多代连栽对桉树人工林土壤有机碳含量影响的Meta 分析

崔俊峰，唐 健，郭丽梅，王会利，石媛媛，宋贤冲*

（1广西壮族自治区林业科学研究院，广西南宁 530002；2广西林用新型肥料研发中心，广西南宁 530002；3广西壮族自治区国有钦廉林场，广西钦州 535000；4 广西壮族自治区亚热带作物研究所，广西南宁 530001）

多代连栽是桉树人工林一种常见的经营方式，短周期多代连栽可以带来巨大的经济利益。作为陆地生态系统中最大碳库的土壤，其对全球碳循环起着重要作用。近年来，随着短周期多代连栽、全垦皆伐等高强度经营方式在桉树人工林的大面积应用，桉树人工林土壤质量发生明显下降，土壤碳密度和碳储量也呈下降趋势。因此，越来越多的研究者开始关注多代连栽下桉树人工林土壤有机碳的变化。明安刚等、肖斌、史进纳等、宋贤冲等对不同连栽代次桉树人工林土壤有机质（碳）含量进行了研究；梁宏温等、黄图英、吕小燕等研究了连栽下桉树人工林土壤有机碳储量的变化特征。由于土壤有机碳含量的影响因素较多，包括土地利用方式、地理位置、气温和降水量等，而大多数研究的空间和时间尺度较小，加上土壤具有较强的异质性，导致不同连栽代次土壤有机碳的研究结果代表性较差且出现不同研究结果不一致的现象，这就造成引用或参考上述研究结果时难以辨别和取舍的问题。针对上述问题，就需要采取与传统研究综述定性比较不同的方法，对研究结果进行定性与定量结合的综合分析，得出综合性的分析结论。

Meta 分析（Meta-Analysis）是一种系统性评价方法，其采用一个统一的效应量或效应尺度来合并量化和综合评价反映多个独立的研究结果，根据效应量或效应尺度来验证和提高独立研究结果的可信度，进而解决单一研究结果存在不一致的现象。本文采用Meta 分析的方法，系统整合已发表的文献资料，定量综合分析多代连栽下不同代次桉树人工林、同一代次不同土层土壤有机碳含量的变化趋势，比较多代连栽与对照林分的土壤有机碳含量差异，旨在科学、准确和较为全面地揭示多代连栽下桉树人工林土壤有机碳含量变化的普遍性规律，为科学合理地经营桉树及维持桉树人工林地力可持续提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据的收集

利用中国知网（CNKI）、万方等中文数据库，以“连栽”、“连作”、“萌芽”、“桉”和“有机碳”、“有机质”、“土壤养分”、“土壤理化性质”等为关键词，具体检索式为“TI=（连栽+连作+萌芽+林龄）×桉AND SU=（有机碳+有机质+土壤养分+土壤理化性质）”，收集并筛选了2022 年4月份以前发表的有关“连栽-桉树-土壤有机碳”的相关研究论文进行Meta 分析。

1.2 文献筛选及资料提取

为达到本研究的目的和减少文献筛选带来的偏差，所筛选的文献必须满足以下几个条件：1）试验中必须以非桉树林地（杉木、马尾松林或种植之前的空地）为对照组，以不同连栽代次的桉树林为处理组；2）研究论文所提供的土壤有机碳数据必须有试验的重复数（至少可以从论文其它部分得知）、标准差或者标准误。基于以上筛选标准，最终获得符合要求的研究论文9 篇，获取有效数据81对。

1.3 数据处理

由于已发表论文的数据呈现形式有表格和图两种，故获取数据的方法也有所差别。若文献数据以表格的形式呈现，数据直接从表格中获取；若文献数据以图的形式呈现，则利用GetData Graph Digitizer 2.26 软件来获取相关数据。文献研究结果以有机质含量呈现的，则按照有机质（g·kg）=土壤有机碳（g·kg）×1.724 进行换算；若研究结果以百分含量呈现，则将其转化为g·kg的单位。

1.4 统计学方法

文献统计分析采用RevMan5.4 软件（https://training.cochrane.org/online-learning/core-software/revman/revman-5-download）。多代连栽影响的效应量以不同林分土壤有机碳含量的加权均数差（Weighted Mean Difference，WMD）来表示。通过效应量计算各研究的效应量点估计值、95%置信区间（Confidence Interval，CI）、纳入研究的合并效应量WMD 及95% CI。其中，采用χ检验（α=0.05）结合异质性指数（I）的方法分析纳入研究结果间的异质性以及判断异质性显著程度。根据异质性分析结果来选择效应分析的模型，固定效应模型适用于研究结果间统计学异质性不显著时（＜50%、≥0.05）；反之，如研究结果间存在统计学异质性时（＞50%、＜0.05），则采用随机效应模型进行分析。

2 结果与分析

2.1 文献检索结果

按照文献检索策略通过文献数据库共检索到相关文献35 篇，结合文献纳入和排除筛选条件，共筛选出符合要求的文献9 篇。

2.2 纳入研究的文献基本特征

从文献发表的时间来看，纳入研究的9 篇文献开展研究的时间从2007 年到2020 年不等。研究样地分布在广西、福建和四川等桉树种植区，其中以广西为主，而广西的研究地点中以广西东门林场雷卡分场为主。文献中的土壤类型不同，有红壤、砖红壤、赤红壤和老冲积黄壤，以赤红壤为主。各研究的样地数量不同，采集土样的土壤分层范围为0～100 cm，不同研究的分层范围以0～20 cm、20～40 cm 为主（表1）。

表1 纳入研究的文献基本特征

2.3 一代桉树林土壤有机碳含量

9 项研究报道了一代桉树林土壤有机碳含量的变化情况。研究结果间异质性检验具有统计学意义（=82%、＜0.05），表明各研究间异质性显著，故选用随机效应模型进行分析。经Meta 分析表明，合并效应量 WMD=1.29，95% CI为-1.86～-0.72，合并效应量WMD＜0，说明综合各研究结果反映出土壤有机碳含量一代林＜对照林分，且差异极显著（＜0.01）。

亚组分析可以更好地揭示土壤有机碳含量在不同代次间不同土层的变化情况。在0～20 cm 土层，纳入的8 篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义（=72%、＜0.05），表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=-2.48＜0，95% CI 为-3.76～-1.19，说明在0～20 cm 土层一代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异极显著（＜0.01）。在20～40 cm 土层，7 篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义（=62%、＜0.05），表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=-1.26＜0，95% CI 为-2.19～-0.34，说明在20～40 cm 土层一代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异显著（＜0.05）。在40～60 cm 土层，3 篇文献研究结果间异质性检验不具有统计学意义（=0%、＞0.05），表明各研究间异质性不显著。选用固定效应模型进行分析后，合并效应量WMD=-0.39＜0，95% CI 为-0.72～-0.07，说明在40～60 cm 土层一代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异显著（＜0.05）。60 cm 以下土层各研究结果间异质性检验不具有统计学意义（=0%、＞0.05），表明各研究间异质性不显著。选用固定效应模型进行分析后，合并效应量WMD=0，95%CI 为-0.36～-0.35，说明在60 cm 以下土层一代林土壤有机碳含量和对照林分没有显著差异（＞0.05）（图1）。从图1 可知，与对照林分相比，桉树一代林不同土层间土壤有机碳含量合并效应量WMD 的变化趋势为0～20 cm＜20～40 cm＜40～60 cm＜60 cm以下，即随着土层深度的增加，土壤有机碳含量差异逐渐减小。

图1 一代桉树林与对照林分土壤有机碳含量Meta 分析

2.4 二代桉树林土壤有机碳含量

6 项研究报道了二代桉树林土壤有机碳含量的变化情况。研究结果间异质性检验具有统计学意义（=90%、＜0.05），表明各研究间异质性显著，故选用随机效应模型进行分析。经Meta分析表明，合并效应量WMD=-1.80＜0，95% CI为-2.67～-0.94，说明综合各研究结果反映出土壤有机碳含量二代林＜对照林分，且差异极显著（＜0.01）。

进一步对各研究结果按不同土层进行亚组分析。在0～20 cm 土层，纳入的5 篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义（=59%、＜0.05），表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=-4.73 ＜0，95% CI为-6.32～-3.13，说明在0～20 cm 土层二代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异极显著（＜0.01）。在20～40 cm 土层，各研究结果间异质性检验具有统计学意义（=81%、＜0.05），表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=-1.30＜0，95% CI 为-2.67～0.07，说明在20～40 cm 土层二代林土壤有机碳含量低于对照林分，但差异不显著（＞0.05）。在40～60 cm土层，各研究结果间异质性检验不具有统计学意义（=33%、＞0.05），表明各研究间异质性不显著。选用固定效应模型进行分析后，合并效应量WMD=-0.05＜0，95%CI 为-0.59～0.49，说明在40～60 cm土层二代林土壤有机碳含量低于对照林分，但差异不显著（＞0.05）。60 cm 以下土层各研究结果间异质性检验不具有统计学意义（=0、＞0.05），表明各研究间异质性不显著。选用固定效应模型进行分析后，合并效应量WMD=0.13，95% CI 为-0.24～0.49，说明在60 cm 以下土层二代林土壤有机碳含量高于对照林分，但差异不显著（＞0.05）（图2）。从图2 可知，与对照林分相比，桉树二代林不同土层间土壤有机碳含量合并效应量WMD 也呈现0～20 cm＜20～40 cm＜40～60 cm＜60 cm 的变化趋势。

图2 二代桉树林与对照林分土壤有机碳含量Meta 分析

2.5 三代桉树林土壤有机碳含量

4 项研究报道了连栽三代桉树林和对照林分土壤有机碳含量的变化。各项研究结果间异质性检验显著（=86%、＜0.05）。选用随机效应模型进行Meta 分析，结果表明各研究结果整体合并效应量WMD=-1.87＜0，95%CI 为-3.37～-0.36，说明连栽三代桉树林土壤有机碳含量整体上低于对照林分，且差异显著（＜0.05）。

按不同土层对各项研究结果进行亚组分析。在0～20 cm 土层，纳入的3 篇文献研究结果间异质性检验不具有统计学意义（=0、＞0.05），异质性不显著。选用固定效应模型进行Meta 分析，其合并效应量WMD=-4.79＜0，95%CI 为-6.03～-3.55，说明在0～20 cm 土层三代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异极显著（＜0.01）。在20～40 cm土层，各研究结果间异质性不显著（=22%、＜0.05），选用固定效应模型进行分析。Meta 分析合并效应量WMD=-0.54＜0，95%CI 为-1.62～0.54，说明在20～40 cm 土层三代林土壤有机碳含量低于对照林分，但差异不显著（＞0.05）。在40～60 cm土层，由于仅有一篇纳入文献，故无法计算异质性。选用随机效应模型进行分析，其合并效应量WMD=-0.34＜0，95% CI 为-1.20～0.52，说明在40～60 cm 土层三代林土壤有机碳含量低于对照林分，但差异不显著（＞0.05）。60 cm 以下土层选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=0.94，95%CI 为-0.43～2.41，说明在60 cm以下土层三代林土壤有机碳含量高于对照林分，但差异不显著（＞0.05）（图3）。从图3 可知，与对照林分相比，桉树三代林不同土层间土壤有机碳含量合并效应量WMD 也呈现0～20 cm ＜20～40 cm ＜40～60 cm＜60 cm 的变化趋势。

图3 三代桉树林与对照林分土壤有机碳含量Meta 分析

3 讨论

土壤有机碳含量受气候和土壤因素等多种环境因子的影响，其中气候因子的影响最为突出。Fang 等以省级单位为尺度评估了我国土壤有机碳的分布特征，发现土地利用类型和土壤质地是土壤有机碳含量的主要因素。通过对桉树人工林多代连栽土壤有机碳含量的Meta 分析发现，各文献间研究结果有较大的差异。造成各文献间研究结果差异的主要原因可能是各研究相同代次林分的实际林龄不统一、土壤有机碳含量空间变异幅度较大、土壤样品采集时划分土层深度标准和采集土层深度不一致等。按照土层划分为亚组对不同连栽代次与对照林分土壤有机碳含量进行Meta 分析，结果发现不同连栽代次各土层土壤有机碳含量总体上低于对照林分。不同连栽代次表土层（0～20 cm）土壤有机碳含量均显著低于对照林分，而随着土层深度的增加，土壤有机碳含量受连栽代次的影响逐渐减弱。本结果与董丽等、魏卫东等的研究结果一致，表明多代连栽对桉树土壤有机碳含量的影响主要体现在表土层。

在对不同连栽代次桉树林土壤有机碳含量进行Meta 分析时，不同研究间总体分析均存在异质性，但亚组分析之间仅一代林和二代林的0～20 cm 和20～40 cm 土层间存在显著的异质性。产生这种情况的可能原因在于：一、纳入研究的文献量不足，无法进行异质性检验或异质性检验结果可信度不高；二、不同的研究采样深度不同，但在0～20 cm 和20～40 cm 一般都进行了采样，而不同研究采集混合土样进行有机碳含量测定的方法不一致；三、不同样地的管理措施存在差异，例如施肥量和抚育经营方式有差异。

前期已有大量开展桉树人工林土壤有机碳研究的文献报道，但是由于无对照林分、关键指标缺失、重复数量不够等原因，符合Meta 分析纳入标准的文献数量有限。Meta 分析结果不仅受限于纳入标准的文献数量，检索到的文献的数据质量异质性也对分析结果有重要影响，这些最终会影响到Meta分析结果的论证强度及外推性。与叙述性综述相比，Meta 分析因其可以较客观地依据统计学原则进行定性、定量的综合分析，较适用于类似土壤理化性质等在较大时空尺度变异幅度较大的研究中。

针对桉树人工林多代连栽对土壤有机碳影响的研究要想获得科学客观的研究结果，亟待加强对研究样地的选取、采样和分析测试方法的标准化和规范化。标准化和规范化流程下产出的研究结果才更具有科学意义，才能更加有利于指导生态学和森林培育学实践。

4 结论

对不同连栽代次桉树人工林土壤有机碳含量进行Meta 分析发现，不同连栽代次土壤有机碳含量均低于对照林分；一代林和二代林土壤有机碳含量与对照林分差异极显著；三代林土壤有机碳含量与对照林分差异显著。

亚组分析结果表明，一代、二代和三代桉树人工林0～20 cm 土层土壤有机碳含量均低于对照林分，且差异极显著。不同连栽代次桉树人工林土壤有机碳含量合并效应量大体上随着土层深度的增加而变大，土壤有机碳含量差异逐渐减小。

综上可知，随着连栽代次的增加，桉树人工林土壤有机碳含量与对照林分的差异逐渐减小；随着土层深度的增加，桉树人工林土壤有机碳含量与对照林分的差异逐渐减小，多代连栽对桉树土壤有机碳含量的影响主要体现在表土层。今后在桉树人工林营林实践中应注重对一代、二代和三代桉树人工林的表层土壤的有机质补充，以维持桉树人工林地力和可持续健康发展。