桉树林地下土壤部分的碳汇研究

陈奎帆

（东莞市环境保护局，广东 东莞 523001）

土壤是生态系统必不可少的组成部分，在碳汇储备方面也是如此。土壤是陆地生态系统中最主要的碳库，是二氧化碳、甲烷等温室气体的汇地，其中森林土壤是最大且最重要的汇地。有研究表明，土壤与大气间碳的年交换量高达600亿～800亿t，是每年石油和煤等化石燃料燃烧释放碳量的12倍～16倍。由于土壤碳库几倍于大气碳库，因而在陆地生态系统碳循环中，土壤碳的微小变化可能引起大气二氧化碳浓度的较大变化。有数据表明，如果全球土壤有机碳在目前的水平上增加1%，土壤固定的有机碳将增加150亿t左右，由此可见土壤在碳汇中的巨大影响和作用[1]。

研究表明，植物对其下土壤部分的碳汇能力有很大的影响，主要原因在于植物在其生长过程中可通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，而且其根系生长又可以固定土壤中的碳，以生物量的形式将其固定在土壤中。因此，植被在降低大气中的二氧化碳浓度、缓解温室气体效应、增加土壤的碳汇量等方面发挥着巨大的作用[2-3]。由于不同种类的植物具有不同的光合作用强度以及不同的根系生长状况，因此不同种类的植物对土壤碳汇的影响能力是不同的。另外还有研究证实，林龄是林下土壤碳汇功能的重要影响因素[4]。

广东省内的桉树林面积大、分布较广，但是对其土壤有机碳密度及影响因子方面的研究还很少。为了了解桉树林对土壤碳汇功能的影响，笔者以湛江市麻章区广东海洋大学的3～4 a生以及7～8 a生桉树林地下土壤部分为研究对象，对研究地土壤中的有机碳和其他相关元素进行了测试与分析，评价其碳汇功能并分析其经济效益，同时借此探究桉树碳汇在实际生产和运用中的能力，从而为规模化种植桉树，增加林下土壤碳汇量的研究提供分析方法和基础数据，并给出科学的建议。

1 试验材料和方法

1.1 取样地基本情况

湛江市位于北回归线以南的低纬度地区，西临北部湾，属于亚热带季风气候区，年平均气温为22.8～23.2℃。多年平均降水量1 523 mm，辖区内降水量时空分布不均且年际变化较大。年蒸发量为1 100 mm，年平均日照2 000 h。地形属平台阶地及低丘陵地带，以平原台地为主，地势北高南低。

本次试验的取样地点位于广东省湛江市麻章区湖光岩东广东海洋大学主校区内的桉树林以及未造林的标准地（地理坐标：21°9＇31＂N，110°17＇47＂E），采样地在两周内未施过肥且未下过雨，采样时天气晴朗。

1.2 土壤采样和制备方法

在1块标准地的5个小样方内，采用直径为9 cm的土壤取样器（土钻）在1 m×1 m小样方中心位置分层采样，取土样深度为0～10 cm和10～20cm，取10 cm的土体样品，研究中共调查土壤样点15个，采集有机碳研究土样样品15个。

具体取样方法是使用对角线布点法，在一个标准样地对角线上布上3个相同的单位取样点，取0～20 cm层土壤，用四分法（即将采集的土壤样品放在干净的塑料薄膜上弄碎，混合均匀并铺成四方形，划分对角线，分成四份，保留对角的两份，其余两份弃去，如果保留的土样数量仍很多，可再用四分法处理，直至对角的两份达到所需数量为止）弃取，留下1～2 kg，再将一个标准样地的所有样点取的土壤制成混合土样，装入样品袋。接着，将土壤放在白色搪瓷盘或薄膜上，摊成2 cm厚薄层，用玻璃棒压碎，使其均匀风干，最后取风干样品200 g，再次压碎并碾磨直至通过2 mm孔径筛或土壤筛，装入广口玻璃瓶储存待用。注意在取样和风干过程防止细菌、灰尘等污染。保存的土样要尽量避免阳光、高温、潮湿和酸碱气体等的影响。

制备土壤样品时，首先将土壤样品置于洁净白色搪瓷托盘中，平摊成2 cm厚的薄层。然后，剔除植物、昆虫、石块等残体，用木棰压碎土块，自然风干，风干时每天翻动几次。充分混匀风干土壤，采用四分法，取其两份，一份留存，一份通过2 mm土壤筛用于干物质含量测定。在过2 mm筛的样品中取出10～20 g进一步细磨，并通过60目（0.25 mm）土壤筛，装入具塞玻璃瓶或特制牛皮纸袋中，待测。

1.3 有机碳的测定和分析方法（重铬酸钾法）

1.3.1 试剂的制备

0.800 0 mol/L(1/6重铬酸钾)：准确称取经130℃烘3～4 h的分析纯重铬酸钾39.225 0 g，溶于400 mL的蒸馏水中，加热帮助溶解，冷却后稀释定容至1 L，摇匀备用。

0.1 mol/L硫酸亚铁：准确称取化学纯硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）55.6 g，加3 mol/L硫酸30 mL溶解，加水稀释，同样定容至1 L，摇匀备用，注意避光保存。

邻菲罗啉指示剂：准确称取化学纯硫酸亚铁0.695 g和分析纯邻菲罗啉1.485 g溶于100 mL蒸馏水中。

1.3.2 待测液的制备

准确称取通过60目（0.25 mm）土壤筛的风干土样0.1～0.5 g（精确到0.000 1 g，具体称样的多少取决于有机质的含量，本试验选择称取0.3 g左右），放入干燥的，用标签纸标记完毕的硬质试管底部，然后吸取0.800 0 mol/L重铬酸钾溶液5.00 mL加入试管中，再用注射器加入浓硫酸5mL，最后在试管口盖上小漏斗小心摇匀。

1.3.3 待测液的处理

把添加完试剂的试管用木质试管夹夹住放入预先加热至185～190℃的油浴锅内（由于要分析和处理大批样品，所以将试管插入铁丝笼内，这样可同时处理多组样品），控制油浴温度保持在170～180℃。当试管内溶液开始沸腾后保持沸腾5 min，取出试管，稍冷后用草纸擦净试管外壁油液。

1.3.4 待测液的滴定

待试管冷却后将试管溶液倒入250 mL三角瓶中，并洗净漏斗和试管，清洗液也倒入三角瓶中，使三角瓶内的液体达到60～80 mL，然后滴加邻菲罗啉指示剂3～5滴并摇匀，用0.1 mol/L FeSO4溶液滴定，溶液由黄色经过绿色突变到棕红色即为终点。到达滴定终点时，记录用去的0.1 mol/L硫酸亚铁溶液的毫升数。

1.3.5 空白对照试验

测定样品的同时，用纯砂代替样品，其他手续同上，做三组空白试验，取其平均值。1.3.6 结果计算

式中，V0为空白滴定用去的硫酸亚铁的毫升数；V1为滴定待测液中过剩的重铬酸钾用去FeSO4的毫升数；12为1 mol碳的克数；4为碳的价数；1.1为校正系数（因为由上述方法测得的有机质，一般只为实际含量的90%）。

1.4 有机碳密度的测定方法

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳（SOC）的储量，单位为kg/m2。每层土层的有机碳密度的计算公式为：

式中，Ci为土壤有机碳含量，g/kg；Di为土壤容重，g/cm3；Ei为土层厚度，cm；10为转换系数。

如果某一土壤由k层组成，那么该土壤的有机碳密度则为：

本文当中统一取0～10 cm及10～20 cm深度的土壤来计量桉树林下土壤的有机碳密度。其中测得的各样地的土壤容重分别是：空地土壤0～10 cm（1.72 g/cm3），10～20 cm（1.81 g/cm3）；3～4 a生桉树林下土壤0～10 cm（1.55 g/cm3），10～20 cm（1.63 g/cm3）；7～8 a生桉树林下土壤0～10 cm（1.12 g/cm3），10～20 cm（1.13 g/cm3）。

1.5 统计分析方法（SPSS Statistics及Excel软件）

SPSS Statistics是一款用于数据分析的软件，几乎可以从任何类型文件中获取数据，然后使用这些数据生成分布趋势、描述统计及复杂统计分析的表格式报告、图表和示意图。另外，其还具有权重分析、方差分析、线性回归、回归分析等数据分析方法的功能。本文采用的是方差分析及回归分析的方法，用以判断不同林龄和不同土层土壤有机碳密度的显著性以及其他因素之间的相关性，通过这些方法对原始数据进行进一步分析。本文的表格及示意图均通过Excel软件制作，可以直观地展示不同样地块所测数据的差异和对比结果。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量测定结果及分析

根据上述试验和计算方法对空地土壤、3～4 a生桉树林下土壤和7～8 a生桉树林下土壤进行测定，测出总共15个取样点的不同土层的有机碳含量以及平均有机碳含量，分别如图1、图2所示。

在这些取样点中，通过对原始数据进行处理和计算可得，空地土壤的平均有机碳含量为6.04 g/kg；3～4 a生桉树林下土壤的平均有机碳含量为12.84 g/kg；7～8 a生桉树林下土壤的平均有机碳含量为20.76 g/kg。不同土层的有机碳含量为：空地0～10 cm土壤的有机碳含量为6.24 g/kg，10～20 cm土壤有机碳含量为5.83 g/kg；3～4 a生桉树林下0～10cm土壤的有机碳含量为14.55 g/kg，10～20 cm土壤有机碳含量为11.12 g/kg；7～8 a生桉树林下0～10 cm土壤的有机碳含量为21.21 g/kg，10～20 cm土壤的有机碳含量则为20.30 g/kg。

图1 各采样地不同深度土壤的有机碳平均含量

图2 各采样地土壤有机碳平均含量

桉树林下土壤有机碳含量高于其他林分土壤的有机碳含量，无桉树林下土壤有机碳平均含量（12.07 g/kg）低于桉树林下土壤。而3～4 a生桉树林下土壤的平均有机碳含量（25.67 g/kg）低于7～8 a生桉树林下土壤的平均有机碳含量（41.51 g/kg）。所以，通过以上的数据和图表可以看出，林分和树龄是导致土壤有机碳含量差异的重要因素。

此外，土壤有机碳含量会随着土层深度增加而减少。如图1所示，各样地0～10 cm土层有机碳含量均略高于10～20 cm土层的有机碳含量。这是因为有机碳在土壤当中的表聚性。

2.2 土壤有机碳密度测定结果及分析

图3 各采样地不同深度土壤的平均有机碳密度

根据相关公式计算出各样地的有机碳密度，无桉树林下土壤有机碳平均密度为21.28 kg/m2，3～4 a生桉树林下土壤的平均有机碳密度为40.67 kg/m2，7～8 a生桉树林下土壤的平均有机碳密度为46.68 kg/m2。由图3可以看出，与有机碳含量差异一样，无桉树林下土壤有机碳平均密度低于桉树林下土壤。而3～4 a生桉树林下土壤的平均有机碳密度低于7～8 a生桉树林下土壤的平均有机碳密度，随着树龄增长，有机碳密度显示出明显的上升趋势。由于土壤的表聚性，土壤有机碳密度也会随着土层深度增加而减少。

2.3 其他土壤因素与土壤有机碳含量的关系

通过SPSS Statistics软件处理，笔者得到其他环境因素与土壤有机碳含量的关系，如表1、表2所示。其中，样地A代表无桉树林空地，样地B代表3～4 a生桉树林，样地C代表7～8 a生桉树林。

表1 土壤因素与土壤有机碳含量的相关系数

表2 土壤因素与土壤有机碳含量的相关系数

3 讨论

3.1 土壤有机碳含量和密度的主要影响因素

通过试验数据和分析可以看出，桉树林下土壤有机碳含量高于其他林分土壤的有机碳含量。此外，桉树林下土壤有机碳密度也明显高于其他林分的有机碳密度，说明种植桉树可以增加林下土壤的有机碳含量和有机碳密度[5-6]。无桉树林下土壤有机碳平均含量（12.07 g/kg）低于桉树林下土壤。平均有机碳密度也是如此。

另外，随着树龄的增大，树木间的竞争更为剧烈，生理活动更为强烈，而林分凋落物的增加以及林下植被盖度的增加，有利于土壤有机碳的积累。有机碳碳密度也随之增加。

7～8 a生桉树林下土壤有机碳平均含量（41.51 g/kg）明显高于3～4 a生桉树林下土壤（25.67 g/kg）。7～8 a生桉树林下土壤有机碳密度也高于三四年生桉树林下土壤。因此，人们可以得出结论，林分和树龄是导致土壤有机碳密度差异的重要因素，也是影响土壤碳汇功能的重要因素。

3.2 桉树林下土壤碳汇的经济和生态价值

桉树一般成材需要3～5 a，目前的各种行业，如造纸业一般五年树龄就进行砍伐，而试验测得7～8 a生桉树林下土壤的平均有机碳含量（kg/m2）及有机碳密度（46.17 kg/m2）均高于其他树龄的平均水平。如果在五年树龄就进行砍伐，会使桉树无法发挥其土壤固碳能力，大大影响林下土壤的碳汇功能。综上所述，五年生桉树并非经济和生态价值的峰值，而7～8 a生桉树具有最高的经济和生态价值，因此对树龄大于8 a的桉树进行砍伐才是最优的方案。

3.3 桉树林下土壤理化性质的分析

根据相关性分析可以看出，桉树林下土壤有机碳含量与土壤石砾含量、吸湿水含量、毛管水含量、最大持水量及pH值呈正相关。这是因为这些土壤的理化性质影响土壤的酸碱度、林下植物分布以及土壤生物的活动，从而对有机碳积累产生影响。土壤含水量和透气性在土壤有机质转化有重要影响。土壤透气性好有助于土壤微生物的生理活动，有利于凋落物的分解和转化，从而有助于有机碳的积累。此外，研究表明，在同样的条件下，旱地土壤有机质的分解和转化速率较快，这表明了含水量高会降低这一进程的速率，从而不利于有机碳积累，在林下土壤的有机碳含量的积累上也不例外。

另外，土壤微生物的正常生理活动需要适宜的酸碱度，pH值偏高或偏低均会影响土壤微生物的活性，使土壤有机质的分解和转化速率大大降低，本次试验的样品土壤中3～4 a生桉树林下土壤pH范围为5.18～5.50，7～8 a为5.17～5.52，无桉树林地为6.27～6.83，属于酸性偏中性土壤，因此对有机碳的积累产生影响作用，但程度不大。

4 结论

桉树林是我国南方地区主要种植的人工林，除了已知的经济价值之外，也具有非常有价值的生态价值，可以增强其林下土壤的固碳能力，显著提升土壤的碳汇功能。研究桉树林对其林下土壤的影响因素，对如何更好地发挥桉树林的生态价值具有重要意义，可以为实际生产运用提供相当有价值的理论依据。

本研究的结果表明，相对于其他地表植物，桉树可以更有效地增强土壤的固碳能力，其林下土壤含碳量较高。因此，选择桉树可以有效地提升土壤的碳汇能力；随着桉树树龄的增长，其林下土壤的固碳能力会发生变化，这是因为不同树龄段的桉树生理特性也有所不同，7～8 a生桉树林下含碳量最高，土壤固碳能力最强，其林下土壤碳汇能力在这一树龄段达到峰值。因此，传统上的将5 a生桉树就进行砍伐是不合理的，并不能最大限度地发挥桉树的生态价值。