林齡和土層對檸檬桉林土壤養(yǎng)分和易氧化有機碳的影響

何普林，徐其賢，王忠林，張振源，劉 悅，顧曉娟，周 慶，莫其鋒*

(1. 中林集團雷州林業(yè)局有限公司，廣東 湛江 524043；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642)

人工林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，具有提供木材產(chǎn)品、提高森林碳匯和改善生態(tài)環(huán)境等功能，因而具有重大的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[1-2]。我國人工林的發(fā)展速度和現(xiàn)存面積居世界首位。全國第九次森林資源連續(xù)清查結(jié)果顯示，華南地區(qū)人工林面積占我國人工林總面積的19%，是重要的人工林分布區(qū)。在廣東省的人工林樹種構(gòu)成中，桉樹（Eucalyptusspp.）和杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.）純林分別占人工林面積的39%和16%。因此，桉樹仍是我國重要的人工林樹種之一。

林齡顯著影響人工林土壤理化特征和碳匯能力。一般認為，土壤碳儲量隨林齡的增加而增加。一方面，林齡增加后地上生物量快速累積，導(dǎo)致地表凋落物的輸入增加，從而提高土壤碳含量[3-4]，另一方面，樹木根系死亡后分解亦可以提高土壤碳含量[5]。例如，對不同齡級（1、2～3、4～5、6～7、8 年生）尾巨桉（Eucalyptus urophylla×grandis）人工林的研究發(fā)現(xiàn)，隨林齡的增加，土壤有機碳、總氮和有效氮含量呈增加趨勢[6]。另有研究表明，不同林齡（1、2、3、6 和7 年生）尾巨桉人工林土壤碳含量隨林齡增加并未發(fā)現(xiàn)顯著的差異[7]。以上關(guān)于林齡對桉樹土壤有機碳和養(yǎng)分含量影響的結(jié)果存在較大差異，可能與土壤的性質(zhì)以及桉樹林齡的跨度大小相關(guān)。另外，土層對人工林土壤理化特性和有機碳含量及穩(wěn)定性也會產(chǎn)生極大影響，且這種影響一般隨著土層的增加而減小[8]，這與不同土層的土壤受到表層有機質(zhì)的淋溶和淀積作用有關(guān)，且與林木根系分布的不同深度也相關(guān)[9]。

易氧化有機碳（ROC）是土壤有機碳庫中比較活躍的組分，參與土壤中各種化學(xué)反應(yīng)，且容易被分解[10]。土壤ROC 與總有機碳的比值（ROC/TOC）在一定程度上可以反映出土壤有機碳的穩(wěn)定性[11]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤ROC 會受到土壤含水量和氮磷養(yǎng)分含量的影響[10,12]。隨著林齡的增加，人工林的地表凋落物逐漸增加，土壤含水量和養(yǎng)分也呈現(xiàn)出一定的變化[13-14]，因而人工林林齡的差異將可能對土壤ROC 和碳穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響，且隨著土層的變化可能會發(fā)生顯著差異。

桉樹人工林土壤固碳的研究已有很多報道，且主要集中在尾葉桉人工林[15-16]或尾巨桉人工林[17-18]，而對華南地區(qū)檸檬桉（Eucalyptus citriodoraHook.）人工林土壤固碳方面的報道相對較少[19-20]。一方面，檸檬桉含有芳香類物質(zhì)，可作為香料工業(yè)中的原料；其木材材質(zhì)堅硬，耐磨抗腐，具有重要的工業(yè)價值。由于檸檬桉的生長周期較長，其生態(tài)效益和固碳潛力也得到了重視[21]；另一方面，由于檸檬桉的生長特性，其作為用材林的大面積推廣并沒有得到重視，因而檸檬桉人工林的地力維持和土壤有機碳穩(wěn)定性的相關(guān)研究報道較少。因此，本文以廣東省湛江市中林集團雷州林業(yè)局有限公司唐家林場分公司種植的檸檬桉人工林為研究對象，探討不同林齡檸檬桉人工林土壤養(yǎng)分、碳匯能力、碳穩(wěn)定性及其垂直分布規(guī)律，回答以下問題：（1）不同林齡和土層對檸檬桉人工林土壤理化性質(zhì)的影響如何？（2）不同林齡檸檬桉人工林土壤有機碳和易氧化有機碳的垂直分布規(guī)律如何？其碳穩(wěn)定性受到哪些因素的影響？本研究結(jié)果可為華南地區(qū)檸檬桉人工林土壤地力維持和固碳能力的提升提供科學(xué)數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究樣地位于廣東省湛江市中林集團雷州林業(yè)局有限公司唐家林場分公司檸檬桉種植基地（109°63′25”E，20°74′08”N）。樣地位于北回歸線以南，屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年均日照時數(shù)2 003.6 h，年總輻射量108～117 ka·cm-2，年均氣溫22 ℃，年均積溫約8 382.3 ℃。年均無霜期達364 d。年均降雨量為1 711.6 mm，降雨年際變化大，干濕季明顯。濕季為6～9 月，干季為11 月至次年3 月。研究樣地地勢平坦，海拔高度約為50 m，土壤類型主要為淺海沉積物發(fā)育的磚紅壤，質(zhì)地較輕，土層深厚，但淋溶強烈，酸性強，養(yǎng)分貧瘠[22]。

1.2 樣品采集

本試驗選擇的2 種林齡檸檬桉人工林造林時間分別為2019 年5 月和2002 年5 月，調(diào)查和土壤采樣時間為2022 年12 月，即為3 年生和20 年生人工林。采樣時，2 種林分的平均胸徑分別為8.73 ± 0.58 cm 和18.43 ± 2.82 cm，樹高分別為10.90 ± 0.55 m 和19.33 ± 0.54 m，2 種林分密度分別為1 050 ± 32 株·hm-2和225 ± 17 株·hm-2。

在選定的每種林齡的檸檬桉人工林內(nèi)，設(shè)置3 塊20 m × 20 m 的樣方，進行調(diào)查和土壤采樣，各樣方之間的距離大于100 m。在每塊樣方的對角線上選擇3 處挖掘土壤剖面，每個剖面劃分5 個層次（0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm），并使用環(huán)刀法和剖面法進行采樣，每份土壤樣品采集約500 g，帶回實驗室進行風(fēng)干過篩處理，備用。

1.3 樣品測定

土壤含水量（SWC）測定采用烘干法；土壤密度（SD）利用環(huán)刀法測定，毛管持水量（CWHC）利用環(huán)刀采集的土壤，吸水12 h 并排除重力水后計算得出，總孔隙度（TPO）、毛管孔隙度（CPO）、非毛管孔隙度（NCPO）和土壤通氣孔隙度（APO）結(jié)合土壤密度、土壤比重（一般取2.65 g·cm-3）和毛管持水量進行計算得出[23]。

土壤pH 值用pH 計測定，水土比為2.5:1，土壤全氮（TN）采用半微量凱氏定氮法測定；用硫酸（H2SO4）和氫氟酸（HF）消化土壤樣品后，用鉬銻抗顯色法測定土壤全磷（TP）；以Bray-2 溶液浸提后用鉬銻抗顯色法測定土壤有效磷（AP）；總有機碳（TOC）采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定[23]；易氧化有機碳（ROC）用333 mmol·L-1KMnO4氧化，在565 nm 波長下進行比色測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用雙因素分析方法（Two-way ANOVA）比較林齡和土層對檸檬桉人工林土壤理化性質(zhì)的影響，并采用單因素方差分析（One-way ANOVA）及多重比較（LSD 法）對不同林齡林分的顯著性差異進行比較。使用Pearson 相關(guān)分析分別比較兩種林齡人工林土壤各因子之間的相關(guān)性。用SPSS 19.0 統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析，繪圖用Origin 2021 軟件完成。顯著性設(shè)定為p＜ 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡檸檬桉人工林土壤物理性質(zhì)的垂直變化趨勢

雙因素方差分析結(jié)果表明，林齡顯著影響檸檬桉人工林土壤的物理性質(zhì)，但土層及土層與林齡的交互作用對土壤物理性質(zhì)沒有顯著影響（表1）。3 年生檸檬桉林土壤密度高于20 年生，且在0～10 cm 和40～60 cm 土層的土壤密度存在顯著的林齡差異；20 年生檸檬桉林土壤自然含水量高于3 年生，且在0～10、40～60 和60～100 cm土層差異顯著；而且土壤毛管持水量表現(xiàn)為20 年生高于3 年生，且在0～10、20～40 和40～60 cm 土層差異顯著。2 種林齡檸檬桉人工林土壤密度隨土層加深而逐漸增大，而土壤自然含水量和毛管持水量則隨土層的增加無明顯變化（表2）。

表1 林齡和土層對檸檬桉人工林土壤理化性質(zhì)的雙因素方差分析結(jié)果Table 1 Two-way ANOVA of stand age and soil layer on the soil physicochemical properties of E. citriodora plantations

表2 不同林齡檸檬桉人工林土壤密度、含水量和毛管持水量特征Table 2 Soil density, water contents, and capillary water holding capacity of E. citriodora plantations with different stand ages

林齡對土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣孔隙度均有顯著影響，而土層及土層與林齡的交互作用對土壤不同種類的孔隙度則無顯著影響（表1）。20 年生檸檬桉土壤總孔隙度和毛管孔隙度高于3 年生，且在0～10、20～40 和40～60 cm 3 個土層表現(xiàn)出顯著的林齡差異，非毛管孔隙度和通氣孔隙度表現(xiàn)為20 年生大于3 年生，但兩者僅在40～60 cm 土層表現(xiàn)出顯著差異（表3）。

表3 不同林齡檸檬桉人工林土壤孔隙度的垂直變化趨勢Table 3 Changes of soil porosity of E. citriodora plantations with different stand ages

2.2 不同林齡檸檬桉人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的垂直變化趨勢

林齡顯著影響檸檬桉人工林土壤pH 值，但土層及土層與林齡的交互作用對土壤pH 值沒有顯著影響（表1）。20 年生檸檬桉人工林土壤pH 值高于3 年生，且在10～20、20～40 和40～60 cm呈現(xiàn)出顯著的年齡差異（表4）。

表4 不同林齡檸檬桉人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的垂直變化趨勢 Table 4 Change of chemical properties of E. citriodora plantations with different stand ages

林齡、土層及其交互作用顯著影響檸檬桉人工林土壤總有機碳和全氮含量（表1），且2 種林齡檸檬桉人工林均表現(xiàn)在隨著土層的增加而呈下降趨勢。20 年生檸檬桉人工林土壤總有機碳和全氮比3 年生分別高出21.30%～232.89% 和0.00%～77.65%，且20 年生20～100 cm 土層總有機碳顯著高于3 年生，而土壤全氮僅在0 ～10 cm 和40～60 cm 兩個土層間表現(xiàn)出顯著的林齡差異（表4）。

林齡和土層對檸檬桉人工林土壤全磷呈現(xiàn)出顯著的影響，但兩者的交互作用不顯著（表1）。2 種林齡人工林土壤全磷含量隨著土層的增加而明顯下降，20 年生檸檬桉人工林土壤全磷高于3 年生，且在0～10、40～60 和60～100 cm 3 個土層間呈現(xiàn)出顯著的林齡差異，另外，土壤速效磷僅在表層0～10 cm 呈現(xiàn)出顯著的林齡差異，且隨土層增加無顯著的變化（表4）。

林齡顯著影響檸檬桉人工林土壤C∶N、C∶P 和N∶P，但土層對三者無顯著影響，且土層和林齡的交互作用僅顯著影響C∶N 和C∶P，20 年生檸檬桉人工林土壤C∶N 高于3 年生，且在40～60 cm 和60～100 cm 呈現(xiàn)出顯著的林齡差異。相反，土壤N∶P 表現(xiàn)為3 年生大于20 年生，但僅在20 ～40 cm 呈現(xiàn)顯著差異。土壤C∶P 比在中間土層（10～20、20～40 和40～60 cm）呈現(xiàn)出顯著的林齡差異（表5）。

表5 不同林齡檸檬桉人工林土壤碳氮磷化學(xué)計量比特征Table 5 Carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry characteristic of E. citriodora plantations with different stand ages

2.3 不同林齡檸檬桉人工林土壤易氧化有機碳的垂直分布趨勢

林齡、土層及兩者的交互作用對檸檬桉人工林土壤易氧化有機碳（ROC）呈現(xiàn)顯著影響，且林齡及林齡和土層的交互作用對ROC/TOC 值呈現(xiàn)顯著效應(yīng)（表1）。3 年生檸檬桉人工林土壤ROC 含量隨土層增加而明顯下降，而20 年生則表現(xiàn)隨土層增加表現(xiàn)出一定的降低趨勢（圖1 a）。除0～10 cm 和10～20 cm 土層外，20 年生檸檬桉人工林土壤ROC 含量比3 年生顯著高出44.77%～133.29%，而2 種林齡檸檬桉人工林土壤ROC/TOC 值隨土層變化的規(guī)律不明顯，在0～10、20～40 和40～60 cm 表現(xiàn)為3 年生顯著高于20 年生（圖1 b）。

圖1 不同林齡檸檬桉人工林土壤ROC 及ROC/TOC 的垂直變化趨勢Fig. 1 Vertical changes of ROC and ROC:TOC ratios of E. citriodora plantations with different stand ages

2.4 土壤有機碳和易氧化有機碳與其他土壤因子的相關(guān)性

相關(guān)分析表明，3 年生檸檬桉人工林土壤TOC 和ROC 含量與土壤密度呈極顯著負相關(guān)，與毛管持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、全氮、全磷、C∶N、C∶P 呈極顯著正相關(guān)，而土壤ROC/TOC 值與C∶N、C∶P 呈極顯著負相關(guān)（表6）。20 年生檸檬桉人工林土壤TOC 含量與土壤密度呈顯著負相關(guān)，與總孔隙度、全磷、C∶N 呈顯著正相關(guān)，與全氮、C∶P 呈極顯著正相關(guān)；土壤ROC 含量與全氮呈極顯著正相關(guān)，與全磷、C∶P 呈顯著正相關(guān)，而土壤ROC/TOC 值與C∶N、C∶P 呈顯著負相關(guān)（表6）。

表6 不同林齡檸檬桉人工林土壤TOC、ROC 和ROC/TOC 與其他土壤因子的相關(guān)性 Table 6 Correlations between TOC, ROC, ROC/TOC, and other soil factors in E. citriodora plantations with different stand ages

3 討論

3.1 林齡和土層對檸檬桉人工林土壤有機碳和養(yǎng)分的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，林齡對檸檬桉人工林土壤的物理和化學(xué)特征（除有效磷含量外）均存在顯著影響，說明隨著林齡的增加，林下植被的覆蓋和凋落物分解后輸入的有機質(zhì)顯著改善了土壤碳和養(yǎng)分情況，這與以往的研究結(jié)果相一致[24]。有研究報道，廣西高峰林場5 種林齡尾巨桉人工林0～40 cm 土層土壤全氮和全磷隨林齡變化表現(xiàn)為3 年生＞2 年生＞6 年生＞1 年生＞7 年生，表明土壤全氮和全磷隨桉樹林齡增加而沒有呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減的變化規(guī)律[7]。對桂南地區(qū)不同齡級尾巨桉人工林的研究發(fā)現(xiàn)，土壤總碳隨齡級增加至6～7 a 后下降，土壤總氮、總磷和總鉀含量均在中齡林（2～3 年生）達到最大值，說明桉樹人工林土壤總碳隨著林齡的增加呈上升趨勢，而土壤氮磷鉀養(yǎng)分隨林齡增加先上升后下降[6]。以上結(jié)果說明，林齡對桉樹人工林土壤養(yǎng)分特征的影響存在較大差異，且與本研究結(jié)果不一致。造成上述差異的原因可能是林齡跨度。以往研究關(guān)注的桉樹人工林林齡跨度較小，僅在一個輪伐期內(nèi)，土壤理化特性受施肥或營林措施影響較大，而凋落物以及根系輸入的碳累積量相對有限，故土壤總碳及養(yǎng)分隨林齡的變化并未呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減規(guī)律。另外，本研究20 年生檸檬桉人工林土壤TOC、TN 和TP 比3 年生分別高138.60%、29.77% 和56.99%，說明土壤有機碳和氮磷養(yǎng)分隨著林齡的增加而增加，這是由于隨著人工林林齡的增加，林齡跨度的增大，地表凋落物及根系分解后帶來有機質(zhì)的持續(xù)輸入，提高了人工林土壤有機碳含量及固碳能力，并改善了土壤肥力狀況[24]。本研究中，2 種檸檬桉人工林土壤有機碳、全氮和全磷隨土層的增加而明顯下降，與以往研究結(jié)果一致[8]。這主要是由于不同土層土壤受到表層有機質(zhì)的淋溶和淀積作用的影響，同時也與林木根系分布的深度有關(guān)[9]

3.2 不同林齡檸檬桉人工林土壤碳穩(wěn)定性的垂直變化趨勢及影響因素

本研究發(fā)現(xiàn)，林齡及林齡與土層的交互作用顯著影響了檸檬桉人工林土壤ROC 含量和ROC/TOC 值，說明林齡對土壤碳穩(wěn)定性存在顯著效應(yīng)，且ROC 存在明顯的垂直分布規(guī)律，隨土層的增加而下降，與前人研究結(jié)果基本一致[17]。20 年生檸檬桉人工林土壤ROC 含量比3 年生高49.52%，而ROC/TOC 值比3 年生低30.17%，說明檸檬桉人工林隨著林齡的增加，土壤有機碳的穩(wěn)定性增強，這與人工林林齡的增加使有機質(zhì)的持續(xù)輸入并轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定性的碳密切相關(guān)[17,25]。土壤ROC/TOC 值在一定程度上可以反映出土壤有機碳的穩(wěn)定性，其比值受到土壤性質(zhì)、林分類型、林齡、森林演替和海拔等因子的影響[26-28]。對桂北不同林齡桉樹人工林土壤碳庫的研究發(fā)現(xiàn)，土壤活性有機碳含量隨林齡的增加而降低，但是土壤活性有機碳占總有機碳的比例隨林齡變化無明顯變化規(guī)律[17]。隨著人工林林齡的增加，土壤TOC 的累積的量較大，而ROC 累積的量相對較少，因而導(dǎo)致20 年生檸檬桉人工林土壤ROC 占TOC 的比例降低，土壤有機碳趨向于更穩(wěn)定。另外，本研究發(fā)現(xiàn)2 種林齡檸檬桉人工林土壤TOC 和ROC 均受到土壤TN、TP、C∶N、C∶P 的顯著影響，而3 年生檸檬桉人工林土壤TOC 和ROC 還受到土壤毛管持水量、總孔隙度和通氣孔隙度的影響，這說明檸檬桉幼齡林（3 年生）土壤碳儲量及穩(wěn)定性受到土壤物理性質(zhì)和氮磷養(yǎng)分供應(yīng)的調(diào)控，而成熟林（20 年生）則更容易受到土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的調(diào)控。因此，適當(dāng)延長檸檬桉人工林的輪伐期，且在一定程度提高土壤的氮磷供應(yīng)水平，有利于提高土壤中穩(wěn)定性碳的比例，從而更好地提升碳在土壤中存留的周期，可以有效提高桉樹人工林土壤碳庫的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文探討不同林齡和土層對檸檬桉人工林土壤養(yǎng)分狀況和碳穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：（1）檸檬桉人工林土壤理化性質(zhì)受到林齡和土層的顯著影響，土壤有機碳和氮磷養(yǎng)分隨著林齡的增加而增加，且隨著土層的增加而下降。（2）20 年生檸檬桉人工林土壤易氧化有機碳（ROC）含量高于3 年生，但ROC/TOC 的比值比3 年生低，表明20 年生檸檬桉人工林土壤碳的穩(wěn)定性更高。（3）檸檬桉幼齡林土壤碳儲量及穩(wěn)定性受到土壤物理性質(zhì)和氮磷養(yǎng)分供應(yīng)的調(diào)控，而成熟林則更容易受到土壤氮磷養(yǎng)分供應(yīng)水平的調(diào)控。本研究結(jié)果為檸檬桉人工林土壤碳匯能力及其穩(wěn)定性的提升提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。因此，在桉樹人工林經(jīng)營中，可以適當(dāng)延長人工林的輪伐期，同時適當(dāng)調(diào)整土壤氮磷供應(yīng)比例，可以有效提高土壤有機碳庫的儲量及其穩(wěn)定性。