不同樹齡香榧土壤有機碳特征及其與土壤養(yǎng)分的關系

張雨潔，王 斌，李正才，黃盛怡，原雅楠，秦一心

(中國林業(yè)科學研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，杭州 311400)

土壤有機碳作為一種穩(wěn)定長效的碳源物質，幾乎包含了植物生長所需的各種營養(yǎng)元素[1]，直接作用于植物的生長和繁殖，同時它在維持土壤物理結構方面也起到了重要作用，因此土壤有機碳能夠直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產力與穩(wěn)定性，成為評價土壤肥力的一個重要指標[2-3]。

土壤有機碳來源于動植物殘體的歸還以及根系分泌物，其含量受群落的組成和分布、氣候、土壤類型、人為干擾等多種因素的影響[4-5]，然而，群落的組成和分布、群落生物量均會隨林齡的變化而產生巨大的變化，進而影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫[6-8]。土壤活性碳(易氧化碳和輕組有機質)雖然占土壤總有機碳的比例較小[9-10]，但是能夠直接或間接地參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和物質轉化，因此可以有效地反映土壤碳庫中各組分的轉變情況[11-12]。目前，許多學者對不同樹種土壤有機碳含量隨林齡變化的情況進行了探究，有研究者認為林地土壤有機碳含量隨林分的成熟會相應增加[13]，也有學者表明林地土壤有機碳含量隨林齡增加先減小而后增加[14-15]，由于結果存在差異，因此研究不同樹種土壤有機碳含量隨林齡的變化規(guī)律是十分必要的。

香榧(Torreyagrandis)是中國的特有樹種，具有較高的經濟價值，可以為榧農帶來很高的經濟收益，于是林農為了提高香榧產量，加大了對香榧林的經營力度，但是在長期高強度經營提高香榧果實產量的同時，也逐漸出現了一些問題，如不合理經營導致林地保水、保肥能力下降；不合理施肥導致土壤理化性質破壞等[16]。目前國內關于香榧土壤的研究多集中于香榧的繁殖栽培[17]、林地養(yǎng)分狀況調查[18-19]、施肥對香榧生長及果實的影響[20-21]等方面，而關于集約經營模式下不同樹齡香榧土壤有機碳變化規(guī)律的相關研究尚不多見。因此本文選取集約經營模式下5個不同樹齡段的香榧為研究對象，研究其土壤有機碳變化規(guī)律，旨在為香榧林的土壤質量評價與持續(xù)利用，科學管理提供參考資料，同時也可為香榧古樹的保護與利用提供基礎數據。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省諸暨市趙家鎮(zhèn)的香榧國家森林公園(E119°53′～120°32′，N29°21′～29°59′)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，雨水豐沛，日照充足，年平均氣溫16.3 ℃，年平均降水量約1 373.6 mm，年平均日照時數約1 887.6 h。研究區(qū)屬于低山丘陵地貌，土壤類型為微酸性紅壤。

通過農戶訪問和實地調查，選擇立地條件和經營管理措施基本一致的不同樹齡段的香榧樹(樣地的基本情況見表1香榧樹每年3月地表撒施化肥，9月地表撒施化肥和有機肥，每年單位面積化肥的總施肥量為0.7 kg·m-2，單位面積有機肥的總施肥量為7.5 kg·m-2，墾覆深度為30 cm，所有香榧樹均為單株分布，樹下均無植被種植)；按照0～50、50～100、100～300、300～500、500 a以上的樹齡梯度選擇樣本樹，每個樹齡段的樣本樹重復4～5株，所有調查樣株分布在半徑為500 m的范圍內，以保證樣株立地條件大體一致，處于同一氣候背景之下，具有可比性。

1.2 樣品采集與分析方法

2017年9月野外測定所選香榧樹的基徑和樹高，并記載樹木的生長情況。采集土樣，在離開樣本樹50～100 cm處隨機選取3～5個點挖取土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，3個層次采集土壤樣品。將土壤放入袋中，去掉其中的可見植物根系、殘體和碎石，帶回實驗室自然風干，之后過2 mm、0.25 mm和0.15 mm篩用于土壤總有機碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、輕組有機質(LFOM)和土壤養(yǎng)分的測定。

土壤總有機碳測定用重鉻酸鉀外加熱法[22]；易氧化碳測定用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法[23]；輕組有機質測定用1.7 g·mL-1碘化鈉重液分離法[24]；土壤養(yǎng)分測定用常規(guī)方法[25]：全氮(TN)，凱氏定氮法；水解氮(AN)，堿解擴散法；速效鉀(AK)，乙酸浸提法；有效磷(AP)，碳酸氫鈉法；交換性鈣(Ca)和交換性鎂(Mg)，原子吸收分光光度法。

1.3 數據統(tǒng)計分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件進行圖表繪制和數據處理分析。對不同樹齡香榧土壤之間總有機碳、易氧化碳和輕組有機質含量進行單因素方差分析(ANOVA)和顯著性分析(LSD檢驗)，對土壤總有機碳、活性有機碳和土壤養(yǎng)分進行相關性分析(Pearson檢驗)。

2 結果與分析

2.1 不同樹齡香榧各土層土壤總有機碳含量變化

不同樹齡香榧的土壤總有機碳呈明顯變化(表2)，介于3.92～28.61 g·kg-1之間，隨著香榧樹齡的增加，各土層土壤總有機碳含量先增大后減小，即300～500 a的香榧土壤總有機碳含量達到最高，隨后呈現出降低趨勢。方差分析結果表明，0～50 a與50～100 a生香榧土壤總有機碳之間差異不顯著，100～300 a生香榧土壤總有機碳含量開始顯著提高；500 a以上的香榧土壤總有機碳含量在40～60 cm土層顯著降低，在0～20 cm和20～40 cm土層雖有降低趨勢，但結果不顯著。

2.2 不同樹齡香榧土壤活性有機碳含量的變化

表3顯示，不同樹齡香榧土壤易氧化碳含量介于0.58～6.48 g·kg-1之間，各土層土壤易氧化碳含量隨樹齡的變化趨勢相同，即均隨樹齡的增加呈現先增加后降低的趨勢，其中，300～500 a的香榧土壤易氧化碳含量達到最高。此變化趨勢雖與土壤總有機碳變化趨勢保持一致，但各樹齡段香榧土壤易氧化碳含量在0～20 cm和20～40 cm土層差異均不顯著，僅300～500 a生香榧土壤在40～60 cm土層得到顯著的提高。

表4表明，不同樹齡階段香榧的同一土層土壤的輕組有機質含量均隨樹齡的增加呈現先增加后降低的趨勢，在300～500 a達到峰值。但是相同土層不同樹齡間土壤輕組有機質含量差異不大，分別為44.98～59.58 g·kg-1，29.38～46.17 g·kg-1，28.25～30.71 g·kg-1，僅在0～20 cm土層，300～500 a生香榧土壤輕組有機質含量提高較為顯著，其余各土層的不同樹齡香榧之間的輕組有機質含量差異不顯著。

表1 不同樹齡香榧樣地基本信息

表2 不同樹齡香榧不同土層土壤總有機碳含量

注：數據為平均值±標準差；同行不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同

Note: mean±SD; Different lowercase letters in the same line indicate significant difference among different ages at 0.05 level; the same as below

表3 不同樹齡香榧土壤不同土層易氧化碳含量

表4 不同樹齡香榧不同土層土壤輕組有機質含量

圖1 不同樹齡香榧0～60 cm土層土壤易氧化碳占總有機碳的比率Fig.1 ROC/TOC of different soil layers for different aged T. grandis

2.3 土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比率

香榧土壤易氧化碳占土壤總有機碳比例范圍為11.73%～25.93%，在0～20 cm土層，不同樹齡香榧土壤易氧化碳占總有機碳的比例沒有明顯的規(guī)律；在20～40 cm和40～60 cm兩個土層變化規(guī)律相同，均是50～100 a生香榧土壤易氧化碳占總有機碳的比例最大，500 a以上香榧土壤易氧化碳占總有機碳的比例最小；同一土層不同樹齡香榧的土壤易氧化碳含量占總有機碳比例差異不顯著。各樹齡段香榧土壤易氧化碳占總有機碳比例均隨土層的加深而減小，其中，500 a以上的香榧土壤易氧化碳所占比例減小幅度最大(圖1)。

2.4 土壤總有機碳與土壤活性有機碳的相關分析

5種樹齡香榧土壤各活性有機碳組分與總有機碳的相關性均達到極顯著水平(P<0.01)，但是相關性在不同樹齡香榧之間的變化規(guī)律并不明顯(圖2)。

2.5 土壤有機碳與土壤養(yǎng)分的關系

從表5可見，各樹齡段香榧土壤總有機碳和活性有機碳與全氮之間的相關性均達到極顯著水平(P<0.01)；除0～50 a外，與水解性氮之間的相關性達到顯著水平(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)；與速效鉀之間的相關性只有500 a以上的香榧土壤達到極顯著水平(P<0.01)；除100～300 a的香榧土壤活性有機碳外，其余各樹齡段的土壤總有機碳和活性有機碳與有效磷之間的相關性都達到顯著水平(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)；0～50 a、50～100 a和500 a以上的香榧土壤總有機碳和活性有機碳與交換性鈣和交換性鎂之間達到顯著相關(P<0.05)或極顯著相關(P<0.01)。

3 討 論

3.1 樹齡對土壤總有機碳的影響

森林土壤有機碳主要來自于地表植被凋落物和根系的歸還[26]，而凋落物量主要受到林分生物量、林齡和氣候變化影響[27]。此外，大量研究結果表明林分生物量隨林齡、胸徑的增加而增加：董點等[28]研究發(fā)現紫椴(Tiliaamurensis)各器官平均生物量隨著胸徑的增加而增加；高杰等[29]研究發(fā)現油松(Pinustabuliformis)林隨林齡的增加，喬木層各器官生物量呈上升趨勢；朱江等[30]表明華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)的器官生物量與植物的胸徑、樹高、樹齡和樹冠長度呈指數關系；陳東升等[31]調查研究發(fā)現日本落葉松(Larixkaempferi)人工林隨林齡的增加，林分總生物量、碳儲量和養(yǎng)分儲量隨林齡的增加呈增大趨勢。本研究中，各土層土壤總有機碳含量隨著香榧樹齡的增加呈現先逐漸增大然后有所減小的趨勢。這是因為隨著香榧樹齡和胸徑的增長，地上生物量逐漸累積增多，每年的凋落物數量也隨之增加，從而土壤有機碳得到逐步提高。另外，植物根系的周轉和分解也是增加土壤有機碳的重要途徑[32]，而植物的根系生物量與林齡也有著密切的關系：劉波等[33]研究發(fā)現細根生物量隨林齡增長而有所增加；匡冬姣等[34]研究結果表明杉木(Cunninghamialanceolata)人工林0～60 cm土層內細根生物量歲林齡增大先增加后減??；韓暢等[35]發(fā)現杉木、馬尾松(Pinusmassoniana)隨林齡的增加，各林齡階段根系總生物量呈增加趨勢。因此，隨著香榧樹齡的增長，其根系生物量也逐漸增加，從而土壤總有機碳也逐漸上升。但是，本文中當香榧樹齡超過500 a，土壤總有機碳稍有下降，這可能是因為500 a以上的香榧生長勢下降，枝葉老化，枝干生物量較300～500 a的香榧稍有減少而導致的。本研究結果與謝濤等[36]對蘇北沿海不同林齡楊樹(Populus)林土壤活性有機碳的研究結果一致。

圖2 不同樹齡香榧不同土層土壤活性有機碳與總有機碳的相關關系Fig.2 Relationships between soil labile organic carbons and TOC of different soil layers for different aged T. grandis

3.2 樹齡對土壤活性有機碳的影響

一般認為，土壤活性有機碳不穩(wěn)定、易氧化、移動性高，在一定環(huán)境條件下，可轉變?yōu)閯又参锘蛭⑸锷顒铀璧挠袡C碳。土壤易氧化碳是活性有機碳的重要組成部分，其含量受到地表凋落物分解和土地管理方式的影響[37-38]；輕組有機質同樣也是活性有機碳的重要組成部分，表層土壤輕組有機質主要來源于植被凋落物，深層土壤的輕組有機質主要來源于植物地下根系代謝殘體、根系分泌物以及死亡微生物等[39]，其含量受到微生物分解、氣候變化和土壤物理結構的影響[40-41]。而凋落物的分解速率又受到氣候條件、坡相位置、凋落物量等各種因素的影響[42-43]，林齡作為林分構成的重要指標，對凋落物分解也會產生重要影響[44]。本研究中，土壤易氧化碳和輕組有機質含量均隨香榧樹齡的增加呈現先增加后減小的趨勢，但在各樹齡無明顯差異。由于5種樹齡香榧所處環(huán)境和經營管理方式大致相同，因而樹齡成為其活性有機碳分布格局的主要限制因素，隨樹齡的增加，香榧生物量、地上生物量和地下生物量不斷增加，通過凋落物和根系分泌物歸還到土壤的數量也逐漸增加；此外，又由于土壤活性有機碳組分在很大程度上取決于土壤總有機碳含量[45-46]，所以本文易氧化碳與輕組有機質的變化趨勢與土壤總有機碳保持一致。

表5 不同樹齡香榧不同土層土壤有機碳與土壤養(yǎng)分的相關性

注：**P<0.01; *P<0.05

Note: **P<0.01; *P<0.05

易氧化碳占總有機碳的比例越高，說明土壤有機碳的活性越大，養(yǎng)分循環(huán)越快，穩(wěn)定性越差[47]。本研究中，不同樹齡香榧土壤易氧化碳占總有機碳的比例在0～20 cm土層沒有明顯規(guī)律，20～40 cm和40～60 cm土層易氧化碳所占比例表現為：50～100 a>0～50 a>100～300 a>300～500 a>500 a以上。在20～40 cm和40～60 cm兩個土層，50～100 a生的香榧土壤易氧化碳占總有機碳比例最高，說明此樹齡段香榧處于生長的旺盛時期，養(yǎng)分循環(huán)最快，有機碳穩(wěn)定性較差，之后隨著樹齡的增加，易氧化碳所占比例逐漸減少，土壤碳庫越來越穩(wěn)定，說明隨著香榧的逐漸成熟，土壤對有機碳的持留和貯存能力逐漸增強。

本研究中，5種樹齡香榧土壤易氧化碳和輕組有機質含量與總有機碳含量之間的相關性均達到極顯著水平(P<0.01)，這說明土壤各活性有機碳雖然在形態(tài)和測定方法上有所差異，但分別從不同角度表征了土壤碳平衡狀況，并且它們的變化受到土壤總有機碳含量的制約[48-49]。

不同樹齡香榧土壤有機碳與土壤養(yǎng)分之間的相關性分析表明：各樹齡段香榧土壤總有機碳和各活性有機碳與全氮之間的相關性均達到極顯著水平(P<0.01)；除0～50 a生香榧外，其余各樹齡段香榧土壤總有機碳和各活性有機碳與水解性氮達到顯著(P<0.05)或極顯著相關(P<0.01)，這主要是因為氮元素含量與土壤有機碳含量密切相關，因而與土壤總有機碳有著密切相關關系的活性有機碳，也與土壤全氮和水解性氮具有一定的相關性[50-51]。此外，龔偉等[52]指出土壤有機碳的活性對土壤肥力具有一定的指示作用，因而各樹齡段香榧土壤總有機碳、各活性有機碳與有效磷之間的相關性較好。除500 a以上的香榧外，其余各樹齡段香榧的土壤總有機碳和各活性有機碳組分與速效鉀、交換性鈣、交換性鎂之間的相關性均較差，可能是因為速效鉀受土壤質地、地形的影響較大，并且鉀離子移動性較強，在土壤中分布較為均勻[53]，而交換性鈣、交換性鎂與速效鉀之間又存在密切的相關關系[54]。500 a以上香榧土壤總有機碳和各活性有機碳組分與土壤養(yǎng)分之間的相關性均達到了極顯著水平(P<0.01)，這可能是因為越成熟的香榧抵抗土壤被侵蝕的能力越強，可有效阻止土壤表層養(yǎng)分的流失。

總之，隨香榧樹齡的增長，0～60 cm各土層總有機碳、易氧化碳、輕組有機質含量先增加后減小，易氧化碳占總有機碳的比例逐漸降低。因此，在今后香榧的經營管理過程中，應注意加強對幼年及壯年時期香榧土壤的改良，通過合理施肥、翻耕等措施改善林地的水熱、養(yǎng)分因子和土壤結構，增強土壤碳庫的穩(wěn)定性。