廣西桉樹人工林土壤有機(jī)碳密度及其影響因子研究

范曉暉

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廣西桉樹人工林土壤有機(jī)碳密度及其影響因子研究

范曉暉

(寧德市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，福建 福安 355017)

本研究利用條件拉丁超立方抽樣方法在廣西高峰林場(chǎng)的桉樹人工林地內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn)，并運(yùn)用決策樹分析方法分析影響因子與桉樹人工林土壤有機(jī)碳密度的關(guān)系，旨在找出主導(dǎo)因子。研究結(jié)果表明：本研究區(qū)的桉樹人工林土壤0 ~ 50 cm有機(jī)碳密度均值為7.7 kg·m-2，屬于中等水平；影響本研究區(qū)桉樹人工林土壤有機(jī)碳密度的主導(dǎo)因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率。

土壤有機(jī)碳密度；決策樹；桉樹人工林；影響因子

全球氣候變化是當(dāng)前國際社會(huì)普遍關(guān)注的重大環(huán)境問題，是人類社會(huì)目前面臨的重大威脅之一。大量研究表明，發(fā)揮陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能是緩解、應(yīng)對(duì)這一問題的有效途徑[1-4]。因而，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳存儲(chǔ)及收支平衡是全球氣候變化研究中的熱點(diǎn)[5-10]，其中陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤的碳儲(chǔ)量相對(duì)較大。據(jù)估計(jì)，全球土壤碳儲(chǔ)量約為1 500 Pg(10億噸)，是植被碳儲(chǔ)量的3倍、大氣圈碳儲(chǔ)量的2倍[1,5]。而森林土壤碳儲(chǔ)量約占全球土壤碳儲(chǔ)量的73%[5,9]。因此，國際社會(huì)對(duì)森林碳儲(chǔ)量變化、森林碳匯給予了很大關(guān)注[8]。大量的研究表明：人工造林可以增加森林土壤碳儲(chǔ)量[1, 4,7-9]。

桉樹()是世界主要速生樹種之一，在我國華南地區(qū)種植廣泛。廣西作為桉樹的主要種植區(qū)，至2016年桉樹人工林的面積約為2.0í106hm2[11]。有研究認(rèn)為，如果長(zhǎng)期管理不善，種植桉樹在一定程度上會(huì)引發(fā)水土流失、土壤肥力退化等問題[12-15]。因此，桉樹人工林地對(duì)林下土壤的碳儲(chǔ)量會(huì)產(chǎn)生一定影響。為了準(zhǔn)確了解影響桉樹人工林地土壤碳儲(chǔ)量的原因，本研究在廣西國有高峰林場(chǎng)選取桉樹人工林地為研究區(qū)，在不同地形部位和空間距離上，采集土壤樣本進(jìn)行分析，目的在于揭示桉樹人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的主要影響因素，為精確估算桉樹人工林地土壤碳儲(chǔ)量提供理論依據(jù)，并為發(fā)揮人工林的生態(tài)固碳作用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西南寧市廣西國有高峰林場(chǎng)林業(yè)示范基地內(nèi)(22°57′8″ ~ 22°58′41″ N，108°20′57″~ 108°21′54″ E)，研究區(qū)面積約為3.03 km2。年均降水量1 300.6 mm，年均氣溫為21.6℃，年均屬于南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。土壤母質(zhì)以沉積巖系為主，土壤類型為赤紅壤[16-17]；研究區(qū)以種植尾巨桉人工林為主，林下植物主要有鐵芒箕、毛桐、木姜、五節(jié)芒、半邊旗、鹽膚木等[18]。

2 材料與方法

2.1 土壤采樣及實(shí)驗(yàn)分析

本研究將地形因子設(shè)定為條件變量，運(yùn)用條件拉丁超立方抽樣法布設(shè)50個(gè)樣點(diǎn)[19]，樣點(diǎn)位置見圖1。但是在實(shí)際的采樣中，有些樣點(diǎn)位置受到自然環(huán)境的限制無法采樣，最終有效樣點(diǎn)數(shù)41個(gè)。土壤有機(jī)碳含量使用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤總孔隙度及土壤飽和含水量測(cè)定采用環(huán)刀烘干法[20]。本文運(yùn)用Arcgis10軟件，建立研究區(qū)的DEM(圖1)，同時(shí)提取出采樣點(diǎn)位置上的坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率等數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)數(shù)字高程圖(DEM)及采樣點(diǎn)概況圖

2.2 土壤有機(jī)碳密度計(jì)算方法

本文應(yīng)用公式(1)計(jì)算0 ~ 50 cm土壤有機(jī)碳密度[21]：

式中：為土壤的有機(jī)碳密度(kg?m-2)，為土壤有機(jī)碳含量(g?kg-1)，為土壤容重(g?cm-3)。

2.3 土壤有機(jī)碳密度的影響因子分析

用Weka軟件對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響因子進(jìn)行決策樹分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響因子

用Arcgis10軟件提取采樣點(diǎn)上的坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率等地形因子數(shù)據(jù)，對(duì)0 ~ 50 cm土壤的土壤總孔隙度和土壤飽和含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。由表1可知，研究區(qū)坡度較陡，平均坡度27.56°；海拔數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為16.22%，屬中等變異；平面曲率和剖面曲率具有極強(qiáng)的變異性，樣點(diǎn)所包含的坡形類型豐富；說明樣點(diǎn)代表性較強(qiáng)。另外，土壤總孔隙度和土壤飽和含水率的變異系數(shù)分別為12.58%和12.99%，屬于中等變異。

表1 研究區(qū)樣點(diǎn)的影響因子基本數(shù)據(jù)

3.2 桉樹人工林地土壤有機(jī)碳密度

通過分析得到各采樣點(diǎn)土壤的有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)，按照公式(1)計(jì)算土壤有機(jī)碳密度，同時(shí)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，并將0 ~ 50 cm土層的土壤有機(jī)碳密度分為5個(gè)等級(jí)[22](表2)。由表2可知，桉樹人工林地50 cm土層的土壤有機(jī)碳密度差異較大，最小值僅為3.25 kg?m-2，而最大值可達(dá)10.72 kg?m-2，兩者相差7.47 kg?m-2。此外，研究區(qū)50 cm土層的土壤有機(jī)碳密度主要集中分布在C1(<7 kg?m-2)和C2(7 ~ 8 kg?m-2)，兩個(gè)等級(jí)占總樣點(diǎn)的68.29%，而隨著等級(jí)的升高，所占比例逐漸減少，說明研究區(qū)整體上土壤有機(jī)碳密度含量偏低。

表2 桉樹人工林地土壤有機(jī)碳密度基本情況

3.3 影響因子與土壤有機(jī)碳密度的關(guān)系分析

本研究依據(jù)0 ~ 50 cm土層的土壤有機(jī)碳密度劃分的等級(jí)，利用Weka軟件進(jìn)行決策樹分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，從決策樹圖的整體上分析看，本研究選取的影響因子除土壤飽和含水量外，其他都被選入決策樹分裂結(jié)點(diǎn)，海拔被用于第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處來分裂樹，位于第二個(gè)節(jié)點(diǎn)是土壤總孔隙度和剖面曲率；因此，本研究區(qū)影響0 ~ 50 cm土層土壤有機(jī)碳密度的主導(dǎo)影響因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率。此外，隨著決策樹節(jié)點(diǎn)遞減，影響因子分別是平面曲率、坡度和坡向。說明本研究選取的影響因子除土壤飽和含水量外都均與0 ~ 50 cm土壤有機(jī)碳密度存在一定的關(guān)聯(lián)性，但影響的程度有所不同。

注：Alt:海拔；Por:土壤總孔隙度；Prc:剖面曲率；Plc:平面曲率；Slo:坡度；asp:坡向；

4 討論

本研究區(qū)的桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機(jī)碳密度的均值為7.7 kg?m-2，要高于劉姝媛等[23]研究的廣東省桉樹人工林有機(jī)碳密度(6.67 kg?m-2)，低于張舒峻等[24]研究粵西的桉樹人工林的有機(jī)碳密度(10.96 ~ 11.01 kg?m-2)，屬于中等水平。桉樹人工林土壤有機(jī)碳密度值存在一定的地區(qū)差異性，可能主要來自兩個(gè)方面：第一，區(qū)域環(huán)境因子影響的差異性。本研究桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機(jī)碳密度的主導(dǎo)因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率，而劉姝媛等[23]研究結(jié)果表明廣東地區(qū)桉樹人工林土壤有機(jī)碳密度的主導(dǎo)因子為土壤毛管孔隙度、毛管持水量和pH值；第二，土層厚度計(jì)算不同。本研究主要探討的是桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機(jī)碳密度，而張舒峻等[24]是將0 ~ 50 cm土層分為A、B兩層進(jìn)行計(jì)算。

本研究桉樹人工林0 ~ 50 cm土壤有機(jī)碳密度的主導(dǎo)因子為海拔、土壤總孔隙度和剖面曲率。這主要是因?yàn)椴煌暮０胃叨葘?duì)自然的降水、光和熱等進(jìn)行重新分配，導(dǎo)致桉樹人工林土壤的水分及溫度差異，從而影響土壤中微生物的活躍度和林下植被的種類數(shù)量及其分布等；其次是因?yàn)槭杷啥嗫椎耐寥篮洼^好濕度的土壤促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)和有利于土壤中微生物的活動(dòng)；另外，土壤中物質(zhì)和能量流動(dòng)的速度也影響土壤微生物和土壤有機(jī)物質(zhì)的積累[25]。通過這些因素的相互影響、相互作用，進(jìn)而影響桉樹人工林土壤有機(jī)物質(zhì)的分解速率和土壤有機(jī)碳的積累。

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，影響土壤有機(jī)碳密度的因素很多[23-24]，本研究?jī)H討論了基本地形因子坡度、海拔、坡向、平面曲率和剖面曲率，土壤物理指標(biāo)土壤總孔隙度和土壤飽和含水量，未來將進(jìn)一步研究其他環(huán)境因子和土壤理化指標(biāo)與桉樹人工林土壤有機(jī)質(zhì)碳密度的關(guān)系。

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Soil Organic Carbon Density and Factors Affecting This inPlantations in Guangxi

FAN Xiao-hui

()

This study examined soil carbon densities ofplantations in Gaofeng Forest Farm in Nanning, Guangxi. A conditional Latin hypercube sampling method was employed to design a soil sampling strategy and then the decision tree analysis method was used to analyze the relationships between site factors and soil organic carbon density, with a view to finding the main factors influencing this soil trait. The results showed that the average soil organic carbon density of the 0 ~ 50 cm soil layer underplantations was 7.7 kg?m-2, which is considered to be of a medium level. The main factors affecting soil organic carbon density were altitude, soil total porosity and profile curvature.

soil organic carbon density; decision tree;plantation;affecting factors

S714.5

A

范曉暉(1990— )，碩士，主要從事土壤質(zhì)量、土壤與植物營養(yǎng)及高效生態(tài)栽培等研究，E-mail:mdny9010@163.com.