不同林龄桉树人工林土壤碳氮储量及C/N化学计量特征

竹万宽，许宇星，王志超，杜阿朋



不同林龄桉树人工林土壤碳氮储量及C/N化学计量特征

竹万宽，许宇星，王志超，杜阿朋＊

(国家林业和草原局桉树研究开发中心, 广东 湛江 524022)

为探讨不同林龄桉树人工林土壤碳氮储量及C/N化学计量特征，本文选取8、10和15 a生桉树人工林为研究对象，测定并分析土壤碳氮储量差异性。结果表明：3个林分0 ~ 60 cm土壤碳氮储量分别为8 a(98.45和7.87 t·hm-2)、10 a(113.21和8.29 t·hm-2)和15 a(80.36和7.43 t·hm-2)，各林龄之间碳氮储量无显著性差异。3个林分土壤碳氮比范围为8.47 ~ 14.64，林龄引起的变异不明显。

桉树人工林；林龄；土壤碳氮储量；化学计量比

土壤作为森林生态系统物质循环和能量流动的重要组分[1]，在很大程度上决定了生态系统的类型。森林生态系统是陆地上的最大碳库，储存着陆地生态系统地上部分80%和地下部分40%的有机碳，对全球碳收支的平衡有着重要作用[2]。氮作为主要制约因素之一，会影响碳循环过程[3]。土壤碳氮储量在一定程度上反映了土壤肥力的高低，是衡量森林土壤质量和植被恢复效果的重要指标[4]。碳氮循环是森林生态系统的重要功能过程，具有维持和调节生态系统生产力和稳定性的作用。

桉树()人工林生态系统是广东、广西等地的重要人工林生态系统，对于地区经济发展和生态平衡具有重要作用。土壤作为桉树人工林生态系统中碳储量所占比重较大的组分，已经成为研究的热点。目前，朱美玲等[5]、张苏峻等[6]、竹万宽等[7]和吕晓燕等[8]对1 ~ 7 a生桉树人工林土壤碳、氮储量进行了研究，而对较大林龄桉树人工林的研究尚未见报道。本文以8、10和15 a生桉树人工林为研究对象，旨在探讨较大林龄桉树人工林土壤碳氮储量差异及其化学计量比特征。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站内(N21°16'，E110°05')。为海洋性季风气候，年平均气温23.1℃，最冷月为1月(均温15.6℃)，最热月为7月(均温28.8℃)，极端温度分别为38.1和2.8℃。年均降水量为1 567 mm，主要集中在5—10月，9月为暴雨集中期，有明显旱、雨季之分。夏秋季多台风，2016年未遇到台风灾害。土壤热带特征明显，风化强烈，土层深厚，高度富铝铁化。林下优势灌木有鹅掌柴()、龙船花()、盐肤木()、马樱丹()、白背叶()等。优势草本主要有马唐草()、白花鬼针草()、胜红蓟()、五节芒()、野芍药()、蟛蜞菊()、荩草()等。

1.2 研究方法

本研究选取8 a生尾巨桉()、10年生粗皮桉()和15 a生尾叶桉()研究对象。3个桉树人工林初植密度均为1 667株·hm-2，株行距为2 m´3 m，立地条件相似。2016年5—6月采用常规样地调查法，调查结果见表1。

表1 样地基本情况

2016年7月，在每个林分中随机设置3个20 m × 20 m样方，在每个样方中随机挖取3个土壤剖面，根据深度按0 ~ 20、20 ~ 40 和40 ~ 60 cm等3个层次取样。环刀法采集不同层次原状土壤样品，用于测定土壤容重。同时按照剖面4个方向同层取样混合均匀后作为一个样品，装袋标记后带回实验室，风干，粉碎过筛。用重铬酸钾氧化—容量法测定土壤有机碳含量；凯氏法测定土壤全氮含量。单位面积土壤碳储量()和氮储量()的计算公式如下[1]：

式中：、指层土壤单位面积有机碳储量和全氮储量(t·hm-2)；指第土层的土壤容重(g·kg-1)；SOC、TN指第层土壤有机碳含量和全氮含量(g·kg-1)；H指第层土壤深度(cm)；S指第层土壤砾石含量(%)。如果计算单层土壤单位面积碳氮储量，则去掉加和运算符。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0对不同林龄桉树人工林土壤碳氮储量及C/N进行差异分析，数据处理及图表制作采用Excel 2016软件。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳储量差异分析

由图1可知，3个林分土壤0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和0 ~ 60 cm土层有机碳储量范围分别为41.15 ~ 48.85、23.39、~ 36.53、15.82 ~ 33.93和80.36 ~ 113.21 t·hm-2。各林分0 ~ 20 cm土层有机碳储量占总有机碳储量比例为37.69% ~ 51.21%，均高于其他土层所占比例。各土层有机碳储量在不同林龄间差异显著(＞0.05)。各林龄桉树人工林土壤有机碳储量均表现出随土层加深而减少趋势。8 a和15 a生林分中，0 ~ 20 cm土层有机碳储量显著高于其他两层(＜0.05)；10 a生林分中，各土层间无显著性差异(＞0.05)。

2.2 土壤氮储量差异分析

图2的数据表明，3个林分土壤0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和0 ~ 60 cm土层氮储量范围分别为2.92 ~ 3.97、2.32 ~ 2.54、1.53 ~ 2.84和7.43 ~ 8.29 t·hm-2。各林分0 ~ 20 cm土层氮储量占总氮储量比例在35.18% ~ 50.44%之间。各土层氮储量在不同林龄间均未表现出显著性差异(＞0.05)。8 a和15 a生桉树人工林土壤氮储量表现出随土层加深而减少趋势，8 a生林分中0 ~ 20 cm土层氮储量显著高于其他土层(＜0.05)；15 a生林分中0 ~ 20 cm土层氮储量显著高于40 ~ 60 cm(＜0.05)，均与20 ~ 40 cm无显著差异(＞0.05)。10 a生林分中各层土壤氮储量无显著差异(＞0.05)。

图1 土壤有机碳储量差异特征

图2 土壤氮储量差异特征

2.3 土壤C/N化学计量特征差异分析

3个林分土壤0 ~ 20、20 ~ 40和40 ~ 60 cm土层碳氮比范围分别为12.29 ~ 14.64、10.33 ~ 14.11和8.47 ~ 13.39。各土层碳氮比在不同林龄间差异不显著(＞0.05)。8 a和10 a生林分中，各土层碳氮比无显著差异(＞0.05)；15 a生林分中，0 ~ 20 cm土层碳氮比显著高于其他土层(＜0.05)。

图3 土壤碳氮比差异特征

3 结论与讨论

本研究结果显示土壤各层次碳储量在不同林龄间差异不显著，表明较高林龄桉树人工林中林龄可能对土壤碳储量影响不明显。0 ~ 20 cm土层有机碳储量分别为8 a(48.85 t·hm-2)、10 a(42.66 t·hm-2)和15 a(41.15 t·hm-2)，远高于朱美玲等[5]对海南桉树人工林土壤0 ~ 20 cm土层碳储量的研究结果(2 a，16.43 t·hm-2；4 a，17.82 t·hm-2；6 a，16.77 t·hm-2)，而与竹万宽等[7]对相同试验区1 ~ 7 a生桉树人工林研究结果(1 a，34.33 t·hm-2；2 a，37.04 t·hm-2；3 a，50.16 t·hm-2；5 a，39.01 t·hm-2；7 a，45.26 t·hm-2)相近，表明影响土壤有机碳储量空间变异的因素中土壤类型和养分状况可能较林龄存在更大作用。本研究0 ~ 20 cm土层(即土壤表层)有机碳储量均高于我国红壤类型平均土壤表层有机碳储量(36.5 t·hm-2)，表明研究区所在地区表层土壤可能有较高的碳源输入。0 ~ 60 cm土层有机碳储量分别为8 a(98.45 t·hm-2)、10 a(113.21 t·hm-2)和15 a(80.36 t·hm-2)，低于中国森林生态系统平均土壤碳储量(193.55 t·hm-2)[9]，原因可能是研究区所在地区南亚热带气候区降雨量和年均温较高，掉落物分解速率较高，土壤呼吸速率较大，土壤碳积累较少，导致土壤碳流失较大。

本研究土壤氮储量在不同林龄间与碳储量表现一致差异不显著，表明较高林龄桉树人工林中林龄并非影响土壤氮储量的主要因素。3个林分0 ~ 60 cm土壤氮储量分别为8 a(7.87 t·hm-2)，10 a(8.29 t·hm-2)和15 a(7.43 t·hm-2)，相比于海南2 ~ 6 a生桉树人工林0 ~ 50 cm氮储量(3.36 ~ 10.57 t·hm-2)[5]处于较高水平，原因可能是高林龄桉树人工林土壤表面积累了较多腐殖质，并通过降雨、土壤矿质作用、淋溶等过程改变土壤中氮储量。

土壤碳氮比作为土壤质量的敏感性指标，可以衡量土壤碳氮营养平衡状况[10]。本研究林龄对土壤碳氮比的影响不明显，可能是由于桉树人工林在轮伐期过后土壤理化性质基本稳定，因林龄变化而引起的差异较小导致。3个林分土壤碳氮比接近于中国陆地碳氮比平均值(11.9)[11]，略低于1 ~ 7 a生桉树人工林[10]土壤碳氮比，表明桉树人工林在轮伐期后可能会出现土壤元素矿化作用加快的现象。

[1] 彭舜磊,王华太,陈昌东,等.宝天曼自然保护区森林土壤碳氮储量分布格局分析[J].水土保持研究,2015(5):30-34.

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[4] 黄从德,张健,杨万勤,等.四川森林土壤有机碳储量的空间分布特征[J].生态学报,2009,29(3):1217-1225.

[5] 朱美玲,王旭,王帅,等.海南岛典型地区桉树人工林生态系统碳、氮储量及其分配格局[J].热带作物学报,2015,36(11):1943-1950.

[6] 张苏峻,黎艳明,周毅,等.粤西桉树人工林土壤有机碳密度及其影响因素[J].中南林业科技大学学报, 2010,30(5):22-28.

[7] 竹万宽,陈少雄,张利丽,等.不同林龄尾巨桉林地土壤有机碳储量变化差异[J].桉树科技,2015,32(4):5-9.

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Soil Carbon and Nitrogen Storage and C/N Ratios inPlantations of Different Ages

ZHU Wankuan, XU Yuxing, WANG Zhichao, DU Apeng

(,,,)

Soil carbon and nitrogen reserves and C/N stoichiometric characteristics were measured and analyzed inplantations of ages 8, 10 and 15 years. The soil carbon and nitrogen reserves of the soils were 98.45 t·hm-2and 7.87 t·hm-2respectively at age 8 years, 113.21 t·hm-2and 8.29 t·hm-2at age 10 years, and then 80.36 t·hm-2and 7.43 t·hm-2at age 15 years. The ratio of soil carbon to nitrogen (C/N ratio) of three different aged plantations ranged from 8.47 to 14.64, with no distinct patters of variation attributable to plantations age.

plantation; stand age; soil carbon and nitrogen reserves; stoichiometric ratio

S714.5

A

广西科技重大专项(桂科AA172004087-9)；“十三五”国家重点研发计划课题(2016YFD0600504)；广东省林业科技创新专项资金项目(2014KJCX021-04)；2016年省级生态公益林激励性补助资金项目(2016-03)；广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站运行补助(2018-LYPT-DW-141)。

竹万宽(1989— )，男，硕士，研究实习员，主要从事桉树人工林生态定位监测研究，E-mail: zwk_2015@163.com.

杜阿朋(1979— )，男，博士，副研究员，主要从事森林生态学研究，E-mail: dapzj@163.com.