林分密度對馬尾松人工林土壤碳儲量及其分配特征的影響

李玉鳳，李妹珍，馬姜明，，宋尊榮，莫燕華，楊章旗，陸紹浩

(1.廣西師范大學可持續發展創新研究院，廣西桂林 541006；2.珍稀瀕危動植物生態與環境保護教育部重點實驗室，廣西桂林 541006；3.廣西壯族自治區林業科學研究院 廣西優良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002；4.橫縣鎮龍林場，廣西橫縣 530327)

土壤有機碳可反映土壤肥力和健康狀況，其積累和分解速率可進一步調控土壤碳儲量及碳庫的動態平衡，同時對人工林碳循環及氣候變化有一定指示作用[1]。森林土壤碳儲量在全球土壤碳儲量中的占比達73%[2]，土壤作為地球上最大的陸地碳庫載體，可通過增加土壤碳儲量來調節大氣中的二氧化碳水平。土壤碳儲量受氣候、林齡、土壤特性和地形等多種環境因子共同影響[1]。林分密度是人工林可持續經營的有效手段之一，密度調整可實現針葉林的近自然恢復轉變[3]，通過調控土壤碳庫的輸入與輸出，可改變土壤有機碳含量，改善土壤結構；林分密度會影響林分小氣候條件，對人工林生產力及其碳儲量產生影響[4]。

馬尾松（Pinus massoniana）分布范圍廣，蓄積量高，是我國南方重要的用材林樹種及荒山造林的先鋒樹種之一，具有耐干旱瘠薄、速生豐產和適應性廣泛等優良特性，廣泛分布于廣西和貴州等17個?。ㄊ小⒆灾螀^）[5-6]。目前，關于不同密度馬尾松人工林的研究主要集中于針葉和根系的化學計量特征[7]、凋落物養分動態變化[8]、根系生物量[9]和水源涵養能力[10]等方面，對土壤碳儲量分配特征的研究較少。本研究以廣西不同林分密度馬尾松純林為研究對象，探討其土壤碳儲量及其分配特征，旨在提升人工林生產力及碳固持能力[11]，為實現馬尾松林的近自然化經營提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

試驗地位于廣西橫縣鎮龍林場（109°08′～109°19′E，23°02′ ～23°08′N），地處橫縣北部，屬南亞熱帶季風氣候，海拔為400 ～700 m，為低山丘陵地貌。年均氣溫21．5 ℃，最低氣溫-1 ℃，最高氣溫39．2 ℃；年均降水量1 477．8 mm；年均日照時長1 758．9 h。土壤多為紅壤，由細石英巖和泥質粉砂巖發育而成[6]。

1．2 樣地設置與調查

試驗林均為1997年營造的馬尾松人工純林，造林密度分別為6 000 株/hm2（株行距1 m×1．67 m）和2 500 株/hm2（株行距2 m×2 m），當前林分密度分別為較高密度林分D1（1 156 株/hm2）和較低密度林分D2（820 株/hm2）（表1）。兩種密度林分僅于第1年進行除雜灌草撫育措施兩次，之后未進行間伐等處理，利用林木的自疏現象，調控林分密度[12]。試驗林立地條件基本一致，土壤質地典型且林木長勢較一致。在兩種密度馬尾松人工林樣地內，分別設置3個20 m×20 m 標準樣方，均為廣西壯族自治區林業科學研究院已經建立的長期固定監測樣地[10]。

表1 兩種密度馬尾松人工林樣地概況Tab.1 Situation of stands in P.massoniana plantations with two densities

1．3 樣品采集與測定

2019年7月，采集土壤樣品，在每個樣方內沿對角線設置3 個取樣點，使用內徑為5 cm 的土鉆，按0～20、20 ～40 和40 ～60 cm 的深度采集土壤分析樣品。按四分法取500 g 同層混合土樣，自然風干，去除雜質后過60目篩，采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進行土壤有機碳含量測定[13]，每個樣品重復測定3 次。土壤剖面碳儲量的計算公式為[14]：

式中，SOCD為單位面積土壤剖面碳儲量（t/hm2）；Gi為第i層直徑＞2 mm 的石礫含量（%）；Di為第i層土壤容重（g/cm3）；Ci為第i層土壤有機碳含量（g/kg）；Ti為第i土層厚度（cm）。

土壤容重、總孔隙度及土壤含水量等物理性質均采用環刀法進行取樣測定[3]。土壤pH 值采用酸度計測定（水土比2．5∶1），土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，土壤全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法測定，土壤速效磷含量采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[15]。

1．4 數據處理

采用SPSS 22．0 軟件進行統計與分析，Pearson相關系數分析土壤有機碳含量、土壤碳儲量與土壤理化特性的相關關系；采用Sigmaplot 14．0 軟件作圖。

2 結果與分析

2．1 土壤有機碳含量

土壤有機碳含量整體表現為較高密度林分D1（13．49 g/kg）顯著高于較低密度林分D2（12．12 g/kg）（P＜0．05），提升了11．30%，含量范圍為7．61 ～23．16 g/kg（圖1）。D1 與D2 在0 ～20 cm 土層中差異極顯著（P＜0．01），在20 ～40 cm 土層中差異顯著（P＜0．05），在40 ～60 cm 土層中差異不顯著。土壤有機碳含量隨土層深度增加呈下降趨勢，具有垂直分布特征，表現為0 ～20 cm 土層土壤有機碳含量顯著高于20 ～40 和40 ～60 cm 土層（P＜0．05）。D1 中，各土層間均差異顯著（P＜0．05）；D2 中，20 ～40 與40 ～60 cm 土層差異不顯著。

圖1 兩種密度馬尾松人工林土壤有機碳含量Fig.1 Soil organic carbon contents of P.massoniana plan?tations with two densities

2．2 土壤碳儲量

土壤碳儲量整體表現為較高密度林分D1（96．50 t/hm2）顯著高于較低密度林分D2（83．35 t/hm2）（P＜0．05），提升了15．78%，含量范圍為18．87 ～52．35 t/hm2（圖2）。D1 與D2 在0 ～20 和40 ～60 cm土層中差異不顯著，在20 ～40 cm 土層中差異極顯著（P＜0．01）。土壤碳儲量隨土層深度增加呈下降趨勢，表現為0 ～20 cm 土層顯著高于20 ～40 和40～60 cm 土層（P＜0．05）。D1 中，各土層間均差異顯著（P＜0．05）；D2 中，20 ～40 與40 ～60 cm 土層差異不顯著。

D1 和D2 中，土壤碳儲量的分配比例均隨土壤深度增加呈下降趨勢（圖3）。碳主要儲存于0 ～20 cm 土層中，在D1 和D2 中的分配比例分別為54．25%和52．31%，兩者間差異不顯著。在20 ～40 cm 土層中，D1 中土壤碳儲量的分配比例顯著高于D2（P＜0．05）；40 ～60 cm 土層中，D2 極顯著高于D1（P＜0．01）。

圖2 兩種密度馬尾松人工林土壤碳儲量Fig.2 Soil carbon storage of P.massoniana plantations with two densities

圖3 兩種密度馬尾松人工林土壤碳儲量分配比例Fig.3 Percentage of soil carbon storage of P.massoniana plantations with two densities

2．3 土壤有機碳含量、碳儲量與土壤理化特性的相關性

D1 和D2 的土壤有機碳含量和土壤碳儲量與土壤容重分別呈極顯著（P＜0．01）和顯著（P＜0．05）負相關（表2）。D1的土壤有機碳含量和土壤碳儲量與土壤含水量和總孔隙度呈極顯著正相關（P＜0．01），與土壤pH 值呈顯著正相關（P＜0．05），與其他指標相關性均不顯著。D2 的土壤有機碳含量和土壤碳儲量與土壤容重外其他指標的相關性均不顯著。

表2 兩種密度馬尾松人工林土壤有機碳含量、碳儲量與土壤理化特性的相關性Tab.2 Correlation between soil organic carbon content,carbon storage and soil physicochemical properties of P.massoniana plantations with two densities

3 結論與討論

馬尾松人工林中，較高密度林分D1和較低密度林分D2 的0 ～20 cm 土層土壤有機碳含量分別為23．16 和20．14 g/kg，略高和略低于全國馬尾松人工林0 ～20 cm 土層有機碳含量（22．00 g/kg）[16]。D1 和D2 的0 ～60 cm 土層土壤有機碳含量分別為13．49和12．12 g/kg，均高于華南地區馬尾松人工林0 ～60 cm 土層土壤有機碳含量（11．29 g/kg）[17]以及廣西馬尾松人工林0 ～100 cm土層土壤有機碳含量（9．95 g/kg）[18]，表明其土壤肥力較高。不同林分密度下，土壤有機碳含量均隨著土層深度增加呈下降趨勢，與已有結果一致[19-20]?？赡苁怯捎隈R尾松人工林植被相對豐富，植被凋落物層較厚，分解后形成的腐殖質大量積累于表層土壤，表現出明顯的表聚性；還有一個原因是植物根系對促進林分土壤表層有機碳積累有關鍵作用[17,21]。

兩種密度林分D1 和D2 的土壤碳儲量分別為96．50 和83．35 t/hm2，遠低于周玉榮等[22]研究中我國森林土壤碳儲量平均水平（193．55 t/hm2），低于長沙馬尾松人工林0 ～60 cm 土層的土壤碳儲量（134．64 t/hm2）[23]。主要原因可能是研究地位于南亞熱帶，有較好的水熱條件及生產力，可促進土壤呼吸以及凋落物分解，碳量釋放較多，有機碳積累較少[24]。

土壤碳儲量隨林分密度的變化趨勢與有機碳含量一致，兩種密度林分的土壤碳儲量均隨土層深度增加呈下降趨勢，與已有研究結果一致[11,24]。土壤有機碳含量及碳儲量總體上表現為較高密度林分D1 高于較低密度林分D2，表明增加林分密度可促進土壤碳的保持，對提高林分碳儲量有重要作用。主要原因可能是較低密度林分中林下光照等營養空間充足，土壤原有有機質加速分解，土壤碳儲量降低[4]。這與方晰等[19]、那萌等[4]對廣西不同密度濕地松（Pinus elliottii）及水曲柳（Fraxinus mandsh?urica）人工林土壤碳儲量的研究結果一致。但與其他馬尾松研究結果不同[20,25]，可能是由于本研究中林分林齡較大，已達到郁閉，隨著林分密度的增加，林下光照減少，凋落物等分解速率降低[4]。密度范圍、樹種特性、林齡及環境因子等的綜合作用會讓土壤碳儲量發生變化。

土壤中的碳主要儲存于0 ～20 cm 土層（占土壤碳儲量的52．31% ～54．25%），隨土層深度增加呈下降趨勢，表明土壤深度對土壤碳儲量有較大影響，林分密度主要影響土壤表層的碳含量。保護土壤結構的完整性，最大程度減少人為干擾，維持有機碳庫的穩定[26]，對提高馬尾松人工林土壤碳儲量有重要意義。

土壤理化性質與土壤肥力水平密切相關。土壤容重是影響土壤有機碳垂直分布的重要物理性質之一，可反映土壤的疏松狀況及通氣性[27]。D1 和D2 的土壤有機碳含量和碳儲量與土壤容重分別呈極顯著和顯著負相關，表明二者均與土壤容重有高度依存關系。有研究表明，土壤有機碳含量和碳儲量與土壤含水量及總孔隙度變化趨勢一致[17,27-28]，這與本研究結果相似，主要原因可能是隨著土壤容重減小，土壤孔隙度變大，土壤通氣狀況和保水保肥性能較好，對于植物根系的生長發育以及微生物的消化分解有一定促進作用，含水量較多的土壤，其輸送的碳含量也相應增多[28-29]。土壤有機碳含量和碳儲量與土壤pH 值為正相關關系，可能是由于林分氣候和利用方式等對土壤有機碳含量和碳儲量產生了重要影響[30]。土壤養分含量對于土壤碳含量和碳儲量有不可忽視的作用；土壤全氮可調控土壤微生物的活動能力，完成有機碳周轉；磷含量的增加對土壤有機碳積累有正向促進作用；伴隨著枯枝落葉等分解，歸還土壤的養分含量增加，隨著養分循環累積，人工林土壤的碳固持能力有所提升，進而維持其土壤肥力[31-32]。本研究中，土壤有機碳含量和碳儲量與土壤養分含量均呈正相關，與前人研究結果一致[21,30]。

本研究表明，相對D2 密度而言，D1 密度經營下林分可獲得較高土壤碳儲量，其土壤固碳能力更突出，適當提高林分密度對于增加中齡林分土壤碳儲量有積極作用，是提升馬尾松人工林土壤碳儲量的重要途徑。多種環境因子協同作用共同調控兩種密度馬尾松人工林土壤有機碳含量及碳儲量，進一步改善土壤肥力，增強土壤固碳能力，促使馬尾松人工林朝向近自然恢復方向發展。