沿?；鶐r質(zhì)海岸防護(hù)林不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化研究

高智慧，張曉勉，岳春雷，張 勇，陳賢田，林 蔭，王 泳，郭曉平，王 珺，張金池*

（1. 浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 杭州 310020；2. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州310023；4. 浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三門(mén)縣林業(yè)特產(chǎn)局，浙江 三門(mén) 317100）

沿?；鶐r質(zhì)海岸防護(hù)林不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化研究

高智慧1，張曉勉2,3，岳春雷3，張 勇4，陳賢田5，林 蔭2，王 泳3，郭曉平2，王 珺3，張金池2*

（1. 浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 杭州 310020；2. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州310023；4. 浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三門(mén)縣林業(yè)特產(chǎn)局，浙江 三門(mén) 317100）

以浙江省沿?；鶐r質(zhì)海岸防護(hù)林的 3種主要林分類型濕地松（Pinus elliottii）純林、楓香（Liquidambar formosana）純林、濕地松+楓香混交林作為研究對(duì)象，并選擇無(wú)林地作對(duì)照，對(duì)其土壤有機(jī)碳礦化進(jìn)行測(cè)定研究。結(jié)果表明：4種林分類型土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程，可分為快速下降期，緩慢下降期和相對(duì)穩(wěn)定期 3個(gè)階段；對(duì)整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中不同林分類型土壤有機(jī)碳日均礦化量進(jìn)行擬合，其變化趨勢(shì)符合對(duì)數(shù)函數(shù)；對(duì)4種林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率進(jìn)行聚類分析得出，楓香+濕地松混交林0 ~ 20 cm土壤有機(jī)碳礦化速率最高，楓香純林0 ~ 20 cm、濕地松純林0 ~ 20 cm土壤有機(jī)碳礦化速率次之，楓香純林20 ~ 40 cm、濕地松純林20 ~ 40 cm、楓香+濕地松混交林20 ~ 40 cm土壤有機(jī)碳礦化速率一般，無(wú)林地0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤有機(jī)碳礦化速率最低。說(shuō)明土壤有機(jī)碳礦化速率隨著土層的增加遞減，表層土壤敏感性最強(qiáng)。

沿海防護(hù)林，基巖質(zhì)海岸，土壤有機(jī)碳礦化，土壤有機(jī)碳礦化速率

土壤有機(jī)碳礦化是土壤生物通過(guò)自身活動(dòng)、分解和利用土壤中活性有機(jī)組分來(lái)完成自身代謝，同時(shí)釋放出CO2的過(guò)程，直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分的釋放與供應(yīng)及溫室氣體的形成等[1]。目前我國(guó)土壤有機(jī)碳礦化研究多在林地[2]、水稻土[3]、沙地[4]和濕地[5~6]地區(qū)，但針對(duì)沿海防護(hù)林體系土壤碳庫(kù)特別是基巖質(zhì)海岸沿海防護(hù)林土壤有機(jī)碳礦化的報(bào)道還不多見(jiàn)。

沿海防護(hù)林體系是我國(guó)東部沿海地區(qū)重要的生態(tài)屏障，在我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和全球氣候變化研究中具有重要的地位。本文主要研究浙江省基巖質(zhì)海岸沿海防護(hù)林體系主要林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率、累計(jì)礦化量等內(nèi)容，旨在分析浙江省基巖質(zhì)海岸沿海防護(hù)林體系土壤有機(jī)碳礦化規(guī)律，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)該類森林體系土壤有機(jī)碳礦化特征，為進(jìn)一步揭示沿海防護(hù)防護(hù)林體系土壤碳“匯”功能的變化以及全球碳循環(huán)過(guò)程中的作用等方面提供理論基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及樣品采集

在研究區(qū)內(nèi)選擇濕地松（Pinus elliottii）純林、楓香（Liquidambar formosana）純林、濕地松+楓香混交林3種有代表性的沿海防護(hù)林類型作為研究對(duì)象，并選擇無(wú)林地作對(duì)照。在這4種不同類型從分中分別設(shè)置20 m ×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行調(diào)查。在每一種林分內(nèi)的典型地段挖土壤剖面，分0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm兩個(gè)層次采集土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

2.2 樣品分析

土壤有機(jī)碳礦化量的測(cè)定采用室內(nèi)恒溫 、堿液吸收法[7]進(jìn)行測(cè)定。將30 g新鮮土壤放在50 mL的密封廣口瓶中，調(diào)節(jié)土壤含水率至45%左右，然后在廣口瓶中放置一個(gè)盛有1 mol/L NaOH溶液15 mL的小瓶，并在廣口瓶底部加入15 mL蒸餾水以保持瓶?jī)?nèi)濕度，在25℃的恒溫箱中密封培養(yǎng)。在培養(yǎng)的第7、第14、第21、第28、第35 天取出NaOH溶液，從中吸取5 mL于小燒瓶中，加入1 mol/L的BaCl2溶液2.5 mL，加2滴酚酞指示劑，用1 mol/L的HCl滴定至紅色消失。根據(jù)CO2的釋放量計(jì)算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化量。土壤有機(jī)碳的礦化量用CO2g/kg干土表示。用稱重法校正水分含量，每次處理設(shè)3次重復(fù)和空白對(duì)照。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率

土壤有機(jī)碳礦化速率為每天每 kg干土釋放的CO2-C的質(zhì)量，單位g/（kg·d）[8]。不同類型土壤由于其有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和質(zhì)量等的差異，有機(jī)碳礦化速率不同。在培養(yǎng)初期，林分類型不同土壤有機(jī)碳礦化速率有顯著影響，但隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，差異逐漸變小，礦化速率基本穩(wěn)定。

圖1 不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率動(dòng)態(tài)Figure 1 Dynamics of SOC mineralization under different forests

由圖1可看出，土層0 ~ 20 cm處4種林分類型土壤0 ~ 7 d時(shí)的礦化速率最

3.2 不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)高，其中楓香+濕地松混交林土壤有機(jī)碳礦化速率達(dá)到0.19 g/（kg·d），顯著高于其他3種林分類型土壤；楓香純林土壤有機(jī)碳礦化速率次之，為0.15 g/（kg·d），濕地松純林土壤有機(jī)碳礦化速率第3，為0.14 g/（kg·d），無(wú)林地最低，為0.12 g/（kg·d），約為楓香+濕地松混交林的63%。至第14天時(shí)，4種林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率均值為0.1 g/（kg·d），是第7天時(shí)均值的71%。28 d后，土壤有機(jī)碳礦化速率趨于基本穩(wěn)定，保持在開(kāi)始時(shí)的38%左右。對(duì)于不同土層而言，在0 ~ 7 d 4種不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率20 ~ 40 cm比0 ~ 20 cm低，均值低15%，在整個(gè)35 d培養(yǎng)過(guò)程中，土壤20 ~ 40 cm礦化速率均值比0 ~ 20 cm低28%。

土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)是土壤有機(jī)碳日均礦化量隨著培養(yǎng)時(shí)間的變化關(guān)系，用釋放出CO2的量表示，可以表征在培養(yǎng)過(guò)程中不同時(shí)間有機(jī)碳礦化快慢的高低[9]。

4種林分類型由于植被類型不同，在枯落物、植物根系等方面就不同，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳、微生物以及酶活性等方面出現(xiàn)差異，土壤有機(jī)碳礦化規(guī)律也不同。

從不同林分類型土壤培養(yǎng)35 d，有機(jī)碳礦化隨培養(yǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化（圖 1）可以看出，培養(yǎng)過(guò)程中，同林分類型土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)變化有類似規(guī)律，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)碳的日均礦化量前期（7 ~ 14 d）較大但不穩(wěn)定，有大幅度的下降；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)（14 ~ 21 d）日均礦化量均有一定程度的減少，但減少幅度較?。慌囵B(yǎng)后期，有機(jī)碳礦化保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程，土壤有機(jī)碳礦化可分為快速下降期，緩慢下降期和相對(duì)穩(wěn)定期3個(gè)階段?？傮w來(lái)看，培養(yǎng)期間不同林分類型土壤有機(jī)碳日均礦化量的變化符合對(duì)數(shù)函數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)的擬合方程Table 1 Fitting equation for SOC mineralization under different forests

3.3 不同林分類型土壤有機(jī)碳礦化速率綜合評(píng)價(jià)

為了對(duì)不同林分類型不同土層土壤有機(jī)碳礦化速率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)不同林分類型0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm兩個(gè)土層第7、第14、第21、第28、第35 d土壤有機(jī)碳累計(jì)礦化速率運(yùn)用 SAS軟件進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)表圖2。

由聚類分析可以看出，4種不同的植被類型2個(gè)土壤層次土壤有機(jī)碳礦化速率可以分為4類，其中，楓香+濕地松混交林0 ~ 20 cm歸為一類，土壤有機(jī)碳礦化速率最高；楓香純林0 ~ 20cm、濕地松純林0 ~ 20 cm歸為一類，土壤有機(jī)碳礦化速率較高；楓香純林20 ~ 40 cm、濕地松純林20 ~ 40 cm、楓香+濕地松混交林20 ~ 40 cm歸為一類，土壤有機(jī)碳礦化速率一般；無(wú)林地0 ~ 20 cm和無(wú)林地20 ~ 40 cm歸為一類，土壤有機(jī)碳礦化速率最低。

圖2 不同林分類型不同土層土壤有機(jī)碳礦化速率聚類圖Figure 1 Dendrogram of SOC mineralization rate at different soil layer under different forests

4 結(jié)論與討論

（1）土壤有機(jī)碳的去向有兩個(gè)方面，一方面通過(guò)礦化或呼吸作用分解形成CO2，釋放到大氣中或在水循環(huán)的參與下通過(guò)碳酸鹽的溶蝕作用被消耗，另一方面是經(jīng)過(guò)腐殖質(zhì)化作用轉(zhuǎn)化為與鈣緊密結(jié)合的穩(wěn)定胡敏酸鈣[10]，或者形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體變成更穩(wěn)定的部分，降低土壤的淋溶強(qiáng)度，增加土壤有機(jī)碳的穩(wěn)固性，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積，從而減少土壤有機(jī)碳因?yàn)榉纸庀虼髿庵嗅尫臗O2的數(shù)量。其中，經(jīng)過(guò)礦化分解釋放的有機(jī)碳一般是易分解的有機(jī)碳或活性有機(jī)碳。測(cè)定土壤有機(jī)碳礦化釋放CO2-C的主要方法是室內(nèi)土壤需氧培養(yǎng)法，這種方法培養(yǎng)土壤，溫度和濕度得到有效控制，并且沒(méi)有有機(jī)碳的輸入和淋溶輸出，所以培養(yǎng)過(guò)程中CO2的釋放趨勢(shì)和強(qiáng)度可以反映在一定溫度和濕度條件下不同類型土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性和周轉(zhuǎn)速率的差異[11]。

（2）4種林分類型土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，前期（7 ~ 14 d）較大但不穩(wěn)定，有大幅度的迅速下降；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)（14 ~ 21 d）日均礦化量有一定程度的減少，但減少幅度較??；培養(yǎng)后期，有機(jī)碳礦化保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中不同林分類型土壤有機(jī)碳日均礦化量進(jìn)行擬合，其變化趨勢(shì)符合對(duì)數(shù)函數(shù)。原因可以解釋為，在培養(yǎng)過(guò)程中，微生物優(yōu)先利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、活性高的有機(jī)組分，這表現(xiàn)為培育初期土壤有機(jī)碳礦化速率相對(duì)較高；隨著培育時(shí)間的延長(zhǎng)，活性底物消耗，微生物呼吸強(qiáng)度減弱，表現(xiàn)為土壤有機(jī)碳礦化速率緩慢下降；在培育后期，微生物以土壤中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)作為代謝底物，表現(xiàn)為有機(jī)碳礦化速率保持相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)[11]。也有研究表明，土壤中有機(jī)碳根據(jù)其穩(wěn)定性高低，可分為活性碳庫(kù)、緩效性碳庫(kù)和惰性碳庫(kù)[12]。在不同培養(yǎng)階段，微生物依次利用活性有機(jī)碳、緩效性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳為底物進(jìn)行代謝活動(dòng)，這與土壤有機(jī)碳礦化不同階段相對(duì)應(yīng)。

（3）土壤有機(jī)碳礦化速率是土壤碳分解速率的重要表征指標(biāo)，在相同條件培養(yǎng)下，4種林分類型土壤礦化速率各不相同。影響土壤有機(jī)碳礦化的因子較多，如土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量、土壤微生物、溫度、濕度和土地利用方式等。本研究中楓香+濕地松混交林0 ~ 20 cm土壤有機(jī)碳礦化速率最高；楓香純林0 ~ 20 cm、濕地松純林0 ~ 20 cm土壤有機(jī)碳礦化速率次之；楓香純林20 ~ 40cm、濕地松純林20 ~ 40 cm、楓香+濕地松混交林20 ~ 40 cm土壤有機(jī)碳礦化速率一般。從這個(gè)分類可以看出，對(duì)于不同土層而言，3種防護(hù)林類型0 ~ 20 cm土層有機(jī)碳礦化率大于20 ~ 40 cm土層。這是由于表層土壤受土壤微生物、土壤溫度、土壤濕度等因子的影響相對(duì)較大，導(dǎo)致其礦化速率較高。說(shuō)明在受到氣候影響和人類活動(dòng)的干擾下，表層土壤敏感性最強(qiáng)。因此在基巖質(zhì)海岸區(qū)建設(shè)針闊混交的防護(hù)林，可以提高土壤表層有機(jī)質(zhì)的輸入，加強(qiáng)腐殖質(zhì)的積累，提高有機(jī)質(zhì)的含量，這對(duì)增加土壤肥力，減少土壤向大氣釋放CO2是有利的。

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Study on Soil Organic Carbon Mineralization under Different Rocky Coastal Protective Forests

GAO Zhi-hui1，ZHANG Xiao-mian2,3，YUE Chun-lei3，ZHANG Yong4，CHEN Xian-tian5，LIN Yin2，WANG Yong3，GUO Xiao-ping2，WANG Jun3，ZHANG Jin-chi2*
（1. Zhejiang Forestry Extension Station, Hangzhou 310020, China; 2. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 4. Zhejiang Forestry Ecological Engineering Administration, Hangzhou 310020, China; 5. Sanmen Forestry Specialty Bureau of Zhejiang, Sanmen 317100, China）

Investigations were implemented on soil organic carbon(SOC) mineralization under 3 types of coastal protective forest in Zhejiang province. The result demonstrated that SOC mineralization process of tested forest types was similar and could be divided into three stages: rapid decomposition phase, slow decomposition phase and relatively stable stage, fitting a logarithmic function. Cluster analysis on mineralization rate of tested forests indicated that SOC mineralization rate was ordered by mixed forest of Pinus elliottii and Liquidambar formosana (0-20cm), pure L. formosana (0-20cm) and pure P. elliottii plantation(0-20cm), pure L. formosana and P. elliottii plantation(20-40cm), mixed forest of P. elliottii and L.formosana (20-40cm), and the last, the control, non-stocked land(0-20cm) and (20-40cm). The investigation resulted that SOC mineralization rate decreased with soil depth.

coastal protective forest; rocky coast; SOC mineralization; SOC mineralization rate

S714.6

A

1001-3776（2013）05-0006-04

2013-05-11；

2013-07-25

防海岸帶侵蝕沿?；鶐r質(zhì)海岸防護(hù)林體系研究與示范（2009BADB2B0603）；浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“森林生態(tài)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”資助項(xiàng)目（2011R50027）；城市濕地植被修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（2013F50G5010018）；浙江省林業(yè)廳推廣項(xiàng)目“基于地理信息系統(tǒng)的海島困難立地造林技術(shù)綜合集成與推廣”（2013TG28）

高智慧（1960-），男，浙江紹興人，研究員，從事森林生態(tài)研究；*通訊作者。