連栽桉樹人工林土壤有機(jī)碳氮儲量及其分布特征

呂小燕 何斌 吳永富 蘭俊 滕秋梅

摘 要 采用時(shí)空互換法，以廣西東門林場不同栽植代數(shù)（1、2和3代）桉樹人工林和鄰近區(qū)域馬尾松人工林為研究對象，分析桉樹人工林連栽過程中土壤有機(jī)碳、全氮含量和儲量及其分布特征。結(jié)果表明：（1）在0～20 cm土層，馬尾松和1代、2代、3代桉樹人工林有機(jī)碳含量分別為17.06、15.70、14.47和13.16 g/kg，土壤全氮含量分別為0.895、0.841、0.778 和0.715 g/kg，均呈現(xiàn)隨栽植代數(shù)的增加而下降的趨勢，但在20～40 cm土層，馬尾松和各栽植代數(shù)桉樹林土壤有機(jī)碳和全氮含量無顯著差異。（2）馬尾松、1代、2代和3代桉樹人工林0～40 cm土壤有機(jī)碳儲量分別為66.84、56.57、52.97和50.81 t/hm2，土壤全氮儲量分別為3.78、3.33、3.09和2.98 t/hm2，其中馬尾松林和2、3代桉樹林有機(jī)碳和全氮儲量之間存在顯著性差異（p<0.05）。（3）相關(guān)分析表明，馬尾松和不同栽植代數(shù)桉樹人工林土壤有機(jī)碳含量與全氮含量均存在極顯著相關(guān)性（p<0.01），土壤有機(jī)碳、全氮與C/N之間也存在顯著的相關(guān)關(guān)系（p<0.05）。

關(guān)鍵詞 桉樹人工林；土壤有機(jī)碳；土壤全氮；貯量；C/N；連栽

中圖分類號 S714.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

The Soil Organic Carbon and Nitrogen Storage and The Evolution Characteristics of Eucalyptus Plantations Under Successive Rotation

Lü Xiaoyan1， HE Bin1 *， WU Yongfu2， LAN Jun2， TENG Qiumei1

1 Forestry College of Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004， China

2 Guangxi State Dongmen Forest Farm， Fusui， Guangxi 532108， China

Abstract The contents， storage and distribution of SOC and TN in the period of successive planting Eucalyptus were studied with the substitution method of space for time based on different generations（first-， second- and third-generations）Eucalyptus plantations and nearby Pinus massoniana plantation at Dongmen Forest Farm in Guangxi as objects. Following results were concluded： （1）The SOC content（0-20 cm）in P. massoniana plantations and the first， the second and third generations of Eucalyptus plantations was 17.06， 15.70， 14.47 and 13.16 g/kg， respectively， and the TN content（0-20 cm）was 0.895， 0.841， 0.778 and 0.715 g/kg， respectively. The contents of SOC and TN obviously decreased as continuous planting rotations increased. But there was no significant difference in the content of SOC and TN in the 20-40 cm soil.（2）The SOC storage amounts was 66.84， 56.57， 52.97 and 50.81 t/hm2， and the TN storage was 3.78， 3.33， 3.09 and 2.98 t/hm2， respectively. There were significant differences in the SOC and TN storage between P. massoniana plantation and the second and third generations Eucalyptus plantations（p<0.05）. （3）The correlation analysis showed that the SOC content was positively correlated（p<0.01）with TN content in different generations Eucalyptus plantations， and there was also a significant correlation between SOC， TN and C/N（p<0.05）.

Key words Eucalyptus plantations； soil organic carbon（SOC）； total nitrogen（TN）； storage； C/N； successive rotation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.10.017

土壤是陸地生物生存極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是森林生態(tài)系統(tǒng)研究的重要組成部分[1]。土壤有機(jī)碳和氮素作為土壤養(yǎng)分的重要組成部分，深刻影響著土壤的各種理化性質(zhì)、生物化學(xué)性質(zhì)以及養(yǎng)分的積累。同時(shí)，土壤有機(jī)碳、氮作為陸地有機(jī)碳、氮的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的主要限制因子，直接影響著森林生態(tài)系統(tǒng)乃至整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和規(guī)模[2]。研究表明，不同的土地利用方式的會導(dǎo)致植物群落的變遷，容易造成土壤碳、氮及其分配格局的不同[3-5]，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力的差異，從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

桉樹（Eucalyptus）原產(chǎn)澳大利亞，具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長快、干形好、產(chǎn)量高、輪伐期短和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦為三大速生造林樹種之一[6-7]。目前，我國桉樹人工林種植面積已超過400萬hm2，但桉樹人工林大規(guī)模經(jīng)營以及長期多代連栽是否引起水土流失、地力下降、生物多樣性減少等問題，一直為國內(nèi)外學(xué)者所廣泛關(guān)注并引起學(xué)術(shù)界許多爭論[8-9]，并先后從不同角度對桉樹人工林生長及其連栽的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了探討[10-15]，其中部分研究內(nèi)容涉及到對土壤有機(jī)碳和氮素變化的影響，但由于受到實(shí)際條件等方面的限制，已報(bào)道的研究資料多數(shù)存在不同栽植代數(shù)桉樹人工林之間距離較遠(yuǎn)，立地條件相差較大等缺點(diǎn)，而且僅從含量而不是從儲量方面進(jìn)行研究，因此研究結(jié)果存在一定的局限性。為此，為了更準(zhǔn)確地反映連栽桉樹人工林對土壤有機(jī)碳和氮素的影響及其變化規(guī)律，本研究以廣西國有東門林場前茬均為馬尾松人工林，相鄰分布且立地條件相一致的1、2和3代桉樹人工林為研究對象，以馬尾松人工林（成熟林）為參照，探討連栽桉樹人工林土壤有機(jī)碳和全氮含量、儲量及其分布特征，以期為桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)位于廣西扶綏縣東門鎮(zhèn)的廣西國有東門林場（107°14′～108°00′E，22°17′～22°30′N），屬南亞熱帶氣候類型，光照充足，熱量充沛。年平均氣溫21.2～22.3 ℃，極端最高氣溫38.0～41.1 ℃，極端最低氣溫- 4.0～1.9 ℃，全年大于10 ℃的年積溫7 190～7 762 ℃，年平均降雨量1 100～1 300 mm，年降雨主要集中在5～9月份，年蒸發(fā)量約1 600 mm，相對濕度大于74%；年日照時(shí)數(shù)為1 634～1 739 h。試驗(yàn)地設(shè)在該場雷卡分場，1、2和3桉樹代林在栽種桉樹前均為馬尾松（Pinus massoniana）人工純林，且相互之間及與現(xiàn)存馬尾松人工林（成熟林，林齡26 a）相互毗鄰，各栽植代數(shù)桉樹人工林造林前分別經(jīng)過煉山和機(jī)耕（深度約30 cm）翻犁整地后采用尾巨桉（E. urophylla × E. grandis）組培苗定植，株行距為1.7 m × 3.4 m。造林前施基肥0.5 kg/株， 造林后前2年結(jié)合撫育（用除草劑除草）每年追肥2次， 總施肥量：N 200 kg/hm2，P2O5 150 kg/hm2， K2O 100 kg/hm2。各樣地均位于山坡中部，海拔為80～95 m之間，坡度7°～9°，坡向NE 30～35°，土壤類型以砂頁巖為主發(fā)育形成的赤紅壤，土壤厚度≥80 cm，pH值4.2～4.9。不同栽植代數(shù)桉樹人工林和馬尾松人工林林分特征見表1。

1.2 方法

1.2.1 樣地設(shè)置與土壤樣品采集 于2013年7月中旬在立地條件基本一致的馬尾松人工林和1～3代桉樹人工林中分別設(shè)置3塊20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地。在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按“S”形分別設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，去除地表凋落物后，分別采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品。將同一標(biāo)準(zhǔn)樣地相同土層樣品混合均勻后取混合樣約1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室，于室溫下自然風(fēng)干，去除石礫和根系等雜物后壓碎并過2 mm 篩，然后取部分土樣過0.15 mm篩后裝瓶備用。同時(shí)用100 cm3不銹鋼環(huán)刀采集上述兩土層原狀土，用來測定土壤容重等物理性質(zhì)。

1.2.2 土壤樣品分析和計(jì)算 土壤自然含水率測定采用烘干法；土壤容重和孔隙度測定采用環(huán)刀法；土壤有機(jī)碳（SOC）含量測定采用K2Cr2O7氧化-外加熱法[16]；全氮（TN）含量測定采用半微量凱氏法[16]。土壤SOC儲量、TN儲量分別采用以下公式計(jì)算：

SOC=C×ρ×h×10 000

TN=N×ρ×h×10 000

式中，SOC、TN分別為各土層有機(jī)碳、全氮儲量（t/hm2）；C、N分別為有機(jī)碳、有機(jī)氮含量（g/kg）；ρ為土壤容重（g/cm3）；h為土層厚度（cm）；10 000為每公頃面積（m2）。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理

分別使用SPSS17.0 統(tǒng)計(jì)軟件對不同栽植代數(shù)桉樹人工林各土層SOC和TN含量、儲量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。用Excel 2003軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)是土壤的主要性狀之一，其包含的指標(biāo)較多，包括土壤容重、土壤結(jié)構(gòu)與孔隙狀況以及土壤持水性能等。本研究主要對土壤容重、總孔隙度和自然含水率進(jìn)行比較分析。從表2可見，馬尾松林和1～3代桉樹林土壤容重均為0～20 cm<20～40 cm土層，即隨深度增加而增大，但4種林分類型不同土層容重之間的差異均不顯著（p>0.05）。在0～20 cm土層，桉樹1、2和3代林土壤容重分別比馬尾松林下降12.0%、12.8%和10.40%，土壤總孔隙度則有不同程度的增加，20～40 cm土層也呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，這可能與本研究的桉樹造林前采用機(jī)耕翻犁整地措施對土壤容重和孔隙狀況的影響有關(guān)。而與馬尾松林相比，不同土層桉樹林土壤自然含水量均表現(xiàn)出隨著栽植代數(shù)的增加而下降的趨勢，在垂直分布上則均為0～20 cm>20～40 cm土層。

2.2 土壤有機(jī)碳和全氮含量及其分布特征

森林土壤有機(jī)碳和氮素含量受森林類型、栽種時(shí)間和土壤深度等影響，其中0～20 cm土層受植物及其殘?bào)w、植物根系等聚集、分解以及土壤微生物作用的影響要比20～40 cm土層強(qiáng)。從圖1可見，4種林分類型0～20 cm土層有機(jī)碳和全氮含量均顯著高于20～40 cm土層（p<0.05），但隨著栽植代數(shù)的增加，相鄰兩土層之間有機(jī)碳和全氮含量的差異逐漸減少。

從圖1還可看出，1、2和3代桉樹林0～20 cm土層有機(jī)碳含量分別為15.70、14.47和13.16 g/kg，分別比馬尾松林（17.06 g/kg）下降7.97%、15.18%和22.91%，其中馬尾松林與桉樹1～3代林以及桉樹1代林與3代林間存在顯著差異（p<0.05）；而1、2和3代桉樹林20～40 cm土層有機(jī)碳含量僅比馬尾松林分別下降0.22%、1.08%和6.83%，馬尾松林與1～3代林桉樹林間差異不顯著（p>0.05）。1、2和3代桉樹林0～20 cm土層全氮含量依次為0.841、0.778和0.715 g/kg，分別比馬尾松林（0.895 g/kg）下降6.03%、13.07%和25.00%，其中馬尾松林與3代桉樹林間存在顯著差異（p<0.05）；而1、2和3代桉樹林20～40 cm土層全氮含量僅分別比馬尾松林下降0.84%、1.86%、7.25%，但馬尾松林與1～3代桉樹林間差異不顯著（p>0.05）?？梢姡B栽對桉樹人工林土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響主要發(fā)生在0～20 cm土層，其對20～40 cm土層有機(jī)碳和全氮的影響相對較小。

2.3 土壤有機(jī)碳及全氮儲量及其分布特征

從圖2可見，馬尾松和1、2、3代桉樹林0～20 cm土層有機(jī)碳儲量分別為42.61和34.62、31.59、29.61 t/hm2，依次占其0～40 cm土層有機(jī)碳儲量的63.74%和61.21%、59.64%、58.28%。表明各林分類型土壤有機(jī)碳均主要分布在0～20 cm土層，其儲量及所占0～40 cm土層有機(jī)碳儲量的比例均隨栽植代數(shù)增加而下降。與馬尾松林相比，1、2和3代桉樹林0～20 cm土層有機(jī)碳儲量分別下降18.75%、25.86%和30.48%，其中馬尾松林與1～3代桉樹林以及1代與3代桉樹林間存在顯著差異（p<0.05）；而20～40 cm土層有機(jī)碳儲量也分別下降9.40%、11.76%、12.50%，其中馬尾松與2代和3代桉樹林間存在顯著差異。

與土壤有機(jī)碳儲量的垂直分布格局相似，馬尾松林和1、2、3代桉樹林0～20 cm土層全氮儲量依次占其0～40 cm土層氮儲量的58.99%、55.39%、55.02%和54.03%，其儲量及所占比例均隨栽植代數(shù)增加而下降。在0～20 cm土層，1、2、3代桉樹林全氮儲量分別比馬尾松林下降17.01%、23.74%和27.60%，其中馬尾松與1～3代桉樹林以及1代桉樹與3代桉樹之間存在顯著差異；而在20～40 cm土層，1、2、3代桉樹林全氮儲量分別比馬尾松林下降4.56%、10.80%和12.15%，但4種林分類型間的差異均未達(dá)到顯著水平。

2.4 土壤碳氮比（C/N）及其與土壤有機(jī)碳（SOC）、氮（N）的關(guān)系

土壤碳氮比值（C/N）是衡量土壤碳、氮營養(yǎng)平衡狀況的重要指標(biāo)，對土壤碳、氮循環(huán)和有機(jī)質(zhì)礦化作用有重要影響，較低的碳氮比有利于微生物分解，從而提高氮素的礦化速率[17]。從表3可見，4種林分類型土壤C/N在垂直分布上均表現(xiàn)出相同的變化，即0～20 cm土層C/N均顯著高于20～40 cm土層（p<0.05），而各栽植代數(shù)桉樹林不同土層C/N均低于馬尾松林，但相互之間的差異均未達(dá)到顯著性水平（p>0.05）。

從土壤有機(jī)碳、氮及土壤碳氮比的關(guān)系中可以看出（表4），馬尾松和桉樹1～3代林土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.01），表明土壤中N主要以有機(jī)N的形式存在于土壤有機(jī)碳中。而不同林分類型土壤有機(jī)碳和全氮含量也分別與土壤C/N存在極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.05）。

3 討論

大量研究表明，樹種的變換及其連栽對土壤有機(jī)碳、全氮含量和儲量會產(chǎn)生不同程度的影響，其中馬祥慶等[18]和唐萬鵬等[19]分別對杉木和楊樹人工林的研究表明，連栽會造成土壤有機(jī)碳和全氮含量不同程度的下降，其中0～20 cm土層有機(jī)碳和全氮含量下降幅度較其他土層更大；何佩云等[20]的研究則表明，連栽馬尾松人工林0～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)碳、全氮含量和儲量均呈現(xiàn)隨栽植代數(shù)增加而明顯增加的趨勢，表現(xiàn)出與上述杉木、楊樹等相反的變化特征。Lima等[10]和Chen等[14]的研究表明，桉樹造林顯著降低了土壤有機(jī)碳和氮素等養(yǎng)分含量，從而引起土地退化[10-13]；Maquere等[15]研究則表明，桉樹取代灌木稀樹草原后，不管是保持林木持續(xù)生長還是采用短輪伐期經(jīng)營，經(jīng)過60年后，表層土壤有機(jī)碳、全氮含量均顯著增加；鄧蔭偉等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，10年生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；史進(jìn)納等[22]研究則表明，桉樹人工林地土壤有機(jī)碳含量隨著栽植代數(shù)的增加而呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢?？梢?，桉樹人工林對土壤有機(jī)碳和全氮等養(yǎng)分的影響可能會因?yàn)樵炝智巴恋仡愋?、輪伐時(shí)間以及施肥等管理措施的不同而存在差異。但上述研究都只是從土壤有機(jī)碳和全氮含量方面考慮，而沒有從土壤有機(jī)碳和全氮儲量的變化方面進(jìn)行分析。由于森林的形成和生長過程，同時(shí)也是森林與土壤相互影響和相互作用的過程[23]，桉樹連栽往往導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)包括土壤容重發(fā)生一定的變化[24]，而在相同的土壤深度下，單位面積土壤有機(jī)碳和全氮儲量既取決于土壤有機(jī)碳和全氮含量的多少，同時(shí)也與土壤容重的大小密切相關(guān)。因此，采用土壤有機(jī)碳和全氮儲量更能反映連栽桉樹人工林對土壤有機(jī)碳和全氮變化的影響。

本研究表明，與馬尾松林相比， 1、2和3代桉樹林土壤容重分別比馬尾松林下降12.0%、12.8%和10.40%，20～40 cm土層也呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，這與韓藝師等[12]的研究結(jié)果存在較大的差異，這可能與本研究的桉樹造林前采用機(jī)耕翻犁整地措施對土壤容重和孔隙狀況的影響有關(guān)。而土壤有機(jī)碳、全氮含量和儲量均呈現(xiàn)隨栽植代數(shù)增加而下降的趨勢，但不同土層的變化規(guī)律存在一定差異。在0～20 cm土層，1、2、3代桉樹人工林土壤有機(jī)碳和全氮含量分別比馬尾松林下降7.97%、15.18%、22.91%和6.03%、13.07%、20.00%，土壤有機(jī)碳和全氮儲量相應(yīng)下降18.75%、25.86%和30.51%和17.01%、23.74%、27.60%；而在20～40 cm土層，1、2、3代桉樹人工林有機(jī)碳和全氮含量分別下降0.22%、1.08%、6.83%和0.84%、1.86%、7.25%，土壤有機(jī)碳和全氮儲量相應(yīng)下降9.40%、11.76%、12.50%和4.56%、10.80%和12.15%?？梢?，連栽桉樹土壤有機(jī)碳和全氮儲量下降幅度明顯高于其含量下降幅度，因此以儲量用作反映桉樹連栽對土壤有機(jī)碳和氮素變化的影響更有意義，同時(shí)也說明，雖然桉樹人工林已連續(xù)栽種3代，但其對土壤有機(jī)碳和氮素的影響主要發(fā)生在0～20 cm土層，對20～40 cm土層的影響相對較小。本研究中4種林分類型土壤有機(jī)碳和全氮均存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（p<0.01），土壤有機(jī)碳、全氮與C/N之間也存在顯著的相關(guān)關(guān)系（p<0.05），說明土壤氮素和土壤有機(jī)碳存在密切的依存關(guān)系，而桉樹取代馬尾松及其連栽過程既造成土壤有機(jī)碳含量和儲量減少，同時(shí)也會導(dǎo)致土壤氮素含量和儲量的下降。

森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳主要來源于植物殘?bào)w（包括凋落物和腐爛根系）的歸還，土壤氮素則主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)的分解，土壤有機(jī)碳和氮素的消長均決定于土壤有機(jī)質(zhì)的生物積累和分解作用的相對強(qiáng)弱，而桉樹人工林還存在通過施肥輸入氮素的影響。本研究中連栽桉樹人工林土壤有機(jī)碳、全氮含量和儲量以及土壤C/N均表現(xiàn)出隨栽植代數(shù)增加而下降的趨勢，其原因可能與桉樹的樹種特性及經(jīng)營管理措施有關(guān)，首先是桉樹的速生特性和短輪伐期經(jīng)營（輪伐期為5～7 a），養(yǎng)分需求量極大，加上桉樹采伐時(shí)采取全樹利用包括樹干和枝、葉、皮和根等，所帶走的養(yǎng)分量包括氮素占全樹的80%以上[25]，造成林地土壤養(yǎng)分消耗過度和土壤有機(jī)碳、氮庫的虧損[26]。其次是桉樹取代馬尾松以及連栽過程中采取的煉山、翻耕全墾整地，雖然有利于疏松土壤，加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解和有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化與釋放，但由于清除了地表植被和凋落物層，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，致使地表易受降雨侵蝕，造成水土及土壤有機(jī)碳、氮的大量流失。此外，桉樹栽植后采取的撫育管理措施特別是生長前期使用除草劑除草，破壞和抑制林下植被的生長，致使林地微環(huán)境變差，造成地表土壤裸露，使林地易受降雨侵蝕，水土流失和養(yǎng)分淋溶加劇，進(jìn)一步引起土壤有機(jī)碳、氮的損失，加上多代連栽，致使桉樹取代馬尾松和連栽的過程表現(xiàn)為林地土壤有機(jī)碳、氮庫逐漸退化的過程。因此，在桉樹人工林經(jīng)營過程中，應(yīng)采用合理的經(jīng)營措施，如改變單一純林經(jīng)營模式，與固氮樹種等混交[27]，合理施加含氮較豐富的有機(jī)復(fù)合肥，注意保留林下植被和凋落物，同時(shí)延長采伐時(shí)間，培育經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的桉樹大徑材，采伐時(shí)在林地中保留采伐剩余物，將有助于維持林地土壤養(yǎng)分平衡，實(shí)現(xiàn)桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展。

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