黔南馬尾松人工林土壤有機碳的研究

潘忠松，丁訪軍 ，戴全厚 ，許豐偉

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025 ; 2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005)

黔南馬尾松人工林土壤有機碳的研究

潘忠松1，丁訪軍2，戴全厚1，許豐偉1

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025 ; 2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005)

以黔南地區(qū)獨山縣國有林場不同林齡馬尾松人工林土壤有機碳為研究對象，對獨山縣國有林場土壤有機碳含量和土壤有機碳密度進行了研究。結(jié)果表明:①不同林齡馬尾松林土壤有機碳含量及密度分別在9.98～15.93 g/kg和9.69～14.48 kg/m2范圍之間，平均值為11.98 g/kg和11.20 kg/m2，土壤有機碳含量及密度均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降低的趨勢；②不同林齡馬尾松林土壤有機碳含量及密度均表現(xiàn)為中齡林＞成熟林＞近熟林 ＞幼齡林，但差異不顯著(p＞0.05)；③土壤有機碳含量與土壤容重呈極顯著負相關(guān)。除土壤全K外，土壤有機碳含量和密度與土壤養(yǎng)分(N、P的全量和N、P、K有效量)均呈顯著或極顯著正相關(guān)，但與土壤pH呈顯著負相關(guān)；④不同林齡階段土壤有機碳含量回歸方程的回歸精度均較高。比較標(biāo)準化回歸系數(shù)法處理顯示，土壤N狀況是影響土壤有機碳變異的主導(dǎo)因子。

馬尾松人工林; 土壤有機碳含量；土壤有機碳密度；土壤養(yǎng)分；

全球氣候變暖已是國際社會公認的全球性環(huán)境問題，氣候變暖將對全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響[1-2]。目前有研究認為是受到人為活動的干擾及破壞造成氣候變暖，而受人類活動影響最大、最復(fù)

雜的就是陸地生態(tài)系統(tǒng)[3]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體, 在陸地上, 森林面積雖然只占全球非冰表面的40%, 但其土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的73%[4-5]。作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分, 森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中占有十分重要的地位，寄托著人類降低大氣 CO2含量和減緩全球氣候變暖趨勢的希望[6]。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳平衡在全球碳平衡中起著不可替代的作用[7]，因此，研究森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳具有重要的意義。

馬尾松Pinus massoniana Lamb是我國南方主要的鄉(xiāng)土造林和工業(yè)原料樹種，不僅具有經(jīng)濟意義、防護效能及美學(xué)價值，而且在維護生態(tài)系統(tǒng)平衡方面亦具有明顯的作用[8]。本研究以黔南地區(qū)獨山縣國有林場馬尾松人工林為對象，探索不同林齡階段馬尾松林的不同層次土壤有機碳的變化，以及土壤基本理化性質(zhì)(如土壤密度、土壤養(yǎng)分等)與土壤有機碳的關(guān)系，以期為馬尾松林土壤碳庫的估算及應(yīng)對氣候變化下的森林經(jīng)營提供依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于在貴州省獨山縣國有林場(107°27′24.2″～107°30′43.9″E，25°41′20.5″～25°44′13.2″N)，地處貴州高原向廣西丘陵過度的箱狀背斜，最低海拔500 m，最高海拔1 465 m，平均海拔850 ～ 1 100 m之間。屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，年降雨量1 346 mm，平均氣溫17.2℃，極端最高氣溫35.5℃，極端最低氣溫- 4.0℃，無霜期長。土壤種類以黃壤為主。植被類型以馬尾松P. massoniana為主，還有杉木Cunninghamia lanceolata、油茶Camellia oleifera Abel等。本研究以不同林齡階段的馬尾松為對象對林分進行了調(diào)查，共設(shè)置12個30 m×30 m的樣地，其中幼林、中林、近熟林、成熟林分別設(shè)3個樣地。樣地樣地的基本情況見表1。

2 研究方法

2.1 土樣采集及測定方法

2009年8月，在每個樣地內(nèi)按S型挖取3個土壤剖面，按 0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 和 60 ～ 80 cm四個層次采集各土層的土壤樣品，共采集144個環(huán)刀和144個土樣。土樣經(jīng)風(fēng)干、磨細、過篩后，土壤有機碳含量用重鉻酸鉀外加熱法測定 ；全N用半微量開氏法測定；速效N用蒸餾法測定；全P用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；速效P用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；全K用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法測定；用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定速效K；用水浸提(水∶土=2.5∶1.0)電位法測定土壤pH值；用環(huán)刀法測定土壤密度。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample plots

2.2 土壤有機碳密度的計算

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中 SOC 的貯量。一般用 t·hm-2或 kg·m-2表示[9]。利用已求算出的土壤容重及有機碳含量計算土壤碳密度：

式(1)中: Di，SOC是第i層土壤有機碳密度(kg·m-2)，Hi是第i層土壤的厚度(cm)，Bi是第i層土壤的密度(g/m3)，Oi是i層土壤的有機碳含量(g/kg)，Gi為直徑≥2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。

如果某一土壤剖面由k層組成，那么該剖面的有機碳密度 (Dit，SOC, kg·m-2)為 :

式(2)中：k為土層數(shù)，本研究中k=4。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理及分析采用Eхcel2003和SPSS13.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機碳的垂直分布特征

土壤剖面上有機碳的變化主要取決于地表植被狀況、有機物質(zhì)進入土壤的量和進入方式以及土壤淋溶狀況等因素。研究表明，馬尾松林各層土壤有機碳含量在6.16～22.37 g/kg范圍之間，平均值為11.98 g/kg，土壤有機碳含量的垂直分布表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸減少的趨勢，差異極顯著 (n=144, p＜0.01)( 見圖1)。在 0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 和 60 ～ 80 cm 土層中的均值 ±標(biāo) 準 差 分 別 為 (22.37±8.92)、(11.18±5.27)、(8.20±2.70)和(6.16±2.62) g/kg。多重比較結(jié)果：0～20與20～40、40～60和60～80 cm土層的土壤有機碳含量差異極顯著(n=36, p＜0.01) ，20～40、40～60和60～80 cm的土壤有機碳含量之間差異不顯著 (n = 36 ，p ＞ 0.05)。

圖1 土壤有機碳含量隨土壤深度的變化Fig. 1 Variations of soil organic carbon (SOC) content with soil depth

馬尾松林各層土壤有機碳密度在1.64～4.48 kg/m2范圍之間，整個剖面為11.20 kg/m2，土壤有機碳密度的垂直分布也表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而逐漸下降的趨勢，并且差異極顯著(n = 144,p ＜ 0.01)( 見 圖2)。 在 0～20、20～40、40～60 和60～80 cm土層中的有機碳密度均值±標(biāo)準差分別為 (4.86±1.93)、(2.62±1.23)、(2.09±0.56) 和(1.64±0.68)kg/m2。多重比較結(jié)果：0～20 與20～40 、40～60和60～80 cm土層的土壤有機碳密度差異極顯著( n = 36 , p ＜ 0.01) ，20～40 、40～60和60～80 cm的土壤有機碳密度之間差異不顯著 (n=36 ，p＞0.05)。

圖2 土壤有機碳密度隨土壤深度的變化Fig. 2 Variations of SOC density with soil depth

3.2 不同林齡階段馬尾松林的土壤有機碳分布特征

不同林齡階段馬尾松林各層次水平上土壤有機碳含量見表2。在0～20 cm ，土壤有機碳含量表現(xiàn)為中齡林＞成熟林＞近熟林 ＞幼齡林；在20～40 cm ，表現(xiàn)為中齡林＞成熟林＞幼齡林 ＞近熟林；在40～60 cm ，表現(xiàn)為中齡林＞近熟林＞ 幼齡林＞成熟林；在60～80 cm ，表現(xiàn)為中齡林＞近熟林＞ 成熟林＞幼齡林；在0～80 cm，各林型的均值表現(xiàn)為中齡林＞成熟林＞近熟林 ＞幼齡林。方差分析結(jié)果表明，不同林齡階段馬尾松林在各層次水平上的土壤有機碳含量均無顯著差異(p＞0.05)。

表2 不同林齡階段馬尾松林不同層次土壤有機碳含量?Table 2 SOC contents of P. massoniana plantations in different soil layers and different developing stages g/kg

不同林齡階段馬尾松林各層次水平上土壤有機碳密度分布見表3。不同林型各層次在水平方向上的有機碳密度的分布和有機碳含量在各層次水平方向上的分布是一樣。方差分析結(jié)果表明，不同林齡階段馬尾松林在各層次水平上的土壤有機碳密度也均無顯著差異(p＞0.05)。

表3 不同林齡階段馬尾松林不同層次土壤有機碳密度Table 3 SOC density of P. massoniana plantations in different soil layers and different developing stages kg/m2

3.3 土壤有機碳與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

3.3.1 土壤有機碳含量與土壤容重的相關(guān)性分析

對土壤有機碳含量與土壤容重的相關(guān)性進行了分析，分析結(jié)果見表4。幼齡林、中齡林、近熟林及成熟林的土壤有機碳含量與其相應(yīng)的土壤容重均呈顯著負相關(guān)。對整個馬尾松林來說，土壤有機碳含量與土壤容重也呈負顯著相關(guān)。土壤有機碳含量與土壤容重的負相關(guān)性在很多文獻中都有提及，本文的研究結(jié)果與很多文獻研究結(jié)果相似[10～11]，土壤有機碳含量與土壤容重的負相關(guān)性可以用于推算土壤容重，從而進行土壤有機碳含量及儲量的估算。

表4 土壤有機碳含量與土壤容重的相關(guān)系數(shù)?Table 4 Correlation coefficients between SOC content and soil bulk density

3.3.2 土壤有機碳與pH及土壤養(yǎng)分間的關(guān)系

對土壤有機碳含量與土壤pH值和養(yǎng)分之間的相關(guān)分析(見表5)表明，不同林齡階段馬尾松林土壤有機碳含量與土壤pH和土壤N、P、K全量及有效量的相關(guān)性不盡一致。幼齡林土壤有機碳含量與土壤pH呈負顯著相關(guān)，與土壤N、P、K全量和有效量除全K外均呈正顯著相關(guān)；中林齡，與pH負相關(guān)不顯著，與土壤N、P、K全量和有效量均呈正顯著相關(guān)；近熟林，與pH正相關(guān)不顯著，與土壤全N、速效N、速效P、速效K均呈正顯著相關(guān)，與全P、全K相關(guān)不顯著。若對整個馬尾松林來說，土壤有機碳含量與土壤養(yǎng)分除全K外均呈正顯著相關(guān)，且與全N、速效N最高，與速效K最低，它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.920、0.906和0.476；與土壤pH呈負顯著相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)較低(r＝-0.304)。

表5 土壤有機碳含量與土壤養(yǎng)分及ph的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between SOC content and soil pH value as well as soil nutrients

對土壤有機碳密度與土壤pH和養(yǎng)分之間也進行了相關(guān)分析(見表6) ，結(jié)果和土壤有機碳含量與土壤pH和養(yǎng)分之間的相關(guān)性基本一致。

表6 土壤有機碳密度與土壤養(yǎng)分及pH的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between SOC density and soil pH value as well as soil nutrients

由以上相關(guān)性分析可知，土壤有機碳水平受諸多因素影響，這些因素之間又互相影響。氣候、植被、土壤的理化特性及其人類活動等諸多因子都會影響著有機碳在土壤中的動態(tài)平衡[12]，而本研究中土壤理化特性與土壤有機碳的相關(guān)性也只能說明了，在一定條件下影響了土壤有機碳的分布。

為了更加明確馬尾松不同林齡階段各土壤因子對土壤有機碳庫的影響作用，進一步應(yīng)用逐步回歸分析法建立土壤有機碳含量和土壤影響因子間的回歸方程，找出對馬尾松林土壤有機碳有顯著影響的因子；同時利用比較標(biāo)準化回歸系數(shù)法，對各影響因子進行篩選，比較各因子影響程度，確定其中的主導(dǎo)因子。以幼齡林土壤有機碳含量(Y1) 、中齡林土壤有機碳含量 (Y2) 、近熟林土壤有機碳含量 (Y3) 、成熟林土壤有機碳含量 (Y4)為因變量；以全氮(X1)、速效氮(X2)、全磷(X3)、速效磷(X4)、全鉀(X5)、速效鉀(X6)、pH(X7)為自變量，建立回歸方程(見表7)。各回歸方程的擬合度均較高，說明所建方程可以正確反映出不同林齡馬尾松林土壤有機碳和土壤養(yǎng)分的關(guān)系。

表7 土壤有機碳含量與土壤養(yǎng)分及ph的回歸分析?Table 7 Regression analysis between SOC density and soil pH value as well as soil nutrients

觀察回歸方程和比較標(biāo)準化回歸系數(shù)得出：幼林齡階段，對土壤有機碳含量有顯著影響的因子是全氮和速效鉀，主導(dǎo)因子是全氮；中林齡階段，影響顯著的因子是全氮和全磷，主導(dǎo)因子是全氮；近熟林齡階段，影響顯著的因子是速效氮和pH，主導(dǎo)因子是速效氮；成熟林齡階段，影響顯著的因子和主導(dǎo)因子只是全氮。綜觀各林齡階段，氮素對土壤有機碳含量的影響有著主導(dǎo)作用。

4 結(jié)論與討論

(1)黔南馬尾松林在0 ～ 80 cm的土層深度條件下，有機碳含量和碳密度分別11.98 g/kg和11.20 kg/m2，且有機碳含量及密度均有隨土層深度的增加而降低的趨勢。在貴州省境內(nèi)研究馬尾松林土壤有機碳含量及碳密度的分布特征的還未見報道，在我國已有馬尾松林土壤有機碳研究的地區(qū)主要有四川、廣西、廣東、福建等地。本研究結(jié)果與黃從德等[13]人對四川省馬尾松林有機碳含量與密度的平均值接近，其研究結(jié)果的平均碳含量與密度分別為14.30 g/kg和11.32 kg/m2；而比康冰等[14]人的研究結(jié)果17.09 g/kg和12.34 kg/m2較低；卻又高于方運霆等[15]人對鼎湖山馬尾松林土壤碳含量和碳密度的研究結(jié)果3.57 g/kg和7.37 kg/m2。本研究結(jié)果與各地區(qū)的研究結(jié)果不盡一致，一方面是因為各地區(qū)的有機碳除了受到地表枯枝落葉、地下微生物和植物根系的影響不同外，還與各地區(qū)發(fā)育的母巖、土壤的類型，氣溫、降雨量以及馬尾松林的密度和林下植被的種類等的差異也有關(guān)系。另一方面，研究方法的不統(tǒng)一也是導(dǎo)致土壤有機碳不確定性的一個重要原因[16]，尤其是取樣深度和數(shù)量等。除此之外，土壤有機碳的差異與人為干擾程度的不同也有一定的關(guān)系[17]。

(2)在0 ～ 80 cm，黔南不同林齡階段馬尾松林土壤有機碳含量及密度均表現(xiàn)為中齡林＞成熟林＞近熟林 ＞幼齡林,但均無顯著差異(p＞0.05)。這與尉海東等人[8]對福建省順昌埔上國有林場不同發(fā)育階段馬尾松人工林土壤有機碳含量及密度的研究結(jié)果不一致，其研究結(jié)果是不同發(fā)育階段馬尾松人工林同一土層的土壤有機碳含量存在顯著差異(p＜0.05)，表現(xiàn)為成熟林＞中齡林＞幼齡林，碳密度表現(xiàn)為幼齡林＞中齡林＞成熟林。而王丹等人[18]的研究結(jié)果是0～20 、20～40 、40～60 cm各層土壤有機碳含量都表現(xiàn)出幼齡林較高、中齡林最低、近熟林-成熟林-過熟林又逐漸增高的變化特征。這種不同林齡階段土壤有機碳表現(xiàn)出不同的變化，焦如珍等[19]認為，這是由于不同發(fā)育階段，林下植被蓋度、林分密度及郁閉度不同所致。

(3)黔南不同林齡階段馬尾林土壤有機碳含量與土壤容重呈顯著負相關(guān)，這也說明了隨著土壤有機碳含量的積累，土壤會表現(xiàn)為越來越疏松，對提高和改善土壤質(zhì)量有作用。不同林齡階段馬尾松林土壤有機碳含量及密度與土壤pH和土壤N、P、K全量及有效量的相關(guān)性不盡一致，若對整個馬尾松林來說，除全K外，土壤有機碳含量及密度與土壤養(yǎng)分均呈正顯著相關(guān)，與土壤pH呈負顯著相關(guān)。除土壤pH外，本研究結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)果[20～22]基本保持一致，即土壤有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分(土壤全N、全P、堿解N、有效P含量等)呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系。經(jīng)過逐步回歸分析，土壤氮對土壤有機碳含量的影響起主導(dǎo)作用，對土壤有機碳含量影響顯著的因子還有土壤鉀及土壤酸堿度，這與王丹等人[18]對江西大崗山杉木林不同發(fā)育階段的土壤碳庫與土壤養(yǎng)分之間的回歸分析結(jié)果基本一致，其研究結(jié)果亦顯示為土壤氮狀況是影響土壤有機碳變異的主導(dǎo)因子。

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Study on soil organic carbon of Pinus massoniana Lamb plantation in southern Guizhou province

PAN Zhong-song1，DING Fang-jun2，DAI Quan-hou1，XU Feng-wei1
(1.Forestry College of Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou，China ;2. Forestry Academy of Guizhou Province, Guiyang 550005, Guizhou，China)

The content and density of soil organic carbon (SOC) in different ages of P. massoniana plantation were studied, which locate in state owned forest farm in Dushan country of Southern Guizhou Province. The results are as follows: (1)The content and density of SOC of different age of P.massoniana were at the range of 9.98 ～ 15.93 g/kg and 9.69 ～ 14.48 kg/m2, the mean values were 11.98 g/kg and 11.20 kg/m2, and they decreased with the increase of the soil depth. (2) The content and density of SOC at different age of P.massoniana show that middle-aged forest ＞ mature forest ＞ near mature forest ＞ young forest, but the differences were not significant (p＞ 0.05). (3) The content of SOC and the soil bulk density had negative significant correlations. Eхcept for total K, the content and density of SOC had very significant or significant positive correlations with the soil nutrients (total N and total P, available N, available P and available K), but pH was on the contrary. (4) The regression equations of the content of SOC at different ages of P. massoniana plantation were established with high estimation precision. Having compared the treatments by standardized regression coefficient method□it is showed that the soil nitrogen was the dominant factor for the variation of SOC .

plantation of Pinus massoniana Lamb; content of soil organic carbon; density of soil organic carbon; soil nutrient;

S791.248;S718.55

A

1673-323X(2012)02-0075-06

2011-10-12

貴州省林業(yè)廳重大項目(黔林科合[2010]重大01)；國家林業(yè)局公益專項子項目(200804006/RHH04)

潘忠松(1984—)，男，貴州三都人，碩士研究生，研究方向：水土保持與生態(tài)恢復(fù)；E-mail:pzs9000mg@163.com

戴全厚(1969—)，男，陜西長武人，博士，教授，從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)重建研究；E-mail:qhdairiver@163.com

[本文編校：邱德勇]