云南不同林龄橡胶林土壤有机碳含量变化及影响因子*

赵林林，吴志祥，孙 瑞，杨 川，符庆茂，谭正洪

(1.海南大学 热带作物学院，海南 海口 570228；2.中国热带农业科学院 橡胶研究所，海南 海口 571101；3.农业农村部儋州热带作物科学观测实验站，海南 儋州 571737；4.海南大学 生态与环境学院，海南 海口 570228)

天然橡胶是中国乃至世界不可或缺的工业原料和国家战略物资之一[1]，其生长受环境制约，全世界90% 的橡胶产自水热条件好的东南亚地区(泰国、印尼、马来西亚、越南和中国)及少数非洲(科特迪瓦)国家[2]。优良的土壤环境对产胶量的提高起到促进作用[3]。中国南方的橡胶树种植区土壤多偏酸性，加上多雨气候，致使土壤中有机碳具有较强的变异性[4]。土壤有机碳不仅是生态循环和土壤肥力研究的关键内容，还是生物进行生命历程必需的物质[5]，其含量受多种环境因子的影响[6]，包括气候和土壤等因素[7]，其中气候因子对土壤有机碳含量的影响最为突出。在中国，以省级单位为尺度的土壤有机碳研究表明：土地利用类型和土壤质地是影响土壤有机碳含量的主导因子[8]。土壤质量是影响橡胶树生长以及产胶量的至关重要的因素，目前有关土壤理化性质和有机碳等在农业生产中的研究较多，但有关橡胶林土壤有机碳及影响因子的研究鲜有报道，探究不同龄级橡胶林土壤有机碳含量差异及其影响因子，对合理种植、管理胶园和提高产胶量以及土壤可持续发展具有重要意义。

橡胶树作为一种经济林树种，不仅具有产胶和木材等经济价值，还具有保护生态环境和增强生物多样性的作用。云南是中国最早引种巴西橡胶树的省份，如今云南不仅是中国橡胶产量最高的胶区，也是中国橡胶单产最高的优良实验基地[9]。橡胶林土壤有机碳的含量及其动态平衡是反映土壤质量或土壤健康的重要指标，直接影响土壤肥力和橡胶产量。对云南植胶区土壤有机碳含量进行研究，可为橡胶林生态系统养分变化提供基础数据，也可为其土壤改良和碳循环研究提供科学依据。本研究以云南主要植胶区为采样地，对比不同区域、林龄和土层土壤质量，并探讨土壤有机碳含量空间变化的影响因子，为提高中国植胶区土壤质量和促进天然橡胶产业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

云南省主要植胶区集中于西双版纳、瑞丽、红河、普洱和临沧等地区，位于N21°09′～25°00′、E97°30′～105°08′之间[10]。本研究选取景洪市、瑞丽市和河口县3 个植胶区作为采样地，基本情况见表1。

西双版纳地处澜沧江大断裂带两侧，以山原地貌为主，土壤类型以赤红壤和砖红壤为主，属于热带季风气候，采样地景洪市位于西双版纳中部，地跨E100°25′～101°31′、N21°27′～22°36′之间[11]；瑞丽市在E97°31′～98°02′、N23°38′～24°14′之间，地处横断山脉向南的延伸部分，地势呈现出西北高东南低的特点，土壤以黄壤、砖红壤性红壤和红壤为主，属于亚热带季风气候[12]；河口县处于红河州下游，地理位置在E103°23′～104°17′、N22°30′～23°02′之间，且呈现北高南低，向东南倾斜的阶梯状地势，该地6 月多暴雨，自然资源丰富，属于热带季风气候[13]。

1.2 样品采集与处理

2018 年6 月，对云南省景洪、瑞丽和河口等施肥状况相近的橡胶林样地进行土壤样品采集。每个采样地选5 个龄级(0～5 年、10～15 年、16～20 年、26～30 年和31～35 年) 橡胶林样地进行取样，同时选取2 种施肥状况相近的当地作物样地(景洪选取生态经济林和坚果圃；瑞丽选取柚子林和八角林；河口选取油梨林和肉桂林)作为对照样地，取样数量与橡胶林样地一致。取样过程严格按照“Z”字五点取样法进行[14]，每个样点分2 层(0～20 cm 和＞20～40 cm)采集，共采集70 个样品于密封袋中，每袋质量＞500 g。土壤样品采集结束后带回实验室，先将取回的土壤进行晾干和去杂处理，风干研磨后过0.25 mm 目筛后备用。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 土壤部分理化指标测定

选用重铬酸钾容量—外加热法测定土壤有机碳含量[15]；选用烘干法测定0～20 cm 和＞20～40 cm土壤的含水量；选用pH 计法测定土壤酸碱度[16]。

1.3.2 自然环境因素指标测定

采样同时测量海拔、坡度、树高、胸径、植被覆盖度和郁闭度等指标，其中海拔用户外助手测量，坡度用坡度仪测量，树高用测高仪测量，胸径用卷尺测量，植被覆盖度用植被覆盖度测量仪测量，郁闭度用十分法测量[17]。

1.3.3 环境因子对土壤有机碳含量的影响

采用多元统计分析探讨环境因子(海拔、经纬度、坡度、植被覆盖度、郁闭度、气温、降水量、土壤pH、土壤含水量、林龄、树高和胸径)对土壤有机碳含量的影响。多元统计分析在生态研究中应用较为广泛，而排序是多元统计分析主要方法之一。冗余分析属于约束排序的一种，能有效地对多环境因子进行统计检验[18]。CCA 是一种结合回归和主成分分析(PCA) 的方法。它是多元回归分析的直接扩展，能从统计学的角度来评价一个或一组变量与另一组变量数据之间的关系[19]，并用箭头长度及其夹角表示。箭头长度表示环境因子对主成分的影响大小，越长则代表影响越大。向量(箭头)夹角表示影响因子间的相关性：两箭头之间角度接近90°，表明两变量之间的相关性很小，两者之间几乎不存在影响；两箭头之间角度小于90°，表明两变量之间存在正相关，角度越小，则正相关性越大；两箭头之间角度大于90°，表明两变量之间存在负相关，角度越大，则负相关性越大。

1.3.4 不同土地类型对土壤有机碳含量的影响

植被覆盖类型和农业生产管理措施的变化会引起土壤性质和生态过程的变化，使得土壤中有机碳库组分和含量发生转变，因此本研究对热带作物样地(对照样地)和橡胶林的土壤有机碳含量进行比较分析。

1.4 数据分析

数据处理运用Microsoft Excel 2019 完成；橡胶林与热带作物土壤有机碳含量差异对比图制作运用Origin 2018 完成；不同地区、林龄和土地利用类型之间的土壤有机碳含量差异显著性检验采用SPSS Statistics V22.0 单因素方差分析(Duncan法)完成；不同土层间的土壤有机碳含量差异显著性检验采用SPSS Statistics V22.0 最小显著差异法(LSD 法)完成；环境因子对土壤有机碳影响的冗余分析采用RStudio R-3.6.1 完成。

2 结果与分析

2.1 云南植胶区土壤有机碳含量分布特征

由表2 可知：土壤有机碳含量均值最高的是景洪植胶区，最低的是河口植胶区；土壤有机碳含量变异系数最大的是瑞丽植胶区，变异系数最小的是景洪植胶区。云南主要植胶区土壤有机碳含量在7.22～22.82 g/kg 之间，平均值14.52 g/kg。

表2 云南植胶区土壤有机碳含量Tab.2 Status of soil organic carbon content in the rubber plantations of Yunnan Province

2.2 不同林龄橡胶林的土壤有机碳含量特征

由表3 可知：从景洪不同林龄胶园土壤有机碳含量的平均值(0～40 cm)来看，0～5 年、10～15 年和16～20 年3 个龄级橡胶林土壤有机碳含量显著高于26～30 年和31～35 年2 个龄级(P＜0.05)。其中，10～15 年橡胶林土壤有机碳含量最高，26～30 年橡胶林含量最低，各龄级橡胶林土壤有机碳含量由高到低的顺序为10～15 年＞0～5 年＞16～20 年＞31～35 年＞26～30 年。此外，景洪植胶区表层(0～20 cm)土壤有机碳含量在14.14～22.58 g/kg之间，深层(＞20～40 cm)土壤有机碳含量在12.61～21.08 g/kg 之间，除了31～35 年，其余4 个龄级橡胶林土壤有机碳含量均表现出表层高于深层的特点。

由表3 可知：从瑞丽不同林龄胶园土壤有机碳含量的平均值(0～40 cm)来看，0～5 年土壤有机碳含量显著高于26～30 年和31～35 年2 个龄级土壤有机碳含量。土壤有机碳含量最高的龄级为0～5 年，最低的为26～30 年，各龄级橡胶林土壤有机碳含量由高到低排列：0～5 年＞16～20 年＞10～15 年＞31～35 年＞26～30 年。此外，瑞丽植胶区表层(0～20 cm)土壤有机碳含量在10.45～22.82 g/kg之间，深层(＞20～40 cm)土壤有机碳含量在7.22～17.61 g/kg 之间，除了10～15 年外，其余4 个不同龄级橡胶林土壤有机碳含量均为表层高于深层。

由表3 可知：从河口不同林龄胶园土壤有机碳含量的平均值(0～40 cm)来看，各龄级的土壤有机碳含量差异均不显著(P＞0.05)。16～20 年龄级橡胶林土壤有机碳含量最高，0～5 年最低。河口植胶区表层(0～20 cm)土壤有机碳含量在9.39～14.35 g/kg 之间，深层(＞20～40 cm)土壤有机碳含量在7.50～9.83 g/kg 之间，且每个龄级的橡胶林土壤有机碳含量均为表层高于深层。

表3 不同林龄橡胶林土壤有机碳含量Tab.3 Soil organic carbon content in different layers of rubber plantations with different tree ages g/kg

2.3 土壤有机碳含量空间差异的影响因子

2.3.1 土壤有机碳含量空间差异的环境因子

由图1 可知：植胶区土壤有机碳含量与样地坡度、降水量、海拔、气温、纬度、土壤含水量、郁闭度、土壤pH 和树高等因素相关性较大；与林龄、胸径和林下植被覆盖率等因素相关性不大，这说明土壤有机碳含量受多种环境因子的影响。此外，纬度与海拔、植被覆盖度、降水量均呈负相关关系，即纬度越低，海拔越高，植被覆盖度越高，降水量越大；郁闭度与土壤含水量、土壤pH 呈负相关关系，即郁闭度越大，土壤含水量和土壤pH 越低。胸径与郁闭度、坡度和树高与土壤含水量之间均呈正相关关系，即橡胶树胸径越大，郁闭度越高；坡度越大，树高越高，土壤含水量越高。

图1 云南植胶区土壤有机碳与环境因子的CCA 排列Fig.1 CCA arrangement of soil organic carbon and environmental factors in rubber plantations of Yunnan Province

2.3.2 不同土地利用类型对土壤有机碳含量的影响

由图2 可知：橡胶林样地与热带作物样地土壤有机碳含量差异不显著(P＞0.05)。橡胶林样地土壤有机碳含量在10.62～19.70 g/kg 之间，而热带作物样地土壤有机碳含量在11.46～15.79 g/kg之间。其中，景洪和河口两地的橡胶林样地有机碳含量略高于热带作物样地，瑞丽橡胶林样地有机碳含量略低于热带作物样地。

图2 橡胶林样地与热带作物样地土壤有机碳含量Fig.2 Soil organic carbon content between rubber forest and tropical crop plot

3 讨论

3.1 云南植胶区土壤有机碳含量分布特征

云南植胶区土壤有机碳含量(平均值)最高的是景洪地区，最低的是河口地区。西双版纳拥有中国面积最大的热带雨林，1976—2007 年间，在其他树种种植率下降时，西双版纳的橡胶树种植面积反而增大[20]，说明景洪地区较大面积的橡胶林由热带雨林垦殖而来，而热带雨林因生物多样性丰富和土壤微生物量多使得土壤有机碳含量高于一般经济林。此外，景洪地区位于西双版纳低纬度山地，海拔较高，降水量丰沛，地表植被类型多，土壤为砖红壤，土壤质地为壤土，易于有机质的积累。河口地区土壤有机碳含量较低，这是因为河口地区受自然灾害影响较为频繁，土壤风化淋溶作用强烈，成土母质为冲积土，土层较厚但矿化作用强，土壤类型为黄色壤土，呈酸性至强酸性，胶林中的氮、磷、钾等营养供给不足，橡胶树所处土壤环境有机碳含量逐年下降[21]。

3.2 不同林龄橡胶林土壤有机碳含量特征

各植胶区不同龄级比较显示：景洪0～5 年、10～15 年和16～20 年3 个龄级土壤有机碳含量均显著高于26～30 年和31～35 年2 个龄级(P＜0.05)，瑞丽0～5 年土壤有机碳含量显著高于26～30 年和31～35 年2 个龄级(P＜0.05)。0～5 年橡胶林均未开割，且上一代胶林砍伐后的枯枝落叶还有部分未腐蚀完全，或者腐烂形成的有机碳未遭淋溶或矿化，因此幼苗期橡胶林土壤有机碳含量较高；10～15 年和16～20 年龄级橡胶林均已开割，上代胶园残留的有机碳虽较少，但因人为施肥多且林下草丛覆盖率高，对土壤养分保持作用强，有机碳含量略高；26～30 年和31～35 年橡胶林早已没有上一代胶林更新的有机质，缺株严重，并多已弃割，生长处于衰老阶段，不光枝叶较少，林下植物多样性也减少，保水保肥能力下降。不同林龄橡胶林土壤有机碳含量整体表现出龄级越小土壤有机碳含量越高，林龄较大，老龄化现象加重，土壤有机碳含量较低的特点。河口植胶区各龄级的土壤有机碳含量差异均不显著，16～20 年和26～30 年胶园土壤有机碳含量略高于0～5 年、10～15 年和31～35 年3 个龄级。

各植胶区不同土层比较：瑞丽0～5 年、16～20 年、26～30 年以及河口16～20 年胶园表层(0～20 cm)土壤有机碳含量显著高于深层(＞20～40 cm)，此研究结果与吴志祥等[22]的研究结果一致。橡胶树凋落物以及林下植被落叶、细根等的腐蚀直接为表层土补给养分，而深层土壤则因为距凋落物和细根等较远，其养分的补给没有表层土充裕[23]，这是造成0～20 cm 土壤有机碳含量高于＞20～40 cm 有机碳含量的主要原因。其余各地区不同龄级胶园间土壤有机碳含量差异均未达到显著水平，但也表现出表层(0～20 cm)高于深层(＞20～40 cm)的趋势。

3.3 土壤有机碳含量空间分异的影响因子

3.3.1 环境因子对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳含量受有机碳输入和输出控制，地上植被、地面凋落物及根系分泌物为有机碳的输入过程，根系呼吸、微生物呼吸及矿化、氧化等为有机碳的输出过程[24]。土壤有机碳含量的变化作为评价土壤质量的关键指标，利用冗余分析探讨环境因子对植胶区土壤有机碳含量的影响程度可初步得出：在云南省橡胶林生态系统中，地理位置(纬度、海拔和坡度)、气温和降水量等对土壤有机碳含量的影响较大，这是因为随着纬度的降低，气温升高、降水量增加，随着淋溶作用的进行，土层逐步酸化，进而导致橡胶林土壤有机碳含量降低，这与许浩等[25]的研究结果一致。由于海拔和坡度的不同会造成光照时间以及程度的差异，从而使得橡胶林土壤蒸腾蒸发和水分入渗等作用的不同，因此土壤有机碳含量也有明显分异[26]。本研究中，瑞丽和景洪的海拔高于河口，随着海拔升高，土壤有机碳含量增加，这是因为不同海拔的小气候不同，导致地表覆盖植被分布的差异，使得土壤保水保肥能力不同。郭然等[27]通过研究樟子松不同坡度的土壤碳积累能力得出坡度较大的土壤碳储量较高。本研究中，河口橡胶林土壤坡度最大，但是有机碳含量最低，可能是因为河口多暴雨，频发低温寒害等灾害，造成土壤肥力降低。本研究中林龄、胸径和林下植被覆盖率等因素对土壤有机碳含量的影响不大。除此之外，大气CO2、风暴以及土壤质地、土壤微生物等未分析的因素都会对土壤有机碳含量造成影响。环境因子本身具有综合性、非等价性、不可替代性、互补性和限定性等作用，各种环境因子之间的相互作用均会造成土壤有机碳的差异[28]。

3.3.2 土地利用变化对土壤有机碳含量的影响

云南各植胶区样地与当地热带作物样地土壤有机碳含量有所差异，但差异均未达到显著水平，说明植胶对土壤有机碳含量的影响并不显著。其中，景洪和河口植胶区的土壤有机碳含量高于当地热带作物样地，而瑞丽植胶区土壤有机碳含量略低于热带作物样地。另外，施肥和除草等人为因素均可对土壤有机碳含量造成一定的影响。合理的土地利用方式可通过改善土壤结构，提高土壤本身肥力与对外界环境变化的抵抗力；不合理的土地利用方式可导致土壤微生物生物量减少、土壤肥力下降和生态服务功能减弱等[29]。

4 结论

本研究中，云南植胶区土壤有机碳含量(平均值)最高的是景洪地区，其次是瑞丽地区，最低的是河口地区。除个别龄级外，各采样地不同龄级胶园均表现为较低龄级胶树土壤有机碳含量(平均值)高于较高龄级，各龄级胶园不同土层有机碳含量均表现出浅层高于深层的分布规律。地理位置(纬度、坡度和海拔)、气温和降水量等因素对土壤有机碳含量的影响较大，而土地利用类型不是影响土壤有机碳含量的显著因素。云南省植胶区土壤有机碳含量存在空间、林龄和土层之间的变化。本研究结果为探究环境因子对土壤有机碳含量的影响提供了新思路，为今后改善植胶区土壤质量和提升土壤肥力提供了理论支撑。