不同林齡樟樹(shù)林土壤碳氮貯量及分布特征

文 麗 ，雷丕鋒 ,2，戴 凌

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

不同林齡樟樹(shù)林土壤碳氮貯量及分布特征

文 麗1，雷丕鋒1,2，戴 凌1

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

對(duì)湖南省長(zhǎng)沙市天際嶺國(guó)家森林植物園和汨羅桃林林場(chǎng)立地條件基本一致的三個(gè)林齡的樟樹(shù)林土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）含量、貯量及土層分布進(jìn)行研究。結(jié)果表明：同一林齡的不同土層SOC、N含量和貯量均存在顯著性差異（p＜0.05），3個(gè)林齡樟樹(shù)林SOC和TN含量均隨土層深度增加而逐漸下降。同時(shí)，土壤碳含量及碳貯量林齡的增大而增大，而土壤氮含量及貯量隨著林齡的增大而減少，這種變化主要表現(xiàn)在土壤表層（0～10 cm）。不同林齡樟樹(shù)林各土層SOC含量的變化分別為10 a：4.62 ～17.00 g/kg，24 a：4.48～17.92 g/kg，45 a：4.57～19.37 g/kg；土壤N含量的變化范圍分別為10 a：0.99～1.56 g/kg，24 a：0.79～1.43 g/kg，45 a：0.78～1.22 g/kg。土壤SOC含量與N含量存在極顯著相關(guān)性（p＜0.01），土壤SOC含量與C/N相關(guān)性極顯著（p＜0.01）。但樟樹(shù)林土壤N與C/N之間相關(guān)性除24 a呈顯著相關(guān)以外(p＜0.05)，其它兩個(gè)林齡階段相關(guān)性均不顯著（p＞0.05）。土壤SOC貯量差異不顯著（p=0.083），N貯量差異性不顯著（p=0.348）。

樟樹(shù)純林；土壤有機(jī)碳；土壤氮；碳氮貯量；碳氮比

土壤有機(jī)碳和氮素是表征土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤養(yǎng)分的載體和來(lái)源，對(duì)土壤的各種理化性質(zhì)，生物化學(xué)等形狀及養(yǎng)分的積累具有深刻的影響。有研究表明，土壤有機(jī)碳不僅是植被生長(zhǎng)所需碳素的主要來(lái)源，而且在很大程度上影響著土壤結(jié)構(gòu)的組成、土壤質(zhì)地、土壤穩(wěn)定性及土壤生物多樣性等[1]。同時(shí)，土壤有機(jī)碳是陸地有機(jī)碳的重要組成部分，全球有機(jī)碳貯量約為1 500 Gt[2]，是陸地植被碳庫(kù)的2～4倍[3-4]，是全球大氣碳庫(kù)的2倍多[5]。氮素是構(gòu)成一切生命體的重要元素，是生態(tài)系統(tǒng)中含量最豐富的元素之一，是植物乃至陸地生態(tài)系統(tǒng)中作物生長(zhǎng)的主要限制因子之一[6-10]，隨著林齡的增加，微生物活動(dòng)、人為干擾及氣候條件的改變等土壤氮素也會(huì)隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變。同時(shí)，土壤碳氮循環(huán)具有耦合作用，土壤有機(jī)碳與氮素的含量及分布直接制約著森林生態(tài)系統(tǒng)乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和規(guī)模[11]。此外，氮素也能形成多種溫室氣體，從而直接影響著溫室氣體的組成和含量[12]。與此同時(shí)，全球氣候的變化也會(huì)反作用于土壤氮乃至土壤有機(jī)碳的變化[13]。

近年來(lái)，關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮貯量的研究比較多[14-15]，如陳楚瑩等[14]、方晰等[15-16]和何宗明等[11]就對(duì)杉木人工林做出了相關(guān)的研究，但關(guān)于樟樹(shù)林土壤碳氮貯量的分布及其動(dòng)態(tài)變化的研究報(bào)道比較少。此外，林齡對(duì)森林C、N循環(huán)有著重要的影響，研究林齡對(duì)土壤碳貯量及氮貯量的影響，對(duì)于建立森林碳氮循環(huán)模型，碳匯預(yù)測(cè)及森林碳源等方面有著十分重要的理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)作用。為此，采用控制立地條件的方法，選擇林齡為10 a，24 a和45 a生的樟樹(shù)林，對(duì)不同林齡的樟樹(shù)林林下土壤碳氮貯量作初步研究與探討，及對(duì)SOC和N 含量與土壤特征（容重、含水率、pH等）之間的關(guān)系進(jìn)行研究，研究樟樹(shù)林土壤碳貯量及垂直分布，以及林地土壤碳貯量、氮貯量隨林齡和群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，旨在為中亞熱帶地區(qū)森林土壤碳氮貯量、分布及變化機(jī)理和森林林地生產(chǎn)力可持續(xù)發(fā)展提供理論科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

實(shí)驗(yàn)主要樣地位于湖南省長(zhǎng)沙市天際嶺國(guó)家森 林 植 物 園 內(nèi)（113°02′～ 113°03′E，28°06′～28°07′N）。海拔 50 ～ 114 m，坡度為 12°～ 20°地層主要是第四紀(jì)更新的沖積性網(wǎng)紋紅土和石礫，屬典型紅壤丘陵，土層深度大于80 cm，但土壤腐殖質(zhì)的含量并不豐富。屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度17.1℃，1月最冷，平均4.8℃；7月最熱，平均高溫29.5℃；全年無(wú)霜期為270～300 d，年平均日照時(shí)數(shù)為1 677.2 h；年降水量1 420 mm，雨量充沛，在植物園我們?cè)?4年生和45年生的樟樹(shù)林各設(shè)置3塊20 m×20 m的樣方。由于在天際嶺國(guó)家森林公園沒(méi)有合適的樟樹(shù)幼林，我們?cè)陔x長(zhǎng)沙200 km處，氣候與長(zhǎng)沙相似的的岳陽(yáng)市汨羅桃林林場(chǎng)（28°55′N，113°03′E）選擇了 10 年生的樟樹(shù)林，用相同的樣地設(shè)置方法設(shè)置了3塊12 m×12 m的樣地。汨羅桃林林場(chǎng)年平均溫度為16.9℃，年平均降雨量1 353.6 mm，土壤類型與天際嶺國(guó)家森林公園的土壤類型一致，土層深度為55～80 cm，所以在樟樹(shù)林的三個(gè)林齡階段（10 a，24 a，45 a）共設(shè)置了9塊樣地。

2 研究方法

2.1 土樣采集與指標(biāo)測(cè)定

分別在各個(gè)林齡階段的林分樣地上坡、中坡和下坡按品字形選取4個(gè)樣點(diǎn)，去除地面表層的凋落物，挖土壤剖面，并按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm分層取樣。每個(gè)土層用環(huán)刀（200 cm3）取土，用于測(cè)定土壤容重及土壤含水率，同時(shí)再另外取1 kg土樣裝入樣品袋內(nèi)，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳和全氮含量及pH值。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室并置于陰涼處將其自然風(fēng)干，除去枯枝落葉，石子，蚯蚓等雜質(zhì)后研磨粉碎，過(guò)100目土壤篩。用環(huán)刀法測(cè)土壤容重，烘干法測(cè)定土壤自然含水率；采用重鉻酸鉀水合加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC）；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定。以上每個(gè)指標(biāo)的每個(gè)測(cè)試樣品重復(fù)測(cè)定3次。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)樟樹(shù)林3種不同林齡，不同土層的土壤有機(jī)碳和土壤全碳含量、貯量采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，比較同一林齡階段林地下不同土層SOC和N含量的差異顯著性。用雙因素方差分析檢驗(yàn)林齡和土層深度對(duì)土壤碳、氮貯量及分布影響的顯著性。采用多變量相關(guān)性分析及線性回歸分析方法分析SOC、N與土層深度、土壤理化特性之間的關(guān)系，用Excel軟件繪制圖表。

3 結(jié)果與分析

3.1 樟樹(shù)林不同林齡土壤

本文主要考察的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)包括土壤容重和土壤自然含水率。如表1所示，樟樹(shù)林不同林齡土壤物理性質(zhì)分析結(jié)果表明各林齡林下土壤容重差異性極顯著（p＜0.001），隨著土層的加深而逐漸增大，并且隨著林齡的增大而增大，0～30 cm土層容重平均值從大到小的順序?yàn)?5 a (1.46±0.03 g/cm3) ＞ 24 a(1.37±0.03 g/cm3) ＞12 a(1.06±0.04 g/cm3)，土壤容重是土壤緊實(shí)度的一個(gè)指標(biāo)，反映了土壤的疏松狀況，容重越小，說(shuō)明土壤越疏松。0～30 cm土層土壤自然含水率由大至小的順序?yàn)?0 a (28%±1.59) ＞45 a (26.37%±1.55) ＞24 a (21.44%±1.55)。土壤pH值指示著林地土壤的酸堿性，三個(gè)林齡階段中pH隨著林齡的增大呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，既0～30 cm土層pH值大小順序?yàn)?4 a (4.51±0.06)＞ 10 a (4.41±0.03) ＞ 45 a (4.28±0.03)（表1）。

表1 不同林齡樟樹(shù)林不同深度土壤容重，含水率及pH值?Table 1 Soil bulk density, water content and pH of pure C.camphora forests in 0～10, 10～20 and 20～30 cm soil depth at ages of 10, 24 and 45-year-old

3.2 樟樹(shù)林不同林齡階段土壤各土層SOC和TN含量及空間分布特征

3.2.1 樟樹(shù)林不同林齡階段土壤SOC含量及分布特征

樟樹(shù)林各林齡階段土壤不同土層SOC含量變化明顯（p＜0.05），樟樹(shù)林三個(gè)林齡階段的土壤表層（0～10 cm）SOC含量較其它土層要高，隨著土層深度的加深而逐漸降低（圖1），這可能是由于落入地表的凋落物、累積在地表的一些動(dòng)植物殘?bào)w和植物根系分泌物產(chǎn)生的有機(jī)碳先進(jìn)入土壤表層，繼而使得土壤表層的有機(jī)碳含量高于其它土層。表層土壤（0～10 cm）SOC含量隨著林齡的增加而逐漸增大，45 a（17.00±1.41 g/kg）＞24 a（17.92±0.70 g/kg）＞10 a (19.37±0.81 g/kg)，而其它兩層土壤隨著林齡的增大并無(wú)顯著變化。樟樹(shù)林各林齡階段（10 a，24 a，45 a）土壤表層SOC含量分別占0～30 cm土層總量的42.45%，49.49%，46.92%。

3.2.2 樟樹(shù)林不同林齡土壤N含量及空間分布特征

圖1 樟樹(shù)林不同林齡各土層SOC含量及垂直分布特征Fig.1 Soil organic carbon (SOC) concentration and vertical distribution characteristics of pure C. camphora forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old

樟樹(shù)林三個(gè)林齡階段下不同土層TN含量分布趨勢(shì)與SOC分布趨勢(shì)是一致的，隨著土層深度的增加而逐漸減?。▓D2）。原因是隨著時(shí)間的推移，森林枯枝落葉層積累量增加，從而使得分解轉(zhuǎn)化形成的上層腐殖質(zhì)均大于下層，所以上層N含量大于下層。在不同林齡的樟樹(shù)中，土壤氮的含量隨著林齡的增加而減少，三個(gè)林齡階段0～30 cm土層TN含量平均值由大到小為10 a (1.25±0.05) ＞24 a (1.06±0.06)＞ 45 a (0.97±0.08) 。樟樹(shù)林三種林齡階段除0～10 cm土層TN含量差異不顯著之外（p=0.119），10～20 cm和20～30 cm土層TN含量差異極顯著（p=0.002，p=0.007）（圖2）。

圖2 樟樹(shù)林不同林齡各土層全含量及垂直分布特征Fig.2 Total nitrogen (TN) concentration and vertical distribution characteristics of pure C. camphora forests at 10, 24 and 45-year-old stand

3.3 樟樹(shù)林不同林齡階段各土層SOC和N貯量及空間分布特征

3.3.1 樟樹(shù)林不同林齡階段各土層SOC貯量及空間分布

在土層0～30 cm中，樟樹(shù)林三個(gè)林齡階段（10 a，24 a，45 a）SOC 貯量的平均值分別 29.47，39.42，42.14 t/hm2，SOC貯量主要分布于土壤表層（表2），10 a，24 a，45 a三個(gè)林齡階段0～10 cm土層SOC貯量占0～30 cm土層總量的54.62%，62.05%，62.25%。同一林齡階段，各土層間SOC貯量的差異性極顯著（p＜0.01），不同林齡階表層土壤（0～10 cm）SOC貯量差異極顯著（p=0.000）（表2）。

表2 樟樹(shù)林不同林齡SOC貯量及垂直分布?Table 2 Soil organic carbon (SOC) storage and vertical distribution characteristics of pure C. camphora forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old t/hm2

3.3.2 樟樹(shù)林不同林齡土壤N貯量及空間分布特征

由表3可知，樟樹(shù)林3個(gè)林齡階段（10 a，24 a，45 a）土壤N貯量隨著土層的加深而逐漸減小，主要分布在表層土壤（0～10 cm），分別占0～30 cm土層N總貯量的37.11%，44.39%，40.80%，都隨著林齡的增長(zhǎng)呈先增長(zhǎng)再減小的趨勢(shì)（表3）。同一林齡不同土層土壤N貯量比較結(jié)果為：10 a(p=0.038)，24 a (p=0.000)， 和 45 a(p=0.034)差 異顯著。同一土層，不同林齡在0～10 cm土的N貯量差異顯著（p=0.048），在10～20 cm和20～30 cm差異性不顯著（p=0.934，p=0.838）。

表3 樟樹(shù)林不同林齡氮貯量及垂直分布?Table 3 Soil total nitrogen (TN) storage and vertical distribution characteristics of pure C.camphora forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old t/hm2

3.4 樟樹(shù)林不同林齡土壤SOC，全N的影響因子及其C/N之間的關(guān)系

樟樹(shù)林不同林齡、不同土層對(duì)林下土壤理化性質(zhì)的影響分析結(jié)果如表4所示，各林齡階段土壤含水率和容重差異性顯著（p=0.000，p=0.000），土層對(duì)pH和土壤容重的影響不顯著（p＞0.05），林齡和土層的交互作用對(duì)pH，含水率及土壤容重的影響都不顯著（p＞0.05）。林齡對(duì)TN含量及SOC貯量的影響極顯著（p=0.000，p=0.000），對(duì)SOC含量及土壤氮貯量的影響均不顯著（p＞0.05），土層對(duì)SOC含量，SOC貯量，TN含量及土壤氮貯量的影響均為極顯著（p=0.000），而林齡與土層的交互作用僅對(duì)SOC貯量具有極顯著的影響（p=0.000），對(duì)其它幾項(xiàng)指標(biāo)影響均不顯著（p＞0.05）（表4）。樟樹(shù)林三個(gè)林齡階段SOC含量與N含量的相關(guān)性均為極顯著相關(guān)（表5），氮林齡為45 a時(shí)的關(guān)聯(lián)度（R2）小于其它兩個(gè)林齡階段。

表4 森林類型和土壤層次對(duì)土壤的影響Table 4 Effects of stand age and soil depth on pH, total organic carbon (TOC),total nitrogen (TN),water content, carbon storage and nitrogen storage

表5 樟樹(shù)林不同林齡階段土壤SOC含量與N含量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis on SOC and total N concentration of ofpure C. camphora forests at ages of 10, 24,45-year-old

作為衡量土壤C，N養(yǎng)分平衡狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤碳氮比（C/N）不僅影響有機(jī)質(zhì)的分解速度，也體現(xiàn)了土壤N含量水平在一定程度上影響著SOC含量。樟樹(shù)林三個(gè)林齡階段林下土壤C/N差異性不顯著（p=0.097），隨著林齡的增大而增大，比值分別為10 a (7.43±0.89)＜24 a(8.53±0.71)＜ 45 a (10.17±1.09) 。樟樹(shù)林三個(gè)林齡階段土壤SOC、全N含量及C/N三者間的關(guān)系如表6所示，SOC含量與N含量極顯著相關(guān)（p＜0.01），表明土壤中N元素主要以有機(jī)氮的形式存在于土壤有機(jī)碳中。

4 結(jié)論與討論

土壤有機(jī)碳含量的增加不僅有利于提高土壤肥力和植物生產(chǎn)力，而且可增加對(duì)大氣二氧化碳的固定。因此，加速土壤有機(jī)碳的積累，增強(qiáng)森林土壤的碳匯功能，對(duì)土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)發(fā)展和全球碳循環(huán)都有重要的意義[17]。本研究表明：10 a，24 a，45 a三個(gè)不同林齡樟樹(shù)人工林，其表層土壤全碳含量和土壤碳貯量隨土層的增加而增大，各林齡表層SOC含量由小到大依次為17.00±1.41，17.93±0.70，19.37±0.81 g/kg，所對(duì)應(yīng)的碳貯量為16.09，24.46，26.23 t/hm2。不同林齡樟樹(shù)林土壤固碳能力由強(qiáng)到弱分別為45 a＞ 24 a＞10 a；同一林齡不同土層SOC含量與碳貯量都隨土層深度的增加而減少。本研究的結(jié)果可以得出，在這三個(gè)林齡中，林齡越大，固碳能力越強(qiáng)，因此，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延長(zhǎng)森林生長(zhǎng)及采伐周期，以使其不僅能充分發(fā)揮森林的固碳作用，也能使森林的產(chǎn)品功能和生態(tài)功能都得到充分的發(fā)揮。

表6 樟樹(shù)林不同林齡階段土壤SOC、N含量與C/N之間的相關(guān)關(guān)系?Table 6 Pearson’s correlation coefficients of SOC, N and C/N of pure C. camphora forests at 10, 24,45-year-old stands

不同林齡土壤中全N含量隨著林齡的增大而減小。對(duì)同一林齡不同土層而言，全N含量隨土層深度的增加而減少。這是由于上層土壤結(jié)構(gòu)疏松，土壤透氣性好，生物活動(dòng)強(qiáng)烈，適于微生物生存，加速了微生物對(duì)枯枝落葉的分解繼而形成大量腐殖質(zhì)，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量高，從而導(dǎo)致上層土壤養(yǎng)分相對(duì)下層較高。隨著土層的增加，下層土經(jīng)過(guò)成土過(guò)程，枯枝落葉及動(dòng)植物殘?bào)w在該層的分布逐漸減少，其養(yǎng)分含量也隨著減少[18]。不同林齡間pH值隨林齡的增長(zhǎng)呈先增大再減小的趨勢(shì)。

林齡是影響森林碳氮收支平衡的重要因素，隨著林齡的增加，植物凋落物累積量增加，根系周轉(zhuǎn)期以及氣候變化等對(duì)SOC貯存和分解產(chǎn)生較大的影響[19-21]。在本研究中，樟樹(shù)林土壤有機(jī)碳隨著林齡的增大而增大，這可能是由于樟樹(shù)林是常綠闊葉林，林分植被胸徑隨林齡的增長(zhǎng)而增大，凋落物產(chǎn)量也隨之增加，郁閉度增大及地上部分生產(chǎn)力也隨著增加從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量隨之增加。地上植被隨林齡的變化出現(xiàn)差異，使得土壤表層具有某種特點(diǎn)的氣候特征，進(jìn)而影響凋落物和根系的分解速度，從而在一定程度上加速了有機(jī)質(zhì)的形成速度。樟樹(shù)林各林齡階段土壤SOC與全N呈顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤N與SOC有高度的依存關(guān)系，樟樹(shù)林不同林齡階段的C/N差異性顯著，隨著林齡的增長(zhǎng)而增大，微生物的分解能力較強(qiáng)，林地肥力較好，說(shuō)明闊葉林能提高森林土壤肥力。

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Storages and distribution characteristics of soil organic carbon and nitrogen in pure Cinnamomum camphora forests at different stand ages

WEN Li1, LEI Pi-feng1,2, DAI Ling1
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ The soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) concentration, carbon and nitrogen storage and their distribution were investigated in three soil layers (0～10,10～20 and 20～30 cm) of Cinnamomum camphora stands at three age stages in Changsha Tianjiling Natioanal Botanical Garden and Taolin Forest Farm of Hunan province. The results show as follows: the concentrations and storages of SOC and N were signif i cantly different in three age stages and soil depths (p＜0.05), the SOC and N concentrations in three forest age stages decreased with the increase of soil depth, but SOC concentrations and storages deduced with the increase of stand age,these phenomena occurred in upper soil layer (0～10 cm); the SOC ranged from 4.62 g/kg to 17.00 g/kg for 10-year-old stands, from 4.48 g/kg to 17.92 g/kg for 24-year-old stands and from 4.57 g/kg to 19.37 g/kg for 45-year-old stands, respectively; the soil N concentrations varied from 0.99 g/kg to 1.56 g/kg for 10-year-old stands, from 0.79 g/kg to 1.43 g/kg for 24-year-old stands and from 0.78 g/kg to1.22 g/kg for 45-year-old stands, respectively; the SOC concentration was positively correlated with total N concentration (p＜0.01), and had a signif i cant correlation (p＜0.01) with C/N at three age stages of 10-year-old, 24-year-old, 45-year-old stand; The soil N concentration signif i cantly correlated with C/N at the age of 24-year-old (p＜0.01), but the correlation was not signif i cant for the other two age stages.

∶ pure Cinnamomum camphora forest; soil organic carbon; soil nitrogen concentration; carbon and nitrogen storage; carbon nitrogen ratio(C/N)

S792.23

A

1673-923X(2014)06-0106-06

2013-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（31200346）

文 麗，女，碩士研究生，主要從事景觀生態(tài)學(xué)方向研究；E-mail：dailing2933@163.com

雷丕鋒，男，副教授， 博士，主要研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)；E-mail：pifeng.lei@gmail.com

[本文編校：吳 彬]