中國(guó)溫帶闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化特征

張 玲, 張東來(lái), 毛子軍

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040 2 黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所,哈爾濱 150081 3 黑龍江省林業(yè)科學(xué)院,哈爾濱 150081

中國(guó)溫帶闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化特征

張 玲1,2, 張東來(lái)3, 毛子軍1,*

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040 2 黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所,哈爾濱 150081 3 黑龍江省林業(yè)科學(xué)院,哈爾濱 150081

土壤有機(jī)碳礦化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球氣候變化關(guān)系密切,為準(zhǔn)確評(píng)估中國(guó)溫帶小興安嶺闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化特征及變化規(guī)律。以年代序列法代替群落次生演替過(guò)程,采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)(堿液吸收法)測(cè)定闊葉紅松林不同演替系列(中生演替系列、濕生演替系列、旱生演替系列)6種群落類型土壤有機(jī)碳礦化量和礦化速率。3個(gè)演替系列土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出一致的剖面變化特征,隨著土層深度的加深有機(jī)碳礦化量逐漸降少。且不同演替系列土層間有機(jī)碳礦化量不同,中生演替系列原始闊葉紅松林土壤有機(jī)碳累計(jì)礦化量最大,其次為旱生演替系列,濕生演替系列最小。3個(gè)演替系列土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)基本一致的趨勢(shì),即培養(yǎng)前期快速下降、后期逐漸趨于平穩(wěn)。3個(gè)演替系列6種群落類型土壤有機(jī)碳礦化差異顯著,表現(xiàn)為原始闊葉紅松林>白樺次生林>云冷杉紅松林>紅松楓樺次生林>蒙古櫟紅松林>蒙古櫟、黑樺次生林。闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)礦化采用非線性指數(shù)擬合效果較好。闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化與土壤全氮、凋落物量顯著正相關(guān),與土壤含水率、容重、土壤酸堿度顯著負(fù)相關(guān)。不同演替系列群落的演替歷史、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分狀況等生態(tài)因子是導(dǎo)致闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化差異的原因。

闊葉紅松林；演替系列；有機(jī)碳礦化；環(huán)境因子

土壤碳庫(kù)是地球表層最大的有機(jī)碳庫(kù),在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用[1- 3]。土壤有機(jī)碳礦化數(shù)量與強(qiáng)度可以反映土壤質(zhì)量狀況,同時(shí)可以評(píng)價(jià)人為因素或環(huán)境因素變化對(duì)其產(chǎn)生的影響[4]。

群落演替系列是完全不依據(jù)裸露地的土壤結(jié)構(gòu)-養(yǎng)分的不同,而是依據(jù)它們的特殊水分關(guān)系來(lái)進(jìn)行分類,分為旱生演替系列(xeroseres)、濕生演替系列(hydroseres)及中生演替系列(mesoseres)[5]。森林生態(tài)系統(tǒng)固碳過(guò)程中,森林演替起著非常重要的作用[6]。群落的演替過(guò)程也是植物與土壤相互影響的過(guò)程,土壤為植物的存在和發(fā)展提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ),植被的出現(xiàn)是對(duì)土壤不斷適應(yīng)和改造的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,地上部分植被逐步變化,地下碳積累也隨之發(fā)生改變[2]。國(guó)內(nèi)研究土壤有機(jī)碳礦化較多,主要涉及土地利用、外源有機(jī)物質(zhì)添加、不同溫度培養(yǎng)、不同含水量培養(yǎng)等[7- 13],然而人們對(duì)森林土壤活性碳庫(kù)動(dòng)態(tài)與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的聯(lián)系還知之甚少,對(duì)影響土壤碳動(dòng)態(tài)因素的理解仍然支離破碎[14],因?yàn)榇蠖鄶?shù)研究主要集中在單一的土壤類型或地點(diǎn),對(duì)于植被演替過(guò)程中土壤碳動(dòng)態(tài)及其驅(qū)動(dòng)力的規(guī)律性認(rèn)識(shí)仍非常有限。這無(wú)疑限制了人們對(duì)由于人類導(dǎo)致的氣候變化下未來(lái)森林生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì)的準(zhǔn)確估測(cè)[14-15]。因此系統(tǒng)研究森林演替過(guò)程中土壤有機(jī)碳礦化的特性及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制有助于準(zhǔn)確估測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳收支能力及未來(lái)動(dòng)態(tài),降低估測(cè)的誤差和不確定性,實(shí)現(xiàn)土壤碳的有效管理具有重要的理論及實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究樣地位于中國(guó)小興安嶺山脈黑龍江省涼水國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(47°10′50＂N、128°53′20＂E),該區(qū)具有明顯的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征,年均氣溫-0.3℃,年均最低氣溫-6.6℃,年均最高氣溫7.5℃,年降水量680 mm,無(wú)霜期120 d。地帶性植被為以紅松(Pinuskoraiensis) 為主的針闊混交林(即原始闊葉紅松林)。原始闊葉紅松林,林齡250 a以上。而20世紀(jì)50—80 年代被大面積砍伐已演變成以白樺、楓樺、山楊(Populusdavidiana)為主的闊葉次生林,林齡在40a以上,樣地概況如表1。該地區(qū)為典型的低山丘陵地貌,海拔為300—500 m,坡度多為10°—25°,地帶性土壤類型為暗棕壤[18],土壤基本情況如表2。

表1 不同演替系列典型群落類型樣地概況

PKF:Pinuskoraiensisforest; BCF:Betulacostata-Pinuskoraiensisforest; PPF:Piceakoraiensis-Pinuskoraiensisforest; BPF:Betulaplatyphylla-Pinuskoraiensisforest; QMF:Quercusmongolica-Pinuskoraiensisforest; BDF:Butuladayurica-Pinuskoraiensisforest

表2 不同演替系列土壤基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中生演替系列選擇原始闊葉紅松林和紅松楓樺次生林；濕生演替系列選擇云冷杉紅松林和白樺次生林；旱生演替系列選擇蒙古櫟紅松林和蒙古櫟、黑樺次生林為研究對(duì)象,每種演替系列選擇相似立地條件的頂級(jí)群落和主要次生演替群落,每個(gè)群落選3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地,樣地面積為20 m×20 m,每個(gè)樣地取3個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)做土壤剖面,每個(gè)剖面分別在0—10,10—20,20—40,40—60 cm分層取樣,每種群落類型共取36個(gè)土樣,每個(gè)點(diǎn)共取土樣1 kg左右,將新鮮土樣去除根系、凋落物等,過(guò)2 mm篩后分成兩部分,一部分裝入無(wú)菌塑料袋密封后4℃冰箱保存,一部分風(fēng)干處理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳含量：重鉻酸鉀-外加熱法。土壤全氮(TN)用凱氏定氮法。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和自然含水率；pH采用水土比2.5∶1,pH計(jì)測(cè)定。土壤沙粒比采用吸管法(0.25—1 mm)；凋物量采用0.5 m×0.5 m面積,烘干稱重。

土壤礦化碳采用室內(nèi)密閉的堿液吸收培養(yǎng)法, 稱取過(guò)2mm篩的風(fēng)干土樣100 g于500 mL呼吸瓶底部,調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的(60±5)%,將盛有20 mL 0.5 mol/L NaOH溶液的吸收瓶小心懸掛在土壤的上方,將呼吸瓶蓋緊,并用封口膜密封,保證密封性。密封廣口瓶口后于(25±1)℃恒溫培養(yǎng)培養(yǎng)91 d。培養(yǎng)期間,每 5 d 換1次氣。在培養(yǎng)的第2、4、8、12、16、23、30、37、44、51、61、71、81、91天,然后將NaOH完全轉(zhuǎn)移于100 mL 三角瓶中,加入1 mol/L 的BaCl220 mL和酚酞指示劑2滴, 用0.5 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定至紅色消失。同時(shí),以20 mL蒸餾水代替土壤作為對(duì)照,通過(guò)消耗的HCl量計(jì)算出在此期間內(nèi)釋放的碳的摩爾質(zhì)量,土壤有機(jī)碳礦化采用釋放CO2量折合成有機(jī)碳含量。進(jìn)而求出有機(jī)碳的分解量及分解速率。每處理重復(fù)3次。

2016年許昌市主城區(qū)綠地建設(shè)狀況：城市綠地總面積達(dá)到1227公頃，城市中心區(qū)人均公共綠地6.5平方米，城市建成區(qū)綠化覆蓋率達(dá)32.68%，呈現(xiàn)出“城區(qū)綠島、城郊林帶、城外林網(wǎng)”的城市森林景觀，形成了200多公里的城市生態(tài)防護(hù)林體系。2017年許昌市主城區(qū)綠地建設(shè)狀況：全市建成區(qū)綠地率36.46%，綠化覆蓋率40.62%，人均公園綠地面積12.34平方米，公園數(shù)量逐年增加。

1.4 土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程數(shù)據(jù)分析

采用非線性曲線指數(shù)函數(shù)擬合,利用SPSS 19.0 軟件和LSD多重比較法檢驗(yàn)差異顯著性(α=0.05)；利用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)各因素間的關(guān)系,并進(jìn)行有機(jī)碳礦化方程的擬合,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的擬合采用Origin 8.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化特征

圖1 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化量Fig.1 Mineralization carbon of SOC in different sucession series

結(jié)果表明,不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化量均表現(xiàn)為表層高于底層的規(guī)律,且不同演替系列土層間有機(jī)碳礦化量不同,其中中生演替系列原始闊葉紅松林土壤有機(jī)碳礦化量最大,其次為旱生演替系列的蒙古櫟紅松林,旱生演替系列中的蒙古櫟、黑樺林土壤有機(jī)碳礦化量最小(圖1)。中生演替系列原始林與次生林土壤有機(jī)碳礦化量極顯著差異(P<0.01),原始闊葉紅松林0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤有機(jī)碳礦化累計(jì)量占整個(gè)剖面的比例的62.39%和22.72%,紅松楓樺次生林0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤有機(jī)碳礦化碳占整個(gè)剖面比例的58.26%和27.82%,濕生演替系列云冷杉紅松林0—10 cm和10—20 cm層土壤礦化量占整個(gè)剖面的53.16%和19.07%；白樺次生林0—10 cm層和10—20 cm層占整個(gè)剖面的53.15%和18.78%,濕生演替系列2個(gè)演替階段土壤垂直結(jié)構(gòu)有機(jī)碳礦化量差異不顯著。旱生演替系列土壤有機(jī)碳礦化量達(dá)到顯著差異(0.01

2.2 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化率總體特征

不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)基本一致的趨勢(shì)(圖2—圖4),即培養(yǎng)前期快速下降、后期逐漸趨于平穩(wěn)。中生演替系列2個(gè)群落差異性極顯著(P<0.01),配對(duì)效果檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.988?；貧w分析表明,培養(yǎng)期間中生演替系列2個(gè)群落土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間的變化符合指數(shù)函數(shù),擬合效果均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),闊葉紅松林和紅松楓樺次生林中的R2分別達(dá)到0.98751和0.99388(表3)。中生演替系列土壤礦化特征為：0—15 d快速礦化,15—30 d,礦化速率總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；30—91 d,礦化速率趨于穩(wěn)定(圖2)。

濕生演替系列土壤礦化特征為：云冷杉紅松林0—10 d快速礦化,11—91 d,礦化速率總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。白樺次生林0—16 d快速礦化,17—71 d,礦化速率總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),72—91 d趨于穩(wěn)定。濕生演替系列總體推理假設(shè)及其檢驗(yàn)認(rèn)為云冷杉紅松林與白樺次生林土壤有機(jī)碳礦化差異不顯著,配對(duì)效果檢驗(yàn)系數(shù)為0.966(P<0.01),很顯著。培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間的變化符合指數(shù)函數(shù),擬合效果均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),R2分別達(dá)到0.93475和0.98857(圖3)。

圖2 中生演替系列土壤有機(jī)碳礦化率Fig.2 Soil SOC mineralization rate in mesoseres series

圖3 濕生演替系列土壤有機(jī)碳礦化率Fig.3 Soil SOC mineralization rate in hydroseres series

旱生演替系列土壤礦化特征為：0—12 d快速礦化,13—91 d,礦化速率總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。旱生演替系列土壤有機(jī)碳礦化率配對(duì)效果檢驗(yàn)系數(shù)為0.992(P<0.05),很顯著?；貧w分析表明,培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間的變化符合指數(shù)函數(shù),擬合效果均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),R2分別達(dá)到0.97584和0.9927(圖4)。

圖4 旱生系列土壤有機(jī)碳礦化率Fig.4 Soil SOC mineralization rate in xeroseres series

2.3 不同群落類型土壤有機(jī)碳礦化率垂直特征

小興安嶺闊葉紅松林不同演替系列6種群落類型土壤礦化率總體表現(xiàn)為原始闊葉紅松林>白樺次生林>云冷杉紅松林>紅松楓樺次生林>蒙古櫟紅松林>蒙古櫟、黑樺次生林。原始闊葉紅松林0—10 cm層平均礦化率達(dá)到112.57 mg kg-1d-1,10—20 cm為45.58 mg kg-1d-1,20—40 cm為18.31 mg kg-1d-1,40—60 cm為10.81 mg kg-1d-1,而紅松楓樺林平均礦化率4層分別為：83.90、35.17、10.21,8.79mg kg-1d-1。云冷杉紅松林0—10 cm層培養(yǎng)礦化率達(dá)到為78.48 mg kg-1d-1；10—20 cm層為38.59 mg kg-1d-1,20—40 cm為21.29 mg kg-1d-1；40—60 cm為16.06 mg kg-1d-1,白樺次生林0—10 cm層礦化率為：90.54 mg kg-1d-1；10—20 cm層為25.70 mg kg-1d-1；20—40 cm層為20.58 mg kg-1d-1；40—60 cm層為21.78 mg kg-1d-1；蒙古櫟紅松林礦化率4層平均值63.03、34.08、14.51、3.98 mg kg-1d-1蒙古櫟黑樺次生林4層礦化率平均值為34.74、21.05、12.05、11.71 mg kg-1d-1(圖5)。

2.4 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化與生境關(guān)系

不同演替系列6種群落類型土壤有機(jī)碳礦化與土壤含水率、土壤酸堿度、土壤容重負(fù)相關(guān),與土壤全氮、凋落物量、沙粒比顯著正相關(guān)(表4)。土壤有機(jī)碳礦化與土壤全氮含量和凋落物量的關(guān)系最密切,相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)到0.458(P<0.01)和0.461(P<0.01)；土壤中沙粒比對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響也較明顯,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.332,說(shuō)明土壤質(zhì)地和養(yǎng)分含量的高低對(duì)土壤有機(jī)碳礦化也會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 群落類型土壤有機(jī)碳礦化率垂直結(jié)構(gòu)Fig.5 The mineralization ratios of SOC in different community

3 討論

3.1 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化規(guī)律

小興安嶺闊葉紅松林中生演替系與濕生、旱生演替系列土壤有機(jī)碳礦化量差異顯著(P<0.05),濕生演替與旱生演替系列土壤有機(jī)碳礦化差異不顯著。中生演替系列礦化碳累積量最多,其次是旱生演替系列,濕生演替系列最低。本研究認(rèn)為產(chǎn)生差異的主要原因首先是群落發(fā)展歷史,即演替時(shí)間,Zhang認(rèn)為土壤有機(jī)碳礦化累積量隨著林齡的增長(zhǎng)而增加[8],Deng對(duì)中國(guó)甘肅黃土高源不同演替系列土壤活性有機(jī)碳研究表明,演替時(shí)間為150a次生演替群落活性有機(jī)碳、全氮、碳氮比明顯著高于次生演替為50a齡林的群落[19]。本研究中中生演替系列原始闊葉紅松林林齡約為250a,次生演替系列林齡約為40a[18],原生植被從原先曾為植物所占住的土壤獲得巨大的好處,已含有具氮素的腐殖質(zhì),維持著一個(gè)活躍的微生物群,使腐爛的根系及枯枝層養(yǎng)分比起從前更為豐富[5],積累了更多的有機(jī)碳,而土壤有機(jī)碳含量與礦化碳顯著正相關(guān)[20]。其次,中生演替系列群落發(fā)育成熟,群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜物種多樣性豐富,土層較厚,其土層厚度達(dá)到35—50 cm,且濕度適宜,養(yǎng)分釋放與歸還能力強(qiáng)[21]。濕生演替系列演替初期是沼澤或濕地,對(duì)某些原生植物而言是脅迫狀態(tài)不利于其生長(zhǎng),而且在多水生境上開(kāi)始的群落,隨水分的增加,限制了土壤微生物活性,進(jìn)而影響土壤活性有機(jī)碳的積累和釋放[11]。旱生演替系列土層厚度為15—40 cm,而土壤含水率較低,旱生演替系列土壤幾乎是貧瘠的和無(wú)結(jié)構(gòu)的,某些養(yǎng)分可能嚴(yán)重地不足,這樣,植被發(fā)展的速度就受到這些限制因子的制約,進(jìn)而影響土壤活性有機(jī)碳礦化積累與釋放[22]。

表3 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化率擬合

表4 3個(gè)演替系列土壤有機(jī)碳礦化與土壤因子相關(guān)性分析

** 在 0.01水平上顯著相關(guān); * 在 0.05水平上顯著相關(guān)

3.2 不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化影響因素

小興安嶺闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化與凋落物量和土壤全氮量顯著正相關(guān)(R=0.383；R=0.458),與土壤含水率、土壤容重、沙粒比顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表4)。一方面原因可能是不同群落類型的微氣候環(huán)境、地被物、根系分布模式、凋落物化學(xué)組成及活性的不同都會(huì)導(dǎo)致微生物活性的不同[23-24]。本研究原始林均為針闊葉混交林,次生林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種多為闊葉樹(shù)種,次生林結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,郁閉度相對(duì)原始林小(表2),6種群落類型的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種和其他植被組成都不盡相同,凋落物組成有很大的不同,生境條件及其植物自身的生理活動(dòng)特點(diǎn)也不同,形成了不同的土壤有機(jī)質(zhì)的輸入和輸出方式,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳礦化的變化[25]。王淼對(duì)闊葉紅松林、岳樺林和冷杉暗針葉林礦化碳進(jìn)行研究,認(rèn)為闊葉紅松林土壤有機(jī)碳礦化率最高,岳樺林次之,冷杉林最低[23]。同時(shí),劉瑞鵬[26]、郭鯤[27]等研究模擬增溫和凋落物基質(zhì)質(zhì)量對(duì)凋落物分解速率的影響研究結(jié)果表明,在同一溫度下混合凋落物分解速率大于單一凋落物分解速率。其次,土壤氮含量和存在形式在演替的不同時(shí)期存在顯著差別[28],結(jié)果表明,不同演替系列原始林土壤全氮含量大于次生林全氮含量(表2),即闊葉紅松林>紅松楓樺次生林；云冷杉紅松林>白樺次生林；蒙古櫟紅松林>蒙古櫟黑樺次生林,與土壤有機(jī)碳礦化變化情況一致,因?yàn)橹参锍浞掷玫匦纬缮锪慷鴮?dǎo)致的礦化碳積累增加[29],說(shuō)明土壤中氮的含量可能是影響土壤有機(jī)碳滯留的重要因素[30]。姜培坤發(fā)現(xiàn)土壤活性有機(jī)碳與TN之間存在很好的相關(guān)性[31],由此進(jìn)一步說(shuō)明土壤中氮的含量會(huì)影響土壤有機(jī)碳礦化作用。在這個(gè)過(guò)程中,地上部分植被逐步演替, 帶來(lái)地下部分碳平衡及累積速率發(fā)生改變[32]。再次,土壤緊實(shí)度與土壤有機(jī)碳礦化呈極顯著的負(fù)相關(guān),中生演替系列土壤緊實(shí)度稍緊(緊實(shí)度1.16—1.19 g/cm3),土壤通氣性、保水能力較好,微生物活動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化不受影響。旱生系列土壤層較薄,土層較松(平均1.01—1.05 g/cm3),濕生演替系列土層稍厚些,但緊實(shí)度稍緊,影響土壤微生物活動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。因此,一般地說(shuō),一個(gè)演替系列中的每個(gè)群落對(duì)于改變大的環(huán)境,起著一定的作用。

3.3 土壤有機(jī)碳礦化與植被類型的關(guān)系

植被是土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源,植被類型不同,有機(jī)碳輸出方式不同,有機(jī)碳礦化也就不同[33]?？傮w上3個(gè)系列均為原始林土壤有機(jī)碳礦化率高于次生林,這與李菲、廖洪凱研究結(jié)果一致[34-35]。中生演替系列中闊葉紅松林與紅松楓樺次生林土壤有機(jī)碳礦化量差異極顯著(P<0.01),濕生演替系列云冷杉紅松林與白樺次生林差異不顯著(P>0.05),旱生演替系列蒙古櫟紅松林與蒙古櫟、黑樺次生林土壤有機(jī)碳礦化差異極顯著(P<0.01)。闊葉紅松林東南坡位,地勢(shì)較平緩,物種多樣性豐富,紅松楓樺次生林樣地位于陽(yáng)坡上部陡坡,坡度較大,土壤中的有機(jī)物質(zhì)及凋落物容易被雨水帶走,不利于有機(jī)碳的累積[36],云冷杉紅松林土壤濕度較白樺次生林土壤濕度大,50 cm以下長(zhǎng)年積水,這種環(huán)境有利于凋落物分解,通過(guò)淋溶作用進(jìn)入土壤層有機(jī)物質(zhì)就多。因此,云冷杉紅松林土壤有機(jī)碳礦化量碳積累較白樺次生林多。蒙古櫟、黑樺次生林在次生林區(qū)的岡脊部位,尤其經(jīng)反復(fù)破壞和火燒后,是諸立地類型中最為干旱瘠薄的一類,土層厚度最薄,其優(yōu)勢(shì)種是比較耐旱的蒙古櫟和黑樺。群落類型不同,凋落物組成、土壤酸堿度不同,微生物活性不同,不同群落類型有機(jī)碳礦化量取決于植物品種和凋落物輸入和分解,同時(shí)也取決于土壤的性質(zhì),均會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化的差異。

4 結(jié)論

中國(guó)溫帶小興安嶺闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化差異顯著。中生演替系列原始闊葉紅松林土壤有機(jī)碳累計(jì)礦化量最大,其次為旱生演替系列,濕生演替系列最小。3個(gè)演替系列6種群落類型土壤有機(jī)碳礦化累積量總體上表現(xiàn)為原生演替系列大于次生演替系列。3個(gè)演替系列6種群落類型土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)基本一致的趨勢(shì),即培養(yǎng)前期快速下降、后期逐漸趨于平穩(wěn)。闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化與土壤全氮、凋落物量顯著正相關(guān),與土壤含水率、容重、土壤酸堿度顯著負(fù)相關(guān)。不同演替系列群落的演替歷史、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分狀況等生態(tài)因子是導(dǎo)致闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化差異的原因。

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CharacteristicmineralizationofsoilorganiccarbonindifferentsuccessionalseriesofbroadleavedKoreanpineforestsinthetemperatezoneinChina

ZHANG Ling1,2, ZHANG Donglai3, MAO Zijun1,*

1KeyLaboratoryofForestPlantEcologyofMinistryofEducation,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China2ForestryResearchInstituteofHeilongjiangProvince,Harbin150081,China3HeilongjiangAcademyofForestry,Harbin150081,China

The soil carbon cycle and global climate change are closely related to the mineralization of carbon in terrestrial ecosystems. To accurately assess the characteristics of carbon mineralization and variation in the mineralization of carbon in different succession series (mesosere series, hydrosere series, and xerosere series) in the broadleaved Korean pine forests of the Xiaoxing′an Mountains in the temperate zone of China, we measured the mineralization of carbon and the mineralization rate based on the chronosequence method. The results showed that the carbon mineralization rate and the extent of carbon mineralization in the three successional series exhibited consistent cross-sectional variation, and gradually decreased with depth. The extent of carbon mineralization in the different successional series was different. The virgin forest accumulated soil organic carbon and mineralization in the mesosere was the greatest among the three series, followed the xerosere and hydrosere series. The carbon mineralization rate of the three successional series varied with time and exhibited a consistent trend (decreasing quickly during the first stage and gradually stabilizing). The six kinds of community-type carbon mineralization in the three successional series were significantly different. The carbon mineralization rate of the three successional series in broadleaved Korean pine forests was original forest >Betulaplatyphylla-Pinuskoraiensisforest >Piceakoraiensis-Pinuskoraiensisforest >Betulacostata-Pinuskoraiensisforest >Quercus-mongolica-Pinuskoraiensisforest >Betuladavurica-Pinuskoraiensisforest. Mesosere series carbon mineralization fit a nonlinear exponential better. Carbon mineralization of soil organic carbon was significantly positively correlated with soil total nitrogen and litter-fall amount in different successional series in the broadleafed Korean pine forests, and negatively correlated with soil moisture, soil bulk density, and soil pH. In short, successional histories, soil texture, and nutrient status resulted in differences in soil organic carbon mineralization of the different succession series in the broadleaved Korean pine forests.

Korean pine forests; succession; mineralization of soil organic carbon; environmental factors

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31270494,31600485)；黑龍江省林業(yè)科學(xué)院基金資助(201403)

2016- 07- 11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zijunm@nefu.ede.cn

10.5846/stxb201607111415

張玲, 張東來(lái), 毛子軍.中國(guó)溫帶闊葉紅松林不同演替系列土壤有機(jī)碳礦化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(19):6370- 6378.

Zhang L, Zhang D L, Mao Z J.Characteristic mineralization of soil organic carbon in different successional series of broadleaved Korean pine forests in the temperate zone in China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6370- 6378.