不同林龄橡胶林土壤各组分碳的垂直分布及其相关关系

王春燕,李建华,刘汉文,彭宗波

(1.海南省农垦科学院,海口 570206；2.海南天然橡胶产业集团股份有限公司阳江分公司,海南 琼中 572926；3.海南热带海洋学院,海南 三亚 572022)

不同林龄橡胶林土壤各组分碳的垂直分布及其相关关系

王春燕1,李建华1,刘汉文2,彭宗波3

(1.海南省农垦科学院,海口 570206；2.海南天然橡胶产业集团股份有限公司阳江分公司,海南 琼中 572926；3.海南热带海洋学院,海南 三亚 572022)

以开割橡胶无性系PR107为研究对象,研究1,6,11,16,21,26,31 a不同林龄胶园土壤有机碳、土壤微生物量碳、土壤矿化碳含量以及土壤碳有效率的垂直变化及其相关关系。结果表明：土壤有机碳(SOC)、矿化碳(CM)以及微生物量碳(MBC)含量在土壤剖面中的含量变化呈现相似的规律性,表现为随着土层深度的增加而碳含量下降,但不同林龄在不同土层的碳含量差异表现有所不同。不同林龄胶园土壤矿化碳有效率在4.15%～8.39%之间；土壤微生物量碳有效率在1.24%～7.55%之间。土壤有机碳和矿化碳以及微生物量碳均表现为线性正相关。

橡胶林；含碳量；有效率

碳在土壤中由于受生物、化学以及物理的相互作用影响,使得其并不是单一组成,而是一个复合体,其复杂组分和差异的空间分布特征对碳循环、土壤养分及土壤性质均有密切关系。土壤各组分碳的含量和空间分布早就是土壤肥力和现代碳循环研究的重要内容,而土壤碳有效性的高低对植物生长直接利用吸收的营养元素多少有重要影响[1]。土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、矿化碳(Carbon mineralization,CM)和微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)具有一定溶解,不稳定易氧化分解和易矿化,且在土壤中移动较快,在一定时空条件下受植物微生物影响较大,对耕作制度、施肥措施和土地利用以及气候变化的影响比较敏感,是反映土壤质量变化的敏感指标[2]。虽然这几种活性有机碳在土壤全碳所占的比例比较少,但是它们是土壤全碳变化微小变化的反映指标,同时对土壤养分高低影响有着十分重要的作用[3]。

土壤有机碳是矿化分解、合成的平衡结果,其对于调节土壤养分流通有较大的影响,能直接影响作物产量和土壤肥力高低,但当土壤肥力与有机碳含量不是呈正相关关系,说明有机碳存在质量问题[4]。由于土壤碳背景值很高和自然土壤分异性较大,而土壤总有机碳的微小变化较难发现,因此探求土壤碳变化敏感指示因子即土壤碳有效性很有必要[5]。本文中土壤有效碳库指土壤矿化碳、土壤微生物量碳[6],它们对评价土壤肥力状况有着十分重要的意义。

1 试验地概况

试验区位于海胶集团阳江分公司大丰农场(19°16′N,109°45′E),该区属热带海洋季风气候,气温常年在22.8℃,年降水量为2 200～2 444mm之间,最冷月平均气温为16～18℃。土壤为酸性砖红壤,酸性。试验胶园为第二代,株行距为3m×7m,林下以多年生草本植物及当年生草本植物居多,如肾蕨(Nephrolepisauriculata)、喜旱莲子草(Alternantheraphiloxeroides)、梵天花(Urenaprocumbens)、假含羞草(Neptuniaplena)等,极少见灌木、亚灌木。

本研究对象选用1,6,11,16,21,26,31a等不同林龄橡胶林固定样地各1个(表1)。

表1 试验区橡胶林的概况

注：表中小写字母代表不同林龄像胶树胸径的差异性。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

在不同林龄橡胶林固定样地随机挖掘5个土壤剖面。土壤剖面按0～20cm,20～40cm,40～60cm,60～80cm和80～100cm自上而下将土层划分为5层,自下而上沿剖面逐层采样,用封口袋装好并附上标签。同时用环刀法测定不同层次土壤容重。

2.2 分析方法

对采集回来的土壤做前期处理,如剔除土壤中的石块、植物根系等,混合均匀后分成两份,其中一份为新鲜土壤样品保存于4℃,测定土壤微生物量碳和土壤矿化碳；另一份土壤样品用于风干,测定土壤有机碳含量和其它化学指标。用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳[7]。用室内密闭培养法测定土壤矿化碳[7]。用氯仿熏蒸提取-仪器分析法测定土壤微生物量碳[8]。

采用Excel 2003和DPs 6.55软件进行数据统计处理。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳含量

不同林龄橡胶林土壤有机碳含量在2.68～11.31g/kg之间。橡胶林土壤有机碳含量最高值均出现在0～20cm土层,而且与其余4层有机碳含量差异显著。随着土层深度的增加,土壤有机碳含量的变化趋势相似,基本呈现逐渐减少,但是不同林龄在不同土层的减缓趋势有所差异。在0～20cm和20～40cm土层中,不同林龄橡胶林土壤有机碳含量急剧下降,其他土层的下降趋势不断减缓,如图1所示(图中小写字母代表不同林龄在相同土层间土壤有机碳含量的差异性)。

图1 橡胶林土壤有机碳含量

3.2 土壤矿化碳含量

不同林龄橡胶林土壤矿化碳含量在140.80～489.45mg/kg之间,最高值均出现在0～20cm土层,并显著高于其他土层(图2)。随着土壤深度的增加,矿化碳含量呈现不断下降趋势。不同林龄在不同土层间的差异不同。随着林龄的增加,橡胶林土壤矿化碳呈升降交替的变化。

3.3 土壤微生物量碳含量

橡胶林土壤微生物量碳含量在41.14～310.50mg/kg之间(图3)。随土壤深度的增加,不同林龄胶园土壤微生物量碳含量逐渐减少,不同土层之间有一定的差异。其中1,6,11,16,21a的橡胶林土壤微生物量碳随着林龄的增加而增加。16a和21a的橡胶林0～20cm土层微生物量碳含量显著高于其他土层。在各个不同的土层中,1a橡胶林土壤微生物量碳的变化趋势较缓慢。

图2 橡胶林土壤矿化碳含量

图3 橡胶林土壤微生物量碳含量

3.4 土壤碳有效率的变化特征

由表2可知,不同林龄橡胶林土壤矿化碳有效率在4.15%～8.39%之间。土壤矿化碳有效率随林龄的增加呈现升降不断交替的变化规律。土壤矿化碳有效率在不同林龄胶园土壤剖面的变化趋势不同。1,6,26a胶园土壤矿化碳有效率均随土壤深度的增加而呈先升后降的变化趋势,而且随着林龄的增加下降速度不断减缓。11a和16a胶园土壤矿化碳有效率随着土层的增加后急速下降。21a和31a胶园土壤矿化碳有效率随着土壤深度的增加而呈降升交替出现,而且随着林龄的增加升降的幅度变化不断减缓。

橡胶林土壤微生物量碳有效率在1.24%～7.55%之间。土壤微生物量碳有效率在不同林龄胶园土壤剖面的垂直变化不同,其中1a和31a,16a和26a胶园土壤微生物量碳有效率的变化趋势相似,随土壤深度的增加均表现为先升后降,但是1a和31a胶园土壤微生物量碳有效率的变化趋势为先持续上升后再下降,而16a和26a的则先上升后持续下降。11a和21a胶园土壤微生物量碳有效率表现为升降不断交替出现，但是6a胶园土壤微生物量碳有效率随着土层深度的增加呈正态分布的变化。

表2 橡胶林土壤碳有效率变化特征

注：表中小写字母代表不同林龄在相同土层间土壤有机碳含量的差异性。

3.5 土壤各组分碳含量的相关性

1) 土壤矿化碳。由图4(a)可知,不同林龄胶园土壤矿化碳和有机碳进行相关性分析得出,线性回归方程式和决定系数分别为：

1a：y=35.68x+79.63,R2=0.941

6a：y=61.41x+33.83,R2=0.939

11a：y=59.81x+31.41,R2=0.916

16a：y=63.43x+34.90,R2=0.946

21a：y=43.79x+20.66,R2=0.957

26a：y=50.13x+67.24,R2=0.981

31a：y=35.96x+51.69,R2=0.969

由此说明,土壤有机碳和矿化碳的线性正相关。

1)土壤微生物量碳。由图4(b)可知,对不同林龄胶园土壤微生物量碳和有机碳进行相关性分析得出,线性回归方程式和决定系数分别为：

1a：y=9.847x+56.06,R2=0.503

6a：y=25.16x+40.6,R2=0.606

11a：y=51.47x-77.88,R2=0.804

16a：y=49.25x-47.96,R2=0.921

21a：y=25.68x+62.37,R2=0.921

26a：y=37.08x-4.204,R2=0.847

31a：y=25.96x+122.5,R2=0.778。

分析表明土壤有机碳和微生物量碳的线性正相关。

图4 橡胶林土壤各组分碳的相关关系

4 讨论

4.1 土壤各组分碳含量

一般认为在相同土壤类型条件下,土壤有机碳随土壤深度增加而呈下降趋势。这可能是由于随着土壤深度的增加,碳元素在下渗水作用下淋溶、迁移、沉积到土壤深度的量有限,并且受土壤动植物残体和微生物数量减少、活动能力减弱等因素影响,导致土壤有机碳不断减少。有研究表明,土壤中新的有机碳64 %是来自于地表凋落物的分解[9]。本研究表明,随土壤深度的增加,土壤有机碳逐渐降低,这与以往对土壤有机碳含量垂直变化规律比较一致[10-12]。不同林龄在不同土层的减缓趋势不同,林希昊[13]等对不同林龄橡胶林土壤水分的研究也表明,随着林龄的增长土壤含水量不断增加。这可能是因为橡胶林处于不同林龄阶段,地表凋落物生物量,微生物量以及林下土壤环境等,对土壤各组分碳含量有一定的影响,从而导致不同林龄胶园土壤各组分碳在土壤剖面垂直分布上存在一定的差异。此外,橡胶林作为人工林,常受人为干扰较多也可能是一个重要的因素。

4.2 土壤碳有效率变化特征

土壤有机碳是土壤的重要组成部分,是土壤肥力和养分循环的重要基础物质,在促进植物生长,维持农业可持续发展具有决定性影响。但是土壤碳是组成不同的异质复合物,不同组分有着不同的周转速率和组成特征。土壤碳有效率对农业生产管理措施反应明显。有学者认为[14-16],土壤微生物量碳/土壤有机碳作为碳库质量的敏感指示因子可推断土壤碳有效性,土壤矿化碳/土壤有机碳可以指示土壤有机碳活性,而氧化性、稳定性、矿化性、分解能力性等是反映土壤碳库的重要指标,对评价土壤肥力状况意义重大[14,17-18]。本研究得出,不同林龄胶园土壤矿化碳有效率在4.15%～8.39%之间,土壤微生物量碳有效率在1.24%～7.55%之间。这可能与植被类型,管理措施,不同年龄等差异有关。本研究结果与其它相关研究结果相似,均为比值变化幅度比较大[19-20]。土壤碳有效率可作为不同林龄橡胶林土壤碳库变化的早期指示指标,可敏感反映土壤肥力动态变化,对评价土壤肥力的状况具有重要意义。

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The Vertical Distribution and Correlation of Soil Carbon in Each Component of Rubber Trees at Different Ages

WANG Chunyan1,LI Jianhua1,LIU Hanwen2,PENG Zongbo3

(1.HainanStateFarmAcademyofSciences,Haikou570206,China;2.ChinaHainanRubberIndustryGroupCo.,Ltd.,YangjiangBranch,Qiongzhong572900,China;3.HainanTropicalOceanUniversity,Sanya572022,China)

The objective of this study was to investigate the vertical distribution of soil carbon and correlations of rubber trees of 1a、6a、11a,16a,21a,26a,31a-old of strain PR107. The results showed that in the vertical distribution,monthly mean soil organic carbon(SOC)and mineralized carbon(CM)and microbial biomass carbon(MBC)content in soil showed similar regularity and decreased with the increase of soil depth,but the carbon content in different soil layers,different ages have different performance.The soil mineralization carbon efficiency of rubber plantation is about 4.15%～8.39%;and the efficiency of soil microbial biomass carbon is between 1.24%～7.55%.There was a significant linear positive correlation with soil organic carbon and mineralized carbon and with the microbial biomass carbon.Key words:rubber tree(Heveabrassiliensis),carbon content,effective rate

2016-12-09；

2017-03-23

现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目(CARS-34-GW10)；海南省重点研发计划项目(ZDYF2016105)； 海南热带海洋学院2016年度科研项目(RHDXB201615)

王春燕(1983-),女,广东清新人,助理研究员,研究方向为环境生态学。Email:wyling123@163.com

彭宗波(1975-),男,副研究员,主要从事群落生态及生态恢复学研究。Email:pengzongbo@163.com

S794.1；S714.5

A

1002-6622(2017)03-0109-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.021