不同树种配置模式对碳汇造林初期土壤碳变化的影响

朱晓武，吴悦宏，纪燕玲，肖泽鑫，柳泽鑫

(汕头市林业科学研究所，广东 汕头 515041)

自工业革命以来，由于人类进行各类生产活动，尤其是化石燃料的燃烧等，大气中CO2的质量分数升高，严重影响到了人类的生活发展[1]。森林生态系统作为陆地生态系统的主体，不仅维持着大量的植被碳库(约占全球植被碳库的86%)，也维持着巨大的土壤碳库(约占全球土壤碳库的73%)[2]。造林主要通过增加林木生物量和改变土壤碳来影响陆地生态系统碳储量[3]。造林虽然对土壤碳储量的影响相比生物量要小得多，但由于土壤库容量大，土壤中储存的碳大约是植物的1.5—3倍[4]，因此造林导致土壤碳库储量较小幅度的变化，都会影响到人工林的净碳积累，最终影响大气中CO2的水平。因此，通过造林来增加土壤碳汇功能及潜力，对于缓解全球气候变化具有重要的意义[5-7]。

目前，已从森林碳储量的估算[8-9]、分布格局[10]、土壤碳含量特征[11]以及树种的含碳特征[12]等方面开展了较多的研究，但针对土壤碳含量特征的研究主要集中在对现有的成熟林分，如刘延惠等[13]对10年生以上的落叶松人工林的土壤有机碳含量进行比较分析。自2009—2018年以来，我国每年的造林面积均超过了533万hm2，并且造林面积逐年增长[14]。粤东地区的优良造林树种较多，但从碳汇角度科学合理选择优良造林树种的研究较少，因此，开展不同配置模式造林的碳汇能力研究对于指导碳汇造林、提高碳汇造林效率有重要的意义。本研究通过探讨不同树种配置模式对土壤碳的影响，为当地的碳汇造林设计和碳汇能力的评价提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于汕头市潮南区陇田镇崎汀山，地处北回归线以南，属南亚热带海洋性气候。夏长冬短，无霜期长，日照充足，雨量充沛，四季常青。年平均气温21.6 ℃，日照时数2 191 h。年平均降水量1 700 mm左右，雨季多集中在4—9月。山地成土母岩主要为花岗岩和砂岩，自然土壤以赤红壤为主。土壤长期受热带风暴吹袭和雨水冲刷，有机质含量少，土层薄，石质含量高，土壤总体肥力状况差，属生态区位重要和生态环境脆弱地区。由于长期人为干扰和破坏，原始植被已不复存在，原始次生植被也少见。主要植被类型有鸭脚木(Scheffleraoctophylla)、岗茶(Euryachinensis)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、地稔(Melastomadodecandrum)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)，无乔木。

1.2 试验区设置

参考《广东省林业碳汇计量研究与实践》[15]，筛选以乡土树种为主且生长表现较好的樟树(Cinnamomumcamphora)、华润楠(Machiluschinensis)、木荷(Schimasuperba)、马占相思(Acaciamangium)、台湾相思(A.confusa)、米老排(Mytilarialaosensis)、木麻黄(Casuarinaequisetifolia)、红锥(Castanopsishystrix)、水翁(Syzygiumnervosum)、山杜英(Elaeocarpussylvestris)、火力楠(Micheliamacclurei)、秋枫(BischofiajavanicaBL.)等12个树种，按各树种数量设计5个配置模式，即配置模式1：台湾相思40%+木荷40%+马占相思10%+樟树10%；配置模式2：华润楠25%+红锥25%+樟树20%+米老排10%+木麻黄10%+水翁10%；配置模式3：马占相思30%+华润楠25%+山杜英25%+木麻黄10%+台湾相思5%+樟树5%；配置模式4：火力楠30%+秋枫20%+马占相思20%+台湾相思10%+米老排10%+木麻黄10%；配置模式5：台湾相思20%+木荷20%+樟树20%+木麻黄20%+火力楠15%+水翁5%。

试验于2016年开始，将试验点分成6个区域，每个区域2.7 hm2，种植密度为1 110株/hm2，按配置模式随机选取分别种植在5个区域，另1区作为对照，保留其植被原始状态。由于缺乏造林前土壤碳含量相关数据，此次研究采用试验区与未造林区作对比[7]。

表1 试验区概况

1.3 样品采集与处理

于2020年5月，分别在每个区域随机选取3个20 m×20 m的样方，共样地18个，每个样地内按“品”字型采样法选取采样点3个，清除地面凋落物，每个采样点分别按照土层深度0—20，20—40，40—60 cm共3层采集土壤样品。每层取环刀1个、小铝盒1个，用环刀法测定[16]计算土壤容重。每层取土样500 g，共计样品162个，带回实验室。将采集的土壤样品自然风干后碾碎，以四分法取适量样品过100目筛后测定土壤全碳含量。

1.4 含碳量测定与碳储量计算

土壤全碳含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法[16]测定。

土壤碳储量计算公式[17]:T(Mg C/hm2) =∑0.1Ei×Di×Ci(1-Gi)

式中，Ei代表第i层土层厚度(cm) ；Di代表第i层土壤容重(g/cm3) ；Ci代表第i层土壤全碳含量(g C/kg)；Gi代表第i层直径大于2 mm的石砾所占的体积分数(%)；0.1为单位换算系数。

2 结果与分析

2.1 不同树种配置模式对土壤容重的影响

结果见表2。由表2可知，在土壤层0—20 cm，试验区土壤容重显著低于对照区(P<0.05)，配置模式2，3，4，5之间土壤容重无明显差异(P>0.05)；土壤层20—40 cm，对照区与各试验区间均差异显著(P<0.05)。而土壤层40—60 cm，5种配置模式与对照间均无显著差异(P>0.05)。

表2 不同树种配置模式对土壤容重的影响

2.2 不同树种配置模式对土壤全碳含量的影响

不同土层深度的土壤碳含量各不相同(见表3)，大小顺序为土层深度0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm，说明土壤碳含量随着土层深度增加逐渐降低；在5个配置模式下，土层深度0—20 cm的碳含量与土层深度20—40 cm、40—60 cm差异显著(P<0.05)，而土层深度20—40 cm与土层深度40—60 cm之间差异不显著(P>0.05)；对照区3个不同土层深度的全碳含量差异不显著。

不同树种配置模式下，在土壤层0—20 cm，对照分别与配置模式1，2，3，4，5之间的土壤碳含量之间差异显著(P<0.05)，土壤碳含量大小顺序为：配置模式3>4 >2 >5 >1 >对照；在土壤层深度20—40 cm，对照与配置模式2，3，4，5之间的碳含量差异显著，与配置模式1之间差异不显著，土壤碳含量大小顺序为：配置模式2>5 >4 >3 >1 >对照；在土壤层深度40—60 cm，对照与配置模式1之间差异不显著，与配置模式2，3，4，5之间差异显著。

表3 不同树种配置模式对土壤全碳含量的影响

2.3 不同树种配置模式对土壤碳储量的影响

由表4可知，在土壤层深度0—20 cm，对照与各配置模式之间土壤碳储量差异显著(P<0.05)，土壤碳储量大小顺序为：配置模式3>4 >2 >1 >5 >对照；在土壤层深度20—40 cm，对照与配置模式1之间无明显差异(P>0.05)，与配置模式2，3，4，5之间差异显著，土壤碳储量大小顺序为：配置模式2 >4 >5 >3 >1 >对照；在土壤层深度40—60 cm，土壤碳储量对照与配置模式1之间差异不明显，与配置模式2，3，4，5之间差异显著。土壤总碳储量大小顺序为：配置模式2>4 >3>5>1>对照，各配置模式与对照之间总碳储量差异显著。

表4 不同树种配置对土壤碳储量的影响

3 结论与讨论

土壤碳储量在土层深度0—20 cm最高，且随着土层的深度增加碳含量逐渐减小，与大多研究结果一致[18]。这是由于凋落物在土壤表层的集聚作用以及植物的根系集中分布在土壤表层[19]，深层土壤中的有机质主要依靠土壤表层凋落物的分解经淋溶作用下移，有机质含量自上而下逐渐减小[20]。而植物的根系主导着深层土壤碳的分布与循环，黄林等[21]研究表明：根长密度随土层深度的增加呈递减趋势，根长密度越大，不仅土壤容重减小，土壤性状得到改良，而且土壤有机碳积累增加。因此土壤碳含量随土壤深度增加表现为逐渐减小。而在深度土层0—20 cm，配置模式2，3，4的碳储量显著高于配置模式1，5，这可能是配置模式3和4的台湾相思+马占相思的数量总分数分别为35%和30%，因此配置模式3，4下根系生长较快，根系分泌作用较强，而配置模式2米老排+红锥的数量总分数为35%，凋落物产量较高，因此配置模式2，3，4碳储量表现较高。而土层深度20—40 cm，配置模式2，4，5碳储量显著高于配置模式1和3，配置模式3碳储量反而较低。在土层深度40—60 cm，配置模式3碳储量亦显著低于配置模式2，4，5。有研究认为造林可以导致土壤碳在不同土壤深度的重新分配[22]，这是否导致配置3碳储量在土层深度20—60 cm表现较低，有待进一步分析论证。

本研究认为，5种配置模式下，土壤碳储量均显著高于对照区，而相关研究表明，在热带地区，造林初期土壤碳储量通常是先下降或是没有明显影响[23-24]。这与本次研究结果表现不一致。原因可能是凋落物和植物根系分泌作用与森林土壤碳积累的关系密切[25]。造林前，林地主要以草本和灌木为主，且林地大量裸露，试验地点长期受到风暴吹袭和雨水的冲刷，使得碳及养分等流失严重，林地退化。一方面随着植被的恢复，裸露面积减小，地表的径流侵蚀作用减弱，地表凋落物流失减少，植物的根系也得到一定程度的保护，土壤碳及养分的流失减少，且土壤结构趋于稳定，土壤质量改良，土壤容重降低[26]，试验区土壤容重显著小于对照区，土壤孔隙度增大，通气性好，增强土壤的保水保肥性能并有利于微生物的活动[27]；另一方面造林能促使大量的凋落物进入土壤层，经微生物分解作用，土壤碳积累增加。此外，气候(降雨和气温)条件也能影响土壤碳积累的速率，土壤碳积累速率随温度和湿度的增加而增加[28]。试验区年平均气温21.6 ℃，年降雨量1 700 mm，因此，土壤碳积累的速率较快。台湾相思和马占相思是豆科合欢属植物，根系发达具有根瘤菌，能进行固氮作用，并促进根系的生长，增加根系生物量，提高土壤碳积累[29]。

不同树种配置模式之间土壤总碳储量大小顺序为：配置模式2 >4 >3 >5 >1，配置模式1总碳储量显著低于其余各配置模式。这可能与物种多样性不同有关[30]。不同生态位以及互利共生的树种相互搭配，对资源(光照、水分和养分等)利用存在时空和需求上的差异，从而产生互补作用，导致植物多样性越丰富，对有限的资源的利用空间也就越大[31]。除了配置模式1的混交树种为4种，其余4个配置模式混交树种为6种。有研究表明，随着物种多样性的增加，土壤碳储量增加[32]。也有研究发现多物种混交能增加生态系统的稳定性，促进土壤结构性状的稳定，进而降低土壤有机碳的分解[33]。同时，植物多样性的增加能增加凋落物的种类，改变微生物的数量和种类，增加土壤碳积累[34]。此外，红锥为优良速生树种，凋落物多且易分解，土壤碳储量较高[35]。唐靓茹等[36]通过对红锥4种林型的土壤理化性质分析，发现红锥+米老排和火力楠+红锥混交林能显著增加土壤有机碳及微生物生物量碳，这也可能是配置模式2和4碳储量表现较高的原因。而配置模式2，3，4，5之间总碳储量无明显差异，这可能是由于本次研究的造林时间较短，而土壤的碳周转率较慢，土壤的碳变化要经过一个漫长的转变过程[37]，也就导致这4个配置模式目前并没有呈现出规律性的变化，但可以肯定的是此次采用的速生+乡土树种的配置模式有助于增加土壤碳储量。

综上所述，不同配置模式下碳汇造林碳储量显著增加，但各配置模式间的差异并不明显。从目前总的碳储量表现来看，配置模式2，4(樟树20%+华润楠25%+米老排10%+木麻黄10%+红锥25%+水翁10%以及台湾相思10%+马占相思20%+米老排10%+木麻黄10%+火力楠30%+秋枫20%)的土壤碳储量表现较高，碳汇能力初步表现较好，后续可重点观察配置模式2，4区碳汇变化情况。需要说明的是，本研究只是对造林后与未造林地的土壤碳进行了初步比较，且样本数据量有限，有待进一步从凋落物量及碳氮比、微生物数量、植物根系分布情况等方面，分析不同配置模式间土壤碳积累的变化差异。