廣西不同林齡馬尾松人工林土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化*

李玉鳳，馬姜明,**，何靜樺，秦佳雙,4，零天旺，李明金，楊章旗，王永琪，宋尊榮

( 1.廣西師范大學(xué),可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新研究院，廣西桂林 541006;2.珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541006;3.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002;4.廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，廣西桂林 541006;5.橫縣鎮(zhèn)龍林場(chǎng)，廣西南寧 530327)

0 引言

全球和區(qū)域碳循環(huán)是當(dāng)前全球氣候變化研究的核心，土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要來源，通過碳排放和固定作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生直接影響[1]。土壤有機(jī)碳是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，除可作為養(yǎng)分來源外，還可改善土壤結(jié)構(gòu)和保水能力，增強(qiáng)生物活性，并對(duì)土壤肥力的可持續(xù)產(chǎn)生重要影響。森林有機(jī)碳庫(kù)對(duì)氣候變化、碳平衡等方面調(diào)控作用顯著[2]。全球土壤有機(jī)碳庫(kù)約為1 500 Pg，土壤中有機(jī)形式的碳儲(chǔ)存量是大氣中碳儲(chǔ)存量的2倍，并且在聯(lián)合國(guó)政府氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)大多數(shù)氣候區(qū)域中，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存量是植被碳庫(kù)的2-3倍[3]。土壤碳庫(kù)體量巨大，其微小變化也可能會(huì)對(duì)全球碳循環(huán)以及氣候變化產(chǎn)生重要影響，因此土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存可作為緩解氣候變化的一個(gè)廉價(jià)而有效的選擇[4]。大量研究表明，環(huán)境、生物及人類活動(dòng)等諸多因子均會(huì)影響土壤碳儲(chǔ)量的分布，因此開展森林土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化研究意義重大[5]。近自然經(jīng)營(yíng)作為人工林新增碳匯的重要選擇，主要促進(jìn)人工林正向演替，包括朝異齡林時(shí)間結(jié)構(gòu)發(fā)展以及形成多層林分狀態(tài)，縮短演替時(shí)間，同時(shí)減少人為干擾[6]。本研究樣地的幼齡林經(jīng)過3 a左右除草撫育，之后未做任何撫育處理，樹種和立地環(huán)境相適應(yīng)。馬尾松人工林由幼齡林近自然恢復(fù)到過熟林，林分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化進(jìn)而影響其生物量和生產(chǎn)力，間接調(diào)控林分固碳能力和潛力[7]。

馬尾松Pinusmassoniana作為主要的松樹人工林樹種，是廣西地區(qū)典型代表群落之一，具有耐干旱貧瘠、適應(yīng)能力強(qiáng)等特性。廣西馬尾松人工林分布面積約2.443×106hm2，占廣西整個(gè)用材林面積的54.6%[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)碳含量及土壤碳儲(chǔ)量的研究既集中于國(guó)家[9]、區(qū)域[10]等大尺度，同時(shí)也從具體森林類型方面展開[11]。目前，對(duì)土壤有機(jī)碳的研究主要集中在土地利用方式[12]、人類活動(dòng)和地理特征[13]、森林經(jīng)營(yíng)管理措施以及環(huán)境因子[14,15]對(duì)土壤有機(jī)碳的影響等方面。本文通過研究南亞熱帶馬尾松人工林近自然恢復(fù)過程中土壤碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化，為土壤肥力的提高及近自然恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于廣西南寧市橫縣鎮(zhèn)龍林場(chǎng)，地處廣西橫縣北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°08′—109°19′，北緯23°02′—23°08′，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，海拔為400—700 m，地貌類型以低山丘陵為主。年平均氣溫21.5℃，極端低溫-1.0℃，極端高溫39.2℃；年平均降雨量1 477.8 mm；年平均日照時(shí)長(zhǎng)1 758.9 h，日照充足，熱量充沛；土壤多為赤紅壤，呈酸性或微酸性[16]。

1.2 樣地設(shè)置與群落調(diào)查

在研究區(qū)域選取幼齡林(2012年種植)、中齡林(1999年種植)、成熟林(1986年種植)和過熟林(1960年種植)4種林齡類型為研究對(duì)象，在立地條件相似、長(zhǎng)勢(shì)較為一致的地段，各設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共計(jì)12個(gè)，計(jì)算樣地內(nèi)植物Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)、豐富度等特征指標(biāo)[17]，各林齡樣地概況見(表1)。

1.3 生物量的測(cè)定

本研究基于樣地群落調(diào)查，采用收獲法和建立各器官生物量模型的方法估測(cè)生物量。于2018年夏季7—8月，對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥5 cm的喬木進(jìn)行每木檢尺，灌木按照1 cm<胸徑(DBH)<5 cm隨機(jī)選取樣品，每個(gè)等級(jí)選取3—5株，根據(jù)胸徑、樹高實(shí)測(cè)結(jié)果，選擇適合本研究的已有喬木層生物量方程進(jìn)行估算[16]。灌木層地上部分分為葉、枝、干、花果，分別稱量其鮮質(zhì)量，將樣品放置于105℃烘箱內(nèi)烘干2 h，然后85℃烘至恒重，測(cè)量出各器官干鮮質(zhì)量比，以此計(jì)算各器官的干質(zhì)量和總質(zhì)量。根據(jù)樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估算其生物量，灌木層生物量模型為W灌=a×Db×Hc，喬木層生物量模型為W喬=a×(D2H)b，式中，D表示胸徑或基徑(cm)，H表示樹高(m)，a、b和c均為模型參數(shù)，具體參見文獻(xiàn)[16]。

在每個(gè)樣地分別設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的草本樣方，5個(gè)0.5 m×0.5 m的凋落物樣方，收割樣方內(nèi)全部凋落物，把采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于85℃烘干至恒重，以此測(cè)算生物量[18]。根系總生物量采用平均木土柱取樣法[19]，并按照平均木生長(zhǎng)的坡向，明確平均木與相鄰樹木的樹冠交點(diǎn)處，于交點(diǎn)處、交點(diǎn)處與平均木連線的中點(diǎn)分別挖取0.3 m×0.3 m土柱各3個(gè)[19]，將收獲的所有根系劃分為細(xì)根(直徑≤0.2 cm)、小根(0.2<直徑≤0.5 cm)、中根(0.5<直徑≤1.0 cm)和粗根(直徑>1.0 cm)，將樣品根系置于80℃條件下烘干至恒重后稱量。

表1 廣西南亞熱帶馬尾松人工林樣地概況

1.4 土壤樣品的采集、處理和分析

在每個(gè)樣地內(nèi)進(jìn)行土壤剖面挖掘，采用土鉆(內(nèi)徑5 cm)進(jìn)行取樣，按0—20,20—40和40—60 cm深度進(jìn)行分層，從下而上采集土壤樣品，土壤樣品室內(nèi)自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)后研磨過篩(孔徑0.15 mm)。每層采集環(huán)刀樣品3個(gè)，采用環(huán)刀法測(cè)定各林分土壤容重、總孔隙度以及土壤含水量等指標(biāo)。按土水質(zhì)量比1∶2.5，用pH酸度計(jì)測(cè)定pH值。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[20]測(cè)定，再根據(jù)土壤有機(jī)碳含量計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量：

式中，SOCn為分n層調(diào)查的單位面積土壤碳儲(chǔ)量(t/hm2)，Gi為第i層直徑≥2 mm的石礫含量(%)，Di為第i層土層容重(g/cm3)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，Ti為第i層土層厚度(cm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析、Duncan多重比較和Pearson相關(guān)性分析，用Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量的變化

由圖1可知，除幼齡林與中齡林間差異不顯著外，不同林齡馬尾松林土壤有機(jī)碳含量(0—60 cm)均差異顯著(P<0.05)，隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳含量遞增，表現(xiàn)為過熟林(16.82±0.23) g/kg>成熟林(13.47±0.14) g/kg>中齡林(10.91±0.38) g/kg>幼齡林(10.74±0.14) g/kg。土壤有機(jī)碳含量的最大值(32.84±0.45) g/kg和最小值(2.52±0.00) g/kg分別出現(xiàn)在過熟林0—20 cm和中齡林40—60 cm土層。隨著林齡增加，土壤有機(jī)碳含量在0—20 cm土層呈持續(xù)增大的趨勢(shì)，20—40 cm土層與40—60 cm土層在中齡林階段下降，之后不斷升高，并在過熟林階段達(dá)到最高，總體表現(xiàn)出波動(dòng)性增加的趨勢(shì)。20—40 cm土層表現(xiàn)為過熟林顯著高于其他林齡，其他林齡間差異不顯著；不同林齡在0—20和40—60 cm土層均表現(xiàn)為差異顯著。不同林齡馬尾松林土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加均呈逐漸減少的趨勢(shì)，在垂直分布上表現(xiàn)為表層(0—20 cm)土壤有機(jī)碳含量最高，不同林齡主要影響土壤表層的碳含量。0—20,20—40和40—60 cm土層的平均土壤有機(jī)碳含量分別為(25.97±5.30) g/kg,(7.56±1.04) g/kg和(5.43±2.56) g/kg。幼齡林、中齡林和成熟林的土壤有機(jī)碳含量在各土層之間均差異顯著(P<0.05)，過熟林20—40 cm土層與40—60 cm土層的土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。

不同小寫字母表示同一土層不同林齡間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一林齡不同土層間差異顯著(P<0.05)

2.2 土壤碳儲(chǔ)量的變化

由圖2可知，成熟林和過熟林馬尾松人工林土壤碳儲(chǔ)量(0—60 cm土層)顯著高于幼齡林和中齡林(P<0.05)，隨著林齡的增加，土壤碳儲(chǔ)量亦遞增，表現(xiàn)為過熟林(104.92±18.08) t/hm2>成熟林(100.52±1.18) t/hm2>中齡林(80.25±5.34) t/hm2>幼齡林(80.23±4.54) t/hm2。不同林齡土壤碳儲(chǔ)量的最大值(66.51±14.29) t/hm2和最小值(6.68±0.66) t/hm2分別出現(xiàn)在過熟林0—20 cm土層和中齡林40—60 cm土層。不同林齡0—20 cm土層土壤碳儲(chǔ)量變化規(guī)律與0—60 cm土層基本一致，在20—40 cm土層均無顯著差異，在40—60 cm土層表現(xiàn)為成熟林和過熟林顯著高于其他林齡，幼齡林顯著高于中齡林。隨著林齡的遞增，各土層土壤碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，各林齡馬尾松人工林土壤碳儲(chǔ)量均隨著土層深度的增加呈逐漸減少的趨勢(shì)。0—20,20—40和40—60 cm土層平均土壤碳儲(chǔ)量分別為(58.00±8.69) t/hm2,(19.57±1.59) t/hm2和(13.92±5.17) t/hm2，表層(0—20 cm)土壤碳儲(chǔ)量均顯著大于下層土壤(P<0.05)，這主要是因?yàn)?—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量最高。幼齡林、中齡林和成熟林的土壤碳儲(chǔ)量在各土層之間均差異顯著(P<0.05)，過熟林20—40 cm土層與40—60 cm土層的土壤碳儲(chǔ)量差異不顯著(P>0.05)。

不同小寫字母表示同一土層不同林齡間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一林齡不同土層間差異顯著(P<0.05)

由圖3可知，幼齡林、中齡林、成熟林和過熟林土層0—20 cm土壤碳儲(chǔ)量所占的比例分別為58.06%,70.18%,62.27%和63.39%，土壤碳儲(chǔ)量主要集中于0—20 cm土層。中齡林0—20 cm土層所占比例相對(duì)較高，不同林齡20—40 cm土層土壤碳儲(chǔ)量所占比例相近。

圖3 不同林齡土壤碳儲(chǔ)量在不同土層深度中的比例

2.3 植被群落特征及土壤相關(guān)指標(biāo)對(duì)土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量的影響

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果(表2，3)表明，土壤有機(jī)碳含量、土壤碳儲(chǔ)量與喬木層及灌木層Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)、物種豐富度、凋落物層現(xiàn)存量、土壤pH值、總孔隙度、土壤含水量均無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)；與根系生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，群落總生物量、地上部分生物量均與表層(0—20 cm)土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與20—40，40—60 cm土層土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與后兩個(gè)土層的土壤碳儲(chǔ)量均不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 不同林齡土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量與部分植被因子及土壤因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

表3 不同土層土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量與群落及地上部分生物量的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 土壤有機(jī)碳含量特征

土壤有機(jī)碳含量主要由土壤中有機(jī)質(zhì)的生物積累以及分解能力決定[21],可作為土壤含碳豐富度的直接表征[11]，同時(shí)可作為土壤肥力高低的重要化學(xué)指標(biāo)之一。本研究中，0—20 cm土層有機(jī)碳含量為(25.97±5.30) g/kg，與全國(guó)馬尾松人工林0—20 cm土層有機(jī)碳含量平均值(22.0 g/kg)接近[22]。各林齡土壤有機(jī)碳含量為2.52—32.84 g/kg，廣西桂林馬尾松人工林(37 a)0—60 cm土層土壤有機(jī)碳含量[11]在本研究范圍之內(nèi)。不同林齡馬尾松人工林0—60 cm土層土壤有機(jī)碳含量均高于廣西柳州[23]及貴州省馬尾松人工林各林齡0—60 cm土層土壤有機(jī)碳含量[24]。主要原因可能是南亞熱帶地區(qū)具有較好的水熱條件，對(duì)有機(jī)碳積累有抑制作用[25]。

隨著林齡遞增，土壤有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)出不斷增加趨勢(shì)，這與已有研究結(jié)果一致[24]，可能是植被胸徑、郁閉度不斷增大等因素導(dǎo)致的。在垂直空間分布上，各林齡土壤有機(jī)碳含量均隨著土層加深而降低，表層(0-20 cm)土壤有機(jī)碳含量明顯高于下層土壤，具有明顯表聚現(xiàn)象，表明林齡主要影響土壤表層的碳含量，這與已有結(jié)論一致[3,11,26]。其原因可能是樣地中馬尾松人工林植被較為豐富，根系及凋落物層分解物首先積累于表層土壤，使得表層土壤有機(jī)碳含量明顯高于深層土壤，即不同林齡土壤有機(jī)碳含量具有典型的表聚性[26]。

3.2 土壤碳儲(chǔ)量變化特征

本研究中，幼齡林、中齡林、成熟林和過熟林土壤碳儲(chǔ)量分別為(80.23±4.54) t/hm2,(80.25±5.34) t/hm2,(100.52±1.18) t/hm2和(104.92±18.08) t/hm2，均低于我國(guó)森林土壤碳儲(chǔ)量的平均值107.8 t/hm2[9]，高于肖欣等[27]對(duì)江西馬尾松人工林土壤碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果，低于貴州省馬尾松人工林各林齡0—60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量[24]，土壤碳儲(chǔ)量的區(qū)域差異性較明顯，這可能與各區(qū)域的氣候、環(huán)境條件、土壤理化性質(zhì)及人為干擾有關(guān)。

在一定林齡范圍內(nèi)，馬尾松人工林由幼齡林近自然恢復(fù)到過熟林，森林土壤通常表現(xiàn)為碳積累過程，即土壤碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì)，這與前人大多數(shù)研究結(jié)果一致[24,25]。隨著林齡增長(zhǎng)，林木間存在競(jìng)爭(zhēng)愈烈，林分凋落物處于增加的狀態(tài)，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，土壤固碳能力得到增強(qiáng)，研究表明過熟林具有較高的碳固持能力[28]。因此，在不影響生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的前提下，適當(dāng)延長(zhǎng)人工林的培育周期將有助于固碳能力提升[24]。進(jìn)一步研究表明過熟林通過改善林地土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的形成和積累，進(jìn)而有效提高林地土壤肥力[21]。本研究顯示，不同林齡土壤碳儲(chǔ)量均隨著土層深度增加而下降，不同林齡0—20 cm土層土壤碳儲(chǔ)量所占比例分別為58.06%,70.18%,62.27%和63.39%，表明馬尾松林主要通過影響土壤表層碳含量進(jìn)而對(duì)其碳儲(chǔ)量產(chǎn)生重要作用。因此，應(yīng)加強(qiáng)地表植被層的保護(hù)，減少人為活動(dòng)的干擾，有利于提高和維持土壤層有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定[2]。

3.3 土壤有機(jī)碳含量、土壤碳儲(chǔ)量的影響因素

不同林齡土壤有機(jī)碳含量、土壤碳儲(chǔ)量與植被因子、土壤因子間均存在不同相關(guān)性。植物物種多樣性的升高對(duì)于植物根部土壤碳的積累具有積極影響，有利于土壤有機(jī)碳積累，增加土壤碳儲(chǔ)量[29]。各林齡階段，土壤有機(jī)碳含量、土壤碳儲(chǔ)量與喬木層及灌木層的Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)、物種豐富度間均無顯著相關(guān)，這與前人大多數(shù)研究結(jié)果一致[17,30]。Andrew等[31]研究認(rèn)為，土壤有機(jī)碳含量與Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)之間不存在明顯相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)轳R尾松林地氮磷存儲(chǔ)較少，而氮磷含量對(duì)于植物多樣性具有一定的抑制作用[32]。

近自然恢復(fù)過程中，土壤理化性質(zhì)的變化是影響有機(jī)碳庫(kù)的重要原因[2]。研究表明，土壤pH值可用于預(yù)測(cè)微生物對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的直接或間接控制，較低的土壤pH值，對(duì)于微生物活性和數(shù)量具有抑制作用，從而促進(jìn)有機(jī)碳積累[33]，這與杜虎等[5]研究結(jié)果一致。土壤有機(jī)碳含量和土壤碳儲(chǔ)量均與土壤容重呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系[2]，土壤容重變小，土壤含水量和土壤總孔隙度升高，致使土壤有機(jī)碳含量增加。土壤含水量通過影響溶質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳礦化，如果含水量過低或過高，則會(huì)抑制土壤有機(jī)碳的分解[33]。土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ)量與根系生物量、群落總生物量和地上部分生物量的表層土壤呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)[2]，而與其他指標(biāo)相關(guān)性較弱，表明這些因子對(duì)土壤表層碳含量影響較大，可能是研究樣地的水熱條件、氣候特征、森林經(jīng)營(yíng)管理、土壤發(fā)育狀況以及各種擾動(dòng)等因素的綜合作用，影響了有機(jī)碳含量的輸入與輸出，使其呈現(xiàn)出一定的動(dòng)態(tài)變化，其影響因子表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性[34]。植被生物量對(duì)植被生產(chǎn)力和固碳能力具有重要指示作用，隨著林齡增長(zhǎng)，群落植物種類增加，物種多樣性指數(shù)整體增大，群落總生物量和地上部分生物量增加，根系[2]及地表枯落物層現(xiàn)存量[35]逐漸增多，使得凋落物層質(zhì)量明顯改善，有機(jī)碳來源增加[2]。

4 結(jié)論

本研究表明，隨著林齡增長(zhǎng)，土壤碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，總體上表現(xiàn)出碳匯效應(yīng)，說明馬尾松人工林由幼齡林近自然恢復(fù)到過熟林的過程中，林下土壤有機(jī)碳含量及碳儲(chǔ)量等生態(tài)功能指標(biāo)均有所提升，有利于土壤碳的累積和土壤質(zhì)量的提高。森林土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量受到多種因子調(diào)控，在今后的研究中應(yīng)綜合考慮植被、土壤、地形及人類活動(dòng)等生物和環(huán)境因子。本研究結(jié)果為研究土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化提供了科學(xué)依據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)馬尾松人工林多目標(biāo)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。