不同林齡馬尾松人工林土壤有機碳特征及其與養分的關系

秦曉佳，丁貴杰

（貴州大學造林生態研究所，貴州 貴陽 550025）

不同林齡馬尾松人工林土壤有機碳特征及其與養分的關系

秦曉佳，丁貴杰*

（貴州大學造林生態研究所，貴州 貴陽 550025）

選擇5個不同林齡階段的馬尾松（Pinus massoniana）人工林，研究土壤有機碳的含量、碳儲量以及有機碳與氮、磷、鉀及pH值之間的關系。結果表明：土壤各層含碳率、碳儲量均隨林齡的增加而增大，8、12、18、22、30年生林分的碳儲量分別為151.62、177.64、201.19、216.19、331.60 t/hm2；同一林齡，不同土壤層含碳率與碳貯量，均隨土層深度的增加而減少，表現為：0 ～ 20 cm ＞ 20 ～ 40 cm ＞ 40 ～ 60 cm；有機碳與氮、磷、鉀之間均呈現極顯著相關，與土壤的pH值相關性不顯著。

馬尾松；人工林；林齡；土壤有機碳；碳匯

馬尾松（Pinus massoniana）是我國松屬樹種中分布最廣的鄉土工業用材樹種，廣泛分布于全國17個?。ㄊ?、區），它具有適生能力強、速生、豐產、用途廣泛等優點，是南方最主要用材樹種之一[7]。本研究以不同林齡馬尾松人工林為研究對象，對各林齡土壤化學性質進行研究，并分析各性質與土壤有機碳之間是否存在一定的關系，為該地區森林生態系統的合理經營、碳匯功能的評價及土地利用方式的選擇提供科學依據。

1 研究區概況

調查樣地位于貴州省龍里林場。為了保證各樣地的立地條件盡量相近，在選擇樣地時，盡量選擇受人為干擾較小的地方設置樣地，并做到地貌、母巖、局部地形（坡位、坡度、坡向）、土壤條件等一致或相近。但受不同林齡林分分布的限制，個別樣地海拔略有差異，但總體上綜合立地條件是比較一致的。樣地立地指數均介于14.0 ～ 15.0 m，樣地所在處地理位置26° 27′ ～ 26° 38′ N，106° 54′ ～ 107° 4′ E。地貌屬典型黔中山原丘陵或低山，海拔1 210 ～ 1 508 m。林場屬中亞熱帶氣候，年平均溫14.8℃，1月均溫4.6℃，7月均溫23.6℃，≥10℃年積溫4 467.1℃，無霜期283 d，年降水量1 089.3 mm，年平均相對濕度79%。各樣地土壤是由石英砂巖發育而成的酸性山地黃壤，土層厚在60 cm以上，黑土厚9 ～ 15 cm，pH值4.8 ～ 5.5，質地為中壤。林下主要植被有：毛栗（Castanea mollissima）、白櫟（Quercus fabri）、南燭（Vaccinium bracteatum）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、油茶（Camellia oleifera）、鐵芒箕（Dicranopteris dichotoma）、五節芒（Miscanthus floridulu）、蕨類（Chunasia spp.）等[8]。各樣地基本情況見表1。

表1 貴州龍里林場各研究區域概況Table 1 The general conditions of sample plots in Longli Forest Farm of Guizhou

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與處理

在各樣地內按“S”型路線分別挖取土壤剖面3個，每個取樣點按0 ～ 20 cm，＞20 ～ 40 cm和 ＞ 40 ～ 60 cm分層取樣。帶回實驗室內，風干后揀去石礫、植物根系和碎屑，分別過2、0.25、0.149 mm土壤篩后儲藏備用。

2.2 土壤理化性質的測定方法

pH值的測定采用電位法（水和土的質量比為2.5∶1），土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化——外加熱法，土壤容重的測定采用環刀法，全氮、堿解氮含量的測定采用堿解擴散法，全磷、速效磷含量的測定采用鉬銻抗比色法，全鉀、速效鉀含量的測定采用火焰光度計法[9]。

2.3 碳貯量計算公式

本研究對土壤碳貯量的估算限定在表土層60 cm深度范圍以內，不包括地表枯落物，具體采用下面的公式計算[10]：

（3）影響下一年度經費爭取。目前，財政部門對預算執行的進度都有具體的要求，并都實行與下年預算安排相掛鉤。比如，廈門市財政局對各部門月度支出進度進行統計排名，對預算支出進度多次偏慢的部門進行約談，并將有關情況反饋市政府。對約談后預算支出仍然執行不力的部門，由市政府予以通報批評，并核減下一年度預算資金規模。

式中：C3為土壤有機碳儲量（t/hm2），Hi是第i層土壤的平均厚度（cm），Bi是第i層土壤的平均容重（g/cm3），Oi是第i層土壤的平均有機碳含量（g/kg），0.1為單位換算系數。

2.4 數據處理

實驗數據采用Excel 2003進行統計整理，并運用SPSS統計軟件進方差分析。

3 結果與分析

3.1 不同林齡、不同深度土壤層的含碳率

由表2可知，各林齡階段的馬尾松人工林，不同土壤層次的含碳率，在垂直分布上均表現為隨土壤深度增加而降低的趨勢，且不同土層之間含碳率差異均達顯著水平（P ＜ 0.05），且相鄰土層以0 ～ 20 cm土層含碳率與＞ 20 ～ 40 cm的差異最為顯著（P ＜ 0.05），在林齡較大的人工林中表現得尤為明顯。這與尉海東等[11]對不同發育階段馬尾松人工林生態系統碳貯量的研究結論及方運霆等[12]對鼎湖山自然保護區土壤含碳率的研究結論相一致。由表2還可知，不同林齡階段馬尾松人工林，同一土層的土壤含碳率也存在較大的差異，方差分析結果表明，差異均達顯著水平（P ＜ 0.05）。表現為30年生 ＞ 22年生 ＞ 18年生 ＞ 12年生 ＞ 8年生，這種差異在表層0 ～ 20 cm土壤中表現尤為明顯，但隨土層深度增加，其間的差異逐漸減小。30年生的馬尾松人工林0 ～ 20cm土層的土壤含碳率為6.207%，分別是22、18、12和8年生的1.08、1.34、1.53、1.62倍。

上述結果表明：隨著馬尾松林齡的增加，林地土壤的固碳能力在增加。因此，在不影響生產力和經濟收益的前提下，適當延長人工林的培育周期是有利于固碳的，特別是當碳匯逐漸進入計量評價的時代，應該考慮適當改變傳統經營方式和理念，以保證人工林整個生態系統的綜合效益最大化。

表2 不同林齡、不同土壤層的含碳率Table 2 Carbon content of different aged plantation and different soil layers %

3.2 不同林齡土壤層的碳貯量

由表3可知，人工林各層土壤碳貯量均隨林齡增加而增加，表現為30年生 ＞ 22年生 ＞ 18年生 ＞ 12年生 ＞ 8年生，與土壤含碳率一致。30年生的人工林3個層次的土壤碳貯量平均達331.60 t/hm2，是8年生人工林的2.19倍。同時可知，不同林齡階段的馬尾松人工林，各層土壤的碳貯量在垂直分布上，均呈現隨土壤深度增加而降低的趨勢，特別是到第3層，較上面兩層下降十分明顯，不同土層差異達顯著水平（P ＜ 0.05），且處理間均兩兩顯著，表層土壤（0 ～ 20 cm）的碳貯量明顯高于其它各層。這是由于植物的根系主要集中在土壤表層，而枯落物和腐殖質層對土壤有機碳積累的影響也會隨土壤深度的增加而降低[13]，因而表層土壤的碳儲存能力較強，但表層土壤的有機碳卻最容易因人為破壞而大量流失，進而使整個土壤層的碳含量處于較低水平，可見，維持土壤較高碳含量的前提是減少人為干擾。

表3 不同林齡土壤層的碳貯量及分配Table 3 Carbon storage and its distribution in different aged plantationst/hm2

3.3 土壤有機碳與土壤養分的關系

3.3.1 不同林齡土壤主要養分特性比較 從表4可知：不同林齡的土壤養分，除全鉀、pH值外，均隨林齡的增大而增大，全鉀相反，pH值變化規律性不明顯。以30年生林分的養分含量與其它林齡作比較：30年生林分0 ～60 cm土層的土壤全氮均值為2.19 g/kg，分別是22、18、12和8年生的1.08 、1.12、1.17、1.20倍；堿解氮均值為237.54 mg/kg，分別是22、18、12和8年生的1.06、1.19、1.49、1.63倍；速效鉀均值為79.25 mg/kg，分別是22、18、12和8年生的1.11、1.14、1.24、1.36倍；全磷均值為0.93 g/kg，分別是22、18、12和8年生的1.07、1.35、1.52、1.75倍；有效磷均值為91.89 mg/kg，分別是22、18、12和8年生的1.23、1.40、1.66、2.12倍；但是全鉀的變化則隨林齡的增大呈規律性遞減。這是由于研究區的母巖均為砂巖，由常年累月的沉積使得砂巖中固定了一定量的鉀素，而幼林齡所吸收的鉀素低于中林齡和成熟林，使得林齡越小的土壤中含有全鉀越高。8年生林分的0～60 cm土層的土壤全鉀均值為6.93 g/kg，分別為12、18、22和30年生的1.18、1.47、1.55、1.75倍。

在同一林齡不同土層中各養分做比較，結果表明，全鉀和pH值是隨土層深度的增加而增加，其它各養分均隨土層深度的增加而減少。

表4 不同林齡土壤主要養分特性比較Table 4 Comparison on characteristics of soil nutrients in different aged plantations

3.3.2 土壤有機碳與土壤養分的關系 土壤碳氮比可反映土壤碳、氮的耦合關系，是評價土壤質量水平的一個重要指標[14]。有機碳是微生物活動的能源，氮是構成微生物細胞的要素，二者比率大小影響微生物的繁殖和活動，從而影響有機質礦化分解速度。一般而言，當C/N比在15 ～ 25時，有機質供肥狀況優越，C/N比較小時，微生物分解活動能力增強而使土壤有效養分增加[15～16]。由表5可以看出，5個林齡C/N在0 ～ 40 cm土層時為17.11～ 24.39，肥力較好，有利于保肥保墑，然而在 ＞ 40 ～ 60 cm土層，C/N急速下降。

表5 不同林齡土壤有機碳與各養分比Table 5 Comparison on ratio of organic carbon and nutrients in different aged plantation

P、K是生物生長和物質循環過程中的關鍵元素，是土壤肥力的重要因子，并在土壤生產力、環境保護和農業可持續發展等方面有著重要的作用。C/P、C/K對土壤微生物分解具有一定的調控作用。由表5可以看出，5個林齡C/P、C/K在0 ～ 40 cm土層為46.08 ～ 63.95，有利于微生物分解；在 ＞ 40 ～ 60 cm土層，C/P、C/K下降幅度很大。

相關分析結果表明（表6），有機碳與所測定的土壤養分指標之間均呈現極顯著相關；與全鉀呈負相關（R2=-0.780），且與速效鉀的相關系數達（R2= 0.964）最高；與全氮、堿解氮的相系數次之（R2= 0.907、0.912）。與全磷和有效磷的相關系數（R2= 0.6437、0.869）相對較低，但是也呈極顯著相關性；然而與土壤的PH值相關性不顯著。

這是由于土壤有機碳和土壤中有機質關系最為密切。前人研究表明：土壤有機質/土壤有機碳 = 1.724[17]，所以，土壤有機質在更大的程度上可以反映土壤有機碳的變化規律。土壤有機質是指存在于土壤中所有含碳有機化合物的總稱，其組成元素主要是C、H、O、N，來源于土壤中的植物枝葉和根系、動物和微生物的殘體、生物的分泌物與排泄物、施用的有機肥[18]，其含量高低影響土壤的物理、化學性質和肥力水平，是土壤養分的主要來源，尤其是氮素，然而土壤中大量元素氮磷鉀之間也存在著相互促進的關系，所以導致有機碳含量與各養分間呈相關關系。

表6 土壤有機碳與土壤主要化學性質的相關關系Table 6 Relation of soil organic carbon with soil main chemical properties

4 結論與討論

土壤有機碳含量的增加不但能提高土壤肥力和植物生產力，而且可增加對大氣CO2的固定。因此，加速土壤有機碳的積累，增強森林土壤的碳匯功能，對土壤生產力的可持續性和全球碳循環都有重要的意義[19]。本研究表明：貴州龍里林場8、12、18、22、30年生5個不同林齡馬尾松人工林，其土壤各層的含碳率及碳儲量，均隨林齡的增加而增大，各林齡含碳率由小到大分別為：2.447%、2.585%、2.889%、3.586%、3.993%，所對應的碳儲量為151.62、177.64、201.19、216.19、331.60 t/hm2。不同林齡馬尾松土壤固碳能力由強到弱分別為：30年生＞22年生＞18年生＞12年生＞8年生；同一林齡，不同土壤層含碳率與碳貯量，隨土層深度的增加而減少。由本研究的結果可以得出，在這5個林齡中，林齡越大，固碳能力越強，因此，為了充分發揮森林的固碳作用，應適當延長采伐周期，使森林的產品功能和生態功能都得到充分的發揮。

不同林齡土壤中全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀的含量，均隨林齡的增大而增大。對同一林齡不同土層相關指標比較可知，全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀的含量，均隨土層深度的增加而減少。這是由于上層土壤結構疏松，通氣性較好，生物活動強烈，微生物對枯落物的分解而形成大量腐殖質，其土壤有機質含量高，從而導致上層土壤養分相對下層較高。隨著土層的增加，下層土經過成土過程，枯枝落葉等動植物殘體在該層的分布逐漸減少，其養分含量也隨之減少，然而在不同林齡間pH值的變化沒有規律性，這是由各林齡受到人為干擾程度不同所造成的，其中18年生和22年生的人工林中受到人為干擾很少，有很厚的腐殖質層，且顏色呈黑色，生物活動強烈，導致其酸性相對較高（但是沒有超出適合馬尾松生長的范圍）進而起到增加土壤肥力的作用。在同一林齡中，20 ～ 40 cm和 ＞ 40 ～ 60 cm土層的pH值均比0 ～ 20 cm土層pH值高，這說明隨著土壤深度的增加活性酸度呈降低趨勢。

相關分析結果表明，有機碳與所測定土壤化學性質指標之間（pH值除外）均呈現極顯著相關。這說明土壤養分之間是存在互相促進或抑制的關系，并且有機碳含量的高低影響土壤的物理、化學性質和肥力水平。所以在以后研究土壤碳匯變化規律時要考慮其它養分的變化。

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Characteristics of Soil Organic Carbon and Its Relationship with Nutrients in Different Aged Pinus massoniana Plantation Stands

QIN Xiao-jia，DING Gui-jie
（Institute of Silviculture and Ecology, Guizhou University, Guiyang 550025, China）

Five different aged P. massoniana plantations were selected for study on soil organic carbon content, carbon storage, relation between organic carbon with pH and nutrients such as NPK. The results showed that carbon content and carbon storage at each soil layer increased with the age of plantation. The carbon storage of 8,12,18, 22 and 30-year stands were 151.62, 177.64, 201.19, 216.19, 331.60 t/ha respectively. The carbon content and carbon storage decreased with soil depth in same aged plantation, which were 0-20 cm ＞ 20-40 cm ＞ 40-60 cm. There was a significantly relation between organic carbon with NPK, but not evident with pH.

Pinus massoniana; plantation; age; soil organic carbon; carbon storage

S714.2

A

1001-3776（2012）02-0012-06

2011-11-30；

2012-02-15

國家科技支撐（2006BAD24BO301）；國家“863”課題（2011AA100203）；貴州省特助人才計劃（TZJF-2007年20號）；貴州省人才基地建設項目（黔人領發〔2009〕9號）；貴州省重大專項（黔科合重大專項字〔2008〕6010）課題聯合資助

秦曉佳（1985-），女，河北張家口人，碩士研究生，從事人工林培育研究；*通訊作者。