三種人工林的土壤碳密度動(dòng)態(tài)研究

黃香蘭， 葉龍華， 盧廣超， 薛 立

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

三種人工林的土壤碳密度動(dòng)態(tài)研究

黃香蘭， 葉龍華， 盧廣超， 薛 立*

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

對(duì)木荷、尾葉桉、濕地松3種人工林的土壤碳密度進(jìn)行研究。結(jié)果表明：不同林分的土壤碳密度存在差異，木荷、尾葉桉、濕地松林地1999年的土壤碳密度分別為181.13t/hm2、34.21t/hm2和100.35t/hm2，2012年的分別為237.94t/hm2、92.03t/hm2和144.39t/hm2，其大小排序?yàn)槟竞闪值?濕地松林地>尾葉桉林地，其中以鄉(xiāng)土樹(shù)種木荷林地的土壤有機(jī)碳密度最高。3種林地的土壤有機(jī)碳密度均顯著增加，其中尾葉桉林地的增幅最大。

土壤有機(jī)碳； 有機(jī)碳密度； 人工林

陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)對(duì)調(diào)節(jié)大氣中CO2濃度有重要作用[1]。土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中最大的貯庫(kù)，研究其變化規(guī)律有助于揭示土壤碳貯藏對(duì)全球碳貯藏變化響應(yīng)的時(shí)間、方式及規(guī)模[2]。森林是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)。森林土壤是重要的碳庫(kù)，對(duì)全球碳平衡產(chǎn)生顯著影響[3]。研究森林土壤碳儲(chǔ)量對(duì)于正確評(píng)價(jià)土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用有重要意義。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)不同類型的森林土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究，如吳仲民等[4-5]對(duì)尖峰嶺熱帶森林土壤碳含量進(jìn)行了研究，王金葉等[6]研究了祁連山青海云杉(Piceacrassifolia)林的土壤碳平衡，劉建軍等[7-9]報(bào)道了秦嶺油松(Pinustabulaeformis)和銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)等森林類型的土壤碳循環(huán)，方昕等[10-11]對(duì)會(huì)同杉木(Cunninghamialanceolata)人工林的碳儲(chǔ)量和碳平衡進(jìn)行了研究，鄧華平等[12]對(duì)豫南杉木林碳貯量進(jìn)行了研究，薛立等[13]報(bào)道了不同坡位的杉木林土壤碳儲(chǔ)量，方運(yùn)霆等[14]、張治軍等[15]、陶玉華等[16]、劉世榮等[17]、陳青青等[18]和吳丹等[19]對(duì)馬尾松(Pinusmassoniana)林的碳貯量進(jìn)行了研究。木荷(Schimasuperba)屬山茶科常綠大喬木，耐干旱貧瘠，生長(zhǎng)快，耐煙抗火力強(qiáng)，是我國(guó)南方重要的優(yōu)良鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種和防火林帶樹(shù)種[20]。尾葉桉(Eucalypysurophylla)和濕地松(Pinuselliottii)具有生長(zhǎng)快和材質(zhì)好的特點(diǎn)，是華南地區(qū)主要用材樹(shù)種[21]。目前對(duì)木荷、濕地松林地的土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行過(guò)少量的研究[22-23]，尚未見(jiàn)到對(duì)尾葉桉林地土壤碳儲(chǔ)量的報(bào)道。我們對(duì)木荷林、濕地松林和尾葉桉林的土壤碳密度動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，以揭示不同樹(shù)種對(duì)土壤碳密度的影響，為科學(xué)利用土壤資源，增加森林土壤碳儲(chǔ)量提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹(shù)木園內(nèi)。該區(qū)地處東經(jīng)113°18′、北緯20°06′。其氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖多雨、光熱充足、夏長(zhǎng)冬短；年平均氣溫、最冷月(1月)和最熱月(8月)氣溫分別為21.8℃、13.3℃和28.1℃；年降雨量1714.4mm，4—9月降雨量占年降雨量的82%，年均相對(duì)濕度79%[24]。地貌為低矮丘陵，海拔約40m。土壤為花崗巖發(fā)育的赤紅壤，土層深厚[25]。木荷林、尾葉桉林主要林下植被有芒箕(Dicranopterisdichotoma)和梅葉冬青(Ilexasprella)等，林下植物覆蓋度分別為30%和40%；濕地松林主要林下植被有芒箕和桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)等，林下植物覆蓋度為80%。試驗(yàn)林的基本特征見(jiàn)表1，1999年的林地其他特征見(jiàn)參考文獻(xiàn)[26-27]。

表1 試驗(yàn)林的基本特征Tab.1 Basiccharacteristicofexperimentalstands年份樹(shù)種樹(shù)齡(年)郁閉度密度(株/hm2)胸徑(cm)樹(shù)高(m)木荷170.7130513.98.21999尾葉桉190.8150016.015.6濕地松260.616679.08.3木荷300.9130529.818.42012尾葉桉320.7120025.119.7濕地松390.7110015.012.0

2 研究方法

2.1土壤樣品采集及有機(jī)碳含量測(cè)定

于1999年7月和2012年4月在坡向和坡度條件近似的木荷林、尾葉桉林和濕地松林分別設(shè)置3個(gè)20m×20m標(biāo)準(zhǔn)樣地，測(cè)定樣地內(nèi)林木的胸徑和樹(shù)高。在各樣地中設(shè)置面積為1m×1m的樣方5個(gè)，調(diào)查其主要林下植被種類、高度、蓋度。用環(huán)刀采取土層20cm處的土樣(重復(fù)3次)，測(cè)土壤容重。用常規(guī)方法對(duì)0～40cm處的土壤進(jìn)行5點(diǎn)取樣，用重鉻酸鉀容量法測(cè)定混合土樣的有機(jī)碳[28]。每1個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，計(jì)算其算數(shù)平均值。

2.2土壤有機(jī)碳貯量計(jì)算

土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳(SOC)的貯量，單位為t/hm2,其計(jì)算公式為：

SOC(t/hm2)=BD×S×T×A/10

2.3數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003和SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1土壤容重的變化

土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)，其大小反映了土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量等綜合物理特性[29]。木荷林、尾葉桉林和濕地松林2012年的土壤容重分別比1999年減少了6.68%、14.06%和8.49%，但差異均不顯著，說(shuō)明林地的土壤緊實(shí)度比較穩(wěn)定(見(jiàn)圖1)。

圖1 3種林地不同年份的土壤容重比較Fig.1 Soil bulk density of three woodland types in different years

由圖1可以看出: 1999年和2012年3種林地的土壤容重大小排序均為木荷林>濕地松林>尾葉桉林?？梢?jiàn)，尾葉桉林地的土壤較其他2種林地相對(duì)疏松。同一年份中不同林地的土壤容重差異也不顯著(見(jiàn)圖2)。

3.2土壤有機(jī)碳的含量

土壤有機(jī)碳含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，其對(duì)土壤肥力的可持續(xù)性有重要影響[30]。3種林分2012年的土壤有機(jī)碳含量相對(duì)1999年均有顯著增加(p<0.05)(見(jiàn)圖3)，其中尾葉桉林地增加了213.55%，木荷林地和濕地松林地分別增加了40.76%和57.01%。1999年和2012年木荷林的土壤有機(jī)碳含量最高，濕地松林次之，尾葉桉林最低。3種林地的土壤有機(jī)碳含量均有顯著差異(p<0.05)(見(jiàn)圖4)。1999年時(shí)木荷林地的土壤有機(jī)碳含量分別是濕地松林地和尾葉桉林地的1.7倍和4.9倍，2012年時(shí)則減小到1.5倍和2.2倍。

圖2 相同年份3種林地的土壤容重比較Fig.2 Soil bulk density of three woodland types in the same year

圖3 3種林地不同年份的土壤碳含量比較Fig.3 Soil carbon content of three woodland types in different years

圖4 相同年份3種林地的土壤碳含量比較Fig.4 Soil carbon content of three woodland types in the same year

3.3土壤有機(jī)碳密度

森林土壤的有機(jī)碳密度反映以植物殘?bào)w為主體進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)輸入與以土壤微生物分解作用為主的有機(jī)質(zhì)輸出之間的動(dòng)態(tài)平衡[31]。3種林分2012年的土壤有機(jī)碳密度均比1999年顯著增加(P<0.05)(見(jiàn)圖5)。木荷林地由1999年的181.13t/hm2增加到2012年的237.94t/hm2，尾葉桉林地由34.21t/hm2增加到92.03t/hm2，濕地松林地由100.35t/hm2增加到144.39t/hm2，增幅分別為31.36%、169.00%和43.89%。可見(jiàn)木荷林地的土壤有機(jī)碳密度最高，而尾葉桉的增幅最大。

1999年和2012年3種林分的土壤有機(jī)碳密度均有顯著差異(P<0.05)(見(jiàn)圖6)，其大小排序均為木荷林地>濕地松林地>尾葉桉林地；1999年時(shí)木荷林地的土壤有機(jī)碳密度分別是濕地松林地和尾葉桉林地的1.8倍和5.3倍，2012年時(shí)則減小到1.6倍和2.6倍。

圖5 3種林地不同年份的土壤碳密度比較Fig.5 Soil carbon density of three woodland types in different years

圖6 相同年份3種林地的土壤碳密度比較Fig.6 Soil carbon density of three woodland types in the same year

4 結(jié)論與討論

不同造林樹(shù)種的光合固碳能力和環(huán)境適應(yīng)性不同，導(dǎo)致其在生產(chǎn)力、碳分配和凋落物數(shù)量、質(zhì)量等方面的差異，從而對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳匯(源)功能產(chǎn)生不同影響[32-33]。本研究中，木荷林的土壤有機(jī)碳密度最大，這與李躍林等[22]研究桉樹(shù)(Eucalyptus)等5種人工林土壤的碳密度的結(jié)論相同?？赡苁且?yàn)槟竞蔀猷l(xiāng)土樹(shù)種，生長(zhǎng)旺盛，林下凋落物積累多，土壤微生物較活躍。這說(shuō)明了鄉(xiāng)土樹(shù)種木荷是優(yōu)良的土壤碳匯樹(shù)種[22]。

濕地松林2012年的土壤碳密度是144.39t/hm2，高于廣東鶴山地區(qū)的濕地松林土壤碳密度(104.61t/hm2)[22]，也高于江西泰和地區(qū)的濕地松林土壤碳密度(48.04t/hm2)[19]，但低于中國(guó)森林土壤的平均碳密度(193.55t/hm2)[34]。土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于地上部分的枯枝落葉及根系周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的碎屑。凋落物的質(zhì)和量與外界環(huán)境因子共同決定了土壤中有機(jī)碳的含量[32]。有研究表明，不同森林類型凋落物年產(chǎn)量存在顯著差異，針闊葉混交林顯著高于針葉純林[35]。另一方面，不同樹(shù)種凋落物具有各自不同的化學(xué)特性，從而導(dǎo)致其在土壤中的分解速率各不相同[36]。與其他樹(shù)種特別是與闊葉樹(shù)種相比，濕地松葉片上的厚角質(zhì)層阻礙了葉片軟組織分解，凋落物中難分解的木質(zhì)素、單寧、蠟質(zhì)等物質(zhì)含量較高[37]，凋落時(shí)葉片和小枝一起脫落，難以緊貼地表，影響了凋落物分解，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)含量或有機(jī)碳的累積。所以濕地松林的碳貯量低于中國(guó)森林土壤平均碳密度。

尾葉桉林地土壤碳密度2012年增加到92.03t/hm2，高于廣東省桉樹(shù)人工林0～50mm土層的有機(jī)碳碳密度平均值(66.72t/hm2)[38]，但低于本研究中的其他2種林地。相關(guān)研究表明，微生物活動(dòng)影響土壤有機(jī)碳的積累[38]。本研究中尾葉桉林地土壤微生物數(shù)量低[26]，引起凋落物的分解速率下降，不利于有機(jī)碳積累[39]。

3種林分的土壤碳密度2012年與1999年的相比，分別增加了31.36%、169.00%和43.89%。人工林在生長(zhǎng)過(guò)程中碳貯量不斷增長(zhǎng)，輪伐期的長(zhǎng)短對(duì)人工林在固碳有重要影響，延長(zhǎng)輪伐期有利于人工林土壤的碳積累[40]。

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(文字編校：唐效蓉)

Dynamicsofsoilcarbondensityinthreeplantationtypes

HUANG Xianglan, YE Longhua, LU Guangchao, XUE Li*

(College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Soil carbon density was studied inSchimasuperba,EucalypysurophyllaandPinuselliottiiplantations. Results showed that the soil carbon density ofS.superba,E.urophyllaandP.elliottiiwoodlands in 1999 was 181.13 t/hm2, 34.21 t/hm2and 100.35 t/hm2respectively, and that was 237.94 t/hm2, 92.03 t/hm2and 144.39 t/hm2in the three woodland types in 2012 respectively, with the order ofS.superbawoodland>P.elliottiiwoodland>E.urophyllawoodland, among them the indigenous tree speciesS.superbwas the highest. Soil organic carbon density of the three woodlands significantly increased, with the greatest increment in theE.urophyllawoodland.

soil organic carbon; organic carbon density; plantation

2013-04-03

2013-05-10

廣東省林業(yè)局資助項(xiàng)目“財(cái)政支持公益林森林生態(tài)效益補(bǔ)償機(jī)制問(wèn)題研究”(F10008)。

黃香蘭(1987-)，女,廣西省桂林市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯峙嘤蜆?shù)木生理學(xué)。

* 為通訊作者

S 714

A

1003-5710(2013)03-0018-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2013. 03. 005