连栽对桉树人工林土壤有机碳含量影响的Meta分析

崔俊峰，唐健，王会利，石媛媛，覃祚玉，宋贤冲*

连栽对桉树人工林土壤有机碳含量影响的Meta分析

崔俊峰1,2,3，唐健1,2，王会利1,2，石媛媛1,2，覃祚玉1,2，宋贤冲1,2*

(1. 广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；2. 广西林用新型肥料研发中心，广西 南宁 530002；3. 广西国有钦廉林场，广西 钦州 535000)

为系统评价连栽对桉树人工林土壤有机碳含量的影响，检索了CNKI、万方数据库，搜集相关研究，以土壤有机碳含量的加权均数差为效应量，对纳入研究的文献进行Meta分析。结果表明：随着连栽代次的增加，桉树人工林土壤有机碳含量总体上呈逐渐减少的趋势；随着土层深度的增加，桉树人工林土壤有机碳含量与对照林分的差异逐渐减小，多代连栽对桉树土壤有机碳含量的影响主要体现在表土层。今后在桉树人工林营林实践中应注重对一代、二代和三代桉树人工林的表层土壤的有机质补充，以维持桉树人工林地力和桉树产业健康可持续发展。

连栽；桉树人工林；土壤；有机碳；Meta分析

土壤作为陆地生态系统中最大碳库，对全球碳循环起着重要作用[1]。多代连栽是桉树人工林一种常见的经营方式，短周期多代连栽可以带来巨大的经济利益[2]。近年来，随着短周期多代连栽、全垦皆伐等高强度经营方式在桉树人工林的大面积应用，林地土壤质量下降明显，土壤碳储量相对减少[3-5]。因此，多代连栽对桉树人工林土壤有机碳的影响引起了人们的持续关注。明安刚等[6]、肖斌[7]、史进纳等[8]、宋贤冲等[9]对不同连栽代次桉树人工林土壤有机质(碳)含量进行了研究；梁宏温等[10]、黄图英[11]、吕小燕等[4]研究了不同连栽代次土壤有机碳储量的变化特征。由于土壤有机碳含量的影响因素较多，包括土地利用方式[12-13]、地理位置、气温和降水量等[14]，而大多数研究的空间和时间尺度较小，加上土壤具有较强的异质性，导致不同连栽代次土壤有机碳的研究结果代表性较差且出现研究结果不一致的现象。针对这一问题，需要采用与传统研究综述定性比较不同的方法，对研究结果进行定性、定量结合的综合分析，得出综合性的分析结论[15]。

Meta分析(Meta-Analysis)是一种系统评价方法，其通过对多个独立研究结果进行统计合并量化为单一的效应量或效应尺度，以综合反映这些独立研究的结果，从而提高研究结果的可信度，并可解决单一研究结果不一致的问题[16]。本文利用Meta分析整合已发表文献，定量分析不同连栽代次桉树人工林、不同土层土壤有机碳含量的变化趋势，旨在科学、准确、全面地揭示连栽桉树人工林土壤有机碳含量变化的普遍性规律，为科学合理地经营桉树及维持桉树人工林地力提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据的收集

利用中国知网(CNKI)、万方等中文数据库，以“连栽”、“连作”、“萌芽”、“桉”和“有机碳”、“有机质”、“土壤养分”、“土壤理化性质”等为关键词，具体检索式为“TI=(连栽+连作+萌芽+林龄)*桉 AND SU=(有机碳+有机质+土壤养分+土壤理化性质)”，收集并筛选了2022年4月份以前发表的有关“连栽–桉树–土壤有机碳”的相关研究文献35篇进行Meta 分析。

1.2 文献筛选、资料提取

对检索到的文献资料进行归纳总结、筛选及资料提取。为达到本研究目的和减少文献筛选带来的偏差，所选文献必须满足以下几个条件：(1)试验中有不同连栽代次的处理或以非桉树林地如杉木()、马尾松()林或种植之前的空地为对照组，以不同连栽代次的桉树林为处理组；(2)研究论文所提供的土壤有机碳数据必须有试验的重复数(至少可以从论文其他部分得知)、标准差或者标准误。基于以上筛选标准，最终获得符合要求的研究论文16篇，获取有效数据148对。

纳入研究的16篇文献所开展研究的时间为2007—2021年。研究样地分布在广西、福建和四川等桉树种植区，以广西为主，而广西的研究地点中以广西东门林场雷卡分场为主。文献中的土壤类型不同，有红壤、砖红壤、赤红壤、紫色土和老冲积黄壤，以赤红壤为主。各研究的样地数量不同，采集土样的土壤分层范围为0 ～ 100 cm，不同研究的分层范围以0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm为主(表1)。

1.3 数据处理

由于已发表论文的数据呈现形式有表格和图两种，故获取数据的方法也有所差别。若文献数据以表格的形式呈现，数据直接从表格中获取；若文献数据以图的形式呈现，则利用GetData Graph Digitizer 2.26软件来获取相关数据。文献研究结果为有机碳含量的则直接获取，若为有机质含量的，则按照有机质(g·kg-1)=有机碳(g·kg-1)×1.724进行换算[16]；若研究结果以百分含量呈现，则将其转化为g·kg-1的单位。

1.4 统计学方法

采用RevMan5.4软件进行统计学分析。以土壤有机碳含量的加权均数差(Weighted Mean Difference，WMD)为效应量，计算各研究的效应量点估计值和95%置信区间(Confidence Interval，CI) ，同时计算纳入研究的合并效应量WMD及95%CI。纳入研究结果间的异质性采用χ2检验(α=0.05)，同时结合异质指数(I2)判断异质性大小。研究结果无统计学异质性时(I2<50%、>0.05)，采用固定效应模型分析；研究结果存在统计学异质性时(I2>50%、<0. 05)，采用随机效应模型分析。

2 结果与分析

2.1 一代桉树林土壤有机碳含量变化

涉及一代桉树林土壤有机碳含量的历史文献9篇[4,7,11,17-22]，研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=82%、<0.05)，表明各研究间异质性显著，故选用随机效应模型进行分析。经Meta分析表明，合并效应量WMD=−1.29，95% CI为−1.86 ～ −0.72，合并效应量WMD<0，说明综合各研究结果反映出土壤有机碳含量一代林<对照林分，且差异极显著(<0. 01)。

亚组分析可以更好地揭示土壤有机碳含量在不同代次间不同土层的变化情况。在0 ～ 20 cm土层，纳入的8篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=72%、<0.05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−2.48<0，95% CI为−3.76 ～ −1.19，说明在0 ～ 20 cm土层一代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异极显著(<0.01)。在20 ～ 40 cm土层，7篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=62%、<0.05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−1.26<0，95% CI为−2.19 ～ −0.34，说明在20 ～ 40 cm土层一代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异显著(<0.05)。在40 ～ 60 cm土层，3篇文献研究结果间异质性检验不具有统计学意义(I2=0%、>0.05)，表明各研究间异质性不显著。选用固定效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−0.39<0，95% CI为−0.72 ～ −0.07，说明在40 ～ 60 cm土层一代林土壤有机碳含量低于对照林分，且差异显著(<0.05)。60 cm以下土层各研究结果间异质性检验不具有统计学意义(I2=0%、>0. 05)，表明各研究间60 cm以下土层异质性不显著。选用固定效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−0.00，95% CI为−0.36 ～ 0.35，说明在60 cm以下土层一代林土壤有机碳含量和对照林分差异不显著(>0.05)(图1)。由图1可知，与对照林分相比，桉树一代林不同土层间土壤有机碳含量合并效应量WMD的变化趋势为0 ～ 20 cm<20 ～ 40 cm<40 ～ 60 cm<60 cm以下，即随着土层深度的增加，土壤有机碳含量差异逐渐减小。

表1 纳入研究的文献基本样地特征

图1 一代桉树林与对照林分土壤有机碳含量Meta分析

2.2 二代桉树林与一代桉树林土壤有机碳含量对比

涉及二代桉树林与一代桉树林土壤有机碳含量对比的历史文献13篇[4, 6-7, 9-10,11,19-23,25-26]，研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=96%、<0. 05)，表明各研究间异质性显著，故选用随机效应模型进行分析。经Meta分析表明，合并效应量WMD=−0.94<0，95% CI为−1.51 ～ −0.37，说明综合各研究结果反映出土壤有机碳含量二代林<一代林，且差异极显著(<0. 01)。

进一步对各研究结果按不同土层进行亚组分析。在0 ～ 20 cm土层，纳入的12篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义( I2=93%、<0. 05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−2.47<0，95% CI为−3.86 ～ −1.09，说明在0 ～ 20 cm土层二代林土壤有机碳含量低于一代林，且差异极显著(<0.01)。在20 ～ 40 cm土层，各研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=97%、<0.05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−0.46<0，95% CI为−1.54 ～ 0.63，说明在20 ～ 40 cm土层二代林土壤有机碳含量低于一代林，但差异不显著(>0.05)。在40 ～ 60 cm土层，各研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=75%、<0.05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−0.01<0，95% CI为−0.46 ～ 0.44，说明在40 ～ 60 cm土层二代林土壤有机碳含量低于一代林，但差异不显著(>0.05)。60 cm以下土层各研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=84%、<0.05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=0.75，95% CI为−0.18 ～ 1.68，说明在60 cm以下土层二代林土壤有机碳含量高于一代林，但差异不显著(>0.05)(图2)。由图2可知，与一代林相比，桉树二代林不同土层间土壤有机碳含量合并效应量WMD也呈现0 ～ 20 cm<20 ～ 40 cm<40 ～ 60 cm<60 cm以下的变化趋势。

图2 二代桉树林与一代桉树林土壤有机碳含量Meta分析

2.3 三代桉树林与二代桉树林土壤有机碳含量对比

涉及三代桉树林土壤有机碳含量的历史文献8篇[4,7,9, 19,21,23,25-26]，研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=96%、<0. 05)，表明各研究间异质性显著，故选用随机效应模型进行分析。经Meta分析表明，合并效应量WMD=−0.2<0，95% CI为−0.96 ～ 0.56，说明综合各研究结果反映出土壤有机碳含量三代林<二代林，但差异不显著(>0. 05)。

进一步对各研究结果按不同土层进行亚组分析。在0 ～ 20 cm土层，纳入的7篇文献研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=71%、<0. 05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−1.44<0，95% CI为−2.21 ～ −0.67，说明在0 ～ 20 cm土层三代林土壤有机碳含量低于二代林，且差异极显著(<0. 01)。在20 ～ 40 cm土层，各研究结果间异质性检验具有统计学意义(I2=96%、<0.05)，表明各研究间异质性显著。选用随机效应模型进行分析后，合并效应量WMD=−0.12<0，95% CI为−1.30 ～ 1.05，说明在20 ～ 40 cm土层三代林土壤有机碳含量低于二代林，但差异不显著(>0. 05)。在40 ～ 60 cm土层，各研究间异质性显著(I2=97%、<0. 05)。选用随机效应模型进行分析，其合并效应量WMD=1.76>0，95% CI为−1.52 ～ 5.03，说明在40 ～ 60 cm土层三代林土壤有机碳含量高于二代林，但差异不显著(>0.05)。60 cm以下土层各研究间异质性不显著(I2=9%、>0.05)，选用固定效应模型进行分析，合并效应量WMD=0.01，95% CI为−0.37 ～ 0.39，说明在60 cm以下土层三代林土壤有机碳含量高于二代林，但差异不显著(>0.05)(图3)。由图3可知，与二代林相比，桉树三代林不同土层间土壤有机碳含量合并效应量WMD呈现0 ～ 20 cm<20 ～ 40 cm<60 cm以下<40 ～ 60 cm的变化趋势。

图3 三代桉树林与二代桉树林土壤有机碳含量Meta分析

3 讨论

土壤有机碳含量受气候和土壤因素等多种环境因子的影响[27]，其中气候因子的影响最为突出[28]。FANG等[29]以省级单位为尺度评估了我国土壤有机碳的分布特征，发现土地利用类型和土壤质地是土壤有机碳含量的主要因素。通过对桉树人工林不同连栽代次土壤有机碳含量的Meta分析发现，各文献间研究结果不同的原因可能与各研究采集的同一代次林分的林龄不统一、土壤有机碳含量变异幅度较大、采集土样时土层深度划分标准不一致等因素有关。以不同土层为亚组对一代林和对照林分、二代林和一代林以及三代林和二代林土壤有机碳含量进行Meta分析发现，土壤有机碳含量总体上呈对照林分>一代林>二代林>三代林的变化趋势。一代林和对照林分之间、二代林和一代林之间的整体效应差异极显著(<0.01)，而三代林和二代林之间的整体效应差异不显著(>0.05)。随着连栽代次的增加，表土层(0 ～ 20 cm)土壤有机碳含量呈现极显著或显著下降的趋势，且随着土层深度的增加，土壤有机碳含量受连栽代次的影响逐渐减弱。本结果与董丽等[12]、魏卫东等[16]的研究结果一致，表明多代连栽对桉树土壤有机碳含量的影响主要体现在表土层。

在对不同连栽代次桉树林土壤有机碳含量进行Meta分析时，不同研究间总体分析均存在异质性，而一代林和对照林分之间的40 ～ 60 cm和60 cm以下土层及三代林和二代林之间40 ～ 60 cm土层的异质性不显著。产生这种情况的可能原因在于：一是纳入研究的文献量不足，异质性检验结果可信度不高；二是不同的研究采样深度不同，但在0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm一般都进行了采样，而不同研究采集混合土样进行有机碳含量测定的方法不一致；三是不同研究选择的样地林龄与土壤仍存在差异，样地坡度、坡向等地形地貌条件不完全一致。

针对桉树人工林土壤有机碳开展的各项研究相对较多，但符合Meta分析的文献数量有限，导致Meta分析结果不仅受限于纳入文献的数量，而且对检索到的文献的数据质量异质性也难以把控[30]，因而最终影响到Meta分析结果的论证强度及外推性[31]。与叙述性综述相比，Meta分析因其可较客观地依据统计学原则进行定性、定量的综合分析，较适用于类似土壤理化性质等在较大时空尺度变异幅度较大的研究中。

针对桉树人工林多代连栽对土壤有机碳影响的研究，若想获得科学客观的研究结果，亟待加强对研究样地的选取及对采样和分析测试方法的标准化和规范化，在此基础上，不同研究人员的研究结果之间方能相互验证、补充，更具有科学意义，更加有利于指导生态学和森林培育学实践。

4 结论

对不同连栽代次桉树人工林土壤有机碳含量进行Meta分析发现，一代林和对照林分之间、二代林和一代林之间的整体效应差异极显著(<0. 01)，而三代林和二代林之间的整体效应差异不显著(>0. 05)。

亚组分析结果表明，一代林和对照林分之间、二代林和一代林之间、三代林和二代林之间0 ～ 20 cm土层土壤有机碳含量的差异极显著。一代林和对照林分之间20 ～ 40 cm、40 ～ 60 cm土层的有机碳含量分别存在极显著和显著差异，其他代次和土层之间的差异均不显著。不同连栽代次桉树人工林土壤有机碳含量合并效应量大体上随着土层深度的增加而变大，土壤有机碳含量差异逐渐减小。

综上可知，随着连栽代次的增加，土壤有机碳含量总体上呈对照林分>一代林>二代林>三代林的变化趋势。随着土层深度的增加，桉树人工林土壤有机碳含量与对照林分的差异逐渐减小，多代连栽对桉树人工林土壤有机碳含量的影响主要体现在表土层。今后在桉树人工林营林实践中应注重对一代、二代和三代桉树人工林的表层土壤的有机质补充，以维持桉树人工林地力和可持续健康发展。

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Effects of Continuous Cropping on Soil Organic Carbon Content ofPlantation Soils Based on Meta-analysis

CUI Junfeng1,2,3, TANG Jian1,2, WANG Huili1,2, SHI Yuanyuan1,2,QIN Zuoyu1,2, SONG Xianchong1,2

(1.2.)

In order to systematically evaluate the effects of continuous cropping on soil organic carbon content ofplantation, CNKI and WANFANG databases were searched to identify publications on these subjects and collect published data. Weighted Mean Difference (WMD) of the soil organic carbon content was used as the effect size, and meta-analysis was performed. The results showed that with the increasing number of plantation rotations, the contents of soil organic carbon gradually decreased. However, with increasing soil depth the differences in soil organic carbon content betweenplantations and control stands gradually decreased; thus the effects of continuous cropping on soil organic carbon content manifested mainly in soil surface layers. Based on findings from this study, it is recommended that future plantation management pay more attention to organic matter amendments for plantation soils in order to maintain soil fertility and ensure sustainable development ofplantations.

continuous cropping;plantation; soil; organic carbon; Meta-analysis

10.13987/j.cnki.askj.2022.02.001

S714.8

A

广西林业科技推广示范项目“生态缓冲区桉树人工林土壤生态功能提升技术研究与示范”(桂林科研〔2021〕23号)

崔俊峰(1982— )，男，硕士，工程师，主要从事林地管理及林业技术工作，E-mail:cjq20110717@163.com

宋贤冲(1986— )，男，博士，高级工程师，主要从事森林土壤与土壤微生物研究，E-mail:songxc123@126.com