朱曉武，吳悅宏，紀燕玲，肖澤鑫，柳澤鑫

(汕頭市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 汕頭 515041)

自工業(yè)革命以來，由于人類進行各類生產(chǎn)活動，尤其是化石燃料的燃燒等，大氣中CO2的質(zhì)量分數(shù)升高，嚴重影響到了人類的生活發(fā)展[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，不僅維持著大量的植被碳庫(約占全球植被碳庫的86%)，也維持著巨大的土壤碳庫(約占全球土壤碳庫的73%)[2]。造林主要通過增加林木生物量和改變土壤碳來影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量[3]。造林雖然對土壤碳儲量的影響相比生物量要小得多，但由于土壤庫容量大，土壤中儲存的碳大約是植物的1.5—3倍[4]，因此造林導(dǎo)致土壤碳庫儲量較小幅度的變化，都會影響到人工林的凈碳積累，最終影響大氣中CO2的水平。因此，通過造林來增加土壤碳匯功能及潛力，對于緩解全球氣候變化具有重要的意義[5-7]。

目前，已從森林碳儲量的估算[8-9]、分布格局[10]、土壤碳含量特征[11]以及樹種的含碳特征[12]等方面開展了較多的研究，但針對土壤碳含量特征的研究主要集中在對現(xiàn)有的成熟林分，如劉延惠等[13]對10年生以上的落葉松人工林的土壤有機碳含量進行比較分析。自2009—2018年以來，我國每年的造林面積均超過了533萬hm2，并且造林面積逐年增長[14]。粵東地區(qū)的優(yōu)良造林樹種較多，但從碳匯角度科學(xué)合理選擇優(yōu)良造林樹種的研究較少，因此，開展不同配置模式造林的碳匯能力研究對于指導(dǎo)碳匯造林、提高碳匯造林效率有重要的意義。本研究通過探討不同樹種配置模式對土壤碳的影響，為當(dāng)?shù)氐奶紖R造林設(shè)計和碳匯能力的評價提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于汕頭市潮南區(qū)隴田鎮(zhèn)崎汀山，地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性氣候。夏長冬短，無霜期長，日照充足，雨量充沛，四季常青。年平均氣溫21.6 ℃，日照時數(shù)2 191 h。年平均降水量1 700 mm左右，雨季多集中在4—9月。山地成土母巖主要為花崗巖和砂巖，自然土壤以赤紅壤為主。土壤長期受熱帶風(fēng)暴吹襲和雨水沖刷，有機質(zhì)含量少，土層薄，石質(zhì)含量高，土壤總體肥力狀況差，屬生態(tài)區(qū)位重要和生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)。由于長期人為干擾和破壞，原始植被已不復(fù)存在，原始次生植被也少見。主要植被類型有鴨腳木(Scheffleraoctophylla)、崗茶(Euryachinensis)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、地稔(Melastomadodecandrum)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)，無喬木。

1.2 試驗區(qū)設(shè)置

參考《廣東省林業(yè)碳匯計量研究與實踐》[15]，篩選以鄉(xiāng)土樹種為主且生長表現(xiàn)較好的樟樹(Cinnamomumcamphora)、華潤楠(Machiluschinensis)、木荷(Schimasuperba)、馬占相思(Acaciamangium)、臺灣相思(A.confusa)、米老排(Mytilarialaosensis)、木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、紅錐(Castanopsishystrix)、水翁(Syzygiumnervosum)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)、火力楠(Micheliamacclurei)、秋楓(BischofiajavanicaBL.)等12個樹種，按各樹種數(shù)量設(shè)計5個配置模式，即配置模式1：臺灣相思40%+木荷40%+馬占相思10%+樟樹10%；配置模式2：華潤楠25%+紅錐25%+樟樹20%+米老排10%+木麻黃10%+水翁10%；配置模式3：馬占相思30%+華潤楠25%+山杜英25%+木麻黃10%+臺灣相思5%+樟樹5%；配置模式4：火力楠30%+秋楓20%+馬占相思20%+臺灣相思10%+米老排10%+木麻黃10%；配置模式5：臺灣相思20%+木荷20%+樟樹20%+木麻黃20%+火力楠15%+水翁5%。

試驗于2016年開始，將試驗點分成6個區(qū)域，每個區(qū)域2.7 hm2，種植密度為1 110株/hm2，按配置模式隨機選取分別種植在5個區(qū)域，另1區(qū)作為對照，保留其植被原始狀態(tài)。由于缺乏造林前土壤碳含量相關(guān)數(shù)據(jù)，此次研究采用試驗區(qū)與未造林區(qū)作對比[7]。

表1 試驗區(qū)概況

1.3 樣品采集與處理

于2020年5月，分別在每個區(qū)域隨機選取3個20 m×20 m的樣方，共樣地18個，每個樣地內(nèi)按“品”字型采樣法選取采樣點3個，清除地面凋落物，每個采樣點分別按照土層深度0—20，20—40，40—60 cm共3層采集土壤樣品。每層取環(huán)刀1個、小鋁盒1個，用環(huán)刀法測定[16]計算土壤容重。每層取土樣500 g，共計樣品162個，帶回實驗室。將采集的土壤樣品自然風(fēng)干后碾碎，以四分法取適量樣品過100目篩后測定土壤全碳含量。

1.4 含碳量測定與碳儲量計算

土壤全碳含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法[16]測定。

土壤碳儲量計算公式[17]:T(Mg C/hm2) =∑0.1Ei×Di×Ci(1-Gi)

式中，Ei代表第i層土層厚度(cm) ；Di代表第i層土壤容重(g/cm3) ；Ci代表第i層土壤全碳含量(g C/kg)；Gi代表第i層直徑大于2 mm的石礫所占的體積分數(shù)(%)；0.1為單位換算系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種配置模式對土壤容重的影響

結(jié)果見表2。由表2可知，在土壤層0—20 cm，試驗區(qū)土壤容重顯著低于對照區(qū)(P<0.05)，配置模式2，3，4，5之間土壤容重?zé)o明顯差異(P>0.05)；土壤層20—40 cm，對照區(qū)與各試驗區(qū)間均差異顯著(P<0.05)。而土壤層40—60 cm，5種配置模式與對照間均無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同樹種配置模式對土壤容重的影響

2.2 不同樹種配置模式對土壤全碳含量的影響

不同土層深度的土壤碳含量各不相同(見表3)，大小順序為土層深度0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm，說明土壤碳含量隨著土層深度增加逐漸降低；在5個配置模式下，土層深度0—20 cm的碳含量與土層深度20—40 cm、40—60 cm差異顯著(P<0.05)，而土層深度20—40 cm與土層深度40—60 cm之間差異不顯著(P>0.05)；對照區(qū)3個不同土層深度的全碳含量差異不顯著。

不同樹種配置模式下，在土壤層0—20 cm，對照分別與配置模式1，2，3，4，5之間的土壤碳含量之間差異顯著(P<0.05)，土壤碳含量大小順序為：配置模式3>4 >2 >5 >1 >對照；在土壤層深度20—40 cm，對照與配置模式2，3，4，5之間的碳含量差異顯著，與配置模式1之間差異不顯著，土壤碳含量大小順序為：配置模式2>5 >4 >3 >1 >對照；在土壤層深度40—60 cm，對照與配置模式1之間差異不顯著，與配置模式2，3，4，5之間差異顯著。

表3 不同樹種配置模式對土壤全碳含量的影響

2.3 不同樹種配置模式對土壤碳儲量的影響

由表4可知，在土壤層深度0—20 cm，對照與各配置模式之間土壤碳儲量差異顯著(P<0.05)，土壤碳儲量大小順序為：配置模式3>4 >2 >1 >5 >對照；在土壤層深度20—40 cm，對照與配置模式1之間無明顯差異(P>0.05)，與配置模式2，3，4，5之間差異顯著，土壤碳儲量大小順序為：配置模式2 >4 >5 >3 >1 >對照；在土壤層深度40—60 cm，土壤碳儲量對照與配置模式1之間差異不明顯，與配置模式2，3，4，5之間差異顯著。土壤總碳儲量大小順序為：配置模式2>4 >3>5>1>對照，各配置模式與對照之間總碳儲量差異顯著。

表4 不同樹種配置對土壤碳儲量的影響

3 結(jié)論與討論

土壤碳儲量在土層深度0—20 cm最高，且隨著土層的深度增加碳含量逐漸減小，與大多研究結(jié)果一致[18]。這是由于凋落物在土壤表層的集聚作用以及植物的根系集中分布在土壤表層[19]，深層土壤中的有機質(zhì)主要依靠土壤表層凋落物的分解經(jīng)淋溶作用下移，有機質(zhì)含量自上而下逐漸減小[20]。而植物的根系主導(dǎo)著深層土壤碳的分布與循環(huán)，黃林等[21]研究表明：根長密度隨土層深度的增加呈遞減趨勢，根長密度越大，不僅土壤容重減小，土壤性狀得到改良，而且土壤有機碳積累增加。因此土壤碳含量隨土壤深度增加表現(xiàn)為逐漸減小。而在深度土層0—20 cm，配置模式2，3，4的碳儲量顯著高于配置模式1，5，這可能是配置模式3和4的臺灣相思+馬占相思的數(shù)量總分數(shù)分別為35%和30%，因此配置模式3，4下根系生長較快，根系分泌作用較強，而配置模式2米老排+紅錐的數(shù)量總分數(shù)為35%，凋落物產(chǎn)量較高，因此配置模式2，3，4碳儲量表現(xiàn)較高。而土層深度20—40 cm，配置模式2，4，5碳儲量顯著高于配置模式1和3，配置模式3碳儲量反而較低。在土層深度40—60 cm，配置模式3碳儲量亦顯著低于配置模式2，4，5。有研究認為造林可以導(dǎo)致土壤碳在不同土壤深度的重新分配[22]，這是否導(dǎo)致配置3碳儲量在土層深度20—60 cm表現(xiàn)較低，有待進一步分析論證。

本研究認為，5種配置模式下，土壤碳儲量均顯著高于對照區(qū)，而相關(guān)研究表明，在熱帶地區(qū)，造林初期土壤碳儲量通常是先下降或是沒有明顯影響[23-24]。這與本次研究結(jié)果表現(xiàn)不一致。原因可能是凋落物和植物根系分泌作用與森林土壤碳積累的關(guān)系密切[25]。造林前，林地主要以草本和灌木為主，且林地大量裸露，試驗地點長期受到風(fēng)暴吹襲和雨水的沖刷，使得碳及養(yǎng)分等流失嚴重，林地退化。一方面隨著植被的恢復(fù)，裸露面積減小，地表的徑流侵蝕作用減弱，地表凋落物流失減少，植物的根系也得到一定程度的保護，土壤碳及養(yǎng)分的流失減少，且土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土壤質(zhì)量改良，土壤容重降低[26]，試驗區(qū)土壤容重顯著小于對照區(qū)，土壤孔隙度增大，通氣性好，增強土壤的保水保肥性能并有利于微生物的活動[27]；另一方面造林能促使大量的凋落物進入土壤層，經(jīng)微生物分解作用，土壤碳積累增加。此外，氣候(降雨和氣溫)條件也能影響土壤碳積累的速率，土壤碳積累速率隨溫度和濕度的增加而增加[28]。試驗區(qū)年平均氣溫21.6 ℃，年降雨量1 700 mm，因此，土壤碳積累的速率較快。臺灣相思和馬占相思是豆科合歡屬植物，根系發(fā)達具有根瘤菌，能進行固氮作用，并促進根系的生長，增加根系生物量，提高土壤碳積累[29]。

不同樹種配置模式之間土壤總碳儲量大小順序為：配置模式2 >4 >3 >5 >1，配置模式1總碳儲量顯著低于其余各配置模式。這可能與物種多樣性不同有關(guān)[30]。不同生態(tài)位以及互利共生的樹種相互搭配，對資源(光照、水分和養(yǎng)分等)利用存在時空和需求上的差異，從而產(chǎn)生互補作用，導(dǎo)致植物多樣性越豐富，對有限的資源的利用空間也就越大[31]。除了配置模式1的混交樹種為4種，其余4個配置模式混交樹種為6種。有研究表明，隨著物種多樣性的增加，土壤碳儲量增加[32]。也有研究發(fā)現(xiàn)多物種混交能增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進土壤結(jié)構(gòu)性狀的穩(wěn)定，進而降低土壤有機碳的分解[33]。同時，植物多樣性的增加能增加凋落物的種類，改變微生物的數(shù)量和種類，增加土壤碳積累[34]。此外，紅錐為優(yōu)良速生樹種，凋落物多且易分解，土壤碳儲量較高[35]。唐靚茹等[36]通過對紅錐4種林型的土壤理化性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)紅錐+米老排和火力楠+紅錐混交林能顯著增加土壤有機碳及微生物生物量碳，這也可能是配置模式2和4碳儲量表現(xiàn)較高的原因。而配置模式2，3，4，5之間總碳儲量無明顯差異，這可能是由于本次研究的造林時間較短，而土壤的碳周轉(zhuǎn)率較慢，土壤的碳變化要經(jīng)過一個漫長的轉(zhuǎn)變過程[37]，也就導(dǎo)致這4個配置模式目前并沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，但可以肯定的是此次采用的速生+鄉(xiāng)土樹種的配置模式有助于增加土壤碳儲量。

綜上所述，不同配置模式下碳匯造林碳儲量顯著增加，但各配置模式間的差異并不明顯。從目前總的碳儲量表現(xiàn)來看，配置模式2，4(樟樹20%+華潤楠25%+米老排10%+木麻黃10%+紅錐25%+水翁10%以及臺灣相思10%+馬占相思20%+米老排10%+木麻黃10%+火力楠30%+秋楓20%)的土壤碳儲量表現(xiàn)較高，碳匯能力初步表現(xiàn)較好，后續(xù)可重點觀察配置模式2，4區(qū)碳匯變化情況。需要說明的是，本研究只是對造林后與未造林地的土壤碳進行了初步比較，且樣本數(shù)據(jù)量有限，有待進一步從凋落物量及碳氮比、微生物數(shù)量、植物根系分布情況等方面，分析不同配置模式間土壤碳積累的變化差異。