不同树龄香榧土壤有机碳特征及其与土壤养分的关系

张雨洁，王 斌，李正才，黄盛怡，原雅楠，秦一心

(中国林业科学研究院 亚热带林业研究所，杭州 311400)

土壤有机碳作为一种稳定长效的碳源物质，几乎包含了植物生长所需的各种营养元素[1]，直接作用于植物的生长和繁殖，同时它在维持土壤物理结构方面也起到了重要作用，因此土壤有机碳能够直接影响森林生态系统的生产力与稳定性，成为评价土壤肥力的一个重要指标[2-3]。

土壤有机碳来源于动植物残体的归还以及根系分泌物，其含量受群落的组成和分布、气候、土壤类型、人为干扰等多种因素的影响[4-5]，然而，群落的组成和分布、群落生物量均会随林龄的变化而产生巨大的变化，进而影响到森林生态系统的土壤碳库[6-8]。土壤活性碳(易氧化碳和轻组有机质)虽然占土壤总有机碳的比例较小[9-10]，但是能够直接或间接地参与土壤养分循环和物质转化，因此可以有效地反映土壤碳库中各组分的转变情况[11-12]。目前，许多学者对不同树种土壤有机碳含量随林龄变化的情况进行了探究，有研究者认为林地土壤有机碳含量随林分的成熟会相应增加[13]，也有学者表明林地土壤有机碳含量随林龄增加先减小而后增加[14-15]，由于结果存在差异，因此研究不同树种土壤有机碳含量随林龄的变化规律是十分必要的。

香榧(Torreyagrandis)是中国的特有树种，具有较高的经济价值，可以为榧农带来很高的经济收益，于是林农为了提高香榧产量，加大了对香榧林的经营力度，但是在长期高强度经营提高香榧果实产量的同时，也逐渐出现了一些问题，如不合理经营导致林地保水、保肥能力下降；不合理施肥导致土壤理化性质破坏等[16]。目前国内关于香榧土壤的研究多集中于香榧的繁殖栽培[17]、林地养分状况调查[18-19]、施肥对香榧生长及果实的影响[20-21]等方面，而关于集约经营模式下不同树龄香榧土壤有机碳变化规律的相关研究尚不多见。因此本文选取集约经营模式下5个不同树龄段的香榧为研究对象，研究其土壤有机碳变化规律，旨在为香榧林的土壤质量评价与持续利用，科学管理提供参考资料，同时也可为香榧古树的保护与利用提供基础数据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省诸暨市赵家镇的香榧国家森林公园(E119°53′～120°32′，N29°21′～29°59′)，该地区属于亚热带季风气候，四季分明，雨水丰沛，日照充足，年平均气温16.3 ℃，年平均降水量约1 373.6 mm，年平均日照时数约1 887.6 h。研究区属于低山丘陵地貌，土壤类型为微酸性红壤。

通过农户访问和实地调查，选择立地条件和经营管理措施基本一致的不同树龄段的香榧树(样地的基本情况见表1香榧树每年3月地表撒施化肥，9月地表撒施化肥和有机肥，每年单位面积化肥的总施肥量为0.7 kg·m-2，单位面积有机肥的总施肥量为7.5 kg·m-2，垦覆深度为30 cm，所有香榧树均为单株分布，树下均无植被种植)；按照0～50、50～100、100～300、300～500、500 a以上的树龄梯度选择样本树，每个树龄段的样本树重复4～5株，所有调查样株分布在半径为500 m的范围内，以保证样株立地条件大体一致，处于同一气候背景之下，具有可比性。

1.2 样品采集与分析方法

2017年9月野外测定所选香榧树的基径和树高，并记载树木的生长情况。采集土样，在离开样本树50～100 cm处随机选取3～5个点挖取土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，3个层次采集土壤样品。将土壤放入袋中，去掉其中的可见植物根系、残体和碎石，带回实验室自然风干，之后过2 mm、0.25 mm和0.15 mm筛用于土壤总有机碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、轻组有机质(LFOM)和土壤养分的测定。

土壤总有机碳测定用重铬酸钾外加热法[22]；易氧化碳测定用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法[23]；轻组有机质测定用1.7 g·mL-1碘化钠重液分离法[24]；土壤养分测定用常规方法[25]：全氮(TN)，凯氏定氮法；水解氮(AN)，碱解扩散法；速效钾(AK)，乙酸浸提法；有效磷(AP)，碳酸氢钠法；交换性钙(Ca)和交换性镁(Mg)，原子吸收分光光度法。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0统计分析软件进行图表绘制和数据处理分析。对不同树龄香榧土壤之间总有机碳、易氧化碳和轻组有机质含量进行单因素方差分析(ANOVA)和显著性分析(LSD检验)，对土壤总有机碳、活性有机碳和土壤养分进行相关性分析(Pearson检验)。

2 结果与分析

2.1 不同树龄香榧各土层土壤总有机碳含量变化

不同树龄香榧的土壤总有机碳呈明显变化(表2)，介于3.92～28.61 g·kg-1之间，随着香榧树龄的增加，各土层土壤总有机碳含量先增大后减小，即300～500 a的香榧土壤总有机碳含量达到最高，随后呈现出降低趋势。方差分析结果表明，0～50 a与50～100 a生香榧土壤总有机碳之间差异不显著，100～300 a生香榧土壤总有机碳含量开始显著提高；500 a以上的香榧土壤总有机碳含量在40～60 cm土层显著降低，在0～20 cm和20～40 cm土层虽有降低趋势，但结果不显著。

2.2 不同树龄香榧土壤活性有机碳含量的变化

表3显示，不同树龄香榧土壤易氧化碳含量介于0.58～6.48 g·kg-1之间，各土层土壤易氧化碳含量随树龄的变化趋势相同，即均随树龄的增加呈现先增加后降低的趋势，其中，300～500 a的香榧土壤易氧化碳含量达到最高。此变化趋势虽与土壤总有机碳变化趋势保持一致，但各树龄段香榧土壤易氧化碳含量在0～20 cm和20～40 cm土层差异均不显著，仅300～500 a生香榧土壤在40～60 cm土层得到显著的提高。

表4表明，不同树龄阶段香榧的同一土层土壤的轻组有机质含量均随树龄的增加呈现先增加后降低的趋势，在300～500 a达到峰值。但是相同土层不同树龄间土壤轻组有机质含量差异不大，分别为44.98～59.58 g·kg-1，29.38～46.17 g·kg-1，28.25～30.71 g·kg-1，仅在0～20 cm土层，300～500 a生香榧土壤轻组有机质含量提高较为显著，其余各土层的不同树龄香榧之间的轻组有机质含量差异不显著。

表1 不同树龄香榧样地基本信息

表2 不同树龄香榧不同土层土壤总有机碳含量

注：数据为平均值±标准差；同行不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同

Note: mean±SD; Different lowercase letters in the same line indicate significant difference among different ages at 0.05 level; the same as below

表3 不同树龄香榧土壤不同土层易氧化碳含量

表4 不同树龄香榧不同土层土壤轻组有机质含量

图1 不同树龄香榧0～60 cm土层土壤易氧化碳占总有机碳的比率Fig.1 ROC/TOC of different soil layers for different aged T. grandis

2.3 土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率

香榧土壤易氧化碳占土壤总有机碳比例范围为11.73%～25.93%，在0～20 cm土层，不同树龄香榧土壤易氧化碳占总有机碳的比例没有明显的规律；在20～40 cm和40～60 cm两个土层变化规律相同，均是50～100 a生香榧土壤易氧化碳占总有机碳的比例最大，500 a以上香榧土壤易氧化碳占总有机碳的比例最小；同一土层不同树龄香榧的土壤易氧化碳含量占总有机碳比例差异不显著。各树龄段香榧土壤易氧化碳占总有机碳比例均随土层的加深而减小，其中，500 a以上的香榧土壤易氧化碳所占比例减小幅度最大(图1)。

2.4 土壤总有机碳与土壤活性有机碳的相关分析

5种树龄香榧土壤各活性有机碳组分与总有机碳的相关性均达到极显著水平(P<0.01)，但是相关性在不同树龄香榧之间的变化规律并不明显(图2)。

2.5 土壤有机碳与土壤养分的关系

从表5可见，各树龄段香榧土壤总有机碳和活性有机碳与全氮之间的相关性均达到极显著水平(P<0.01)；除0～50 a外，与水解性氮之间的相关性达到显著水平(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)；与速效钾之间的相关性只有500 a以上的香榧土壤达到极显著水平(P<0.01)；除100～300 a的香榧土壤活性有机碳外，其余各树龄段的土壤总有机碳和活性有机碳与有效磷之间的相关性都达到显著水平(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)；0～50 a、50～100 a和500 a以上的香榧土壤总有机碳和活性有机碳与交换性钙和交换性镁之间达到显著相关(P<0.05)或极显著相关(P<0.01)。

3 讨 论

3.1 树龄对土壤总有机碳的影响

森林土壤有机碳主要来自于地表植被凋落物和根系的归还[26]，而凋落物量主要受到林分生物量、林龄和气候变化影响[27]。此外，大量研究结果表明林分生物量随林龄、胸径的增加而增加：董点等[28]研究发现紫椴(Tiliaamurensis)各器官平均生物量随着胸径的增加而增加；高杰等[29]研究发现油松(Pinustabuliformis)林随林龄的增加，乔木层各器官生物量呈上升趋势；朱江等[30]表明华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)的器官生物量与植物的胸径、树高、树龄和树冠长度呈指数关系；陈东升等[31]调查研究发现日本落叶松(Larixkaempferi)人工林随林龄的增加，林分总生物量、碳储量和养分储量随林龄的增加呈增大趋势。本研究中，各土层土壤总有机碳含量随着香榧树龄的增加呈现先逐渐增大然后有所减小的趋势。这是因为随着香榧树龄和胸径的增长，地上生物量逐渐累积增多，每年的凋落物数量也随之增加，从而土壤有机碳得到逐步提高。另外，植物根系的周转和分解也是增加土壤有机碳的重要途径[32]，而植物的根系生物量与林龄也有着密切的关系：刘波等[33]研究发现细根生物量随林龄增长而有所增加；匡冬姣等[34]研究结果表明杉木(Cunninghamialanceolata)人工林0～60 cm土层内细根生物量岁林龄增大先增加后减小；韩畅等[35]发现杉木、马尾松(Pinusmassoniana)随林龄的增加，各林龄阶段根系总生物量呈增加趋势。因此，随着香榧树龄的增长，其根系生物量也逐渐增加，从而土壤总有机碳也逐渐上升。但是，本文中当香榧树龄超过500 a，土壤总有机碳稍有下降，这可能是因为500 a以上的香榧生长势下降，枝叶老化，枝干生物量较300～500 a的香榧稍有减少而导致的。本研究结果与谢涛等[36]对苏北沿海不同林龄杨树(Populus)林土壤活性有机碳的研究结果一致。

图2 不同树龄香榧不同土层土壤活性有机碳与总有机碳的相关关系Fig.2 Relationships between soil labile organic carbons and TOC of different soil layers for different aged T. grandis

3.2 树龄对土壤活性有机碳的影响

一般认为，土壤活性有机碳不稳定、易氧化、移动性高，在一定环境条件下，可转变为动植物或微生物生命活动所需的有机碳。土壤易氧化碳是活性有机碳的重要组成部分，其含量受到地表凋落物分解和土地管理方式的影响[37-38]；轻组有机质同样也是活性有机碳的重要组成部分，表层土壤轻组有机质主要来源于植被凋落物，深层土壤的轻组有机质主要来源于植物地下根系代谢残体、根系分泌物以及死亡微生物等[39]，其含量受到微生物分解、气候变化和土壤物理结构的影响[40-41]。而凋落物的分解速率又受到气候条件、坡相位置、凋落物量等各种因素的影响[42-43]，林龄作为林分构成的重要指标，对凋落物分解也会产生重要影响[44]。本研究中，土壤易氧化碳和轻组有机质含量均随香榧树龄的增加呈现先增加后减小的趋势，但在各树龄无明显差异。由于5种树龄香榧所处环境和经营管理方式大致相同，因而树龄成为其活性有机碳分布格局的主要限制因素，随树龄的增加，香榧生物量、地上生物量和地下生物量不断增加，通过凋落物和根系分泌物归还到土壤的数量也逐渐增加；此外，又由于土壤活性有机碳组分在很大程度上取决于土壤总有机碳含量[45-46]，所以本文易氧化碳与轻组有机质的变化趋势与土壤总有机碳保持一致。

表5 不同树龄香榧不同土层土壤有机碳与土壤养分的相关性

注：**P<0.01; *P<0.05

Note: **P<0.01; *P<0.05

易氧化碳占总有机碳的比例越高，说明土壤有机碳的活性越大，养分循环越快，稳定性越差[47]。本研究中，不同树龄香榧土壤易氧化碳占总有机碳的比例在0～20 cm土层没有明显规律，20～40 cm和40～60 cm土层易氧化碳所占比例表现为：50～100 a>0～50 a>100～300 a>300～500 a>500 a以上。在20～40 cm和40～60 cm两个土层，50～100 a生的香榧土壤易氧化碳占总有机碳比例最高，说明此树龄段香榧处于生长的旺盛时期，养分循环最快，有机碳稳定性较差，之后随着树龄的增加，易氧化碳所占比例逐渐减少，土壤碳库越来越稳定，说明随着香榧的逐渐成熟，土壤对有机碳的持留和贮存能力逐渐增强。

本研究中，5种树龄香榧土壤易氧化碳和轻组有机质含量与总有机碳含量之间的相关性均达到极显著水平(P<0.01)，这说明土壤各活性有机碳虽然在形态和测定方法上有所差异，但分别从不同角度表征了土壤碳平衡状况，并且它们的变化受到土壤总有机碳含量的制约[48-49]。

不同树龄香榧土壤有机碳与土壤养分之间的相关性分析表明：各树龄段香榧土壤总有机碳和各活性有机碳与全氮之间的相关性均达到极显著水平(P<0.01)；除0～50 a生香榧外，其余各树龄段香榧土壤总有机碳和各活性有机碳与水解性氮达到显著(P<0.05)或极显著相关(P<0.01)，这主要是因为氮元素含量与土壤有机碳含量密切相关，因而与土壤总有机碳有着密切相关关系的活性有机碳，也与土壤全氮和水解性氮具有一定的相关性[50-51]。此外，龚伟等[52]指出土壤有机碳的活性对土壤肥力具有一定的指示作用，因而各树龄段香榧土壤总有机碳、各活性有机碳与有效磷之间的相关性较好。除500 a以上的香榧外，其余各树龄段香榧的土壤总有机碳和各活性有机碳组分与速效钾、交换性钙、交换性镁之间的相关性均较差，可能是因为速效钾受土壤质地、地形的影响较大，并且钾离子移动性较强，在土壤中分布较为均匀[53]，而交换性钙、交换性镁与速效钾之间又存在密切的相关关系[54]。500 a以上香榧土壤总有机碳和各活性有机碳组分与土壤养分之间的相关性均达到了极显著水平(P<0.01)，这可能是因为越成熟的香榧抵抗土壤被侵蚀的能力越强，可有效阻止土壤表层养分的流失。

总之，随香榧树龄的增长，0～60 cm各土层总有机碳、易氧化碳、轻组有机质含量先增加后减小，易氧化碳占总有机碳的比例逐渐降低。因此，在今后香榧的经营管理过程中，应注意加强对幼年及壮年时期香榧土壤的改良，通过合理施肥、翻耕等措施改善林地的水热、养分因子和土壤结构，增强土壤碳库的稳定性。