有機(jī)碳含量（11．29 g/kg）[17]以及廣西馬尾松人工林0 ～100 cm土層土壤有機(jī)碳含量（9．95 g/kg）[18]，表明其土壤肥力較高。不同林分密度下，土壤有機(jī)碳含量均隨著土層深度增加呈下降趨勢，與已有結(jié)果一致[19-20]?？赡苁怯捎隈R尾松人工林植被相對豐富，植被凋落物層較厚，分解后形成的腐殖質(zhì)大量積累于表層土壤，表現(xiàn)出明顯的表聚性；還有一個原因是植物根系對促進(jìn)林分土壤表層有機(jī)碳積累有關(guān)鍵作用[17,21]。

兩種密度林分D1 和D2 的土壤碳儲量分別為96．50 和83．35 t/hm2，遠(yuǎn)低于周玉榮等[22]研究中我國森林土壤碳儲量平均水平（193．55 t/hm2），低于長沙馬尾松人工林0 ～60 cm 土層的土壤碳儲量（134．64 t/hm2）[23]。主要原因可能是研究地位于南亞熱帶，有較好的水熱條件及生產(chǎn)力，可促進(jìn)土壤呼吸以及凋落物分解，碳量釋放較多，有機(jī)碳積累較少[24]。

土壤碳儲量隨林分密度的變化趨勢與有機(jī)碳含量一致，兩種密度林分的土壤碳儲量均隨土層深度增加呈下降趨勢，與已有研究結(jié)果一致[11,24]。土壤有機(jī)碳含量及碳儲量總體上表現(xiàn)為較高密度林分D1 高于較低密度林分D2，表明增加林分密度可促進(jìn)土壤碳的保持，對提高林分碳儲量有重要作用。主要原因可能是較低密度林分中林下光照等營養(yǎng)空間充足，土壤原有有機(jī)質(zhì)加速分解，土壤碳儲量降低[4]。這與方晰等[19]、那萌等[4]對廣西不同密度濕地松（Pinus elliottii）及水曲柳（Fraxinus mandsh?urica）人工林土壤碳儲量的研究結(jié)果一致。但與其他馬尾松研究結(jié)果不同[20,25]，可能是由于本研究中林分林齡較大，已達(dá)到郁閉，隨著林分密度的增加，林下光照減少，凋落物等分解速率降低[4]。密度范圍、樹種特性、林齡及環(huán)境因子等的綜合作用會讓土壤碳儲量發(fā)生變化。

土壤中的碳主要儲存于0 ～20 cm 土層（占土壤碳儲量的52．31% ～54．25%），隨土層深度增加呈下降趨勢，表明土壤深度對土壤碳儲量有較大影響，林分密度主要影響土壤表層的碳含量。保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)的完整性，最大程度減少人為干擾，維持有機(jī)碳庫的穩(wěn)定[26]，對提高馬尾松人工林土壤碳儲量有重要意義。

土壤理化性質(zhì)與土壤肥力水平密切相關(guān)。土壤容重是影響土壤有機(jī)碳垂直分布的重要物理性質(zhì)之一，可反映土壤的疏松狀況及通氣性[27]。D1 和D2 的土壤有機(jī)碳含量和碳儲量與土壤容重分別呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)，表明二者均與土壤容重有高度依存關(guān)系。有研究表明，土壤有機(jī)碳含量和碳儲量與土壤含水量及總孔隙度變化趨勢一致[17,27-28]，這與本研究結(jié)果相似，主要原因可能是隨著土壤容重減小，土壤孔隙度變大，土壤通氣狀況和保水保肥性能較好，對于植物根系的生長發(fā)育以及微生物的消化分解有一定促進(jìn)作用，含水量較多的土壤，其輸送的碳含量也相應(yīng)增多[28-29]。土壤有機(jī)碳含量和碳儲量與土壤pH 值為正相關(guān)關(guān)系，可能是由于林分氣候和利用方式等對土壤有機(jī)碳含量和碳儲量產(chǎn)生了重要影響[30]。土壤養(yǎng)分含量對于土壤碳含量和碳儲量有不可忽視的作用；土壤全氮可調(diào)控土壤微生物的活動能力，完成有機(jī)碳周轉(zhuǎn)；磷含量的增加對土壤有機(jī)碳積累有正向促進(jìn)作用；伴隨著枯枝落葉等分解，歸還土壤的養(yǎng)分含量增加，隨著養(yǎng)分循環(huán)累積，人工林土壤的碳固持能力有所提升，進(jìn)而維持其土壤肥力[31-32]。本研究中，土壤有機(jī)碳含量和碳儲量與土壤養(yǎng)分含量均呈正相關(guān)，與前人研究結(jié)果一致[21,30]。

本研究表明，相對D2 密度而言，D1 密度經(jīng)營下林分可獲得較高土壤碳儲量，其土壤固碳能力更突出，適當(dāng)提高林分密度對于增加中齡林分土壤碳儲量有積極作用，是提升馬尾松人工林土壤碳儲量的重要途徑。多種環(huán)境因子協(xié)同作用共同調(diào)控兩種密度馬尾松人工林土壤有機(jī)碳含量及碳儲量，進(jìn)一步改善土壤肥力，增強(qiáng)土壤固碳能力，促使馬尾松人工林朝向近自然恢復(fù)方向發(fā)展。