云南不同林齡橡膠林土壤有機(jī)碳含量變化及影響因子*

趙林林，吳志祥，孫 瑞，楊 川，符慶茂，譚正洪

(1.海南大學(xué) 熱帶作物學(xué)院，海南 海口 570228；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 橡膠研究所，海南 ?？?571101；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部儋州熱帶作物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，海南 儋州 571737；4.海南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海南 ?？?570228)

天然橡膠是中國(guó)乃至世界不可或缺的工業(yè)原料和國(guó)家戰(zhàn)略物資之一[1]，其生長(zhǎng)受環(huán)境制約，全世界90% 的橡膠產(chǎn)自水熱條件好的東南亞地區(qū)(泰國(guó)、印尼、馬來西亞、越南和中國(guó))及少數(shù)非洲(科特迪瓦)國(guó)家[2]。優(yōu)良的土壤環(huán)境對(duì)產(chǎn)膠量的提高起到促進(jìn)作用[3]。中國(guó)南方的橡膠樹種植區(qū)土壤多偏酸性，加上多雨氣候，致使土壤中有機(jī)碳具有較強(qiáng)的變異性[4]。土壤有機(jī)碳不僅是生態(tài)循環(huán)和土壤肥力研究的關(guān)鍵內(nèi)容，還是生物進(jìn)行生命歷程必需的物質(zhì)[5]，其含量受多種環(huán)境因子的影響[6]，包括氣候和土壤等因素[7]，其中氣候因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響最為突出。在中國(guó)，以省級(jí)單位為尺度的土壤有機(jī)碳研究表明：土地利用類型和土壤質(zhì)地是影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子[8]。土壤質(zhì)量是影響橡膠樹生長(zhǎng)以及產(chǎn)膠量的至關(guān)重要的因素，目前有關(guān)土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究較多，但有關(guān)橡膠林土壤有機(jī)碳及影響因子的研究鮮有報(bào)道，探究不同齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量差異及其影響因子，對(duì)合理種植、管理膠園和提高產(chǎn)膠量以及土壤可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

橡膠樹作為一種經(jīng)濟(jì)林樹種，不僅具有產(chǎn)膠和木材等經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有保護(hù)生態(tài)環(huán)境和增強(qiáng)生物多樣性的作用。云南是中國(guó)最早引種巴西橡膠樹的省份，如今云南不僅是中國(guó)橡膠產(chǎn)量最高的膠區(qū)，也是中國(guó)橡膠單產(chǎn)最高的優(yōu)良實(shí)驗(yàn)基地[9]。橡膠林土壤有機(jī)碳的含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的重要指標(biāo)，直接影響土壤肥力和橡膠產(chǎn)量。對(duì)云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行研究，可為橡膠林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為其土壤改良和碳循環(huán)研究提供科學(xué)依據(jù)。本研究以云南主要植膠區(qū)為采樣地，對(duì)比不同區(qū)域、林齡和土層土壤質(zhì)量，并探討土壤有機(jī)碳含量空間變化的影響因子，為提高中國(guó)植膠區(qū)土壤質(zhì)量和促進(jìn)天然橡膠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

云南省主要植膠區(qū)集中于西雙版納、瑞麗、紅河、普洱和臨滄等地區(qū)，位于N21°09′～25°00′、E97°30′～105°08′之間[10]。本研究選取景洪市、瑞麗市和河口縣3 個(gè)植膠區(qū)作為采樣地，基本情況見表1。

西雙版納地處瀾滄江大斷裂帶兩側(cè)，以山原地貌為主，土壤類型以赤紅壤和磚紅壤為主，屬于熱帶季風(fēng)氣候，采樣地景洪市位于西雙版納中部，地跨E100°25′～101°31′、N21°27′～22°36′之間[11]；瑞麗市在E97°31′～98°02′、N23°38′～24°14′之間，地處橫斷山脈向南的延伸部分，地勢(shì)呈現(xiàn)出西北高東南低的特點(diǎn)，土壤以黃壤、磚紅壤性紅壤和紅壤為主，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候[12]；河口縣處于紅河州下游，地理位置在E103°23′～104°17′、N22°30′～23°02′之間，且呈現(xiàn)北高南低，向東南傾斜的階梯狀地勢(shì)，該地6 月多暴雨，自然資源豐富，屬于熱帶季風(fēng)氣候[13]。

1.2 樣品采集與處理

2018 年6 月，對(duì)云南省景洪、瑞麗和河口等施肥狀況相近的橡膠林樣地進(jìn)行土壤樣品采集。每個(gè)采樣地選5 個(gè)齡級(jí)(0～5 年、10～15 年、16～20 年、26～30 年和31～35 年) 橡膠林樣地進(jìn)行取樣，同時(shí)選取2 種施肥狀況相近的當(dāng)?shù)刈魑飿拥?景洪選取生態(tài)經(jīng)濟(jì)林和堅(jiān)果圃；瑞麗選取柚子林和八角林；河口選取油梨林和肉桂林)作為對(duì)照樣地，取樣數(shù)量與橡膠林樣地一致。取樣過程嚴(yán)格按照“Z”字五點(diǎn)取樣法進(jìn)行[14]，每個(gè)樣點(diǎn)分2 層(0～20 cm 和＞20～40 cm)采集，共采集70 個(gè)樣品于密封袋中，每袋質(zhì)量＞500 g。土壤樣品采集結(jié)束后帶回實(shí)驗(yàn)室，先將取回的土壤進(jìn)行晾干和去雜處理，風(fēng)干研磨后過0.25 mm 目篩后備用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 土壤部分理化指標(biāo)測(cè)定

選用重鉻酸鉀容量—外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量[15]；選用烘干法測(cè)定0～20 cm 和＞20～40 cm土壤的含水量；選用pH 計(jì)法測(cè)定土壤酸堿度[16]。

1.3.2 自然環(huán)境因素指標(biāo)測(cè)定

采樣同時(shí)測(cè)量海拔、坡度、樹高、胸徑、植被覆蓋度和郁閉度等指標(biāo)，其中海拔用戶外助手測(cè)量，坡度用坡度儀測(cè)量，樹高用測(cè)高儀測(cè)量，胸徑用卷尺測(cè)量，植被覆蓋度用植被覆蓋度測(cè)量?jī)x測(cè)量，郁閉度用十分法測(cè)量[17]。

1.3.3 環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

采用多元統(tǒng)計(jì)分析探討環(huán)境因子(海拔、經(jīng)緯度、坡度、植被覆蓋度、郁閉度、氣溫、降水量、土壤pH、土壤含水量、林齡、樹高和胸徑)對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響。多元統(tǒng)計(jì)分析在生態(tài)研究中應(yīng)用較為廣泛，而排序是多元統(tǒng)計(jì)分析主要方法之一。冗余分析屬于約束排序的一種，能有效地對(duì)多環(huán)境因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[18]。CCA 是一種結(jié)合回歸和主成分分析(PCA) 的方法。它是多元回歸分析的直接擴(kuò)展，能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來評(píng)價(jià)一個(gè)或一組變量與另一組變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[19]，并用箭頭長(zhǎng)度及其夾角表示。箭頭長(zhǎng)度表示環(huán)境因子對(duì)主成分的影響大小，越長(zhǎng)則代表影響越大。向量(箭頭)夾角表示影響因子間的相關(guān)性：兩箭頭之間角度接近90°，表明兩變量之間的相關(guān)性很小，兩者之間幾乎不存在影響；兩箭頭之間角度小于90°，表明兩變量之間存在正相關(guān)，角度越小，則正相關(guān)性越大；兩箭頭之間角度大于90°，表明兩變量之間存在負(fù)相關(guān)，角度越大，則負(fù)相關(guān)性越大。

1.3.4 不同土地類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

植被覆蓋類型和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的變化會(huì)引起土壤性質(zhì)和生態(tài)過程的變化，使得土壤中有機(jī)碳庫(kù)組分和含量發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此本研究對(duì)熱帶作物樣地(對(duì)照樣地)和橡膠林的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行比較分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Microsoft Excel 2019 完成；橡膠林與熱帶作物土壤有機(jī)碳含量差異對(duì)比圖制作運(yùn)用Origin 2018 完成；不同地區(qū)、林齡和土地利用類型之間的土壤有機(jī)碳含量差異顯著性檢驗(yàn)采用SPSS Statistics V22.0 單因素方差分析(Duncan法)完成；不同土層間的土壤有機(jī)碳含量差異顯著性檢驗(yàn)采用SPSS Statistics V22.0 最小顯著差異法(LSD 法)完成；環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳影響的冗余分析采用RStudio R-3.6.1 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量分布特征

由表2 可知：土壤有機(jī)碳含量均值最高的是景洪植膠區(qū)，最低的是河口植膠區(qū)；土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)最大的是瑞麗植膠區(qū)，變異系數(shù)最小的是景洪植膠區(qū)。云南主要植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量在7.22～22.82 g/kg 之間，平均值14.52 g/kg。

表2 云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量Tab.2 Status of soil organic carbon content in the rubber plantations of Yunnan Province

2.2 不同林齡橡膠林的土壤有機(jī)碳含量特征

由表3 可知：從景洪不同林齡膠園土壤有機(jī)碳含量的平均值(0～40 cm)來看，0～5 年、10～15 年和16～20 年3 個(gè)齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量顯著高于26～30 年和31～35 年2 個(gè)齡級(jí)(P＜0.05)。其中，10～15 年橡膠林土壤有機(jī)碳含量最高，26～30 年橡膠林含量最低，各齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量由高到低的順序?yàn)?0～15 年＞0～5 年＞16～20 年＞31～35 年＞26～30 年。此外，景洪植膠區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量在14.14～22.58 g/kg之間，深層(＞20～40 cm)土壤有機(jī)碳含量在12.61～21.08 g/kg 之間，除了31～35 年，其余4 個(gè)齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出表層高于深層的特點(diǎn)。

由表3 可知：從瑞麗不同林齡膠園土壤有機(jī)碳含量的平均值(0～40 cm)來看，0～5 年土壤有機(jī)碳含量顯著高于26～30 年和31～35 年2 個(gè)齡級(jí)土壤有機(jī)碳含量。土壤有機(jī)碳含量最高的齡級(jí)為0～5 年，最低的為26～30 年，各齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量由高到低排列：0～5 年＞16～20 年＞10～15 年＞31～35 年＞26～30 年。此外，瑞麗植膠區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量在10.45～22.82 g/kg之間，深層(＞20～40 cm)土壤有機(jī)碳含量在7.22～17.61 g/kg 之間，除了10～15 年外，其余4 個(gè)不同齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量均為表層高于深層。

由表3 可知：從河口不同林齡膠園土壤有機(jī)碳含量的平均值(0～40 cm)來看，各齡級(jí)的土壤有機(jī)碳含量差異均不顯著(P＞0.05)。16～20 年齡級(jí)橡膠林土壤有機(jī)碳含量最高，0～5 年最低。河口植膠區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量在9.39～14.35 g/kg 之間，深層(＞20～40 cm)土壤有機(jī)碳含量在7.50～9.83 g/kg 之間，且每個(gè)齡級(jí)的橡膠林土壤有機(jī)碳含量均為表層高于深層。

表3 不同林齡橡膠林土壤有機(jī)碳含量Tab.3 Soil organic carbon content in different layers of rubber plantations with different tree ages g/kg

2.3 土壤有機(jī)碳含量空間差異的影響因子

2.3.1 土壤有機(jī)碳含量空間差異的環(huán)境因子

由圖1 可知：植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量與樣地坡度、降水量、海拔、氣溫、緯度、土壤含水量、郁閉度、土壤pH 和樹高等因素相關(guān)性較大；與林齡、胸徑和林下植被覆蓋率等因素相關(guān)性不大，這說明土壤有機(jī)碳含量受多種環(huán)境因子的影響。此外，緯度與海拔、植被覆蓋度、降水量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即緯度越低，海拔越高，植被覆蓋度越高，降水量越大；郁閉度與土壤含水量、土壤pH 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即郁閉度越大，土壤含水量和土壤pH 越低。胸徑與郁閉度、坡度和樹高與土壤含水量之間均呈正相關(guān)關(guān)系，即橡膠樹胸徑越大，郁閉度越高；坡度越大，樹高越高，土壤含水量越高。

圖1 云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳與環(huán)境因子的CCA 排列Fig.1 CCA arrangement of soil organic carbon and environmental factors in rubber plantations of Yunnan Province

2.3.2 不同土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

由圖2 可知：橡膠林樣地與熱帶作物樣地土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P＞0.05)。橡膠林樣地土壤有機(jī)碳含量在10.62～19.70 g/kg 之間，而熱帶作物樣地土壤有機(jī)碳含量在11.46～15.79 g/kg之間。其中，景洪和河口兩地的橡膠林樣地有機(jī)碳含量略高于熱帶作物樣地，瑞麗橡膠林樣地有機(jī)碳含量略低于熱帶作物樣地。

圖2 橡膠林樣地與熱帶作物樣地土壤有機(jī)碳含量Fig.2 Soil organic carbon content between rubber forest and tropical crop plot

3 討論

3.1 云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量分布特征

云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量(平均值)最高的是景洪地區(qū)，最低的是河口地區(qū)。西雙版納擁有中國(guó)面積最大的熱帶雨林，1976—2007 年間，在其他樹種種植率下降時(shí)，西雙版納的橡膠樹種植面積反而增大[20]，說明景洪地區(qū)較大面積的橡膠林由熱帶雨林墾殖而來，而熱帶雨林因生物多樣性豐富和土壤微生物量多使得土壤有機(jī)碳含量高于一般經(jīng)濟(jì)林。此外，景洪地區(qū)位于西雙版納低緯度山地，海拔較高，降水量豐沛，地表植被類型多，土壤為磚紅壤，土壤質(zhì)地為壤土，易于有機(jī)質(zhì)的積累。河口地區(qū)土壤有機(jī)碳含量較低，這是因?yàn)楹涌诘貐^(qū)受自然災(zāi)害影響較為頻繁，土壤風(fēng)化淋溶作用強(qiáng)烈，成土母質(zhì)為沖積土，土層較厚但礦化作用強(qiáng)，土壤類型為黃色壤土，呈酸性至強(qiáng)酸性，膠林中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)供給不足，橡膠樹所處土壤環(huán)境有機(jī)碳含量逐年下降[21]。

3.2 不同林齡橡膠林土壤有機(jī)碳含量特征

各植膠區(qū)不同齡級(jí)比較顯示：景洪0～5 年、10～15 年和16～20 年3 個(gè)齡級(jí)土壤有機(jī)碳含量均顯著高于26～30 年和31～35 年2 個(gè)齡級(jí)(P＜0.05)，瑞麗0～5 年土壤有機(jī)碳含量顯著高于26～30 年和31～35 年2 個(gè)齡級(jí)(P＜0.05)。0～5 年橡膠林均未開割，且上一代膠林砍伐后的枯枝落葉還有部分未腐蝕完全，或者腐爛形成的有機(jī)碳未遭淋溶或礦化，因此幼苗期橡膠林土壤有機(jī)碳含量較高；10～15 年和16～20 年齡級(jí)橡膠林均已開割，上代膠園殘留的有機(jī)碳雖較少，但因人為施肥多且林下草叢覆蓋率高，對(duì)土壤養(yǎng)分保持作用強(qiáng)，有機(jī)碳含量略高；26～30 年和31～35 年橡膠林早已沒有上一代膠林更新的有機(jī)質(zhì)，缺株嚴(yán)重，并多已棄割，生長(zhǎng)處于衰老階段，不光枝葉較少，林下植物多樣性也減少，保水保肥能力下降。不同林齡橡膠林土壤有機(jī)碳含量整體表現(xiàn)出齡級(jí)越小土壤有機(jī)碳含量越高，林齡較大，老齡化現(xiàn)象加重，土壤有機(jī)碳含量較低的特點(diǎn)。河口植膠區(qū)各齡級(jí)的土壤有機(jī)碳含量差異均不顯著，16～20 年和26～30 年膠園土壤有機(jī)碳含量略高于0～5 年、10～15 年和31～35 年3 個(gè)齡級(jí)。

各植膠區(qū)不同土層比較：瑞麗0～5 年、16～20 年、26～30 年以及河口16～20 年膠園表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量顯著高于深層(＞20～40 cm)，此研究結(jié)果與吳志祥等[22]的研究結(jié)果一致。橡膠樹凋落物以及林下植被落葉、細(xì)根等的腐蝕直接為表層土補(bǔ)給養(yǎng)分，而深層土壤則因?yàn)榫嗟蚵湮锖图?xì)根等較遠(yuǎn)，其養(yǎng)分的補(bǔ)給沒有表層土充裕[23]，這是造成0～20 cm 土壤有機(jī)碳含量高于＞20～40 cm 有機(jī)碳含量的主要原因。其余各地區(qū)不同齡級(jí)膠園間土壤有機(jī)碳含量差異均未達(dá)到顯著水平，但也表現(xiàn)出表層(0～20 cm)高于深層(＞20～40 cm)的趨勢(shì)。

3.3 土壤有機(jī)碳含量空間分異的影響因子

3.3.1 環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳含量受有機(jī)碳輸入和輸出控制，地上植被、地面凋落物及根系分泌物為有機(jī)碳的輸入過程，根系呼吸、微生物呼吸及礦化、氧化等為有機(jī)碳的輸出過程[24]。土壤有機(jī)碳含量的變化作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，利用冗余分析探討環(huán)境因子對(duì)植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量的影響程度可初步得出：在云南省橡膠林生態(tài)系統(tǒng)中，地理位置(緯度、海拔和坡度)、氣溫和降水量等對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響較大，這是因?yàn)殡S著緯度的降低，氣溫升高、降水量增加，隨著淋溶作用的進(jìn)行，土層逐步酸化，進(jìn)而導(dǎo)致橡膠林土壤有機(jī)碳含量降低，這與許浩等[25]的研究結(jié)果一致。由于海拔和坡度的不同會(huì)造成光照時(shí)間以及程度的差異，從而使得橡膠林土壤蒸騰蒸發(fā)和水分入滲等作用的不同，因此土壤有機(jī)碳含量也有明顯分異[26]。本研究中，瑞麗和景洪的海拔高于河口，隨著海拔升高，土壤有機(jī)碳含量增加，這是因?yàn)椴煌０蔚男夂虿煌?，?dǎo)致地表覆蓋植被分布的差異，使得土壤保水保肥能力不同。郭然等[27]通過研究樟子松不同坡度的土壤碳積累能力得出坡度較大的土壤碳儲(chǔ)量較高。本研究中，河口橡膠林土壤坡度最大，但是有機(jī)碳含量最低，可能是因?yàn)楹涌诙啾┯辏l發(fā)低溫寒害等災(zāi)害，造成土壤肥力降低。本研究中林齡、胸徑和林下植被覆蓋率等因素對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響不大。除此之外，大氣CO2、風(fēng)暴以及土壤質(zhì)地、土壤微生物等未分析的因素都會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳含量造成影響。環(huán)境因子本身具有綜合性、非等價(jià)性、不可替代性、互補(bǔ)性和限定性等作用，各種環(huán)境因子之間的相互作用均會(huì)造成土壤有機(jī)碳的差異[28]。

3.3.2 土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

云南各植膠區(qū)樣地與當(dāng)?shù)責(zé)釒ё魑飿拥赝寥烙袡C(jī)碳含量有所差異，但差異均未達(dá)到顯著水平，說明植膠對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響并不顯著。其中，景洪和河口植膠區(qū)的土壤有機(jī)碳含量高于當(dāng)?shù)責(zé)釒ё魑飿拥?，而瑞麗植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量略低于熱帶作物樣地。另外，施肥和除草等人為因素均可對(duì)土壤有機(jī)碳含量造成一定的影響。合理的土地利用方式可通過改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤本身肥力與對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力；不合理的土地利用方式可導(dǎo)致土壤微生物生物量減少、土壤肥力下降和生態(tài)服務(wù)功能減弱等[29]。

4 結(jié)論

本研究中，云南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量(平均值)最高的是景洪地區(qū)，其次是瑞麗地區(qū)，最低的是河口地區(qū)。除個(gè)別齡級(jí)外，各采樣地不同齡級(jí)膠園均表現(xiàn)為較低齡級(jí)膠樹土壤有機(jī)碳含量(平均值)高于較高齡級(jí)，各齡級(jí)膠園不同土層有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出淺層高于深層的分布規(guī)律。地理位置(緯度、坡度和海拔)、氣溫和降水量等因素對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響較大，而土地利用類型不是影響土壤有機(jī)碳含量的顯著因素。云南省植膠區(qū)土壤有機(jī)碳含量存在空間、林齡和土層之間的變化。本研究結(jié)果為探究環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響提供了新思路，為今后改善植膠區(qū)土壤質(zhì)量和提升土壤肥力提供了理論支撐。