林型轉(zhuǎn)化對(duì)土壤pH、有機(jī)碳組分和交換性礦質(zhì)元素的影響

曾婷婷，張玲玲，李意德，溫達(dá)志*

1.中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520

?

林型轉(zhuǎn)化對(duì)土壤pH、有機(jī)碳組分和交換性礦質(zhì)元素的影響

曾婷婷1，2，張玲玲1，李意德3，溫達(dá)志1*

1.中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520

摘要：人類活動(dòng)干擾導(dǎo)致地帶性森林退化成次生林、人工林后，通常引起表層土壤有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素的損失，尤其是土壤輕組有機(jī)碳的淋失。本研究以相對(duì)原生闊葉林和與其毗鄰的次生林和杉木人工林為對(duì)象，測(cè)定土壤（0～10、10～20和20～30 cm）pH值、總有機(jī)碳（TOC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和重組有機(jī)碳（HFOC）以及交換性K+、Ca2+的含量，旨在闡明林地轉(zhuǎn)化后土壤有機(jī)碳及K+、Ca2+養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化。研究表明：原生闊葉林向次生林轉(zhuǎn)變后，0～30 cm土層中土壤pH值升高（4.4%），交換性K+、Ca2+含量增加（22.5%、8.2%），其儲(chǔ)量增加尤其明顯（60.2%、55.1%）；而TOC、LFOC和HFOC含量明顯下降（26.7%、40.8%和11.3%），除LFOC儲(chǔ)量減少22.2%外TOC和HFOC儲(chǔ)量變化不顯著。次生林轉(zhuǎn)變成杉木林后，0-30 cm土層中交換性K+、Ca2+含量微弱增加（6.3%、2.9%），HFOC儲(chǔ)量減少（13.8%），其它指標(biāo)的變化則均不顯著。原生林土壤pH值與TOC、LFOC、HFOC及交換性K+、Ca2+含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在次生林和杉木人工林中這種相關(guān)性的顯著水平被削弱，表明林型轉(zhuǎn)變對(duì)土壤pH值、有機(jī)碳和養(yǎng)分產(chǎn)生了不同程度的影響。綜合而言，原生闊葉林向次生林或次生林向杉木人工林轉(zhuǎn)變后導(dǎo)致土壤有機(jī)碳大幅下降，但土壤酸度得到改良和礦質(zhì)養(yǎng)分有效性增加，為植被快速恢復(fù)提供了有利條件。因此，從森林碳匯的角度優(yōu)先保護(hù)表層土壤，選擇速生、高效固碳的目標(biāo)樹種對(duì)退化次生林進(jìn)行更新改造，是提高森林生物量碳和土壤凈碳積累，扭轉(zhuǎn)因林地利用轉(zhuǎn)變而引起土壤碳流失的一個(gè)重要途徑。

關(guān)鍵詞：原生闊葉林；次生林；杉木林；林型轉(zhuǎn)化；土壤碳組分；交換性K+；交換性Ca2+

引用格式：曾婷婷，張玲玲，李意德，溫達(dá)志.林型轉(zhuǎn)化對(duì)土壤pH、有機(jī)碳組分和交換性礦質(zhì)元素的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（4）:576-582.

ZENG Tingting，ZHANG Lingling，LI Yide，WEN Dazhi.Effect of Forest Conversion on Soil pH，Organic Carbon Fractions and Exchangeable Mineral Nutrients ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:576-582.

近幾十年來(lái)，受人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾我國(guó)常綠闊葉林面積日益減少，地帶性原生常綠闊葉林不同程度退化為次生林或人工林（Wang et al.，2007），導(dǎo)致林分樹種結(jié)構(gòu)單一（Souza et al.，2013），生物生產(chǎn)力低，土壤中陽(yáng)離子和營(yíng)養(yǎng)元素流失（Ross et al.，1999；Geissen et al.，2009）以及土壤理化性質(zhì)變差（Paul et al.，2010）等問(wèn)題的出現(xiàn)。非洲戛納森林轉(zhuǎn)化為可可農(nóng)地后土壤容重增大，交換性Ca2+、K+、Mg2+儲(chǔ)量增加，有機(jī)碳（organic carbon，SOC）、全氮以及有效磷濃度與儲(chǔ)量下降（Dawoe et al.，2014）。Berthrong et al.（2009）2233-2234研究發(fā)現(xiàn)，種植單一樹種馬尾松林后土壤pH值升高，有機(jī)質(zhì)、全氮及交換性Ca2+、K+、Mg2+含量減少。Powers （2004）報(bào)道，原生林與次生林轉(zhuǎn)化為香蕉林后，表層土壤有機(jī)碳庫(kù)和全氮庫(kù)顯著減少，C/N下降。北亞熱帶天然次生林轉(zhuǎn)變成杉木人工林后，土壤活性有機(jī)碳如土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳含量降低（劉榮杰等，2012）。可見(jiàn)，林地利用的轉(zhuǎn)變可導(dǎo)致土壤有機(jī)碳及其他元素的顯著變化，成為植被恢復(fù)的重要限制因子（Fan et al.，2013）。

土壤SOC庫(kù)中不同組分響應(yīng)土地利用方式的敏感度不同（張仕吉等，2012；張金波等，2003）。其中，活性碳組分對(duì)環(huán)境因子變化響應(yīng)最為敏感，與土壤溫室氣體排放密切相關(guān)（萬(wàn)忠梅等，2011），能維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及提供植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分（王清奎等，2005）。在結(jié)構(gòu)和功能上，輕組有機(jī)碳（light fraction organic carbon，LFOC）代表活性碳庫(kù)，是腐爛動(dòng)植物殘?bào)w的一部分，在生態(tài)系統(tǒng)中周轉(zhuǎn)快；重組有機(jī)碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）代表惰性碳庫(kù)，是后續(xù)分解形成的碳產(chǎn)物，表現(xiàn)為周轉(zhuǎn)較慢且與土壤礦物質(zhì)結(jié)合緊密，有較大的密度（Christensen，1992）。LFOC被認(rèn)為是響應(yīng)土地利用變化的敏感指標(biāo)，在養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化、土壤肥力維持中發(fā)揮重要作用（Luo et al.，2015；趙鑫等，2006）。林地利用變化影響土壤SOC輸入與輸出及根系分布，六盤山林區(qū)典型天然次生林變成農(nóng)田或草地后有機(jī)碳分別減少35%、14%（吳建國(guó)等，2004）。寧夏固原地區(qū)天然次生林被砍伐后形成農(nóng)田、牧草地，土壤LFOC含量分別減少46%、14%，有機(jī)碳穩(wěn)定性降低（吳建國(guó)等，2002）。福建三明莘口林場(chǎng)天然闊葉林轉(zhuǎn)化為人工林后，表層土壤LFOC淋失（Yang et al.，2009a）156。在脆弱的自然環(huán)境和不盡合理的人為管理下，中亞帶山區(qū)原生林轉(zhuǎn)化為人工林、次生林后，SOC儲(chǔ)量分別下降了25.6%、28.7%，原生林轉(zhuǎn)化為木本人工林、次生林后土壤LFOC儲(chǔ)量分別減少了52.2%、57.2%，尤其是儲(chǔ)存在0～20 cm的土層SOC和LFOC淋失最為嚴(yán)重（Yang et al.，2009b）。此外，Herold et al.（2014）435-436研究也表明LFOC儲(chǔ)量受林地利用與管理措施的影響，HFOC儲(chǔ)量則通常受區(qū)域土壤質(zhì)地與礦質(zhì)特性的影響。因此，評(píng)價(jià)林地利用轉(zhuǎn)變后土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分狀況，無(wú)論對(duì)造林或再造林樹種的選擇還是林地肥力水平的調(diào)控管理都至關(guān)重要。

廣州市位于我國(guó)亞熱帶地區(qū)，森林資源豐富，在經(jīng)歷數(shù)十年城市化后林地利用類型發(fā)生了巨大變化（楊國(guó)清等，2006；鄒斌等，2011），然而對(duì)于該地區(qū)林型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的改變?nèi)匀蝗狈Χ垦芯浚o森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算和土壤肥力評(píng)價(jià)帶來(lái)不確定性。為此，本研究選取廣州市從化呂田鎮(zhèn)陳禾洞自然保護(hù)區(qū)內(nèi)相對(duì)原生常綠闊葉林及其周邊毗鄰的退化次生林和人工杉木林為對(duì)象，測(cè)定土壤有機(jī)碳和交換性陽(yáng)離子含量，旨在闡明原生闊葉林向次生林、人工林轉(zhuǎn)變后有機(jī)碳和養(yǎng)分的變化規(guī)律和程度，以期為次生林和人工林林分更新改造和林地肥力管理提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究地概況

廣州市從化區(qū)地處廣東省中部，北回歸線穿過(guò)市境南端的太平鎮(zhèn)。地理坐標(biāo)東經(jīng)113°17'～114°04'，北緯23°22'～23°56'，該區(qū)總面積1985.26 km2，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，處丘陵半山區(qū)，東北部以山地丘陵為主，干濕季明顯，4─9月為雨季，10─3月為旱季（梁志嬌，2005），年均雨量1800～2200 mm。年均氣溫19.5～21.4 ℃，日極端最高氣溫和最低氣溫分別為38.1 ℃和-7 ℃（易綺斐等，2011）。丘陵地以由成土母質(zhì)砂頁(yè)巖、花崗巖和變頁(yè)巖發(fā)育形成的山地赤紅壤為主，土層深度50～100 cm；中低山地以由花崗巖和砂頁(yè)巖發(fā)育形成的山地黃壤為主，土層多在100 cm左右（王瑞江等，2010）。據(jù)歷史資料，陳禾洞保護(hù)區(qū)內(nèi)原生林在近50年內(nèi)未受砍伐等人類活動(dòng)的干擾，在1980s初，原生林大徑材被砍伐后自然演替形成次生林，次生林皆伐后種植杉木形成杉木人工林。3種森林均為該地區(qū)代表性森林類型，次生林和杉木林位于相同或相近的地理單元，空間上鄰近，成土母巖和土壤相同，西南坡向，坡度20°～30°，3種森林樣地林分特征見(jiàn)表1。

表1　3種森林樣地林分特征Table 1 Main site characteristics of three forest types

1.2采樣與測(cè)定方法

2014年4月，選取4組原生林-次生林-杉木林的調(diào)查樣地，樣地面積分別為1200、900和600 m2。沿樣地對(duì)角線隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)，去除地表枯枝落葉后用內(nèi)徑5.6 cm的土鉆分別采集0～10、11～20、21～30 cm土層的土壤樣品。每個(gè)樣地同一土層的樣品在野外進(jìn)行匯總裝入樣品袋后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行均勻混合。同時(shí)，挖掘土壤剖面，用環(huán)刀采集各土層的土壤測(cè)定土壤容重。每個(gè)森林類型3個(gè)重復(fù)樣地。混合均勻的土壤經(jīng)風(fēng)干去除根系和碎石后，研磨過(guò)2 mm篩和0.15 mm篩。

環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，水土比2.5∶1電位法測(cè)定土壤pH值，重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳，乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定交換性陽(yáng)離子K+、Ca2+（劉光菘等，1996）。土壤有機(jī)碳組分采用1.7 g·cm-3碘化鈉提取分離（Song et al.，2012），獲得輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳，重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定其碳含量。

1.3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SAS 9.2進(jìn)行方差分析（one-way ANOVA），用Duncan法比較顯著性差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05、α=0.01，并用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)土壤各因子間的相關(guān)關(guān)系。

2　結(jié)果與分析

2.1林型轉(zhuǎn)化后土壤pH值、交換性鉀、鈣含量的變化

在0～30 cm土層，原生林轉(zhuǎn)化為次生林后，土壤pH值升高了4.4%，尤其在0～20 cm極顯著升高了5.1%（P＜0.01，下同）。交換性K+、Ca2+含量分別增加了22.5%、8.2%，特別是在0～10 cm土層顯著增加了19.8%、21.2%（P＜0.05，下同）。其儲(chǔ)量分別增加了60.2%、55.1%，且在0～20 cm極顯著增加了61.7%和63.8%；次生林轉(zhuǎn)化為杉木林后，交換性K+含量增加了6.3%，尤其在0～10 cm極顯著增加了9.1%，交換性Ca2+含量增加了2.9%，尤其在0～10 cm極為顯著增加了10.1%，但土壤pH值、交換性K+、Ca2+儲(chǔ)量變化不顯著（P＞0.05，下同）。3種森林土壤pH值只在原生林中表現(xiàn)為0～10 cm層顯著低于20～30 cm土層，在其他林型中無(wú)顯著差異；交換性K+、Ca2+含量均表現(xiàn)為0～10 cm層顯著高于20～30 cm土層，其儲(chǔ)量只在杉木林中表現(xiàn)為0～10 cm土層顯著高于20～30 cm土層，其他林型土壤剖面內(nèi)無(wú)顯著差異（表2、表3）。

2.2林型轉(zhuǎn)化后土壤有機(jī)碳組分含量與儲(chǔ)量的變化

表2　原生林、次生林、杉木林土壤化學(xué)性質(zhì)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）Table 2 Soil chemical properties of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）.（mean ± SE）

表3　原生林、次生林、杉木林土壤營(yíng)養(yǎng)元素儲(chǔ)量（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）Table 3 Soil nutrient storage of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）.（mean ± SE） t·km-2

在0～30 cm土層，原生林轉(zhuǎn)化為次生林后，土壤總有機(jī)碳（TOC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）含量分別極顯著減少了26.7%、40.8%。重組有機(jī)碳（HFOC）含量減少了11.3%，特別是在20～30 cm土層極顯著減少了34.5%。TOC、LFOC儲(chǔ)量分別減少了6%、22.2%，并且在20～30 cm分別顯著減少了16.8%、12.8%，但HFOC儲(chǔ)量變化不顯著；次生林轉(zhuǎn)化為杉木林后，TOC含量減少了3.1%，且在20～30 cm極顯著減少了21.1%。但是LFOC 和HFOC含量、TOC和LFOC儲(chǔ)量都沒(méi)有發(fā)生顯著變化。值得注意的是，HFOC儲(chǔ)量減少了13.8%，但其在10～20 cm顯著增加了19.6%；3種森林土壤TOC、LFOC、HFOC含量、儲(chǔ)量均表現(xiàn)為0～10 cm層顯著高于20～30 cm土層（表2、表3）。

2.3土壤化學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)性

3種森林土壤TOC、LFOC和HFOC含量均與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在原生林和杉木林林中TOC、LFOC含量與pH值的負(fù)相關(guān)性達(dá)到顯著水平，而在次生林中相關(guān)關(guān)系不顯著。TOC及其二個(gè)組分含量均與交換性K+、Ca2+含量呈正相關(guān)關(guān)系，尤其在次生林和杉木人工林中達(dá)到顯著水平（表4）。土壤pH值與交換性K+含量?jī)H僅在原生闊葉林中表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，而在次生林和杉木林中相關(guān)關(guān)系不顯著。

3　討論

3.1林型轉(zhuǎn)化對(duì)土壤pH值、交換性鉀、鈣含量的影響

林地利用的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致植被群落樹種組成、生物量和凋落物歸還量發(fā)生改變，從而引起土壤pH值的變化（梁國(guó)華等，2015；劉菊秀等，200141），同時(shí)也影響到土壤微生物組成和有機(jī)酸的分泌，導(dǎo)致森林土壤表層酸化程度的差異（夏漢平等，1997）。本研究中原生闊葉林轉(zhuǎn)化為次生林后，群落生物量減少36.5 t·hm-2（表1），輸入的有機(jī)質(zhì)和土壤微生物活動(dòng)可能減弱，pH值顯著升高。而次生林與杉木林在空間上鄰近，土壤pH值沒(méi)有顯著差異，可能與林型轉(zhuǎn)變前其相似立地條件有關(guān)。

3種森林土壤交換性K+、Ca2+含量最明顯的變化趨勢(shì)是杉木林＞次生林＞原生林，且隨土層深度增加而遞減，與鼎湖山自然保護(hù)區(qū)馬尾松林向混交林、季風(fēng)林轉(zhuǎn)變過(guò)程中交換性Ca2+含量逐漸減少的趨勢(shì)一致（歐陽(yáng)學(xué)軍等，2003）52。有研究表明，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有：（1）酸沉降、根際分泌和微生物分泌有機(jī)酸，導(dǎo)致土壤酸化，土壤中K+、Ca2+交換位點(diǎn)被H+代替，淋溶流失（Lu et al.，20149；劉菊秀等，200139）；（2）凋落物對(duì)于土壤元素的歸還作用（屠夢(mèng)照等，1993）主要體現(xiàn)在凋落物的數(shù)量與質(zhì)量、元素歸還速率（吳志東等，1990）259等的不同；（3）植物對(duì)交換性陽(yáng)離子吸收少，故其在土壤中積累多（Berthrong et al.，2009）2228。在本研究中，原生闊葉林轉(zhuǎn)化為次生林后，由于輸入的有機(jī)酸顯著減少，土壤中K+、Ca2+釋放較少，淋失程度減?。欢紊洲D(zhuǎn)化為杉木林后，凋落物中所含有的鉀、鈣等進(jìn)入土壤中（吳志東等，1990）259，杉木對(duì)交換性陽(yáng)離子吸收少而在土壤中積累的多。此外，杉木林和次生林的土壤交換性K+、Ca2+含量都高于原生林，可能與它們受到不同程度的人為干擾有關(guān)，不排除杉木林人工施加磷肥（磷酸鈣、磷酸鉀）的可能性。

3.2林型轉(zhuǎn)化對(duì)土壤有機(jī)碳組分含量及儲(chǔ)量的影響

表4　原生林、次生林、杉木林土壤各因子含量間的Pearson相關(guān)關(guān)系Table 4 Pearson correlation coefficients between the concentration of soil chemical variables of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）

本研究中原生闊葉林向次生林、杉木林轉(zhuǎn)化后土壤TOC含量及其儲(chǔ)量顯著下降，與鼎湖山地帶性常綠闊葉林向混交林、馬尾松林轉(zhuǎn)變的土壤TOC含量和儲(chǔ)量減少的趨勢(shì)基本一致，且都隨土層深度增加而逐漸遞減（歐陽(yáng)學(xué)軍等，2003）52。在0～20 cm土層中，原生闊葉林土壤TOC含量為47.37 g·kg-1，是鼎湖山地帶常綠闊葉林對(duì)應(yīng)土層TOC含量（周國(guó)逸等，2009；江遠(yuǎn)清等，2007108）的2倍左右，體現(xiàn)出其極其強(qiáng)烈的土壤有機(jī)質(zhì)富集累積作用。形成這種差異的原因可能與兩地地質(zhì)年齡和植被發(fā)育時(shí)期有關(guān)（Xu et al.，2012），也可能與本研究樣地周邊大水庫(kù)常年蓄水形成的局部氣候條件有利于植被生長(zhǎng)和土壤生物，尤其蚯蚓活動(dòng)加速凋落物周轉(zhuǎn)導(dǎo)致腐殖質(zhì)積累密切相關(guān)（張與真等，1981；黃初龍等，2005）。林地利用轉(zhuǎn)變尤其是次生林皆伐種植單一樹種的人工林后，土地?cái)_動(dòng)如復(fù)墾會(huì)加速土壤碳排放（Gamboa et al.，2011；Li et al.，2014）；群落生物量和凋落物歸還減少直接導(dǎo)致土壤TOC的顯著減少（Cienciala et al.，2008）；或凋落物、根系分解周轉(zhuǎn)慢（周莉等，2005）。此外，原生闊葉林向次生林、杉木人工林轉(zhuǎn)變后，土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量下降顯著，尤其在杉木林中LFOC流失嚴(yán)重，表明輕組有機(jī)碳對(duì)林地復(fù)墾敏感，干擾后容易從土壤中排放或淋失，另外由于輸入有機(jī)質(zhì)殘?bào)w的量顯著下降，直接減少了LFOC的來(lái)源，重組組分有機(jī)碳儲(chǔ)量則主要受區(qū)域土壤質(zhì)地與礦質(zhì)特性的影響（Herold et al.，2014）435-436。

3.3林型轉(zhuǎn)化對(duì)土壤各化學(xué)性狀間相關(guān)性的影響

本研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳組分與交換性K+、Ca2+含量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，這與Yan et al.（2007）400-401研究結(jié)果一致，且在次生林和杉木林中這種關(guān)系較原生林明顯。原生林轉(zhuǎn)化為次生林后，土壤有機(jī)質(zhì)尤其是腐殖質(zhì)的土壤交換性能減弱，導(dǎo)致其與土壤顆粒形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的能力減弱（Yan et al.，2007）403，故林型轉(zhuǎn)化后土壤有機(jī)碳組分與交換性K+、Ca2+含量的正相關(guān)性弱化。而次生林皆伐后種植杉木人工林后，林地管理如施磷酸鉀、磷酸鈣肥，會(huì)強(qiáng)化有機(jī)碳組分與交換性K+、Ca2+含量的正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)碳組分通過(guò)與pH的相互作用，也可以影響陽(yáng)離子的交換性能。有機(jī)碳作為陽(yáng)離子交換劑和土壤表面電荷來(lái)源，所含的羧基基團(tuán)通過(guò)解離釋放H+，降低土壤pH，并為交換性陽(yáng)離子提供離子交換位點(diǎn)，進(jìn)一步提高陽(yáng)離子交換性（Lu et al.，2014）。

除次生林外，TOC、LFOC含量與pH值的負(fù)相關(guān)性在原生林和杉木林中具有顯著性。在原生闊葉林向次生林和人工林轉(zhuǎn)變后，林分密度減小后稍有增大（表1），這可能是因?yàn)橹脖坏蚵湮锖退栏斎肓繙p少，土壤經(jīng)腐爛分解產(chǎn)生的有機(jī)酸減少（羅歆等，2011），因此土壤pH值可能上升；土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，有機(jī)碳淋失（方晰等，2004），有機(jī)碳及其組分與土壤 pH值的相關(guān)關(guān)系較弱?？傊?，所有影響有機(jī)碳組分淋失的因素，都將通過(guò)改變pH值進(jìn)而改變土壤表面電荷，最終影響土壤離子交換性和移動(dòng)性（Sollins et al.，1988）。

森林類型不同，土壤交換性K+、Ca2+含量與酸度的相關(guān)程度不同。僅原生闊葉林土壤pH值與交換性K+含量顯著負(fù)相關(guān)，與江遠(yuǎn)清等（2007）111-112的結(jié)果相一致，這表明原生林土壤酸度受到交換性K+含量的影響。但是，在次生林和杉木林中，這種負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著，表明原生林向次生林、人工林轉(zhuǎn)變大大減弱了土壤pH值與交換性K+、Ca2+含量之間的相關(guān)性。

3.4結(jié)論

（1）總體上，原生闊葉林向次生林、杉木人工林轉(zhuǎn)變后土壤pH值升高，交換性K+、Ca2+含量增加，但有機(jī)碳組分含量和儲(chǔ)量減少。這表明原生林受人為砍伐干擾后退化成次生林或次生林皆伐種植人工林后雖然導(dǎo)致土壤有機(jī)碳流失，但土壤礦質(zhì)養(yǎng)分有效性增加，為植被快速恢復(fù)提供了有利條件。因此，從森林碳匯的角度出發(fā)，保護(hù)好表土層，選擇速生、高效固碳的樹種對(duì)退化次生林進(jìn)行更新改造，是提高森林生物碳儲(chǔ)量和土壤凈碳積累的一個(gè)重要途徑。

（2）3種森林土壤pH值隨土層深度而增加，交換性K+、Ca2+含量則隨土層深度而下降，土壤TOC、LFOC、HFOC含量均表現(xiàn)為表土（0～10 cm）顯著高于下層土（20～30 cm）。

（3）3種森林土壤pH值與總有機(jī)碳及其組分以及交換性K+、Ca2+含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其在原生林中達(dá)到顯著水平。TOC、LFOC含量與pH值的負(fù)相關(guān)性僅在原生林和杉木林中顯著，林型轉(zhuǎn)化后，交換性K+含量與pH值的相關(guān)性的顯著水平被削弱，表明林型轉(zhuǎn)變對(duì)土壤pH值、有機(jī)碳和養(yǎng)分產(chǎn)生了不同程度的影響。在相同或近似的地理地質(zhì)背景和氣候區(qū)內(nèi)，森林土壤pH值的變化在一定程度上反映了人類活動(dòng)，如林地利用轉(zhuǎn)化、施肥等等森林經(jīng)營(yíng)干擾的程度。

參考文獻(xiàn)：

BERTHRONG S T，JOBBAGY E G，JACKSON R B.2009.A global meta-analysis of soil exchangeable cations，pH，carbon，and nitrogen with afforestation ［J］.Ecological Applications，19（8）:2228-2241.

CHRISTENSEN B T.1992.Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates ［M］.Advances in soil science.New York:Springer-Verlag New York Incorporation:1-90.

CIENCIALA E，EXNEROVá Z，SCHELHAAS M J.2008.Development of forest carbon stock and wood production in the Czech Republic until 2060 ［J］.Annals of Forest Science，65（6）:603.

DAWOE E K，QUASHIE-SAM J S，OPPONG S K.2014.Effect of land-use conversion from forest to cocoa agroforest on soil characteristics and quality of a Ferric Lixisol in lowland humid Ghana ［J］.Agroforest Systems，88（1）:87-99.

FAN S S，REN H，WANG R J，et al.2013.Vegetation restoration and conservation plans for integrated coastal management in Hengqin，China ［J］.Journal of Coastal Research，29（6）:1297-1308.

GAMBOA A M，GALICIA L.2011.Differential influence of land use/cover change on topsoil carbon and microbial activity in low-latitude temperate forests ［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，142（3）:280-290.

GEISSEN V，SáNCHEZ-HERNáNDEZ R，KAMPICHLER C，et al.2009.Effects of land-use change on some properties of tropical soils——an example from Southeast Mexico ［J］.Geoderma，151（3）:87-97.

HEROLD N，SCH?NING I，MICHALZIK B，et al.2014.Controls on soil carbon storage and turnover in German landscapes.Biogeochemistry［J］.119（1-3）:435-451.

LI B B，F(xiàn)ANG X Q，YE Y，et al.2014.Carbon emissions induced by cropland expansion in Northeast China during the past 300 years ［J］.Science China-earth Sciences，57（9）:2259-2268.

LU X K，MAO Q G，GILLIAM F S，et al.2014.Nitrogen deposition contributes to soil acidification in tropical ecosystems ［J］.Global Change Biology，20（12）:3790-3801.

LUO S S，ZHU L，LIU J L，et al.2015.Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to soil surface mulching in semiarid farmland ［J］.European Journal of Soil Biology，67:35-42.

PAUL M，CATTERALL C P，POLLARD P C，et al.2010.Recovery of soil properties and functions in different rainforest restoration pathways ［J］.Forest Ecology and Management，259（10）:2083-2092.

POWERS J S.2004.Changes in soil carbon and nitrogen after contrasting land-use transitions in northeastern Costa Rica ［J］.Ecosystems，7（2）:134-146.

ROBERTSON G P，SOLLINS P，ELLIS B G，et al.1999.Exchangeable ions，pH，and cation exchange capacity ［C］//ROBERTSON G P，COLEMAN D C，BLEDSOE C S，et al.Standard soil methods for long-term ecological research.New York:Oxford University:106-114.

ROSS D F，TATE K R，SCOTT N A，et al.1999.Land-use change:effects on soil carbon，nitrogen and phosphorus pools and fluxes in three adjacent ecosystems ［J］.Soil Biology and Biochemistry，31（6）:803-813.

SOLLINS P，ROBERTSON G P，UEHARA G.1988.Nutrient mobility in variable- and permanent-charge soils ［J］.Biogeochemistry，6（3）:181-199.

SONG B，NIU S L，ZHANG Z，et al.2012.Light and heavy fractions of soil organic matter in response to climate warming and increased precipitation in a temperate steppe ［J］.PLOS ONE，7（3）:e33217.

SOUZA A F，RAMOS A P，PIZO M A，et al.2013.Afforestation effects on vegetation structure and diversity of grasslands in southern Brazil:The first years ［J］.Journal for Nature Conservation，21（1）:56-62.

WANG X H，KENT M，F(xiàn)ANG X F.2007.Evergreen broad-leaved forest in Eastern China:Its ecology and conservation and the importance of resprouting in forest restoration ［J］.Forest Ecology and Management，245（1）:76-87.

XU R K，ZHAO A Z，YUAN J H，et al.2012.pH buffering capacity of acid soils from tropical and subtropical regions of China as influenced by incorporation of crop straw biochars ［J］.Journal of Soils Sediments，12（4）:494-502.

YAN J H，ZHOU G Y，ZHANG D Q，et al.2007.Changes of soil water，organic matter，and exchangeable cations along a forest successional gradient in Southern China ［J］.Pedosphere，17（3）:397-405.

YANG Y S，GUO J F，CHEN G S，et al.2009a.Effects of forest conversion on soil labile organic carbon fractions and aggregate stability in subtropical China ［J］.Plant Soil，323（1-2）:153-162.

YANG Y S，XIE J S，HAO S，et al.2009b.The impact of land use/cover change on storage and quality of soil organic carbon in mid-subtropical mountainous area of southern China ［J］.Journal of Geographical Sciences，19（1）:49-57.

方晰，田大倫，項(xiàng)文化，等.2004.杉木人工林土壤有機(jī)碳的垂直分布特征［J］.浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，21（4）:418-423.

黃初龍，黃初齊，張雪萍.2005.帽兒山森林生態(tài)系統(tǒng)蚯蚓生態(tài)分布研究［J］.生態(tài)學(xué)雜志，24（1）:9-14.

江遠(yuǎn)清，莫江明，方運(yùn)霆，等.2007.鼎湖山主要森林類型土壤交換性陽(yáng)離子含量及其季節(jié)動(dòng)態(tài)特征［J］.廣西植物，27（1）:106-113.

梁國(guó)華，吳建平，熊鑫，等.2015.鼎湖山不同演替階段森林土壤 pH值和土壤微生物量碳氮對(duì)模擬酸雨的響應(yīng)［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，24（6）:911-918.

梁志嬌.2005.廣東省從化市土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力研究 ［D］.廣州:華南師范大學(xué):13-16.

劉光菘，蔣能慧，張連第，等.1996.土壤理化分析與剖面描述 ［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社:1-189.

劉菊秀，余清發(fā)，褚國(guó)偉，等.2001.鼎湖山主要森林類型土壤pH值動(dòng)態(tài)變化［J］.土壤與環(huán)境，10（1）:39-41.

劉榮杰，吳亞叢，張英，等.2012.中國(guó)北亞熱帶天然次生林與杉木人工林土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的比較［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，36（5）:431-437.

羅歆，代數(shù)，何丙輝，等.2011.縉云山不同植被類型林下土壤養(yǎng)分含量及物理性質(zhì)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，25（1）:64-69， 91.

歐陽(yáng)學(xué)軍，黃忠良，周國(guó)逸，等.2003.鼎湖山南亞熱帶森林群落演替對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響的累積效應(yīng)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，17（4）:51-54.

屠夢(mèng)照，姚文華，翁轟，等.1993.鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林凋落物的特征［J］.土壤學(xué)報(bào)，30（1）:34-42.

萬(wàn)忠梅，郭岳，郭躍東.2011.土地利用對(duì)濕地土壤活性有機(jī)碳的影響研究進(jìn)展［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，20（3）:567-570.

王清奎，汪思龍，馮宗煒，等.2005.土壤活性有機(jī)質(zhì)及其與土壤質(zhì)量的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，25（3）:513-519.

王瑞江，陳炳輝，曹洪麟，等.2010.廣州陸生野生植物資源［M］.廣東:廣東科技出版社:1-109.

吳建國(guó)，張小全，王彥輝，等.2002.土地利用變化對(duì)土壤物理組分中有機(jī)碳分配的影響［J］.林業(yè)科學(xué)，38（4）:19-29.

吳建國(guó)，張小全，徐德應(yīng).2004.土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳貯量的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，15（4）:593-599.

吳志東，彭福泉，車玉萍，等.1990.我國(guó)南亞熱帶幾種人工林的生物物質(zhì)循環(huán)特點(diǎn)及其對(duì)土壤的影響［J］.土壤學(xué)報(bào)，27（3）:250-261.

夏漢平，余清發(fā)，張德強(qiáng).1997.鼎湖山3種不同林型下的土壤酸度和養(yǎng)分含量差異及其季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特性［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，17（6）:645-653.

楊國(guó)清，吳志峰，祝國(guó)瑞.2006.廣州地區(qū)土地利用景觀格局變化研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，22（5）:218-221.

易綺斐，王發(fā)國(guó)，葉琦君，等.2011.廣州從化市古樹名木資源調(diào)查初報(bào)［J］.植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，20（1）:69-73.

張金波，宋長(zhǎng)春.2003.土地利用方式對(duì)土壤碳庫(kù)影響的敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)［J］.生態(tài)環(huán)境，12（4）:500-504.

張仕吉，項(xiàng)文化.2012.土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳影響的研究進(jìn)展［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，32（5）:134-143.

張與真，李香蘭，黃福珍.1981.蚯蚓對(duì)土壤腐殖質(zhì)含量和組成的影響［J］.土壤，（6）:225-227.

趙鑫，宇萬(wàn)太，李建東，等.2006.不同經(jīng)營(yíng)管理?xiàng)l件下土壤有機(jī)碳及其組分研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，17（11）:2203-2209.

周國(guó)逸，唐旭利.2009.廣州市森林碳匯分析［J］.中國(guó)城市林業(yè)，7（1）:8-11.

周莉，李保國(guó)，周廣勝.2005.土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，20（1）:99-105.

鄒斌，楊燕瓊，薛亞?wèn)|.2011.基于RS和GIS的珠江三角洲土地利用動(dòng)態(tài)分析［J］.林業(yè)資源管理，（6）:110-116.

Effect of Forest Conversion on Soil pH，Organic Carbon Fractions and Exchangeable Mineral Nutrients

ZENG Tingting1，2，ZHANG Lingling1，LI Yide3，WEN Dazhi1*
1.South China Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Chinese Academy of Forestry，Guangzhou 510520，China

Abstract：Human-induced land-use changes from primary climax forests to degraded secondary or plantation forests usually caused the leaching losses of surface soil organic carbon especially the light organic carbon fractions and associated nutrients.In this study，soil samples （0～10，10～20 and 20～30 cm depth） were collected from a Primary forest （PF），an adjacent Secondary forest （SF） and a Chinese fir plantation （CFP）.We determined soil pH value，concentrations of soil total organic carbon （TOC），light fraction organic carbon （LFOC） and heavy fraction organic carbon （HFOC），exchangeable K+and Ca2+，with the aim of understanding the impacts of this land-use change on these variables.After the conversion from PF to SF，in 0～30 cm depth，the soil pH value increased slightly by 4.4% while the concentrations of exchangeable K+，Ca2+increased by 22.5% and 8.2%，and their storage increased correspondingly by 60.2% and 55.1%，respectively.By contrast，the concentrations of TOC，LFOC and HFOC significantly decreased by 26.7%，40.8% and 11.3%，respectively.The storage of LFOC decreased by 22.2% while no significant changes were found for TOC and HFOC.After the conversion from SF to CFP，the concentrations of exchangeable K+，Ca2+increased slightly by 6.3% and 2.9%，respectively.All other variables did not show any significant changes except for the HFOC’s storage which decreased by 13.8%.Among the three types of forests，the PF showed significant negative correlations between soil pH value and the concentrations of TOC，LFOC and HFOC，as well as exchangeable K+，Ca2+.However，the significance of these correlations were generally weakened in SF and CFP，suggesting that forest conversion had posed disproportionate impact on soil pH，organic carbon and nutrients.In summary，this forest land conversion generally led to a dramatic reduction in soil organic carbon，while the acidity of the soil and the availability of soil mineral nutrients were improved，which was presumably favorite for the quick recovery of vegetation.From the perspective of carbon sequestration，we highlighted that priority protection of surface soils for the renewal of the degraded forests by planting target species with fast growth and high efficiency in carbon gain was crucial to increase the forest biomass carbon storage and soil carbon sequestration，and consequently reverse the loss of soil carbon resulted from forest land use change.

Key words：primary broad-leaved forest； Secondary forest； chinese fir plantation； forest conversion； soil carbon fraction；exchangeable K+； exchangeable Ca2+

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.005

中圖分類號(hào)：Q948； X17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）04-0576-07

基金項(xiàng)目：廣州市林業(yè)和園林局“廣州市森林碳匯計(jì)量與監(jiān)測(cè)研究項(xiàng)目”（QDZFCG-2013019）

作者簡(jiǎn)介：曾婷婷（1991年生），女，碩士研究生，從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。E-mail:tingtingzeng@scbg.ac.cn

*通信作者：溫達(dá)志，研究員，從事森林生態(tài)學(xué)、植物生理生態(tài)學(xué)和全球變化生態(tài)學(xué)研究。E-mail:dzwen@scbg.ac.cn

收稿日期：2016-03-21