桉树人工林林龄对土壤团聚体有机碳稳定性的影响

余平福　朱俊华　吴群升　杜亮　覃伟　何欣欣

摘要： 本研究以廣西国有大桂山林场为研究区域，选择传统轮伐期内不同林龄（1 a、2 a和4 a）桉树人工林土壤以及邻近撂荒地土壤（0 a）为研究对象。采集0～20 cm土层原状土样，通过湿筛法将土样分为4个粒级团聚体，包括>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和<0.25 mm。针对不同粒级土壤团聚体，测定其有机碳、活性碳和惰性碳含量，并计算其有机碳稳定性（由Kos值表征）。结果表明，在不同林龄桉树人工林中，土壤团聚体有机碳（包括活性碳和惰性碳）含量随着团聚体粒级减小而显著升高，从而导致更多的土壤有机碳分布在<0.25 mm粒级团聚体中，表明<0.25 mm粒级团聚体是土壤有机碳的主要载体。在种植桉树过程中，土壤有机碳含量和Kos值呈先升高后降低的变化趋势，在种植桉树2 a时最高，表明该林龄桉树人工林土壤中积累了更多且更稳定的有机碳。因此，种植桉树2 a以后，应注意土壤有机碳的积累与固持，从而维持桉树人工林土壤的碳汇效应。

关键词：  桉树人工林；  土壤团聚体；  有机碳含量；  有机碳稳定性

中图分类号：   S 792               文献标识码：   A                文章编号：１００1 － 9499（２０23）06 － 0006 － 05

Soil Organic Carbon Stability in Aggregates as Affected

by Stand Age in Eucalyptus SPP. Plantation

YU Pingfu ZHU Junhua WU Qunsheng DU Liang QIN Wei HE Xinxin

（1.  Guangxi Zhuang Autonomous Region State-owned Dagui Mountain Farm，  Guangxi Hezhou

542899;  2.  College of Forestry，  Guangxi University，  Guangxi Nanning 530004）

Abstract In this study， the state-owned Daguishan forest farm in Guangxi was selected as the research area， and the soil of eucalyptus plantation with different ages （1 a， 2 a and 4 a） and nearby abandoned land （0 a） were selected as the research objects. The undisturbed soil samples of 0-20 cm soil layer were collected and divided into 4 aggregate fractions， including >2 mm， 2-1 mm， 1-0.25 mm and <0.25 mm aggregates， by wet sieve method. The contents of organic carbon， labile carbon and inert carbon in soil aggregates of different grain sizes were determined， and their organic carbon stability （characterized by Kos value） was calculated. The results showed that the content of organic carbon （including labile carbon and inert carbon） in soil aggregates increased significantly with the decrease of aggregate size in eucalyptus plantations of different ages， resulting in more soil organic carbon distributed in <0.25 mm aggregates， indicating that the <0.25 mm aggregates are the main carriers of soil organic carbon. In the process of planting eucalyptus， soil organic carbon content and Kos value showed a trend of first increasing and then decreasing， and the highest values were reached when planting eucalyptus 2 a， indicating that more and more stable organic carbon accumulated in the soil of the aged eucalyptus plantation. Therefore， after planting eucalyptus 2 a， attention should be paid to the accumulation and retention of soil organic carbon， so as to maintain the carbon sink effect of eucalyptus plantation soil.

Key words Eucalyptus SPP. plantations; soil aggregates; organic carbon content; organic carbon stability

作为全球陆地生态系统中最大的碳库，土壤有机碳储量估计在1 500～2 344 Gt左右，是大气碳库的2～3倍，植被碳库的3～4倍[ 1 ]。土壤有机碳储量的微小变化可能对大气CO2浓度和全球气候变化产生巨大影响[ 2 ]。土壤团聚体是土壤結构的基本单元，是土壤中物质和能量转化代谢的主要场所，其稳定性影响土壤团聚体的组成和空间排列方式，进而决定土壤孔隙的分布、数量搭配和形态特征以及土壤对外界应力的敏感性[ 3 ]。具有良好团粒结构的土壤，不仅能够满足植物对水分、养分、湿度和空气的需求，而且具有较强的抗冲抗蚀能力[ 4 ]。土壤有机碳是影响土壤质量与功能表现的核心要素，其短暂波动主要发生在活性碳部分，尽管该部分碳占全碳比例较小，但对维持土壤肥力及土壤碳贮量具有深刻影响[ 5 ， 6 ]。

作为我国分布最为广泛的森林类型之一，桉树人工林对森林经济的发展和净初级生产力的提高具有重大贡献[ 7 ]。截至2020年底，全国桉树人工林面积达到了546万hm，其中广西桉树人工林面积约为200万hm，居全国首位[ 8 ]。前期研究发现，土地利用方式由撂荒地转换成桉树人工林，有助于土壤结构的形成与稳定[ 9 ]。但在种植桉树过程中，土壤有机碳稳定性如何变化（尤其在团聚体尺度下）仍不清楚。因此，本研究以广西国有大桂山林场为研究区域，旨在揭示桉树林龄对土壤团聚体有机碳稳定性的影响，以期为维持或提升桉树人工林土壤的碳汇效应提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区域概况

本研究在广西贺州市八步区大桂山林场开展，地理位置111°20′5″～111°54′39″E，23°58′33″～ 24°14′25″N。该区域属亚热带季风性气候，年均温19.3 ℃，年均降水量2 056 mm。地势以低山和丘陵为主，海拔500～900 m，坡度18°～23°。成土母质主要为砂页岩，土壤类型为砖红壤，质地为壤质粘土。林下植被种类主要有薄盖短肠蕨（Allantodia hachijoensi）、金毛狗（Cibotium barometz）和江南短肠蕨（Allan-todia metteniana）等。

1. 2 试验设计

在本研究中，采用“以空间换时间”的方法揭示土壤团聚体有机碳稳定性在种植桉树过程中的变化规律。一般情况下，该方法存在土壤空间异质性的干扰。因此，为了尽量减少该干扰对研究结果的影响，本文选择了具有相似地形地貌的桉树人工林样地。在野外调查的基础上，选择0（撂荒地）、1、2、4 a的桉树人工林作为研究对象。每一林龄设置3次重复，共12块样地。为减少空间自相关和避免“伪重复”，样地间距离不小于300 m。在每块样地中，随机选择1个样方（30 m×30 m），该样方距离样地边缘不小于100 m。

1. 3 样品采集

在每个样方中，随机选择3个次样方（1 m×1 m），在每个次样方表面用塑料袋收集凋落物样品。将3个次样方中收集得到的3个凋落物样品混合均匀，从而共产生12个混合凋落物样品（4个林龄 × 3个重复），随后将混合凋落物样品置于80 ℃烘箱里烘至恒重并称重（表1）。土壤样品的采集位置与凋落物一致。在每个样方中，用铁铲在0～20 cm土层收集原状土壤样品于塑料盒中。将3个次样方中收集得到的3个土壤样品混合均匀，从而共产生12个混合土壤样品（4个林龄×3个重复），随后将混合土壤样品沿自然解理面轻轻掰开，并过5 mm筛子用于剔除土壤动物、植物根系，凋落物残体和小石块等。在每个样方中，用环刀随机采集3个土壤样品用于测定全土pH、容重、有机碳、活性碳和惰性碳含量（表1）。

1. 4 土壤团聚体分级

土壤团聚体分级采用湿筛法[ 10 ]。采用孔径依次为2、1 mm和0.25 mm的筛网对500 g风干土样进行筛分。设置震动频率、振幅、时间恒定，即过筛时间15 min，上下振幅50 mm，频率1次s-1，通过自动筛分仪将土样分为>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和<0.25 mm共4级团聚体（表2），然后测定每一粒级团聚体的有机碳、活性碳和惰性碳含量。

1. 5 土壤理化分析

土壤容重通过环刀法[ 11 ]测定，即土壤样品在105 ℃烘箱中烘干至恒重并称重；土壤pH通过玻璃电极法[ 11 ]测定，其中土水比为1∶2.5（质量：体积）；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法[ 11 ]测定，即5 mL 0.8 M KCrO和5 mL HSO加入土壤样品，然后在170～180 ℃条件下沸腾5 min，剩余的K2CrO由0.2 M FeSO滴定；土壤活性碳采用刘合明等[ 12 ]的方法测定，将0.5 g风干土放入试管中，加入10 mL 0.2 M混合溶液（1∶6的KCrO和1∶3的HSO），然后将试管置入130～140 ℃油浴条件下沸腾5 min，待试管冷却后将其中溶液转移至250 mL玻璃三角瓶，剩余的KCrO由0.2 M FeSO滴定。

1. 6 统计分析

土壤惰性碳含量 = 土壤有机碳含量 - 土壤活性碳含量，土壤有机碳稳定系数（Kos） = 惰性碳含量 / 活性碳含量。其中，Kos值越大，表征土壤有机碳越稳定[ 13 ]。

统计分析均在SPSS 22.0软件中进行，研究结果由3次重复的平均值表示。单因素方差分析用于评价林龄对凋落物和原状土理化性质的影响。裂区分析用于评价粒级和林龄对团聚体理化性质的影响。其中，粒级为主因素，林龄为副因素。粒级、林龄和两者交互作用为固定因素，重复数为随机因素。粒级与林龄间差异通过邓肯檢验是否达显著水平。

2 结果与分析

2. 1 土壤团聚体有机碳含量

在不同林龄桉树人工林中，土壤有机碳含量在<0.25 mm（14.24～35.37 g/kg）粒级团聚体中显著（P<  0.05）高于1～0.25 mm（11.85～31.47 g/kg）、2～1 mm（9.90～26.23 g/kg）和>2 mm（7.62～18.23 g/kg）粒级团聚体（表3）。在种植桉树过程中，土壤团聚体有机碳含量先升高后降低，在种植桉树2 a时最高，且显著（P<0.05）高于其他林龄。

2. 2 土壤团聚体活性碳含量

在不同林龄桉树人工林中，土壤活性碳含量在<0.25 mm（5.96～11.50 g/kg）粒级团聚体中显著（P< 0.05）高于1～0.25 mm（5.93～10.54 g/kg）、2～1 mm（5.31～9.86 g/kg）和>2 mm（4.42～7.61 g/kg）粒级团聚体（表4）。在种植桉树过程中，土壤团聚体活性碳含量先升高后降低，在种植桉树2 a时最高，显著（P<0.05）高于其他林龄。

2. 3 土壤团聚体惰性碳含量

在不同林龄桉树人工林中，土壤惰性碳含量在<0.25 mm（7.01～23.87g/kg）粒级团聚体中显著（P< 0.05）高于1～0.25 mm（4.95～20.93 g/kg）、2～1 mm（3.72～   16.37 g/kg）和>2 mm（2.88～10.62 g/kg）粒级团聚体（表5）。在种植桉树过程中，土壤团聚体惰性碳含量先升高后降低，在种植桉树2 a时最高，且显著（P<0.05）高于其他林龄。

2. 4 土壤团聚体有机碳稳定性

本研究中，土壤有机碳稳定性由Kos值表征。在不同林龄桉树人工林中，土壤Kos值在<0.25 mm（0.86～2.08）粒级团聚体中显著（P<0.05）高于1～0.25 mm（0.72～1.99）、2～1 mm（0.60～1.66）和>2 mm（0.61～1.40）粒级团聚体（表6）。在种植桉树过程中，土壤团聚体Kos值先升高后降低，在种植桉树2 a时最高，且显著（P<0.05）高于其他林龄。

3 讨 论

在本研究中，桉树人工林土壤有机碳（包括活性碳和惰性碳）含量在各粒级团聚体中的分布存在一定差异。在<0.25 mm粒级团聚体中，土壤有机碳含量显著高于其他粒级团聚体，表明较小粒级团聚体对有机碳具有较强的储存能力。本研究与Adesodun等[ 14 ]的研究结果一致，开垦后的热带雨林和热带草原土壤有机碳主要集中在较小粒级团聚体中，并认为大粒级团聚体被破坏将会导致土壤有机碳从大粒级向小粒级重新分配和转移。但也有学者得出不同结论，Tisdall[ 15 ]认为土壤较大粒级团聚体是由较小粒级通过土壤根系和菌丝等有机物胶结形成，所以土壤团聚体有机碳含量随粒级的增大而升高。随着桉树人工林林龄的延长，各粒级团聚体有机碳含量呈先升高后降低的变化趋势，在林龄2 a时最高，表明林龄2 a的桉树人工林土壤积累了更多的有机碳。在森林生态系统中，林木本身作为土壤有机碳的主要来源，可以通过根系分泌物和凋落物残体向土壤输入有机碳[ 16 ]。在种植桉树前期（0～2 a），由于根系系统的生长和凋落物数量的积累（表1），土壤有机碳含量有所提升。但是，在种植桉树后期（2～4 a），由于桉树逐年衰老，凋落物数量逐渐减少（表1），从而导致土壤有机碳含量有所降低。此外，2 a桉树人工林具有相对稳定的土壤团聚结构，有助于保护土壤有机碳[ 17 ]。因此，土壤有机碳含量在2 a桉树人工林中最高。

土壤有机碳稳定性是反映有机碳质量的重要指标。袁可能[ 13 ]提出用稳定系数Kos值来衡量土壤有机碳稳定性。Kos值越大，有机碳稳定性越高，反之则越低。由表6可知，不同林龄桉树人工林土壤Kos值在<0.25 mm粒级团聚体中最大，表明较小粒级团聚体中有机碳稳定性较高，周转较慢，对土壤碳汇有较大贡献。由于小粒级团聚体中有机质与金属氧化物和粘粒矿物的相互作用占主导地位，化学保护是小粒级团聚体固定有机质的主要方式，使其中有机碳周转较慢，稳定性较高[ 18 ]；而大粒级团聚体主要通过包裹方式来储存有机质，对有机质的固定以物理保护为主，使其中有机碳周转较快，稳定性较低[ 19 ]。Feller等[ 20 ]认为，小粒级团聚体内部相对于大粒级团聚体具有更小的孔隙，在其内部主要是依靠微生物分泌的胞外酶向基质扩散的方式来分解有机质，这对于微生物是一个极大的耗能过程，从而导致小粒级团聚体有机碳不易分解。随着桉树人工林林龄的延长，各粒级团聚体Kos值呈先升高后降低的变化趋势，在林龄2 a时最高，表明林龄2 a的桉树人工林土壤有机碳更为稳定。

4 结 论

在不同林龄桉树人工林中，土壤团聚体有机碳（包括活性碳和惰性碳）含量随着团聚体粒级减小而显著升高，从而导致更多的土壤有机碳分布在<0.25 mm粒级团聚体中，表明<0.25 mm粒级团聚体是土壤有机碳的主要载体。在种植桉树过程中，土壤有机碳含量和Kos值呈先升高后降低的变化趋势，在种植桉树2 a时最高，表明该林龄桉树人工林土壤中积累了更多且更稳定的有机碳。因此，种植桉树2 a以后，应注意土壤有机碳的积累与固持，从而维持桉树人工林土壤的碳汇效应。

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