江西大岗山不同林龄杉木人工林土壤碳氮储量

李智超，张勇强，宋立国，厚凌宇，孙启武

（中国林业科学研究院林业研究所，林木遗传育种国家重点实验室，国家林业和草原局森林培育重点实验室，北京 100091）

森林土壤是巨大的碳、氮储存库，其碳储量约为全球土壤碳储量的73%[1]，氮储量占森林生态系统总氮量的85%以上[2]。土壤有机碳不仅对土壤质量及功能的调节起着关键作用[3]，其微小变化更能够引起大气CO2浓度的改变，从而影响全球气候变化[4]。氮是植物生长和发育所需的大量营养元素之一，也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素[5]。土壤碳、氮是维持森林生态系统结构和功能的两个重要元素，二者之间相互影响，相互作用。土壤氮会通过影响作物生长来影响土壤有机物的输入量，氮素含量变化也将直接对土壤有机碳矿化作用产生影响，进而造成土壤有机碳含量的差异。有机碳在土壤中的含量和组成情况同时也会对氮素转化过程产生重要影响[6]。土壤碳与氮共同调节和维持着生态系统的生产力和稳定性，并且与全球变化密切相关[7]。因此对不同类型森林土壤中碳库、氮库的动态变化及其调控机理研究是了解和预测全球气候变化的一项重要的基础性工作[8]。

人工林作为陆地生态系统的重要组成部分，在改善生态环境方面发挥的作用已得到国际社会的广泛认可和关注[9]。人工林每年可以截获由化石燃料燃烧所释放进大气的超过5.5 Pg 的碳，大部分潜在的全球气候变暖可以通过营造人工林来避免[10]。杉木Cunninghamia lanceolata作为中国特有树种，已有超过1000年的种植历史，种植面积约占中国人工林面积的30%[11]。江西省是我国杉木人工林种植的重要省份之一，杉木林占全省森林乔木层总碳储量的35.53%，其中杉木天然林的碳储量占46.13%，人工林占53.87%[12]。江西省5～40年生杉木人工林土壤碳储量占杉木人工林森林生态系统碳储量的51.09%～92.92%，高于乔木层、枯落物层、草本层和灌木层的碳储量[13]。目前对于我国南方各省的杉木人工林相关研究很多，主要针对不同因素对杉木人工林的土壤养分、土壤酶活性、土壤微生物以及土壤呼吸的影响[14-17]，杉木人工林地力退化的防治[18]，杉木林生态系统碳氮储量[19]等。在杉木林生态系统碳氮储量方面，目前对于我国南方省份诸如湖南、福建等地的研究较多[20-24]，对于江西的杉木人工林碳氮储量方面研究较少，且目前大部分研究集中于植被层和凋落物层碳储量[25]，关于杉木人工林土壤层碳储量的研究较少，这限制了对整个杉木人工林生态系统碳储量的了解，不利于杉木人工林发展经营的可持续性。

我国杉木人工林造林仍在进行，不同发育阶段的人工林随处可见，了解林木不同发育阶段土壤有机碳和氮储量可以帮助我们合理调整林木密度，管理林下灌草，关注土壤养分的输入与输出，具有重要的生态学意义。本文通过研究江西大岗山5 种不同林龄杉木人工林土壤有机碳和全氮的变化特征及其影响因素，为揭示杉木人工林土壤碳氮循环规律，也为进一步研究人工林土壤的固碳功能提供参考。

1 研究区概况

研究区位于江西省新余市分宜县中国林业科学研究院亚热带林业实验中心，属亚热带季风气候，雨量充沛，阳光充足，气候温和，无霜期长，全年平均温度17.2℃，年均降水量1 600 mm，年均无霜期270 d。土壤为地带性低山丘陵红壤、黄壤类型及其亚类，土壤pH 值为酸性。幼龄林林下植被主要有山茶花Camellia japonica，杜茎山Maesa japonica，小叶女贞Ligustrum quihoui，粗叶悬钩子Rubus alceaefolius，七星莲Viola diffusa，双盖蕨Diplazium donianum，醡浆草Oxalis corniculata，狗脊蕨Woodwardia japonica等；中龄林林下植被主要有海金沙Lygodiaceae、狗脊蕨、土茯苓Smilax glabra，枇杷叶紫珠Callicarpa kochiana，鳞盖蕨Micrlepia，双盖蕨等；近熟林林下植被主要有杜茎山，朱砂根Ardisia crenata，小叶女贞，枇杷叶紫珠，土茯苓，合欢Albizia julibrissin，狗脊蕨，乌蕨Stenoloma chusanum，铁芒萁Dicranopteris linearis等；成熟林林下植被主要有木荷Schima forrestii，刨花楠Machilus pauhoi，山茶花，杜茎山，狗脊蕨，海金沙，鳞盖蕨，枇杷叶紫珠，半边旗Pteris semipinnata，乌蕨，铁芒萁，小叶女贞等；过熟林林下植被主要有枫香Liquidambar formosana木荷，狗脊蕨，乌蕨，玉叶金花，杜茎山，粗叶悬钩子，朱砂根，小叶女贞，双盖蕨，鳞盖蕨，海金沙等。

2 材料与方法

2.1 样地选择与土壤样品采集

将杉木人工林按≤10、11～20、21～25、26～35、≥36 a 划分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林5 个林龄级[26]，于2018年3月在研究区选取幼龄、中龄、近熟、成熟、过熟5 种林龄杉木人工林，各圈出3 个20 m×24 m 的样地，共15 个样地。样地基本特征见表1。在每个样地内用土钻以S 型选定30 个点进行取样，将每5 个点的0～20 cm 土样和20～40 cm 土样分别混合后取约1 kg 装入土壤袋贴好标签，共取得不同林龄不同土层共180 个土样。土样带回实验室自然风干，研磨并过0.149 mm 筛，编号待测。在取样点附近，用钢制环刀（直径5 cm，容积100 cm3）取原状土，用以测定土壤容重等物理性质，大于 2 mm 石栎含量通过过筛称量算得。

2.2 样品测定

土壤物理性质采用环刀法测定，土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定，土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定。

表1 样地基本特征Table1 Basic characteristics of sample plots

2.3 土壤碳氮储量的计算

单位面积土壤剖面的碳储量（SOC，t·hm-2）和氮储量（TN，t·hm-2）的计算公式为：

式中：Hi为第i层土壤厚度（cm）；ri为第i层土壤平均容重（g·cm-3）；SOCi、TNi分别为第i层土壤的平均有机碳和全氮含量（g·kg-1）；Si为＞2 mm 砾石平均含量（% ）。

2.4 数据分析

采用Excel 2007 对数据进行统计处理和图表绘制，SPSS 20.0 软件进行数据的单因素方差分析获得数据方差并确定各林分间土壤性质的差异性（P＜0.05），回归分析确定碳氮储量相关性 （P＜0.05）及变化趋势。

3 结果与分析

3.1 不同林龄杉木人工林土壤物理性质

表2为杉木人工林不同林龄下的土壤物理性质。可以看出各个林龄杉木人工林土壤容重均随着土层的加深而增大，但不同土层间容重差异不显著（P＞0.05）。各林龄土壤容重大小顺序为：过熟林＞成熟林＞中龄林＞近熟林＞幼龄林，且各林龄间容重差异不显著（P＞0.05）。土壤毛管持水量除过熟林0～20 cm 大于20～40 cm 土壤外，其他林龄均为0～20 cm 小于20～40 cm，且差异不显著（P＞0.05）。土壤田间持水量除幼龄林0～20 cm 小于20～40 cm 土壤外，其他林龄均为0～20 cm 大于20～40 cm 土壤外。土壤含水率和土壤孔隙度的差异性并不明显。

表2 杉木人工林土壤物理性质†Table2 Soil physical properties of the soils under Chinese fir plantations

3.2 土壤有机碳及全氮含量变化

5 种林龄不同土层土壤有机碳和全氮含量均随着土层的加深而减小。不同林龄各层土壤有机碳和全氮含量之间均存在显著性差异（P＜0.05）（图1）。

图1 不同林龄土壤有机碳和全氮含量变化Fig.1 Contents of organic carbon and total nitrogen in the soils under under Chinese fir plantations with different ages

在0～20 cm 土层，不同林龄杉木人工林土壤有机碳和全氮含量的变化一致，大体呈现从幼龄林到近熟林逐渐下降，到成熟林有所上升，到过熟林又下降的趋势。其中，有机碳含量在幼龄林（26.99 g·kg-1）最高，其次为：中龄林 （26.30 g·kg-1）、成熟林（24.17 g·kg-1）、近熟林（21.89 g·kg-1）、过熟林（21.71 g·kg-1），且幼龄林、中龄林和成熟林的有机碳含量与近熟林、过熟林的有机碳含量之间差异显著（P＜0.05）。全氮含量在幼龄林（1.75 g·kg-1） 最高，其次是中龄林（1.63 g·kg-1）、成熟林（1.60 g·kg-1）、近熟林（1.56 g·kg-1）、过熟林（1.46 g·kg-1）。幼龄林全氮含量与其他4 个林龄的全氮含量间差异显著 （P＜0.05），中龄林和成熟林全氮含量与近熟林和过熟林的全氮含量之间差异显著（P＜0.05）。由此可知0～20 cm 土层的土壤有机碳和全氮含量在幼龄林最高，在中龄林和成熟林较高，在近熟林和过熟林最低。

在20～40 cm 土层，杉木人工林土壤有机碳含量大致呈现从幼龄林到中龄林下降，从中龄林到过熟林又逐渐上升的趋势。其中，有机碳含量在幼龄林（14.88 g·kg-1）最高，其次是过熟林（13.39 g·kg-1）、成熟林（12.07 g·kg-1）、近熟林（12.05 g·kg-1），中龄林（11.87 g·kg-1），且幼龄林有机碳含量与其他4 个林龄有机碳含量差异均显著（P＜0.05），中龄林、近熟林、成熟林、过熟林有机碳含量间的差异不显著（P＞0.05）。另外，土壤全氮含量在不同林龄间大体呈幼龄林到近熟林上升，近熟林到过熟林下降的趋势。全氮含量在近熟林（1.19 g·kg-1）最高，其次是幼龄林（1.05 g·kg-1）、中龄林（1.04 g·kg-1）、成熟林（1.00 g·kg-1）和过熟林（0.92 g·kg-1），近熟林全氮含量与其他4 个林龄的全氮含量存在显著差异（P＜0.05），而幼龄林、中龄林、成熟林、过熟林之间的全氮含量差异不显著（P＞0.05）。

3.3 不同林龄杉木人工林土壤有机碳和全氮储量特征

由图2可知，有机碳储量和全氮储量随着林龄的增加均先降后升。不同林龄杉木人工林有机碳储量从大到小依次为：幼龄林（85.38 t·hm-2）＞过熟林（79.77 t·hm-2）＞成熟林（71.62 t·hm-2）＞中龄林（62.30 t·hm-2）＞近熟林（60.97 t·hm-2）。幼龄林、过熟林、成熟林这3 个林龄的有机碳储量与中龄林、近龄林这两个林龄的有机体储量之间存在显著性差异。

不同林龄杉木人工林全氮储量从大到小依次为幼龄林（5.83 t·hm-2）＞过熟林（5.50 t·hm-2）＞成熟林（5.47 t·hm-2）＞近熟林（5.10 t·hm-2）＞中龄林（4.62 t·hm-2）。幼龄林、过熟林这2 个林龄全氮储量与成熟林、近熟林、中龄林的全氮储量均存在显著差异，成熟林全氮储量也与中龄林、近熟林全氮储量存在显著差异。由此我们可知，不同林龄杉木人工林土壤有机碳和全氮储量在幼龄阶段最高，在成熟林和过熟林阶段较高，在中龄林和近熟林时最低。

图2 不同林龄0～40 cm 土壤有机碳和全氮储量Fig.2 Soil organic carbon storage and total nitrogen storage of 0-40 cm under Chinese fir plantations with different ages

3.4 杉木人工林的碳氮比及储量关系

有机物中碳的总含量与氮的总含量的比叫做碳氮比，本研究中的平均碳氮比仅为10.64，低于微生物利用有机物的最佳碳氮比25∶1。

对5 种林龄杉木人工林土壤有机碳储量和全氮储量进行线性回归分析（图4），结果表明二者之间呈极显著的正相关关系（y=10.639x+7.219，R2=0.539，P＜0.001）。

图3 土壤有机碳与全氮储量的关系Fig.3 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen

4 讨 论

4.1 林龄对杉木人工林土壤容重以及碳氮含量的影响

土壤容重是土壤物理性质的一个重要指标，可反映出土壤的透水、通气性及根系伸展的阻力状况[27]。本研究结果表明随着林龄的增加，容重基本上呈逐渐增加的趋势，且容重对林龄变化的响应不显著。相关研究表明，土壤容重是影响土壤溶质随径流迁移的重要因素之一。随着土壤容重增大，径流系数变大，溶质（N，P，K）流失量也随之增大[28,29]。

在0～20 cm 土层，土壤有机碳和全氮含量随着林龄的增加呈现出完全一致的变化趋势，二者均在幼龄林最高，随着林龄的增长呈现出逐渐降低的趋势，到成熟林有所升高，之后又下降。在前人针对不同林龄杉木人工林以及其他林分类型的碳氮含量研究中也有类型结论[30,31]。这是由于杉木种植初期，炼山对土壤具有短期激肥效益[32]，且幼龄期杉木还没有达到速生阶段，养分消耗较少，所以幼龄林碳氮含量最高。随着杉木的速生生长，虽然林下植被的丰富以及凋落物的增多为林地释放了更多的养分，但杉木自身生长消耗大量养分，加上土壤质量因素如容重增大等使得流失的土壤养分越来越多，因此从中龄林到过熟林阶段有机碳和全氮含量大体上逐渐降低。也有一些与本研究不同的研究结果[33-35]。这可能是这些研究地的初始造林方式、林地土壤质量以及后续经营方式与本研究不同所致。

在20～40 cm 土层，土壤有机碳和全氮随着林龄的增加变化趋势不一致。这是因为土壤较深层氮源主要来自样地土壤本身所积累的氮素，而不是生物量中所获得的氮素，受林型变化的影响较小。有机碳含量在幼龄林最高，在中龄林和近熟林最低，到了成熟林和过熟林又有所上升。这说明到了成熟林和过熟林时期较深层的土壤有机碳水平有了一些改善。全氮则随着杉木林龄的增大先慢慢积累，而到近熟林时期以后又开始减少。

4.2 林龄对杉木人工林碳氮储量以及碳氮比的影响

土壤碳氮储量随着杉木林龄的增长表现出基本一致的变化趋势，即先降低后升高，且幼龄林阶段的有机碳和全氮储量始终是各个林龄中最高的。这与以往许多研究者得到的结果一致[13,25-26,36-38]。而对贵州杉木人工林的研究表明土壤有机碳密度随林龄的增加呈现先增加后下降的趋势[20]；黄土丘陵区刺槐人工林内土壤碳氮储量均随着林龄的增加而增加[39]；豫西黄土丘陵区栎类人工林和侧柏人工林从3年生到45年生土壤有机碳储量逐渐增加，到60年生时有所下降。随着林龄的增加土壤氮储量则先减少再增加然后又减少，在45年生时氮储量达到最大[40]。这说明在不同的研究区，不同的树种、气候条件以及经营管理方式均会对土壤碳氮储量产生影响。碳氮储量的大小取决于有机碳和全氮含量的多少以及容重的大小，在本研究中碳储量是从幼龄林到近熟林呈下降趋势而后上升，而氮储量却是从幼龄林到中龄林呈下降趋势而后上升，这是因为在20～40 cm 土层，土壤全氮含量和容重均在近熟林最高，且与其他4 林龄的全氮含量和容重均存在差异显著，使得氮储量在近熟林阶段获得了较高的提升。这提醒我们杉木人工林在中龄林和近熟林这两个阶段皆是碳氮储量由下降转为上升的关键时期，此时更应该注意避免人为干扰如采伐等，以防破坏有机物质的输入，增加林地土壤可溶性有机碳的淋溶，从而不利于碳氮积累[41]。另外，虽然在成熟林和过熟林阶段杉木生长所需养分多于幼龄林，碳氮的输入量较大[42]，但土壤有机碳和其他营养元素在长期的植被恢复过程中的积累使得成熟林、过熟林阶段碳氮储量与幼龄林碳氮储量之间不存在差异。由此说明杉木人工林到了成熟林阶段之后的碳氮积累显著，固氮能力也越来越强，目前关于短期人工幼林和成熟人工林在固碳方面究竟谁起主要作用还有很多争议[43]。

回归分析表明碳氮储量之间存在极显著的正相关关系，平均碳氮比为10.64。土壤C/N 比值反映土壤有机质的矿质化和腐殖化程度，土壤中C/N比值越高，土壤有机质被微生物分解得越少，土壤表层累积的有机碳含量越高[44]。可见本研究地杉木林内的有机碳易被微生物分解，氮的矿化作用也较强，使得土壤中的有机碳和氮素难以积累。

5 结 论

江西大岗山杉木人工林在0～20 cm 土层土壤有机碳和全氮含量随着林龄的增加呈现出完全一致的变化趋势，均在幼龄林最高，过熟林和近熟林较低；在20～40 cm 土层有机碳在幼龄林最高，到中龄林和近熟林下降，到成熟林和过熟林又有所上升，而全氮含量则在近熟林最大，在其他林龄下较低。有机碳储量呈现由幼龄林到近熟林阶段下降，近熟林过后逐渐积累的规律，全氮储量呈现由幼龄林到中龄林阶段下降，中龄林过后逐渐积累的规律。本研究结果说明，对于炼山造林，树种单一且伴有不同程度人为干扰的杉木人工林来说，其生长发育至成熟林阶段碳氮的积累量才会上升至与幼龄林差异不显著的水平，而有机碳及全氮含量几乎一直没有改善，这充分说明炼山以及单一针叶树种对人工林地力的不良影响，今后应避免炼山造林，为单一针叶树种补植乡土阔叶树种，以改善林分的树种组成和结构，促进群落结构和土壤质量的健康发展。