余平?！≈炜∪A　吳群升　杜亮　覃偉　何欣欣

摘要： 本研究以廣西國有大桂山林場為研究區(qū)域，選擇傳統(tǒng)輪伐期內(nèi)不同林齡（1 a、2 a和4 a）桉樹人工林土壤以及鄰近撂荒地土壤（0 a）為研究對象。采集0～20 cm土層原狀土樣，通過濕篩法將土樣分為4個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體，包括>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和<0.25 mm。針對不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體，測定其有機(jī)碳、活性碳和惰性碳含量，并計(jì)算其有機(jī)碳穩(wěn)定性（由Kos值表征）。結(jié)果表明，在不同林齡桉樹人工林中，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳（包括活性碳和惰性碳）含量隨著團(tuán)聚體粒級(jí)減小而顯著升高，從而導(dǎo)致更多的土壤有機(jī)碳分布在<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，表明<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的主要載體。在種植桉樹過程中，土壤有機(jī)碳含量和Kos值呈先升高后降低的變化趨勢，在種植桉樹2 a時(shí)最高，表明該林齡桉樹人工林土壤中積累了更多且更穩(wěn)定的有機(jī)碳。因此，種植桉樹2 a以后，應(yīng)注意土壤有機(jī)碳的積累與固持，從而維持桉樹人工林土壤的碳匯效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：? 桉樹人工林；? 土壤團(tuán)聚體；? 有機(jī)碳含量；? 有機(jī)碳穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：? ?S 792? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：１００1 － 9499（２０23）06 － 0006 － 05

Soil Organic Carbon Stability in Aggregates as Affected

by Stand Age in Eucalyptus SPP. Plantation

YU Pingfu ZHU Junhua WU Qunsheng DU Liang QIN Wei HE Xinxin

（1.? Guangxi Zhuang Autonomous Region State-owned Dagui Mountain Farm，? Guangxi Hezhou

542899;? 2.? College of Forestry，? Guangxi University，? Guangxi Nanning 530004）

Abstract In this study， the state-owned Daguishan forest farm in Guangxi was selected as the research area， and the soil of eucalyptus plantation with different ages （1 a， 2 a and 4 a） and nearby abandoned land （0 a） were selected as the research objects. The undisturbed soil samples of 0-20 cm soil layer were collected and divided into 4 aggregate fractions， including >2 mm， 2-1 mm， 1-0.25 mm and <0.25 mm aggregates， by wet sieve method. The contents of organic carbon， labile carbon and inert carbon in soil aggregates of different grain sizes were determined， and their organic carbon stability （characterized by Kos value） was calculated. The results showed that the content of organic carbon （including labile carbon and inert carbon） in soil aggregates increased significantly with the decrease of aggregate size in eucalyptus plantations of different ages， resulting in more soil organic carbon distributed in <0.25 mm aggregates， indicating that the <0.25 mm aggregates are the main carriers of soil organic carbon. In the process of planting eucalyptus， soil organic carbon content and Kos value showed a trend of first increasing and then decreasing， and the highest values were reached when planting eucalyptus 2 a， indicating that more and more stable organic carbon accumulated in the soil of the aged eucalyptus plantation. Therefore， after planting eucalyptus 2 a， attention should be paid to the accumulation and retention of soil organic carbon， so as to maintain the carbon sink effect of eucalyptus plantation soil.

Key words Eucalyptus SPP. plantations; soil aggregates; organic carbon content; organic carbon stability

作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估計(jì)在1 500～2 344 Gt左右，是大氣碳庫的2～3倍，植被碳庫的3～4倍[ 1 ]。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的微小變化可能對大氣CO2濃度和全球氣候變化產(chǎn)生巨大影響[ 2 ]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化代謝的主要場所，其穩(wěn)定性影響土壤團(tuán)聚體的組成和空間排列方式，進(jìn)而決定土壤孔隙的分布、數(shù)量搭配和形態(tài)特征以及土壤對外界應(yīng)力的敏感性[ 3 ]。具有良好團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤，不僅能夠滿足植物對水分、養(yǎng)分、濕度和空氣的需求，而且具有較強(qiáng)的抗沖抗蝕能力[ 4 ]。土壤有機(jī)碳是影響土壤質(zhì)量與功能表現(xiàn)的核心要素，其短暫波動(dòng)主要發(fā)生在活性碳部分，盡管該部分碳占全碳比例較小，但對維持土壤肥力及土壤碳貯量具有深刻影響[ 5 ， 6 ]。

作為我國分布最為廣泛的森林類型之一，桉樹人工林對森林經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和凈初級(jí)生產(chǎn)力的提高具有重大貢獻(xiàn)[ 7 ]。截至2020年底，全國桉樹人工林面積達(dá)到了546萬hm，其中廣西桉樹人工林面積約為200萬hm，居全國首位[ 8 ]。前期研究發(fā)現(xiàn)，土地利用方式由撂荒地轉(zhuǎn)換成桉樹人工林，有助于土壤結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定[ 9 ]。但在種植桉樹過程中，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性如何變化（尤其在團(tuán)聚體尺度下）仍不清楚。因此，本研究以廣西國有大桂山林場為研究區(qū)域，旨在揭示桉樹林齡對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響，以期為維持或提升桉樹人工林土壤的碳匯效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)域概況

本研究在廣西賀州市八步區(qū)大桂山林場開展，地理位置111°20′5″～111°54′39″E，23°58′33″～ 24°14′25″N。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，年均溫19.3 ℃，年均降水量2 056 mm。地勢以低山和丘陵為主，海拔500～900 m，坡度18°～23°。成土母質(zhì)主要為砂頁巖，土壤類型為磚紅壤，質(zhì)地為壤質(zhì)粘土。林下植被種類主要有薄蓋短腸蕨（Allantodia hachijoensi）、金毛狗（Cibotium barometz）和江南短腸蕨（Allan-todia metteniana）等。

1. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本研究中，采用“以空間換時(shí)間”的方法揭示土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳穩(wěn)定性在種植桉樹過程中的變化規(guī)律。一般情況下，該方法存在土壤空間異質(zhì)性的干擾。因此，為了盡量減少該干擾對研究結(jié)果的影響，本文選擇了具有相似地形地貌的桉樹人工林樣地。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇0（撂荒地）、1、2、4 a的桉樹人工林作為研究對象。每一林齡設(shè)置3次重復(fù)，共12塊樣地。為減少空間自相關(guān)和避免“偽重復(fù)”，樣地間距離不小于300 m。在每塊樣地中，隨機(jī)選擇1個(gè)樣方（30 m×30 m），該樣方距離樣地邊緣不小于100 m。

1. 3 樣品采集

在每個(gè)樣方中，隨機(jī)選擇3個(gè)次樣方（1 m×1 m），在每個(gè)次樣方表面用塑料袋收集凋落物樣品。將3個(gè)次樣方中收集得到的3個(gè)凋落物樣品混合均勻，從而共產(chǎn)生12個(gè)混合凋落物樣品（4個(gè)林齡 × 3個(gè)重復(fù)），隨后將混合凋落物樣品置于80 ℃烘箱里烘至恒重并稱重（表1）。土壤樣品的采集位置與凋落物一致。在每個(gè)樣方中，用鐵鏟在0～20 cm土層收集原狀土壤樣品于塑料盒中。將3個(gè)次樣方中收集得到的3個(gè)土壤樣品混合均勻，從而共產(chǎn)生12個(gè)混合土壤樣品（4個(gè)林齡×3個(gè)重復(fù)），隨后將混合土壤樣品沿自然解理面輕輕掰開，并過5 mm篩子用于剔除土壤動(dòng)物、植物根系，凋落物殘?bào)w和小石塊等。在每個(gè)樣方中，用環(huán)刀隨機(jī)采集3個(gè)土壤樣品用于測定全土pH、容重、有機(jī)碳、活性碳和惰性碳含量（表1）。

1. 4 土壤團(tuán)聚體分級(jí)

土壤團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法[ 10 ]。采用孔徑依次為2、1 mm和0.25 mm的篩網(wǎng)對500 g風(fēng)干土樣進(jìn)行篩分。設(shè)置震動(dòng)頻率、振幅、時(shí)間恒定，即過篩時(shí)間15 min，上下振幅50 mm，頻率1次s-1，通過自動(dòng)篩分儀將土樣分為>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和<0.25 mm共4級(jí)團(tuán)聚體（表2），然后測定每一粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳、活性碳和惰性碳含量。

1. 5 土壤理化分析

土壤容重通過環(huán)刀法[ 11 ]測定，即土壤樣品在105 ℃烘箱中烘干至恒重并稱重；土壤pH通過玻璃電極法[ 11 ]測定，其中土水比為1∶2.5（質(zhì)量：體積）；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法[ 11 ]測定，即5 mL 0.8 M KCrO和5 mL HSO加入土壤樣品，然后在170～180 ℃條件下沸騰5 min，剩余的K2CrO由0.2 M FeSO滴定；土壤活性碳采用劉合明等[ 12 ]的方法測定，將0.5 g風(fēng)干土放入試管中，加入10 mL 0.2 M混合溶液（1∶6的KCrO和1∶3的HSO），然后將試管置入130～140 ℃油浴條件下沸騰5 min，待試管冷卻后將其中溶液轉(zhuǎn)移至250 mL玻璃三角瓶，剩余的KCrO由0.2 M FeSO滴定。

1. 6 統(tǒng)計(jì)分析

土壤惰性碳含量 = 土壤有機(jī)碳含量 - 土壤活性碳含量，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定系數(shù)（Kos） = 惰性碳含量 / 活性碳含量。其中，Kos值越大，表征土壤有機(jī)碳越穩(wěn)定[ 13 ]。

統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS 22.0軟件中進(jìn)行，研究結(jié)果由3次重復(fù)的平均值表示。單因素方差分析用于評(píng)價(jià)林齡對凋落物和原狀土理化性質(zhì)的影響。裂區(qū)分析用于評(píng)價(jià)粒級(jí)和林齡對團(tuán)聚體理化性質(zhì)的影響。其中，粒級(jí)為主因素，林齡為副因素。粒級(jí)、林齡和兩者交互作用為固定因素，重復(fù)數(shù)為隨機(jī)因素。粒級(jí)與林齡間差異通過鄧肯檢驗(yàn)是否達(dá)顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2. 1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

在不同林齡桉樹人工林中，土壤有機(jī)碳含量在<0.25 mm（14.24～35.37 g/kg）粒級(jí)團(tuán)聚體中顯著（P<? 0.05）高于1～0.25 mm（11.85～31.47 g/kg）、2～1 mm（9.90～26.23 g/kg）和>2 mm（7.62～18.23 g/kg）粒級(jí)團(tuán)聚體（表3）。在種植桉樹過程中，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量先升高后降低，在種植桉樹2 a時(shí)最高，且顯著（P<0.05）高于其他林齡。

2. 2 土壤團(tuán)聚體活性碳含量

在不同林齡桉樹人工林中，土壤活性碳含量在<0.25 mm（5.96～11.50 g/kg）粒級(jí)團(tuán)聚體中顯著（P< 0.05）高于1～0.25 mm（5.93～10.54 g/kg）、2～1 mm（5.31～9.86 g/kg）和>2 mm（4.42～7.61 g/kg）粒級(jí)團(tuán)聚體（表4）。在種植桉樹過程中，土壤團(tuán)聚體活性碳含量先升高后降低，在種植桉樹2 a時(shí)最高，顯著（P<0.05）高于其他林齡。

2. 3 土壤團(tuán)聚體惰性碳含量

在不同林齡桉樹人工林中，土壤惰性碳含量在<0.25 mm（7.01～23.87g/kg）粒級(jí)團(tuán)聚體中顯著（P< 0.05）高于1～0.25 mm（4.95～20.93 g/kg）、2～1 mm（3.72～? ?16.37 g/kg）和>2 mm（2.88～10.62 g/kg）粒級(jí)團(tuán)聚體（表5）。在種植桉樹過程中，土壤團(tuán)聚體惰性碳含量先升高后降低，在種植桉樹2 a時(shí)最高，且顯著（P<0.05）高于其他林齡。

2. 4 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳穩(wěn)定性

本研究中，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性由Kos值表征。在不同林齡桉樹人工林中，土壤Kos值在<0.25 mm（0.86～2.08）粒級(jí)團(tuán)聚體中顯著（P<0.05）高于1～0.25 mm（0.72～1.99）、2～1 mm（0.60～1.66）和>2 mm（0.61～1.40）粒級(jí)團(tuán)聚體（表6）。在種植桉樹過程中，土壤團(tuán)聚體Kos值先升高后降低，在種植桉樹2 a時(shí)最高，且顯著（P<0.05）高于其他林齡。

3 討 論

在本研究中，桉樹人工林土壤有機(jī)碳（包括活性碳和惰性碳）含量在各粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布存在一定差異。在<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他粒級(jí)團(tuán)聚體，表明較小粒級(jí)團(tuán)聚體對有機(jī)碳具有較強(qiáng)的儲(chǔ)存能力。本研究與Adesodun等[ 14 ]的研究結(jié)果一致，開墾后的熱帶雨林和熱帶草原土壤有機(jī)碳主要集中在較小粒級(jí)團(tuán)聚體中，并認(rèn)為大粒級(jí)團(tuán)聚體被破壞將會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳從大粒級(jí)向小粒級(jí)重新分配和轉(zhuǎn)移。但也有學(xué)者得出不同結(jié)論，Tisdall[ 15 ]認(rèn)為土壤較大粒級(jí)團(tuán)聚體是由較小粒級(jí)通過土壤根系和菌絲等有機(jī)物膠結(jié)形成，所以土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨粒級(jí)的增大而升高。隨著桉樹人工林林齡的延長，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈先升高后降低的變化趨勢，在林齡2 a時(shí)最高，表明林齡2 a的桉樹人工林土壤積累了更多的有機(jī)碳。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林木本身作為土壤有機(jī)碳的主要來源，可以通過根系分泌物和凋落物殘?bào)w向土壤輸入有機(jī)碳[ 16 ]。在種植桉樹前期（0～2 a），由于根系系統(tǒng)的生長和凋落物數(shù)量的積累（表1），土壤有機(jī)碳含量有所提升。但是，在種植桉樹后期（2～4 a），由于桉樹逐年衰老，凋落物數(shù)量逐漸減少（表1），從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量有所降低。此外，2 a桉樹人工林具有相對穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，有助于保護(hù)土壤有機(jī)碳[ 17 ]。因此，土壤有機(jī)碳含量在2 a桉樹人工林中最高。

土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性是反映有機(jī)碳質(zhì)量的重要指標(biāo)。袁可能[ 13 ]提出用穩(wěn)定系數(shù)Kos值來衡量土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。Kos值越大，有機(jī)碳穩(wěn)定性越高，反之則越低。由表6可知，不同林齡桉樹人工林土壤Kos值在<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中最大，表明較小粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳穩(wěn)定性較高，周轉(zhuǎn)較慢，對土壤碳匯有較大貢獻(xiàn)。由于小粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)與金屬氧化物和粘粒礦物的相互作用占主導(dǎo)地位，化學(xué)保護(hù)是小粒級(jí)團(tuán)聚體固定有機(jī)質(zhì)的主要方式，使其中有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較慢，穩(wěn)定性較高[ 18 ]；而大粒級(jí)團(tuán)聚體主要通過包裹方式來儲(chǔ)存有機(jī)質(zhì)，對有機(jī)質(zhì)的固定以物理保護(hù)為主，使其中有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較快，穩(wěn)定性較低[ 19 ]。Feller等[ 20 ]認(rèn)為，小粒級(jí)團(tuán)聚體內(nèi)部相對于大粒級(jí)團(tuán)聚體具有更小的孔隙，在其內(nèi)部主要是依靠微生物分泌的胞外酶向基質(zhì)擴(kuò)散的方式來分解有機(jī)質(zhì)，這對于微生物是一個(gè)極大的耗能過程，從而導(dǎo)致小粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳不易分解。隨著桉樹人工林林齡的延長，各粒級(jí)團(tuán)聚體Kos值呈先升高后降低的變化趨勢，在林齡2 a時(shí)最高，表明林齡2 a的桉樹人工林土壤有機(jī)碳更為穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

在不同林齡桉樹人工林中，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳（包括活性碳和惰性碳）含量隨著團(tuán)聚體粒級(jí)減小而顯著升高，從而導(dǎo)致更多的土壤有機(jī)碳分布在<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，表明<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的主要載體。在種植桉樹過程中，土壤有機(jī)碳含量和Kos值呈先升高后降低的變化趨勢，在種植桉樹2 a時(shí)最高，表明該林齡桉樹人工林土壤中積累了更多且更穩(wěn)定的有機(jī)碳。因此，種植桉樹2 a以后，應(yīng)注意土壤有機(jī)碳的積累與固持，從而維持桉樹人工林土壤的碳匯效應(yīng)。

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