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不同林龄樟树林土壤碳氮贮量及分布特征



全 文 :Vol. 34 No. 6
Jun. 2014
第 34卷 第 6期
2014年 6月
中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
Journal of Central South University of Forestry & Technology
收稿日期:2013-12-10
基金项目:国家自然科学基金(31200346)
作者简介:文 丽,女,硕士研究生,主要从事景观生态学方向研究;E-mail:dailing2933@163.com
通讯作者:雷丕锋,男,副教授, 博士,主要研究方向为森林生态学;E-mail:pifeng.lei@gmail.com
土壤有机碳和氮素是表征土壤肥力的重要物
质基础,是土壤养分的载体和来源,对土壤的各
种理化性质,生物化学等形状及养分的积累具有
深刻的影响。有研究表明,土壤有机碳不仅是植
被生长所需碳素的主要来源,而且在很大程度上
影响着土壤结构的组成、土壤质地、土壤稳定性
及土壤生物多样性等 [1]。同时,土壤有机碳是陆
地有机碳的重要组成部分,全球有机碳贮量约为
1 500 Gt [2],是陆地植被碳库的 2~ 4倍 [3-4],是全
球大气碳库的 2倍多 [5]。氮素是构成一切生命体
不同林龄樟树林土壤碳氮贮量及分布特征
文 丽 1,雷丕锋 1,2,戴 凌 1
(1. 中南林业科技大学,湖南 长沙 410004;2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室,湖南 长沙 410004)
摘 要:对湖南省长沙市天际岭国家森林植物园和汨罗桃林林场立地条件基本一致的三个林龄的樟树林土壤有
机碳(SOC)、全氮(TN)含量、贮量及土层分布进行研究。结果表明:同一林龄的不同土层 SOC、N含量和
贮量均存在显著性差异(p< 0.05),3个林龄樟树林 SOC和 TN含量均随土层深度增加而逐渐下降。同时,土
壤碳含量及碳贮量林龄的增大而增大,而土壤氮含量及贮量随着林龄的增大而减少,这种变化主要表现在土壤
表层(0~ 10 cm)。不同林龄樟树林各土层 SOC含量的变化分别为 10 a:4.62 ~ 17.00 g/kg,24 a:4.48~ 17.92
g/kg,45 a:4.57~ 19.37 g/kg;土壤 N含量的变化范围分别为 10 a:0.99~ 1.56 g/kg,24 a:0.79~ 1.43 g/kg,
45 a:0.78~ 1.22 g/kg。土壤 SOC含量与 N含量存在极显著相关性(p< 0.01),土壤 SOC含量与 C/N相关性
极显著(p< 0.01)。但樟树林土壤 N与 C/N之间相关性除 24 a呈显著相关以外 (p< 0.05),其它两个林龄阶
段相关性均不显著(p> 0.05)。土壤 SOC贮量差异不显著(p=0.083),N贮量差异性不显著(p=0.348)。
关键词:樟树纯林;土壤有机碳;土壤氮;碳氮贮量;碳氮比
中图分类号:S792.23 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2014)06-0106-06
Storages and distribution characteristics of soil organic carbon and
nitrogen in pure Cinnamomum camphora forests at different stand ages
WEN Li1, LEI Pi-feng1,2, DAI Ling1
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Laboratory for
Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)
Abstract: The soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) concentration, carbon and nitrogen storage and their distribution were
investigated in three soil layers (0~10,10~20 and 20~30 cm) of Cinnamomum camphora stands at three age stages in Changsha
Tianjiling Natioanal Botanical Garden and Taolin Forest Farm of Hunan province. The results show as follows: the concentrations and
storages of SOC and N were signifi cantly different in three age stages and soil depths (p<0.05), the SOC and N concentrations in three
forest age stages decreased with the increase of soil depth, but SOC concentrations and storages deduced with the increase of stand age,
these phenomena occurred in upper soil layer (0~10 cm); the SOC ranged from 4.62 g/kg to 17.00 g/kg for 10-year-old stands, from 4.48
g/kg to 17.92 g/kg for 24-year-old stands and from 4.57 g/kg to 19.37 g/kg for 45-year-old stands, respectively; the soil N concentrations
varied from 0.99 g/kg to 1.56 g/kg for 10-year-old stands, from 0.79 g/kg to 1.43 g/kg for 24-year-old stands and from 0.78 g/kg to1.22
g/kg for 45-year-old stands, respectively; the SOC concentration was positively correlated with total N concentration (p<0.01), and had
a signifi cant correlation (p<0.01) with C/N at three age stages of 10-year-old, 24-year-old, 45-year-old stand; The soil N concentration
signifi cantly correlated with C/N at the age of 24-year-old (p<0.01), but the correlation was not signifi cant for the other two age stages.
Key words: pure Cinnamomum camphora forest; soil organic carbon; soil nitrogen concentration; carbon and nitrogen storage; carbon
nitrogen ratio(C/N)
DOI:10.14067/j.cnki.1673-923x.2014.06.003
107第 34卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
的重要元素,是生态系统中含量最丰富的元素之
一,是植物乃至陆地生态系统中作物生长的主要
限制因子之一 [6-10],随着林龄的增加,微生物活动、
人为干扰及气候条件的改变等土壤氮素也会随之
发生转变。同时,土壤碳氮循环具有耦合作用,
土壤有机碳与氮素的含量及分布直接制约着森林
生态系统乃至整个生态系统的生产力和规模 [11]。
此外,氮素也能形成多种温室气体,从而直接影
响着温室气体的组成和含量 [12]。与此同时,全球
气候的变化也会反作用于土壤氮乃至土壤有机碳
的变化 [13]。
近年来,关于森林生态系统碳氮贮量的研究
比较多 [14-15],如陈楚莹等 [14]、方晰等 [15-16]和何宗
明等 [11]就对杉木人工林做出了相关的研究,但关
于樟树林土壤碳氮贮量的分布及其动态变化的研
究报道比较少。此外,林龄对森林 C、N循环有着
重要的影响,研究林龄对土壤碳贮量及氮贮量的
影响,对于建立森林碳氮循环模型,碳汇预测及
森林碳源等方面有着十分重要的理论意义和实践
指导作用。为此,采用控制立地条件的方法,选
择林龄为 10 a,24 a和 45 a生的樟树林,对不同
林龄的樟树林林下土壤碳氮贮量作初步研究与探
讨,及对SOC和N 含量与土壤特征(容重、含水率、
pH等)之间的关系进行研究,研究樟树林土壤碳
贮量及垂直分布,以及林地土壤碳贮量、氮贮量
随林龄和群落结构的动态变化规律,旨在为中亚
热带地区森林土壤碳氮贮量、分布及变化机理和
森林林地生产力可持续发展提供理论科学依据。
1 研究地概况
实验主要样地位于湖南省长沙市天际岭国家
森林植物园内(113°02′ ~ 113°03′E,28°06′ ~
28°07′N)。海拔 50~ 114 m,坡度为 12°~ 20°
地层主要是第四纪更新的冲积性网纹红土和石砾,
属典型红壤丘陵,土层深度大于 80 cm,但土壤腐
殖质的含量并不丰富。属典型的亚热带季风气候,
年平均温度17.1℃,1月最冷,平均4.8℃;7月最热,
平均高温 29.5℃;全年无霜期为 270~ 300 d,年
平均日照时数为 1 677.2 h;年降水量 1 420 mm,
雨量充沛,在植物园我们在 24年生和 45年生的
樟树林各设置 3块 20 m×20 m的样方。由于在天
际岭国家森林公园没有合适的樟树幼林,我们在
离长沙 200 km处,气候与长沙相似的的岳阳市汨
罗桃林林场(28°55´N,113°03´E)选择了 10年
生的樟树林,用相同的样地设置方法设置了 3块
12 m×12 m的样地。汨罗桃林林场年平均温度为
16.9℃,年平均降雨量 1 353.6 mm,土壤类型与天
际岭国家森林公园的土壤类型一致,土层深度为
55~ 80 cm,所以在樟树林的三个林龄阶段(10 a,
24 a,45 a)共设置了 9块样地。
2 研究方法
2.1 土样采集与指标测定
分别在各个林龄阶段的林分样地上坡、中坡
和下坡按品字形选取 4个样点,去除地面表层的
凋落物,挖土壤剖面,并按 0~ 10 cm,10~ 20
cm,20~ 30 cm分层取样。每个土层用环刀(200
cm3)取土,用于测定土壤容重及土壤含水率,同
时再另外取 1 kg土样装入样品袋内,用于测定土
壤有机碳和全氮含量及 pH值。将采集的土样带回
实验室并置于阴凉处将其自然风干,除去枯枝落
叶,石子,蚯蚓等杂质后研磨粉碎,过 100目土
壤筛。用环刀法测土壤容重,烘干法测定土壤自
然含水率;采用重铬酸钾水合加热法测定土壤有
机碳(SOC);土壤全氮采用凯氏定氮法测定。
以上每个指标的每个测试样品重复测定 3次。
2.2 数据统计分析
对樟树林 3种不同林龄,不同土层的土壤有
机碳和土壤全碳含量、贮量采用 SPSS17.0统计软
件进行单因素方差分析,比较同一林龄阶段林地
下不同土层 SOC和 N含量的差异显著性。用双因
素方差分析检验林龄和土层深度对土壤碳、氮贮
量及分布影响的显著性。采用多变量相关性分析
及线性回归分析方法分析 SOC、N与土层深度、
土壤理化特性之间的关系,用Excel软件绘制图表。
3 结果与分析
3.1 樟树林不同林龄土壤
本文主要考察的土壤物理性质指标包括土壤
容重和土壤自然含水率。如表 1所示,樟树林不
同林龄土壤物理性质分析结果表明各林龄林下土
壤容重差异性极显著(p< 0.001),随着土层的
加深而逐渐增大,并且随着林龄的增大而增大,
0~ 30 cm土层容重平均值从大到小的顺序为 45
a (1.46±0.03 g/cm3) > 24 a(1.37±0.03 g/cm3) >
12 a(1.06±0.04 g/cm3),土壤容重是土壤紧实度
的一个指标,反映了土壤的疏松状况,容重越
文 丽,等:不同林龄樟树林土壤碳氮贮量及分布特征108 第 6期
小,说明土壤越疏松。0~ 30 cm土层土壤自然
含水率由大至小的顺序为 10 a (28%±1.59) > 45
a (26.37%±1.55) > 24 a (21.44%±1.55)。土壤 pH
值指示着林地土壤的酸碱性,三个林龄阶段中 pH
随着林龄的增大呈现先增大再减小的趋势,既 0
~ 30 cm土层 pH值大小顺序为 24 a (4.51±0.06)
> 10 a (4.41±0.03) > 45 a (4.28±0.03)(表 1)。
表 1 不同林龄樟树林不同深度土壤容重,含水率及pH值†
Table 1 Soil bulk density, water content and pH of pure C.
camphora forests in 0~10, 10~20 and 20~30 cm
soil depth at ages of 10, 24 and 45-year-old
林龄 /a 土层深度 / cm 自然含水率 / % 容重 /(g·cm-3) pH
10
0~10 28.92(1.56) 0.95(0.046) 4.37(0.03)
10~20 29.40(2.56) 1.10(0.04) 4.41(0.03)
20~30 27.03(0.65) 1.14(0.043) 4.46(0.03)
24
0~10 23.37(1.42) 1.36(0.04) 4.51(0.05)
10~20 22.02(1.73) 1.37(0.01) 4.50(0.06)
20~30 18.92(1.61) 1.38(0.03) 4.52(0.07)
45
0~10 29.78(1.53) 1.35(0.04) 4.27(0.03)
10~20 24.27(1.78) 1.43(0.02) 4.32(0.02)
20~30 25.07(1.41) 1.46(0.03) 4.27(0.03)
† 括号内数据为标准误。
3.2 樟树林不同林龄阶段土壤各土层 SOC和 TN
含量及空间分布特征
3.2.1 樟树林不同林龄阶段土壤 SOC含量及分布
特征
樟树林各林龄阶段土壤不同土层 SOC含量变
化明显(p< 0.05),樟树林三个林龄阶段的土
壤表层(0~ 10 cm)SOC含量较其它土层要高,
随着土层深度的加深而逐渐降低(图 1),这可
能是由于落入地表的凋落物、累积在地表的一些
动植物残体和植物根系分泌物产生的有机碳先进
入土壤表层,继而使得土壤表层的有机碳含量高
于其它土层。表层土壤(0~ 10 cm)SOC含量随
着林龄的增加而逐渐增大,45 a(17.00±1.41 g/kg
)> 24 a(17.92±0.70 g/kg)> 10 a (19.37±0.81
g/kg),而其它两层土壤随着林龄的增大并无显著
变化。樟树林各林龄阶段(10 a,24 a,45 a)土
壤表层 SOC含量分别占 0~ 30 cm土层总量的
42.45%,49.49%,46.92%。
3.2.2 樟树林不同林龄土壤 N含量及空间分布特征
樟树林三个林龄阶段下不同土层 TN含量分布
趋势与 SOC分布趋势是一致的,随着土层深度的
增加而逐渐减小(图 2)。原因是随着时间的推移,
森林枯枝落叶层积累量增加,从而使得分解转化形
成的上层腐殖质均大于下层,所以上层 N含量大
于下层。在不同林龄的樟树中,土壤氮的含量随着
林龄的增加而减少,三个林龄阶段 0~ 30 cm土层
TN含量平均值由大到小为 10 a (1.25±0.05) > 24
a (1.06±0.06)> 45 a (0.97±0.08) 。樟树林三种林
龄阶段除 0~ 10 cm土层 TN含量差异不显著之外
(p=0.119),10~ 20 cm和 20~ 30 cm土层 TN
含量差异极显著(p=0.002,p=0.007)(图 2)。
注:不同小写字母表示同一林龄不同土层差异显著;不同大写字母表示不
林龄同一土层差异显著(p< 0.05), 下同。
图 1 樟树林不同林龄各土层 SOC含量及垂直分布特征
Fig.1 Soil organic carbon (SOC) concentration and vertical
distribution characteristics of pure C. camphora
forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old
图 2 樟树林不同林龄各土层全含量及垂直分布特征
Fig.2 Total nitrogen (TN) concentration and vertical
distribution characteristics of pure C. camphora
forests at 10, 24 and 45-year-old stand
3.3 樟树林不同林龄阶段各土层 SOC和 N贮量
及空间分布特征
3.3.1 樟树林不同林龄阶段各土层 SOC贮量及空
间分布
在土层 0~ 30 cm中,樟树林三个林龄阶段(10
a,24 a,45 a)SOC贮量的平均值分别 29.47,
39.42,42.14 t/hm2,SOC贮量主要分布于土壤表
层(表 2),10 a,24 a,45 a三个林龄阶段 0~
10 cm土层 SOC贮量占 0~ 30 cm土层总量的
109第 34卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
54.62%,62.05%,62.25%。同一林龄阶段,各土
层间 SOC贮量的差异性极显著(p< 0.01),不
同林龄阶表层土壤(0~ 10 cm)SOC贮量差异极
显著(p=0.000)(表 2)。
表 2 樟树林不同林龄SOC贮量及垂直分布†
Table 2 Soil organic carbon (SOC) storage and vertical
distribution characteristics of pure C. camphora
forests at the ages of 10, 24 and 45-year-old t/hm2
林龄 /a 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm
10 16.09 (1.30) Aa 8.18(1.07) Aa 5.19(1.08) Ab
24 24.46 (1.15) Ba 8.73(0.75) Ab 6.22(0.52) Ac
45 26.23 (0.54) Ba 9.21(0.72) Ab 6.69(0.63) Ac
† 不同小写字母表示同一林龄不同土层差异显著;不同大写字母表示不
同林龄相同土层差异显著(p<0.05),下同。括号内数据为标准误。
3.3.2 樟树林不同林龄土壤 N贮量及空间分布特征
由表 3可知,樟树林 3个林龄阶段(10 a,24 a,
45 a)土壤 N贮量随着土层的加深而逐渐减小,主
要分布在表层土壤(0~ 10 cm),分别占 0~ 30
cm土层 N总贮量的 37.11%,44.39%,40.80%,
都随着林龄的增长呈先增长再减小的趋势(表 3)。
同一林龄不同土层土壤 N贮量比较结果为:10 a
(p=0.038),24 a (p=0.000),和 45 a(p=0.034) 差异
显著。同一土层,不同林龄在 0~ 10 cm土的 N
贮量差异显著(p=0.048),在 10~ 20 cm和 20
~ 30 cm差异性不显著(p=0.934,p=0.838)。
表 3 樟树林不同林龄氮贮量及垂直分布†
Table 3 Soil total nitrogen (TN) storage and vertical
distribution characteristics of pure C.
camphora forests at the ages of 10, 24 and
45-year-old t/hm2
林龄 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm
10 1.46(0.06) Aa 1.32(0.16) Aab 1.15(0.19) Aa
24 1.94(0.09) Ba 1.34(0.05) Ab 1.09(0.09) Ac
45 1.68(0.08) ABa 1.30(0.05) Aab 1.14(0.09) Ab
† 括号内数据为标准误。
3.4 樟树林不同林龄土壤 SOC,全 N的影响因子
及其 C/N之间的关系
樟树林不同林龄、不同土层对林下土壤理
化性质的影响分析结果如表 4所示,各林龄阶
段土壤含水率和容重差异性显著(p=0.000,
p=0.000),土层对 pH和土壤容重的影响不显著
(p> 0.05),林龄和土层的交互作用对 pH,含
水率及土壤容重的影响都不显著(p> 0.05)。林
龄对 TN含量及 SOC贮量的影响极显著(p=0.000,
p=0.000),对 SOC含量及土壤氮贮量的影响均
不显著(p > 0.05),土层对 SOC 含量,SOC
贮量,TN含量及土壤氮贮量的影响均为极显著
(p=0.000),而林龄与土层的交互作用仅对 SOC
贮量具有极显著的影响(p=0.000),对其它几项
指标影响均不显著(p> 0.05)(表 4)。樟树林
三个林龄阶段 SOC含量与 N含量的相关性均为极
显著相关(表 5),氮林龄为 45 a时的关联度(R2)
小于其它两个林龄阶段。
表 4 森林类型和土壤层次对土壤的影响
Table 4 Effects of stand age and soil depth on pH, total
organic carbon (TOC),total nitrogen (TN),
water content, carbon storage and nitrogen storage
参数
变异来源
森林林龄 土壤层次 森林林龄×土壤层次
pH 0.998 0.131 0.139
含水率 0.000 0.054 0.442
容重 0.000 0.005 0.118
土壤有机碳含量 0.707 0.000 0.403
土壤氮含量 0.000 0.000 0.756
土壤有机碳贮量 0.000 0.000 0.000
土壤氮贮量 0.200 0.000 0.070
表 5 樟树林不同林龄阶段土壤SOC含量与N含量的相关性
分析
Table 5 Correlation analysis on SOC and total N concentration
of ofpure C. camphora forests at ages of 10, 24,
45-year-old
林龄 /a 回归方程 相关系数
10 Y=0.030x+0.956 0.800 624**
24 Y=0.045x+0.632 0.877 496**
45 Y=0.025x+0.078 0.760 263**
† **表示极显著。
作为衡量土壤 C,N养分平衡状况的一个重
要指标,土壤碳氮比(C/N)不仅影响有机质的
分解速度,也体现了土壤 N含量水平在一定程度
上影响着 SOC含量。樟树林三个林龄阶段林下土
壤 C/N差异性不显著(p=0.097),随着林龄的增
大而增大,比值分别为 10 a (7.43±0.89)< 24 a
(8.53±0.71)< 45 a (10.17±1.09) 。樟树林三个林
龄阶段土壤 SOC、全 N含量及 C/N三者间的关系
如表 6所示,SOC含量与 N含量极显著相关(p
< 0.01),表明土壤中 N元素主要以有机氮的形
式存在于土壤有机碳中。
4 结论与讨论
土壤有机碳含量的增加不仅有利于提高土壤
肥力和植物生产力,而且可增加对大气二氧化碳的
文 丽,等:不同林龄樟树林土壤碳氮贮量及分布特征110 第 6期
固定。因此,加速土壤有机碳的积累,增强森林
土壤的碳汇功能,对土壤生产力的可持续发展和
全球碳循环都有重要的意义 [17]。本研究表明:10 a,
24 a,45 a三个不同林龄樟树人工林,其表层土壤
全碳含量和土壤碳贮量随土层的增加而增大,各
林龄表层 SOC含量由小到大依次为 17.00±1.41,
17.93±0.70,19.37±0.81 g/kg,所对应的碳贮量
为 16.09,24.46,26.23 t/hm2。不同林龄樟树林土
壤固碳能力由强到弱分别为 45 a> 24 a> 10 a;
同一林龄不同土层 SOC含量与碳贮量都随土层深
度的增加而减少。本研究的结果可以得出,在这
三个林龄中,林龄越大,固碳能力越强,因此,
应当适当延长森林生长及采伐周期,以使其不仅
能充分发挥森林的固碳作用,也能使森林的产品
功能和生态功能都得到充分的发挥。
不同林龄土壤中全 N含量随着林龄的增大而
减小。对同一林龄不同土层而言,全 N含量随土
层深度的增加而减少。这是由于上层土壤结构疏
松,土壤透气性好,生物活动强烈,适于微生物
生存,加速了微生物对枯枝落叶的分解继而形成
大量腐殖质,使得土壤有机质含量高,从而导致上
层土壤养分相对下层较高。随着土层的增加,下层
土经过成土过程,枯枝落叶及动植物残体在该层的
分布逐渐减少,其养分含量也随着减少 [18]。不同
林龄间 pH值随林龄的增长呈先增大再减小的趋势。
林龄是影响森林碳氮收支平衡的重要因素,
随着林龄的增加,植物凋落物累积量增加,根系
周转期以及气候变化等对 SOC贮存和分解产生较
大的影响 [19-21]。在本研究中,樟树林土壤有机碳
随着林龄的增大而增大,这可能是由于樟树林是
常绿阔叶林,林分植被胸径随林龄的增长而增大,
凋落物产量也随之增加,郁闭度增大及地上部分
生产力也随着增加从而导致土壤有机碳含量随之
增加。地上植被随林龄的变化出现差异,使得土
壤表层具有某种特点的气候特征,进而影响凋落
物和根系的分解速度,从而在一定程度上加速了
有机质的形成速度。樟树林各林龄阶段土壤 SOC
与全 N呈显著相关关系,说明土壤 N与 SOC有高
度的依存关系,樟树林不同林龄阶段的 C/N差异
性显著,随着林龄的增长而增大,微生物的分解
能力较强,林地肥力较好,说明阔叶林能提高森
林土壤肥力。
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表 6 樟树林不同林龄阶段土壤SOC、N含量与C/N之间的
相关关系†
Table 6 Pearson’s correlation coefficients of SOC, N and
C/N of pure C. camphora forests at 10, 24,
45-year-old stands
项目
10 a 24 a 45 a
SOC TN C/N SOC TN C/N SOC TN C/N
SOC 1 --- --- 1 --- --- 1 --- ---
TN 0.641** 1 --- 0.770** 1 --- 0.578** 1 ---
C/N 0.893** 0.269NS 1 0.850** 0.331* 1 0.873** 0.134NS 1
† * 代表差异性显著(p<0.05),**代表差异性极显著(p<0.01)。
111第 34卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
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[本校编校:吴 彬 ]
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