不同林齡桉樹人工林土壤碳氮儲量及C/N化學(xué)計量特征

竹萬寬，許宇星，王志超，杜阿朋

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不同林齡桉樹人工林土壤碳氮儲量及C/N化學(xué)計量特征

竹萬寬，許宇星，王志超，杜阿朋＊

(國家林業(yè)和草原局桉樹研究開發(fā)中心, 廣東 湛江 524022)

為探討不同林齡桉樹人工林土壤碳氮儲量及C/N化學(xué)計量特征，本文選取8、10和15 a生桉樹人工林為研究對象，測定并分析土壤碳氮儲量差異性。結(jié)果表明：3個林分0 ~ 60 cm土壤碳氮儲量分別為8 a(98.45和7.87 t·hm-2)、10 a(113.21和8.29 t·hm-2)和15 a(80.36和7.43 t·hm-2)，各林齡之間碳氮儲量無顯著性差異。3個林分土壤碳氮比范圍為8.47 ~ 14.64，林齡引起的變異不明顯。

桉樹人工林；林齡；土壤碳氮儲量；化學(xué)計量比

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要組分[1]，在很大程度上決定了生態(tài)系統(tǒng)的類型。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地上的最大碳庫，儲存著陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部分80%和地下部分40%的有機碳，對全球碳收支的平衡有著重要作用[2]。氮作為主要制約因素之一，會影響碳循環(huán)過程[3]。土壤碳氮儲量在一定程度上反映了土壤肥力的高低，是衡量森林土壤質(zhì)量和植被恢復(fù)效果的重要指標(biāo)[4]。碳氮循環(huán)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能過程，具有維持和調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的作用。

桉樹()人工林生態(tài)系統(tǒng)是廣東、廣西等地的重要人工林生態(tài)系統(tǒng)，對于地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)平衡具有重要作用。土壤作為桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量所占比重較大的組分，已經(jīng)成為研究的熱點。目前，朱美玲等[5]、張?zhí)K峻等[6]、竹萬寬等[7]和呂曉燕等[8]對1 ~ 7 a生桉樹人工林土壤碳、氮儲量進(jìn)行了研究，而對較大林齡桉樹人工林的研究尚未見報道。本文以8、10和15 a生桉樹人工林為研究對象，旨在探討較大林齡桉樹人工林土壤碳氮儲量差異及其化學(xué)計量比特征。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站內(nèi)(N21°16'，E110°05')。為海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.1℃，最冷月為1月(均溫15.6℃)，最熱月為7月(均溫28.8℃)，極端溫度分別為38.1和2.8℃。年均降水量為1 567 mm，主要集中在5—10月，9月為暴雨集中期，有明顯旱、雨季之分。夏秋季多臺風(fēng)，2016年未遇到臺風(fēng)災(zāi)害。土壤熱帶特征明顯，風(fēng)化強烈，土層深厚，高度富鋁鐵化。林下優(yōu)勢灌木有鵝掌柴()、龍船花()、鹽膚木()、馬櫻丹()、白背葉()等。優(yōu)勢草本主要有馬唐草()、白花鬼針草()、勝紅薊()、五節(jié)芒()、野芍藥()、蟛蜞菊()、藎草()等。

1.2 研究方法

本研究選取8 a生尾巨桉()、10年生粗皮桉()和15 a生尾葉桉()研究對象。3個桉樹人工林初植密度均為1 667株·hm-2，株行距為2 m′3 m，立地條件相似。2016年5—6月采用常規(guī)樣地調(diào)查法，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 樣地基本情況

2016年7月，在每個林分中隨機設(shè)置3個20 m × 20 m樣方，在每個樣方中隨機挖取3個土壤剖面，根據(jù)深度按0 ~ 20、20 ~ 40 和40 ~ 60 cm等3個層次取樣。環(huán)刀法采集不同層次原狀土壤樣品，用于測定土壤容重。同時按照剖面4個方向同層取樣混合均勻后作為一個樣品，裝袋標(biāo)記后帶回實驗室，風(fēng)干，粉碎過篩。用重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機碳含量；凱氏法測定土壤全氮含量。單位面積土壤碳儲量()和氮儲量()的計算公式如下[1]：

式中：、指層土壤單位面積有機碳儲量和全氮儲量(t·hm-2)；指第土層的土壤容重(g·kg-1)；SOC、TN指第層土壤有機碳含量和全氮含量(g·kg-1)；H指第層土壤深度(cm)；S指第層土壤礫石含量(%)。如果計算單層土壤單位面積碳氮儲量，則去掉加和運算符。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0對不同林齡桉樹人工林土壤碳氮儲量及C/N進(jìn)行差異分析，數(shù)據(jù)處理及圖表制作采用Excel 2016軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳儲量差異分析

由圖1可知，3個林分土壤0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和0 ~ 60 cm土層有機碳儲量范圍分別為41.15 ~ 48.85、23.39、~ 36.53、15.82 ~ 33.93和80.36 ~ 113.21 t·hm-2。各林分0 ~ 20 cm土層有機碳儲量占總有機碳儲量比例為37.69% ~ 51.21%，均高于其他土層所占比例。各土層有機碳儲量在不同林齡間差異顯著(＞0.05)。各林齡桉樹人工林土壤有機碳儲量均表現(xiàn)出隨土層加深而減少趨勢。8 a和15 a生林分中，0 ~ 20 cm土層有機碳儲量顯著高于其他兩層(＜0.05)；10 a生林分中，各土層間無顯著性差異(＞0.05)。

2.2 土壤氮儲量差異分析

圖2的數(shù)據(jù)表明，3個林分土壤0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和0 ~ 60 cm土層氮儲量范圍分別為2.92 ~ 3.97、2.32 ~ 2.54、1.53 ~ 2.84和7.43 ~ 8.29 t·hm-2。各林分0 ~ 20 cm土層氮儲量占總氮儲量比例在35.18% ~ 50.44%之間。各土層氮儲量在不同林齡間均未表現(xiàn)出顯著性差異(＞0.05)。8 a和15 a生桉樹人工林土壤氮儲量表現(xiàn)出隨土層加深而減少趨勢，8 a生林分中0 ~ 20 cm土層氮儲量顯著高于其他土層(＜0.05)；15 a生林分中0 ~ 20 cm土層氮儲量顯著高于40 ~ 60 cm(＜0.05)，均與20 ~ 40 cm無顯著差異(＞0.05)。10 a生林分中各層土壤氮儲量無顯著差異(＞0.05)。

圖1 土壤有機碳儲量差異特征

圖2 土壤氮儲量差異特征

2.3 土壤C/N化學(xué)計量特征差異分析

3個林分土壤0 ~ 20、20 ~ 40和40 ~ 60 cm土層碳氮比范圍分別為12.29 ~ 14.64、10.33 ~ 14.11和8.47 ~ 13.39。各土層碳氮比在不同林齡間差異不顯著(＞0.05)。8 a和10 a生林分中，各土層碳氮比無顯著差異(＞0.05)；15 a生林分中，0 ~ 20 cm土層碳氮比顯著高于其他土層(＜0.05)。

圖3 土壤碳氮比差異特征

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果顯示土壤各層次碳儲量在不同林齡間差異不顯著，表明較高林齡桉樹人工林中林齡可能對土壤碳儲量影響不明顯。0 ~ 20 cm土層有機碳儲量分別為8 a(48.85 t·hm-2)、10 a(42.66 t·hm-2)和15 a(41.15 t·hm-2)，遠(yuǎn)高于朱美玲等[5]對海南桉樹人工林土壤0 ~ 20 cm土層碳儲量的研究結(jié)果(2 a，16.43 t·hm-2；4 a，17.82 t·hm-2；6 a，16.77 t·hm-2)，而與竹萬寬等[7]對相同試驗區(qū)1 ~ 7 a生桉樹人工林研究結(jié)果(1 a，34.33 t·hm-2；2 a，37.04 t·hm-2；3 a，50.16 t·hm-2；5 a，39.01 t·hm-2；7 a，45.26 t·hm-2)相近，表明影響土壤有機碳儲量空間變異的因素中土壤類型和養(yǎng)分狀況可能較林齡存在更大作用。本研究0 ~ 20 cm土層(即土壤表層)有機碳儲量均高于我國紅壤類型平均土壤表層有機碳儲量(36.5 t·hm-2)，表明研究區(qū)所在地區(qū)表層土壤可能有較高的碳源輸入。0 ~ 60 cm土層有機碳儲量分別為8 a(98.45 t·hm-2)、10 a(113.21 t·hm-2)和15 a(80.36 t·hm-2)，低于中國森林生態(tài)系統(tǒng)平均土壤碳儲量(193.55 t·hm-2)[9]，原因可能是研究區(qū)所在地區(qū)南亞熱帶氣候區(qū)降雨量和年均溫較高，掉落物分解速率較高，土壤呼吸速率較大，土壤碳積累較少，導(dǎo)致土壤碳流失較大。

本研究土壤氮儲量在不同林齡間與碳儲量表現(xiàn)一致差異不顯著，表明較高林齡桉樹人工林中林齡并非影響土壤氮儲量的主要因素。3個林分0 ~ 60 cm土壤氮儲量分別為8 a(7.87 t·hm-2)，10 a(8.29 t·hm-2)和15 a(7.43 t·hm-2)，相比于海南2 ~ 6 a生桉樹人工林0 ~ 50 cm氮儲量(3.36 ~ 10.57 t·hm-2)[5]處于較高水平，原因可能是高林齡桉樹人工林土壤表面積累了較多腐殖質(zhì)，并通過降雨、土壤礦質(zhì)作用、淋溶等過程改變土壤中氮儲量。

土壤碳氮比作為土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)，可以衡量土壤碳氮營養(yǎng)平衡狀況[10]。本研究林齡對土壤碳氮比的影響不明顯，可能是由于桉樹人工林在輪伐期過后土壤理化性質(zhì)基本穩(wěn)定，因林齡變化而引起的差異較小導(dǎo)致。3個林分土壤碳氮比接近于中國陸地碳氮比平均值(11.9)[11]，略低于1 ~ 7 a生桉樹人工林[10]土壤碳氮比，表明桉樹人工林在輪伐期后可能會出現(xiàn)土壤元素礦化作用加快的現(xiàn)象。

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[10] 竹萬寬,陳少雄,王志超,等.不同林齡尾巨桉人工林凋落物和土壤C、N、P化學(xué)計量特征[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報, 2017,25(2):127-135.

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Soil Carbon and Nitrogen Storage and C/N Ratios inPlantations of Different Ages

ZHU Wankuan, XU Yuxing, WANG Zhichao, DU Apeng

(,,,)

Soil carbon and nitrogen reserves and C/N stoichiometric characteristics were measured and analyzed inplantations of ages 8, 10 and 15 years. The soil carbon and nitrogen reserves of the soils were 98.45 t·hm-2and 7.87 t·hm-2respectively at age 8 years, 113.21 t·hm-2and 8.29 t·hm-2at age 10 years, and then 80.36 t·hm-2and 7.43 t·hm-2at age 15 years. The ratio of soil carbon to nitrogen (C/N ratio) of three different aged plantations ranged from 8.47 to 14.64, with no distinct patters of variation attributable to plantations age.

plantation; stand age; soil carbon and nitrogen reserves; stoichiometric ratio

S714.5

A

廣西科技重大專項(桂科AA172004087-9)；“十三五”國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0600504)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項資金項目(2014KJCX021-04)；2016年省級生態(tài)公益林激勵性補助資金項目(2016-03)；廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運行補助(2018-LYPT-DW-141)。

竹萬寬(1989— )，男，碩士，研究實習(xí)員，主要從事桉樹人工林生態(tài)定位監(jiān)測研究，E-mail: zwk_2015@163.com.

杜阿朋(1979— )，男，博士，副研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究，E-mail: dapzj@163.com.