不同林龄尾巨桉林地土壤有机碳储量变化差异

竹万宽，陈少雄，张利丽，王志超，杜阿朋

(国家林业局桉树研究开发中心，广东 湛江 524022)

不同林龄尾巨桉林地土壤有机碳储量变化差异

竹万宽，陈少雄，张利丽，王志超，杜阿朋＊

(国家林业局桉树研究开发中心，广东 湛江 524022)

为桉树人工林的土壤质量评价提供科学依据，研究了不同林龄(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储量，测算了不同林龄桉树林地叶面积指数，乔木层、灌木层、草本层和枯落物层生物量。结果表明：土壤有机碳含量随土层深度增加而呈降低趋势，不同林龄0 ～ 20 cm土层有机碳含量差异显著，不同林龄相同土层之间土壤有机碳储量差异不显著；枯落物碳储量差异显著，大小顺序为：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)；0 ～ 60 cm土层土壤碳储量与叶面积指数呈负相关关系，与林龄、乔木层生物量、灌木层生物量、草本层生物量、枯落物层生物量之间呈正相关性，但相关性都不显著。

林龄；尾巨桉林；土壤有机碳碳储量；相关性

土壤碳库一直以来都是国内外学者关注的焦点。土壤有机碳库是地球表层系统中最大最活跃的碳库之一，其有机碳储量是大气碳库的2倍，陆地生物质碳库的2 ～ 4倍[1]。全球约有1.5万亿t碳以有机质形态储存于土壤中，森林生态系统土壤碳库约占全球土壤有机碳库的73%[2]，森林土壤有机碳库的变化对全球碳循环有重要影响[3]。土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)不仅对全球气候变化有着重要影响，也为植被的生长和繁殖提供了必不可少的碳源，在维持土壤良好的物理结构方面起了重要作用，是评价土壤肥力的一个重要指标。人工林受人类活动影响较大，对林地土壤有机碳的收支平衡有重要影响。

桉树(Eucalyptus)是世界三大速生树种之一，也是重要的阔叶硬质材之一。目前我国桉树人工林面积450万hm²，广泛分布于广西、广东、海南和福建等沿海省区[4]，在森林生态系统碳平衡中占有重要地位。桉树林地土壤碳储量垂直分配特征为探讨若干因子影响土壤碳储量提供科学依据。本研究选择雷州半岛5个林龄阶段的尾巨桉(E. urophylla × E. grandis) 人工林为研究对象，旨在揭示不同林龄尾巨桉人工林土壤有机碳含量和地表枯落物碳含量的变化、不同林龄尾巨桉林地土壤碳储量差异及尾巨桉树林地碳储量与林龄、叶面积指数和地表各层生物量之间的相关性。研究桉树人工林地下碳储量的变化规律及其控制机理，对于提高其经营管理水平，增强桉树人工林生态系统的碳汇功能提供科学依据具有重要的意义。

1 试验地概况

试验地位于广东省湛江市南方国家级林木种苗示范基地。地理位置为东经111°38′，北纬21°30′，属于北热带湿润大区雷琼区北缘，为海洋性季风气候，年平均气温23℃左右，年降雨量集中在1 200 ～1 700 mm之间，太阳年辐射总量4 240 MJ·m-2，年相对湿度在80%以上。土壤类型主要有浅海沉积物砖红壤和玄武岩砖红壤，其次为砂页岩红壤、花岗岩砖红壤，有机质含量偏低[5]，pH 4.5 ～ 5.3，土壤肥力属中等水平，均为缓坡或平地，气候很适宜桉树的生长。

本研究中试验林分别为1 a、2 a、3 a、5 a、7 a共5个不同林龄尾巨桉林地，树种均为DH32-29无性系，其基本情况见表1。

表1 尾巨桉试验林基本情况

2 材料与方法

2.1 土壤有机碳含量和地表枯落物碳含量的测定

2015年5月份，在5个不同林龄尾巨桉林地内分别设置3个20 m × 20 m样地，样地选择时要求所选样地土壤母质相同，环境条件大体相似，以减少环境因素造成的影响。每个样地随机挖取2个土壤剖面，共获得30个土壤剖面。确定土壤剖面的发生层次后，分别在剖面深度0 ～ 20 cm，20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm处分层取样，每层取约200 g土壤样品装入密封袋用于测定土壤有机碳，同时每层另取2个环刀用于测定土壤容重。在每个样地内按对角线等距选取3个1 m × 1 m的样方，收集样方内的枯落物并称重，用于测定枯落物碳含量。土壤有机碳含量和枯落物有机碳含量采用重铬酸钾容量法―外加热法[6]；土壤容重采用环刀法。

土壤有机碳储量由土壤有机碳密度确定，本文土壤碳储量测定深度为0 ～ 60 cm。土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量，单位为t·hm-2或kg·m-2，由于其以土体体积为基础作计算，排除了面积和土壤深度的影响，因此土壤碳密度已成为评价和衡量土壤中有机碳储量的一个极其重要的指标[7]。某一土层 i的有机碳密度SOCi，kg·m-2)的计算公式为：

若某一土壤剖面由n层组成，则该土壤剖面的总有机碳密度(SOCi，kg·m-2)，计算公式为：

式中，Ci为土壤有机碳含量(g·kg-1)，Di为土壤容重(g·cm-3)，Ei为土层厚度(cm)，Gi为直径大于2 mm的石砾所占的体积百分比(%)。

2.2 地表各层生物量的测定

乔木层生物量的测定采用标准木解析木法，取样测定其树叶、树枝、树皮、树干、树根各部干、鲜质量比例，建立各器官及总生物量(W)和样木胸径(D)的幂回归方程(W=aDb)，进而推算出乔木层生物量。灌木层、草本层及枯落物层生物量的测定采用“品”字形采样收集，称量干鲜质量，推算各层生物量。

2.3 数据分析

对不同林龄尾巨桉林地的土壤有机碳含量、土壤有机碳储量、枯落物碳含量进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，比较其差异。利用回归分析确定土壤碳储量、叶面积指数及地表各层生物量之间的相关性，统计显著性水平以标注为准。所有数据图表均由M icrosoft Excel 2003/2007处理完成，统计分析由SPSS 19统计分析软件处理完成。

3 结果与分析

3.1 不同林龄尾巨桉林地土壤有机碳含量和地表枯落物碳含量变化差异

由表2看出，5个林龄桉树林地土壤碳含量均随着土层加深而减小。而对于同一土层不同林龄土壤碳含量比较而言，0 ～ 20 cm土层SOC含量差异显著(P＜0.05)，其大小排序为：7 a＞3 a＞5 a＞2 a＞1 a；不同林龄20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土层的土壤碳含量各林龄间差异不显著(P＞0.05)。对于各土层的平均SOC含量来说，0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm 3个土层的最大值分别出现在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。

另外对于林地枯落物碳含量而言，各林龄之间差异不显著(P＞0.05)，其碳含量在 480.83 g·kg-1～511.50 g·kg-1之间变化。

表2 不同林龄尾巨桉林地SOC含量和地表枯落物碳含量

3.2 不同林龄尾巨桉林地土壤有机碳储量的变化差异

从表3可知，不同林龄相同土层尾巨桉林SOC储量间差异不显著(P＞0.05)，0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、 40 ～ 60 cm土层SOC碳储量波动范围分别为34.33 ～50.16、35.44 ～ 39.93和23.23 ～ 31.08 t·hm-2；0 ～ 60 cm土层1 ～ 7 a 各林龄总有机碳储量分别为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，基本随林龄的增长而增大。不同林龄枯落物碳储量差异显著(P＜0.01)，表现为5 a＞7 a＞3 a＞2 a＞1 a。

表3 不同林龄尾巨桉林地土壤有机碳储量及枯落物碳储量变化

3.3 尾巨桉林地土壤碳储量的影响因素分析

利用0 ～ 60 cm土壤碳储量与林龄、叶面积指数及林地各层生物量进行相关分析，结果表明(表4)：0 ～ 20 cm土层碳储量与林龄、乔木层生物量、灌木层生物量和凋落物层生物量呈正相关关系，其相关系数分别为0.356、0.269、0.236和0.186，与林地叶面积指数和草本层生物量呈负相关关系，相关系数分别为0.32和0.265；20 ～ 40 cm土层碳储量与林地叶面积指数、草本层生物量和凋落物层生物量呈正相关关系，其相关系数分别为0.096、0.138和0.057，与林龄、乔木层生物量、灌木层生物量呈负相关关系，相关系数分别为0.065、0.041和0.036；40 ～ 60 cm和0 ～ 60 cm土层碳储量除与林地叶面积指数呈负相关关系(相关系数为0.285和0.314)外，其余均呈正相关关系。以上相关性均不显著(P＞0.05)。

表4 碳储量及各因子之间的相关系数

4 讨论

不同林龄尾巨桉林地SOC总含量波动在16.37～ 19.66 g·kg-1。同一土壤中，随着土层深度的加深，SOC含量逐渐减少，表明植物根系的分布直接影响SOC的垂直分布，主要是因为根系的代谢活动为土壤提供了碳源。地表植被枯落物也为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层SOC含量变化[8]。另外，随着林龄的增长，地表枯落物的种类和数量的增加会改变微生物群落的结构[9]，进而对枯落物的分解速率产生影响，间接影响土壤有机碳变化。

本研究发现，不同林龄0 ～ 20 cm土层的土壤有机碳含量差异显著，可见林龄对0 ～ 20 cm土层碳含量影响较大。1 a尾巨桉林分SOC含量在0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土层变化很小，可能原因是造林时的整地方式改变了土层间SOC的差异，同时整地的深度也会影响土层间的差异[10]。本研究中对林下地表枯落物进行的收集和碳储量测定后发现，枯落物碳储量表现为5 a＞7 a＞3 a＞2 a＞1 a。这表明林业经营中较长的生长期会使土壤表层枯落物碳储量明显提高，较长轮伐期有利于SOC碳源数量增加。

0 ～ 60 cm土层土壤碳储量与叶面积指数呈负相关关系，与林龄、乔木层生物量、灌木层生物量、草本层生物量及枯落物层生物量呈正相关关系，但相关性皆不显著(P＞0.05)。分层而论，各层土壤碳储量与各影响因子之间相关性不显著(P＞0.05)。土壤碳储量本身受到各种因素的综合作用，如气候因素(降水、温度等)、土壤理化性质、海拔以及人为因素(放牧、开垦等)[11]。因此，各因素之间的相互作用机制是今后研究的重点。

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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

广东省林业科技创新专项(2014KJCX021－04)；广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站(2015-LYPT-DW-006)

收稿日期：竹万宽(1989— )，男，在读硕士研究生，主要从事桉树可持续经营. E-mail:zwk_2015@163.com

＊通讯作者：杜阿朋(1979— )，副研究员，主要从事桉树人工林生态系统定位研究. E-mail:dapzj@163.com