桉樹林地下土壤部分的碳匯研究

陳奎帆

（東莞市環(huán)境保護局，廣東 東莞 523001）

土壤是生態(tài)系統(tǒng)必不可少的組成部分，在碳匯儲備方面也是如此。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最主要的碳庫，是二氧化碳、甲烷等溫室氣體的匯地，其中森林土壤是最大且最重要的匯地。有研究表明，土壤與大氣間碳的年交換量高達600億～800億t，是每年石油和煤等化石燃料燃燒釋放碳量的12倍～16倍。由于土壤碳庫幾倍于大氣碳庫，因而在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中，土壤碳的微小變化可能引起大氣二氧化碳濃度的較大變化。有數(shù)據(jù)表明，如果全球土壤有機碳在目前的水平上增加1%，土壤固定的有機碳將增加150億t左右，由此可見土壤在碳匯中的巨大影響和作用[1]。

研究表明，植物對其下土壤部分的碳匯能力有很大的影響，主要原因在于植物在其生長過程中可通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，而且其根系生長又可以固定土壤中的碳，以生物量的形式將其固定在土壤中。因此，植被在降低大氣中的二氧化碳濃度、緩解溫室氣體效應(yīng)、增加土壤的碳匯量等方面發(fā)揮著巨大的作用[2-3]。由于不同種類的植物具有不同的光合作用強度以及不同的根系生長狀況，因此不同種類的植物對土壤碳匯的影響能力是不同的。另外還有研究證實，林齡是林下土壤碳匯功能的重要影響因素[4]。

廣東省內(nèi)的桉樹林面積大、分布較廣，但是對其土壤有機碳密度及影響因子方面的研究還很少。為了了解桉樹林對土壤碳匯功能的影響，筆者以湛江市麻章區(qū)廣東海洋大學的3～4 a生以及7～8 a生桉樹林地下土壤部分為研究對象，對研究地土壤中的有機碳和其他相關(guān)元素進行了測試與分析，評價其碳匯功能并分析其經(jīng)濟效益，同時借此探究桉樹碳匯在實際生產(chǎn)和運用中的能力，從而為規(guī)?；N植桉樹，增加林下土壤碳匯量的研究提供分析方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并給出科學的建議。

1 試驗材料和方法

1.1 取樣地基本情況

湛江市位于北回歸線以南的低緯度地區(qū)，西臨北部灣，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為22.8～23.2℃。多年平均降水量1 523 mm，轄區(qū)內(nèi)降水量時空分布不均且年際變化較大。年蒸發(fā)量為1 100 mm，年平均日照2 000 h。地形屬平臺階地及低丘陵地帶，以平原臺地為主，地勢北高南低。

本次試驗的取樣地點位于廣東省湛江市麻章區(qū)湖光巖東廣東海洋大學主校區(qū)內(nèi)的桉樹林以及未造林的標準地（地理坐標：21°9＇31＂N，110°17＇47＂E），采樣地在兩周內(nèi)未施過肥且未下過雨，采樣時天氣晴朗。

1.2 土壤采樣和制備方法

在1塊標準地的5個小樣方內(nèi)，采用直徑為9 cm的土壤取樣器（土鉆）在1 m×1 m小樣方中心位置分層采樣，取土樣深度為0～10 cm和10～20cm，取10 cm的土體樣品，研究中共調(diào)查土壤樣點15個，采集有機碳研究土樣樣品15個。

具體取樣方法是使用對角線布點法，在一個標準樣地對角線上布上3個相同的單位取樣點，取0～20 cm層土壤，用四分法（即將采集的土壤樣品放在干凈的塑料薄膜上弄碎，混合均勻并鋪成四方形，劃分對角線，分成四份，保留對角的兩份，其余兩份棄去，如果保留的土樣數(shù)量仍很多，可再用四分法處理，直至對角的兩份達到所需數(shù)量為止）棄取，留下1～2 kg，再將一個標準樣地的所有樣點取的土壤制成混合土樣，裝入樣品袋。接著，將土壤放在白色搪瓷盤或薄膜上，攤成2 cm厚薄層，用玻璃棒壓碎，使其均勻風干，最后取風干樣品200 g，再次壓碎并碾磨直至通過2 mm孔徑篩或土壤篩，裝入廣口玻璃瓶儲存待用。注意在取樣和風干過程防止細菌、灰塵等污染。保存的土樣要盡量避免陽光、高溫、潮濕和酸堿氣體等的影響。

制備土壤樣品時，首先將土壤樣品置于潔凈白色搪瓷托盤中，平攤成2 cm厚的薄層。然后，剔除植物、昆蟲、石塊等殘體，用木棰壓碎土塊，自然風干，風干時每天翻動幾次。充分混勻風干土壤，采用四分法，取其兩份，一份留存，一份通過2 mm土壤篩用于干物質(zhì)含量測定。在過2 mm篩的樣品中取出10～20 g進一步細磨，并通過60目（0.25 mm）土壤篩，裝入具塞玻璃瓶或特制牛皮紙袋中，待測。

1.3 有機碳的測定和分析方法（重鉻酸鉀法）

1.3.1 試劑的制備

0.800 0 mol/L(1/6重鉻酸鉀)：準確稱取經(jīng)130℃烘3～4 h的分析純重鉻酸鉀39.225 0 g，溶于400 mL的蒸餾水中，加熱幫助溶解，冷卻后稀釋定容至1 L，搖勻備用。

0.1 mol/L硫酸亞鐵：準確稱取化學純硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）55.6 g，加3 mol/L硫酸30 mL溶解，加水稀釋，同樣定容至1 L，搖勻備用，注意避光保存。

鄰菲羅啉指示劑：準確稱取化學純硫酸亞鐵0.695 g和分析純鄰菲羅啉1.485 g溶于100 mL蒸餾水中。

1.3.2 待測液的制備

準確稱取通過60目（0.25 mm）土壤篩的風干土樣0.1～0.5 g（精確到0.000 1 g，具體稱樣的多少取決于有機質(zhì)的含量，本試驗選擇稱取0.3 g左右），放入干燥的，用標簽紙標記完畢的硬質(zhì)試管底部，然后吸取0.800 0 mol/L重鉻酸鉀溶液5.00 mL加入試管中，再用注射器加入濃硫酸5mL，最后在試管口蓋上小漏斗小心搖勻。

1.3.3 待測液的處理

把添加完試劑的試管用木質(zhì)試管夾夾住放入預(yù)先加熱至185～190℃的油浴鍋內(nèi)（由于要分析和處理大批樣品，所以將試管插入鐵絲籠內(nèi)，這樣可同時處理多組樣品），控制油浴溫度保持在170～180℃。當試管內(nèi)溶液開始沸騰后保持沸騰5 min，取出試管，稍冷后用草紙擦凈試管外壁油液。

1.3.4 待測液的滴定

待試管冷卻后將試管溶液倒入250 mL三角瓶中，并洗凈漏斗和試管，清洗液也倒入三角瓶中，使三角瓶內(nèi)的液體達到60～80 mL，然后滴加鄰菲羅啉指示劑3～5滴并搖勻，用0.1 mol/L FeSO4溶液滴定，溶液由黃色經(jīng)過綠色突變到棕紅色即為終點。到達滴定終點時，記錄用去的0.1 mol/L硫酸亞鐵溶液的毫升數(shù)。

1.3.5 空白對照試驗

測定樣品的同時，用純砂代替樣品，其他手續(xù)同上，做三組空白試驗，取其平均值。1.3.6 結(jié)果計算

式中，V0為空白滴定用去的硫酸亞鐵的毫升數(shù)；V1為滴定待測液中過剩的重鉻酸鉀用去FeSO4的毫升數(shù)；12為1 mol碳的克數(shù)；4為碳的價數(shù)；1.1為校正系數(shù)（因為由上述方法測得的有機質(zhì)，一般只為實際含量的90%）。

1.4 有機碳密度的測定方法

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳（SOC）的儲量，單位為kg/m2。每層土層的有機碳密度的計算公式為：

式中，Ci為土壤有機碳含量，g/kg；Di為土壤容重，g/cm3；Ei為土層厚度，cm；10為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

如果某一土壤由k層組成，那么該土壤的有機碳密度則為：

本文當中統(tǒng)一取0～10 cm及10～20 cm深度的土壤來計量桉樹林下土壤的有機碳密度。其中測得的各樣地的土壤容重分別是：空地土壤0～10 cm（1.72 g/cm3），10～20 cm（1.81 g/cm3）；3～4 a生桉樹林下土壤0～10 cm（1.55 g/cm3），10～20 cm（1.63 g/cm3）；7～8 a生桉樹林下土壤0～10 cm（1.12 g/cm3），10～20 cm（1.13 g/cm3）。

1.5 統(tǒng)計分析方法（SPSS Statistics及Excel軟件）

SPSS Statistics是一款用于數(shù)據(jù)分析的軟件，幾乎可以從任何類型文件中獲取數(shù)據(jù)，然后使用這些數(shù)據(jù)生成分布趨勢、描述統(tǒng)計及復(fù)雜統(tǒng)計分析的表格式報告、圖表和示意圖。另外，其還具有權(quán)重分析、方差分析、線性回歸、回歸分析等數(shù)據(jù)分析方法的功能。本文采用的是方差分析及回歸分析的方法，用以判斷不同林齡和不同土層土壤有機碳密度的顯著性以及其他因素之間的相關(guān)性，通過這些方法對原始數(shù)據(jù)進行進一步分析。本文的表格及示意圖均通過Excel軟件制作，可以直觀地展示不同樣地塊所測數(shù)據(jù)的差異和對比結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳含量測定結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗和計算方法對空地土壤、3～4 a生桉樹林下土壤和7～8 a生桉樹林下土壤進行測定，測出總共15個取樣點的不同土層的有機碳含量以及平均有機碳含量，分別如圖1、圖2所示。

在這些取樣點中，通過對原始數(shù)據(jù)進行處理和計算可得，空地土壤的平均有機碳含量為6.04 g/kg；3～4 a生桉樹林下土壤的平均有機碳含量為12.84 g/kg；7～8 a生桉樹林下土壤的平均有機碳含量為20.76 g/kg。不同土層的有機碳含量為：空地0～10 cm土壤的有機碳含量為6.24 g/kg，10～20 cm土壤有機碳含量為5.83 g/kg；3～4 a生桉樹林下0～10cm土壤的有機碳含量為14.55 g/kg，10～20 cm土壤有機碳含量為11.12 g/kg；7～8 a生桉樹林下0～10 cm土壤的有機碳含量為21.21 g/kg，10～20 cm土壤的有機碳含量則為20.30 g/kg。

圖1 各采樣地不同深度土壤的有機碳平均含量

圖2 各采樣地土壤有機碳平均含量

桉樹林下土壤有機碳含量高于其他林分土壤的有機碳含量，無桉樹林下土壤有機碳平均含量（12.07 g/kg）低于桉樹林下土壤。而3～4 a生桉樹林下土壤的平均有機碳含量（25.67 g/kg）低于7～8 a生桉樹林下土壤的平均有機碳含量（41.51 g/kg）。所以，通過以上的數(shù)據(jù)和圖表可以看出，林分和樹齡是導(dǎo)致土壤有機碳含量差異的重要因素。

此外，土壤有機碳含量會隨著土層深度增加而減少。如圖1所示，各樣地0～10 cm土層有機碳含量均略高于10～20 cm土層的有機碳含量。這是因為有機碳在土壤當中的表聚性。

2.2 土壤有機碳密度測定結(jié)果及分析

圖3 各采樣地不同深度土壤的平均有機碳密度

根據(jù)相關(guān)公式計算出各樣地的有機碳密度，無桉樹林下土壤有機碳平均密度為21.28 kg/m2，3～4 a生桉樹林下土壤的平均有機碳密度為40.67 kg/m2，7～8 a生桉樹林下土壤的平均有機碳密度為46.68 kg/m2。由圖3可以看出，與有機碳含量差異一樣，無桉樹林下土壤有機碳平均密度低于桉樹林下土壤。而3～4 a生桉樹林下土壤的平均有機碳密度低于7～8 a生桉樹林下土壤的平均有機碳密度，隨著樹齡增長，有機碳密度顯示出明顯的上升趨勢。由于土壤的表聚性，土壤有機碳密度也會隨著土層深度增加而減少。

2.3 其他土壤因素與土壤有機碳含量的關(guān)系

通過SPSS Statistics軟件處理，筆者得到其他環(huán)境因素與土壤有機碳含量的關(guān)系，如表1、表2所示。其中，樣地A代表無桉樹林空地，樣地B代表3～4 a生桉樹林，樣地C代表7～8 a生桉樹林。

表1 土壤因素與土壤有機碳含量的相關(guān)系數(shù)

表2 土壤因素與土壤有機碳含量的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 土壤有機碳含量和密度的主要影響因素

通過試驗數(shù)據(jù)和分析可以看出，桉樹林下土壤有機碳含量高于其他林分土壤的有機碳含量。此外，桉樹林下土壤有機碳密度也明顯高于其他林分的有機碳密度，說明種植桉樹可以增加林下土壤的有機碳含量和有機碳密度[5-6]。無桉樹林下土壤有機碳平均含量（12.07 g/kg）低于桉樹林下土壤。平均有機碳密度也是如此。

另外，隨著樹齡的增大，樹木間的競爭更為劇烈，生理活動更為強烈，而林分凋落物的增加以及林下植被蓋度的增加，有利于土壤有機碳的積累。有機碳碳密度也隨之增加。

7～8 a生桉樹林下土壤有機碳平均含量（41.51 g/kg）明顯高于3～4 a生桉樹林下土壤（25.67 g/kg）。7～8 a生桉樹林下土壤有機碳密度也高于三四年生桉樹林下土壤。因此，人們可以得出結(jié)論，林分和樹齡是導(dǎo)致土壤有機碳密度差異的重要因素，也是影響土壤碳匯功能的重要因素。

3.2 桉樹林下土壤碳匯的經(jīng)濟和生態(tài)價值

桉樹一般成材需要3～5 a，目前的各種行業(yè)，如造紙業(yè)一般五年樹齡就進行砍伐，而試驗測得7～8 a生桉樹林下土壤的平均有機碳含量（kg/m2）及有機碳密度（46.17 kg/m2）均高于其他樹齡的平均水平。如果在五年樹齡就進行砍伐，會使桉樹無法發(fā)揮其土壤固碳能力，大大影響林下土壤的碳匯功能。綜上所述，五年生桉樹并非經(jīng)濟和生態(tài)價值的峰值，而7～8 a生桉樹具有最高的經(jīng)濟和生態(tài)價值，因此對樹齡大于8 a的桉樹進行砍伐才是最優(yōu)的方案。

3.3 桉樹林下土壤理化性質(zhì)的分析

根據(jù)相關(guān)性分析可以看出，桉樹林下土壤有機碳含量與土壤石礫含量、吸濕水含量、毛管水含量、最大持水量及pH值呈正相關(guān)。這是因為這些土壤的理化性質(zhì)影響土壤的酸堿度、林下植物分布以及土壤生物的活動，從而對有機碳積累產(chǎn)生影響。土壤含水量和透氣性在土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化有重要影響。土壤透氣性好有助于土壤微生物的生理活動，有利于凋落物的分解和轉(zhuǎn)化，從而有助于有機碳的積累。此外，研究表明，在同樣的條件下，旱地土壤有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化速率較快，這表明了含水量高會降低這一進程的速率，從而不利于有機碳積累，在林下土壤的有機碳含量的積累上也不例外。

另外，土壤微生物的正常生理活動需要適宜的酸堿度，pH值偏高或偏低均會影響土壤微生物的活性，使土壤有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化速率大大降低，本次試驗的樣品土壤中3～4 a生桉樹林下土壤pH范圍為5.18～5.50，7～8 a為5.17～5.52，無桉樹林地為6.27～6.83，屬于酸性偏中性土壤，因此對有機碳的積累產(chǎn)生影響作用，但程度不大。

4 結(jié)論

桉樹林是我國南方地區(qū)主要種植的人工林，除了已知的經(jīng)濟價值之外，也具有非常有價值的生態(tài)價值，可以增強其林下土壤的固碳能力，顯著提升土壤的碳匯功能。研究桉樹林對其林下土壤的影響因素，對如何更好地發(fā)揮桉樹林的生態(tài)價值具有重要意義，可以為實際生產(chǎn)運用提供相當有價值的理論依據(jù)。

本研究的結(jié)果表明，相對于其他地表植物，桉樹可以更有效地增強土壤的固碳能力，其林下土壤含碳量較高。因此，選擇桉樹可以有效地提升土壤的碳匯能力；隨著桉樹樹齡的增長，其林下土壤的固碳能力會發(fā)生變化，這是因為不同樹齡段的桉樹生理特性也有所不同，7～8 a生桉樹林下含碳量最高，土壤固碳能力最強，其林下土壤碳匯能力在這一樹齡段達到峰值。因此，傳統(tǒng)上的將5 a生桉樹就進行砍伐是不合理的，并不能最大限度地發(fā)揮桉樹的生態(tài)價值。