广西桉树人工林土壤有机碳密度及其影响因子研究

范晓晖



广西桉树人工林土壤有机碳密度及其影响因子研究

范晓晖

(宁德市农业科学研究所，福建 福安 355017)

本研究利用条件拉丁超立方抽样方法在广西高峰林场的桉树人工林地内布设采样点，并运用决策树分析方法分析影响因子与桉树人工林土壤有机碳密度的关系，旨在找出主导因子。研究结果表明：本研究区的桉树人工林土壤0 ~ 50 cm有机碳密度均值为7.7 kg·m-2，属于中等水平；影响本研究区桉树人工林土壤有机碳密度的主导因子为海拔、土壤总孔隙度和剖面曲率。

土壤有机碳密度；决策树；桉树人工林；影响因子

全球气候变化是当前国际社会普遍关注的重大环境问题，是人类社会目前面临的重大威胁之一。大量研究表明，发挥陆地生态系统的碳汇功能是缓解、应对这一问题的有效途径[1-4]。因而，陆地生态系统的碳存储及收支平衡是全球气候变化研究中的热点[5-10]，其中陆地生态系统中土壤的碳储量相对较大。据估计，全球土壤碳储量约为1 500 Pg(10亿吨)，是植被碳储量的3倍、大气圈碳储量的2倍[1,5]。而森林土壤碳储量约占全球土壤碳储量的73%[5,9]。因此，国际社会对森林碳储量变化、森林碳汇给予了很大关注[8]。大量的研究表明：人工造林可以增加森林土壤碳储量[1, 4,7-9]。

桉树()是世界主要速生树种之一，在我国华南地区种植广泛。广西作为桉树的主要种植区，至2016年桉树人工林的面积约为2.0Í106hm2[11]。有研究认为，如果长期管理不善，种植桉树在一定程度上会引发水土流失、土壤肥力退化等问题[12-15]。因此，桉树人工林地对林下土壤的碳储量会产生一定影响。为了准确了解影响桉树人工林地土壤碳储量的原因，本研究在广西国有高峰林场选取桉树人工林地为研究区，在不同地形部位和空间距离上，采集土壤样本进行分析，目的在于揭示桉树人工林土壤有机碳储量的主要影响因素，为精确估算桉树人工林地土壤碳储量提供理论依据，并为发挥人工林的生态固碳作用提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于广西南宁市广西国有高峰林场林业示范基地内(22°57′8″ ~ 22°58′41″ N，108°20′57″~ 108°21′54″ E)，研究区面积约为3.03 km2。年均降水量1 300.6 mm，年均气温为21.6℃，年均属于南亚热带季风湿润气候。土壤母质以沉积岩系为主，土壤类型为赤红壤[16-17]；研究区以种植尾巨桉人工林为主，林下植物主要有铁芒箕、毛桐、木姜、五节芒、半边旗、盐肤木等[18]。

2 材料与方法

2.1 土壤采样及实验分析

本研究将地形因子设定为条件变量，运用条件拉丁超立方抽样法布设50个样点[19]，样点位置见图1。但是在实际的采样中，有些样点位置受到自然环境的限制无法采样，最终有效样点数41个。土壤有机碳含量使用重铬酸钾容量法测定；土壤总孔隙度及土壤饱和含水量测定采用环刀烘干法[20]。本文运用Arcgis10软件，建立研究区的DEM(图1)，同时提取出采样点位置上的坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率等数据。

图1 研究区数字高程图(DEM)及采样点概况图

2.2 土壤有机碳密度计算方法

本文应用公式(1)计算0 ~ 50 cm土壤有机碳密度[21]：

式中：为土壤的有机碳密度(kg∙m-2)，为土壤有机碳含量(g∙kg-1)，为土壤容重(g∙cm-3)。

2.3 土壤有机碳密度的影响因子分析

用Weka软件对土壤有机碳密度的影响因子进行决策树分析。

3 结果与分析

3.1 影响因子

用Arcgis10软件提取采样点上的坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率等地形因子数据，对0 ~ 50 cm土壤的土壤总孔隙度和土壤饱和含水量数据进行基本统计分析，结果见表1。由表1可知，研究区坡度较陡，平均坡度27.56°；海拔数据的变异系数为16.22%，属中等变异；平面曲率和剖面曲率具有极强的变异性，样点所包含的坡形类型丰富；说明样点代表性较强。另外，土壤总孔隙度和土壤饱和含水率的变异系数分别为12.58%和12.99%，属于中等变异。

表1 研究区样点的影响因子基本数据

3.2 桉树人工林地土壤有机碳密度

通过分析得到各采样点土壤的有机质数据，按照公式(1)计算土壤有机碳密度，同时进行基本统计分析，并将0 ~ 50 cm土层的土壤有机碳密度分为5个等级[22](表2)。由表2可知，桉树人工林地50 cm土层的土壤有机碳密度差异较大，最小值仅为3.25 kg∙m-2，而最大值可达10.72 kg∙m-2，两者相差7.47 kg∙m-2。此外，研究区50 cm土层的土壤有机碳密度主要集中分布在C1(<7 kg∙m-2)和C2(7 ~ 8 kg∙m-2)，两个等级占总样点的68.29%，而随着等级的升高，所占比例逐渐减少，说明研究区整体上土壤有机碳密度含量偏低。

表2 桉树人工林地土壤有机碳密度基本情况

3.3 影响因子与土壤有机碳密度的关系分析

本研究依据0 ~ 50 cm土层的土壤有机碳密度划分的等级，利用Weka软件进行决策树分析，结果见图2。由图2可知，从决策树图的整体上分析看，本研究选取的影响因子除土壤饱和含水量外，其他都被选入决策树分裂结点，海拔被用于第一个节点处来分裂树，位于第二个节点是土壤总孔隙度和剖面曲率；因此，本研究区影响0 ~ 50 cm土层土壤有机碳密度的主导影响因子为海拔、土壤总孔隙度和剖面曲率。此外，随着决策树节点递减，影响因子分别是平面曲率、坡度和坡向。说明本研究选取的影响因子除土壤饱和含水量外都均与0 ~ 50 cm土壤有机碳密度存在一定的关联性，但影响的程度有所不同。

注：Alt:海拔；Por:土壤总孔隙度；Prc:剖面曲率；Plc:平面曲率；Slo:坡度；asp:坡向；

4 讨论

本研究区的桉树人工林0 ~ 50 cm土壤有机碳密度的均值为7.7 kg∙m-2，要高于刘姝媛等[23]研究的广东省桉树人工林有机碳密度(6.67 kg∙m-2)，低于张舒峻等[24]研究粤西的桉树人工林的有机碳密度(10.96 ~ 11.01 kg∙m-2)，属于中等水平。桉树人工林土壤有机碳密度值存在一定的地区差异性，可能主要来自两个方面：第一，区域环境因子影响的差异性。本研究桉树人工林0 ~ 50 cm土壤有机碳密度的主导因子为海拔、土壤总孔隙度和剖面曲率，而刘姝媛等[23]研究结果表明广东地区桉树人工林土壤有机碳密度的主导因子为土壤毛管孔隙度、毛管持水量和pH值；第二，土层厚度计算不同。本研究主要探讨的是桉树人工林0 ~ 50 cm土壤有机碳密度，而张舒峻等[24]是将0 ~ 50 cm土层分为A、B两层进行计算。

本研究桉树人工林0 ~ 50 cm土壤有机碳密度的主导因子为海拔、土壤总孔隙度和剖面曲率。这主要是因为不同的海拔高度对自然的降水、光和热等进行重新分配，导致桉树人工林土壤的水分及温度差异，从而影响土壤中微生物的活跃度和林下植被的种类数量及其分布等；其次是因为疏松多孔的土壤和较好湿度的土壤促进植物根系的生长和有利于土壤中微生物的活动；另外，土壤中物质和能量流动的速度也影响土壤微生物和土壤有机物质的积累[25]。通过这些因素的相互影响、相互作用，进而影响桉树人工林土壤有机物质的分解速率和土壤有机碳的积累。

土壤作为陆地生态系统的重要组成部分，影响土壤有机碳密度的因素很多[23-24]，本研究仅讨论了基本地形因子坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率，土壤物理指标土壤总孔隙度和土壤饱和含水量，未来将进一步研究其他环境因子和土壤理化指标与桉树人工林土壤有机质碳密度的关系。

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Soil Organic Carbon Density and Factors Affecting This inPlantations in Guangxi

FAN Xiao-hui

()

This study examined soil carbon densities ofplantations in Gaofeng Forest Farm in Nanning, Guangxi. A conditional Latin hypercube sampling method was employed to design a soil sampling strategy and then the decision tree analysis method was used to analyze the relationships between site factors and soil organic carbon density, with a view to finding the main factors influencing this soil trait. The results showed that the average soil organic carbon density of the 0 ~ 50 cm soil layer underplantations was 7.7 kg∙m-2, which is considered to be of a medium level. The main factors affecting soil organic carbon density were altitude, soil total porosity and profile curvature.

soil organic carbon density; decision tree;plantation;affecting factors

S714.5

A

范晓晖(1990— )，硕士，主要从事土壤质量、土壤与植物营养及高效生态栽培等研究，E-mail:mdny9010@163.com.