不同種植密度對臺灣榿木人工林土壤有機(jī)碳含量的影響

鄭 威，譚長強(qiáng)，申文輝，彭玉華，何 峰

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002）

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫[1]，其微小變化會對大氣碳庫造成巨大影響，對于土壤碳庫的變化及其林分控制因子的研究具有重要意義。林分密度是影響生長和生物量的重要調(diào)控因子[2]，主要通過林木個體對生存空間的競爭實現(xiàn)[3]，生長差異會造成林木地上和地下的凋落物產(chǎn)量[4-5]不同，對土壤碳庫輸入來源造成影響。林分密度引起的冠層透光性差異會改變林下植被的多樣性和生物量[6]，也會改變地表溫度，進(jìn)而影響微生物活性及凋落物分解速率，對土壤呼吸碳排放過程造成影響[7]。林分密度可以通過對土壤碳庫輸入和輸出過程的調(diào)控而對土壤有機(jī)碳含量造成影響。

臺灣榿木（Alnus formosana）生長快，干型通直，根系發(fā)達(dá)且有根瘤菌伴生，具備固氮能力，是優(yōu)良的生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹種，有良好的推廣應(yīng)用前景。本研究以臺灣榿木為對象，通過設(shè)置不同種植密度，測定不同種植密度下土壤有機(jī)碳含量及相關(guān)環(huán)境因素，探討種植密度對臺灣榿木人工林土壤有機(jī)碳含量的影響及其影響土壤有機(jī)碳含量的過程，以期為臺灣榿木生態(tài)經(jīng)營和碳匯功能評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于南寧市武鳴區(qū)丁當(dāng)鎮(zhèn)南寧市林科所試驗林場（107°49′～108°37′E，22°59′～23°33′N），海拔約80 m，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.6℃，1月均溫12.8℃，7月均溫28.2℃，年均降水量1 227～1 691 mm。地勢平坦，坡度＜5°，相對高差＜10 m，土壤類型為赤紅壤。

試驗林于2015年3月營造，前栽作物為木薯（Manihot esculenta）。造林前全面翻耕、整地清理，設(shè)2 m×2 m、2 m×3 m和4 m×2 m共3種造林密度，每密度設(shè)置3個重復(fù)，每重復(fù)面積為0.2 hm2。

1.2 研究方法

造林后每半年進(jìn)行1次生長測定，每種密度選擇30個單株測定其胸徑、樹高、冠幅和枝下高等指標(biāo)。胸徑采用胸徑尺測定，樹高和枝下高采用激光測高儀測定，冠幅采用鋼尺測定。

在2017年4月和2019年2月進(jìn)行土壤取樣，每種密度取3個重復(fù)，每個重復(fù)由3個隨機(jī)取樣點土樣混合而成，取樣深度為0～20 cm（A層）、20～40 cm（B層）。土壤容重采用環(huán)刀法測定，含水量采用鋁盒稱重法測定，有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀平板加熱法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，有效氮采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷采用NH4F-HCL法測定，速效鉀采用原子發(fā)射光度法測定[8]。

每個密度放置9個土壤呼吸測定底座（PVC材質(zhì)，Φ20 cm×H8 cm），環(huán)插入土壤3～4 cm，距樹干約1 m，研究期內(nèi)保持不動。在2017年4月和2019年2月選擇晴天日進(jìn)行土壤呼吸速率測定，所用儀器為Li-COR 8100便攜式土壤碳通量測定系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用單因素方差分析及Duncan多重比較分析不同種植密度林木的胸徑、冠幅、土壤有機(jī)碳含量、養(yǎng)分含量和土壤呼吸速率的差異，采用Pearson相關(guān)分析檢驗土壤有機(jī)碳含量與相關(guān)環(huán)境因子之間的關(guān)系。采用R軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量變化

2019年A層和B層土壤的有機(jī)碳含量相比2017年分別降低1.34%和13.27%，均差異不顯著（表1）。2019年A層和B層土壤有機(jī)碳含量的變異系數(shù)分別為2017年的1.55倍和1.59倍。A層土壤有機(jī)碳含量均顯著高于B層（P＜0.05），其中2019年土壤A層與B層間的差異較2017年更大。表明隨著林分生長，土壤有機(jī)碳在水平方向和垂直方向的空間變異均有所增大。

表1 土壤有機(jī)碳含量及變異系數(shù)Tab.1 Contents of soil organic carbon and variation coefficients

2.2 種植密度對土壤有機(jī)碳含量的影響

2017年，A層土壤有機(jī)碳含量隨種植密度減小呈增大趨勢，B層則呈減小趨勢，各種植密度間差異不顯著（圖1）。2019年，2個土層的土壤有機(jī)碳含量均隨種植密度減小呈增大趨勢，其中A層土壤中3個種植密度的有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05），B層中2×2密度的土壤有機(jī)碳含量顯著低于其他密度（P＜0.05），2×3和4×2密度間差異不顯著。比較各種植密度年份間的差異可知，2×2密度的土壤有機(jī)碳含量在年份間差異顯著（P＜0.05）。隨著林分生長，種植密度對土壤有機(jī)碳含量的影響趨勢增大。

圖1 不同種植密度林分的土壤有機(jī)碳含量Fig.1 Contents of soil organic carbon in stands with different planting densities

2.3 種植密度對林木生長和土壤呼吸的影響

2017年各種植密度林分的平均胸徑為4.75～5.09 cm，各種植密度間差異不顯著；2019年3種種植密度的平均胸徑分別為7.76、7.92和9.17 cm，4×2密度林分胸徑顯著高于其他密度（P＜0.05）（圖2）。不同種植密度的土壤呼吸速率在2017年和2019年均差異不顯著，4×2密度的土壤呼吸速率在2017年高于其他密度，但在2019年低于其他密度。

2.4 土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子的關(guān)系

2017年土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量、土壤全氮和有效氮含量均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；2019年，其與土壤含水量、土壤全氮和有效氮含量相關(guān)性均不顯著（表2）。土壤有機(jī)碳含量與速效磷含量的關(guān)系表現(xiàn)為A土層負(fù)相關(guān)、B土層正相關(guān)，與速效鉀含量均呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平；與林分平均胸徑均呈正相關(guān)，其相關(guān)性在2019年高于2017年；與林分冠幅在2017年呈負(fù)相關(guān)，在2019年呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

圖2 不同種植密度林分的平均胸徑和土壤呼吸速率Fig.2 Mean DBHs and soil respiration rates in stands with different planting densities

表2 土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子的相關(guān)性Tab.2 Correlations between content of soil organic carbon and environmental factors

采用逐步回歸建立土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子的線性關(guān)系。2017年，A層土壤有機(jī)碳含量模型解釋變量為有效氮、全氮和速效磷含量，模型判斷系數(shù)為0.896～0.943，B層土壤有機(jī)碳含量與全氮含量和林分胸徑所建立的模型判斷系數(shù)為0.845～0.925；2019年，A層土壤有機(jī)碳含量與冠幅和速效鉀含量建立的模型判斷系數(shù)為0.326～0.682，B層土壤有機(jī)碳含量與冠幅的回歸模型判斷系數(shù)為0.381（表3）。2017年土壤有機(jī)碳含量主要受土壤氮素含量影響，2019年主要受林木冠幅大小影響。

表3 土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子的線性回歸模型Tab.3 Linear regression models of content of soil organic carbon and environmental factors

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤有機(jī)碳含量的時空變異

2019年的土壤有機(jī)碳含量略小于2017年，原因可能在于種植前的翻耕作業(yè)和施肥，前栽作物收獲后大量植物殘體遺留在地表，經(jīng)過翻耕后進(jìn)入土壤，提高了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，土壤微生物也獲得了充足的基質(zhì)供應(yīng)，通過分解植物殘體促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的增加。2017年后停止施肥，在2019年測定時前栽作物殘體已得到充分分解，此時土壤有機(jī)碳來源為林分根系和枝葉的凋落物分解輸入[9]，雖然林木已進(jìn)入快速生長期，凋落物量增多，但由于枝葉的分解過程長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年[10]，土壤有機(jī)碳庫輸入降低，使土壤有機(jī)碳含量出現(xiàn)降低的情況。研究中A層土壤有機(jī)碳含量降幅較B層土壤小也證實了這一推斷，因為表層土壤有機(jī)碳能更多接收地表凋落物分解的補(bǔ)充。

隨著時間推移，翻耕后相對均勻的土壤受到種植密度、林下植被和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子影響，出現(xiàn)根系分布[11]和凋落物分解[12]差異，土壤有機(jī)碳含量也呈現(xiàn)出更高的異質(zhì)性，導(dǎo)致2019年土壤有機(jī)碳變異明顯高于2017年。B層土壤有機(jī)碳含量變異高于A層土壤，原因可能在于較深土層土壤有機(jī)碳遷移能力弱，溫度和濕度等環(huán)境條件引起的差異會逐漸累積放大；而表層土壤有機(jī)碳直接接受地表凋落物分解碳輸入，受凋落物分解影響較大，凋落物分解產(chǎn)物會隨降雨形成的地表徑流遷移，縮小表層土壤有機(jī)碳含量的空間變異。

3.2 種植密度對林分胸徑、土壤呼吸速率和土壤有機(jī)碳含量的影響

2017年各種植密度的林分平均胸徑差異很小，但2019年4×2密度顯著高于其他密度，原因在于2017年林木幼小，對空間和資源的需求小，所以密度間差異極小，但隨著林木生長，其個體對于空間和資源的需求也在增大，2019年高種植密度已經(jīng)對林木個體生長產(chǎn)生了抑制作用。

各種植密度的土壤呼吸速率差異不顯著，4×2密度的土壤呼吸速率在2017年最大，在2019年最小，這種密度影響與邵英男等[13]的研究相近。原因在于2017年各密度的平均胸徑差異很小，較低的種植密度有更好的透光性，一方面通過促進(jìn)林下灌草植被的增加促進(jìn)土壤呼吸，另一方面通過提高土壤溫度促進(jìn)土壤呼吸，雖然低喬木密度也會因為地下根系相對較少而引起自養(yǎng)呼吸的減少，但在總體上4×2密度高于其他密度；2019年4×2密度的土壤呼吸[13]較小的原因與2017年相反，更大的個體、更高的冠層郁閉度、稀少的林下植被和較低的土壤溫度造成土壤呼吸減少。

2017年，A層土壤有機(jī)碳含量隨種植密度減小呈增大趨勢，而B層呈減小趨勢，原因在于2017年林木胸徑不足5 cm，林木冠幅較小，除了根系凋落物和枝葉凋落物，林下灌草層的凋落物成為表層土壤碳的重要來源，種植密度越低的林分透光性越好，林下植被越茂密，其表層土壤有機(jī)碳含量越高。灌草層根系淺難以影響到較深層土壤，B層土壤主要受根系凋落及根際微生物活性的影響，此時林分密度越高，根系凋落和根際微生物活性越高，因此B層土壤有機(jī)碳含量隨密度增大而增加。但總體而言，此時林分幼小，其密度差異對土壤有機(jī)碳含量的影響不顯著。2019年樣地林分胸徑已超過7.5 cm，4×2密度林分胸徑超過9 cm，林木生長越快，其代謝越旺盛，土壤有機(jī)碳輸入增加；另外，4×2密度較低的土壤呼吸速率會減少土壤碳排放，所以土壤有機(jī)碳含量隨種植密度減小而增大。

3.3 土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子的相關(guān)性

2017年土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮和有效氮含量均呈極顯著正相關(guān)，證實了該階段土壤有機(jī)碳含量主要受施肥影響，使微生物生物量增加，促進(jìn)了前栽作物殘體和凋落物進(jìn)入土壤碳庫。2017年土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，原因在于此時林木幼小，土壤缺乏地表植被遮陰和凋落物覆蓋，土壤水分變化幅度大，植物根系和土壤微生物對土壤水分敏感性高，高土壤含水量會促進(jìn)植物根系生長代謝，也會增加微生物生物量。2019年土壤有機(jī)碳含量與林分平均冠幅呈極顯著正相關(guān)，與林分胸徑的相關(guān)系數(shù)高于2017年，原因在于更大的冠幅需要更龐大和強(qiáng)壯的根系支撐及更強(qiáng)的根系吸收能力，地下根系凋落物和地上枝葉凋落物量的增加，增加了土壤碳庫供應(yīng)，更大的冠幅也會降低地表土壤溫度進(jìn)而降低土壤呼吸碳排放，也驗證了種植密度對土壤有機(jī)碳含量的影響。2019年土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量無顯著相關(guān)，原因在于隨著林分郁閉度增加、地表灌草生長茂盛和凋落物覆蓋，土壤多處于適宜根系和微生物生長的濕潤狀態(tài)，土壤含水量已不再是主要限制因子。

本研究表明，土地利用發(fā)生變化后，土壤有機(jī)碳會產(chǎn)生一定的流失，地表植物生長引起的環(huán)境差異會引起土壤有機(jī)碳含量空間變異的增大，測算土壤有機(jī)碳含量時要設(shè)計合理的取樣策略。隨著種植密度降低，林分單株生物量和土壤有機(jī)碳含量呈逐漸增加的趨勢，但總體生物量減少?？筛鶕?jù)經(jīng)營目的設(shè)計合理種植密度，如生態(tài)林可考慮低種植密度。