不同樹(shù)種配置模式對(duì)碳匯造林初期土壤碳變化的影響

朱曉武，吳悅宏，紀(jì)燕玲，肖澤鑫，柳澤鑫

(汕頭市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 汕頭 515041)

自工業(yè)革命以來(lái)，由于人類進(jìn)行各類生產(chǎn)活動(dòng)，尤其是化石燃料的燃燒等，大氣中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，嚴(yán)重影響到了人類的生活發(fā)展[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，不僅維持著大量的植被碳庫(kù)(約占全球植被碳庫(kù)的86%)，也維持著巨大的土壤碳庫(kù)(約占全球土壤碳庫(kù)的73%)[2]。造林主要通過(guò)增加林木生物量和改變土壤碳來(lái)影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[3]。造林雖然對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響相比生物量要小得多，但由于土壤庫(kù)容量大，土壤中儲(chǔ)存的碳大約是植物的1.5—3倍[4]，因此造林導(dǎo)致土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量較小幅度的變化，都會(huì)影響到人工林的凈碳積累，最終影響大氣中CO2的水平。因此，通過(guò)造林來(lái)增加土壤碳匯功能及潛力，對(duì)于緩解全球氣候變化具有重要的意義[5-7]。

目前，已從森林碳儲(chǔ)量的估算[8-9]、分布格局[10]、土壤碳含量特征[11]以及樹(shù)種的含碳特征[12]等方面開(kāi)展了較多的研究，但針對(duì)土壤碳含量特征的研究主要集中在對(duì)現(xiàn)有的成熟林分，如劉延惠等[13]對(duì)10年生以上的落葉松人工林的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行比較分析。自2009—2018年以來(lái)，我國(guó)每年的造林面積均超過(guò)了533萬(wàn)hm2，并且造林面積逐年增長(zhǎng)[14]。粵東地區(qū)的優(yōu)良造林樹(shù)種較多，但從碳匯角度科學(xué)合理選擇優(yōu)良造林樹(shù)種的研究較少，因此，開(kāi)展不同配置模式造林的碳匯能力研究對(duì)于指導(dǎo)碳匯造林、提高碳匯造林效率有重要的意義。本研究通過(guò)探討不同樹(shù)種配置模式對(duì)土壤碳的影響，為當(dāng)?shù)氐奶紖R造林設(shè)計(jì)和碳匯能力的評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于汕頭市潮南區(qū)隴田鎮(zhèn)崎汀山，地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性氣候。夏長(zhǎng)冬短，無(wú)霜期長(zhǎng)，日照充足，雨量充沛，四季常青。年平均氣溫21.6 ℃，日照時(shí)數(shù)2 191 h。年平均降水量1 700 mm左右，雨季多集中在4—9月。山地成土母巖主要為花崗巖和砂巖，自然土壤以赤紅壤為主。土壤長(zhǎng)期受熱帶風(fēng)暴吹襲和雨水沖刷，有機(jī)質(zhì)含量少，土層薄，石質(zhì)含量高，土壤總體肥力狀況差，屬生態(tài)區(qū)位重要和生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)。由于長(zhǎng)期人為干擾和破壞，原始植被已不復(fù)存在，原始次生植被也少見(jiàn)。主要植被類型有鴨腳木(Scheffleraoctophylla)、崗茶(Euryachinensis)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、地稔(Melastomadodecandrum)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)，無(wú)喬木。

1.2 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置

參考《廣東省林業(yè)碳匯計(jì)量研究與實(shí)踐》[15]，篩選以鄉(xiāng)土樹(shù)種為主且生長(zhǎng)表現(xiàn)較好的樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)、華潤(rùn)楠(Machiluschinensis)、木荷(Schimasuperba)、馬占相思(Acaciamangium)、臺(tái)灣相思(A.confusa)、米老排(Mytilarialaosensis)、木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、紅錐(Castanopsishystrix)、水翁(Syzygiumnervosum)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)、火力楠(Micheliamacclurei)、秋楓(BischofiajavanicaBL.)等12個(gè)樹(shù)種，按各樹(shù)種數(shù)量設(shè)計(jì)5個(gè)配置模式，即配置模式1：臺(tái)灣相思40%+木荷40%+馬占相思10%+樟樹(shù)10%；配置模式2：華潤(rùn)楠25%+紅錐25%+樟樹(shù)20%+米老排10%+木麻黃10%+水翁10%；配置模式3：馬占相思30%+華潤(rùn)楠25%+山杜英25%+木麻黃10%+臺(tái)灣相思5%+樟樹(shù)5%；配置模式4：火力楠30%+秋楓20%+馬占相思20%+臺(tái)灣相思10%+米老排10%+木麻黃10%；配置模式5：臺(tái)灣相思20%+木荷20%+樟樹(shù)20%+木麻黃20%+火力楠15%+水翁5%。

試驗(yàn)于2016年開(kāi)始，將試驗(yàn)點(diǎn)分成6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域2.7 hm2，種植密度為1 110株/hm2，按配置模式隨機(jī)選取分別種植在5個(gè)區(qū)域，另1區(qū)作為對(duì)照，保留其植被原始狀態(tài)。由于缺乏造林前土壤碳含量相關(guān)數(shù)據(jù)，此次研究采用試驗(yàn)區(qū)與未造林區(qū)作對(duì)比[7]。

表1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.3 樣品采集與處理

于2020年5月，分別在每個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取3個(gè)20 m×20 m的樣方，共樣地18個(gè)，每個(gè)樣地內(nèi)按“品”字型采樣法選取采樣點(diǎn)3個(gè)，清除地面凋落物，每個(gè)采樣點(diǎn)分別按照土層深度0—20，20—40，40—60 cm共3層采集土壤樣品。每層取環(huán)刀1個(gè)、小鋁盒1個(gè)，用環(huán)刀法測(cè)定[16]計(jì)算土壤容重。每層取土樣500 g，共計(jì)樣品162個(gè)，帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集的土壤樣品自然風(fēng)干后碾碎，以四分法取適量樣品過(guò)100目篩后測(cè)定土壤全碳含量。

1.4 含碳量測(cè)定與碳儲(chǔ)量計(jì)算

土壤全碳含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法[16]測(cè)定。

土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算公式[17]:T(Mg C/hm2) =∑0.1Ei×Di×Ci(1-Gi)

式中，Ei代表第i層土層厚度(cm) ；Di代表第i層土壤容重(g/cm3) ；Ci代表第i層土壤全碳含量(g C/kg)；Gi代表第i層直徑大于2 mm的石礫所占的體積分?jǐn)?shù)(%)；0.1為單位換算系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹(shù)種配置模式對(duì)土壤容重的影響

結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在土壤層0—20 cm，試驗(yàn)區(qū)土壤容重顯著低于對(duì)照區(qū)(P<0.05)，配置模式2，3，4，5之間土壤容重?zé)o明顯差異(P>0.05)；土壤層20—40 cm，對(duì)照區(qū)與各試驗(yàn)區(qū)間均差異顯著(P<0.05)。而土壤層40—60 cm，5種配置模式與對(duì)照間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

表2 不同樹(shù)種配置模式對(duì)土壤容重的影響

2.2 不同樹(shù)種配置模式對(duì)土壤全碳含量的影響

不同土層深度的土壤碳含量各不相同(見(jiàn)表3)，大小順序?yàn)橥翆由疃?—20 cm>20—40 cm>40—60 cm，說(shuō)明土壤碳含量隨著土層深度增加逐漸降低；在5個(gè)配置模式下，土層深度0—20 cm的碳含量與土層深度20—40 cm、40—60 cm差異顯著(P<0.05)，而土層深度20—40 cm與土層深度40—60 cm之間差異不顯著(P>0.05)；對(duì)照區(qū)3個(gè)不同土層深度的全碳含量差異不顯著。

不同樹(shù)種配置模式下，在土壤層0—20 cm，對(duì)照分別與配置模式1，2，3，4，5之間的土壤碳含量之間差異顯著(P<0.05)，土壤碳含量大小順序?yàn)椋号渲媚Ｊ?>4 >2 >5 >1 >對(duì)照；在土壤層深度20—40 cm，對(duì)照與配置模式2，3，4，5之間的碳含量差異顯著，與配置模式1之間差異不顯著，土壤碳含量大小順序?yàn)椋号渲媚Ｊ?>5 >4 >3 >1 >對(duì)照；在土壤層深度40—60 cm，對(duì)照與配置模式1之間差異不顯著，與配置模式2，3，4，5之間差異顯著。

表3 不同樹(shù)種配置模式對(duì)土壤全碳含量的影響

2.3 不同樹(shù)種配置模式對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響

由表4可知，在土壤層深度0—20 cm，對(duì)照與各配置模式之間土壤碳儲(chǔ)量差異顯著(P<0.05)，土壤碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋号渲媚Ｊ?>4 >2 >1 >5 >對(duì)照；在土壤層深度20—40 cm，對(duì)照與配置模式1之間無(wú)明顯差異(P>0.05)，與配置模式2，3，4，5之間差異顯著，土壤碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋号渲媚Ｊ? >4 >5 >3 >1 >對(duì)照；在土壤層深度40—60 cm，土壤碳儲(chǔ)量對(duì)照與配置模式1之間差異不明顯，與配置模式2，3，4，5之間差異顯著。土壤總碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋号渲媚Ｊ?>4 >3>5>1>對(duì)照，各配置模式與對(duì)照之間總碳儲(chǔ)量差異顯著。

表4 不同樹(shù)種配置對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響

3 結(jié)論與討論

土壤碳儲(chǔ)量在土層深度0—20 cm最高，且隨著土層的深度增加碳含量逐漸減小，與大多研究結(jié)果一致[18]。這是由于凋落物在土壤表層的集聚作用以及植物的根系集中分布在土壤表層[19]，深層土壤中的有機(jī)質(zhì)主要依靠土壤表層凋落物的分解經(jīng)淋溶作用下移，有機(jī)質(zhì)含量自上而下逐漸減小[20]。而植物的根系主導(dǎo)著深層土壤碳的分布與循環(huán)，黃林等[21]研究表明：根長(zhǎng)密度隨土層深度的增加呈遞減趨勢(shì)，根長(zhǎng)密度越大，不僅土壤容重減小，土壤性狀得到改良，而且土壤有機(jī)碳積累增加。因此土壤碳含量隨土壤深度增加表現(xiàn)為逐漸減小。而在深度土層0—20 cm，配置模式2，3，4的碳儲(chǔ)量顯著高于配置模式1，5，這可能是配置模式3和4的臺(tái)灣相思+馬占相思的數(shù)量總分?jǐn)?shù)分別為35%和30%，因此配置模式3，4下根系生長(zhǎng)較快，根系分泌作用較強(qiáng)，而配置模式2米老排+紅錐的數(shù)量總分?jǐn)?shù)為35%，凋落物產(chǎn)量較高，因此配置模式2，3，4碳儲(chǔ)量表現(xiàn)較高。而土層深度20—40 cm，配置模式2，4，5碳儲(chǔ)量顯著高于配置模式1和3，配置模式3碳儲(chǔ)量反而較低。在土層深度40—60 cm，配置模式3碳儲(chǔ)量亦顯著低于配置模式2，4，5。有研究認(rèn)為造林可以導(dǎo)致土壤碳在不同土壤深度的重新分配[22]，這是否導(dǎo)致配置3碳儲(chǔ)量在土層深度20—60 cm表現(xiàn)較低，有待進(jìn)一步分析論證。

本研究認(rèn)為，5種配置模式下，土壤碳儲(chǔ)量均顯著高于對(duì)照區(qū)，而相關(guān)研究表明，在熱帶地區(qū)，造林初期土壤碳儲(chǔ)量通常是先下降或是沒(méi)有明顯影響[23-24]。這與本次研究結(jié)果表現(xiàn)不一致。原因可能是凋落物和植物根系分泌作用與森林土壤碳積累的關(guān)系密切[25]。造林前，林地主要以草本和灌木為主，且林地大量裸露，試驗(yàn)地點(diǎn)長(zhǎng)期受到風(fēng)暴吹襲和雨水的沖刷，使得碳及養(yǎng)分等流失嚴(yán)重，林地退化。一方面隨著植被的恢復(fù)，裸露面積減小，地表的徑流侵蝕作用減弱，地表凋落物流失減少，植物的根系也得到一定程度的保護(hù)，土壤碳及養(yǎng)分的流失減少，且土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土壤質(zhì)量改良，土壤容重降低[26]，試驗(yàn)區(qū)土壤容重顯著小于對(duì)照區(qū)，土壤孔隙度增大，通氣性好，增強(qiáng)土壤的保水保肥性能并有利于微生物的活動(dòng)[27]；另一方面造林能促使大量的凋落物進(jìn)入土壤層，經(jīng)微生物分解作用，土壤碳積累增加。此外，氣候(降雨和氣溫)條件也能影響土壤碳積累的速率，土壤碳積累速率隨溫度和濕度的增加而增加[28]。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫21.6 ℃，年降雨量1 700 mm，因此，土壤碳積累的速率較快。臺(tái)灣相思和馬占相思是豆科合歡屬植物，根系發(fā)達(dá)具有根瘤菌，能進(jìn)行固氮作用，并促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，增加根系生物量，提高土壤碳積累[29]。

不同樹(shù)種配置模式之間土壤總碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋号渲媚Ｊ? >4 >3 >5 >1，配置模式1總碳儲(chǔ)量顯著低于其余各配置模式。這可能與物種多樣性不同有關(guān)[30]。不同生態(tài)位以及互利共生的樹(shù)種相互搭配，對(duì)資源(光照、水分和養(yǎng)分等)利用存在時(shí)空和需求上的差異，從而產(chǎn)生互補(bǔ)作用，導(dǎo)致植物多樣性越豐富，對(duì)有限的資源的利用空間也就越大[31]。除了配置模式1的混交樹(shù)種為4種，其余4個(gè)配置模式混交樹(shù)種為6種。有研究表明，隨著物種多樣性的增加，土壤碳儲(chǔ)量增加[32]。也有研究發(fā)現(xiàn)多物種混交能增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)性狀的穩(wěn)定，進(jìn)而降低土壤有機(jī)碳的分解[33]。同時(shí)，植物多樣性的增加能增加凋落物的種類，改變微生物的數(shù)量和種類，增加土壤碳積累[34]。此外，紅錐為優(yōu)良速生樹(shù)種，凋落物多且易分解，土壤碳儲(chǔ)量較高[35]。唐靚茹等[36]通過(guò)對(duì)紅錐4種林型的土壤理化性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)紅錐+米老排和火力楠+紅錐混交林能顯著增加土壤有機(jī)碳及微生物生物量碳，這也可能是配置模式2和4碳儲(chǔ)量表現(xiàn)較高的原因。而配置模式2，3，4，5之間總碳儲(chǔ)量無(wú)明顯差異，這可能是由于本次研究的造林時(shí)間較短，而土壤的碳周轉(zhuǎn)率較慢，土壤的碳變化要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程[37]，也就導(dǎo)致這4個(gè)配置模式目前并沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，但可以肯定的是此次采用的速生+鄉(xiāng)土樹(shù)種的配置模式有助于增加土壤碳儲(chǔ)量。

綜上所述，不同配置模式下碳匯造林碳儲(chǔ)量顯著增加，但各配置模式間的差異并不明顯。從目前總的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)來(lái)看，配置模式2，4(樟樹(shù)20%+華潤(rùn)楠25%+米老排10%+木麻黃10%+紅錐25%+水翁10%以及臺(tái)灣相思10%+馬占相思20%+米老排10%+木麻黃10%+火力楠30%+秋楓20%)的土壤碳儲(chǔ)量表現(xiàn)較高，碳匯能力初步表現(xiàn)較好，后續(xù)可重點(diǎn)觀察配置模式2，4區(qū)碳匯變化情況。需要說(shuō)明的是，本研究只是對(duì)造林后與未造林地的土壤碳進(jìn)行了初步比較，且樣本數(shù)據(jù)量有限，有待進(jìn)一步從凋落物量及碳氮比、微生物數(shù)量、植物根系分布情況等方面，分析不同配置模式間土壤碳積累的變化差異。