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)。
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]。
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
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]。
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。
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
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
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
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。