不同松櫟混交林土壤溶解性有機(jī)碳氮的差異分析

楊果果, 孔玉華, 趙佳寶, 馮志培, 范貝貝, 楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 鄭州 450002)

不同松櫟混交林土壤溶解性有機(jī)碳氮的差異分析

楊果果, 孔玉華, 趙佳寶, 馮志培, 范貝貝, 楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 鄭州 450002)

為揭示北亞熱帶地區(qū)不同林分類型的土壤活性碳氮分布特征，在駐馬店市南部山區(qū)選取4處具有代表性的松櫟人工混交林為研究對(duì)象，對(duì)其0—20 cm土壤的溶解性有機(jī)碳(DOC)，溶解性有機(jī)氮(DON)等組分進(jìn)行研究。結(jié)果表明：4種林型土壤DOC的含量為麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林>馬尾松麻櫟混交林，DON的含量為馬尾松麻櫟混交林>麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林，不同林分類型間整體上差異性顯著(p<0.05)；在垂直剖面上，4種林型土壤DOC和DON均隨土層深度的增加而顯著性下降(p<0.05)。4種林分類型DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON分別以麻櫟純林、馬尾松麻櫟混交林、麻櫟純林最高，在垂直空間分布上，差異性整體上不顯著。土壤DOC和DON與土壤含水率、土壤硬度、速效鉀、全氮均呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)相關(guān)性。

麻櫟; 溶解性有機(jī)碳; 溶解性有機(jī)氮; 混交林

溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)是非常活躍的有機(jī)碳組分[1]，占土壤有機(jī)碳的比例很少[2]，具有周轉(zhuǎn)速率快、易分解、生物活性高等特征[3]。溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen，DON)是重要的土壤營(yíng)養(yǎng)庫(kù)，礦化和硝化速率較快[4]。土壤DOC和DON含量易受到土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)量、地形、氣候、植被類型等因素的影響[5-6]，其微弱的變化都可能會(huì)影響土壤DOC和DON的轉(zhuǎn)化過(guò)程。Cookson[7]、Kemmitt[8]等研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度、水分、pH值等均對(duì)土壤DOC和DON的轉(zhuǎn)化和消耗有影響。Qualls等[9]提出土壤DOC和DON主要來(lái)源于新進(jìn)的凋落物，由此可見(jiàn)，林木的組成對(duì)土壤DOC和DON的來(lái)源和轉(zhuǎn)化尤為重要，國(guó)內(nèi)外關(guān)于林分類型和垂直剖面上土壤DOC和DON的分布、轉(zhuǎn)化和積累等方面已經(jīng)做了大量的研究工作，曾全超等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同喬木林下土壤DOC和DON有不同程度的差異性，趙佳寶等[11]研究馬尾松麻櫟混交林時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分、坡向、土層深度和胸高斷面積對(duì)土壤DOC和DON含量有影響。但是關(guān)于北亞熱帶地區(qū)不同松櫟混交林的土壤DOC和DON分布的差異研究還未見(jiàn)報(bào)道。

麻櫟(Quercusacutissima)，殼斗科櫟屬，是優(yōu)良的硬闊葉用材樹種，具有生長(zhǎng)迅速、耐干旱瘠薄和水土保持功能，是一種具有廣闊的開發(fā)前景的能源樹種[12]，麻櫟在北亞熱帶地區(qū)分布廣泛，是重要的森林資源，這一地區(qū)屬于亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡區(qū)，對(duì)氣候變化具有敏感性，關(guān)于北亞熱帶的麻櫟混交林土壤DOC和DON積累和轉(zhuǎn)化的研究變得尤為重要。本研究選擇了駐馬店南部低山丘陵區(qū)3處具有代表性的馬尾松、濕地松、火炬松和麻櫟的松櫟人工混交林，以麻櫟純林為對(duì)照，進(jìn)行研究4種林分類型土壤溶解性有機(jī)碳氮的差異，探討人工林生態(tài)系統(tǒng)的土壤DOC和DON的轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)機(jī)理，以期為北亞熱帶地區(qū)松櫟人工混交林地的土壤有機(jī)碳氮積累和土壤質(zhì)量改善提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省駐馬店市確山縣薄山林場(chǎng)和泌陽(yáng)縣馬道林場(chǎng)，是桐柏山系余脈，地處東經(jīng)113°23′—114°30′，北緯32°24′—32°45′。該區(qū)位于亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡區(qū)，屬于大陸性季節(jié)氣候，年平均降雨量約為850～960 mm，年平均氣溫約為15.1℃，日照時(shí)長(zhǎng)約2 140 h，無(wú)霜期約為220 d。土壤以黃棕壤和黃褐土為主。主要植被為馬尾松(Pinusmassoniana)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，麻櫟(Quercusacutissima)，栓皮櫟(Quercusvariabilis)，側(cè)柏(Platycladusorientalis)，楊樹(Populusspp)等，以及稀有樹種濕地松(Pinuselliottii)，火炬松(Pinustaeda)等。

表1 研究區(qū)樣地的基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取 于2014年7月先后在研究區(qū)薄山林場(chǎng)和馬道林場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查采樣，為盡可能減少對(duì)森林資源的破壞，選取4處具有代表性的人工林樣地作為研究對(duì)象，分別為馬尾松麻櫟混交林(馬×麻)，濕地松麻櫟混交林(濕×麻)，火炬松麻櫟混交林(火×麻)以及麻櫟純林。樣地選擇坡面相對(duì)均勻、人為干擾較少、胸徑處的年輪變化大致相同的區(qū)域，設(shè)置面積為20 m×20 m的樣方。采用羅盤儀對(duì)選取過(guò)的樣地進(jìn)行測(cè)量，用每木檢尺法逐一測(cè)定樣方內(nèi)林木(胸徑≥2 cm)的胸徑和樹高，并記錄調(diào)查樣地的名稱、海拔、經(jīng)緯度、樹高、坡度、坡向、胸徑等信息(表1)。

1.2.2 土壤取樣 在每1個(gè)人工林樣地中所選擇的20 m×20 m的樣方內(nèi)按照對(duì)角線設(shè)定3個(gè)取樣點(diǎn)，樣點(diǎn)間隔≥1 m，清理土壤表面的枯落物等雜質(zhì)后，使用環(huán)刀取樣法分別取0—10 cm，10—20 cm的土層，裝入已記錄好對(duì)應(yīng)的采樣編號(hào)、地點(diǎn)和深度的密封袋中，留測(cè)土壤中根系生物量；在環(huán)刀所取位置挖取剖面，每個(gè)剖面分為0—10 cm，10—20 cm的土層，每個(gè)土層取約1 kg的混合樣品(四分法)另放入同上已記錄好的密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定和分析。

1.2.3 分析方法 采用烘干法測(cè)定土壤含水量和根系密度，采用山中式土壤硬度計(jì)測(cè)定土壤硬度，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，用土壤粒徑粒型測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量(Mastersizer 2000，Malvern，英國(guó))測(cè)定土壤顆粒組成，將土壤顆粒按粒徑分為黏粒(0～0.002 mm)，粉粒(0.002～0.02 mm)，砂粒(0.02～2 mm)。土壤pH值采用酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)量銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、DOC和DON，土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮測(cè)定采用半微量開氏法，采用乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定土壤中速效鉀含量，采用鹽酸—氟化銨提取鉬銻抗比色法測(cè)定土壤中速效磷含量，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定樣品中堿解氮。

表2 研究區(qū)供試土壤的物理性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

表3 研究區(qū)供試土壤的化學(xué)性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

1.2.4 數(shù)據(jù)處理和分析 采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和檢驗(yàn)不同松櫟林分類型DOC，DON，DON/TN，DOC/SOC，DOC/DON的差異性，并用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較和對(duì)土壤溶解性有機(jī)碳氮與理化性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性分析，采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溶解性有機(jī)碳氮的分布

4種林型土壤DOC含量在77.09～131.89 mg/kg范圍波動(dòng)，常晨暉等[13]研究發(fā)現(xiàn)川西高山森林土壤DOC含量為33.1～448.2 mg/kg，和其他研究者結(jié)論一致。土壤DOC含量從大到小的順序?yàn)槁闄导兞?濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林>馬尾松麻櫟混交林，在0—10 cm和10—20 cm混交林土壤中的DOC含量均顯著(p<0.05)低于麻櫟純林，0—10 cm土層中濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林分別是麻櫟純林土壤DOC含量的79.85%，57.61%，63.72%；10—20 cm土層中濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林分別是麻櫟純林土壤DOC含量的82.51%，61.88%，58.45%。隨著土層深度的增加，不同林型中DOC含量均呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)，在濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林、麻櫟純林0—10 cm土層DOC含量分別比10—20 cm高出10.53%，6.34%，24.52%，14.22%。

土壤DON含量以馬尾松麻櫟混交林最高，高達(dá)11.36 mg/kg，在0—10 cm土層，以麻櫟純林最高，為12.9 mg/kg，在10—20 cm土層，以馬尾松麻櫟混交林最高，為11.09 mg/kg，濕地松麻櫟混交林次之，為8.59 mg/kg。在0—10 cm和10—20 cm土層，火炬松麻櫟混交林中土壤DON含量均是最低的。在Chen等[14]發(fā)現(xiàn)土壤溶解性有機(jī)氮含量的范圍為5～45 mg /kg。隨著土層深度的增加，不同林型中DON含量均呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)，在濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林、麻櫟純林0—10 cm的DON含量分別比10—20 cm高出10.36%，4.99%，13.35%，63.64%，其中以麻櫟純林中土壤DON含量變化最為顯著。

2.2 DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON的變化特征

4種林型土壤DOC/SOC以麻櫟純林土壤最高，為2.11‰，均高于松櫟混交林，與火炬松麻櫟混交林的差異性不顯著。在不同林型中不同土層深度土壤DOC/SOC，除了火炬松麻櫟混交林10—20 cm顯著(p<0.05)高于0—10 cm，整體上以0—10 cm低于10—20 cm，其中麻櫟混交林0—10 cm顯著低于10—20 cm。土壤DON占TN的比例大小為38.18%～53.39%，其由大到小的順序?yàn)轳R尾松麻櫟混交林>麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林，其中，馬尾松麻櫟混交林DON/TN顯著(p<0.05)高于其他林型，但不同土層深度土壤DON/TN的比值差異性均不顯著。土壤溶解性有機(jī)碳氮比以馬尾松麻櫟混交林最低，其他林型整體上差異性不顯著，不同土層深度以麻櫟純林差異最為顯著，3種混交林的垂直分布上的DOC/DON差異性均不顯著。

表4 4種林型DOC和DON的含量

注：字母區(qū)分不同處理的比較，不同大寫字母表示同種林分類型不同土層深度數(shù)據(jù)的差異顯著性(p<0.05)；不同小寫字母表示同一土層深度不同林分類型數(shù)據(jù)的差異顯著性(p<0.05)。

2.3 土壤溶解性有機(jī)碳氮與理化性質(zhì)的相關(guān)性

通過(guò)分析研究區(qū)土壤溶解性有機(jī)碳氮與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，可以看出：土壤DOC與土壤含水率、速效鉀、全氮、有機(jī)碳、銨態(tài)氮均達(dá)成極顯著水平(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系，與土壤硬度呈極顯著水平(p<0.01)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與速效磷存在顯著(p<0.05)的負(fù)相關(guān)性，姜培坤[15]，張彪[16]等研究發(fā)現(xiàn)：土壤DOC與土壤SOC、全氮、速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮含量有顯著或極顯著相關(guān)性。土壤DON與速效鉀、全氮存在極顯著水平(p<0.01)的正相關(guān)，與土壤含水率存在顯著(p<0.05)正相關(guān)關(guān)系，和土壤硬度呈顯著(p<0.05)負(fù)相關(guān)關(guān)系。王清奎[17]，李淑芬[18]等研究發(fā)現(xiàn)土壤DON與速效鉀、全氮等存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。

表5 土壤溶解性有機(jī)碳氮與理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù) (自由度n=23)

3 討 論

不同的林分類型受到不同樹種的自身生物學(xué)特征的影響，導(dǎo)致了林內(nèi)的水分、溫度、光照等環(huán)境和凋落物種類和數(shù)量的差異。本研究發(fā)現(xiàn)不同林型中的DOC含量差異性顯著(p<0.05)，麻櫟純林和濕地松麻櫟混交林的土壤DOC含量較高，造成這種差異原因有植被類型、土壤養(yǎng)分等因素，不同的林分類型中凋落物分解速率有差異[19]，從而影響到土壤DOC含量，一方面可能由于其土壤含水率較高(表2)，更有利于植物凋落物的分解，進(jìn)而增加土壤DOC的含量；另一方面可能是其土壤SOC含量較高，為微生物提供了必需物質(zhì)，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)[20]，加速土壤有機(jī)物的分解，進(jìn)而影響土壤DOC的轉(zhuǎn)化，研究也發(fā)現(xiàn)4種林型土壤DOC的含量變化和DOC/SOC變化規(guī)律基本一致(表4)，表明較高的土壤SOC，能促進(jìn)土壤DOC的增加。相關(guān)性分析也表明了土壤DOC與土壤含水率、速效鉀、全氮、有機(jī)碳、銨態(tài)氮均達(dá)成極顯著水平(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，不同林型中的DON含量差異性顯著(p<0.05)，麻櫟純林和馬尾松麻櫟混交林的土壤DON含量較高，分析其原因首先可能是土壤DON受到土壤TN的影響，研究也發(fā)現(xiàn)4種林分類型DON/TN的變化和土壤DON的含量變化規(guī)律基本一致(表4)，表明較高的土壤TN，能促進(jìn)土壤DON的轉(zhuǎn)化。相關(guān)性分析也表明了土壤DON與TN、速效鉀存在極顯著水平(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系。其次土壤DON是植物和微生物直接利用的氮源，在氮循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色，說(shuō)明土壤DON含量的變化與林木的生長(zhǎng)關(guān)系密切。另外，4種林型土壤DOC/DON以馬尾松麻櫟混交林的比值最低，F(xiàn)ile[6]等提出土壤DOC/DON與有機(jī)質(zhì)有關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)較低，其DOC/DON也會(huì)降低，本研究中4種林型的土壤DOC/DON的比值與土壤有機(jī)質(zhì)關(guān)系符合File的研究結(jié)果，而凋落物的質(zhì)量和數(shù)量影響著土壤有機(jī)質(zhì)的積累，從而可以推斷不同林分類型的植被種類對(duì)土壤DOC和DON含量有影響。

本研究中在4種林型均出現(xiàn)表層的土壤DOC和DON含量顯著(p<0.05)大于下層，汪偉等[21]在研究羅浮栲天然林土壤可溶性有機(jī)碳的剖面分布及季節(jié)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤DOC隨著土層深度的增加而減少；沈玉芳等[22]研究黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)施肥對(duì)黑麥草農(nóng)田土壤水溶性有機(jī)碳、氮的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)在0—20 cm土層的土壤DOC和DON含量均大于20—40 cm土層。主要原因：一是表層大量凋落物輸入形成了枯枝落葉層，為土壤微生物生長(zhǎng)提供了豐富的碳源和氮源,促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化[23]，增加土壤DOC和DON的來(lái)源[24]。二是由于表層土壤的水分充足、有機(jī)碳、全氮的含量均較高，通氣性好，微生物活性比下層劇烈，從而有利于表層土壤DOC和DON的積累。以上進(jìn)一步證明了凋落物層是土壤DOC和DON的重要來(lái)源。

4 結(jié) 論

通過(guò)不同松櫟人工混交林0—20 cm土壤DOC和DON的分布特征的研究發(fā)現(xiàn)：4種林型土壤DOC和DON的含量大小順序分別為麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林>馬尾松麻櫟混交林、麻櫟混交林>麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林，且均隨土層深度的增加而呈顯著性下降趨勢(shì)。土壤中DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON分別以麻櫟純林、馬尾松麻櫟混交林、麻櫟純林最高。土壤DOC和DON均土壤含水率、土壤硬度、速效鉀、全氮等土壤理化性質(zhì)均呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性，進(jìn)一步證明了土壤DON和DOC變化與植被類型、土層深度及土壤理化性質(zhì)關(guān)系密切。

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DifferencesofDissolvedOrganicCarbonandNitrogeninSoilsofFourMixedPine-OakPlantations

YANG Guoguo, KONG Yuhua, ZHAO Jiabao, FENG Zhipei, FAN Beibei, YANG Xitian

(CollegeofForestry,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

In order to reveal the distribution characteristics of soil active carbon and nitrogen in different forest types in the north subtropics, four typical representative mixed plantations of Pine andQuercusacutissimain the southern mountainous area of Zhumadian were selected, and the components of 0—20 cm soil layer such as dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON), and so on were studied. The experimental results showed that the detail contents of soil DOC in four forest sites decreased in the order: pureQuercusacutissima> mixedQuercusacutissimaand mongolica>mixedPinustaedaandQuercusacutissima>mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima, the contents of soil DOC decreased in the order: mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima>pureQuercusacutissima>mixedQuercusacutissimaand mongolica >mixedPinustaedaandQuercusacutissima, and the statistics differences between different forest types are significantly(p<0.05). In the vertical profile, the contents of soil DOC and DON for the four forest types decreased significantly with increase of soil depth (p<0.05). The max proportion of DOC/SOC, DON/TN, DOC/DON was found in pureQuercusacutissima, mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima, pureQuercusacutissima, respectively. There were no significant differences in the vertical spatial distribution, soil DOC and DON are significantly (p<0.05) or extremely significantly (p<0.01) related with soil water content, soil hardness, available potassium and total nitrogen.

Quercusacutissima; dissolved organic carbon; dissolved organic nitrogen; mixed forest

S714.2

A

1005-3409(2017)06-0079-05

2017-01-13

2017-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“林木幼苗對(duì)切根的生理生態(tài)響應(yīng)及根-冠互作機(jī)制”(31570613)

楊果果(1989—),女,河南永城人,碩士研究生,主要從事生態(tài)恢復(fù)的研究。E-mail:yangggeco@163.com

楊喜田(1965—),男,河南長(zhǎng)垣人,博士,教授,主要從事生態(tài)恢復(fù)的研究。E-mail:xitianyang@aliyun.com