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    桂北不同林齡桉樹人工林土壤碳庫管理指數(shù)和碳組分的變化特征

    2020-10-20 04:24滕秋梅沈育伊徐廣平黃玉清張中峰張德楠周龍武孫英杰黃科朝何文
    廣西植物 2020年8期

    滕秋梅 沈育伊 徐廣平 黃玉清 張中峰 張德楠 周龍武 孫英杰 黃科朝 何文

    摘 要:采用時空互代法,以廣西北部低山丘陵地區(qū)不同林齡(1、2、3、4、5和8 a)桉樹人工林為研究對象,探討林齡對桉樹人工林地土壤碳庫管理指數(shù)的影響及其規(guī)律。結(jié)果表明:(1) 隨著林齡的增加,土壤有機(jī)碳總體表現(xiàn)為增加的趨勢,1~8 a桉樹土壤有機(jī)碳范圍在5.79~15.57 g· kg-1之間,隨著土層的加深而降低;0~40 cm土層土壤有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a。(2)土壤非活性有機(jī)碳、碳儲量隨林齡和土層的變化規(guī)律與土壤有機(jī)碳基本一致。土壤活性有機(jī)碳含量大小依次表現(xiàn)為8 a>5 a>4 a>3 a>2 a>1 a,占土壤有機(jī)碳的比例隨林齡變化無明顯規(guī)律,8 a和其他林齡間均具有顯著差異。(3)碳庫管理指數(shù)隨林齡增加整體呈上升趨勢,8 a桉樹人工林土壤碳組分含量及碳庫管理指數(shù)均高于10 a對照馬尾松林。碳庫管理指數(shù)與土壤有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、碳儲量、碳庫活度、全氮、容重呈極顯著或顯著的相關(guān)性,不同林齡和土層間碳庫管理指數(shù)有差異性。適當(dāng)延長桉樹人工林的輪伐周期,減少人為對林地凋落物和林下植被的干擾,將有利于提高土壤的有機(jī)碳含量,進(jìn)而改善土壤質(zhì)量。

    關(guān)鍵詞:桉樹人工林, 林齡, 土壤有機(jī)碳, 土壤活性有機(jī)碳庫, 碳庫管理指數(shù)

    中圖分類號:Q948

    文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    文章編號:1000-3142(2020)08-1111-12

    Abstract:Using the space-time intergenerational method, the plantation of different ages of Eucalyptus plantations in low hilly areas at Northern Guangxi were taken as the research object. The effects of forest age on characteristics of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), soil labile organic carbon (LOC) and soil carbon management index (CPMI) were measured in this study. The results were as follows:(1) SOC indicated a trend of increasing with the increase of Eucalyptus forest age, and decreased with the increasing of soil depth. The content of soil organic carbon of 1-8 years old Eucalyptus varied from 5.79 to 15.57 g·kg-1 in the whole soil layer (0-40 cm) , the order of SOC contents was 8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a. (2) The variation tendencies of soil not labile organic carbon and carbon storage were consistent with the content of SOC. The order of soil labile organic matter contents was 8 a>5 a>4 a>3 a>2 a>1 a, respectively. There were no obvious change characteristics for the proportion of soil labile organic carbon to soil organic carbon with the increase of forest age. There was significant difference between 8 year old forest age and other forest ages. (3) The carbon pool management index increased with the increase of forest age. The soil carbon pool management index and soil carbon component contents of 8 ywars old Eucalyptus had been higher compared with 10 years old Pinus massoniana forest. Moreover, correlation analysis showed that existing extremely significant or significant correlation to soil organic carbon, soil not labile organic

    carbon, labile oragnic carbon, carbon storage, carbon pool activity, total nitrogen, bulk density and soil carbon pool management index. There were also differences of carbon pool management index between different forest ages and soil layers. It was concluded that under the condition of local soil fertility, 8 years old Eucalyptus could both increase SOC contents and improve CPMI, favor soil quality amelioration and soil fertility improvement. Therefore, extending Eucalyptus plantations forest harvesting time and decreasing the disturbance to forest litter and understory vegetation would improve soil quality, and it is also important for promoting sustainable development of Eucalyptus plantations.

    Key words:Eucalyptus plantations, forest age, soil organic carbon, soil labile organic carbon pool, carbon pool management index

    森林土壤有機(jī)碳庫是全球土壤碳庫的重要組成部分,主要存在于枯枝落葉和土壤表層(Pregitzer & Euskirchen,2010),其含量的變化對全球碳循環(huán)和二氧化碳通量的改變起到關(guān)鍵的作用(張鵬等,2009)。土壤有機(jī)碳作為土壤碳庫的重要組成部分,不僅能直接反映土壤的肥力水平,衡量土壤質(zhì)量(周國模和姜培坤,2004),還能有效反映土地經(jīng)營管理水平,并可以用土壤碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index,CPMI)進(jìn)行量化(Lefroy et al., 1993)。碳庫管理指數(shù)是指示土壤經(jīng)營和管理所采取方法是否科學(xué)的指標(biāo),既能反映外界管理措施對土壤總有機(jī)碳的影響,還能反映土壤有機(jī)碳組分的變化情況,CPMI值變大說明土地經(jīng)營措施可以維持和提高土壤質(zhì)量,其值變小則表明土壤肥力在下降,土壤質(zhì)量在下降(徐明崗等,2006)。近期對碳庫管理指數(shù)的研究主要集中在不同生態(tài)恢復(fù)模式(蒲玉琳等,2017)、對模擬酸雨的響應(yīng)(張慧玲等,2018)、不同耕作措施(Schiavo et al., 2011)、不同施肥情況(藺芳等,2018)、不同土地利用方式(張亞杰等,2016)、不同還田方式(李碩等,2015)等方面,以上多數(shù)研究結(jié)果反映了長期定位研究下的累積效應(yīng)。而不同的森林植被類型和林地經(jīng)營歷史,一般會影響土壤有機(jī)碳庫的量及土壤剖面的分布規(guī)律(馮瑞芳等,2006)。桉樹(Eucalyptus)因其適應(yīng)性強(qiáng)、生長快速、輪伐周期短、用途廣泛和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),被世界許多國家引種和大規(guī)模推廣,已成為當(dāng)前我國解決林業(yè)資源危機(jī)的重要途徑之一。揭示桉樹人工林短期生長期內(nèi)土壤碳庫管理指數(shù)的變化特征,有利于調(diào)整和優(yōu)化營林措施。

    研究表明,人工林能有效固持大氣中的碳(Pan et al., 2011),也會導(dǎo)致土壤碳庫的巨大變化(史軍等,2006)。我國桉樹人工林面積已超過450萬hm2,廣西桉樹人工林的面積約占全國桉樹種植面積的二分之一(張健軍等,2012)。桉樹人工林土壤有機(jī)碳的變化對全球碳循環(huán)有重要影響(張?zhí)K峻等,2010),桂北低山丘陵地區(qū)桉樹人工林多采取的是集體和個人承包,多采用施肥、農(nóng)藥、除草劑等高強(qiáng)度、粗放型經(jīng)營管理,部分在3~4 a即開始采伐,有關(guān)不同林齡桉樹人工林土壤碳庫管理指數(shù)的研究尚未見報(bào)道,在1 a到8 a間隔較短但桉樹生長變化又快的這一段時間內(nèi),不同林齡下土壤碳庫管理指數(shù)的響應(yīng)特征是什么。這對于準(zhǔn)確評價桉樹林地土壤肥力以及制定合理的管理措施有重要意義。因此,通過對廣西北部低山丘陵地區(qū)不同林齡桉樹人工林土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量及碳庫管理指數(shù)的研究,探討林齡對桉樹人工林土壤碳庫管理指數(shù)的影響及其規(guī)律,旨在為桉樹人工林的可持續(xù)利用,提高經(jīng)營與管理水平,增強(qiáng)桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能提供科學(xué)依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于廣西黃冕林場波寨村,地處廣西柳州市鹿寨縣與廣西桂林永??h交界。地理坐標(biāo)為109°43′46″—109°58′18″ E、24°37′25″—24°52′11″ N。黃冕林場地形起伏大,坡面險峻,地貌主要有低山地貌和丘陵地貌,屬于中亞熱帶氣候,氣候溫和,四季分明,無霜期長,雨熱同季;年均氣溫為19 ℃,年平均降雨量為1 750~2 000 mm,降雨量集中在4—8月,年均蒸發(fā)量為1 426~1 650 mm,熱量豐富。黃冕林場林地屬地質(zhì)年代屬泥盆系,林地土壤主要以砂巖、砂頁巖、夾泥巖發(fā)育而成的紅壤、山地黃紅壤為主。

    2 材料與方法

    2.1 土壤樣品采集

    于2013年4月中旬,在野外詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,采用時空互代法,選擇由本底資料和時間一致的馬尾松次生林改種而來的6個不同林齡(1、2、3、4、5和8 a)桉樹(巨尾桉,Eucalyptus urophylla × E.grandis)為研究對象,選擇營林、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母質(zhì)等條件基本一致或相近的林地,各設(shè)置不同林班和間隔60~100 m的3塊面積約20 m × 20 m的樣地作為3個重復(fù),共計(jì)18塊。同時,在鄰近未被砍伐和未被改種為桉樹的馬尾松林(Pinus massoniana,10 a),設(shè)置3塊20 m × 20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地作為對照。采樣前去除地表凋落物,按照S型方法在各樣地中選取5個代表性樣點(diǎn)采取土壤樣品,按0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm 4個層次用土壤取樣器(直徑5 cm)分層取土,同層土壤混勻?yàn)?個土樣。將采集的土壤樣品,裝在無菌自封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后常規(guī)處理,用于土壤理化性質(zhì)的測定。

    2.2 試驗(yàn)方法

    土壤容重采用環(huán)刀法(鮑士旦,2000)測定;土壤有機(jī)碳(SOC)采用總有機(jī)碳分析儀(島津TOC-5000A,日本)測定;全氮(TN)通過Vario ELIII元素分析儀(德國)分析;土壤活性有機(jī)碳(LOC)采用 333 mmol·L-1 KMnO4氧化法測定(Blair et al., 1995)。相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算(徐明崗等,2006):碳庫活度(A)=活性有機(jī)碳/非活性有機(jī)碳含量;碳庫活度指數(shù)(AI)=土壤碳庫活度/參考土壤碳庫活度;活性碳有效率(AC)=活性有機(jī)碳/有機(jī)碳;碳庫指數(shù)(CPI)=土壤有機(jī)碳/參考土壤有機(jī)碳;碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100;土壤非活性有機(jī)碳(NLOC)=土壤有機(jī)碳-土壤活性有機(jī)碳。土壤碳儲量(S)=10C· ρ· h,式中:C(g· kg-1)為有機(jī)碳質(zhì)量比;ρ(g·cm-3)為土壤容重;h(cm)為實(shí)際土層高度(李艷瓊等,2018)。本研究中,參考土壤為未被改種為桉樹的10 a馬尾松林地土壤。

    2.3 數(shù)據(jù)分析

    利用Excel 2016和SPSS22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對不同土層土壤各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較(α=0.05),對土壤碳庫指數(shù)特征進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 不同林齡0~40 cm土層土壤碳組分平均值的變化

    從表1可以看出,不同林齡桉樹人工林0~40 cm土層土壤有機(jī)碳平均值含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)先增加后下降再增加的趨勢,表現(xiàn)為8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a,平均值范圍為3.59~10.80 g·kg-1,8 a土壤有機(jī)碳含量是1 a和2 a的2~3倍,呈顯著差異(P<0.05)。隨著林齡的增加,桉樹人工林地表枯枝落葉物增多,土壤有機(jī)碳含量隨著林齡加大,2~3 a是桉樹的生長高峰期,土壤有機(jī)碳含量增幅較大,4 a后,桉樹的生長亦趨于平緩,有機(jī)碳含量增加相對緩慢,隨著林齡的增大枯枝落葉以及細(xì)根的積累,有機(jī)碳含量在8 a達(dá)到最大值。0~40 cm土層不同林齡桉樹人工林土壤非活性有機(jī)碳含量、碳儲量的變化規(guī)律與有機(jī)碳一致,其平均值范圍分別為2.76~6.73 g·kg-1、436.10~1602.33 g·m-2。0~40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量則隨著林齡的增加而持續(xù)增加,表現(xiàn)為8 a>5 a>4 a>3 a>2 a>1 a,占土壤有機(jī)碳的比例分別為23.12%、26.05%、24.67%、28.83%、25.70%、37.69%,可見活性有機(jī)碳占有機(jī)碳比例的變化規(guī)律不明顯,而不同林齡土壤非活性有機(jī)碳是有機(jī)碳的主要部分,占有機(jī)碳的62.31%~76.88%。與對照10 a馬尾松林相比,8 a桉樹人工林土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳含量以及碳儲量均高于馬尾松林,而1~5 a則相反,均小于馬尾松林,說明該地改種桉樹8 a后,土壤碳組分含量有所提高。

    3.2 不同林齡對不同土層土壤碳組分含量的影響

    3.2.1 土壤有機(jī)碳的變化 不同林齡桉樹人工林各土層土壤有機(jī)碳的變化情況見圖1。從圖1可以看出,1~8 a土壤有機(jī)碳含量的范圍在5.79~15.57 g·kg-1之間。各林齡0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土層土壤有機(jī)碳含量的變化與0~40 cm土層土壤有機(jī)碳平均含量變化一致,其大小順序表現(xiàn)為8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a,隨著土層加深,各林齡土壤有機(jī)碳含量均逐漸降低,1 a桉樹人工林土壤0~10 cm土層有機(jī)碳含量是30~40 cm土層的5.30倍,差異顯著(P<0.05),而其他林齡0~10 cm土層有機(jī)碳含量是30~40 cm土層的2~3倍,反映出土壤有機(jī)碳的分布具有一定的表聚性。與10 a馬尾松林相比,8 a桉樹人工林各土層土壤有機(jī)碳含量均顯著大于馬尾松林,20~30 cm和30~40 cm土層5 a桉樹人工林土壤有機(jī)碳含量和10 a馬尾松林無顯著差異,而其他1~5 a,則均小于馬尾松林。

    3.2.2 活性有機(jī)碳的變化 由圖2可知,各土層土壤活性有機(jī)碳含量具有相同的分布規(guī)律,均隨著林齡的增加而增加。0~10 cm土層在1~5 a中:1~2 a土壤活性有機(jī)碳含量的增量最大,為0.54 g·kg-1,2~5 a的增量范圍在0.16~0.53 g·kg-1之間。1~8 a桉樹人工林0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量占土壤有機(jī)碳的比例分別為29.45%~43.38%、21.09%~36.28%、14.57%~36.03%、18.81%~28.62%,占比隨著林齡的增加無明顯規(guī)律。1 a各土層土壤活性有機(jī)碳含量均小于其他林齡的相應(yīng)土層,8 a各土層土壤活性有機(jī)碳含量均大于其他林齡的相應(yīng)土層。隨著土層的加深,各林齡土壤活性有機(jī)碳含量的變化規(guī)律與土壤有機(jī)碳一致,林齡不同,下降的幅度有所差異,如1 a各土層下降的范圍為26.93%~52.00%,3 a的為26.72%~44.50%。與10 a馬尾松林相比,8 a桉樹人工林在0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量均顯著大于對照馬尾松林。

    3.2.3 非活性有機(jī)碳的變化 同一土層不同林齡桉樹人工林土壤非活性有機(jī)碳的變化規(guī)律不一致(圖3),0~10 cm土層各林齡土壤非活性有機(jī)碳的大小順序?yàn)? a>5 a>3 a>4 a>1 a>2 a,其他土層均為8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a。雖然土壤非活性有機(jī)碳3 a大于4 a,但彼此間的差異不顯著(P>0.05),5 a和8 a均顯著大于1~4 a,土壤非活性有機(jī)碳隨著林齡的增加整體均有增加的趨勢。0~10 cm、10~20 cm土層隨林齡增加的幅度大于20~30 cm、30~40 cm土層。除30~40 cm土層外,其他土層2 a和1 a之間土壤非活性有機(jī)碳的差異均不顯著(P>0.05)。土壤非活性有機(jī)碳的變化規(guī)律與土壤有機(jī)碳一致,均隨著土層的加深而減少,減少量最大的是8 a。同一林齡不同土層間土壤非活性有機(jī)碳均表現(xiàn)出一定的差異(P<0.05)。

    3.3 不同林齡對土壤有機(jī)碳儲量的影響

    不同林齡桉樹人工林土壤有機(jī)碳儲量的變化特征見圖4。從圖4可以看出,1~8 a土壤碳儲量的范圍為140.34~264 9.42 g· m-2。不同林齡土壤碳儲量在0~10 cm、10~20 cm均隨林齡的增加而增加;在20~30 cm、30~40 cm土層的變化趨勢與土壤有機(jī)碳一致,先增加至3 a,3~4 a略減少,4~8 a再增加,但總體呈現(xiàn)增加的趨勢。各土層8 a的碳儲量最大,說明在林分經(jīng)營過程中,適當(dāng)延長林木的生長期會有利于土壤有機(jī)碳儲量的提高,輪伐周期較長能減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳庫的消耗。各林齡隨著土層的加深土壤碳儲量的變化與有機(jī)碳一致,均隨著土層的加深而減少,不同林齡各土層間碳儲量均具有顯著差異(P<0.05)。與10 a馬尾松林相比,8 a桉樹人工林土壤碳儲量高于馬尾松林,說明該地改種桉樹8 a后,土壤碳儲量有所增加。

    3.4 不同林齡對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

    不同林齡桉樹人工林碳庫管理指數(shù)的變化如表2所示。隨著林齡的增加,同一土層土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)的變化規(guī)律不明顯,但8 a的碳庫活度和碳庫活度指數(shù)均大于其他林齡。總體而言,桉樹人工林林地0~40 cm 土層碳庫活度及碳庫活度指數(shù)隨林齡的增加整體呈增加的趨勢,說明桉樹人工林的土壤碳庫活性增大,土壤中的活性有機(jī)碳與非活性有機(jī)碳處于一種良性周轉(zhuǎn)的動態(tài)平衡之中,反映了土壤中碳素質(zhì)量得到改善。隨著土層的加深,各林齡桉樹人工林地土壤碳庫活度整體呈減小的趨勢,碳庫活度指數(shù)隨土層的變化規(guī)律不明顯,如1 a為10~20 cm(0.79)>30~40 cm(0.65)>0~10 cm(0.60)>20~30 cm(0.41),8 a則是隨著土層的加深而降低。

    不同土層土壤碳庫指數(shù)的變化與土壤有機(jī)碳相似,表現(xiàn)為8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a,隨著林齡的增加和土層的加深,整體表現(xiàn)為增加的趨勢。各林齡同一土層碳庫管理指數(shù)表現(xiàn)為隨著林齡的增加而增加。同一林齡不同土層土壤碳庫管理指數(shù)的分布趨勢不一致。除5 a外,其他林齡10~20 cm土層碳庫管理指數(shù)均大于20~30 cm和30~40 cm土層。這可能與土壤表層有機(jī)碳的來源和深層根系對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收以及土壤微生物活性有關(guān),表層有機(jī)碳主要來源于植物凋落物和分布在表層根系的凋亡,同時表層適宜的溫度和水分有利于凋落物分解轉(zhuǎn)化,同時促進(jìn)了土壤微生物活動,使土壤的碳素循環(huán)加快,從而增加土壤碳庫,碳庫管理指數(shù)較高,底層因土壤根系對礦質(zhì)營養(yǎng)的強(qiáng)烈吸收,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解,碳庫管理指數(shù)較低。

    3.5 土壤碳庫管理指數(shù)與土壤碳組分、全氮及容重之間的相關(guān)性

    3.6 土壤活性有機(jī)碳、碳庫管理指數(shù)與林齡的耦合分析

    如表4所示,土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)隨著林齡增長呈線性增長,相關(guān)系數(shù)均在 0.90以上,具有很好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。隨著林齡的增加,土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)的年增長率分別為 1.012、0.445、0.567和17.685 g·kg-1,說明隨著林分年齡的延長,桉樹人工林的凋落物較豐富,土壤有機(jī)碳庫得以增加,有利于土壤碳儲量的提高和土壤碳匯功能的增強(qiáng),土壤質(zhì)量得到改善。

    4 討論與結(jié)論

    土壤有機(jī)碳是衡量土壤質(zhì)量和土地可持續(xù)利用管理中一個考慮的重要指標(biāo)(張金波和宋長春,2003),一般會受自然因素(氣候、地形、降水、植被、土壤質(zhì)地等)和人為因素(放牧、土地利用、種植制度等)的影響(常小峰等,2013)。唐國勇等(2011)的研究表明, 種植人工林有利于增加森林土壤碳庫,表明人工林具有較強(qiáng)的養(yǎng)分富集和培肥能力。本研究結(jié)果得出,不同林齡桉樹人工林土壤有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳、碳儲量均隨著林齡的增加而增加,這與薛萐等(2009)、張慧玲等(2018)的結(jié)論相似,說明林齡的增加,桉樹林地土壤碳庫趨于增加。隨著土層的加深,不同林齡桉樹人工林的土壤有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳、碳儲量均逐漸減少。土壤活性有機(jī)碳是土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵及動力,對土壤碳收支及全球變化具有重要意義。不同林分類型以及土層深度會影響到其含量。薛萐等(2011)研究表明,土壤碳庫的變化主要發(fā)生在活性碳庫部分,而蘇靜等(2005)研究碳庫的變化主要是由于非活性有機(jī)碳含量的變化。本研究表明,不同林齡土壤非活性有機(jī)碳是有機(jī)碳的主要部分,占有機(jī)碳的比例為62.31%~76.88%,土壤碳庫的變化主要是由于非活性有機(jī)碳庫的變化,這和蘇靜等(2005)的研究結(jié)果相似。該研究得出,1~8 a桉樹人工林土壤活性有機(jī)碳隨著林齡的增加而增加,且5 a和8 a土壤活性有機(jī)碳的含量顯著大于前5年或前8年,這與薛萐等(2009)、崔靜等(2013)、王紀(jì)杰等(2015)研究結(jié)論相似。說明土壤活性有機(jī)碳的含量受林齡的影響:一方面隨著桉樹的生長,林木的枯枝落葉以及林下植被的生物量較多,從而影響到了土壤有機(jī)碳的含量,而有機(jī)碳的含量在很大程度上決定了活性有機(jī)碳的含量(杜滿義等,2010);另一方面,林齡的延長,林地土壤養(yǎng)分狀況會發(fā)生變化,這對活性有機(jī)碳同樣產(chǎn)生較大影響。隨著土層的加深,土壤活性有機(jī)碳呈現(xiàn)減少的現(xiàn)象,活性有機(jī)碳主要富集在0~10 cm以及10~20 cm土層,此結(jié)果與崔東等(2017)、藺芳等(2018)的研究結(jié)果類似。研究表明,土壤活性有機(jī)碳占有機(jī)碳的比例越高,說明有機(jī)碳活性越強(qiáng),被分解礦化的潛力越大,養(yǎng)分循環(huán)速率越快,不利于土壤有機(jī)碳的積累(Xiao et al., 2015)。此外,已有研究表明,土壤活性有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)有密切的相關(guān)關(guān)系(徐明崗等,2006;祝滔等,2013)。該研究中,0~40 cm土壤活性有機(jī)碳平均值占有機(jī)碳的比例隨林齡的變化規(guī)律不明顯,活性有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳、碳儲量、碳庫活度、碳庫管理指數(shù)均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,與土壤全氮、容重呈顯著相關(guān)關(guān)系,這進(jìn)一步說明土壤有機(jī)碳不僅是評價土壤質(zhì)量的指標(biāo),土壤活性有機(jī)碳同樣可以作為檢驗(yàn)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo),反映了土壤的肥力狀況和林齡對土壤質(zhì)量的影響效果。

    土壤碳庫管理指數(shù)指示了土地管理措施變化

    引起的土壤有機(jī)碳庫的變化,不僅能對土壤質(zhì)量狀況(上升或下降)或者更新程度作出反映,較全面和動態(tài)地反映外界活動對土壤碳庫中各組分質(zhì)量的影響(沈宏等,1999;徐明崗,2006),還能夠反映不同林分類型對土壤質(zhì)量的影響(崔靜等,2013)。碳庫管理指數(shù)越高,土壤活性有機(jī)碳的更新就越快、流通量越大,土壤腐殖質(zhì)和土壤的空隙、孔隙數(shù)量以及土壤的通氣性也明顯增加和提高,說明采取的管理措施利于提高土壤質(zhì)量和林木的生長發(fā)育,反之,則不利于土壤肥力(袁喆等,2010)。薛萐等(2009)研究表明,封育13 a和封育18 a的碳庫管理指數(shù)均高于封育3 a。佟小剛等(2013)研究得出,退耕40 a后土壤碳庫管理指數(shù)為刺槐林>沙棘林>檸條林。郭寶華等(2014)研究表明,不同林分下碳庫管理指數(shù)表現(xiàn)為木荷次生林>毛竹人工林>杉木人工林>撂荒地。本研究中,不同林齡桉樹人工林土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)均表現(xiàn)為8 a>5 a>3 a>4 a>2 a>1 a,即隨著林齡的增加而增加;相關(guān)性分析表明,桉樹人工林林下土壤碳庫管理指數(shù)與土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、全氮、容重之間都表現(xiàn)為極顯著相關(guān),且相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,這與崔靜等(2013)對黃土丘陵區(qū)檸條林的研究結(jié)果相似。這表明,隨著桉樹人工林林齡的延長,如8 a的桉樹林,能提高土壤有機(jī)碳含量和土壤碳庫管理指數(shù),有利于改善土壤質(zhì)量,提高土壤肥力,桉樹林地土壤有機(jī)碳庫處于良性管理狀態(tài)。同時也說明,在人工林經(jīng)營中被采取的4~5 a作為短期輪伐期,從長遠(yuǎn)來說,不利于土壤碳庫功能的穩(wěn)定。

    有研究表明,桉樹造林會顯著降低土壤有機(jī)碳等養(yǎng)分含量,從而引起土地貧瘠以及退化,造成土地肥力下降乃至枯竭,不利于土壤水土功能的維持和可持續(xù)利用(呂小燕等,2017)。不同的是:鄧蔭偉等(2010)的研究發(fā)現(xiàn),10 a桉樹人工林土壤有機(jī)碳、全氮等養(yǎng)分含量均接近或超過馬尾松林;何斌等(2016)認(rèn)為,2~6 a尾巨桉人工林鐵、錳、銅等微量元素的貯存量隨著林分年齡的增加而增加;王紀(jì)杰等(2015)研究表明,桉樹人工林的輪伐周期較長有利于維持土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定。潘嘉雯等(2018)研究得出,林分年齡能顯著影響廣西、廣東、云南的桉樹生長。本研究結(jié)果表明,1~8 a桉樹人工林土壤有機(jī)碳等含量隨著林齡的增加呈線性增加的趨勢,且8 a桉樹人工林顯著大于對照10 a馬尾松林,適當(dāng)延長桉樹人工林的輪伐周期,會有利于維持土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定,這與王紀(jì)杰等(2015)的研究結(jié)果相似。而與呂小燕等(2017)有所不同。這可能與桉樹輪伐周期(一般是4~5 a)有關(guān),研究表明,輪伐期過短不僅會影響桉樹林下物種多樣性,對養(yǎng)分含量和養(yǎng)分循環(huán)也有很大的影響(平亮和謝宗強(qiáng),2009),桉樹會從土壤中吸收一部分養(yǎng)分用于干物質(zhì)生產(chǎn)并儲存在樹干中,桉樹養(yǎng)分利用率越高,樹干單位體積營養(yǎng)元素含量越低,砍伐后這部分養(yǎng)分流失得越少,桉樹一般在生長7 a后養(yǎng)分利用率達(dá)到最大,從而使單位體積樹干中營養(yǎng)元素含量下降。如果輪伐期過短,就會導(dǎo)致桉樹在養(yǎng)分利用率較低的情況下被砍伐,樹干中的養(yǎng)分較高,砍伐后樹干或者剩余枝條被帶離土壤,從土壤中吸收的那部分養(yǎng)分沒有及時歸還,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分減少,不利于土地資源的可持續(xù)利用,特別是退化土地上的植被恢復(fù)(Davidson et al., 1993)。此外,如果砍伐后,將主干以外的枝條和凋落物帶走,也會影響到桉樹人工林地養(yǎng)分的循環(huán),因?yàn)殍駱淇梢酝ㄟ^大枝等木質(zhì)殘?bào)w和凋落物歸還一定量的養(yǎng)分(Bargali et al., 1992)。在本研究中的8 a桉樹,林下的凋落物和腐爛根系相對有一定累積,土壤結(jié)構(gòu)得到了一定的改善。首先,這與研究區(qū)域土壤的屬性有關(guān),Schmidt et al.(2011)的研究表明,土壤環(huán)境因子(土壤微生物、濕度、養(yǎng)分情況等)對土壤有機(jī)碳起作用,有機(jī)碳作用于土壤的同時其自身性質(zhì)也依賴于土壤環(huán)境。其次,還可能與桉樹的經(jīng)營管理措施有關(guān),該研究區(qū)桉樹的生長前期雖然均采用了除草劑,包括人為砍斷等對林下植被進(jìn)行清除,但隨著林齡的增加,8 a桉樹林地地表土壤還是保留有一定量的凋落物或者植被覆蓋,林地土壤微環(huán)境較好,有利于微生物生存和活動,對于主要來源是凋落物和腐爛根系的土壤碳組分,具有良好的促進(jìn)效應(yīng)。

    綜上所述,廣西北部低山丘陵地區(qū)不同林齡(1 a、2 a、3 a、4 a、5 a和8 a)的桉樹人工林,相對于對照馬尾松林,桉樹人工林的土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳、碳儲量以及碳庫管理指數(shù)均隨林齡的延長而增加,尤其在8 a差異更顯著,表明林齡的延長會有利于林地土壤碳含量的積累,土壤碳庫顯著增加。因此,從提高土壤碳庫方面考慮,在滿足木材供應(yīng)的情況下可以適當(dāng)延長林木的輪伐周期,同時減少人為對凋落物和林下植被的干擾,適當(dāng)保留地面枯落物和凋落物,并采用較為合理的管理和撫育措施以及采伐行為,將有助于減緩桉樹林地土壤碳庫的消耗,以防止林地土壤碳庫的衰退,提高桉樹林土壤碳庫儲量,以實(shí)現(xiàn)桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展。

    致謝 對程桂霞,蔣玉龍,李翠玲在樣品分析方面給予的大力協(xié)助,謹(jǐn)此致謝!

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    (責(zé)任編輯 周翠鳴)

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