火力楠Michelia macclurei是木兰科含笑属的常绿阔叶大乔木，为南方重要的乡土珍贵用材和多功能高效益树种，具有快速生长、少病虫害、强耐火性等特点^[1]。以往对火力楠林地土壤的研究集中于土壤养分^[2-3]、不同坡位的土壤肥力^[1]、土壤微生物量和可溶性N特征^[4]以及土壤特性对N、P添加的响应^[5]等方面。郑路等^[6]研究了我国南亚热带人工林碳储量，认为火力楠的侧根发达，根系死亡后被分解转化为土壤中的碳，有利于提高土壤层的碳储量；且火力楠发达的根系在土壤中有较强的穿插作用，能够增加土壤孔隙度和通透性并改善立地条件^[7]；郑文辉等^[8]指出，火力楠的凋落物数量多、分解速率快且养分释放周期短，能够为土壤提供大量的营养成分；汪凤林等^[9]报道，火力楠和杉木混交能够加快混合凋落物的分解速率，增加土壤肥力。鲜见关于火力楠林地土壤碳储量、养分储量及其垂直分布特征的报道。本文选取10年生火力楠人工林，研究其土壤碳和养分的垂直分布特征，以揭示不同土层的碳和养分分配格局，提供林分尺度的调查数据，以了解该地实际的林地土壤碳库现状。在华南地区人工林营造过程中，可以为树种选择、土壤改良及林地生产力提高方面提供一定的科学依据。

1.   材料与方法

1.1   试验地概况

研究地点位于广东省韶关市小坑国家森林公园，该地属亚热带季风气候，年均气温20 ℃，年降雨量1 500~1 600 mm，雨热基本同季，土壤类型为砂页岩发育的红壤，土层较深厚，呈酸性^[10]。样地为10年生火力楠林地，海拔272 m，坡度44°，坡向为NE20°，林分郁闭度为0.8，样地内平均树高和胸径分别为(9.39±1.83) m和(9.31±2.99) cm。火力楠林地0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm土层的土壤容重分别为1.074、1.095、1.167、1.225和1.330 g·cm⁻³。试验地为2007年采伐杉木林后栽种的火力楠林1.2 hm²，密度1 667株·hm⁻²，2017年5—6月对火力楠林进行林地土壤碳储量调查。在林地内选择具有代表性的火力楠林，遵循试验标准地与周边环境的一致性原则，避开林缘带状区域选取规格为20 m×20 m的标准样地，设3个重复。火力楠林下主要植被有乌毛蕨Blechnum orientale、黄牛木Cratoxylum cochinchinense、白茅Imperata cylindrica、扇叶铁线蕨Adiantum flabellulatum、玉叶金花Mussaenda pubescens、海金沙Lygodium japonicum、米碎花Eurya chinensis、银柴Aporosa dioica和蜈蚣草Eremochloa ciliaris等。

1.2   试验设计

在各标准地内按梅花形布点，挖取5个宽度适中、深度为1 m的标准土壤剖面。沿土壤剖面按0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm分层采集土壤样品。5个土壤剖面分层混合取样后带回实验室自然风干，去除杂物后进行研磨，过筛(0.25 mm孔径)，装瓶待测。

用电位法测定土壤pH，用重铬酸钾氧化−外加热法测定土壤有机质含量，土壤全N、P和K含量分别用半微量凯氏法、钼蓝比色法和火焰光度计测定，土壤碱解N、有效P和速效K含量分别采用的碱解–扩散法、0.5 mol·L⁻¹碳酸氢钠法和1 mol·L⁻¹乙酸铵浸提–火焰光度法测定^[11]。土壤碳储量的计算方法为：

式中：A_i表示第i层土壤单位面积碳储量，t·hm⁻²；T_i表示第i层土壤厚度，cm；D_i表示第i层土壤容重，g·cm⁻³；C_i表示第i层土壤的碳质量分数，g·kg⁻¹；0.1为单位换算系数^[12]。

1.3   数据处理

不同土层之间的土壤pH和土壤养分含量指标用SPSS 21.0软件采用Duncan’ s法进行多重比较，并用Microsoft Excel 2016进行分析和作图。

2.   结果与分析

2.1   火力楠林地各土层土壤化学性质

由图1A可知在0~100 cm土层内，火力楠林地土壤pH范围为3.54~3.79，且各层土壤pH随土层深度的变化幅度较小，其中80~100 cm土层土壤pH最大(3.79)，20~40 cm土层土壤pH最小(3.54)。火力楠林地土壤碳含量随着土层的加深而减少(图1B)。

图  1  不同土层的土壤pH和碳含量

各图中，柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05，Duncan’s法)

Figure  1.  Soil pH and carbon content in different soil layers

In each figure, different lowercase letters on the bars indicate significant difference(P<0.05, Duncan’s test)

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多重比较表明，火力楠林地的土壤全N含量随着土壤深度的增加而小幅下降(图2A)，80~100 cm土层土壤全N质量分数(1.65 g·kg⁻¹)显著小于0~20 cm土层土壤全N质量分数(2.01 g·kg⁻¹)(P <0.05)。火力楠林地各层土壤全P和全K含量差异均不显著( 图2B、2C)。

图  2  不同土层的土壤全量养分含量

各图中，柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05，Duncan’s法)

Figure  2.  Contents of soil total nutrients in different soil layers

In each figure, different lowercase letters on the bars indicate significant difference(P<0.05, Duncan’s test)

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由图3A可知，火力楠林地各层土壤碱解N含量随土层加深而小幅度下降。80~100 cm土层土壤碱解N质量分数(166.87 g·kg⁻¹)显著小于0~20 cm土层土壤碱解N质量分数(189.57 g·kg⁻¹)(P <0.05)。有效P含量随土壤深度的增加而显著降低( 图3B)(P <0.05)。土壤速效K含量在0~60 cm范围内无显著差异，之后随土层加深而显著降低( P <0.05)( 图3C)。

图  3  不同土层的土壤速效养分含量

各图中，柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05，Duncan’s法)

Figure  3.  Contents of soil available nutrients in different soil layers

In each figure, different lowercase letters on the bars indicate significant difference(P<0.05, Duncan’s test)

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2.2   火力楠林地各土层土壤碳储量和养分储量

火力楠林地各土层土壤的碳储量和养分储量及其分配格局见表1。火力楠林地0~100 cm土壤的碳储量为259.26 t·hm⁻²。随土层深度的增加，各土层土壤碳储量总体上呈现增加趋势。火力楠林地土壤P和K储量均随土层的加深而呈现上升的趋势。火力楠林地各土层的3种营养元素储量的排序均为：K>N>P。

表  1  各土层土壤的碳储量和营养元素储量

Table  1.  Soil carbon storage and nutrient storage in different soil layers t·hm⁻²

土层/cm Soil layers	碳储量 C storage	N 储量 N storage	P 储量 P storage	K 储量 K storage
0~20	50.82	4.31	1.39	37.69
20~40	51.47	4.17	1.43	40.17
40~60	51.43	4.31	1.49	41.80
60~80	51.99	4.30	1.52	42.84
80~100	53.55	4.40	1.63	46.91
合计 Total	259.26	21.50	7.47	209.42

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3.   讨论与结论

3.1   火力楠林地土壤化学性质

本研究中，火力楠林地土壤pH范围为3.54~3.79，属于酸性土壤。华南地区高温多雨，强烈的淋溶与风化作用引起强烈的脱硅、盐基淋失和富铁铝化过程，导致土壤pH降低^[13]。土壤养分的垂直分布特征受成土母质、气候特征、地形地貌和人为活动等多种因素的影响，且因养分类型不同而具有显著差异^[14]。贺志龙等^[15]对华北落叶松Larix gmeliniivar.principis-rupprechtii土壤养分的研究表明，随着土层深度的增加，土壤总碳、硝态N、铵态N、速效K含量呈现下降趋势。本研究也发现，除全P和全K含量在各土层间差异不显著外，其余指标均随着土层深度的增加而下降。可能是因为枯落物分解产生的营养元素聚集在土壤的表层，之后随水分或其他介质向土壤下层迁移扩散^[16]，呈现明显的表聚性^[17]。且上层土壤通常结构疏松、透气性好，生物代谢活动旺盛^[18]，有利于土壤养分的转化和积累，故土壤表层的有机质和含N化合物较多。此外，土壤养分的垂直分布特征还可能受到根系分布的影响。首先，根系在土壤中的残留物能够被微生物分解转化为营养物质并积累在土壤中，并且根系的分泌物有利于土壤中难溶养分活化。其次，根系在土壤中的穿插作用能够增加土壤孔隙度和通透性，改善土壤物理性质。而植被的根系主要分布在上层土壤中，且随着土壤深度的增加而逐渐减少，这导致了土壤碳、N含量从表层向下层逐渐降低的分布格局^[7]。

本研究中，火力楠林地土壤全P和全K含量在各土层间无显著性差异。土壤中的P和K元素主要来源于森林凋落物分解、降水淋溶和矿物风化，其含量受成土母质、地形地貌和气候特点等因素的影响^[19]。而矿物风化作用是一个漫长而稳定的过程，土壤的风化程度在0~100 cm土层深度间差异较小，因此不同土层的土壤全P和全K含量的垂直分布特征与土壤深度这一因素相关性不大^[20]。此外，K素在土壤中的移动性较强，华南地区雨水充沛，K素易随水淋失到下层土壤，导致表层土壤中K素的流失^[7]。

3.2   火力楠林地各土层土壤碳储量

土壤有机碳的积累和分解直接或间接地影响着陆地生物碳储量和全球碳库的平衡，土壤碳储量的垂直分布受枯落物、土壤理化性质和气候变化等因素影响^[21]，土壤碳储量是筛选适宜造林树种的重要指标。在本研究中，小坑国家森林公园火力楠林地单位面积土壤碳储量为259.26 t·hm^−2，，高于我国森林土壤平均碳储量(193.55 t·hm⁻²)^[22]以及我国常绿落叶阔叶林土壤碳储量平均值(257.57 t·hm⁻²)^[23]，说明火力楠林地土壤具有较好的碳汇储存力及较大的碳汇潜能。有研究表明，南亚热带地区温暖湿润，光照充足且雨热同期的气候特点使该地区人工林的生物量和碳积累量相对较高^[24]。本研究地位于广东省韶关市，水热同期且雨量丰富的亚热带季风气候使火力楠人工林具有较高的生产力和枯落物归还量，从而为土壤输入大量有机碳。此外，火力楠具有发达的根系，大量的根系分泌物和根系死亡后被分解转化为有机质和其他营养物质积累在土壤中，成为土壤碳的来源^[6]。以上均可能是导致本研究中火力楠林地土壤碳储量高于全国平均水平的原因。

单位面积土壤碳储量与碳含量、容重、土层厚度均相关^[25]，许多研究表明，土壤碳储量随土层深度增加而下降^[26-27]。本研究结果与之不同，土壤碳储量随着土层深度的增加而总体呈现小幅度上升的趋势。原因可能是深层土壤矿物间的相互作用形成大量稳定的含碳化合物，增加了对土壤有机质的物理性保护，使深层土壤中的有机碳具有长周转周期和稳定的性质^[28]，且有机矿物复合体的形成和微生物活跃度的空间异质性等因素使深层土壤有机碳不易被土壤微生物分解^[29]，以上因素导致了土壤碳含量随土层加深而下降的幅度较小，加之土壤容重随深度增加而增大，从而导致了各层土壤碳储量呈现增加的趋势。此外，李斌等^[30]的研究表明，人为干扰主要作用于浅层土壤且能够显著影响森林土壤的碳汇功能。浅层土壤的有机碳稳定性较弱，受人类经营活动的影响后容易引起水土流失，也会导致表层土壤的碳储量减少^[27]。土壤作为一个相对稳定的系统，其变化较为缓慢，尤其是土壤有机碳的积累是长期结果^[31]，因而其碳储量随土层深度的变化幅度较小。

3.3   火力楠林地各土层土壤养分储量

土壤养分储量是指单位面积内一定深度的土层中养分的储量，其变化特征主要取决于土壤系统养分输入和输出的动态平衡过程，也受降雨、淋溶、矿质化作用和人类的经营活动等因素的影响^[32]。相关研究表明，在整个土壤剖面，土壤碳储量与养分储量具有显著的线性关系，两者互为影响，不同养分储量与碳储量的相关性差异较大，土壤中N和碳在积累储存过程中密切相关^[33]。

本研究中，火力楠林地3种土壤营养元素储量排序为：K>N>P，随着土层加深，火力楠林地土壤P和K储量均增加。这可能是因为土壤全P和全K含量在各土层深度无显著性差异，而土壤容重随土层加深而增大。同时，土壤中P素和K素的输入主要受成土母质的影响，土壤深度对其影响较小^[20]。而深层土壤的呼吸速率较低，被植物吸收利用的养分较少以及含有大量不易分解的土壤团聚体和有机矿物复合体，使深层土壤P和K元素的输出较少，可能引起其储量升高^[34]。

土壤N储量随土层深度的增加呈现波动状态。这可能是因为土壤N储量受土壤N含量、土壤碳储量、土层厚度和土壤容重等多种因素的共同影响，其中土壤N含量随着土壤的加深而减少，而土壤碳储量和土壤容重随着土层的加深而提高，这些共同作用导致了N储量的波动。

总体而言，火力楠林地的土壤养分含量除全P和全K外，均随土层的加深而下降，且土壤P含量较低，今后应适当提高P肥的施用量。火力楠林地的土壤碳储量高于全国平均水平，但深层土壤的碳储量、P 储量和K 储量大于表层土壤，这说明火力楠林地土壤具有较好的碳汇潜能，但表层土壤的固碳能力较低，且淋溶侵蚀较为严重。今后可选择该树种进行碳汇造林并进一步做好抚育工作，在经营管理过程中应注意防治水土流失，增强土壤表层碳的稳定性。