紅壤侵蝕地不同人工恢復(fù)林對土壤總有機碳和活性有機碳的影響

朱麗琴,黃榮珍,段洪浪,賈 龍,王 赫,黃詩華,易志強,張文鋒

南昌工程學(xué)院,江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室, 南昌 330099

紅壤侵蝕地不同人工恢復(fù)林對土壤總有機碳和活性有機碳的影響

朱麗琴,黃榮珍*,段洪浪,賈 龍,王 赫,黃詩華,易志強,張文鋒

南昌工程學(xué)院,江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室, 南昌 330099

土壤有機碳尤其是活性有機碳可快速反映土壤肥力和土壤質(zhì)量的恢復(fù)程度。研究了南方紅壤侵蝕地3種典型人工恢復(fù)林(馬尾松與闊葉復(fù)層林(Pinusmassoniana-broadleaved multiple layer forest (PB))、木荷與馬尾松混交林(Schimasuperba-Pinusmassonianamixed forest (SP))、闊葉混交林(broad-leaved mixed forest (BF)))土壤(0—60 cm)總有機碳和不同活性有機碳的垂直分布特征及其差異。結(jié)果表明：不同恢復(fù)林分土壤總有機碳(SOC)含量和有機碳儲量均表現(xiàn)為PB>SP>BF,均隨土層深度的增加而逐漸降低；土壤表層有機碳富集系數(shù)為0.49—0.55,表明表層土壤具有較高的有機碳恢復(fù)水平和保持強度。不同林分土壤易氧化有機碳(ROC)、水溶性有機碳(DOC)和微生物量碳(MBC)含量變化范圍為0.92—9.17 g/kg、535.89—800.46 mg/kg和27.24—261.31 mg/kg,且均隨土層深度的增加而降低,土壤活性有機碳含量總體以BF較高。土壤活性有機碳分配比例以ROC/SOC最高,DOC/SOC次之,MBC/SOC最低,且隨土層深度的增加,ROC/SOC的值呈逐漸降低趨勢,DOC/SOC的值卻呈逐漸升高趨勢,MBC/SOC(微生物熵)則變化規(guī)律不明顯；不同林分間土壤活性有機碳分配比例以BF最高,表明闊葉混交林更有利于活性碳的積累。因此,對于紅壤侵蝕地森林恢復(fù)初期,可適當(dāng)密植和立體種植,以提高土壤碳儲量和土壤肥力,并在馬尾松等先鋒樹種林分中補植闊葉樹種,以增加土壤活性有機碳含量,從而有利于退化生態(tài)系統(tǒng)土壤速效養(yǎng)分和土壤功能的快速恢復(fù)。

人工恢復(fù)林；總有機碳；活性有機碳；紅壤

我國南方紅壤丘陵區(qū)土地總面積為118萬km2,自然環(huán)境的脆弱性與長期人為破懷的疊加,導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重,成為我國僅次于黃土高原的嚴(yán)重流失區(qū)域之一,出現(xiàn)了“紅色沙漠”、“光板地”、“白沙崗”等景觀,嚴(yán)重威脅著區(qū)域經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。為了控制水土流失,改善當(dāng)?shù)孛癖娚嫔瞽h(huán)境,我國自20世紀(jì)80年代進行了以造林種草為主的大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)工程,并取得了卓越的成效。隨之而起,侵蝕地森林恢復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)功能尤其是土壤有機碳庫變化的研究逐漸成為人們關(guān)注的熱點。事實上,森林植被恢復(fù)過程是與土壤環(huán)境相適應(yīng)的過程[1],其主要表現(xiàn)在植物凋落物腐化后歸還土壤、根系生長及土壤微生物活動等向土壤提供新的碳源,而土壤有機碳含量的增加可以促進團聚體形成,增加土壤孔隙,改善土壤結(jié)構(gòu)；同時,改變土壤膠體狀況,增強土壤吸附作用,改善土壤持水性能和肥力狀況,促進生物多樣性的形成。土壤環(huán)境在得到相應(yīng)改善的同時,反過來又促進了植被的生長。

長期以來,衡量土壤肥力狀況的主要指標(biāo)除了氮、磷、鉀等因素就是土壤有機質(zhì),其中由人為因素或其它干擾所引起的土壤性質(zhì)變化,土壤有機質(zhì)含量需要幾年、幾十年甚至上百年才能夠表現(xiàn)出來,而土壤活性有機碳作為土壤中最活躍、周轉(zhuǎn)最快、對環(huán)境變化最敏感的有機碳組分,周轉(zhuǎn)期僅為0.14—2.5a,比土壤有機質(zhì)能夠更快地作出響應(yīng)[2]。同時,土壤活性有機碳組分與土壤全氮、全磷、全鉀含量呈顯著正相關(guān),能夠在一定程度上指示土壤養(yǎng)分的供應(yīng)水平和肥力的高低[3]。因在土壤中能直接參與生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化過程,快速地反映土壤質(zhì)量變化,其對土壤養(yǎng)分循環(huán)及其生物有效性等具有非常重要的作用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)土壤活性有機碳的研究多集中在土地利用方式、土壤類型、林分結(jié)構(gòu)等方面[4-7],而對于紅壤侵蝕劣地森林恢復(fù)后土壤活性有機碳的研究甚少,對于其變化機理和主要影響因素缺乏應(yīng)有的了解。本文以南方紅壤侵蝕地典型人工恢復(fù)林(馬尾松與闊葉復(fù)層林、木荷與馬尾松混交林和闊葉混交林)為研究對象,選取了易氧化有機碳、水溶性有機碳和微生物量碳等3種主要活性有機碳指標(biāo),研究其土壤總有機碳和活性有機碳的分布特征及差異,探求有利于侵蝕地活性有機碳快速恢復(fù)的植物種類或林分類型,為南方紅壤侵蝕區(qū)地力恢復(fù)、植物類型選擇和優(yōu)化配置實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗地設(shè)置

1.1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在中國科學(xué)院江西省千煙洲紅壤丘陵綜合開發(fā)試驗站(簡稱千煙洲站),位于泰和縣灌溪鎮(zhèn)(115°04′13″E,26°44′48″N),站區(qū)總面積為204 hm2,屬典型紅壤丘陵地貌,海拔高度在100 m左右,相對高差在20—50 m。土壤成土母質(zhì)大多為紅色砂巖、泥巖及砂礫巖等,土壤類型主要為紅壤。該區(qū)光能充足,雨量豐沛,四季分明,年均氣溫為17.9℃,年均降水量為1489 mm,年太陽輻射量為4349 MJ/m2,年均日照為1406 h,無霜期為323 d,屬典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。千煙洲站的原生植被以中亞熱帶常綠闊葉林為主,由于人類長期開發(fā)和破壞,其原生植被遭到嚴(yán)重破壞,在建站初期已退化為灌草叢,且多處出現(xiàn)不同程度的水土流失,現(xiàn)土地利用類型以人工林為主,部分為農(nóng)田。各試驗地基本情況見表1。

馬尾松與闊葉復(fù)層林(Pinusmassoniana-broadleaved multiple layer forest (PB))：主要喬木樹種為馬尾松(Pinusmassoniana)、黃瑞木(Adinandramillettii)、楓香(Liquidambarformosana)、三角槭(Acerbuergerianum)、白櫟(Quercusfabri)。林下植被主要有三葉赤楠(Syzygiumgrijsii)、烏飯樹(Vacciniumbracteatum)、檵木(LoropetalunChinense)、秤星樹(Llexasprella)、淡竹葉(LophatherumgracileBrongn)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、菝葜(SmilacisChinaeRhizoma)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。

木荷與馬尾松混交林(Schimasuperba-Pinusmassonianamixed forest (SP))：主要喬木樹種為木荷(Schimasuperba)和馬尾松。林下植被主要有黃瑞木、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)、白櫟、檵木、含笑(Micheliafigo)、六月雪(Serissajaponica)、淡竹葉、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、海金沙(Lygodiumjaponicum)、金銀花(LoniceraJaponica)、狗脊蕨、鱗毛蕨(Dryopteris)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-veneris)、烏蕨(StenolomachusanumChing)、羊角藤(MorindaumbellataLinn)等。

闊葉混交林(broad-leaved mixed forest (BF))：主要喬木樹種為樟樹(Cinnamomumcamphora)、楓香、鵝掌楸(Liriodendronchinense)、厚樸(Magnoliaofficinalis)、青岡櫟。林下植被主要有黃瑞木、石斑木(Rhaphiolepisindica)、香椿(Toonasinensis)、秤星樹、三葉赤楠、深山含笑(Micheliamaudiae)、桂花(Osmanthusfragrans)、檵木、朱砂根(Ardisiacrenata)、麥冬、淡竹葉、芒萁、狗脊蕨、鱗毛蕨、鐵線蕨等。

表1 試驗地概況

1.1.2 試驗地設(shè)置

在紅壤侵蝕地選取馬尾松與闊葉復(fù)層林、木荷與馬尾松混交林和闊葉混交林3種典型人工恢復(fù)林分,每種林分分別設(shè)立3塊20 m×20 m固定標(biāo)準(zhǔn)地,共9塊。

1.2 土壤采集與測定方法

1.2.1 供試土壤

2014年4月,在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按“S”型布設(shè)5個取樣點,每個取樣點挖土壤剖面,用自封袋按0—10、10—20、20—40、40—60 cm 4個層次取樣,將5個取樣點相同層次土壤樣品混合均勻后,在室內(nèi)撿去植物殘體及根系等雜物,過2 mm篩,用四分法分成兩份,其中一份鮮土保存在4℃冰箱中,用于水溶性有機碳、微生物量碳的測定,另一份風(fēng)干研磨過篩,用于總有機碳、易氧化有機碳的測定。

1.2.2 測定方法

土壤總有機碳(SOC)采用K2Cr2O7氧化-外加熱法測定[8]。土壤易氧化有機碳(ROC)采用KMnO4氧化比色法測定[9]。土壤水溶性有機碳(DOC)的測定是根據(jù)Chantigny[10]等方法,稍作修改：首先稱取鮮土10 g(過2 mm篩),按土水比1∶10加入100 mL去離子水,封口后在25℃恒溫振蕩器上以200 r/min振蕩30 min,然后用中速定量濾紙過濾,濾液以4000 r/min離心10 min,取上清液用0.45 μm濾膜進行抽濾,最后用總有機碳/總氮分析儀(multi N/C 3100)測定濾液相應(yīng)濃度。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定[11],然后用總有機碳/總氮分析儀(multi N/C 3100)測定浸提液有機碳濃度。

1.3 土壤有機碳儲量計算[12]

(1)

式中,SOCs為特定深度下的土壤有機碳儲量(t/hm2)；Ci為第i層的土壤有機碳含量(g/kg)；ρi為第i層的土壤容重(g/cm3)；Ti為第i層的土壤厚度(cm)；n為土層數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)為各重復(fù)實測值的平均值,數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進行統(tǒng)計、分析,用SigmaPlot 10進行制圖,用SPSS 19.0進行方差分析,顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同人工恢復(fù)林土壤總有機碳含量與儲量垂直分布特征

土壤有機碳在土壤垂直剖面上的分布影響著土壤碳的動態(tài),不同的恢復(fù)林分,其分布格局存在一定差異。由圖1可以看出,土壤SOC含量表現(xiàn)為PB>SP>BF；在0—10 cm土層,PB土壤SOC含量(17.53 g/kg)顯著高于BF(14.0 g/kg)；在10—20 cm土層,PB土壤SOC含量(11.11 g/kg)分別是SP和BF的1.36和1.58倍,顯著高于其他兩種林分；在20—40 cm土層,各恢復(fù)林分間土壤SOC含量差異顯著,其值在4.87—8.03 g/kg之間；在40—60 cm土層,PB、SP土壤SOC含量與BF間均存在顯著性差異,且BF土壤SOC含量最低,為3.49 g/kg。大多數(shù)研究顯示針葉林的土壤有機碳含量一般要低于混交林或闊葉林[13-14],然而本研究中以馬尾松為優(yōu)勢樹種的馬尾松與闊葉復(fù)層林土壤有機碳含量卻最高,主要原因可能是相對于SP,PB樣地保留密度、灌木層蓋度更高,其林下植被地上生物量和地下生物量分別是SP的1.73倍和1.23倍(表1)。已有研究表明林分密度和植被覆蓋度的不同會引起凋落物量的差異,從而對土壤有機質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[15-16],覃勇榮等[17]研究也發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)與植被覆蓋度呈顯著正相關(guān)；BF和PB兩者林下植被地上生物量和地下生物量數(shù)值相近,但PB樣地保留密度卻遠大于BF,是BF的2.11倍,且凋落物量是其1.46倍,凋落物是森林土壤有機質(zhì)的主要來源之一,下滲的水分可將地上凋落物中可溶性物質(zhì)帶入地下,供植物根系吸收,加快凋落物的分解,直接促進了有機碳的增長[15]。土壤有機碳含量從某種意義上反映了植物群落在時間上的演替和在空間上的分布,由于不同恢復(fù)林分間樹種組成、地表植被、生物量的差異,隨著恢復(fù)年限的延長,植物生產(chǎn)力、凋落物歸還量以及土壤生物等不斷發(fā)生改變,進而導(dǎo)致土壤有機碳含量存在明顯差異。

各恢復(fù)林分0—60 cm土層土壤有機碳含量加權(quán)平均值在6.20—9.22 g/kg之間。PB、SP和BF土壤0—10、10—20、20—40和40—60 cm的SOC比值分別為1∶0.63∶0.46∶0.33、1∶0.51∶0.41∶0.33和1∶0.50∶0.35∶0.25,該比值可反映SOC的集中趨勢,說明表層土壤聚集有機碳能力更強；隨著土層深度的增加,土壤SOC含量逐漸降低,且0—10 cm土層的土壤SOC含量是40—60 cm土層的3.01— 4.02倍,同時各恢復(fù)林分之間的差異也逐漸減小。土壤SOC含量隨土層深度增加而降低,這與有機碳源在不同土層間的輸入量有關(guān),凋落物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化后所形成的有機物質(zhì)率先進入表層土壤,且從植物根系尤其是細(xì)根在土壤剖面的垂直分布上來看,同樣以表層居多[18],從而使得土壤表層的有機碳含量要明顯高于下層土壤；而深層土壤有機碳主要取決于深根性植物的生長以及上層土壤有機碳向下遷移的狀況,同時也受到微生物和生物擾動作用的影響。

圖1 不同人工恢復(fù)林土壤總有機碳和儲量的分布Fig.1 Distribution of SOC and storage in different artificially restored forests PB:馬尾松與闊葉復(fù)層林Pinus massoniana-broadleaved multiple layer forest; SP:木荷與馬尾松混交林Schima superba-Pinus massoniana mixed forest ; BF:闊葉混交林broad-leaved mixed forest; 不同小寫字母表示不同人工恢復(fù)林間差異顯著(P <0.05)

土壤有機碳儲量的大小在不同程度上反映了森林生態(tài)系統(tǒng)截留碳的能力。由圖1可見,土壤有機碳儲量的變化規(guī)律與土壤總有機碳相似,即不同恢復(fù)林分的土壤有機碳儲量在同一土層中均表現(xiàn)為PB>SP>BF。在0—20 cm土層,PB土壤有機碳儲量顯著高于其他兩種林分,比SP高15.72%,比BF高34.15%；在20—40 cm土層,各林分土壤有機碳儲量差異顯著,PB土壤有機碳儲量比SP高22.76%,SP比BF高39.96%；在40—60 cm土層,PB、SP與BF存在顯著性差異,分別比BF高68.42%和59.07%。

各恢復(fù)林分0—60 cm土層土壤有機碳儲量在57.94—87.17 t/hm2之間,其中PB儲量最高,為87.17 t/hm2,其次是SP,為75.54 t/hm2,BF最低,僅57.94 t/hm2。從各恢復(fù)林分在不同土層深度的土壤有機碳儲量變化來看,自上而下呈明顯下降趨勢,且20—40 cm土層的土壤有機碳儲量比0—20 cm土層下降了39.60%—52.84%,40—60 cm土層比20—40 cm土層下降了16.72%—28.17%,表明土壤有機碳儲量在0—20 cm和20—40 cm土層間變化幅度最大,隨著土層深度的增加，下降幅度在逐漸減小,主要是因為土壤有機碳儲量除了受到有機碳含量高低制約外,還與土壤容重有關(guān),后者隨土層深度增加而增大。分析土壤有機碳儲量剖面分布可發(fā)現(xiàn),0—40 cm土層的土壤有機碳儲量占整個0—60 cm土層的76.80%—80.98%,說明不同恢復(fù)林分對0—40 cm土層的土壤有機碳儲量有顯著影響。某一層土壤的有機碳儲量與整個土層的有機碳儲量比值稱為有機碳富集系數(shù),該系數(shù)反映了土壤對有機碳保持的強度[12]。PB、SP和BF土壤表層有機碳富集系數(shù)分別為0.49、0.49和0.55,表明闊葉混交林有利于表層有機碳的保持。

2.2 不同人工恢復(fù)林土壤活性有機碳垂直分布特征

土壤易氧化有機碳在有機碳組分中周轉(zhuǎn)最快[19],可在土壤全碳變化前反映土壤碳的微小變化,常作為土壤有機碳動態(tài)的敏感性指標(biāo)[20]。由圖2可看出,BF土壤ROC含量顯著高于其他兩種恢復(fù)林分,其 0—10、10—20、20—40、40—60 cm土層的ROC含量分別為9.17、4.32、2.74 g/kg和1.39,是PB的2.53、2.09、2.09、1.51倍,是SP的1.97、2.21、1.88、1.31倍,而PB與SP差異不顯著。隨著土層深度的增加,各林分土壤ROC含量均呈逐漸降低的趨勢,且不同土層間差異較明顯,PB、SP和BF表層(0—10 cm)土壤ROC含量分別是底層(40—60 cm)的3.94、4.41、6.62倍。

圖2 不同人工恢復(fù)林土壤活性有機碳的分布Fig.2 Distribution of soil active organic carbon in different artificially restored forests

土壤水溶性有機碳是指土壤樣品在室溫及天然pH條件下能溶于水相且通過0.45μm微孔濾膜的有機組分[21],是微生物自身生長及生物分解過程中的主要物質(zhì)和能量來源[22],Yano等[23]研究發(fā)現(xiàn)在森林土壤中,土壤微生物可直接吸收和利用的DOC約有12.1%—40.3%。在自然狀態(tài)下,土壤DOC遷移性性較強,因此能直接影響生態(tài)系統(tǒng)中土壤營養(yǎng)元素的有效性及流動性。由圖2可看出,不同恢復(fù)林分同一土層土壤DOC含量大小順序均表現(xiàn)為SP>BF>PB,且SP土壤DOC含量顯著高于其他兩種林分,在不同土層(自上而下)分別是PB的1.26、1.41、1.42、1.35倍,是BF的1.22、1.22、1.27、1.32倍,而PB與SP差異不顯著。隨著土層深度的增加,各恢復(fù)林分土壤DOC含量大致呈下降的趨勢,但各土層間下降幅度不大,PB、SP和BF 0—60 cm土層土壤DOC含量變化范圍分別為535.89—632.96 mg/kg、728.94—800.46 mg/kg和550.93—658.18 mg/kg,其底層(40—60 cm)比表層(0—10 cm)DOC含量分別下降了14.52%、8.93%和16.29%。這與靳世蕊[24]研究的綏化地區(qū)森林土壤DOC平均含量為297.6 mg/kg相差較大,可能是由于該區(qū)處于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫高、降雨量大,有機質(zhì)分解和淋溶作用更強烈；同時,土壤團聚體易受到破壞,使其包裹的小分子物質(zhì)發(fā)生解聚,也促進了水溶性有機碳的釋放。

土壤微生物作為分解者,是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍、極為重要的部分,它對合成土壤腐殖質(zhì),增加土壤有機物質(zhì),改善土壤物理結(jié)構(gòu),促進土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化具有重要作用。而土壤微生物量碳是土壤中細(xì)菌、真菌及微動物體內(nèi)所含的有機碳,是反映土壤微生物活性強弱和有機質(zhì)分解過程的重要生物學(xué)指標(biāo),可表征土壤質(zhì)量的總體狀況。由圖2可看出,不同恢復(fù)林分同一土層土壤MBC含量大小順序均表現(xiàn)為BF>PB>SP,且BF土壤MBC含量顯著高于其他兩種林分,在0—10、10—20、20—40和40—60 cm土層分別為261.31、135.72、79.02和56.74 mg/kg,是PB的1.83、1.80、1.55、1.17倍,是SP的2.14、2.36、1.97、2.08倍,而PB與SP差異不顯著。本研究中MBC含量變化范圍在27.24—261.31 mg/kg之間,與何友軍等[25]研究的湖南省不同林地土壤MBC含量相比,不到其1/3；趙彤等[26]研究的黃土丘陵區(qū)人工喬木林土壤MBC含量下限為267.76 mg/kg,表明研究區(qū)紅壤侵蝕地各恢復(fù)林分土壤MBC含量偏低。該試驗地在恢復(fù)前原生植被被完全破壞,水土流失嚴(yán)重,表土沖刷殆盡,導(dǎo)致有機營養(yǎng)物質(zhì)大量流失,嚴(yán)重影響微生物的生存和繁殖,經(jīng)過30a的恢復(fù),雖然森林覆蓋率有了大幅度提高,水土流失得到有效控制,土壤結(jié)構(gòu)得到一定程度的改善,但與侵蝕退化前的原生植被(中亞熱帶常綠闊葉林)下的土壤相比,其土壤結(jié)構(gòu)和功能仍然存在巨大的差距,要達到亞熱帶地帶性森林的土壤功能還需要一個漫長的過程,需要后續(xù)進一步的管護。各恢復(fù)林分土壤MBC含量在土壤剖面中的變化趨勢與ROC和DOC相同,即隨土層深度的增加而降低,其中10—20 cm土層MBC含量比0—10 cm土層下降了47.05%—52.88%,20—40 cm土層比10—20 cm土層下降了30.22%—41.78%,40—60 cm土層比20—40 cm土層下降了4.93%—32.05%,表明土壤MBC含量下降幅度也在逐漸減小。

土壤活性有機碳含量總體以BF較高、PB較低,后者枯落物層中含有大量馬尾松針葉,而針葉中因含較多樹脂和蠟質(zhì)等物質(zhì),分解相對緩慢,致使有機碳的補給緩慢；而前者枯落物層分解較快,新鮮有機物質(zhì)的輸入能夠刺激細(xì)菌、真菌和多糖的產(chǎn)生,使土壤顆粒間的凝聚力增加[27],從而為土壤微生物創(chuàng)造更有利的繁殖場所和條件,微生物的生長又促進根系的代謝和分泌,使有機碳的輸入量增大,便于活性碳的積累。由研究結(jié)果也可看出,土壤活性有機碳組分含量與SOC含量在不同恢復(fù)林分間的分布規(guī)律并不一致,主要是因為活性有機碳含量除了依賴于SOC含量外,還取決于林地自身的微環(huán)境,包括凋落物的數(shù)量和質(zhì)量、根系狀況及土壤理化性質(zhì)等。各恢復(fù)林分土壤ROC、DOC和MBC含量均隨土層深度的增加而降低,且以0—10 cm土層含量最高,這與土壤總有機碳隨土層深度的變化趨勢相同,均存在表聚現(xiàn)象。在土壤上層,凋落物集中、植物細(xì)根分布較多,光照更加充足,通氣狀況更加理想,微環(huán)境更加適宜好氧微生物的生長,隨著土層的加深,土壤容重增加,有機質(zhì)含量下降,地下生物量也逐漸減小,致使上層土壤的活性有機碳含量大大高于下層土壤。

不同活性有機碳組分在土壤剖面中垂直遞減的幅度不盡相同,PB、SP和BF 40—60 cm土層ROC含量比0—10 cm土層分別下降了74.64%、77.35%和84.89%,DOC含量分別下降了14.52%、8.93%和16.29%,MBC含量分別下降了66.09%、77.65%和78.29%,而3種林分土壤SOC含量在40—60 cm土層比0—10 cm土層分別下降了66.81%、67.15%和75.10%,可見ROC和MBC兩種活性有機碳含量下降幅度較SOC更大,DOC含量在土壤垂直剖面上的變化幅度則較小,這與土壤SOC含量在土壤剖面的垂直變化有關(guān)。此外,DOC含量除了取決于SOC含量,還受土壤黏粒吸附作用的影響,下層土壤黏粒含量較高,吸附作用較強,對有機碳具有更好的保護作用。

2.3 不同人工恢復(fù)林土壤活性有機碳占總有機碳的比例

土壤活性有機碳占總有機碳的比例比土壤活性有機碳含量更能反映土壤有機碳庫的活性狀況。從圖3可看出,土壤ROC分配比例最高,變化范圍為15.81%—65.50%,且隨著土層深度的增加,ROC/SOC的值呈逐漸降低趨勢；3種恢復(fù)林分的土壤ROC分配比例以BF最高,在0—10、10—20、20—40、40—60 cm土層分別為65.50%、61.54%、56.26%、39.83%,是SP相應(yīng)土層的2.25、2.57、2.52、1.14倍,是PB的3.17、3.30、3.45、2.52倍。

土壤DOC分配比例變化范圍為3.61%—15.79%,與Yano等[23]研究的12.1%—40.3%、吳萍萍[28]等研究的0.23%—0.39%的結(jié)果不一致。在Yano等[23]研究中,研究對象為天然再生混合闊葉林,經(jīng)過長期定量施肥等管理,土壤性狀得到很大改善,而本試驗地恢復(fù)期間并未施肥、疏枝,在前期僅以砍伐灌木和雜草等方式進行撫育管理。在吳萍萍[28]等研究中,土壤類型為白土,該區(qū)域白土表層土壤粘粒含量少,底層粘化現(xiàn)象明顯,加之土壤養(yǎng)分含量較低,有機質(zhì)匱乏,致使活性有機碳分配比例整體偏低。DOC/SOC的值隨土層深度的增加而升高,這可能是由于DOC隨土壤水分的下滲而向下層土壤淋溶、遷移的緣故,同時也說明深層土壤有機碳較上層土壤受到更好的保護、穩(wěn)定性更強。

土壤MBC分配比例也稱微生物熵,可表征有機碳對微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率,是評價土壤有機碳動態(tài)和質(zhì)量的有效指標(biāo)。微生物熵越大,說明微生物對土壤碳庫的利用效率越高,可更好的改善土壤的質(zhì)量狀況[29]。供試土壤的微生物熵值較低,變化范圍僅為0.52%—1.93%,遠小于肖燁[29]等研究的1.27%—5.94%,主要是該侵蝕地在前期恢復(fù)中,地上植物生長較快,使地上生物量迅速增加,且消耗了土壤中大量碳、氮等元素,造成了在恢復(fù)30年時微生物熵的值仍然偏低。事實上,微生物熵的變化也是植物群落結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)綜合影響的結(jié)果[30],隨著恢復(fù)年限的延長,其值將會保持在一個相對較穩(wěn)定的水平。隨著土層深度的增加,微生物熵在SP中呈降低趨勢,在PB和BF中變化規(guī)律不明顯,但總體呈下降趨勢,這與王棣等[31]研究的秦嶺典型林分MBC含量在土壤剖面上的變化相似。從不同恢復(fù)林分來看,BF微生物熵仍然大于其他兩種林分,在不同土層分別是SP的2.45—3.14倍,是PB的1.96—2.85倍,表明闊葉混交林更有利于土壤微生物量碳的積累。

圖3 不同人工恢復(fù)林土壤活性有機碳組分占總有機碳的比例Fig.3 Percentages of soil active organic carbon components to total organic carbon in different artificially restored forests

本研究中土壤不同活性有機碳組分分配比例以ROC/SOC最高,這與肖燁[29]等研究的易氧化有機碳占總有機碳的比例大于水溶性碳和微生物量碳的結(jié)果一致。土壤ROC/SOC和MBC/SOC的值在3種恢復(fù)林分中均以BF最高,且BF土壤ROC/SOC的值在0—10 cm土層達到65.5%,遠遠高于其他兩種林分,說明闊葉混交林土壤有機碳的活性更強,被氧化和礦化的潛力也更大；而BF土壤DOC/SOC的值在0—10 cm和10—20 cm土層略低于SP,但在20—40 cm和40—60 cm土層比后者增加的更快,表明闊葉混交林可以提高土壤有機碳的活性,更有利于活性碳的積累,從而為生物體供應(yīng)更多的有效碳。

從不同土層土壤活性有機碳占總有機碳比例的變化趨勢來看,與活性有機碳含量變化趨勢并不一致,說明土壤活性有機碳分配比例對不同恢復(fù)林分并沒有較大的敏感性,從而也證明了活性有機碳具有復(fù)雜多變性,其中的變化過程還需做更深入的研究。在森林恢復(fù)過程中,隨著歸還土壤的物質(zhì)增多,土壤有機碳在增加,其活性成分和非活性成分均有不同程度的增加。但從土壤活性有機碳的分配比例來看,活性碳只是土壤總有機碳的一部分,用于滿足植被自身生長外,還有相當(dāng)一部分碳是以非活性的形態(tài)作為潛在物質(zhì)儲存在土壤中。由于土壤有機碳及其組分的影響因素眾多,在一定條件下,土壤非活性有機碳與活性有機碳可能會相互轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

紅壤侵蝕地經(jīng)過30a的森林恢復(fù),雖然林木的生長逐漸趨于成熟,但土壤有機碳水平依然較低、有機碳的恢復(fù)主要集中在0—20 cm表層,顯示出土壤養(yǎng)分恢復(fù)緩慢,要達到亞熱帶地帶性森林的土壤肥力和功能還需要一個漫長的過程,需要加強后續(xù)的管理和維護。在不同的人工恢復(fù)林中,馬尾松與闊葉復(fù)層林土壤碳儲量更高,而闊葉混交林則更有利于土壤活性碳的積累,因此,對于紅壤侵蝕退化地森林恢復(fù)初期,可適當(dāng)密植和立體種植,以提高土壤碳儲量和土地肥力,并在馬尾松等先鋒樹種林分中補植闊葉樹種,以增加土壤活性有機碳含量,從而有利于土壤速效養(yǎng)分和土壤功能的快速恢復(fù)。

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Effects of artificially restored forests on soil organic carbon and active organic carbon in eroded red soil

ZHU Liqin, HUANG Rongzhen*, DUAN Honglang, JIA Long, WANG He, HUANG Shihua, YI Zhiqiang, ZHANG Wenfeng

NanchangInstituteofTechnology,JiangxiKeyLaboratoryofDegradedEcosystemRestorationandWatershedEcohydrology,Nanchang330099,China

Measuring soil organic carbon (SOC), especially active organic carbon, can be used to quickly evaluate the recovery of soil fertility and quality. Therefore, we performed field and laboratory experiments to investigate the vertical distribution of total and active organic carbon in different layers (0—60 cm) of eroded red soil in three typical artificially restored forests, i.e.,Pinusmassoniana-broadleaved multiple layer forest (PB),Schimasuperba-Pinusmassonianamixed forest (SP), and broad-leaved mixed forest (BF). The SOC and organic carbon storage in different forests decreased with increasing soil depth and were ranked as follows: PB > SP > BF. The accumulation coefficients of surface SOC ranged from 0.49 to 0.55, which indicated that the surface soil had a high capacity to recover and maintain organic carbon. Soil readily oxidized organic carbon (ROC), dissolved organic carbon (DOC), and microbial biomass carbon (MBC) were calculated as 0.92—9.17 g/kg, 535.89—800.46 mg/kg, and 27.24—261.31 mg/kg, respectively, exhibiting reductions with the increasing soil depth. The content of active organic carbon was generally higher in the BF; and ROC constituted the largest proportion of active organic carbon (i.e., ROC/SOC), followed by DOC (i.e., DOC/SOC), whereas MBC accounted for the smallest proportion (i.e., MBC/SOC). As soil depth increased, ROC/SOC and DOC/SOC exhibited decreasing and increasing trends, respectively, whereas MBC/SOC (microorganism entropy) varied erratically. The allocation to ROC/SOC was higher in the BF than in the other two forest types, which suggested that broad-leaved mixed forest is prone to the accumulation of active organic carbon. Therefore, we could develop dense planting and stereoscopic planting techniques to use at early stages of forest restoration, in order to improve the carbon density and fertility of degraded red soil, and broad-leaved species could be planted into pioneer coniferous forests, such as those dominated byPinusmassoniana, in order to increase the active organic carbon content and, therefore, facilitate the recovery of available nutrients and soil function.

artificially restored forest; total organic carbon; active organic carbon; red soil

國家自然科學(xué)基金資助項目(31160179)；江西省自然科學(xué)基金資助項目(20151BAB204033)；江西省水利廳科技資助項目(KT201546)； 江西省高?！笆濉彼帘３峙c荒漠化防治重點學(xué)科培育基金資助項目

2016- 07- 30;

2016- 11- 04

10.5846/stxb201607301560

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huangrz@nit.edu.cn

朱麗琴,黃榮珍,段洪浪,賈龍,王赫,黃詩華,易志強,張文鋒.紅壤侵蝕地不同人工恢復(fù)林對土壤總有機碳和活性有機碳的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(1):249- 257.

Zhu L Q, Huang R Z, Duan H L, Jia L, Wang H, Huang S H, Yi Z Q, Zhang W F.Effects of artificially restored forests on soil organic carbon and active organic carbon in eroded red soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):249- 257.