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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(Eucalyptus spp.)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 citriodora Hook.)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。
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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)。
指标
Index土层
Soil layer林龄
Stand age土层 × 林龄
Soil layer × Stand ageF p F p F p 土壤密度 Soil density 2.464 0.078 52.636 0.000 1.213 0.337 自然含水量 Soil water contents 6.555 0.002 50.553 0.000 1.099 0.384 毛管持水量 Capillary water holding capacity 2.440 0.080 52.770 0.000 1.178 0.350 总孔隙度 Total porosity 2.423 0.082 52.115 0.000 1.178 0.350 毛管孔隙度 Capillary porosity 1.720 0.185 29.946 0.000 1.426 0.262 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity 0.277 0.890 4.742 0.042 1.595 0.215 通气孔隙度 Aeration porosity 1.317 0.298 13.014 0.002 0.371 0.827 酸碱度 pH 0.535 0.712 28.767 0.000 0.972 0.445 总有机碳 Total organic C 8.624 0.000 27.734 0.000 3.027 0.042 全氮 Total N 32.075 0.000 16.740 0.001 3.677 0.021 全磷 Total P 20.222 0.000 51.117 0.000 0.840 0.516 有效磷 Available P 1.523 0.233 0.052 0.821 1.402 0.269 碳氮比 C∶N 1.259 0.319 21.936 0.000 2.975 0.044 碳磷比 C∶P 2.313 0.093 9.832 0.005 4.401 0.010 氮磷比 N∶P 0.952 0.455 12.285 0.002 0.453 0.769 易氧化有机碳 ROC 14.502 0.000 13.888 0.001 3.366 0.029 易氧化有机碳:总有机碳 ROC:TOC 2.129 0.115 18.099 0.000 3.383 0.029 Table 1. Two-way ANOVA of stand age and soil layer on the soil physicochemical properties of E. citriodora plantations
林龄
Stand age土层
Soil layer/cm土壤密度
Soil density/(g·cm−3)自然含水量
Soil water contents/%毛管持水量
Capillary water holding capacity/%3年生
Three-years0~10 1.31 ± 0.04 Aa 17.55 ± 2.29 Bab 32.85 ± 2.13 Ba 10~20 1.30 ± 0.08 Aa 20.99 ± 2.43 Aa 33.47 ± 3.31 Aa 20~40 1.30 ± 0.08 Aa 22.18 ± 2.74 Aa 30.79 ± 1.79 Bab 40~60 1.46 ± 0.02 Aa 14.51 ± 1.14 Bb 25.65 ± 0.31 Bb 60~100 1.42 ± 0.03 Aa 15.59 ± 0.88 Bab 27.60 ± 1.59 Aab 20年生
Twenty-years0~10 0.96 ± 0.04 Bb 26.37 ± 1.40 Aa 50.98 ± 1.48 Aa 10~20 1.08 ± 0.05 Aab 27.77 ± 0.70 Aa 44.96 ± 6.96 Aab 20~40 1.08 ± 0.07 Aab 27.57 ± 1.38 Aa 48.64 ± 3.15 Aab 40~60 1.03 ± 0.05 Bab 24.71 ± 0.64 Aa 47.12 ± 4.11 Aab 60~100 1.21 ± 0.11 Aa 20.59 ± 0.31 Ab 36.62 ± 4.04 Ab 注:表中不同大写字母表示同一土层不同林龄间的显著差异,不同小写字母表示同一林龄不同土层间的显著差异,p<0.05。下同
Notes: Different capital letters indicate significant differences between two stand ages within the same layers, while different lowercase letters indicate significant differences among different layers within the same stand age, p<0.05. The same as belowTable 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)。
林龄
Stand age土层
Soil layer/cm总孔隙度
Total porosity/%毛管孔隙度
Capillary porosity/%非毛管孔隙度
Non-capillary porosity/%通气孔隙度
Aeration porosity/%3年生
Three-years0~10 50.42 ± 1.67 Ba 42.98 ± 1.45 Ba 7.44 ± 1.13 Aa 27.35 ± 4.16 Aa 10~20 51.09 ± 3.17 Aa 42.85 ± 1.85 Aa 8.24 ± 1.90 Aa 24.29 ± 1.70 Aa 20~40 50.97 ± 2.94 Ba 39.73 ± 0.46 Bab 11.24 ± 2.97 Aa 22.57 ± 1.10 Aa 40~60 44.85 ± 0.90 Ba 37.49 ± 0.91 Bb 7.35 ± 1.76 Ba 23.59 ± 2.92 Ba 60~100 46.36 ± 0.97 Aa 39.15 ± 1.58 Aab 7.21 ± 0.86 Aa 24.24 ± 0.27 Aa 20年生
Twenty-years0~10 63.62 ± 1.63 Aa 49.06 ± 1.47 Ab 14.56 ± 2.94 Aa 38.29 ± 1.75 Aa 10~20 59.06 ± 1.77 Aab 48.13 ± 5.68 Ab 10.93 ± 3.94 Aa 28.88 ± 3.68 Aa 20~40 59.37 ± 2.61 Aab 51.95 ± 0.91 Ab 7.42 ± 2.78 Aa 29.54 ± 5.75 Aa 40~60 61.07 ± 1.97 Aab 48.19 ± 1.89 Ab 12.88 ± 0.80 Aa 35.63 ± 2.70 Aa 60~100 54.46 ± 4.03 Ab 43.34 ± 1.16 Ab 11.13 ± 2.88 Aa 29.58 ± 6.51 Aa Table 3. Changes of soil porosity of E. citriodora plantations with different stand ages
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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)。
林龄
Stand age土层
Soil layers/cm酸碱度
pH总有机碳
TOC / (g·kg−1)全氮TN
/ (g·kg−1)全磷TP
/ (g·kg−1)速效磷AP
/ (mg·kg−1)3年生
Three-years0~10 4.46 ± 0.04 Aa 10.21 ± 1.06 Aa 0.71 ± 0.05 Ba 0.16 ± 0.01 Ba 3.26 ± 0.52 Aa 10~20 4.24 ± 0.11 Ba 10.19 ± 1.56 Aa 0.62 ± 0.02 Aab 0.15 ± 0.02 Aa 1.77 ± 0.84 Aab 20~40 4.07 ± 0.18 Ba 5.51 ± 0.41 Bb 0.54 ± 0.09 Ab 0.13 ± 0.02 Aa 0.90 ± 0.35 Ab 40~60 4.14 ± 0.13 Ba 3.59 ± 0.01 Bbc 0.31 ± 0.01 Bc 0.08 ± 0.01 Bb 0.99 ± 0.28 Ab 60~100 4.20 ± 0.25 Aa 2.42 ± 0.78 Bc 0.32 ± 0.03 Ac 0.07 ± 0.01 Bb 1.29 ± 0.41 Ab 20年生
Twenty-years0~10 4.62 ± 0.05 Aa 19.32 ± 4.13 Aa 0.94 ± 0.04 Aa 0.24 ± 0.01 Aa 1.17 ± 0.52 Ba 10~20 4.66 ± 0.04 Aa 12.36 ± 2.74 Ab 0.64 ± 0.04 Ab 0.20 ± 0.01 Ab 2.88 ± 1.38 Aa 20~40 4.71 ± 0.10 Aa 12.23 ± 2.28 Ab 0.54 ± 0.01 Ab 0.18 ± 0.01 Abc 1.88 ± 1.53 Aa 40~60 4.66 ± 0.08 Aa 11.95 ± 2.28 Ab 0.55 ± 0.04 Ab 0.16 ± 0.01 Ac 0.73 ± 0.20 Aa 60~100 4.58 ± 0.09 Aa 7.95 ± 1.07 Ab 0.43 ± 0.03 Ac 0.12 ± .01 Ad 0.88 ± 0.15 Aa 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)。
林龄
Stand age土层
Layer/cm碳氮比
C∶N碳磷比
C∶P氮磷比
N∶P3年生
Three-years0~10 14.61 ± 1.73 Aab 61.80 ± 4.05 Aab 4.29 ± 0.24 Aa 10~20 16.46 ± 2.36 Aa 68.81 ± 2.90 Aa 4.31 ± 0.48 Aa 20~40 10.72 ± 1.63 Ab 45.44 ± 7.85 Abc 4.22 ± 0.16 Aa 40~60 11.74 ± 0.47 Bab 47.83 ± 5.78 Bb 4.06 ± 0.41 Aa 60~100 7.71 ± 2.73 Bc 34.43 ± 12.90 Bc 4.30 ± 0.46 Aa 20年生
Twenty-years0~10 20.28 ± 3.40 Aa 80.83 ± 18.63 Aa 3.91 ± 0.25 Aa 10~20 19.42 ± 3.86 Aa 61.64 ± 13.05 Bb 3.22 ± 0.32 Aa 20~40 22.57 ± 4.06 Aa 66.60 ± 9.13 Aab 2.99 ± 0.12 Ba 40~60 22.21 ± 1.96 Aa 76.52 ± 6.59 Aa 3.47 ± 0.25 Aa 60~100 19.12 ± 3.96 Aa 66.69 ± 3.31 Aab 3.71 ± 0.55 Aa Table 5. Carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry characteristic of E. citriodora plantations with different stand ages
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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)。
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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)。
变量
Variates3年生 Three-year 20年生 Twenty-year TOC ROC ROC/TOC TOC ROC ROC/TOC 土壤密度 Soil density −0.654** −0.677** 0.200 −0.528* −0.481 0.218 自然含水量 Soil water contents 0.443 0.494 −0.140 0.394 0.432 0.037 毛管持水量 Capillary water holding capacity 0.768** 0.791** −0.189 0.471 0.390 −0.351 总孔隙度 Total porosity 0.658** 0.677** −0.205 0.525* 0.474 −0.226 毛管孔隙度 Capillary porosity 0.744** 0.787** −0.095 0.248 0.201 −0.323 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity 0.217 0.190 −0.188 0.269 0.267 0.109 通气孔隙度 Aeration porosity 0.400 0.341 −0.136 0.380 0.299 −0.270 酸碱度 pH 0.211 0.240 0.255 0.261 0.251 −0.131 全氮 Total N 0.824** 0.900** −0.477 0.690** 0.725** −0.046 全磷 Total P 0.863** 0.890** −0.452 0.600* 0.620* −0.119 有效磷 Available P 0.439 0.459 −0.101 −0.065 −0.150 −0.207 碳氮比 C∶N 0.865** 0.764** −0.786** 0.617* 0.407 −0.609* 碳磷比 C∶P 0.823** 0.755** −0.828** 0.806** 0.614* −0.543* 氮磷比 N∶P −0.233 −0.165 0.069 0.173 0.209 0.135 注:*表示显著相关(p<0.05);**表示极显著相关(p<0.01)
Notes: * indicates significant correlation (p<0.05); **indicates extremely significant (p<0.01)Table 6. Correlations between TOC, ROC, ROC/TOC, and other soil factors in E. citriodora plantations with different stand ages
Effects of Stand Age and Soil Layer on Soil Nutrients and Readily Oxidizable Organic Carbon Concentrations of Eucalyptus citriodora Plantations
- Received Date: 2023-09-02
- Accepted Date: 2023-09-27
- Available Online: 2024-04-27
Abstract: