小隴山不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮積累特征

侯 浩,張宋智,關(guān)晉宏,杜 盛

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 3 甘肅省櫟類次生林生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,小隴山林業(yè)科學(xué)研究所, 天水 741022

小隴山不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮積累特征

侯 浩1,2,張宋智3,關(guān)晉宏1,2,杜 盛2,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 3 甘肅省櫟類次生林生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,小隴山林業(yè)科學(xué)研究所, 天水 741022

以甘肅小隴山林區(qū)3個(gè)林齡階段(中齡林、近熟林和成熟林)的銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)天然次生林為對象,研究了土壤中有機(jī)碳和全氮的垂直分布及其積累特征。結(jié)果表明：林地土壤有機(jī)碳和全氮含量在各齡級土壤剖面中的垂直變化規(guī)律一致,表層土壤中含量最高,隨著土層深度逐漸降低。1 m土層范圍有機(jī)碳和全氮密度隨著林齡的增加而增加,中齡林、近熟林和成熟林的碳密度分別為122.92、242.21t/hm2和280.53 t/hm2,齡組之間差異顯著(P<0.05)；3個(gè)林齡階段的土壤全氮密度分別為10.37、18.94t/hm2和24.76 t/hm2,差異顯著(P<0.05)。有機(jī)碳和全氮密度在0—20 cm土層中占有很高比重,達(dá)37%—56%。土壤有機(jī)碳與全氮含量呈極顯著的線性正相關(guān)(P<0.0001)。土壤有機(jī)碳和全氮積累速率隨林齡階段存在差異,在生長旺盛期(中齡林-近熟林)的土壤有機(jī)碳(10.84 t hm-2a-1)和全氮(0.78 t hm-2a-1)的積累速率要大于成熟期(近熟林-成熟林)的土壤有機(jī)碳(1.92 t hm-2a-1)和全氮(0.29 t hm-2a-1)積累速率。

小隴山；銳齒櫟天然次生林；土壤有機(jī)碳；土壤全氮

碳和氮是重要的生命物質(zhì),也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要元素。它們在地球各個(gè)圈層之間不斷的循環(huán)流動,構(gòu)成了碳和氮的生物地球化學(xué)循環(huán)。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫,全球大約1500 Pg的碳是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲存于土壤中,是全球大氣碳庫(750 Pg)的2倍多,是陸地植被碳庫(500—600 Pg)的2—3倍[1]。森林土壤中儲存的有機(jī)碳約占全球土壤有機(jī)碳庫的73%[2],而森林土壤中儲存的氮素超過森林生態(tài)系統(tǒng)總氮儲量的85%[3]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對森林土壤碳氮累積給予了高度關(guān)注,例如Adrien等人[4]在1998年對美國康涅狄格州6個(gè)不同樹種土壤碳氮貯存進(jìn)行了比較系統(tǒng)地的研究,2008年Vesterdal等人[5]研究了歐洲6種典型樹種土壤碳氮庫的特征。國內(nèi)方面,在不同地域針對不同森林類型也開展了一系列研究,并取得了一定成果[6- 10]。前人的研究主要是針對不同森林類型土壤碳氮儲存現(xiàn)狀的估算,而對森林在不同林齡階段的土壤碳氮儲存能力和碳庫、氮庫動態(tài)變化的研究還較少。研究森林土壤碳、氮的動態(tài)變化,可為森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對分析和評價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)的綜合服務(wù)功能有著重要意義。

銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)是我國暖溫帶的重要落葉闊葉林建群種,主要分布在遼寧、陜西、甘肅、河南、山東等省。小隴山自然保護(hù)區(qū)位于秦嶺西段北坡的山地,是中國天然銳齒櫟群落分布的最西北端。銳齒櫟群落分布在該區(qū)1400—1800 m的海拔范圍內(nèi),為典型的地帶性植被,對該地水土保持、水源涵養(yǎng)和維持區(qū)域生態(tài)平衡發(fā)揮著極其重要的作用。近年來國內(nèi)學(xué)者對銳齒櫟生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能做了大量的研究,特別是在銳齒櫟林的地上和地下生物量、蓄積量等方面[11- 16],而對銳齒櫟林土壤有機(jī)碳、氮庫及其積累特征的相關(guān)報(bào)道還很少。本文通過對小隴山林區(qū)3個(gè)林齡階段(中齡林、近熟林和成熟林)銳齒櫟林的抽樣調(diào)查,采集測定土壤剖面的主要理化參數(shù),研究了土壤有機(jī)碳與全氮含量的垂直分布和積累特征,旨在探明當(dāng)?shù)劁J齒櫟林生態(tài)服務(wù)功能特征并為科學(xué)管理提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

小隴山林區(qū)位于甘肅省東南部,地理坐標(biāo)為104°22′—106°43′E, 33°30′—34°49′N,地處秦嶺西段。該區(qū)氣候?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候,屬暖溫帶濕潤區(qū)。年平均氣溫7—12 ℃,極端最高氣溫39.2 ℃,極端最低氣溫-23.2 ℃,≥10 ℃的積溫2444—3825 ℃。年平均降雨量460—800 mm；降雨變率較大,雨季集中,冬季降水僅占全年的1%—3%；春季增溫較速,易發(fā)生春旱,7、8、9三個(gè)月降水豐富,約占全年的70%以上。年蒸發(fā)量989—1658 mm,相對濕度68%—78%,林區(qū)相對濕度達(dá)78%。干燥度0.89—1.29[17- 19]。林區(qū)內(nèi)的地帶性土壤,秦嶺以北為灰褐土,以南為黃褐土；垂直分布較明顯,北坡由低到高有碳酸鹽灰褐土、山地褐色土、山地淋溶褐色土、山地棕壤、山地草甸棕壤、山地草甸土、亞高山草甸草原土；南坡由低到高有黃褐土、黃棕壤、山地棕壤、暗棕壤等。林地有機(jī)質(zhì)含量較高,pH值6.5—7.5,土壤質(zhì)地多屬壤土、輕壤土和輕土[11]。

銳齒櫟林是小隴山林區(qū)海拔2200 m以下主要分布的天然次生林之一,在該林帶內(nèi),除銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)外,還分布有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、華山松(Pinusarmandii)、油松(Pinustabulaeformis)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、千金榆(Carpinuscordata)等喬木樹種；主要灌木有懸鉤子(Rubussp.)、薔薇(Rosasp.)、榛子(Corylusheterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、毛櫻桃(Cerasustomentosa)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、中華繡線菊(Spiraeachinensis)等；草本植物包括苔草(Carextristachya)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、白草(Pennisetumflaccidum)、冰草(Agropyroncristatum)、燈心草(Juncuseffusus)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、野棉花(Anemonehupehensis)、唐松草(Thalictrumsp.)等[20- 22]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調(diào)查及采樣

在2011年8月和2012年8月,在小隴山林區(qū)銳齒櫟林典型分布區(qū)的黨川林場、百花林場和李子園林場選取生長健康具有一定代表性的銳齒櫟天然次生林群落,設(shè)置中齡林(40—60 a)、近熟林(60—80 a)、成熟林(80—120 a)標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個(gè),林齡確定采用對優(yōu)勢木進(jìn)行抽樣調(diào)查鉆取生長錐的方法,樣地面積為20 m×30 m,土壤類型一致(均為山地褐土)。各標(biāo)準(zhǔn)樣地基本信息見表1。

表1 銳齒櫟天然次生林標(biāo)準(zhǔn)樣地概況

DBH≥2 cm作為起測胸徑,林分密度為樣地內(nèi)所有喬木樹種個(gè)數(shù)除以樣地投影面積

在調(diào)查樣地內(nèi)沿一個(gè)對角線確定3個(gè)土壤取樣點(diǎn),使用內(nèi)徑6 cm的土鉆,按0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm和50—100 cm5個(gè)層次鉆取土壤樣品,等層等量混合為一個(gè)樣品。樣品盡早帶回室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干處理,磨碎后過0.25 mm的篩后測定有機(jī)碳和全氮含量。在調(diào)查樣地內(nèi)選擇一個(gè)未受人為干擾、植被結(jié)構(gòu)和土壤均具代表性的地段,挖掘一個(gè)100 cm深的土壤剖面。按照上述相同的五個(gè)層次,用100 cm3環(huán)刀取原狀土,每層取2個(gè)重復(fù)。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ℃下烘干24 h至恒重,用于計(jì)算各土層土壤容重。

土壤有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法,土壤全氮的測定采用FOSS- 8400全自動凱氏定氮儀。

1.2.2 土壤有機(jī)碳、全氮密度的計(jì)算

土壤剖面各層次有機(jī)碳密度(SOCD, t/hm2)和全氮密度(STND, t/hm2)計(jì)算公式如下：

SOCD=∑Ci×Di×Ti×(1-Gi)×0.1

(1)

STND=∑Ni×Di×Ti×(1-Gi)×0.1

(2)

式中,Ci、Ni分別為第i層土壤的平均有機(jī)碳含量和全氮含量(g/kg)；Di為第i層土壤平均容重(g/cm3)；Ti為第i層土壤厚度(cm)；Gi為直徑大于2mm的石礫所占的體積百分?jǐn)?shù)(%),由于本研究中各層土壤剖面(0—100cm)無直徑大于2mm的石礫,所以公式中Gi為0；i為土層(i=1,2,3,4,5)。

1.2.3 土壤有機(jī)碳、全氮積累速率的計(jì)算

土壤有機(jī)碳和全氮積累速率是利用時(shí)空互代法將實(shí)驗(yàn)樣地分為兩個(gè)階段：t1(中齡林-近熟林)、t2(近熟林-成熟林)。由樣地信息得到t1(52—63a)階段為11a,t2(63—83a)階段為20a,同一齡組的林齡使用其3個(gè)樣地林齡的平均值。然后計(jì)算各階段土壤有機(jī)碳、全氮的差值,除以相應(yīng)階段的時(shí)間,即為該階段土壤有機(jī)碳和全氮的積累速率。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel2010處理后,用SPSS17.0軟件完成統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(One-wayANOVA)和Duncan檢驗(yàn)比較不同數(shù)據(jù)組之間的差異,顯著性水平設(shè)定為0.05。使用軟件SigmaPlot12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 銳齒櫟林土壤容重變化特征

圖1 不同林齡銳齒櫟林各土層土壤容重 Fig.1 Soil bulk density of different layers in three age stages of Quercus aliena forests(Mean±SD)相同字母表示相同土層不同林齡之間未達(dá)到顯著水平(P<0.05)

圖1為各林齡階段銳齒櫟林各土層的土壤容重,從中可以看出,銳齒櫟林的土壤容重范圍在0.83—1.59g/cm3,且各林齡的土壤容重均呈現(xiàn)隨著土層的加深而逐漸增大的趨勢。方差分析表明,0—10cm土層的土壤容重與其他各層之間均存在顯著性差異(P<0.05),而其他各土層之間沒有顯著性差異(P>0.05)。各層土壤容重均表現(xiàn)為中齡林>近熟林>成熟林(0—10cm土層略有不同),即隨著林齡的增加土壤質(zhì)地趨于松軟,但該變化趨勢未達(dá)到顯著水平。

2.2 不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮含量

從圖2中可以看出,3個(gè)林齡階段銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著土層深度的變化基本一致,0—10cm土層的有機(jī)碳和全氮含量顯著高于其他各層,隨深度增加土壤有機(jī)碳和全氮含量降低。其中,位于相同土層不同林齡階段的土壤有機(jī)碳和全氮含量除了0—10cm土層、土壤全氮在10—20cm和20—30cm土層上,中齡林與近熟林之間差異不顯著(P>0.05),外,其余各層的中齡林與近熟林、成熟林之間均差異顯著(P<0.05),近熟林與成熟林之間僅土壤全氮在10—20cm土層上差異顯著(P<0.05)。位于同一林齡不同土層的土壤有機(jī)碳和全氮含量在相鄰?fù)翆?—10cm和10—20cm兩個(gè)土層之間差異顯著(P<0.05),而在之后的20—30cm、30—50cm和50—100cm3個(gè)土層之間均無顯著性差異(P>0.05)。

圖2 不同林齡級銳齒櫟林各土層土壤有機(jī)碳和全氮含量Fig.2 SOC and STN contents in different soil layers in three age stages of Quercus aliena forests(Mean±SD)不同大寫字母表示同一林齡不同土層之間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一土層不同林齡之間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳、全氮含量和土壤容重的關(guān)系

圖3 土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen

對測得的3個(gè)林齡階段銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮含量進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果如圖3,從中可以看出二者之間呈現(xiàn)極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。分別對土壤有機(jī)碳含量、全氮含量與土壤容重進(jìn)行線性擬合(圖4),結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳含量、全氮含量與土壤容重之間均存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,R2分別為0.6659、0.6522。這說明隨著林齡的增加,森林土壤內(nèi)的有機(jī)碳不斷累積,土壤理化性質(zhì)同時(shí)產(chǎn)生變化,主要表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加和容重的減小。

圖4 土壤有機(jī)碳和全氮含量與土壤容重的關(guān)系Fig.4 Relationships between soil bulk density and organic carbon or total nitrogen

2.4 不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳密度和全氮密度

由圖5可以看出,隨著林齡的增大,銳齒櫟林的土壤有機(jī)碳和全氮密度逐漸增多。3個(gè)林齡階段的銳齒櫟林土壤有機(jī)碳密度(0—100cm)之間差異顯著(P<0.05),分別為122.92、242.21t/hm2和280.53t/hm2,而在土壤表層(0—20cm)的有機(jī)碳密度各齡組之間差異不顯著(P>0.05),其表層(0—20cm)土壤有機(jī)碳密度分別為68.61、91.56、111.15t/hm2。3個(gè)林齡階段的土壤全氮密度(0—100cm)之間差異顯著(P<0.05),分別為10.37、18.94t/hm2和24.76t/hm2,而3個(gè)林齡階段的土壤表層(0—20cm)全氮密度分別為5.32、5.98t/hm2和9.21t/hm2,其中,成熟林林地的土壤表層(0—20cm)全氮密度與中齡林、近熟林林地之間均存在顯著性的差異(P<0.05),而中齡林與近熟林之間差異不顯著(P>0.05)。這表明在整個(gè)土層尺度(0—100cm)上,土壤有機(jī)碳和全氮是隨著林齡的增大而增多的,但是在土壤表層(0—20cm)尺度上,土壤有機(jī)碳和全氮是處于一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳密度和全氮密度Fig.5 SOCD and STND in different ages of Quercus aliena forests(mean±SD)不同大寫字母表示不同林齡在土層0—100 cm差異顯著,不同小寫字母表示不同林齡在土層0—20 cm差異顯著(P<0.05)

2.5 土壤有機(jī)碳和全氮的積累速率

利用時(shí)空互代法,將調(diào)查的樣地分為兩個(gè)生長階段,t1生長旺盛期(中齡林-近熟林)和t2成熟期(近熟林-成熟林)。由圖6可以看出,在兩個(gè)生長階段中銳齒櫟林各土層的土壤有機(jī)碳和全氮積累速率存在差異,除0—10cm土層的有機(jī)碳和全氮的積累速率為t2>t1之外,其余土層的有機(jī)碳和全氮的積累速率均為t1>t2。在t1生長階段中,土壤有機(jī)碳和全氮積累速率隨著土層的加深而逐漸增加,土壤的有機(jī)碳和全氮積累速率分別達(dá)到10.84thm-2a-1和0.68thm-2a-1。而在t2生長階段,按照土層的垂直梯度,土壤有機(jī)碳和全氮積累速率呈現(xiàn)一個(gè)先降后升的趨勢,其中20—30cm土層是轉(zhuǎn)折點(diǎn)。t2階段的土壤碳氮積累速率分別為1.92thm-2a-1和0.35thm-2a-1,是t1階段的0.18倍和0.51倍。

圖6 銳齒櫟林土壤有機(jī)碳與全氮的積累速率Fig.6 Accumulation rates of SOC and STN in the Quercus aliena forests(t hm-2 a-1)52a、63a和83a分別為中齡林、近熟林和成熟林調(diào)查樣地的平均年齡

3 討論

3.1 林齡對銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

研究結(jié)果顯示,中齡林、近熟林和成熟林的土壤有機(jī)碳含量依次為14.21、26.64g/kg和31.74g/kg,土壤全氮含量依次為1.14、1.89、2.69g/kg。3個(gè)不同林齡的天然銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮含量均隨著林齡的增大而增加,并且在土壤的垂直梯度中具有明顯的層次性,表層(0—10cm)含量最高,這說明銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮含量也具有“表聚作用”。隨著土層深度的增加,有機(jī)碳和全氮含量逐漸降低。這與梁啟鵬等[23]對北京妙峰山林場不同林分土壤有機(jī)碳密度的研究結(jié)論相同,同時(shí)也與王棣等[24]對秦嶺典型森林類型(銳齒櫟、油松、華山松、云杉等)土壤有機(jī)碳儲量垂直分布特征的研究結(jié)果一致。崔靜[25]對陜西省不同地區(qū)(陜北、關(guān)中、陜南)櫟林的研究中表明：陜西省不同地區(qū)的櫟林土壤有機(jī)碳含量均隨著土層的垂直梯度逐層遞減,相同地區(qū)0—100cm的同一土層不同林齡階段的櫟林土壤有機(jī)碳含量之間差異不顯著(P>0.05)。而本文中在同一土層不同林齡階段中,中齡林與近熟林之間差異顯著(P<0.05),可能是因?yàn)槠湔{(diào)查的陜西櫟林中不只是銳齒櫟,還包含有遼東櫟、栓皮櫟以及麻櫟,造成結(jié)果的不一致。其他結(jié)論如欒軍偉等[26]對暖溫帶銳齒櫟林土壤有機(jī)碳的研究以及劉恩等[27]對南亞熱帶不同林齡紅錐人工林碳儲量的研究也都證明土壤有機(jī)碳含量隨著林齡的增大而增加。土壤的有機(jī)碳含量,主要由土壤有機(jī)質(zhì)的輸入、輸出以及的相關(guān)土壤性質(zhì)和過程來決定的。對于相同的土地利用類型來說,造成土壤有機(jī)碳含量的不同主要是在于不同生長階段,林分密度、郁閉度、林下枯落物以及地下部分根系活動共同作用的結(jié)果。

3.2 林齡對銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮密度的影響

本研究中,中齡林、近熟林和成熟林銳齒櫟林的土壤有機(jī)碳密度依次為122.92、242.21t/hm2和280.53t/hm2(圖5),各林齡階段之間差異顯著(P<0.05)。除了中齡林之外,近熟林和成熟林的土壤碳密度均大于我國落葉闊葉林土壤碳密度平均值208.90t/hm2[28]。在土壤表層(0—20cm)的有機(jī)碳密度各齡組之間差異不顯著(P>0.05),其表層土壤有機(jī)碳密度分別為68.61、91.56t/hm2和111.15t/hm2,各自在其林齡階段中占到了55.8%、37.8%和39.6%。可見,表層土對土壤有機(jī)碳密度做的貢獻(xiàn)最大,尤其是中齡林的表層土占到了整個(gè)土層(100cm)有機(jī)碳密度的一半以上。這是由于處在生長旺盛期的銳齒櫟林,根系中細(xì)根生物量占有很大的比例[29],且都集中在表層土壤中[29- 30]。細(xì)根分解后轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì),因此導(dǎo)致土壤有機(jī)碳主要集中在土壤表層。3種林齡的銳齒櫟林土壤全氮密度依次為10.37、18.94t/hm2和24.76t/hm2,不同林齡之間差異顯著(P<0.05)。近熟林和成熟林的土壤全氮密度要高于我國暖溫帶落葉闊葉林土壤層全氮密度的平均值14.82t/hm2[31]。而3個(gè)林齡階段的土壤表層(0—20cm)全氮密度分別占100cm土層的51.4%、31.6%和37.2%。以上結(jié)果表明,銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮的積累,土壤表層的貢獻(xiàn)最大,但隨著森林群落的演替,逐漸向深層土壤轉(zhuǎn)移。

3.3 林齡對銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮積累速率的影響

本文利用空間序列代替時(shí)間序列的方法,估算了銳齒櫟林在不同生長階段土壤有機(jī)碳和全氮的積累速率。土壤有機(jī)碳和全氮的累積,是由物質(zhì)輸入與輸出的差值決定的。物質(zhì)輸入的主要途徑包括凋落物的分解、大氣中含碳、氮物質(zhì)的沉降,巖床釋放氮素[32- 33]及死根的腐爛分解[34]。其中凋落物輸入和細(xì)根分解是森林土壤有機(jī)碳和氮素積累的主要來源[35]。

圖6中的結(jié)果表明,在1m深的土層內(nèi),有機(jī)碳的積累速率大于全氮的積累速率。前后兩個(gè)階段也有差異,t1生長階段0—100cm的土壤有機(jī)碳和全氮的積累速率分別是t2階段的5.7倍和2.7倍,表明銳齒櫟林在到達(dá)成熟林的過程中,土壤有機(jī)碳、全氮的積累速率均減緩,而且有機(jī)碳減緩的幅度更大。在0—10cm土層內(nèi),土壤有機(jī)碳和全氮的積累速率為t2>t1,且t1的有機(jī)碳積累速率較小,只有0.09thm-2a-1。這是因?yàn)樯L旺盛期的林地土壤水熱條件較好,表層土的代謝活動比較活躍,雖然微生物分解凋落物和細(xì)根產(chǎn)生了有機(jī)質(zhì),但同時(shí)表層土存在很大的土壤呼吸速率,有機(jī)質(zhì)消耗量也較高[36]。表層土壤有機(jī)質(zhì)的收支特征導(dǎo)致t1時(shí)期0—10cm土層有機(jī)碳和全氮的積累速率較低。隨著林齡的增長,凋落物輸入的有機(jī)質(zhì)增加,表層土壤的富集能力也逐漸增強(qiáng)。本研究對0—40cm土層的細(xì)根生物量進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)其細(xì)根生物量隨著林齡增大逐漸降低。而且在森林演替過程中,土壤的pH也發(fā)生著變化,張俊華等人[37]的研究中提出,隨著銳齒櫟林發(fā)育階段的遞進(jìn),土壤pH值逐漸遞減。銳齒櫟林土壤有機(jī)質(zhì)的變化與土壤pH值的變化趨勢一致,即酸性土壤導(dǎo)致土壤肥力的下降,繼而影響森林的生產(chǎn)力,以及土壤中微生物的活性。Luan等人[38]對櫟林的土壤呼吸研究中發(fā)現(xiàn),林齡越大的樣地中,測得土壤中的異養(yǎng)呼吸和根呼吸越多。因此,以上這些原因?qū)е略趖2生長階段中土壤有機(jī)碳和全氮的積累速率減緩,除0—10cm土層,其他土層碳氮積累速率均低于t1時(shí)期。土壤有機(jī)碳和全氮積累速率在土層垂直梯度上的變化規(guī)律涉及到的影響因子較多,如植物根系的結(jié)構(gòu)、土壤微生物群落特征、土壤的pH變化及有機(jī)質(zhì)礦化速率等,要探明其變化機(jī)理還需后期更全面和深層次的研究。據(jù)最近一期全國森林資源清查資料,小隴山林區(qū)天然林中幼中齡林面積超過70%,由此可見,在今后相當(dāng)長一個(gè)時(shí)期內(nèi),土壤有機(jī)碳和全氮將持續(xù)積累,作為該區(qū)域主要的天然闊葉林類型,小隴山櫟林在森林植被碳固存和抵消溫室氣體方面將發(fā)揮重要作用。

致謝：張建國、何秋月、鄧?yán)诤完惽镂膸椭巴鈽悠凡杉褪覂?nèi)分析,特此致謝。

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Accumulation of soil organic carbon and total nitrogen inQuercusalienavar.acuteserrataforests at different age stages in the Xiaolongshan Mountains, Gansu Province

HOU Hao1,2, ZHANG Songzhi3, GUAN Jinhong1,2, DU Sheng2,*

1CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China3KeyLaboratoryofOakSecondaryForestEcosystemsinGansuProvince,XiaolongshanForestResearchInstitute,Tianshui741022,China

It has been reported that soil constitutes the largest carbon pool in terrestrial ecosystems. Soil organic carbon (SOC) in forest ecosystems is considered a major stock of carbon sequestered by vegetation biomass production. Soil total nitrogen (STN) is typically closely coupled with SOC and contributes to ecosystem productivity. Studies on soil carbon and nitrogen in the forests of Northwest China are relatively few. In order to provide a more accurate assessment of the carbon storage and accumulation characteristics in the forests of this region, we investigated the representative natural secondary forests ofQuercusalienavar.acuteserratain the Xiaolongshan Mountains of Gansu Province. These broadleaved forests are typically found at elevations of 1400—1800 m in this area, the western part of the Qinling Mountains. We selected forest stands ofQ.alienavar.acuteserrataat three age stages (mid-aged, pre-mature, and mature), and three representative plots (30 m × 20 m) were established for each age stage. Soil samples were taken at three points diagonally across the plot using a soil auger (6-cm internal diameter) at depths of 0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm, 30—50 cm and 50—100 cm. The cored samples from the same depth in each plot were mixed and all samples were then transferred to the laboratory for further analyses. They were air dried and ground to pass through a 0.25-mm sieve prior to the analyses of carbon and nitrogen. In each plot, we also dug a soil profile (1 m depth) and sampled undisturbed soil, with two replicates for each soil layer, using a cutting ring (100 cm3). These soil samples were weighed and their moisture was measured to calculate the bulk density of each layer. The SOC content was determined by the potassium dichromate-sulfuric acid oxidation method. STN content was determined using a FOSS- 8400 full-automatic Kjeldahl apparatus. Both SOC and STN densities over a forest area were calculated using their contents multiplied by the soil bulk density at each profile depth and soil profile thickness. The results showed the following. (1) Changes in SOC and STN contents along the soil profiles were consistent among the forests at different age stages. The surface soil layers had the highest SOC and STN contents, and they gradually decreased with increasing vertical gradient. (2) Both SOC and STN densities in the 1-m layer increased with increasing forest age. The SOC densities in mid-aged, pre-mature, and mature forests were 122.92, 242.21, and 280.53 t/hm2, respectively, with the difference being statistically significant (P< 0.05). The STN densities in the three age stages were 10.37, 18.94, and 24.76 t/hm2, respectively, and the differences were significant (P< 0.05). SOC and STN stored in the top 0—20 cm of soil accounted for large proportions of the whole 1 m soil, reaching 37%—56%. (3) SOC and STN contents showed significant positive linear correlation (P< 0.0001). In addition, both SOC and STN showed significant negative relationships with the soil bulk density. (4) The accumulation rates of SOC and STN varied with growth periods, and the accumulation rate of SOC (10.84 t hm-2a-1) and STN (0.78 t hm-2a-1) during the relatively young period (from mid-aged to pre-mature stages) were higher than the rate of SOC (1.92 t hm-2a-1) and STN (0.29 t hm-2a-1) during the mature period (from pre-mature to mature stages).

Xiaolongshan Mountain;Quercusalienavar.acuteserrata; soil organic carbon; soil total nitrogen

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05050202)

2015- 06- 04;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201506041127

*通訊作者Corresponding author.E-mail:shengdu@ms.iswc.ac.cn

侯浩,張宋智,關(guān)晉宏,杜盛.小隴山不同林齡銳齒櫟林土壤有機(jī)碳和全氮積累特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(24):8025- 8033.

Hou H, Zhang S Z, Guan J H, Du S.Accumulation of soil organic carbon and total nitrogen inQuercusalienavar.acuteserrataforests at different age stages in the Xiaolongshan Mountains, Gansu Province.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8025- 8033.