不同生長時(shí)期絲栗栲林下土壤有機(jī)碳含量及礦化特征

鞏晟萱, 王 丹, 戴 偉, 安曉娟, 劉浩宇

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.北京松山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處，北京 102115； 3.內(nèi)蒙古烏海市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化指導(dǎo)服務(wù)中心, 內(nèi)蒙古 烏海 016012)

不同生長時(shí)期絲栗栲林下土壤有機(jī)碳含量及礦化特征

鞏晟萱1, 王 丹2, 戴 偉1, 安曉娟3, 劉浩宇1

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.北京松山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處，北京 102115； 3.內(nèi)蒙古烏海市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化指導(dǎo)服務(wù)中心, 內(nèi)蒙古 烏海 016012)

[目的] 分析土壤活性碳含量變化以及土壤有機(jī)碳的礦化特征,為今后深入了解掌握絲栗栲林下土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化過程及其固碳潛力提供理論依據(jù)。[方法] 基于野外取樣調(diào)查以及室內(nèi)分析得出的有機(jī)碳數(shù)據(jù),利用雙指數(shù)模型法,在Origin 8.6軟件支持下擬合出活性碳含量以及有機(jī)碳礦化過程及強(qiáng)度的時(shí)空變化特征。[結(jié)果] 土壤有機(jī)碳含量和活性碳含量均呈現(xiàn)明顯的表層富集現(xiàn)象以及4月較低，8月最高，之后逐月降低的時(shí)間變化特點(diǎn)。土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度雖然表現(xiàn)出與土壤有機(jī)碳和活性碳含量相同的垂直剖面特征和時(shí)間變化趨勢(shì),但其時(shí)間變化特征與土壤活性碳含量變化更為一致,只有0—20 cm表層土壤表現(xiàn)出顯著性變化。[結(jié)論] 土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度與微生物、溫度和活性碳含量均達(dá)到極顯著相關(guān)水平,但其時(shí)間變化特征與土壤活性碳含量變化更為一致,二者的關(guān)系更密切。

絲栗栲林; 土壤有機(jī)碳; 土壤有機(jī)活性碳; 礦化過程; 雙指數(shù)模型

隨著全球氣溫的持續(xù)上升，碳源和碳匯逐漸成為人們?nèi)諠u關(guān)注的重點(diǎn)，森林土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫，在調(diào)節(jié)碳平衡、減緩大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度上升方面具有不可替代的作用[1]。

礦化過程是分析土壤有機(jī)碳變化的有效方法之一，國內(nèi)外很多學(xué)者以此為基礎(chǔ)展開了一系列的相關(guān)研究[2-15]。如Jones[10]通過研究分析了土壤活性有機(jī)碳含量及變化特征;Giardina等[11],Fang等[12]研究了溫度變化對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響。Hopkins等[13]研究了土壤有機(jī)碳含量對(duì)礦化強(qiáng)度的作用。

為了進(jìn)一步研究土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)過程，Lixia YANG等[14]利用雙指數(shù)方程有效的擬合預(yù)測(cè)了中國不同森林帶土壤有機(jī)碳礦化的變化規(guī)律。龐歡等[15]也利用雙指數(shù)方程比較了中國亞熱帶地區(qū)不同馬尾松林分類型下土壤有機(jī)碳的礦化特點(diǎn)，并從根系、地表凋落物和土壤微生物等角度分析了礦化過程的差異。

絲栗栲(Castanopsisfargesii)林是中國亞熱帶地區(qū)天然林的主要建群種之一，也是影響該地區(qū)森林土壤碳循環(huán)的重要因素。但迄今為止，針對(duì)該林型土壤有機(jī)碳含量及其礦化過程的研究還十分缺乏。

為此，本文以中國江西大崗山天然絲栗栲林土壤為研究對(duì)象，在比較不同生長時(shí)期林下土壤有機(jī)碳含量變化的基礎(chǔ)上，利用雙指數(shù)方程擬合，探討土壤活性碳含量變化以及土壤有機(jī)碳的礦化特征，以期為今后深入了解掌握絲栗栲林下土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化過程及其固碳潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于江西省大崗山國家級(jí)森林生態(tài)站，地理位置114°30′—114°45′E ,27°30′—27°50′N，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候特征高溫多雨，年平均降水量1 076～1 472 mm，成土母質(zhì)主要為殘積形母質(zhì)和坡積形母質(zhì)，土壤類型為高嶺弱發(fā)育濕潤老成土，土壤濕度大，土質(zhì)疏松，凋落物來源豐富，腐殖質(zhì)層深度較厚。樣地概況見表1。其他樹種和林下植被主要包括：赤楠(Syzygiumbuxifolium)、香樟(Cinnamomumcamphora)、絨楠(Machilusvelutina)、鼠刺(Iteachinensis)、莢蒾(Viburnumdilatatum)、大青葉(Elatostemamacintyrei)狗脊(Woodwuardiajaponica)、苔草(Carextristachya)、腎蕨(Nephrolepisauriculata)、淡竹葉(Lophatherumgracile)等。

表1 研究樣地概況

1.2 樣地布設(shè)與土壤樣品采集

研究區(qū)內(nèi)共設(shè)3塊樣地，每塊樣地內(nèi)另設(shè)3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，分別于2012年4，6，8，10和12月利用“S”形采樣法，分層定點(diǎn)采集0—10，10—20，20—40，40—60和60—100 cm的土壤混合樣品，根據(jù)《森林土壤分析方法》風(fēng)干處理后，備用。

1.3 測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳含量：重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤微生物含量：磷脂脂肪酸(PLFA)生物標(biāo)記法[16]；土壤有機(jī)碳礦化過程中CO2累積釋放量：室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法[24]，具體操作步驟為稱取過2mm的風(fēng)干土100 g放于培養(yǎng)瓶底部，調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的60%，在2℃條件下避光預(yù)培養(yǎng)一周后，將盛有25 mL, 0.4 mol/L的NaOH的吸收瓶置于培養(yǎng)瓶內(nèi)用于吸收土壤呼吸產(chǎn)生的CO2，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照，在28 ℃條件下避光培養(yǎng),分別在培養(yǎng)后的第1,4,6,8,12,14,24,34,44,54,65,75,86和96 d用0.4 mol/L的HCl滴定，測(cè)定CO2釋放量；溫度的測(cè)定：分別在土層25，35，50，80 cm處布設(shè)自動(dòng)測(cè)溫儀(U22-001)，測(cè)定土壤溫度的時(shí)間變化。土壤活性碳含量：Boylehe Paul雙指數(shù)方程[17]擬合獲得。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)利用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，并用F檢驗(yàn)(p<0.05)分析數(shù)據(jù)的差異性；土壤有機(jī)碳礦化過程的擬合采用Origin8.6軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量特征

各時(shí)期土壤有機(jī)碳含量都表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而降低的變化特征，0—10 cm含量變化范圍為15.32～24.81 g/kg，與下層土壤達(dá)到顯著差異(p<0.05)，呈現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象，但其下各層變化不明顯，表現(xiàn)出逐層過渡的層間變化(表2)。

不同時(shí)期同層土壤比較發(fā)現(xiàn)(表2)，各層土壤有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)相同，都表現(xiàn)出4月最低，8月最高，10和12月又降低，全年呈現(xiàn)出先升高后降低的總體變化趨勢(shì)，但不同時(shí)期同層土壤有機(jī)碳含量間的差異性并沒有達(dá)到顯著水平。

表2 2012年不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量特征 g/kg

注：a,b,c表示同一土層不同月份有機(jī)碳含量差異水平(p<0.05); A,B,C表示同一月份不同土層有機(jī)碳含量差異水平(p<0.05)。

2.2 土壤有機(jī)碳礦化特征

利用雙指數(shù)方程對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過程中CO2的累計(jì)釋放量擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值和擬合值間的相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.94～0.98(表3)，表現(xiàn)出很好的擬合效果(圖1)。

圖1 土壤剖面各層有機(jī)碳礦化過程雙指數(shù)方程擬合曲線

土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度表現(xiàn)出與有機(jī)碳含量相同的剖面垂直變化趨勢(shì)，即，0—10 cm土層中礦化累積量最高，變化范圍為0.59～3.11g/kg，8月份土壤的礦化強(qiáng)度表現(xiàn)尤為明顯，與各層土壤都達(dá)到顯著性差異水平。

不同時(shí)期同層土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度比較發(fā)現(xiàn)(圖1，表3)，4月份各層土壤礦化強(qiáng)度處于全年最低水平，CO2累積釋放量僅為0.59～0.15 g/kg，6月份0—100 cm范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度顯著增加。8月份各層土壤礦化強(qiáng)度雖然表現(xiàn)出繼續(xù)增加的趨勢(shì)，達(dá)到全年最高，但與6月同層土壤相比，只有0—20 cm土壤礦化強(qiáng)度達(dá)到顯著水平，而20—100 cm土壤增幅不大。10月份各層土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度與8月同層相比出現(xiàn)不同幅度降低，其中，0—20 cm達(dá)到顯著水平，但20 cm以下土壤降幅不大，差異不顯著。進(jìn)入12月后，土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度繼續(xù)降低，同樣表現(xiàn)出0—20 cm降幅顯著，而其下各層土壤差異不顯著的變化特點(diǎn)。

表3 土壤有機(jī)碳礦化特征

注：C表示礦化96 d時(shí)CO2—C累計(jì)釋放量；Co表示土壤活性碳含量；R2：擬合曲線相關(guān)系數(shù)；a,b,c表示同一土層不同月份C,Co差異水平(p<0.05)；A,B,C表示同一月份不同土層C,Co差異水平(p<0.05)。

2.3 不同時(shí)期土壤活性有機(jī)碳含量變化特征

擬合獲得的土壤活性碳含量比較發(fā)現(xiàn)，土壤活性碳含量表現(xiàn)出與有機(jī)碳含量相同的剖面垂直變化趨勢(shì)，即，0—10 cm土層中活性碳含量最高，變化范圍為2.47～14.22 g/kg，與下層土壤達(dá)到顯著性差異水平，而20 cm以下逐層降低，變化不明顯。不同時(shí)期同層土壤活性碳含量也呈現(xiàn)出4月份含量低，6月份增加，8月份達(dá)到全年最高值，之后逐月降低的時(shí)間變化特點(diǎn)(表2—3)。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，土壤礦化強(qiáng)度(C)和土壤活性碳含量(C0)在剖面垂直變化和時(shí)間變化上也都表現(xiàn)出極為相似的含量變化趨勢(shì)和差異特征(表3)。

3 結(jié) 果

3.1 土壤有機(jī)碳和活性碳含量的變化特征

凋落物分解、腐殖化過程以及微生物活動(dòng)大多發(fā)生在土壤表層區(qū)域，其活動(dòng)強(qiáng)度以及碳源輸入數(shù)量隨著土層深度的增加而減弱，因此導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量和活性碳含量均明顯呈現(xiàn)出表層富集現(xiàn)象。

絲栗栲屬亞熱帶常綠闊葉林，凋落物量較少，加之研究地區(qū)年均溫較高(圖2)，微生物對(duì)凋落物的分解強(qiáng)烈，不利于土壤有機(jī)碳的積累，雖然不同時(shí)期各層土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出一定規(guī)律性的增、減變化，但差異并不明顯。與土壤有機(jī)碳相比，活性碳具有穩(wěn)定性差、易氧化和易礦化等特征，陸昕等人也指出，土壤活性碳對(duì)溫度具有高度敏感性，具有明顯的季節(jié)差異[18]。因此表現(xiàn)出對(duì)溫度和微生物活動(dòng)變化更為強(qiáng)烈的敏感性。在4—8和8—12月兩個(gè)時(shí)期，隨著溫度的上升和降低，微生物活動(dòng)的增強(qiáng)和減弱(圖2—3)，各層土壤活性碳含量都出現(xiàn)不同幅度的變化，但由于凋落物數(shù)量、微生物的主要活動(dòng)區(qū)域以及碳源向下層輸入數(shù)量等方面的限制，形成0—20 cm表層土壤中活性碳數(shù)量出現(xiàn)明顯的時(shí)間差異，而20—100 cm土壤差異并不明顯的總體變化特點(diǎn)。

注：a,b,c代表同一土層不同月份間溫度的差異水平(p<0.05)

圖2 不同時(shí)期各層土壤溫度變化(℃)

注：a,b,c代表同一土層不同月份間土壤微生物量的差異水平(p<0.05)

圖3 不同時(shí)期各層土壤微生物量變化(ng/g)

3.2 土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度的變化特征

不同時(shí)期各層土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度都表現(xiàn)出隨著土壤深度增加而降低的垂直剖面特征以及先升高后降低的時(shí)間變化趨勢(shì)(圖1，表3)。由于土壤有機(jī)碳是微生物礦化的底物，而活性有機(jī)碳也是影響礦化強(qiáng)度的重要因素，因此，三者在時(shí)空變化上都表現(xiàn)出一定的相似性，但顯著性變化分析結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度和土壤活性碳含量的時(shí)空變化更為一致(表2—3)。土壤凋落物量經(jīng)過2011年秋季和2012年冬季的累積，在2012年4月達(dá)到全年的相對(duì)高值，4月-8月間由于季節(jié)性變化使各層土壤溫度升高(圖2)，導(dǎo)致土壤微生物及酶的活性增強(qiáng)，新陳代謝速率加快，促進(jìn)了凋落物分解，土壤活性碳源得以不斷補(bǔ)充，各層土壤礦化強(qiáng)度不斷增加，其中0—20 cm土壤由于所受影響更為強(qiáng)烈，土壤活性碳數(shù)量和礦化強(qiáng)度增加尤為明顯，但進(jìn)入10月后，一方面隨著溫度下降，微生物活動(dòng)明顯減弱，同時(shí)經(jīng)過4—8月的強(qiáng)烈分解，土壤活性碳含量減少，土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度相應(yīng)地也出現(xiàn)降低，這種變化同樣在0—20 cm土壤中表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。相關(guān)分析也表明，土壤礦化強(qiáng)度同土壤中活性碳含量、微生物量以及溫度都具有很好的相關(guān)性(表4)，其中，與活性碳含量和微生物量的相關(guān)系數(shù)分別為0.802，0.861，表明在影響土壤礦化強(qiáng)度的眾多因子中，微生物和活性碳含量的作用更重要。

表4 土壤有機(jī)碳礦化和有機(jī)碳、活性碳、溫度、微生物的相關(guān)性

注：**表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 不同生長時(shí)期的土壤剖面有機(jī)碳和活性碳含量均表現(xiàn)出隨土層加深而降低的趨勢(shì)，0—10 cm有機(jī)碳含量與下層均達(dá)到顯著性差異(p<0.05)，表現(xiàn)出明顯的表層富集現(xiàn)象。

(2) 各層土壤有機(jī)碳和活性碳含量均表現(xiàn)為4月較低，之后開始增加，8月最高，隨著生長時(shí)期變化又逐月降低的特點(diǎn)。

(3) 不同生長時(shí)期各土層有機(jī)碳具有相似的礦化特征。即礦化初期CO2-C累積量增幅較大，而到了中、后期礦化曲線逐漸趨于平緩，CO2-C累積量增幅減?。淮怪蓖寥榔拭?—10 cm土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度明顯高于下層，且都達(dá)到顯著性差異(p<0.05)。

(4) 土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度與微生物、溫度和活性碳含量均達(dá)到極顯著相關(guān)水平，但其時(shí)間變化特征與土壤活性碳含量變化更為一致，二者的關(guān)系更密切。

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Content and Mineralization Characteristics of Soil Organic Carbon UnderCastanopsisFargesiiForests in Different Growth Periods

GONG Shengxuan1, WANG Dan2, DAI Wei1, AN Xiaojuan3, LIU Haoyu1

(1.CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.BeijingSongshanNationalNatureReserve,Beijing102115,China;3.InnerMongoliaWuhaiAgricultureIndustrializationGuidanceAndServiceCenter,Wuhai,Hubei016012,China)

[Objective] To analyze mineralization features and content of soil organic carbon in order to provide theoretical basis for future research on decomposition process and carbon sequestration capacity of soil underCastanopsisfargesiiforests. [Methods] We obtained soil organic carbon data based on field investigation and laboratory analysis. The Origin 8.6 software was employed in the study. A double exponential model was used to investigate the spatial and temporal variation in activated carbon content and organic carbon mineralization intensity. [Results] Both of the soil organic carbon and activated carbon showed obvious surface enrichment, and this surface enrichment increased from the relative low in April to the highest in August, and then decreased gradually. The characteristics of vertical section and temporal variation in soil organic carbon mineralization intensity were similar to that in soil organic carbon and active carbon, and significant changes only occurred on topsoil at 0—20 cm. [Conclusion] Soil organic carbon mineralization intensity is significantly influenced by microbe, temperature and carbon content, and this influence is more significant in soil carbon content.

Castanopsisfargesiiforests; soil organic carbon; active carbon; mineralization process; double exponential equation

2014-12-09

2014-12-18

科技部林業(yè)公益性行為科研專項(xiàng)項(xiàng)目“江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)與經(jīng)營技術(shù)研究”(200804022E); “十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD03A0702); 國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(30590381)； 江西大崗山國家級(jí)森林生態(tài)站項(xiàng)目

鞏晟萱(1990—),女(漢族),山西省榆次市人,碩士,研究方向?yàn)橘Y源再利用。E-mail:13020014386@163.com。

戴偉(1964—),男(漢族),北京市,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事森林土壤研究。E-mail:daiw163@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0059-05

S714.2