连栽桉树人工林土壤有机碳氮储量及其分布特征

吕小燕 何斌 吴永富 兰俊 滕秋梅

摘 要 采用时空互换法，以广西东门林场不同栽植代数（1、2和3代）桉树人工林和邻近区域马尾松人工林为研究对象，分析桉树人工林连栽过程中土壤有机碳、全氮含量和储量及其分布特征。结果表明：（1）在0～20 cm土层，马尾松和1代、2代、3代桉树人工林有机碳含量分别为17.06、15.70、14.47和13.16 g/kg，土壤全氮含量分别为0.895、0.841、0.778 和0.715 g/kg，均呈现随栽植代数的增加而下降的趋势，但在20～40 cm土层，马尾松和各栽植代数桉树林土壤有机碳和全氮含量无显著差异。（2）马尾松、1代、2代和3代桉树人工林0～40 cm土壤有机碳储量分别为66.84、56.57、52.97和50.81 t/hm2，土壤全氮储量分别为3.78、3.33、3.09和2.98 t/hm2，其中马尾松林和2、3代桉树林有机碳和全氮储量之间存在显著性差异（p<0.05）。（3）相关分析表明，马尾松和不同栽植代数桉树人工林土壤有机碳含量与全氮含量均存在极显著相关性（p<0.01），土壤有机碳、全氮与C/N之间也存在显著的相关关系（p<0.05）。

关键词 桉树人工林；土壤有机碳；土壤全氮；贮量；C/N；连栽

中图分类号 S714.8 文献标识码 A

The Soil Organic Carbon and Nitrogen Storage and The Evolution Characteristics of Eucalyptus Plantations Under Successive Rotation

Lü Xiaoyan1， HE Bin1 *， WU Yongfu2， LAN Jun2， TENG Qiumei1

1 Forestry College of Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004， China

2 Guangxi State Dongmen Forest Farm， Fusui， Guangxi 532108， China

Abstract The contents， storage and distribution of SOC and TN in the period of successive planting Eucalyptus were studied with the substitution method of space for time based on different generations（first-， second- and third-generations）Eucalyptus plantations and nearby Pinus massoniana plantation at Dongmen Forest Farm in Guangxi as objects. Following results were concluded： （1）The SOC content（0-20 cm）in P. massoniana plantations and the first， the second and third generations of Eucalyptus plantations was 17.06， 15.70， 14.47 and 13.16 g/kg， respectively， and the TN content（0-20 cm）was 0.895， 0.841， 0.778 and 0.715 g/kg， respectively. The contents of SOC and TN obviously decreased as continuous planting rotations increased. But there was no significant difference in the content of SOC and TN in the 20-40 cm soil.（2）The SOC storage amounts was 66.84， 56.57， 52.97 and 50.81 t/hm2， and the TN storage was 3.78， 3.33， 3.09 and 2.98 t/hm2， respectively. There were significant differences in the SOC and TN storage between P. massoniana plantation and the second and third generations Eucalyptus plantations（p<0.05）. （3）The correlation analysis showed that the SOC content was positively correlated（p<0.01）with TN content in different generations Eucalyptus plantations， and there was also a significant correlation between SOC， TN and C/N（p<0.05）.

Key words Eucalyptus plantations； soil organic carbon（SOC）； total nitrogen（TN）； storage； C/N； successive rotation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.10.017

土壤是陸地生物生存极为重要的物质基础，也是森林生态系统研究的重要组成部分[1]。土壤有机碳和氮素作为土壤养分的重要组成部分，深刻影响着土壤的各种理化性质、生物化学性质以及养分的积累。同时，土壤有机碳、氮作为陆地有机碳、氮的重要组成部分，是陆地生态系统中植物生长的主要限制因子，直接影响着森林生态系统乃至整个陆地生态系统的生产力和规模[2]。研究表明，不同的土地利用方式的会导致植物群落的变迁，容易造成土壤碳、氮及其分配格局的不同[3-5]，导致土地生产力的差异，从而影响整个生态系统的稳定性和可持续性。

桉树（Eucalyptus）原产澳大利亚，具有适应性强、生长快、干形好、产量高、轮伐期短和经济效益高等优点，被联合国粮农组织推荐为三大速生造林树种之一[6-7]。目前，我国桉树人工林种植面积已超过400万hm2，但桉树人工林大规模经营以及长期多代连栽是否引起水土流失、地力下降、生物多样性减少等问题，一直为国内外学者所广泛关注并引起学术界许多争论[8-9]，并先后从不同角度对桉树人工林生长及其连栽的生态效应进行了探讨[10-15]，其中部分研究内容涉及到对土壤有机碳和氮素变化的影响，但由于受到实际条件等方面的限制，已报道的研究资料多数存在不同栽植代数桉树人工林之间距离较远，立地条件相差较大等缺点，而且仅从含量而不是从储量方面进行研究，因此研究结果存在一定的局限性。为此，为了更准确地反映连栽桉树人工林对土壤有机碳和氮素的影响及其变化规律，本研究以广西国有东门林场前茬均为马尾松人工林，相邻分布且立地条件相一致的1、2和3代桉树人工林为研究对象，以马尾松人工林（成熟林）为参照，探讨连栽桉树人工林土壤有机碳和全氮含量、储量及其分布特征，以期为桉树人工林的可持续经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区位于广西扶绥县东门镇的广西国有东门林场（107°14′～108°00′E，22°17′～22°30′N），属南亚热带气候类型，光照充足，热量充沛。年平均气温21.2～22.3 ℃，极端最高气温38.0～41.1 ℃，极端最低气温- 4.0～1.9 ℃，全年大于10 ℃的年积温7 190～7 762 ℃，年平均降雨量1 100～1 300 mm，年降雨主要集中在5～9月份，年蒸发量约1 600 mm，相对湿度大于74%；年日照时数为1 634～1 739 h。试验地设在该场雷卡分场，1、2和3桉树代林在栽种桉树前均为马尾松（Pinus massoniana）人工纯林，且相互之间及与现存马尾松人工林（成熟林，林龄26 a）相互毗邻，各栽植代数桉树人工林造林前分别经过炼山和机耕（深度约30 cm）翻犁整地后采用尾巨桉（E. urophylla × E. grandis）组培苗定植，株行距为1.7 m × 3.4 m。造林前施基肥0.5 kg/株， 造林后前2年结合抚育（用除草剂除草）每年追肥2次， 总施肥量：N 200 kg/hm2，P2O5 150 kg/hm2， K2O 100 kg/hm2。各样地均位于山坡中部，海拔为80～95 m之间，坡度7°～9°，坡向NE 30～35°，土壤类型以砂页岩为主发育形成的赤红壤，土壤厚度≥80 cm，pH值4.2～4.9。不同栽植代数桉树人工林和马尾松人工林林分特征见表1。

1.2 方法

1.2.1 样地设置与土壤样品采集 于2013年7月中旬在立地条件基本一致的马尾松人工林和1～3代桉树人工林中分别设置3块20 m×20 m标准样地。在每块标准样地内按“S”形分别设置5个采样点，去除地表凋落物后，分别采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品。将同一标准样地相同土层样品混合均匀后取混合样约1 kg带回实验室，于室温下自然风干，去除石砾和根系等杂物后压碎并过2 mm 筛，然后取部分土样过0.15 mm筛后装瓶备用。同时用100 cm3不锈钢环刀采集上述两土层原状土，用来测定土壤容重等物理性质。

1.2.2 土壤样品分析和计算 土壤自然含水率测定采用烘干法；土壤容重和孔隙度测定采用环刀法；土壤有机碳（SOC）含量测定采用K2Cr2O7氧化-外加热法[16]；全氮（TN）含量测定采用半微量凯氏法[16]。土壤SOC储量、TN储量分别采用以下公式计算：

SOC=C×ρ×h×10 000

TN=N×ρ×h×10 000

式中，SOC、TN分别为各土层有机碳、全氮储量（t/hm2）；C、N分别为有机碳、有机氮含量（g/kg）；ρ为土壤容重（g/cm3）；h为土层厚度（cm）；10 000为每公顷面积（m2）。

1.3 数据统计和处理

分别使用SPSS17.0 统计软件对不同栽植代数桉树人工林各土层SOC和TN含量、储量进行数据统计和分析。用Excel 2003软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

土壤物理性质是土壤的主要性状之一，其包含的指标较多，包括土壤容重、土壤结构与孔隙状况以及土壤持水性能等。本研究主要对土壤容重、总孔隙度和自然含水率进行比较分析。从表2可见，马尾松林和1～3代桉树林土壤容重均为0～20 cm<20～40 cm土层，即随深度增加而增大，但4种林分类型不同土层容重之间的差异均不显著（p>0.05）。在0～20 cm土层，桉树1、2和3代林土壤容重分别比马尾松林下降12.0%、12.8%和10.40%，土壤总孔隙度则有不同程度的增加，20～40 cm土层也呈现出相似的变化规律，这可能与本研究的桉树造林前采用机耕翻犁整地措施对土壤容重和孔隙状况的影响有关。而与馬尾松林相比，不同土层桉树林土壤自然含水量均表现出随着栽植代数的增加而下降的趋势，在垂直分布上则均为0～20 cm>20～40 cm土层。

2.2 土壤有机碳和全氮含量及其分布特征

森林土壤有机碳和氮素含量受森林类型、栽种时间和土壤深度等影响，其中0～20 cm土层受植物及其残体、植物根系等聚集、分解以及土壤微生物作用的影响要比20～40 cm土层强。从图1可见，4种林分类型0～20 cm土层有机碳和全氮含量均显著高于20～40 cm土层（p<0.05），但随着栽植代数的增加，相邻两土层之间有机碳和全氮含量的差异逐渐减少。

从图1还可看出，1、2和3代桉树林0～20 cm土层有机碳含量分别为15.70、14.47和13.16 g/kg，分别比马尾松林（17.06 g/kg）下降7.97%、15.18%和22.91%，其中马尾松林与桉树1～3代林以及桉树1代林与3代林间存在显著差异（p<0.05）；而1、2和3代桉树林20～40 cm土层有机碳含量仅比马尾松林分别下降0.22%、1.08%和6.83%，马尾松林与1～3代林桉树林间差异不显著（p>0.05）。1、2和3代桉树林0～20 cm土层全氮含量依次为0.841、0.778和0.715 g/kg，分别比马尾松林（0.895 g/kg）下降6.03%、13.07%和25.00%，其中马尾松林与3代桉树林间存在显著差异（p<0.05）；而1、2和3代桉树林20～40 cm土层全氮含量仅分别比马尾松林下降0.84%、1.86%、7.25%，但马尾松林与1～3代桉树林间差异不显著（p>0.05）。可见，连栽对桉树人工林土壤有机碳和全氮含量的影响主要发生在0～20 cm土层，其对20～40 cm土层有机碳和全氮的影响相对较小。

2.3 土壤有机碳及全氮储量及其分布特征

从图2可见，马尾松和1、2、3代桉树林0～20 cm土层有机碳储量分别为42.61和34.62、31.59、29.61 t/hm2，依次占其0～40 cm土层有机碳储量的63.74%和61.21%、59.64%、58.28%。表明各林分类型土壤有机碳均主要分布在0～20 cm土层，其储量及所占0～40 cm土层有机碳储量的比例均随栽植代数增加而下降。与马尾松林相比，1、2和3代桉树林0～20 cm土层有机碳储量分别下降18.75%、25.86%和30.48%，其中马尾松林与1～3代桉树林以及1代与3代桉树林间存在显著差异（p<0.05）；而20～40 cm土层有机碳储量也分别下降9.40%、11.76%、12.50%，其中马尾松与2代和3代桉树林间存在显著差异。

与土壤有机碳储量的垂直分布格局相似，马尾松林和1、2、3代桉树林0～20 cm土层全氮储量依次占其0～40 cm土层氮储量的58.99%、55.39%、55.02%和54.03%，其储量及所占比例均随栽植代数增加而下降。在0～20 cm土层，1、2、3代桉树林全氮储量分别比马尾松林下降17.01%、23.74%和27.60%，其中马尾松与1～3代桉树林以及1代桉树与3代桉树之间存在显著差异；而在20～40 cm土层，1、2、3代桉树林全氮储量分别比马尾松林下降4.56%、10.80%和12.15%，但4种林分类型间的差异均未达到显著水平。

2.4 土壤碳氮比（C/N）及其与土壤有机碳（SOC）、氮（N）的关系

土壤碳氮比值（C/N）是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的重要指标，对土壤碳、氮循环和有机质矿化作用有重要影响，较低的碳氮比有利于微生物分解，从而提高氮素的矿化速率[17]。从表3可见，4种林分类型土壤C/N在垂直分布上均表现出相同的变化，即0～20 cm土层C/N均显著高于20～40 cm土层（p<0.05），而各栽植代数桉树林不同土层C/N均低于马尾松林，但相互之间的差异均未达到显著性水平（p>0.05）。

从土壤有机碳、氮及土壤碳氮比的关系中可以看出（表4），马尾松和桉树1～3代林土壤有机碳含量与土壤全氮含量均存在极显著正相关关系（p<0.01），表明土壤中N主要以有机N的形式存在于土壤有机碳中。而不同林分类型土壤有机碳和全氮含量也分别与土壤C/N存在极显著或显著正相关关系（p<0.05）。

3 讨论

大量研究表明，树种的变换及其连栽对土壤有机碳、全氮含量和储量会产生不同程度的影响，其中马祥庆等[18]和唐万鹏等[19]分别对杉木和杨树人工林的研究表明，连栽会造成土壤有机碳和全氮含量不同程度的下降，其中0～20 cm土层有机碳和全氮含量下降幅度较其他土层更大；何佩云等[20]的研究则表明，连栽马尾松人工林0～20 cm和20～40 cm土层有机碳、全氮含量和储量均呈现随栽植代数增加而明显增加的趋势，表现出与上述杉木、杨树等相反的变化特征。Lima等[10]和Chen等[14]的研究表明，桉树造林显著降低了土壤有机碳和氮素等养分含量，从而引起土地退化[10-13]；Maquere等[15]研究则表明，桉树取代灌木稀树草原后，不管是保持林木持续生长还是采用短轮伐期经营，经过60年后，表层土壤有机碳、全氮含量均显著增加；邓荫伟等[21]研究也发现，10年生桉树人工林土壤有机碳、全氮等养分含量均接近或超过马尾松林；史进纳等[22]研究则表明，桉树人工林地土壤有机碳含量随着栽植代数的增加而呈现先增加后减少再增加的趋势。可见，桉树人工林对土壤有机碳和全氮等养分的影响可能会因为造林前土地类型、轮伐时间以及施肥等管理措施的不同而存在差异。但上述研究都只是从土壤有机碳和全氮含量方面考虑，而没有从土壤有机碳和全氮储量的变化方面进行分析。由于森林的形成和生长过程，同时也是森林与土壤相互影响和相互作用的过程[23]，桉树连栽往往导致土壤理化性质包括土壤容重发生一定的变化[24]，而在相同的土壤深度下，单位面积土壤有机碳和全氮储量既取决于土壤有机碳和全氮含量的多少，同时也与土壤容重的大小密切相关。因此，采用土壤有机碳和全氮储量更能反映连栽桉树人工林对土壤有机碳和全氮变化的影响。

本研究表明，与马尾松林相比， 1、2和3代桉树林土壤容重分别比马尾松林下降12.0%、12.8%和10.40%，20～40 cm土层也呈现出相似的变化规律，这与韩艺师等[12]的研究结果存在较大的差异，这可能与本研究的桉树造林前采用机耕翻犁整地措施对土壤容重和孔隙状况的影响有关。而土壤有机碳、全氮含量和储量均呈现随栽植代数增加而下降的趋势，但不同土层的变化规律存在一定差异。在0～20 cm土层，1、2、3代桉树人工林土壤有机碳和全氮含量分别比马尾松林下降7.97%、15.18%、22.91%和6.03%、13.07%、20.00%，土壤有机碳和全氮储量相应下降18.75%、25.86%和30.51%和17.01%、23.74%、27.60%；而在20～40 cm土层，1、2、3代桉树人工林有机碳和全氮含量分别下降0.22%、1.08%、6.83%和0.84%、1.86%、7.25%，土壤有机碳和全氮储量相应下降9.40%、11.76%、12.50%和4.56%、10.80%和12.15%。可见，连栽桉树土壤有机碳和全氮储量下降幅度明显高于其含量下降幅度，因此以储量用作反映桉树连栽对土壤有机碳和氮素变化的影响更有意义，同时也说明，虽然桉树人工林已连续栽种3代，但其对土壤有机碳和氮素的影响主要发生在0～20 cm土層，对20～40 cm土层的影响相对较小。本研究中4种林分类型土壤有机碳和全氮均存在极显著的相关关系（p<0.01），土壤有机碳、全氮与C/N之间也存在显著的相关关系（p<0.05），说明土壤氮素和土壤有机碳存在密切的依存关系，而桉树取代马尾松及其连栽过程既造成土壤有机碳含量和储量减少，同时也会导致土壤氮素含量和储量的下降。

森林生态系统中土壤有机碳主要来源于植物残体（包括凋落物和腐烂根系）的归还，土壤氮素则主要来源于土壤有机质的分解，土壤有机碳和氮素的消长均决定于土壤有机质的生物积累和分解作用的相对强弱，而桉树人工林还存在通过施肥输入氮素的影响。本研究中连栽桉树人工林土壤有机碳、全氮含量和储量以及土壤C/N均表现出随栽植代数增加而下降的趋势，其原因可能与桉树的树种特性及经营管理措施有关，首先是桉树的速生特性和短轮伐期经营（轮伐期为5～7 a），养分需求量极大，加上桉树采伐时采取全树利用包括树干和枝、叶、皮和根等，所带走的养分量包括氮素占全树的80%以上[25]，造成林地土壤养分消耗过度和土壤有机碳、氮库的亏损[26]。其次是桉树取代马尾松以及连栽过程中采取的炼山、翻耕全垦整地，虽然有利于疏松土壤，加快土壤有机质的分解和有机氮的转化与释放，但由于清除了地表植被和凋落物层，破坏了土壤结构，致使地表易受降雨侵蚀，造成水土及土壤有机碳、氮的大量流失。此外，桉树栽植后采取的抚育管理措施特别是生长前期使用除草剂除草，破坏和抑制林下植被的生长，致使林地微环境变差，造成地表土壤裸露，使林地易受降雨侵蚀，水土流失和养分淋溶加剧，进一步引起土壤有机碳、氮的损失，加上多代连栽，致使桉树取代马尾松和连栽的过程表现为林地土壤有机碳、氮库逐渐退化的过程。因此，在桉树人工林经营过程中，应采用合理的经营措施，如改变单一纯林经营模式，与固氮树种等混交[27]，合理施加含氮较丰富的有机复合肥，注意保留林下植被和凋落物，同时延长采伐时间，培育经济价值更高的桉树大径材，采伐时在林地中保留采伐剩余物，将有助于维持林地土壤养分平衡，实现桉树人工林的可持续经营和发展。

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