闽东南沿海2种防护林土壤有机碳和全氮垂直分布1)

林宇

(福建省长乐大鹤国有防护林场,长乐,350212)

何宗明 丁国昌 林思祖 曹光球 黄秀勇 张勇

(福建农林大学) (福建省长乐大鹤国有防护林场)

闽东南沿海2种防护林土壤有机碳和全氮垂直分布1)

林宇

(福建省长乐大鹤国有防护林场,长乐,350212)

何宗明 丁国昌 林思祖 曹光球 黄秀勇 张勇

(福建农林大学) (福建省长乐大鹤国有防护林场)

以闽东南沿海沙地9年生厚荚相思(AcaciacrassicarpaA. Cunn. ex Benth.)和木麻黄(CasuarinaequisetifoliaL.)林为对象，研究了林地土壤(0～60 cm)有机碳(SOC)和全氮(STN)的垂直分布及其与细根生物量和土壤密度的关系。结果表明：各土层细根生物量是影响STN和SOC主要因素；厚荚相思林地各土层的STN、SOC平均质量分数分别为0.092、0.822 g·kg-1，木麻黄林地各土层的STN、SOC平均质量分数分别为0.099、0.934 g·kg-1；厚荚相思和木麻黄林土壤剖面的SOC和STN质量分数变化规律一致，均随着土层加深而降低，具有明显表聚性特征；厚荚相思、木麻黄林地土壤C/N值分别为8.93、9.42，均低于全国土壤水平(10～12)；各土层SOC和STN储量随土层加深呈下降趋势，厚荚相思和木麻黄林地的SOC储量分别为6.908、7.840 t·hm-2，厚荚相思和木麻黄林地的STN储量分别为0.777、0.838 t·hm-2；SOC和STN呈极显著正线性相关(P<0.000 1)，二者与土壤密度均呈极显著负指数相关(P<0.000 1)。

厚荚相思；木麻黄；有机碳；全氮；土壤密度；沙质土壤

We studied the vertical distribution of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (STN) and their relationships with fine root biomass and soil bulk density with 9-year-old plantations ofAcaciacrassicarpaA. Cunn. ex Benth. andCasuarinaequisetifoliaL. on sandy coastal plain soil in southeastern Fujian Province. The fine root biomass of different soil layers was the main factor affecting STN and SOC. Mean contents of SOC and STN across all soil layers were 0.822 g·kg-1and 0.092 g·kg-1, respectively, in theA.crassicarpaforest, while they were 0.934 g·kg-1and 0.099 g·kg-1, respectively, in theC.equisetifoliaforest. SOC and STN contents of theA.crassicarpaand theC.equisetifoliaplantations followed the same vertical pattern within the soil profile, and they decreased with soil depth increas, with clear accumulation patterns in the surface layer. Soil C/N ratios were 8.93 and 9.42 forA.crassicarpaandC.equisetifolia, respectively, lower than the national average (10-12). SOC and STN storage were 6.908 and 0.777 t·hm-2, respectively, in theA.crassicarpaforest, while they were 7.840 and 0.838 t·hm-2, respectively, in theC.equisetifoliaplantation and they declined with soil depth increase. SOC and STN contents showed a positive linear relation (P<0.000 1), while both of them had a significant negative exponential relationship (P<0.000 1) with soil bulk density.

土壤有机碳的活性和质量分数影响土壤潜在生产力[1]，其变化也是影响大气温室气体质量分数的重要因素[2-3]。氮是树木生长的最重要的限制性因子[4]。因此，土壤有机碳和氮是森林生态系统的重要组分，其质量分数和分布直接制约着森林生态系统的生产力[5]。近几年来，国内外学者对森林土壤有机碳和氮的研究主要集中在空间分布与积累、不同土地利用与管理对土壤有机碳和氮的影响等[6-12]。土壤密度是反映土壤物理性状的重要指标，对沙地土壤而言，土壤物理性状不仅能反映土壤的结构状况，而且也是沙地植被及土壤持水能力的重要指标之一。该文选取沿海防护林先锋树种木麻黄(CasuarinaequisetifoliaL.)和厚荚相思(AcaciacrassicarpaA. Cunn. ex Benth.)为研究对象，对土壤有机碳和全氮质量分数的垂直分布、积累特征，及其与细根生物量和土壤密度的关系进行了研究，为沿海沙地不同防护林生态系统有机碳库和氮库的动态变化及调控机理提供基础数据。

1 试验地概况

试验地位于福建省福州市境内的长乐大鹤国有防护林场，该场始建于1964年，属南亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.7 ℃，平均湿度72.3%，降水量1 794.1 mm，日照时间1 535.5 h。平均海拔10 m，地势平坦，土壤为滨海风积沙土。林下植被稀少，常见植被有茅莓(RubusparvifoliusL.)、硕苞蔷薇(RosabracteataWendl.)、马缨丹(LantanacamaraLinn.)、白茅(Imperatacylindrica(Linn.) Raeusch.)、大蓟(CirsiumjaponicumFisch. ex DC.)等。厚荚相思苗木母本由中国林科院热林所提供，木麻黄(平潭2号)苗木由福建省国营福清三山苗圃提供，2003年春末造林，初植密度为2 500株·hm-2，厚荚相思人工林和木麻黄人工林的前茬为湿地松人工林。林分特征见表1[13]。

表1 厚荚相思和木麻黄林分特征

2 研究方法

2.1 取样与化学测定

2011年10月在厚荚相思、木麻黄纯林中各设置3个样地，每个样地面积20 m×20 m。在每个样地内每木调查，各选取平均标准木1株，地下部分采用全挖法(以树桩为中心，按照株行距确定矩形挖掘范围)，分土层(每层20 cm)、分根系径级(根桩、直径≥4、≥2～4、≥1～2、≥0.5～1、≥0.2～0.5、≥0.1～0.2、≥0.05～0.1、<0.05 cm)进行鲜质量测定。把直径<0.2 cm的根统计为细根。新鲜根系样品现场取样后装入自封袋，带回实验室，在60 ℃鼓风干燥箱中烘干至恒质量后计算含水量。然后将各土层、各径级根系鲜质量换算为林分各土壤层细根生物量，烘干后的根系样品用球磨粉碎机进行粉碎，过100目筛后，用于养分测定。

在每个样地内，按对角线设置5个采样点挖土壤剖面，按照0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm 4个层次采集土壤样品，每个样地相同土层的样品混合后用四分法取回样品，进行土壤化学分析。采用环刀法测定土壤密度。土壤化学分析样品经室温下风干、去杂后，过2 mm筛，再取少量样品研磨后全部通过0.149 mm筛，放入自封袋，留作养分分析。

各土层细根样品碳和氮质量分数采用全自动碳氮分析仪(Elemental Analyzer Vario EL III)测定；土壤有机碳(SOC)和全氮(STN)的质量分数采用元素分析仪(Elemental EL MAX CNS analyzer)测定。

2.2 数据处理和分析

单位面积土壤剖面SOC和STN储量计算公式为[8]：

(1)

(2)

式中：Hi为第i层土壤厚度；ρi为第i层土壤平均密度；SOCi和STNi分别为第i层土壤平均有机碳和全氮的质量分数，Si为>0.2 cm砾石平均质量分数。

利用负指数方程对土壤密度与SOC、STN进行方程拟合[8，14]，公式为：

SOC(STN)=ae-bρ+c。

(3)

式中：ρ为土壤密度，a、b、c为参数。

采用SPSS19.0统计软件对数据进行回归方程拟合，采用Duncan氏新复极差法进行差异显著性分析，用Pearson相关系数法检验因子间相关关系。

3 结果与分析

3.1 2种人工林STN、SOC质量分数和土壤密度的变化

由图1可知，0～60 cm土壤层，厚荚相思林地的STN质量分数为0.633～0.171 g·kg-1，平均为0.092 g·kg-1；SOC的质量分数为0.381～2.107 g·kg-1，平均为0.822 g·kg-1。木麻黄林地的STN质量分数为0.714～0.195 g·kg-1，平均为0.099 g·kg-1；SOC质量分数为0.457～2.596 g·kg-1，平均为0.934 g·kg-1。随着土层加深，厚荚相思和木麻黄林的STN、SOC质量分数均呈逐渐下降，其中0～10 cm土层的STN、SOC质量分数均显著高于其它各层，厚荚相思林的STN、SOC表聚性系数[15]分别为0.31、0.43，木麻黄林的STN、SOC表聚性系数[15]分别为0.33、0.46，均大于0.17(1/6)，具有明显的表聚性特征。就相同树种不同土层而言，0～10、>10～20 cm土层与其它各土层相比STN、SOC质量分数差异显著(P<0.05)，而>20～40与>40～60 cm土层中STN、SOC质量分数差异均不显著；就不同树种相同土层而言，2树种相同土层STN、SOC质量分数除在>20～40 cm土层中SOC质量分数差异不显著外，其余均差异显著。

厚荚相思和木麻黄林土壤密度分别在1.37～1.44、1.36～1.45 g·cm-3，且随着土层加深土壤密度逐渐增大，就相同树种不同土层而言，2树种0～10与>40～60 cm之间土壤密度均存在显著差异；就不同树种相同土层而言，木麻黄林>40～60 cm土壤密度显著高于厚荚相思，而与其它各土层的差异均不显著。

3.2 2种人工林各土层细根生物量与SOC、STN质量分数的关系

由表2可知，厚荚相思和木麻黄林分细根生物量分别为0.45、2.16 t·hm-2，其中：表层(0～20 cm)细根生物量占细根总生物量51.30%和80.39%，0～60 cm土层细根生物量分别占细根总生物量88.29%和99.17%。厚荚相思细根分布最深达1.2 m。不同径级细根的养分质量分数不同，厚荚相思细根碳、氮元素质量分数分别为427.75～470.86、14.39～17.95 g·kg-1，木麻黄则为413.35～472.16、9.12～13.93 g·kg-1。随着土层加深，2树种细根碳、氮元素积累量呈递减趋势，表明各土层细根养分储量受细根生物量和细根养分元素质量分数影响。在0～20 cm层，木麻黄细根碳、氮积累量分别是厚荚相思3.85、5.51倍。

注:图中不同大写字母表示同树种不同土层之间差异显著，不同小写字母表示不同树种相同土层之间差异显著(P<0.05)。

表2 厚荚相思和木麻黄林细根生物量、C和N积累量

Pearson相关分析表明，厚荚相思和木麻黄林各土层细根生物量与各土层SOC、STN质量分数、土壤密度呈极显著相关(p<0.01)，厚荚相思林各土层细根生物量与各土层SOC、STN质量分数、土壤密度相关系数分别为0.926、0.907、-0.867；木麻黄林各土层细根生物量与各土层SOC、STN质量分数、土壤密度相关系数分别为0.996、0.997、-0.951。表明沿海沙地厚荚相思和木麻黄林各土壤层碳氮质量分数主要是受细根分布的影响。

3.3 2种人工林各土层SOC和STN的积累

由表3可知，厚荚相思林的SOC、STN总储量分别为6.91、0.78 t·hm-2，其中：0～20 cm土层SOC、STN积累量占总积累量的60.81%、49.52%；木麻黄林的SOC、STN总储量分别为7.84、0.84 t·hm-2，其中：0～20 cm的SOC、STN占总积累量的63.16%、47.83%。厚荚相思林的SOC、STN比木麻黄林分别低11.89%、7.27%。各土层SOC和STN积累量和积累速率均随土层加深而下降，厚荚相思林各土层STN积累速率均低于木麻黄林，厚荚相思林SOC积累速率也仅在>20～40 cm土层高于同土层的木麻黄林。

表3 厚荚相思和木麻黄林各土层SOC和STN的积累

注：括号内数据为各土层的储量占总储量的比例。

3.4 2种人工林SOC、STN质量分数与土壤密度的关系

对2种人工林的SOC和STN的质量分数进行线性拟合(见表4)，回归方程的复相关系数均在0.96以上，二者之间呈极显著的正相关关系，其中木麻黄的SOC和STN的线性关系更为显著。由此可见，该2种人工林0～60 cm土壤层的有机碳与全氮的变化趋势一致。

表4 厚荚相思和木麻黄林SOC与STN的关系

对供试2树种的STN、SOC与土壤密度进行Pearson相关分析，其中：厚荚相思的土壤密度与STN、SOC相关系数分别为-0.945、-0.938；木麻黄的土壤密度与STN、SOC相关系数分别为-0.844、-0.865。结果表明，供试的2个树种SOC、STN与土壤密度之间均存在极显著的负相关关系(P<0.001)。用公式(3)分别将厚荚相思和木麻黄林的SOC、STN与土壤密度进行负指数线性拟合(见表5)，回归方程复相关系数在0.762～0.909，拟合效果较好，其中厚荚相思的STN与土壤密度的拟合方程复相关系数最高，木麻黄的SOC与土壤密度的拟合方程复相关系数最低，各回归方程的显著性检验结果也表明ρ与STN、SOC之间存在极显著负指数相关关系。

表5 厚荚相思和木麻黄林SOC、STN与土壤密度的关系

林分类型回归方程R2方程显著性检验厚荚相思STN=238.336e-4.600ρ+0.2640.909P<0.0001SOC=2083.999e-4.093ρ+5.5570.897P<0.0001木麻黄STN=6005.209e-7.453ρ+0.0570.762P<0.0001SOC=34931.208e-6.568ρ+2.2260.787P<0.0001

4 结论与讨论

厚荚相思林的STN、SOC平均质量分数分别为0.092、0.822 g·kg-1，木麻黄林为0.099、0.934 g·kg-1，均明显低于芦芽山保护区不同海拔梯度的STN(0.89～4.69 g·kg-1)、SOC(7.04～52.80 g·kg-1)质量分数[16]，也低于北京郊区不同空间尺度的STN(0.66～0.69 g·kg-1)、SOC(10.91～14.88 g·kg-1)质量分数[6]。木麻黄林0～40 cmSTN、SOC质量分数略低于福建省惠安赤湖国有防护林场8 a生木麻黄林(STN0.16 g·kg-1、SOC1.47 g·kg-1)，与东山赤山国有防护林场15 a生木麻黄林(STN0.11 g·kg-1、SOC0.88 g·kg-1)相近[17]。研究结果表明，造成福建东南沿海沙地防护林的STN、SOC质量分数极低的主要原因有二：其一，以上研究的地点均处在沿海防风林带，土壤质地为风积沙地、潮积沙土，在20世纪60年代才开始造林而形成人工林群落，林下植被少；其二，当地村民每年将森林凋落物作为燃料取走，人为切断养分归还途径。崔鸿侠等[18]和杨丹等[19]研究发现凋落物量与森林土壤碳质量分数呈显著正相关，与土壤氮质量分数呈正相关。因此，应当加强森林凋落物的保护，通过营造混交林和接种多种生物肥料也有利于提高凋落物量和养分归还效率[20-21]，从而实现海岸带生态系统可持续管理[22]。

根系也是森林土壤中有机碳和氮的主要来源，森林土壤剖面的STN、SOC的垂直分布受生物与非生物过程的共同作用，取决于积累和消耗[7-8，23]。王俊波等[24]在研究刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)人工林土壤有机碳与根系生物量的关系时，发现根系生物量与土壤有机碳之间没有相关关系，但是杨丽韫等[25]的研究却发现，土壤中碳质量分数是影响细根垂直分布的主要因素。土壤全氮质量分数与杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook)细根生物量之间存在明显的正相关[26]，梅莉等[27]在对水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)根系生物量、比根长和根长密度的分布格局的研究中发现，水曲柳的细根生物量与土壤氮质量分数之间也存在明显的正相关。闽东南沿海沙地厚荚相思和木麻黄林细根主要分布在土壤表层(0～20 cm)，各土层细根生物量与STN、SOC呈极显著相关性，相关系数为0.907～0.997。2树种0～60 cm土壤层的STN、SOC质量分数均随着土层加深而降低，具有明显的表聚性特征[28]，而土壤密度则随着土层加深而升高。这个结果与贵州省盘县云南松(PinusyunnanensisFranch.)[8]、黄土高原[10]、芦芽山保护区[16]不同森林生态系统研究结果一致。由于土壤养分的表聚性特征，因此在沿海沙地利用过程中，尽量避免炼山、全垦等容易导致表土流失的经营措施[29]，Guo等[30]还认为由于炼山提高土壤温度而影响更深土层有机碳的稳定性。

厚荚相思土壤平均C/N比值为8.93，木麻黄为9.42，均小于全球土壤C/N比值13.33[31]和全国土壤C/N比平均值(10～12)[32]，0～10 cm土层C/N比值介于芦芽山不同海拔土壤C/N比值8.93～17.83之间[22]。该2种林分土壤具有较低的C/N比值，可能跟这2树种根系都有根瘤，具较强的固氮持氮能力有关。

森林土壤STN、SOC储量与各土层密度以及N、C质量分数密切相关。厚荚相思林的STN、SOC储量为0.78、6.91 t·hm-2，木麻黄林为0.84、7.84 t·hm-2，均大幅度低于江苏黄海地区沙地5种不同年龄杨树(PopulusL.)人工林土壤碳储量[33]，也小于环渤海地区1 m深土壤的总有机碳储量[34]。0～20 cm的STN、SOC储量占总储量的比例厚荚相思分别为49.52%、60.81%，木麻黄分别为47.83%、63.16%，说明表层土壤是重要的氮库和碳库；在>20～40 cm层，厚荚相思SOC的积累速率高于木麻黄，而在其它各层STN的积累速率均低于木麻黄。

供试的2个树种的SOC与STN存在极显著的线性关系(P<0.0001，R2>0.96)，与苗娟等[8]、张亚茹等[35]、文丽等[36]研究结果相似。彭佩钦等[37]研究认为土壤<0.001 mm黏粒质量分数与土壤有机碳、全氮质量分数呈极显著对数正相关关系，土壤密度与土壤有机碳、全氮之间呈极显著指数负相关关系。本研究中STN、SOC均与土壤密度存在极显著的负指数线性相关关系(P<0.001)，说明土壤的养分元素质量分数发生变化，土壤的物理性质随之也发生变化，STN和SOC可以作为衡量土壤肥力和土壤质量变化的重要指标。

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Vertical Distribution of Soil Organic Carbon and Total Nitrogen Under Two Shelterbelt Forests in Southeast Coastal Area of Fujian Province, China//

Lin Yu

(Changle Dahe State-owned Protection Forest Farm of Fujian Province, Changle 350212, P. R. China); He Zongming, Ding Guochang, Lin Sizu, Cao Guangqiu(Fujian Agriculture and Forestry University); Huang Xiuyong, Zhang Yong (Changle Dahe State-owned Protection Forest Farm of Fujian Province)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：67-71.

Acaciacrassicarpa;Casuarinaequisetifolia; Organic carbon; Total nitrogen; Bulk density; Sandy coastal soil

林宇，男，1971年8月生，福建省长乐大鹤国有防护林场，工程师。E-mail：linyu87156816@sina.com。

何宗明，福建农林大学林学院，研究员。E-mail：hezm2@126.com。

2015年1月21日。

S714

1)福建省林业科研项目(闽林科[2012]3号)。

责任编辑：王广建。