多代連栽對桉樹人工林土壤有機碳含量影響的Meta 分析

崔俊峰，唐 健，郭麗梅，王會利，石媛媛，宋賢沖*

（1廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002；2廣西林用新型肥料研發(fā)中心，廣西南寧 530002；3廣西壯族自治區(qū)國有欽廉林場，廣西欽州 535000；4 廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001）

多代連栽是桉樹人工林一種常見的經(jīng)營方式，短周期多代連栽可以帶來巨大的經(jīng)濟利益。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大碳庫的土壤，其對全球碳循環(huán)起著重要作用。近年來，隨著短周期多代連栽、全墾皆伐等高強度經(jīng)營方式在桉樹人工林的大面積應(yīng)用，桉樹人工林土壤質(zhì)量發(fā)生明顯下降，土壤碳密度和碳儲量也呈下降趨勢。因此，越來越多的研究者開始關(guān)注多代連栽下桉樹人工林土壤有機碳的變化。明安剛等、肖斌、史進(jìn)納等、宋賢沖等對不同連栽代次桉樹人工林土壤有機質(zhì)（碳）含量進(jìn)行了研究；梁宏溫等、黃圖英、呂小燕等研究了連栽下桉樹人工林土壤有機碳儲量的變化特征。由于土壤有機碳含量的影響因素較多，包括土地利用方式、地理位置、氣溫和降水量等，而大多數(shù)研究的空間和時間尺度較小，加上土壤具有較強的異質(zhì)性，導(dǎo)致不同連栽代次土壤有機碳的研究結(jié)果代表性較差且出現(xiàn)不同研究結(jié)果不一致的現(xiàn)象，這就造成引用或參考上述研究結(jié)果時難以辨別和取舍的問題。針對上述問題，就需要采取與傳統(tǒng)研究綜述定性比較不同的方法，對研究結(jié)果進(jìn)行定性與定量結(jié)合的綜合分析，得出綜合性的分析結(jié)論。

Meta 分析（Meta-Analysis）是一種系統(tǒng)性評價方法，其采用一個統(tǒng)一的效應(yīng)量或效應(yīng)尺度來合并量化和綜合評價反映多個獨立的研究結(jié)果，根據(jù)效應(yīng)量或效應(yīng)尺度來驗證和提高獨立研究結(jié)果的可信度，進(jìn)而解決單一研究結(jié)果存在不一致的現(xiàn)象。本文采用Meta 分析的方法，系統(tǒng)整合已發(fā)表的文獻(xiàn)資料，定量綜合分析多代連栽下不同代次桉樹人工林、同一代次不同土層土壤有機碳含量的變化趨勢，比較多代連栽與對照林分的土壤有機碳含量差異，旨在科學(xué)、準(zhǔn)確和較為全面地揭示多代連栽下桉樹人工林土壤有機碳含量變化的普遍性規(guī)律，為科學(xué)合理地經(jīng)營桉樹及維持桉樹人工林地力可持續(xù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)的收集

利用中國知網(wǎng)（CNKI）、萬方等中文數(shù)據(jù)庫，以“連栽”、“連作”、“萌芽”、“桉”和“有機碳”、“有機質(zhì)”、“土壤養(yǎng)分”、“土壤理化性質(zhì)”等為關(guān)鍵詞，具體檢索式為“TI=（連栽+連作+萌芽+林齡）×桉AND SU=（有機碳+有機質(zhì)+土壤養(yǎng)分+土壤理化性質(zhì)）”，收集并篩選了2022 年4月份以前發(fā)表的有關(guān)“連栽-桉樹-土壤有機碳”的相關(guān)研究論文進(jìn)行Meta 分析。

1.2 文獻(xiàn)篩選及資料提取

為達(dá)到本研究的目的和減少文獻(xiàn)篩選帶來的偏差，所篩選的文獻(xiàn)必須滿足以下幾個條件：1）試驗中必須以非桉樹林地（杉木、馬尾松林或種植之前的空地）為對照組，以不同連栽代次的桉樹林為處理組；2）研究論文所提供的土壤有機碳數(shù)據(jù)必須有試驗的重復(fù)數(shù)（至少可以從論文其它部分得知）、標(biāo)準(zhǔn)差或者標(biāo)準(zhǔn)誤?；谝陨虾Y選標(biāo)準(zhǔn)，最終獲得符合要求的研究論文9 篇，獲取有效數(shù)據(jù)81對。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于已發(fā)表論文的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式有表格和圖兩種，故獲取數(shù)據(jù)的方法也有所差別。若文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以表格的形式呈現(xiàn)，數(shù)據(jù)直接從表格中獲?。蝗粑墨I(xiàn)數(shù)據(jù)以圖的形式呈現(xiàn)，則利用GetData Graph Digitizer 2.26 軟件來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)研究結(jié)果以有機質(zhì)含量呈現(xiàn)的，則按照有機質(zhì)（g·kg）=土壤有機碳（g·kg）×1.724 進(jìn)行換算；若研究結(jié)果以百分含量呈現(xiàn)，則將其轉(zhuǎn)化為g·kg的單位。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

文獻(xiàn)統(tǒng)計分析采用RevMan5.4 軟件（https://training.cochrane.org/online-learning/core-software/revman/revman-5-download）。多代連栽影響的效應(yīng)量以不同林分土壤有機碳含量的加權(quán)均數(shù)差（Weighted Mean Difference，WMD）來表示。通過效應(yīng)量計算各研究的效應(yīng)量點估計值、95%置信區(qū)間（Confidence Interval，CI）、納入研究的合并效應(yīng)量WMD 及95% CI。其中，采用χ檢驗（α=0.05）結(jié)合異質(zhì)性指數(shù)（I）的方法分析納入研究結(jié)果間的異質(zhì)性以及判斷異質(zhì)性顯著程度。根據(jù)異質(zhì)性分析結(jié)果來選擇效應(yīng)分析的模型，固定效應(yīng)模型適用于研究結(jié)果間統(tǒng)計學(xué)異質(zhì)性不顯著時（＜50%、≥0.05）；反之，如研究結(jié)果間存在統(tǒng)計學(xué)異質(zhì)性時（＞50%、＜0.05），則采用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)檢索結(jié)果

按照文獻(xiàn)檢索策略通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)35 篇，結(jié)合文獻(xiàn)納入和排除篩選條件，共篩選出符合要求的文獻(xiàn)9 篇。

2.2 納入研究的文獻(xiàn)基本特征

從文獻(xiàn)發(fā)表的時間來看，納入研究的9 篇文獻(xiàn)開展研究的時間從2007 年到2020 年不等。研究樣地分布在廣西、福建和四川等桉樹種植區(qū)，其中以廣西為主，而廣西的研究地點中以廣西東門林場雷卡分場為主。文獻(xiàn)中的土壤類型不同，有紅壤、磚紅壤、赤紅壤和老沖積黃壤，以赤紅壤為主。各研究的樣地數(shù)量不同，采集土樣的土壤分層范圍為0～100 cm，不同研究的分層范圍以0～20 cm、20～40 cm 為主（表1）。

表1 納入研究的文獻(xiàn)基本特征

2.3 一代桉樹林土壤有機碳含量

9 項研究報道了一代桉樹林土壤有機碳含量的變化情況。研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗具有統(tǒng)計學(xué)意義（=82%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著，故選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析。經(jīng)Meta 分析表明，合并效應(yīng)量 WMD=1.29，95% CI為-1.86～-0.72，合并效應(yīng)量WMD＜0，說明綜合各研究結(jié)果反映出土壤有機碳含量一代林＜對照林分，且差異極顯著（＜0.01）。

亞組分析可以更好地揭示土壤有機碳含量在不同代次間不同土層的變化情況。在0～20 cm 土層，納入的8 篇文獻(xiàn)研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗具有統(tǒng)計學(xué)意義（=72%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=-2.48＜0，95% CI 為-3.76～-1.19，說明在0～20 cm 土層一代林土壤有機碳含量低于對照林分，且差異極顯著（＜0.01）。在20～40 cm 土層，7 篇文獻(xiàn)研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗具有統(tǒng)計學(xué)意義（=62%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=-1.26＜0，95% CI 為-2.19～-0.34，說明在20～40 cm 土層一代林土壤有機碳含量低于對照林分，且差異顯著（＜0.05）。在40～60 cm 土層，3 篇文獻(xiàn)研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗不具有統(tǒng)計學(xué)意義（=0%、＞0.05），表明各研究間異質(zhì)性不顯著。選用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=-0.39＜0，95% CI 為-0.72～-0.07，說明在40～60 cm 土層一代林土壤有機碳含量低于對照林分，且差異顯著（＜0.05）。60 cm 以下土層各研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗不具有統(tǒng)計學(xué)意義（=0%、＞0.05），表明各研究間異質(zhì)性不顯著。選用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=0，95%CI 為-0.36～-0.35，說明在60 cm 以下土層一代林土壤有機碳含量和對照林分沒有顯著差異（＞0.05）（圖1）。從圖1 可知，與對照林分相比，桉樹一代林不同土層間土壤有機碳含量合并效應(yīng)量WMD 的變化趨勢為0～20 cm＜20～40 cm＜40～60 cm＜60 cm以下，即隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量差異逐漸減小。

圖1 一代桉樹林與對照林分土壤有機碳含量Meta 分析

2.4 二代桉樹林土壤有機碳含量

6 項研究報道了二代桉樹林土壤有機碳含量的變化情況。研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗具有統(tǒng)計學(xué)意義（=90%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著，故選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析。經(jīng)Meta分析表明，合并效應(yīng)量WMD=-1.80＜0，95% CI為-2.67～-0.94，說明綜合各研究結(jié)果反映出土壤有機碳含量二代林＜對照林分，且差異極顯著（＜0.01）。

進(jìn)一步對各研究結(jié)果按不同土層進(jìn)行亞組分析。在0～20 cm 土層，納入的5 篇文獻(xiàn)研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗具有統(tǒng)計學(xué)意義（=59%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=-4.73 ＜0，95% CI為-6.32～-3.13，說明在0～20 cm 土層二代林土壤有機碳含量低于對照林分，且差異極顯著（＜0.01）。在20～40 cm 土層，各研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗具有統(tǒng)計學(xué)意義（=81%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=-1.30＜0，95% CI 為-2.67～0.07，說明在20～40 cm 土層二代林土壤有機碳含量低于對照林分，但差異不顯著（＞0.05）。在40～60 cm土層，各研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗不具有統(tǒng)計學(xué)意義（=33%、＞0.05），表明各研究間異質(zhì)性不顯著。選用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=-0.05＜0，95%CI 為-0.59～0.49，說明在40～60 cm土層二代林土壤有機碳含量低于對照林分，但差異不顯著（＞0.05）。60 cm 以下土層各研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗不具有統(tǒng)計學(xué)意義（=0、＞0.05），表明各研究間異質(zhì)性不顯著。選用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=0.13，95% CI 為-0.24～0.49，說明在60 cm 以下土層二代林土壤有機碳含量高于對照林分，但差異不顯著（＞0.05）（圖2）。從圖2 可知，與對照林分相比，桉樹二代林不同土層間土壤有機碳含量合并效應(yīng)量WMD 也呈現(xiàn)0～20 cm＜20～40 cm＜40～60 cm＜60 cm 的變化趨勢。

圖2 二代桉樹林與對照林分土壤有機碳含量Meta 分析

2.5 三代桉樹林土壤有機碳含量

4 項研究報道了連栽三代桉樹林和對照林分土壤有機碳含量的變化。各項研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗顯著（=86%、＜0.05）。選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行Meta 分析，結(jié)果表明各研究結(jié)果整體合并效應(yīng)量WMD=-1.87＜0，95%CI 為-3.37～-0.36，說明連栽三代桉樹林土壤有機碳含量整體上低于對照林分，且差異顯著（＜0.05）。

按不同土層對各項研究結(jié)果進(jìn)行亞組分析。在0～20 cm 土層，納入的3 篇文獻(xiàn)研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗不具有統(tǒng)計學(xué)意義（=0、＞0.05），異質(zhì)性不顯著。選用固定效應(yīng)模型進(jìn)行Meta 分析，其合并效應(yīng)量WMD=-4.79＜0，95%CI 為-6.03～-3.55，說明在0～20 cm 土層三代林土壤有機碳含量低于對照林分，且差異極顯著（＜0.01）。在20～40 cm土層，各研究結(jié)果間異質(zhì)性不顯著（=22%、＜0.05），選用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析。Meta 分析合并效應(yīng)量WMD=-0.54＜0，95%CI 為-1.62～0.54，說明在20～40 cm 土層三代林土壤有機碳含量低于對照林分，但差異不顯著（＞0.05）。在40～60 cm土層，由于僅有一篇納入文獻(xiàn)，故無法計算異質(zhì)性。選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析，其合并效應(yīng)量WMD=-0.34＜0，95% CI 為-1.20～0.52，說明在40～60 cm 土層三代林土壤有機碳含量低于對照林分，但差異不顯著（＞0.05）。60 cm 以下土層選用隨機效應(yīng)模型進(jìn)行分析后，合并效應(yīng)量WMD=0.94，95%CI 為-0.43～2.41，說明在60 cm以下土層三代林土壤有機碳含量高于對照林分，但差異不顯著（＞0.05）（圖3）。從圖3 可知，與對照林分相比，桉樹三代林不同土層間土壤有機碳含量合并效應(yīng)量WMD 也呈現(xiàn)0～20 cm ＜20～40 cm ＜40～60 cm＜60 cm 的變化趨勢。

圖3 三代桉樹林與對照林分土壤有機碳含量Meta 分析

3 討論

土壤有機碳含量受氣候和土壤因素等多種環(huán)境因子的影響，其中氣候因子的影響最為突出。Fang 等以省級單位為尺度評估了我國土壤有機碳的分布特征，發(fā)現(xiàn)土地利用類型和土壤質(zhì)地是土壤有機碳含量的主要因素。通過對桉樹人工林多代連栽土壤有機碳含量的Meta 分析發(fā)現(xiàn)，各文獻(xiàn)間研究結(jié)果有較大的差異。造成各文獻(xiàn)間研究結(jié)果差異的主要原因可能是各研究相同代次林分的實際林齡不統(tǒng)一、土壤有機碳含量空間變異幅度較大、土壤樣品采集時劃分土層深度標(biāo)準(zhǔn)和采集土層深度不一致等。按照土層劃分為亞組對不同連栽代次與對照林分土壤有機碳含量進(jìn)行Meta 分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同連栽代次各土層土壤有機碳含量總體上低于對照林分。不同連栽代次表土層（0～20 cm）土壤有機碳含量均顯著低于對照林分，而隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量受連栽代次的影響逐漸減弱。本結(jié)果與董麗等、魏衛(wèi)東等的研究結(jié)果一致，表明多代連栽對桉樹土壤有機碳含量的影響主要體現(xiàn)在表土層。

在對不同連栽代次桉樹林土壤有機碳含量進(jìn)行Meta 分析時，不同研究間總體分析均存在異質(zhì)性，但亞組分析之間僅一代林和二代林的0～20 cm 和20～40 cm 土層間存在顯著的異質(zhì)性。產(chǎn)生這種情況的可能原因在于：一、納入研究的文獻(xiàn)量不足，無法進(jìn)行異質(zhì)性檢驗或異質(zhì)性檢驗結(jié)果可信度不高；二、不同的研究采樣深度不同，但在0～20 cm 和20～40 cm 一般都進(jìn)行了采樣，而不同研究采集混合土樣進(jìn)行有機碳含量測定的方法不一致；三、不同樣地的管理措施存在差異，例如施肥量和撫育經(jīng)營方式有差異。

前期已有大量開展桉樹人工林土壤有機碳研究的文獻(xiàn)報道，但是由于無對照林分、關(guān)鍵指標(biāo)缺失、重復(fù)數(shù)量不夠等原因，符合Meta 分析納入標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)數(shù)量有限。Meta 分析結(jié)果不僅受限于納入標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)數(shù)量，檢索到的文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量異質(zhì)性也對分析結(jié)果有重要影響，這些最終會影響到Meta分析結(jié)果的論證強度及外推性。與敘述性綜述相比，Meta 分析因其可以較客觀地依據(jù)統(tǒng)計學(xué)原則進(jìn)行定性、定量的綜合分析，較適用于類似土壤理化性質(zhì)等在較大時空尺度變異幅度較大的研究中。

針對桉樹人工林多代連栽對土壤有機碳影響的研究要想獲得科學(xué)客觀的研究結(jié)果，亟待加強對研究樣地的選取、采樣和分析測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化流程下產(chǎn)出的研究結(jié)果才更具有科學(xué)意義，才能更加有利于指導(dǎo)生態(tài)學(xué)和森林培育學(xué)實踐。

4 結(jié)論

對不同連栽代次桉樹人工林土壤有機碳含量進(jìn)行Meta 分析發(fā)現(xiàn)，不同連栽代次土壤有機碳含量均低于對照林分；一代林和二代林土壤有機碳含量與對照林分差異極顯著；三代林土壤有機碳含量與對照林分差異顯著。

亞組分析結(jié)果表明，一代、二代和三代桉樹人工林0～20 cm 土層土壤有機碳含量均低于對照林分，且差異極顯著。不同連栽代次桉樹人工林土壤有機碳含量合并效應(yīng)量大體上隨著土層深度的增加而變大，土壤有機碳含量差異逐漸減小。

綜上可知，隨著連栽代次的增加，桉樹人工林土壤有機碳含量與對照林分的差異逐漸減??；隨著土層深度的增加，桉樹人工林土壤有機碳含量與對照林分的差異逐漸減小，多代連栽對桉樹土壤有機碳含量的影響主要體現(xiàn)在表土層。今后在桉樹人工林營林實踐中應(yīng)注重對一代、二代和三代桉樹人工林的表層土壤的有機質(zhì)補充，以維持桉樹人工林地力和可持續(xù)健康發(fā)展。