不同林龄樟树林土壤碳氮贮量及分布特征

文 丽 ，雷丕锋 ,2，戴 凌

（1. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

不同林龄樟树林土壤碳氮贮量及分布特征

文 丽1，雷丕锋1,2，戴 凌1

（1. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

对湖南省长沙市天际岭国家森林植物园和汨罗桃林林场立地条件基本一致的三个林龄的樟树林土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量、贮量及土层分布进行研究。结果表明：同一林龄的不同土层SOC、N含量和贮量均存在显著性差异（p＜0.05），3个林龄樟树林SOC和TN含量均随土层深度增加而逐渐下降。同时，土壤碳含量及碳贮量林龄的增大而增大，而土壤氮含量及贮量随着林龄的增大而减少，这种变化主要表现在土壤表层（0～10 cm）。不同林龄樟树林各土层SOC含量的变化分别为10 a：4.62 ～17.00 g/kg，24 a：4.48～17.92 g/kg，45 a：4.57～19.37 g/kg；土壤N含量的变化范围分别为10 a：0.99～1.56 g/kg，24 a：0.79～1.43 g/kg，45 a：0.78～1.22 g/kg。土壤SOC含量与N含量存在极显著相关性（p＜0.01），土壤SOC含量与C/N相关性极显著（p＜0.01）。但樟树林土壤N与C/N之间相关性除24 a呈显著相关以外(p＜0.05)，其它两个林龄阶段相关性均不显著（p＞0.05）。土壤SOC贮量差异不显著（p=0.083），N贮量差异性不显著（p=0.348）。

樟树纯林；土壤有机碳；土壤氮；碳氮贮量；碳氮比

土壤有机碳和氮素是表征土壤肥力的重要物质基础，是土壤养分的载体和来源，对土壤的各种理化性质，生物化学等形状及养分的积累具有深刻的影响。有研究表明，土壤有机碳不仅是植被生长所需碳素的主要来源，而且在很大程度上影响着土壤结构的组成、土壤质地、土壤稳定性及土壤生物多样性等[1]。同时，土壤有机碳是陆地有机碳的重要组成部分，全球有机碳贮量约为1 500 Gt[2]，是陆地植被碳库的2～4倍[3-4]，是全球大气碳库的2倍多[5]。氮素是构成一切生命体的重要元素，是生态系统中含量最丰富的元素之一，是植物乃至陆地生态系统中作物生长的主要限制因子之一[6-10]，随着林龄的增加，微生物活动、人为干扰及气候条件的改变等土壤氮素也会随之发生转变。同时，土壤碳氮循环具有耦合作用，土壤有机碳与氮素的含量及分布直接制约着森林生态系统乃至整个生态系统的生产力和规模[11]。此外，氮素也能形成多种温室气体，从而直接影响着温室气体的组成和含量[12]。与此同时，全球气候的变化也会反作用于土壤氮乃至土壤有机碳的变化[13]。

近年来，关于森林生态系统碳氮贮量的研究比较多[14-15]，如陈楚莹等[14]、方晰等[15-16]和何宗明等[11]就对杉木人工林做出了相关的研究，但关于樟树林土壤碳氮贮量的分布及其动态变化的研究报道比较少。此外，林龄对森林C、N循环有着重要的影响，研究林龄对土壤碳贮量及氮贮量的影响，对于建立森林碳氮循环模型，碳汇预测及森林碳源等方面有着十分重要的理论意义和实践指导作用。为此，采用控制立地条件的方法，选择林龄为10 a，24 a和45 a生的樟树林，对不同林龄的樟树林林下土壤碳氮贮量作初步研究与探讨，及对SOC和N 含量与土壤特征（容重、含水率、pH等）之间的关系进行研究，研究樟树林土壤碳贮量及垂直分布，以及林地土壤碳贮量、氮贮量随林龄和群落结构的动态变化规律，旨在为中亚热带地区森林土壤碳氮贮量、分布及变化机理和森林林地生产力可持续发展提供理论科学依据。

1 研究地概况

实验主要样地位于湖南省长沙市天际岭国家森 林 植 物 园 内（113°02′～ 113°03′E，28°06′～28°07′N）。海拔 50 ～ 114 m，坡度为 12°～ 20°地层主要是第四纪更新的冲积性网纹红土和石砾，属典型红壤丘陵，土层深度大于80 cm，但土壤腐殖质的含量并不丰富。属典型的亚热带季风气候，年平均温度17.1℃，1月最冷，平均4.8℃；7月最热，平均高温29.5℃；全年无霜期为270～300 d，年平均日照时数为1 677.2 h；年降水量1 420 mm，雨量充沛，在植物园我们在24年生和45年生的樟树林各设置3块20 m×20 m的样方。由于在天际岭国家森林公园没有合适的樟树幼林，我们在离长沙200 km处，气候与长沙相似的的岳阳市汨罗桃林林场（28°55´N，113°03´E）选择了 10 年生的樟树林，用相同的样地设置方法设置了3块12 m×12 m的样地。汨罗桃林林场年平均温度为16.9℃，年平均降雨量1 353.6 mm，土壤类型与天际岭国家森林公园的土壤类型一致，土层深度为55～80 cm，所以在樟树林的三个林龄阶段（10 a，24 a，45 a）共设置了9块样地。

2 研究方法

2.1 土样采集与指标测定

分别在各个林龄阶段的林分样地上坡、中坡和下坡按品字形选取4个样点，去除地面表层的凋落物，挖土壤剖面，并按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm分层取样。每个土层用环刀（200 cm3）取土，用于测定土壤容重及土壤含水率，同时再另外取1 kg土样装入样品袋内，用于测定土壤有机碳和全氮含量及pH值。将采集的土样带回实验室并置于阴凉处将其自然风干，除去枯枝落叶，石子，蚯蚓等杂质后研磨粉碎，过100目土壤筛。用环刀法测土壤容重，烘干法测定土壤自然含水率；采用重铬酸钾水合加热法测定土壤有机碳（SOC）；土壤全氮采用凯氏定氮法测定。以上每个指标的每个测试样品重复测定3次。

2.2 数据统计分析

对樟树林3种不同林龄，不同土层的土壤有机碳和土壤全碳含量、贮量采用SPSS17.0统计软件进行单因素方差分析，比较同一林龄阶段林地下不同土层SOC和N含量的差异显著性。用双因素方差分析检验林龄和土层深度对土壤碳、氮贮量及分布影响的显著性。采用多变量相关性分析及线性回归分析方法分析SOC、N与土层深度、土壤理化特性之间的关系，用Excel软件绘制图表。

3 结果与分析

3.1 樟树林不同林龄土壤

本文主要考察的土壤物理性质指标包括土壤容重和土壤自然含水率。如表1所示，樟树林不同林龄土壤物理性质分析结果表明各林龄林下土壤容重差异性极显著（p＜0.001），随着土层的加深而逐渐增大，并且随着林龄的增大而增大，0～30 cm土层容重平均值从大到小的顺序为45 a (1.46±0.03 g/cm3) ＞ 24 a(1.37±0.03 g/cm3) ＞12 a(1.06±0.04 g/cm3)，土壤容重是土壤紧实度的一个指标，反映了土壤的疏松状况，容重越小，说明土壤越疏松。0～30 cm土层土壤自然含水率由大至小的顺序为10 a (28%±1.59) ＞45 a (26.37%±1.55) ＞24 a (21.44%±1.55)。土壤pH值指示着林地土壤的酸碱性，三个林龄阶段中pH随着林龄的增大呈现先增大再减小的趋势，既0～30 cm土层pH值大小顺序为24 a (4.51±0.06)＞ 10 a (4.41±0.03) ＞ 45 a (4.28±0.03)（表1）。

表1 不同林龄樟树林不同深度土壤容重，含水率及pH值†Table 1 Soil bulk density, water content and pH of pure C.camphora forests in 0～10, 10～20 and 20～30 cm soil depth at ages of 10, 24 and 45-year-old

3.2 樟树林不同林龄阶段土壤各土层SOC和TN含量及空间分布特征

3.2.1 樟树林不同林龄阶段土壤SOC含量及分布特征

樟树林各林龄阶段土壤不同土层SOC含量变化明显（p＜0.05），樟树林三个林龄阶段的土壤表层（0～10 cm）SOC含量较其它土层要高，随着土层深度的加深而逐渐降低（图1），这可能是由于落入地表的凋落物、累积在地表的一些动植物残体和植物根系分泌物产生的有机碳先进入土壤表层，继而使得土壤表层的有机碳含量高于其它土层。表层土壤（0～10 cm）SOC含量随着林龄的增加而逐渐增大，45 a（17.00±1.41 g/kg）＞24 a（17.92±0.70 g/kg）＞10 a (19.37±0.81 g/kg)，而其它两层土壤随着林龄的增大并无显著变化。樟树林各林龄阶段（10 a，24 a，45 a）土壤表层SOC含量分别占0～30 cm土层总量的42.45%，49.49%，46.92%。

3.2.2 樟树林不同林龄土壤N含量及空间分布特征

图1 樟树林不同林龄各土层SOC含量及垂直分布特征Fig.1 Soil organic carbon (SOC) concentration and vertical distribution characteristics of pure C. camphora forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old

樟树林三个林龄阶段下不同土层TN含量分布趋势与SOC分布趋势是一致的，随着土层深度的增加而逐渐减小（图2）。原因是随着时间的推移，森林枯枝落叶层积累量增加，从而使得分解转化形成的上层腐殖质均大于下层，所以上层N含量大于下层。在不同林龄的樟树中，土壤氮的含量随着林龄的增加而减少，三个林龄阶段0～30 cm土层TN含量平均值由大到小为10 a (1.25±0.05) ＞24 a (1.06±0.06)＞ 45 a (0.97±0.08) 。樟树林三种林龄阶段除0～10 cm土层TN含量差异不显著之外（p=0.119），10～20 cm和20～30 cm土层TN含量差异极显著（p=0.002，p=0.007）（图2）。

图2 樟树林不同林龄各土层全含量及垂直分布特征Fig.2 Total nitrogen (TN) concentration and vertical distribution characteristics of pure C. camphora forests at 10, 24 and 45-year-old stand

3.3 樟树林不同林龄阶段各土层SOC和N贮量及空间分布特征

3.3.1 樟树林不同林龄阶段各土层SOC贮量及空间分布

在土层0～30 cm中，樟树林三个林龄阶段（10 a，24 a，45 a）SOC 贮量的平均值分别 29.47，39.42，42.14 t/hm2，SOC贮量主要分布于土壤表层（表2），10 a，24 a，45 a三个林龄阶段0～10 cm土层SOC贮量占0～30 cm土层总量的54.62%，62.05%，62.25%。同一林龄阶段，各土层间SOC贮量的差异性极显著（p＜0.01），不同林龄阶表层土壤（0～10 cm）SOC贮量差异极显著（p=0.000）（表2）。

表2 樟树林不同林龄SOC贮量及垂直分布†Table 2 Soil organic carbon (SOC) storage and vertical distribution characteristics of pure C. camphora forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old t/hm2

3.3.2 樟树林不同林龄土壤N贮量及空间分布特征

由表3可知，樟树林3个林龄阶段（10 a，24 a，45 a）土壤N贮量随着土层的加深而逐渐减小，主要分布在表层土壤（0～10 cm），分别占0～30 cm土层N总贮量的37.11%，44.39%，40.80%，都随着林龄的增长呈先增长再减小的趋势（表3）。同一林龄不同土层土壤N贮量比较结果为：10 a(p=0.038)，24 a (p=0.000)， 和 45 a(p=0.034)差 异显著。同一土层，不同林龄在0～10 cm土的N贮量差异显著（p=0.048），在10～20 cm和20～30 cm差异性不显著（p=0.934，p=0.838）。

表3 樟树林不同林龄氮贮量及垂直分布†Table 3 Soil total nitrogen (TN) storage and vertical distribution characteristics of pure C.camphora forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old t/hm2

3.4 樟树林不同林龄土壤SOC，全N的影响因子及其C/N之间的关系

樟树林不同林龄、不同土层对林下土壤理化性质的影响分析结果如表4所示，各林龄阶段土壤含水率和容重差异性显著（p=0.000，p=0.000），土层对pH和土壤容重的影响不显著（p＞0.05），林龄和土层的交互作用对pH，含水率及土壤容重的影响都不显著（p＞0.05）。林龄对TN含量及SOC贮量的影响极显著（p=0.000，p=0.000），对SOC含量及土壤氮贮量的影响均不显著（p＞0.05），土层对SOC含量，SOC贮量，TN含量及土壤氮贮量的影响均为极显著（p=0.000），而林龄与土层的交互作用仅对SOC贮量具有极显著的影响（p=0.000），对其它几项指标影响均不显著（p＞0.05）（表4）。樟树林三个林龄阶段SOC含量与N含量的相关性均为极显著相关（表5），氮林龄为45 a时的关联度（R2）小于其它两个林龄阶段。

表4 森林类型和土壤层次对土壤的影响Table 4 Effects of stand age and soil depth on pH, total organic carbon (TOC),total nitrogen (TN),water content, carbon storage and nitrogen storage

表5 樟树林不同林龄阶段土壤SOC含量与N含量的相关性分析Table 5 Correlation analysis on SOC and total N concentration of ofpure C. camphora forests at ages of 10, 24,45-year-old

作为衡量土壤C，N养分平衡状况的一个重要指标，土壤碳氮比（C/N）不仅影响有机质的分解速度，也体现了土壤N含量水平在一定程度上影响着SOC含量。樟树林三个林龄阶段林下土壤C/N差异性不显著（p=0.097），随着林龄的增大而增大，比值分别为10 a (7.43±0.89)＜24 a(8.53±0.71)＜ 45 a (10.17±1.09) 。樟树林三个林龄阶段土壤SOC、全N含量及C/N三者间的关系如表6所示，SOC含量与N含量极显著相关（p＜0.01），表明土壤中N元素主要以有机氮的形式存在于土壤有机碳中。

4 结论与讨论

土壤有机碳含量的增加不仅有利于提高土壤肥力和植物生产力，而且可增加对大气二氧化碳的固定。因此，加速土壤有机碳的积累，增强森林土壤的碳汇功能，对土壤生产力的可持续发展和全球碳循环都有重要的意义[17]。本研究表明：10 a，24 a，45 a三个不同林龄樟树人工林，其表层土壤全碳含量和土壤碳贮量随土层的增加而增大，各林龄表层SOC含量由小到大依次为17.00±1.41，17.93±0.70，19.37±0.81 g/kg，所对应的碳贮量为16.09，24.46，26.23 t/hm2。不同林龄樟树林土壤固碳能力由强到弱分别为45 a＞ 24 a＞10 a；同一林龄不同土层SOC含量与碳贮量都随土层深度的增加而减少。本研究的结果可以得出，在这三个林龄中，林龄越大，固碳能力越强，因此，应当适当延长森林生长及采伐周期，以使其不仅能充分发挥森林的固碳作用，也能使森林的产品功能和生态功能都得到充分的发挥。

表6 樟树林不同林龄阶段土壤SOC、N含量与C/N之间的相关关系†Table 6 Pearson’s correlation coefficients of SOC, N and C/N of pure C. camphora forests at 10, 24,45-year-old stands

不同林龄土壤中全N含量随着林龄的增大而减小。对同一林龄不同土层而言，全N含量随土层深度的增加而减少。这是由于上层土壤结构疏松，土壤透气性好，生物活动强烈，适于微生物生存，加速了微生物对枯枝落叶的分解继而形成大量腐殖质，使得土壤有机质含量高，从而导致上层土壤养分相对下层较高。随着土层的增加，下层土经过成土过程，枯枝落叶及动植物残体在该层的分布逐渐减少，其养分含量也随着减少[18]。不同林龄间pH值随林龄的增长呈先增大再减小的趋势。

林龄是影响森林碳氮收支平衡的重要因素，随着林龄的增加，植物凋落物累积量增加，根系周转期以及气候变化等对SOC贮存和分解产生较大的影响[19-21]。在本研究中，樟树林土壤有机碳随着林龄的增大而增大，这可能是由于樟树林是常绿阔叶林，林分植被胸径随林龄的增长而增大，凋落物产量也随之增加，郁闭度增大及地上部分生产力也随着增加从而导致土壤有机碳含量随之增加。地上植被随林龄的变化出现差异，使得土壤表层具有某种特点的气候特征，进而影响凋落物和根系的分解速度，从而在一定程度上加速了有机质的形成速度。樟树林各林龄阶段土壤SOC与全N呈显著相关关系，说明土壤N与SOC有高度的依存关系，樟树林不同林龄阶段的C/N差异性显著，随着林龄的增长而增大，微生物的分解能力较强，林地肥力较好，说明阔叶林能提高森林土壤肥力。

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Storages and distribution characteristics of soil organic carbon and nitrogen in pure Cinnamomum camphora forests at different stand ages

WEN Li1, LEI Pi-feng1,2, DAI Ling1
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ The soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) concentration, carbon and nitrogen storage and their distribution were investigated in three soil layers (0～10,10～20 and 20～30 cm) of Cinnamomum camphora stands at three age stages in Changsha Tianjiling Natioanal Botanical Garden and Taolin Forest Farm of Hunan province. The results show as follows: the concentrations and storages of SOC and N were signif i cantly different in three age stages and soil depths (p＜0.05), the SOC and N concentrations in three forest age stages decreased with the increase of soil depth, but SOC concentrations and storages deduced with the increase of stand age,these phenomena occurred in upper soil layer (0～10 cm); the SOC ranged from 4.62 g/kg to 17.00 g/kg for 10-year-old stands, from 4.48 g/kg to 17.92 g/kg for 24-year-old stands and from 4.57 g/kg to 19.37 g/kg for 45-year-old stands, respectively; the soil N concentrations varied from 0.99 g/kg to 1.56 g/kg for 10-year-old stands, from 0.79 g/kg to 1.43 g/kg for 24-year-old stands and from 0.78 g/kg to1.22 g/kg for 45-year-old stands, respectively; the SOC concentration was positively correlated with total N concentration (p＜0.01), and had a signif i cant correlation (p＜0.01) with C/N at three age stages of 10-year-old, 24-year-old, 45-year-old stand; The soil N concentration signif i cantly correlated with C/N at the age of 24-year-old (p＜0.01), but the correlation was not signif i cant for the other two age stages.

∶ pure Cinnamomum camphora forest; soil organic carbon; soil nitrogen concentration; carbon and nitrogen storage; carbon nitrogen ratio(C/N)

S792.23

A

1673-923X(2014)06-0106-06

2013-12-10

国家自然科学基金（31200346）

文 丽，女，硕士研究生，主要从事景观生态学方向研究；E-mail：dailing2933@163.com

雷丕锋，男，副教授， 博士，主要研究方向为森林生态学；E-mail：pifeng.lei@gmail.com

[本文编校：吴 彬]