多代連栽對(duì)桉樹人工林土壤有機(jī)碳含量影響的Meta 分析

崔俊峰，唐 健，郭麗梅，王會(huì)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(guó)有欽廉林場(chǎng)，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(yíng)方式，短周期多代連栽可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大碳庫的土壤，其對(duì)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(qiáng)度經(jīng)營(yíng)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(chǔ)量也呈下降趨勢(shì)。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(jī)碳的變化。明安剛等、肖斌、史進(jìn)納等、宋賢沖等對(duì)不同連栽代次桉樹人工林土壤有機(jī)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(jī)碳儲(chǔ)量的變化特征。由于土壤有機(jī)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(shí)間尺度較小，加上土壤具有較強(qiáng)的異質(zhì)性，導(dǎo)致不同連栽代次土壤有機(jī)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(shí)難以辨別和取舍的問題。針對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)方法，其采用一個(gè)統(tǒng)一的效應(yīng)量或效應(yīng)尺度來合并量化和綜合評(píng)價(jià)反映多個(gè)獨(dú)立的研究結(jié)果，根據(jù)效應(yīng)量或效應(yīng)尺度來驗(yàn)證和提高獨(dú)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(jī)碳含量的變化趨勢(shì)，比較多代連栽與對(duì)照林分的土壤有機(jī)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(jī)碳含量變化的普遍性規(guī)律，為科學(xué)合理地經(jīng)營(yíng)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(guó)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(jī)碳”、“有機(jī)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(jī)碳+有機(jī)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(jī)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(gè)條件：1）試驗(yàn)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(duì)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(jī)碳數(shù)據(jù)必須有試驗(yàn)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。基于以上篩選標(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(duì)。

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)直接從表格中獲取；若文獻(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(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)的，則按照有機(jī)質(zhì)（g·kg）=土壤有機(jī)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(jì)學(xué)方法

文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jì)算各研究的效應(yīng)量點(diǎn)估計(jì)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(yàn)（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(jì)學(xué)異質(zhì)性不顯著時(shí)（＜50%、≥0.05）；反之，如研究結(jié)果間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)異質(zhì)性時(shí)（＞50%、＜0.05），則采用隨機(jī)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(shí)間來看，納入研究的9 篇文獻(xiàn)開展研究的時(shí)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(diǎn)中以廣西東門林場(chǎng)雷卡分場(chǎng)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?cái)?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(jī)碳含量

9 項(xiàng)研究報(bào)道了一代桉樹林土壤有機(jī)碳含量的變化情況。研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（=82%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著，故選用隨機(jī)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(jī)碳含量一代林＜對(duì)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(jī)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(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（=72%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機(jī)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(jī)碳含量低于對(duì)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(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（=62%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機(jī)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(jī)碳含量低于對(duì)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(yàn)不具有統(tǒng)計(jì)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(jī)碳含量低于對(duì)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(yàn)不具有統(tǒng)計(jì)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(jī)碳含量和對(duì)照林分沒有顯著差異（＞0.05）（圖1）。從圖1 可知，與對(duì)照林分相比，桉樹一代林不同土層間土壤有機(jī)碳含量合并效應(yīng)量WMD 的變化趨勢(shì)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(jī)碳含量差異逐漸減小。

圖1 一代桉樹林與對(duì)照林分土壤有機(jī)碳含量Meta 分析

2.4 二代桉樹林土壤有機(jī)碳含量

6 項(xiàng)研究報(bào)道了二代桉樹林土壤有機(jī)碳含量的變化情況。研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（=90%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著，故選用隨機(jī)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(jī)碳含量二代林＜對(duì)照林分，且差異極顯著（＜0.01）。

進(jìn)一步對(duì)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(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（=59%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機(jī)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(jī)碳含量低于對(duì)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(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（=81%、＜0.05），表明各研究間異質(zhì)性顯著。選用隨機(jī)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(jī)碳含量低于對(duì)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(yàn)不具有統(tǒng)計(jì)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(jī)碳含量低于對(duì)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(yàn)不具有統(tǒng)計(jì)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(jī)碳含量高于對(duì)照林分，但差異不顯著（＞0.05）（圖2）。從圖2 可知，與對(duì)照林分相比，桉樹二代林不同土層間土壤有機(jī)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(shì)。

圖2 二代桉樹林與對(duì)照林分土壤有機(jī)碳含量Meta 分析

2.5 三代桉樹林土壤有機(jī)碳含量

4 項(xiàng)研究報(bào)道了連栽三代桉樹林和對(duì)照林分土壤有機(jī)碳含量的變化。各項(xiàng)研究結(jié)果間異質(zhì)性檢驗(yàn)顯著（=86%、＜0.05）。選用隨機(jī)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(jī)碳含量整體上低于對(duì)照林分，且差異顯著（＜0.05）。

按不同土層對(duì)各項(xiàng)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(yàn)不具有統(tǒng)計(jì)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(jī)碳含量低于對(duì)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(jī)碳含量低于對(duì)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(jì)算異質(zhì)性。選用隨機(jī)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(jī)碳含量低于對(duì)照林分，但差異不顯著（＞0.05）。60 cm 以下土層選用隨機(jī)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(jī)碳含量高于對(duì)照林分，但差異不顯著（＞0.05）（圖3）。從圖3 可知，與對(duì)照林分相比，桉樹三代林不同土層間土壤有機(jī)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(shì)。

圖3 三代桉樹林與對(duì)照林分土壤有機(jī)碳含量Meta 分析

3 討論

土壤有機(jī)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(jí)單位為尺度評(píng)估了我國(guó)土壤有機(jī)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(jī)碳含量的主要因素。通過對(duì)桉樹人工林多代連栽土壤有機(jī)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(shí)際林齡不統(tǒng)一、土壤有機(jī)碳含量空間變異幅度較大、土壤樣品采集時(shí)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(duì)不同連栽代次與對(duì)照林分土壤有機(jī)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(jī)碳含量總體上低于對(duì)照林分。不同連栽代次表土層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳含量均顯著低于對(duì)照林分，而隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)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(duì)桉樹土壤有機(jī)碳含量的影響主要體現(xiàn)在表土層。

在對(duì)不同連栽代次桉樹林土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行Meta 分析時(shí)，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(yàn)或異質(zhì)性檢驗(yàn)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(jī)碳含量測(cè)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(yíng)方式有差異。

前期已有大量開展桉樹人工林土壤有機(jī)碳研究的文獻(xiàn)報(bào)道，但是由于無對(duì)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(duì)分析結(jié)果有重要影響，這些最終會(huì)影響到Meta分析結(jié)果的論證強(qiáng)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(jì)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(shí)空尺度變異幅度較大的研究中。

針對(duì)桉樹人工林多代連栽對(duì)土壤有機(jī)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(qiáng)對(duì)研究樣地的選取、采樣和分析測(cè)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(shí)踐。

4 結(jié)論

對(duì)不同連栽代次桉樹人工林土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行Meta 分析發(fā)現(xiàn)，不同連栽代次土壤有機(jī)碳含量均低于對(duì)照林分；一代林和二代林土壤有機(jī)碳含量與對(duì)照林分差異極顯著；三代林土壤有機(jī)碳含量與對(duì)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(jī)碳含量均低于對(duì)照林分，且差異極顯著。不同連栽代次桉樹人工林土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量與對(duì)照林分的差異逐漸減小；隨著土層深度的增加，桉樹人工林土壤有機(jī)碳含量與對(duì)照林分的差異逐漸減小，多代連栽對(duì)桉樹土壤有機(jī)碳含量的影響主要體現(xiàn)在表土層。今后在桉樹人工林營(yíng)林實(shí)踐中應(yīng)注重對(duì)一代、二代和三代桉樹人工林的表層土壤的有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充，以維持桉樹人工林地力和可持續(xù)健康發(fā)展。