林龄和土层对柠檬桉林土壤养分和易氧化有机碳的影响

何普林，徐其贤，王忠林，张振源，刘 悦，顾晓娟，周 庆，莫其锋*

(1. 中林集团雷州林业局有限公司，广东 湛江 524043；2. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642)

人工林是陆地生态系统的重要组成部分之一，具有提供木材产品、提高森林碳汇和改善生态环境等功能，因而具有重大的经济效益和生态效益[1-2]。我国人工林的发展速度和现存面积居世界首位。全国第九次森林资源连续清查结果显示，华南地区人工林面积占我国人工林总面积的19%，是重要的人工林分布区。在广东省的人工林树种构成中，桉树（Eucalyptusspp.）和杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.）纯林分别占人工林面积的39%和16%。因此，桉树仍是我国重要的人工林树种之一。

林龄显著影响人工林土壤理化特征和碳汇能力。一般认为，土壤碳储量随林龄的增加而增加。一方面，林龄增加后地上生物量快速累积，导致地表凋落物的输入增加，从而提高土壤碳含量[3-4]，另一方面，树木根系死亡后分解亦可以提高土壤碳含量[5]。例如，对不同龄级（1、2～3、4～5、6～7、8 年生）尾巨桉（Eucalyptus urophylla×grandis）人工林的研究发现，随林龄的增加，土壤有机碳、总氮和有效氮含量呈增加趋势[6]。另有研究表明，不同林龄（1、2、3、6 和7 年生）尾巨桉人工林土壤碳含量随林龄增加并未发现显著的差异[7]。以上关于林龄对桉树土壤有机碳和养分含量影响的结果存在较大差异，可能与土壤的性质以及桉树林龄的跨度大小相关。另外，土层对人工林土壤理化特性和有机碳含量及稳定性也会产生极大影响，且这种影响一般随着土层的增加而减小[8]，这与不同土层的土壤受到表层有机质的淋溶和淀积作用有关，且与林木根系分布的不同深度也相关[9]。

易氧化有机碳（ROC）是土壤有机碳库中比较活跃的组分，参与土壤中各种化学反应，且容易被分解[10]。土壤ROC 与总有机碳的比值（ROC/TOC）在一定程度上可以反映出土壤有机碳的稳定性[11]。研究发现，土壤ROC 会受到土壤含水量和氮磷养分含量的影响[10,12]。随着林龄的增加，人工林的地表凋落物逐渐增加，土壤含水量和养分也呈现出一定的变化[13-14]，因而人工林林龄的差异将可能对土壤ROC 和碳稳定性产生极大的影响，且随着土层的变化可能会发生显著差异。

桉树人工林土壤固碳的研究已有很多报道，且主要集中在尾叶桉人工林[15-16]或尾巨桉人工林[17-18]，而对华南地区柠檬桉（Eucalyptus citriodoraHook.）人工林土壤固碳方面的报道相对较少[19-20]。一方面，柠檬桉含有芳香类物质，可作为香料工业中的原料；其木材材质坚硬，耐磨抗腐，具有重要的工业价值。由于柠檬桉的生长周期较长，其生态效益和固碳潜力也得到了重视[21]；另一方面，由于柠檬桉的生长特性，其作为用材林的大面积推广并没有得到重视，因而柠檬桉人工林的地力维持和土壤有机碳稳定性的相关研究报道较少。因此，本文以广东省湛江市中林集团雷州林业局有限公司唐家林场分公司种植的柠檬桉人工林为研究对象，探讨不同林龄柠檬桉人工林土壤养分、碳汇能力、碳稳定性及其垂直分布规律，回答以下问题：（1）不同林龄和土层对柠檬桉人工林土壤理化性质的影响如何？（2）不同林龄柠檬桉人工林土壤有机碳和易氧化有机碳的垂直分布规律如何？其碳稳定性受到哪些因素的影响？本研究结果可为华南地区柠檬桉人工林土壤地力维持和固碳能力的提升提供科学数据参考。

1 材料与方法

1.1 样地概况

研究样地位于广东省湛江市中林集团雷州林业局有限公司唐家林场分公司柠檬桉种植基地（109°63′25”E，20°74′08”N）。样地位于北回归线以南，属亚热带湿润性季风气候，年均日照时数2 003.6 h，年总辐射量108～117 ka·cm-2，年均气温22 ℃，年均积温约8 382.3 ℃。年均无霜期达364 d。年均降雨量为1 711.6 mm，降雨年际变化大，干湿季明显。湿季为6～9 月，干季为11 月至次年3 月。研究样地地势平坦，海拔高度约为50 m，土壤类型主要为浅海沉积物发育的砖红壤，质地较轻，土层深厚，但淋溶强烈，酸性强，养分贫瘠[22]。

1.2 样品采集

本试验选择的2 种林龄柠檬桉人工林造林时间分别为2019 年5 月和2002 年5 月，调查和土壤采样时间为2022 年12 月，即为3 年生和20 年生人工林。采样时，2 种林分的平均胸径分别为8.73 ± 0.58 cm 和18.43 ± 2.82 cm，树高分别为10.90 ± 0.55 m 和19.33 ± 0.54 m，2 种林分密度分别为1 050 ± 32 株·hm-2和225 ± 17 株·hm-2。

在选定的每种林龄的柠檬桉人工林内，设置3 块20 m × 20 m 的样方，进行调查和土壤采样，各样方之间的距离大于100 m。在每块样方的对角线上选择3 处挖掘土壤剖面，每个剖面划分5 个层次（0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm），并使用环刀法和剖面法进行采样，每份土壤样品采集约500 g，带回实验室进行风干过筛处理，备用。

1.3 样品测定

土壤含水量（SWC）测定采用烘干法；土壤密度（SD）利用环刀法测定，毛管持水量（CWHC）利用环刀采集的土壤，吸水12 h 并排除重力水后计算得出，总孔隙度（TPO）、毛管孔隙度（CPO）、非毛管孔隙度（NCPO）和土壤通气孔隙度（APO）结合土壤密度、土壤比重（一般取2.65 g·cm-3）和毛管持水量进行计算得出[23]。

土壤pH 值用pH 计测定，水土比为2.5:1，土壤全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定；用硫酸（H2SO4）和氢氟酸（HF）消化土壤样品后，用钼锑抗显色法测定土壤全磷（TP）；以Bray-2 溶液浸提后用钼锑抗显色法测定土壤有效磷（AP）；总有机碳（TOC）采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定[23]；易氧化有机碳（ROC）用333 mmol·L-1KMnO4氧化，在565 nm 波长下进行比色测定[12]。

1.4 数据分析

采用双因素分析方法（Two-way ANOVA）比较林龄和土层对柠檬桉人工林土壤理化性质的影响，并采用单因素方差分析（One-way ANOVA）及多重比较（LSD 法）对不同林龄林分的显著性差异进行比较。使用Pearson 相关分析分别比较两种林龄人工林土壤各因子之间的相关性。用SPSS 19.0 统计分析软件对数据进行分析，绘图用Origin 2021 软件完成。显著性设定为p＜ 0.05。

2 结果与分析

2.1 不同林龄柠檬桉人工林土壤物理性质的垂直变化趋势

双因素方差分析结果表明，林龄显著影响柠檬桉人工林土壤的物理性质，但土层及土层与林龄的交互作用对土壤物理性质没有显著影响（表1）。3 年生柠檬桉林土壤密度高于20 年生，且在0～10 cm 和40～60 cm 土层的土壤密度存在显著的林龄差异；20 年生柠檬桉林土壤自然含水量高于3 年生，且在0～10、40～60 和60～100 cm土层差异显著；而且土壤毛管持水量表现为20 年生高于3 年生，且在0～10、20～40 和40～60 cm 土层差异显著。2 种林龄柠檬桉人工林土壤密度随土层加深而逐渐增大，而土壤自然含水量和毛管持水量则随土层的增加无明显变化（表2）。

表1 林龄和土层对柠檬桉人工林土壤理化性质的双因素方差分析结果Table 1 Two-way ANOVA of stand age and soil layer on the soil physicochemical properties of E. citriodora plantations

表2 不同林龄柠檬桉人工林土壤密度、含水量和毛管持水量特征Table 2 Soil density, water contents, and capillary water holding capacity of E. citriodora plantations with different stand ages

林龄对土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通气孔隙度均有显著影响，而土层及土层与林龄的交互作用对土壤不同种类的孔隙度则无显著影响（表1）。20 年生柠檬桉土壤总孔隙度和毛管孔隙度高于3 年生，且在0～10、20～40 和40～60 cm 3 个土层表现出显著的林龄差异，非毛管孔隙度和通气孔隙度表现为20 年生大于3 年生，但两者仅在40～60 cm 土层表现出显著差异（表3）。

表3 不同林龄柠檬桉人工林土壤孔隙度的垂直变化趋势Table 3 Changes of soil porosity of E. citriodora plantations with different stand ages

2.2 不同林龄柠檬桉人工林土壤化学性质的垂直变化趋势

林龄显著影响柠檬桉人工林土壤pH 值，但土层及土层与林龄的交互作用对土壤pH 值没有显著影响（表1）。20 年生柠檬桉人工林土壤pH 值高于3 年生，且在10～20、20～40 和40～60 cm呈现出显著的年龄差异（表4）。

表4 不同林龄柠檬桉人工林土壤化学性质的垂直变化趋势 Table 4 Change of chemical properties of E. citriodora plantations with different stand ages

林龄、土层及其交互作用显著影响柠檬桉人工林土壤总有机碳和全氮含量（表1），且2 种林龄柠檬桉人工林均表现在随着土层的增加而呈下降趋势。20 年生柠檬桉人工林土壤总有机碳和全氮比3 年生分别高出21.30%～232.89% 和0.00%～77.65%，且20 年生20～100 cm 土层总有机碳显著高于3 年生，而土壤全氮仅在0 ～10 cm 和40～60 cm 两个土层间表现出显著的林龄差异（表4）。

林龄和土层对柠檬桉人工林土壤全磷呈现出显著的影响，但两者的交互作用不显著（表1）。2 种林龄人工林土壤全磷含量随着土层的增加而明显下降，20 年生柠檬桉人工林土壤全磷高于3 年生，且在0～10、40～60 和60～100 cm 3 个土层间呈现出显著的林龄差异，另外，土壤速效磷仅在表层0～10 cm 呈现出显著的林龄差异，且随土层增加无显著的变化（表4）。

林龄显著影响柠檬桉人工林土壤C∶N、C∶P 和N∶P，但土层对三者无显著影响，且土层和林龄的交互作用仅显著影响C∶N 和C∶P，20 年生柠檬桉人工林土壤C∶N 高于3 年生，且在40～60 cm 和60～100 cm 呈现出显著的林龄差异。相反，土壤N∶P 表现为3 年生大于20 年生，但仅在20 ～40 cm 呈现显著差异。土壤C∶P 比在中间土层（10～20、20～40 和40～60 cm）呈现出显著的林龄差异（表5）。

表5 不同林龄柠檬桉人工林土壤碳氮磷化学计量比特征Table 5 Carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry characteristic of E. citriodora plantations with different stand ages

2.3 不同林龄柠檬桉人工林土壤易氧化有机碳的垂直分布趋势

林龄、土层及两者的交互作用对柠檬桉人工林土壤易氧化有机碳（ROC）呈现显著影响，且林龄及林龄和土层的交互作用对ROC/TOC 值呈现显著效应（表1）。3 年生柠檬桉人工林土壤ROC 含量随土层增加而明显下降，而20 年生则表现随土层增加表现出一定的降低趋势（图1 a）。除0～10 cm 和10～20 cm 土层外，20 年生柠檬桉人工林土壤ROC 含量比3 年生显著高出44.77%～133.29%，而2 种林龄柠檬桉人工林土壤ROC/TOC 值随土层变化的规律不明显，在0～10、20～40 和40～60 cm 表现为3 年生显著高于20 年生（图1 b）。

图1 不同林龄柠檬桉人工林土壤ROC 及ROC/TOC 的垂直变化趋势Fig. 1 Vertical changes of ROC and ROC:TOC ratios of E. citriodora plantations with different stand ages

2.4 土壤有机碳和易氧化有机碳与其他土壤因子的相关性

相关分析表明，3 年生柠檬桉人工林土壤TOC 和ROC 含量与土壤密度呈极显著负相关，与毛管持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、全氮、全磷、C∶N、C∶P 呈极显著正相关，而土壤ROC/TOC 值与C∶N、C∶P 呈极显著负相关（表6）。20 年生柠檬桉人工林土壤TOC 含量与土壤密度呈显著负相关，与总孔隙度、全磷、C∶N 呈显著正相关，与全氮、C∶P 呈极显著正相关；土壤ROC 含量与全氮呈极显著正相关，与全磷、C∶P 呈显著正相关，而土壤ROC/TOC 值与C∶N、C∶P 呈显著负相关（表6）。

表6 不同林龄柠檬桉人工林土壤TOC、ROC 和ROC/TOC 与其他土壤因子的相关性 Table 6 Correlations between TOC, ROC, ROC/TOC, and other soil factors in E. citriodora plantations with different stand ages

3 讨论

3.1 林龄和土层对柠檬桉人工林土壤有机碳和养分的影响

本研究发现，林龄对柠檬桉人工林土壤的物理和化学特征（除有效磷含量外）均存在显著影响，说明随着林龄的增加，林下植被的覆盖和凋落物分解后输入的有机质显著改善了土壤碳和养分情况，这与以往的研究结果相一致[24]。有研究报道，广西高峰林场5 种林龄尾巨桉人工林0～40 cm 土层土壤全氮和全磷随林龄变化表现为3 年生＞2 年生＞6 年生＞1 年生＞7 年生，表明土壤全氮和全磷随桉树林龄增加而没有呈现明显的递增或递减的变化规律[7]。对桂南地区不同龄级尾巨桉人工林的研究发现，土壤总碳随龄级增加至6～7 a 后下降，土壤总氮、总磷和总钾含量均在中龄林（2～3 年生）达到最大值，说明桉树人工林土壤总碳随着林龄的增加呈上升趋势，而土壤氮磷钾养分随林龄增加先上升后下降[6]。以上结果说明，林龄对桉树人工林土壤养分特征的影响存在较大差异，且与本研究结果不一致。造成上述差异的原因可能是林龄跨度。以往研究关注的桉树人工林林龄跨度较小，仅在一个轮伐期内，土壤理化特性受施肥或营林措施影响较大，而凋落物以及根系输入的碳累积量相对有限，故土壤总碳及养分随林龄的变化并未呈现明显的递增或递减规律。另外，本研究20 年生柠檬桉人工林土壤TOC、TN 和TP 比3 年生分别高138.60%、29.77% 和56.99%，说明土壤有机碳和氮磷养分随着林龄的增加而增加，这是由于随着人工林林龄的增加，林龄跨度的增大，地表凋落物及根系分解后带来有机质的持续输入，提高了人工林土壤有机碳含量及固碳能力，并改善了土壤肥力状况[24]。本研究中，2 种柠檬桉人工林土壤有机碳、全氮和全磷随土层的增加而明显下降，与以往研究结果一致[8]。这主要是由于不同土层土壤受到表层有机质的淋溶和淀积作用的影响，同时也与林木根系分布的深度有关[9]

3.2 不同林龄柠檬桉人工林土壤碳稳定性的垂直变化趋势及影响因素

本研究发现，林龄及林龄与土层的交互作用显著影响了柠檬桉人工林土壤ROC 含量和ROC/TOC 值，说明林龄对土壤碳稳定性存在显著效应，且ROC 存在明显的垂直分布规律，随土层的增加而下降，与前人研究结果基本一致[17]。20 年生柠檬桉人工林土壤ROC 含量比3 年生高49.52%，而ROC/TOC 值比3 年生低30.17%，说明柠檬桉人工林随着林龄的增加，土壤有机碳的稳定性增强，这与人工林林龄的增加使有机质的持续输入并转化为更稳定性的碳密切相关[17,25]。土壤ROC/TOC 值在一定程度上可以反映出土壤有机碳的稳定性，其比值受到土壤性质、林分类型、林龄、森林演替和海拔等因子的影响[26-28]。对桂北不同林龄桉树人工林土壤碳库的研究发现，土壤活性有机碳含量随林龄的增加而降低，但是土壤活性有机碳占总有机碳的比例随林龄变化无明显变化规律[17]。随着人工林林龄的增加，土壤TOC 的累积的量较大，而ROC 累积的量相对较少，因而导致20 年生柠檬桉人工林土壤ROC 占TOC 的比例降低，土壤有机碳趋向于更稳定。另外，本研究发现2 种林龄柠檬桉人工林土壤TOC 和ROC 均受到土壤TN、TP、C∶N、C∶P 的显著影响，而3 年生柠檬桉人工林土壤TOC 和ROC 还受到土壤毛管持水量、总孔隙度和通气孔隙度的影响，这说明柠檬桉幼龄林（3 年生）土壤碳储量及稳定性受到土壤物理性质和氮磷养分供应的调控，而成熟林（20 年生）则更容易受到土壤养分供应水平的调控。因此，适当延长柠檬桉人工林的轮伐期，且在一定程度提高土壤的氮磷供应水平，有利于提高土壤中稳定性碳的比例，从而更好地提升碳在土壤中存留的周期，可以有效提高桉树人工林土壤碳库的质量和稳定性。

4 结论

本文探讨不同林龄和土层对柠檬桉人工林土壤养分状况和碳稳定性的影响，主要结论如下：（1）柠檬桉人工林土壤理化性质受到林龄和土层的显著影响，土壤有机碳和氮磷养分随着林龄的增加而增加，且随着土层的增加而下降。（2）20 年生柠檬桉人工林土壤易氧化有机碳（ROC）含量高于3 年生，但ROC/TOC 的比值比3 年生低，表明20 年生柠檬桉人工林土壤碳的稳定性更高。（3）柠檬桉幼龄林土壤碳储量及稳定性受到土壤物理性质和氮磷养分供应的调控，而成熟林则更容易受到土壤氮磷养分供应水平的调控。本研究结果为柠檬桉人工林土壤碳汇能力及其稳定性的提升提供了科学的数据参考。因此，在桉树人工林经营中，可以适当延长人工林的轮伐期，同时适当调整土壤氮磷供应比例，可以有效提高土壤有机碳库的储量及其稳定性。