張雨潔，王 斌，李正才，黃盛怡，原雅楠，秦一心

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，杭州 311400)

土壤有機(jī)碳作為一種穩(wěn)定長(zhǎng)效的碳源物質(zhì)，幾乎包含了植物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素[1]，直接作用于植物的生長(zhǎng)和繁殖，同時(shí)它在維持土壤物理結(jié)構(gòu)方面也起到了重要作用，因此土壤有機(jī)碳能夠直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與穩(wěn)定性，成為評(píng)價(jià)土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)[2-3]。

土壤有機(jī)碳來源于動(dòng)植物殘?bào)w的歸還以及根系分泌物，其含量受群落的組成和分布、氣候、土壤類型、人為干擾等多種因素的影響[4-5]，然而，群落的組成和分布、群落生物量均會(huì)隨林齡的變化而產(chǎn)生巨大的變化，進(jìn)而影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫(kù)[6-8]。土壤活性碳(易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì))雖然占土壤總有機(jī)碳的比例較小[9-10]，但是能夠直接或間接地參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化，因此可以有效地反映土壤碳庫(kù)中各組分的轉(zhuǎn)變情況[11-12]。目前，許多學(xué)者對(duì)不同樹種土壤有機(jī)碳含量隨林齡變化的情況進(jìn)行了探究，有研究者認(rèn)為林地土壤有機(jī)碳含量隨林分的成熟會(huì)相應(yīng)增加[13]，也有學(xué)者表明林地土壤有機(jī)碳含量隨林齡增加先減小而后增加[14-15]，由于結(jié)果存在差異，因此研究不同樹種土壤有機(jī)碳含量隨林齡的變化規(guī)律是十分必要的。

香榧(Torreyagrandis)是中國(guó)的特有樹種，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以為榧農(nóng)帶來很高的經(jīng)濟(jì)收益，于是林農(nóng)為了提高香榧產(chǎn)量，加大了對(duì)香榧林的經(jīng)營(yíng)力度，但是在長(zhǎng)期高強(qiáng)度經(jīng)營(yíng)提高香榧果實(shí)產(chǎn)量的同時(shí)，也逐漸出現(xiàn)了一些問題，如不合理經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致林地保水、保肥能力下降；不合理施肥導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)破壞等[16]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于香榧土壤的研究多集中于香榧的繁殖栽培[17]、林地養(yǎng)分狀況調(diào)查[18-19]、施肥對(duì)香榧生長(zhǎng)及果實(shí)的影響[20-21]等方面，而關(guān)于集約經(jīng)營(yíng)模式下不同樹齡香榧土壤有機(jī)碳變化規(guī)律的相關(guān)研究尚不多見。因此本文選取集約經(jīng)營(yíng)模式下5個(gè)不同樹齡段的香榧為研究對(duì)象，研究其土壤有機(jī)碳變化規(guī)律，旨在為香榧林的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與持續(xù)利用，科學(xué)管理提供參考資料，同時(shí)也可為香榧古樹的保護(hù)與利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省諸暨市趙家鎮(zhèn)的香榧國(guó)家森林公園(E119°53′～120°32′，N29°21′～29°59′)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水豐沛，日照充足，年平均氣溫16.3 ℃，年平均降水量約1 373.6 mm，年平均日照時(shí)數(shù)約1 887.6 h。研究區(qū)屬于低山丘陵地貌，土壤類型為微酸性紅壤。

通過農(nóng)戶訪問和實(shí)地調(diào)查，選擇立地條件和經(jīng)營(yíng)管理措施基本一致的不同樹齡段的香榧樹(樣地的基本情況見表1香榧樹每年3月地表撒施化肥，9月地表撒施化肥和有機(jī)肥，每年單位面積化肥的總施肥量為0.7 kg·m-2，單位面積有機(jī)肥的總施肥量為7.5 kg·m-2，墾覆深度為30 cm，所有香榧樹均為單株分布，樹下均無(wú)植被種植)；按照0～50、50～100、100～300、300～500、500 a以上的樹齡梯度選擇樣本樹，每個(gè)樹齡段的樣本樹重復(fù)4～5株，所有調(diào)查樣株分布在半徑為500 m的范圍內(nèi)，以保證樣株立地條件大體一致，處于同一氣候背景之下，具有可比性。

1.2 樣品采集與分析方法

2017年9月野外測(cè)定所選香榧樹的基徑和樹高，并記載樹木的生長(zhǎng)情況。采集土樣，在離開樣本樹50～100 cm處隨機(jī)選取3～5個(gè)點(diǎn)挖取土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，3個(gè)層次采集土壤樣品。將土壤放入袋中，去掉其中的可見植物根系、殘?bào)w和碎石，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，之后過2 mm、0.25 mm和0.15 mm篩用于土壤總有機(jī)碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、輕組有機(jī)質(zhì)(LFOM)和土壤養(yǎng)分的測(cè)定。

土壤總有機(jī)碳測(cè)定用重鉻酸鉀外加熱法[22]；易氧化碳測(cè)定用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法[23]；輕組有機(jī)質(zhì)測(cè)定用1.7 g·mL-1碘化鈉重液分離法[24]；土壤養(yǎng)分測(cè)定用常規(guī)方法[25]：全氮(TN)，凱氏定氮法；水解氮(AN)，堿解擴(kuò)散法；速效鉀(AK)，乙酸浸提法；有效磷(AP)，碳酸氫鈉法；交換性鈣(Ca)和交換性鎂(Mg)，原子吸收分光光度法。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行圖表繪制和數(shù)據(jù)處理分析。對(duì)不同樹齡香榧土壤之間總有機(jī)碳、易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和顯著性分析(LSD檢驗(yàn))，對(duì)土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析(Pearson檢驗(yàn))。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹齡香榧各土層土壤總有機(jī)碳含量變化

不同樹齡香榧的土壤總有機(jī)碳呈明顯變化(表2)，介于3.92～28.61 g·kg-1之間，隨著香榧樹齡的增加，各土層土壤總有機(jī)碳含量先增大后減小，即300～500 a的香榧土壤總有機(jī)碳含量達(dá)到最高，隨后呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明，0～50 a與50～100 a生香榧土壤總有機(jī)碳之間差異不顯著，100～300 a生香榧土壤總有機(jī)碳含量開始顯著提高；500 a以上的香榧土壤總有機(jī)碳含量在40～60 cm土層顯著降低，在0～20 cm和20～40 cm土層雖有降低趨勢(shì)，但結(jié)果不顯著。

2.2 不同樹齡香榧土壤活性有機(jī)碳含量的變化

表3顯示，不同樹齡香榧土壤易氧化碳含量介于0.58～6.48 g·kg-1之間，各土層土壤易氧化碳含量隨樹齡的變化趨勢(shì)相同，即均隨樹齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中，300～500 a的香榧土壤易氧化碳含量達(dá)到最高。此變化趨勢(shì)雖與土壤總有機(jī)碳變化趨勢(shì)保持一致，但各樹齡段香榧土壤易氧化碳含量在0～20 cm和20～40 cm土層差異均不顯著，僅300～500 a生香榧土壤在40～60 cm土層得到顯著的提高。

表4表明，不同樹齡階段香榧的同一土層土壤的輕組有機(jī)質(zhì)含量均隨樹齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在300～500 a達(dá)到峰值。但是相同土層不同樹齡間土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量差異不大，分別為44.98～59.58 g·kg-1，29.38～46.17 g·kg-1，28.25～30.71 g·kg-1，僅在0～20 cm土層，300～500 a生香榧土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量提高較為顯著，其余各土層的不同樹齡香榧之間的輕組有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。

表1 不同樹齡香榧樣地基本信息

表2 不同樹齡香榧不同土層土壤總有機(jī)碳含量

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同行不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同

Note: mean±SD; Different lowercase letters in the same line indicate significant difference among different ages at 0.05 level; the same as below

表3 不同樹齡香榧土壤不同土層易氧化碳含量

表4 不同樹齡香榧不同土層土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量

圖1 不同樹齡香榧0～60 cm土層土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比率Fig.1 ROC/TOC of different soil layers for different aged T. grandis

2.3 土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比率

香榧土壤易氧化碳占土壤總有機(jī)碳比例范圍為11.73%～25.93%，在0～20 cm土層，不同樹齡香榧土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例沒有明顯的規(guī)律；在20～40 cm和40～60 cm兩個(gè)土層變化規(guī)律相同，均是50～100 a生香榧土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例最大，500 a以上香榧土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例最小；同一土層不同樹齡香榧的土壤易氧化碳含量占總有機(jī)碳比例差異不顯著。各樹齡段香榧土壤易氧化碳占總有機(jī)碳比例均隨土層的加深而減小，其中，500 a以上的香榧土壤易氧化碳所占比例減小幅度最大(圖1)。

2.4 土壤總有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳的相關(guān)分析

5種樹齡香榧土壤各活性有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但是相關(guān)性在不同樹齡香榧之間的變化規(guī)律并不明顯(圖2)。

2.5 土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

從表5可見，各樹齡段香榧土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳與全氮之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；除0～50 a外，與水解性氮之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)；與速效鉀之間的相關(guān)性只有500 a以上的香榧土壤達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；除100～300 a的香榧土壤活性有機(jī)碳外，其余各樹齡段的土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳與有效磷之間的相關(guān)性都達(dá)到顯著水平(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)；0～50 a、50～100 a和500 a以上的香榧土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳與交換性鈣和交換性鎂之間達(dá)到顯著相關(guān)(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3 討 論

3.1 樹齡對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

森林土壤有機(jī)碳主要來自于地表植被凋落物和根系的歸還[26]，而凋落物量主要受到林分生物量、林齡和氣候變化影響[27]。此外，大量研究結(jié)果表明林分生物量隨林齡、胸徑的增加而增加：董點(diǎn)等[28]研究發(fā)現(xiàn)紫椴(Tiliaamurensis)各器官平均生物量隨著胸徑的增加而增加；高杰等[29]研究發(fā)現(xiàn)油松(Pinustabuliformis)林隨林齡的增加，喬木層各器官生物量呈上升趨勢(shì)；朱江等[30]表明華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)的器官生物量與植物的胸徑、樹高、樹齡和樹冠長(zhǎng)度呈指數(shù)關(guān)系；陳東升等[31]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)日本落葉松(Larixkaempferi)人工林隨林齡的增加，林分總生物量、碳儲(chǔ)量和養(yǎng)分儲(chǔ)量隨林齡的增加呈增大趨勢(shì)。本研究中，各土層土壤總有機(jī)碳含量隨著香榧樹齡的增加呈現(xiàn)先逐漸增大然后有所減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著香榧樹齡和胸徑的增長(zhǎng)，地上生物量逐漸累積增多，每年的凋落物數(shù)量也隨之增加，從而土壤有機(jī)碳得到逐步提高。另外，植物根系的周轉(zhuǎn)和分解也是增加土壤有機(jī)碳的重要途徑[32]，而植物的根系生物量與林齡也有著密切的關(guān)系：劉波等[33]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)根生物量隨林齡增長(zhǎng)而有所增加；匡冬姣等[34]研究結(jié)果表明杉木(Cunninghamialanceolata)人工林0～60 cm土層內(nèi)細(xì)根生物量歲林齡增大先增加后減小；韓暢等[35]發(fā)現(xiàn)杉木、馬尾松(Pinusmassoniana)隨林齡的增加，各林齡階段根系總生物量呈增加趨勢(shì)。因此，隨著香榧樹齡的增長(zhǎng)，其根系生物量也逐漸增加，從而土壤總有機(jī)碳也逐漸上升。但是，本文中當(dāng)香榧樹齡超過500 a，土壤總有機(jī)碳稍有下降，這可能是因?yàn)?00 a以上的香榧生長(zhǎng)勢(shì)下降，枝葉老化，枝干生物量較300～500 a的香榧稍有減少而導(dǎo)致的。本研究結(jié)果與謝濤等[36]對(duì)蘇北沿海不同林齡楊樹(Populus)林土壤活性有機(jī)碳的研究結(jié)果一致。

圖2 不同樹齡香榧不同土層土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Relationships between soil labile organic carbons and TOC of different soil layers for different aged T. grandis

3.2 樹齡對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響

一般認(rèn)為，土壤活性有機(jī)碳不穩(wěn)定、易氧化、移動(dòng)性高，在一定環(huán)境條件下，可轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)植物或微生物生命活動(dòng)所需的有機(jī)碳。土壤易氧化碳是活性有機(jī)碳的重要組成部分，其含量受到地表凋落物分解和土地管理方式的影響[37-38]；輕組有機(jī)質(zhì)同樣也是活性有機(jī)碳的重要組成部分，表層土壤輕組有機(jī)質(zhì)主要來源于植被凋落物，深層土壤的輕組有機(jī)質(zhì)主要來源于植物地下根系代謝殘?bào)w、根系分泌物以及死亡微生物等[39]，其含量受到微生物分解、氣候變化和土壤物理結(jié)構(gòu)的影響[40-41]。而凋落物的分解速率又受到氣候條件、坡相位置、凋落物量等各種因素的影響[42-43]，林齡作為林分構(gòu)成的重要指標(biāo)，對(duì)凋落物分解也會(huì)產(chǎn)生重要影響[44]。本研究中，土壤易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)含量均隨香榧樹齡的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，但在各樹齡無(wú)明顯差異。由于5種樹齡香榧所處環(huán)境和經(jīng)營(yíng)管理方式大致相同，因而樹齡成為其活性有機(jī)碳分布格局的主要限制因素，隨樹齡的增加，香榧生物量、地上生物量和地下生物量不斷增加，通過凋落物和根系分泌物歸還到土壤的數(shù)量也逐漸增加；此外，又由于土壤活性有機(jī)碳組分在很大程度上取決于土壤總有機(jī)碳含量[45-46]，所以本文易氧化碳與輕組有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)與土壤總有機(jī)碳保持一致。

表5 不同樹齡香榧不同土層土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

注：**P<0.01; *P<0.05

Note: **P<0.01; *P<0.05

易氧化碳占總有機(jī)碳的比例越高，說明土壤有機(jī)碳的活性越大，養(yǎng)分循環(huán)越快，穩(wěn)定性越差[47]。本研究中，不同樹齡香榧土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例在0～20 cm土層沒有明顯規(guī)律，20～40 cm和40～60 cm土層易氧化碳所占比例表現(xiàn)為：50～100 a>0～50 a>100～300 a>300～500 a>500 a以上。在20～40 cm和40～60 cm兩個(gè)土層，50～100 a生的香榧土壤易氧化碳占總有機(jī)碳比例最高，說明此樹齡段香榧處于生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期，養(yǎng)分循環(huán)最快，有機(jī)碳穩(wěn)定性較差，之后隨著樹齡的增加，易氧化碳所占比例逐漸減少，土壤碳庫(kù)越來越穩(wěn)定，說明隨著香榧的逐漸成熟，土壤對(duì)有機(jī)碳的持留和貯存能力逐漸增強(qiáng)。

本研究中，5種樹齡香榧土壤易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)含量與總有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，這說明土壤各活性有機(jī)碳雖然在形態(tài)和測(cè)定方法上有所差異，但分別從不同角度表征了土壤碳平衡狀況，并且它們的變化受到土壤總有機(jī)碳含量的制約[48-49]。

不同樹齡香榧土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析表明：各樹齡段香榧土壤總有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳與全氮之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；除0～50 a生香榧外，其余各樹齡段香榧土壤總有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳與水解性氮達(dá)到顯著(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)，這主要是因?yàn)榈睾颗c土壤有機(jī)碳含量密切相關(guān)，因而與土壤總有機(jī)碳有著密切相關(guān)關(guān)系的活性有機(jī)碳，也與土壤全氮和水解性氮具有一定的相關(guān)性[50-51]。此外，龔偉等[52]指出土壤有機(jī)碳的活性對(duì)土壤肥力具有一定的指示作用，因而各樹齡段香榧土壤總有機(jī)碳、各活性有機(jī)碳與有效磷之間的相關(guān)性較好。除500 a以上的香榧外，其余各樹齡段香榧的土壤總有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳組分與速效鉀、交換性鈣、交換性鎂之間的相關(guān)性均較差，可能是因?yàn)樗傩р浭芡寥蕾|(zhì)地、地形的影響較大，并且鉀離子移動(dòng)性較強(qiáng)，在土壤中分布較為均勻[53]，而交換性鈣、交換性鎂與速效鉀之間又存在密切的相關(guān)關(guān)系[54]。500 a以上香榧土壤總有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳組分與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，這可能是因?yàn)樵匠墒斓南汩嫉挚雇寥辣磺治g的能力越強(qiáng)，可有效阻止土壤表層養(yǎng)分的流失。

總之，隨香榧樹齡的增長(zhǎng)，0～60 cm各土層總有機(jī)碳、易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)含量先增加后減小，易氧化碳占總有機(jī)碳的比例逐漸降低。因此，在今后香榧的經(jīng)營(yíng)管理過程中，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)幼年及壯年時(shí)期香榧土壤的改良，通過合理施肥、翻耕等措施改善林地的水熱、養(yǎng)分因子和土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性。