不同林齡桉樹(shù)人工林土壤有機(jī)碳的變化

王紀(jì)杰，鮑 爽，梁關(guān)峰，俞元春

(1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川成都 610081;2.南京市江寧區(qū)古里街道財(cái)政所，江蘇江寧 211164;3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

森林土壤總有機(jī)碳的變化對(duì)全球碳循環(huán)有著極其重要的影響，是營(yíng)養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)的主要組成部分，其質(zhì)量和數(shù)量影響著土壤的物理、化學(xué)和生物特征及其過(guò)程，影響和控制著植物初級(jí)生產(chǎn)量，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和土地可持續(xù)利用管理中必須考慮的重要指標(biāo)［1］。

研究表明，不同森林植被類型和林地經(jīng)營(yíng)歷史影響土壤有機(jī)碳庫(kù)的儲(chǔ)量及有機(jī)碳剖面分布規(guī)律［2］，受人類活動(dòng)影響較大的人工林造林也會(huì)導(dǎo)致土壤碳庫(kù)的巨大變化［3］;近年來(lái)發(fā)展迅速、種植面積較大的桉樹(shù)人工林土壤有機(jī)碳的變化對(duì)全球碳循環(huán)有著重要的影響［4］。為此，本文對(duì)福建省漳州市巖溪林場(chǎng)不同林齡的桉樹(shù)人工林土壤總有機(jī)碳、易氧化態(tài)有機(jī)碳和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量及其剖面分布特征進(jìn)行了研究，旨在為桉樹(shù)人工林的可持續(xù)利用，提高經(jīng)營(yíng)與管理水平，增強(qiáng)桉樹(shù)人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在福建省漳州市巖溪林場(chǎng)(117°45′5″E，24°27′24″N)，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均溫21℃，最熱月月均溫38℃，最高溫41℃，最低溫0℃，年積溫7 701.5℃，無(wú)霜期 330 d，年降雨量1 400 mm，主要集中在3月～6月。試驗(yàn)地海拔200 m～300 m，坡度20°～24 °，坡向南坡，土壤為發(fā)育自花崗巖風(fēng)化坡積和殘積母質(zhì)的赤紅壤和山地紅壤，pH值4.0～4.8，土層厚度＞100 cm。林下植被主要有鐵芒萁(Dicranopteris linearis)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus(Labill.)Warb.)、山烏桕(Sapium discolor(Champ.)Muell.Arg.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2009年10月在福建省漳州市巖溪林場(chǎng)選擇立地條件基本一致的0.3 a、2 a、4 a、6 a桉樹(shù)人工林地4塊，其前作為杉木林，伐后次年2月煉山整地，3月造林，連續(xù)2 a撫育追肥。每塊樣地內(nèi)設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)按照0～5 cm、5 cm～10 cm、10 cm～20 cm、20 cm～30 cm、30 cm～40 cm、40 cm～60 cm、60 cm～80 cm和80 cm～100 cm的分層方式，分別分層用環(huán)刀和取土器采集土樣，樣品按需處理后測(cè)定土壤容重、pH、粘粒含量以及各形態(tài)碳。各樣地基礎(chǔ)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 不同林齡的土壤pH值、容重和粘粒含量Table 1 Soil pH，bulk density and clay content at different forest ages

1.2.2 樣品分析

土壤樣品分析的項(xiàng)目有土壤總有機(jī)碳、易氧化態(tài)有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)碳。土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化-硫酸亞鐵滴定法［5］;土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳是利用高錳酸鉀溶液比色法［6］;土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳是利用 Na2S2O8氧化法［7］;土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是利用10%的 HF法［8］。數(shù)據(jù)分析采用EXCEL 2013、SPSS16.0，Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機(jī)碳

土壤總有機(jī)碳主要來(lái)源于動(dòng)植物的死腐物、枯落物以及根系等的分泌脫落物。由圖1可以看出，土壤總有機(jī)碳隨土層深度的增加而降低，80 cm～100 cm較0～5 cm有機(jī)碳下降按林齡依次下降84.30%、83.69%、69.83%和71.84%;0～5 cm表現(xiàn)為2 a＞0.3 a＞4 a＞6 a;0～100 cm層內(nèi)平均土壤總有機(jī)碳含量表現(xiàn)為4 a＞2 a＞6 a＞0.3 a。說(shuō)明煉山整地等大幅度人工擾動(dòng)使土壤總有機(jī)碳含量降低［9］，幼齡期桉樹(shù)需肥量相對(duì)較少，桉樹(shù)種植后的施肥撫育措施使土壤總有機(jī)碳短期內(nèi)積累，隨桉樹(shù)林枯落物的逐年增加，有機(jī)碳含量在4 a達(dá)到最大，后因桉樹(shù)林的迅速生長(zhǎng)需肥量增加而導(dǎo)致有機(jī)碳含量逐漸下降，說(shuō)明桉樹(shù)生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分消耗量較大。這與樊后保等［10］對(duì)土壤養(yǎng)分的研究結(jié)果一致。

圖1 不同林齡土壤有機(jī)碳隨土層深度的變化Fig.1 Changes of soil organic carbon along with soil depth at different forest ages

2.2 土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳

土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳是土壤的活性有機(jī)碳庫(kù)，是土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源，主要是指土壤中結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單而化學(xué)活性較強(qiáng)的有機(jī)化合物，易被植物吸收利用，能敏感反應(yīng)人為活動(dòng)對(duì)土壤的擾動(dòng)。圖2顯示，土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳含量在5 g·kg-1以下，隨林齡增加，土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例有增加的趨勢(shì)，這可能是桉樹(shù)人工林根系固氮菌的作用體現(xiàn)［10］，其 比 例 依 次 為 13.83%、16.68%、19.98%和19.19%，姜培坤等［11］對(duì)闊葉林和杉木林的研究發(fā)現(xiàn)該值依次是17.80%和17.90%，結(jié)果相近。各林齡土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳含量均隨土層深度的增加而逐漸減少，這是因?yàn)橥寥酪籽趸瘧B(tài)有機(jī)碳主要來(lái)源于地上凋落物、死亡根系及根系分泌物等物質(zhì)，受地上植被及根系影響很大，所以表層易氧化態(tài)有機(jī)碳含量比底層高。80 cm～100 cm較0～5 cm易氧化態(tài)有機(jī)碳下降按林齡依次下降93.23%、94.83%、78.47%和63.23%，80 cm～100 cm易氧化態(tài)有機(jī)碳含量依次為0.3 a(0.20k·kg-1)＜2 a(0.24 k·kg-1)＜4 a(0.83 k·kg-1)＜6 a(0.88 k·kg-1)，說(shuō)明桉樹(shù)根系較深，且所到之處能夠增加易氧化態(tài)有機(jī)碳的含量。總體看，土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳表現(xiàn)為4 a＞2 a＞6 a＞0.3 a，證明桉樹(shù)人工林根系吸收利用養(yǎng)分的能力較其前作杉木林強(qiáng)且效率更高。4 a時(shí)易氧化態(tài)有機(jī)碳含量最高，變化規(guī)律與有機(jī)碳一致。

圖2 不同林齡土壤易氧化態(tài)碳隨土層深度的變化Fig.2 Changes of readily oxidized organic carbon along with soil depth at different forest ages

2.3 土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳

土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳是指那些不能被微生物直接利用的那部分土壤總有機(jī)碳，主要通過(guò)穩(wěn)定的化學(xué)鍵被固定在團(tuán)聚體表面，性質(zhì)穩(wěn)定，能保持幾十年不變，其固定機(jī)制的研究有助于提高土壤碳庫(kù)含量，對(duì)大氣碳循環(huán)有重要的研究?jī)r(jià)值［12］，反映植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用規(guī)律。從圖3可見(jiàn)，土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳隨土層深度的增加而直線下降，林齡間差異不大，其含量較低，0～100 cm層平均土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量表現(xiàn)為2 a(1.67 k·kg-1)＞0.3 a(1.55 k·kg-1)＞4 a(1.31 k·kg-1)＞6 a(1.28 k·kg-1)，占土壤總有機(jī)碳的比例分別是20.83%、18.70%、14.42%、16.27%，80 cm～100 cm比0～5 cm土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳分別下降了 18.20%、31.16%、41.65%、20.42%，可見(jiàn)土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳所占土壤總有機(jī)碳的比例隨桉樹(shù)林齡的增加有下降后又升高的趨勢(shì)，4 a的林地土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳下降幅度最大?？赡茉从阼駱?shù)根系能夠?qū)⒎€(wěn)定態(tài)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為可利用的活性碳，從而導(dǎo)致穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳出現(xiàn)下降趨勢(shì)，對(duì)于短輪伐期(6 a～7a)的桉樹(shù)林來(lái)講，可能4a是桉樹(shù)生長(zhǎng)最迅速的時(shí)期，所以4 a桉樹(shù)對(duì)養(yǎng)分利用能力最強(qiáng)，穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量最低，相應(yīng)于易氧化態(tài)有機(jī)碳含量最高，驗(yàn)證了樊后保等［10］的結(jié)論。

圖3 不同林齡土壤穩(wěn)定態(tài)碳隨土層深度的變化Fig.3 Changes of stable organic carbon along with soil depth at different forest ages

2.4 相關(guān)性分析

為更好地研究3種土壤總有機(jī)碳之間的相互關(guān)系以及pH值、容重和粘粒含量對(duì)各類型土壤總有機(jī)碳含量的影響，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)(表2)。結(jié)果表明:土壤總有機(jī)碳與易氧化態(tài)有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(0.957)，與穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳呈顯著相關(guān)(0.384)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(-0.770)，說(shuō)明易氧化態(tài)有機(jī)碳完全可以反映土壤中總有機(jī)碳含量變化，容重越大，總有機(jī)碳含量越低，易氧化態(tài)有機(jī)碳含量越低(與容重的相關(guān)系數(shù)-0.728)，表現(xiàn)為土壤肥力越低;土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(-0.461)，說(shuō)明土壤酸性越大穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量越高，2.3節(jié)中4 a穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量下降最多，可能是桉樹(shù)根系分泌堿性物質(zhì)使穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成可利用的活性易氧化態(tài)有機(jī)碳;土壤粘粒與3種有機(jī)碳含量數(shù)值上無(wú)顯著的相關(guān)性，說(shuō)明土壤粘粒含量對(duì)有機(jī)碳含量的影響相對(duì)較小。

表2 各指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis among different nutrient indexes

3 結(jié)論與討論

土壤總有機(jī)碳、易氧化態(tài)有機(jī)碳和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量均隨土層深度的增加而減小，土壤總有機(jī)碳和易氧化態(tài)有機(jī)碳隨林齡的變化均表現(xiàn)為隨林齡增加而升高，4a最大，然后隨林齡增加而下降的折線變化趨勢(shì)，即4 a＞2 a＞6 a＞0.3 a，穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳隨林齡的變化表現(xiàn)為2 a＞0.3 a＞4 a＞6 a。4 a林地土壤養(yǎng)分含量最高，桉樹(shù)根系對(duì)穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化量最大，桉樹(shù)根系較深，反映出較強(qiáng)的吸收養(yǎng)分的能力。相關(guān)性分析說(shuō)明，土壤總有機(jī)碳與易氧化態(tài)有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系極強(qiáng)，實(shí)際研究中只測(cè)其一即可;容重大小能敏感反映土壤肥力大小，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量是改善土壤板結(jié)問(wèn)題有效方法;桉樹(shù)根系能夠提高穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的利用率，可能通過(guò)根系分泌的一種或多種堿性物質(zhì)來(lái)轉(zhuǎn)化穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳為活性有機(jī)碳。

總之，桉樹(shù)種植會(huì)降低土壤有機(jī)碳含量，不利于土壤碳匯增加，降低了土壤碳匯穩(wěn)定性。因此可通過(guò)合理經(jīng)營(yíng)來(lái)改善土壤碳匯穩(wěn)定性下降的問(wèn)題。桉樹(shù)根系可以伸入1 m深的土壤利用穩(wěn)定性極強(qiáng)的穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳，目前未發(fā)現(xiàn)具有此類能力的樹(shù)種報(bào)道。

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