林分密度对马尾松人工林土壤碳储量及其分配特征的影响

李玉凤，李妹珍，马姜明，，宋尊荣，莫燕华，杨章旗，陆绍浩

(1.广西师范大学可持续发展创新研究院，广西桂林 541006；2.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西桂林 541006；3.广西壮族自治区林业科学研究院 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002；4.横县镇龙林场，广西横县 530327)

土壤有机碳可反映土壤肥力和健康状况，其积累和分解速率可进一步调控土壤碳储量及碳库的动态平衡，同时对人工林碳循环及气候变化有一定指示作用[1]。森林土壤碳储量在全球土壤碳储量中的占比达73%[2]，土壤作为地球上最大的陆地碳库载体，可通过增加土壤碳储量来调节大气中的二氧化碳水平。土壤碳储量受气候、林龄、土壤特性和地形等多种环境因子共同影响[1]。林分密度是人工林可持续经营的有效手段之一，密度调整可实现针叶林的近自然恢复转变[3]，通过调控土壤碳库的输入与输出，可改变土壤有机碳含量，改善土壤结构；林分密度会影响林分小气候条件，对人工林生产力及其碳储量产生影响[4]。

马尾松（Pinus massoniana）分布范围广，蓄积量高，是我国南方重要的用材林树种及荒山造林的先锋树种之一，具有耐干旱瘠薄、速生丰产和适应性广泛等优良特性，广泛分布于广西和贵州等17个省（市、自治区）[5-6]。目前，关于不同密度马尾松人工林的研究主要集中于针叶和根系的化学计量特征[7]、凋落物养分动态变化[8]、根系生物量[9]和水源涵养能力[10]等方面，对土壤碳储量分配特征的研究较少。本研究以广西不同林分密度马尾松纯林为研究对象，探讨其土壤碳储量及其分配特征，旨在提升人工林生产力及碳固持能力[11]，为实现马尾松林的近自然化经营提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 试验地概况

试验地位于广西横县镇龙林场（109°08′～109°19′E，23°02′ ～23°08′N），地处横县北部，属南亚热带季风气候，海拔为400 ～700 m，为低山丘陵地貌。年均气温21．5 ℃，最低气温-1 ℃，最高气温39．2 ℃；年均降水量1 477．8 mm；年均日照时长1 758．9 h。土壤多为红壤，由细石英岩和泥质粉砂岩发育而成[6]。

1．2 样地设置与调查

试验林均为1997年营造的马尾松人工纯林，造林密度分别为6 000 株/hm2（株行距1 m×1．67 m）和2 500 株/hm2（株行距2 m×2 m），当前林分密度分别为较高密度林分D1（1 156 株/hm2）和较低密度林分D2（820 株/hm2）（表1）。两种密度林分仅于第1年进行除杂灌草抚育措施两次，之后未进行间伐等处理，利用林木的自疏现象，调控林分密度[12]。试验林立地条件基本一致，土壤质地典型且林木长势较一致。在两种密度马尾松人工林样地内，分别设置3个20 m×20 m 标准样方，均为广西壮族自治区林业科学研究院已经建立的长期固定监测样地[10]。

表1 两种密度马尾松人工林样地概况Tab.1 Situation of stands in P.massoniana plantations with two densities

1．3 样品采集与测定

2019年7月，采集土壤样品，在每个样方内沿对角线设置3 个取样点，使用内径为5 cm 的土钻，按0～20、20 ～40 和40 ～60 cm 的深度采集土壤分析样品。按四分法取500 g 同层混合土样，自然风干，去除杂质后过60目筛，采用重铬酸钾氧化外加热法进行土壤有机碳含量测定[13]，每个样品重复测定3 次。土壤剖面碳储量的计算公式为[14]：

式中，SOCD为单位面积土壤剖面碳储量（t/hm2）；Gi为第i层直径＞2 mm 的石砾含量（%）；Di为第i层土壤容重（g/cm3）；Ci为第i层土壤有机碳含量（g/kg）；Ti为第i土层厚度（cm）。

土壤容重、总孔隙度及土壤含水量等物理性质均采用环刀法进行取样测定[3]。土壤pH 值采用酸度计测定（水土比2．5∶1），土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，土壤全磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法测定，土壤速效磷含量采用双酸浸提-钼锑抗比色法测定[15]。

1．4 数据处理

采用SPSS 22．0 软件进行统计与分析，Pearson相关系数分析土壤有机碳含量、土壤碳储量与土壤理化特性的相关关系；采用Sigmaplot 14．0 软件作图。

2 结果与分析

2．1 土壤有机碳含量

土壤有机碳含量整体表现为较高密度林分D1（13．49 g/kg）显著高于较低密度林分D2（12．12 g/kg）（P＜0．05），提升了11．30%，含量范围为7．61 ～23．16 g/kg（图1）。D1 与D2 在0 ～20 cm 土层中差异极显著（P＜0．01），在20 ～40 cm 土层中差异显著（P＜0．05），在40 ～60 cm 土层中差异不显著。土壤有机碳含量随土层深度增加呈下降趋势，具有垂直分布特征，表现为0 ～20 cm 土层土壤有机碳含量显著高于20 ～40 和40 ～60 cm 土层（P＜0．05）。D1 中，各土层间均差异显著（P＜0．05）；D2 中，20 ～40 与40 ～60 cm 土层差异不显著。

图1 两种密度马尾松人工林土壤有机碳含量Fig.1 Soil organic carbon contents of P.massoniana plan⁃tations with two densities

2．2 土壤碳储量

土壤碳储量整体表现为较高密度林分D1（96．50 t/hm2）显著高于较低密度林分D2（83．35 t/hm2）（P＜0．05），提升了15．78%，含量范围为18．87 ～52．35 t/hm2（图2）。D1 与D2 在0 ～20 和40 ～60 cm土层中差异不显著，在20 ～40 cm 土层中差异极显著（P＜0．01）。土壤碳储量随土层深度增加呈下降趋势，表现为0 ～20 cm 土层显著高于20 ～40 和40～60 cm 土层（P＜0．05）。D1 中，各土层间均差异显著（P＜0．05）；D2 中，20 ～40 与40 ～60 cm 土层差异不显著。

D1 和D2 中，土壤碳储量的分配比例均随土壤深度增加呈下降趋势（图3）。碳主要储存于0 ～20 cm 土层中，在D1 和D2 中的分配比例分别为54．25%和52．31%，两者间差异不显著。在20 ～40 cm 土层中，D1 中土壤碳储量的分配比例显著高于D2（P＜0．05）；40 ～60 cm 土层中，D2 极显著高于D1（P＜0．01）。

图2 两种密度马尾松人工林土壤碳储量Fig.2 Soil carbon storage of P.massoniana plantations with two densities

图3 两种密度马尾松人工林土壤碳储量分配比例Fig.3 Percentage of soil carbon storage of P.massoniana plantations with two densities

2．3 土壤有机碳含量、碳储量与土壤理化特性的相关性

D1 和D2 的土壤有机碳含量和土壤碳储量与土壤容重分别呈极显著（P＜0．01）和显著（P＜0．05）负相关（表2）。D1的土壤有机碳含量和土壤碳储量与土壤含水量和总孔隙度呈极显著正相关（P＜0．01），与土壤pH 值呈显著正相关（P＜0．05），与其他指标相关性均不显著。D2 的土壤有机碳含量和土壤碳储量与土壤容重外其他指标的相关性均不显著。

表2 两种密度马尾松人工林土壤有机碳含量、碳储量与土壤理化特性的相关性Tab.2 Correlation between soil organic carbon content,carbon storage and soil physicochemical properties of P.massoniana plantations with two densities

3 结论与讨论

马尾松人工林中，较高密度林分D1和较低密度林分D2 的0 ～20 cm 土层土壤有机碳含量分别为23．16 和20．14 g/kg，略高和略低于全国马尾松人工林0 ～20 cm 土层有机碳含量（22．00 g/kg）[16]。D1 和D2 的0 ～60 cm 土层土壤有机碳含量分别为13．49和12．12 g/kg，均高于华南地区马尾松人工林0 ～60 cm 土层土壤有机碳含量（11．29 g/kg）[17]以及广西马尾松人工林0 ～100 cm土层土壤有机碳含量（9．95 g/kg）[18]，表明其土壤肥力较高。不同林分密度下，土壤有机碳含量均随着土层深度增加呈下降趋势，与已有结果一致[19-20]。可能是由于马尾松人工林植被相对丰富，植被凋落物层较厚，分解后形成的腐殖质大量积累于表层土壤，表现出明显的表聚性；还有一个原因是植物根系对促进林分土壤表层有机碳积累有关键作用[17,21]。

两种密度林分D1 和D2 的土壤碳储量分别为96．50 和83．35 t/hm2，远低于周玉荣等[22]研究中我国森林土壤碳储量平均水平（193．55 t/hm2），低于长沙马尾松人工林0 ～60 cm 土层的土壤碳储量（134．64 t/hm2）[23]。主要原因可能是研究地位于南亚热带，有较好的水热条件及生产力，可促进土壤呼吸以及凋落物分解，碳量释放较多，有机碳积累较少[24]。

土壤碳储量随林分密度的变化趋势与有机碳含量一致，两种密度林分的土壤碳储量均随土层深度增加呈下降趋势，与已有研究结果一致[11,24]。土壤有机碳含量及碳储量总体上表现为较高密度林分D1 高于较低密度林分D2，表明增加林分密度可促进土壤碳的保持，对提高林分碳储量有重要作用。主要原因可能是较低密度林分中林下光照等营养空间充足，土壤原有有机质加速分解，土壤碳储量降低[4]。这与方晰等[19]、那萌等[4]对广西不同密度湿地松（Pinus elliottii）及水曲柳（Fraxinus mandsh⁃urica）人工林土壤碳储量的研究结果一致。但与其他马尾松研究结果不同[20,25]，可能是由于本研究中林分林龄较大，已达到郁闭，随着林分密度的增加，林下光照减少，凋落物等分解速率降低[4]。密度范围、树种特性、林龄及环境因子等的综合作用会让土壤碳储量发生变化。

土壤中的碳主要储存于0 ～20 cm 土层（占土壤碳储量的52．31% ～54．25%），随土层深度增加呈下降趋势，表明土壤深度对土壤碳储量有较大影响，林分密度主要影响土壤表层的碳含量。保护土壤结构的完整性，最大程度减少人为干扰，维持有机碳库的稳定[26]，对提高马尾松人工林土壤碳储量有重要意义。

土壤理化性质与土壤肥力水平密切相关。土壤容重是影响土壤有机碳垂直分布的重要物理性质之一，可反映土壤的疏松状况及通气性[27]。D1 和D2 的土壤有机碳含量和碳储量与土壤容重分别呈极显著和显著负相关，表明二者均与土壤容重有高度依存关系。有研究表明，土壤有机碳含量和碳储量与土壤含水量及总孔隙度变化趋势一致[17,27-28]，这与本研究结果相似，主要原因可能是随着土壤容重减小，土壤孔隙度变大，土壤通气状况和保水保肥性能较好，对于植物根系的生长发育以及微生物的消化分解有一定促进作用，含水量较多的土壤，其输送的碳含量也相应增多[28-29]。土壤有机碳含量和碳储量与土壤pH 值为正相关关系，可能是由于林分气候和利用方式等对土壤有机碳含量和碳储量产生了重要影响[30]。土壤养分含量对于土壤碳含量和碳储量有不可忽视的作用；土壤全氮可调控土壤微生物的活动能力，完成有机碳周转；磷含量的增加对土壤有机碳积累有正向促进作用；伴随着枯枝落叶等分解，归还土壤的养分含量增加，随着养分循环累积，人工林土壤的碳固持能力有所提升，进而维持其土壤肥力[31-32]。本研究中，土壤有机碳含量和碳储量与土壤养分含量均呈正相关，与前人研究结果一致[21,30]。

本研究表明，相对D2 密度而言，D1 密度经营下林分可获得较高土壤碳储量，其土壤固碳能力更突出，适当提高林分密度对于增加中龄林分土壤碳储量有积极作用，是提升马尾松人工林土壤碳储量的重要途径。多种环境因子协同作用共同调控两种密度马尾松人工林土壤有机碳含量及碳储量，进一步改善土壤肥力，增强土壤固碳能力，促使马尾松人工林朝向近自然恢复方向发展。