秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林土壤和枯落物有機(jī)碳、全氮特征

李 哲 ，董寧寧 ，侯 琳 ，張 帆 ，馬武功

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西省寶雞市辛家山林業(yè)局，陜西 寶雞 721700）

秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林土壤和枯落物有機(jī)碳、全氮特征

李 哲1，董寧寧1，侯 琳1，張 帆2，馬武功2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西省寶雞市辛家山林業(yè)局，陜西 寶雞 721700）

銳齒櫟林是秦嶺山地廣泛分布的林分之一，林齡不僅影響著林分的結(jié)構(gòu)組成，而且對(duì)林木個(gè)體碳、氮元素的吸收與排放有重要影響。以秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林為研究對(duì)象，通過(guò)野外采樣和室內(nèi)分析，揭示了秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林土壤和枯落物有機(jī)碳、全氮的分布特征，探討了林齡對(duì)其的影響和限制銳齒櫟林正常生長(zhǎng)的土壤可利用性養(yǎng)分元素。結(jié)果表明：不同齡組林地土壤(0～40 cm)和枯落物有機(jī)碳含量分別為17.61～28.31 g/kg，260.09～316.96 g/kg；土壤和枯落物全氮含量分別為1.54～1.94 g/kg，13.12～16.02 g/kg；土壤有機(jī)碳密度和全氮密度分別為83.33～117.33 t/hm2，6.41～8.46 t/hm2；土壤有機(jī)碳含量、密度與枯落物有機(jī)碳和全氮含量均隨林齡的增長(zhǎng)而增加，土壤全氮含量和密度隨林齡的增長(zhǎng)先增加后減少，近熟林最大。不同齡組林地土壤C:N隨林齡變化整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，成熟林土壤C:N為(18.31±2.25)顯著高于其它齡組。林齡對(duì)銳齒櫟林土壤和凋落物有機(jī)碳、全氮含量及土壤有機(jī)碳密度有顯著影響，銳齒櫟生長(zhǎng)受土壤可利用性氮元素的限制。

秦嶺；銳齒櫟；土壤有機(jī)碳；枯落物有機(jī)碳；全氮

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，維持約73%的土壤碳庫(kù)[1]，且森林生態(tài)系統(tǒng)中90%以上的氮包含在土壤中[2]。由于森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量巨大，因此其微小的變化可能顯著影響全球氣候變化[3]。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中生物體生命活動(dòng)的載體，為植物的生長(zhǎng)提供空間和養(yǎng)分[4]，土壤有機(jī)碳和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，也是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，其含量會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性。林地土壤有機(jī)碳是反映土壤質(zhì)量和土壤健康的重要指標(biāo)，直接影響林地土壤肥力和生產(chǎn)力[5]。氮素作為大量營(yíng)養(yǎng)元素，在物質(zhì)循環(huán)中扮演著重要的角色[6-7]。因此研究林地土壤有機(jī)碳和全氮特征，對(duì)林地經(jīng)營(yíng)管理具有重要意義。國(guó)內(nèi)外以往大多關(guān)注林分類型[8-12]、林地非生物因素[13-15]對(duì)土壤碳氮儲(chǔ)量的影響，以及生態(tài)系統(tǒng)碳氮的分配格局[16-18]。

林齡是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)，不僅影響生物體對(duì)碳、氮元素的吸收與排放，還對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳封存具有重要影響，是影響土壤有機(jī)碳積累的重要因素[19-21]。銳齒櫟Quercus alienavar.Acutesserata是秦嶺中山地帶（1 400～1 800 m）典型的地帶性植被，在固碳理水、維持區(qū)域生態(tài)平衡等方面具有重要作用。我國(guó)關(guān)于林齡對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的研究多集中在小興安嶺地區(qū)[22-25]和南部亞熱帶地區(qū)[26-28]，對(duì)秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林碳氮特征的研究較少。本研究以秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林為研究對(duì)象，探討了不同齡組銳齒櫟林地土壤和枯落物有機(jī)碳與全氮特征，揭示影響研究區(qū)銳齒櫟生長(zhǎng)的主要養(yǎng)分元素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在秦嶺南坡陜西省寶雞市辛家山（34°10′～ 34°20′N，106°28′E ～ 106°38′E）和秦嶺主梁南側(cè)的陜西省寶雞市馬頭灘（34°04′～34°35′N，106°54′E ～ 107°11′E）林區(qū)，2 個(gè)林區(qū)均屬暖溫帶半濕潤(rùn)山地氣候，年均氣溫分別為7.6 ℃和11 ℃，年均降水量900 mm，降水集中于7―9月，土壤類型均以山地棕壤為主，土層厚度多為40 cm且分布不均。兩個(gè)林區(qū)森林覆蓋率達(dá)90%以上，其中銳齒櫟天然林分布面積較大。

1.2 樣地設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)選取立地條件相近，處于不同生長(zhǎng)階段的（幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林）銳齒櫟林分，在樣地每木調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定3株標(biāo)準(zhǔn)木，通過(guò)生長(zhǎng)錐法確定林齡，并根據(jù)《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[29]將其劃分為4個(gè)不同齡組。每個(gè)齡組設(shè)置4個(gè)20 m×20 m的樣地，進(jìn)行樣地基本情況調(diào)查，見(jiàn)表1。

表1 樣地基本概況Table 1 The general information of plots

1.3 樣品采集與處理

于2015年9月，在每個(gè)樣地中按照“S”形布點(diǎn)法選擇5個(gè)采樣點(diǎn)，用25 cm×25 cm鐵絲框，將林下枯落物分為未分解、半分解和已分解3層收集地表枯落物[30]；然后按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm分4層各采集土壤樣品，同時(shí)在土壤坡面用環(huán)刀取樣，測(cè)定每一層的土壤容重。共采集枯落物樣品36份，土壤樣品48份。

將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、過(guò)100目篩，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定；枯落物樣品于80 ℃烘干、粉碎過(guò)60目篩，用于枯落物相關(guān)元素含量的測(cè)定[31]。有機(jī)碳含量的測(cè)定使用重鉻酸鉀外加熱法，全氮含量的測(cè)定使用凱氏定氮法，土壤含水率采用烘干法測(cè)定[32]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

林地土壤有機(jī)碳密度（Socd）和全氮密度（Stnd）按下式計(jì)算：

式（1）、式（2）中：n為土壤采樣層次數(shù)，本研究中為4，ρi為第i層的土壤容重（g/cm3），θi為第i層＞2 mm的石礫含量（%），SOCi與STNi分別為第i層土壤有機(jī)碳含量和全氮含量（g/kg），Hi為第i層土壤厚度（cm）[26]。

用Oringin 8.5作圖，SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用One-way ANOVA法分析不同齡組、不同土層間各指標(biāo)的差異顯著性，采用LSD法進(jìn)行多重比較（p＜0.05為差異顯著）。圖中不同大寫字母代表相同齡組不同土層間存在顯著差異（p＜0.05），不同小寫字母代表相同土層或分解狀態(tài)，不同齡組間存在顯著差異（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同齡組銳齒櫟林土壤有機(jī)碳含量

同一土層深度，土壤有機(jī)碳含量隨林齡的增長(zhǎng)總體呈遞增趨勢(shì)；相同齡組，隨土壤深度的增加有機(jī)碳含量減少（圖1）。

圖1 不同齡組土壤有機(jī)碳含量Fig. 1 Contents of soil organic carbon (SOC) within age groups

不同齡組，0～10 cm 土壤有機(jī)碳含量在43.68～57.72 g/kg之間，中齡林達(dá)到最大，幼齡林與中齡林存在顯著差異（圖1）；10～20 cm土壤有機(jī)碳含量隨林齡增長(zhǎng)而增加，在13.2～25.67 g/kg，幼齡林、近熟林和成熟林兩兩之間存在顯著差異，中齡林與成熟林存在顯著差異；20～30 cm 土壤有機(jī)碳含量隨林齡增長(zhǎng)而增加，在7.36～17.68 g/kg之間，幼齡林和中林齡與近熟林和成熟林都存在顯著差異，近熟林和成熟林間也存在顯著差異；30～40 cm土壤有機(jī)碳含量在6.17～12.78 g/kg之間，成熟林＞近熟林＞幼齡林＞中齡林，且幼齡林和中齡林均與成熟林存在顯著差異。

相同齡組土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度增加逐漸減小，且不同齡組土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度的變化差異顯著性基本相同。各齡組0～10 cm土壤有機(jī)碳含量與10～20 cm 、20～30 cm 和30～40 cm均存在顯著差異；10～20 cm 與30～40 cm 也存在顯著差異，除幼齡林10～20 cm與20～30 cm 存在顯著差異外，其它齡組均不存在顯著差異。

2.2 不同齡組銳齒櫟林土壤全氮

除0～10 cm外，相同土壤深度，土壤全氮含量隨林齡的增長(zhǎng)呈先增加后減少的趨勢(shì)，近熟齡階段達(dá)到最大；相同齡組，土壤全氮含量隨土壤深度的增加而減少（見(jiàn)圖2）。

圖2 不同齡組土壤全氮含量Fig. 2 The soil total nitrogen (STN) contents within age groups

不同齡組，0～10 cm土壤全氮含量變化不明顯，在3.74～3.99 g/kg 之間；10～20 cm，20～30 cm 和30～40 cm 土壤全氮含量分別在1.05～1.76 g/kg ，0.68～1.26 g/kg，0.43～1.00 g/kg之間，均表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞成熟林＞幼齡林，近熟林與其它3個(gè)齡組均存在顯著差異，其它齡組間無(wú)顯著差異。

相同齡組銳齒櫟林，土壤全氮含量隨土壤深度的增加而減少。0～10 cm土壤全氮含量與其它3層均存在顯著差異；幼齡林和近熟林土壤全氮含量在10～20 cm與30～40 cm存在顯著差異，20～ 30 cm 和10～20 cm 以及30～40 cm 兩層間差異不顯著；中齡林與成熟林10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm 3層間不存在顯著差異。

2.3 不同齡組枯落物有機(jī)碳和全氮含量

不同齡組枯落物層有機(jī)碳含量隨林齡的增長(zhǎng)而增加，但不同分解狀態(tài)變化規(guī)律不一致，未分解和半分解層隨林齡的增長(zhǎng)總體呈增加趨勢(shì)；已分解層隨林齡的增長(zhǎng)先減少后增加（見(jiàn)圖3）?？萋湮飳佑袡C(jī)碳含量為260.09～316.96 g/kg，近熟林和成熟林顯著大于幼齡林與中齡林；未分解層枯落物中有機(jī)碳含量為297.86～442.15 g/kg，近熟林階段達(dá)最大，幼齡林與中齡林，中齡林和近熟林以及成熟林之間存在顯著差異；半分解層枯落物有機(jī)碳含量在284.69～369.68 g/kg之間，幼齡林＜近熟林＜中齡林＜成熟林，幼齡林和近熟林均與成熟林存在顯著性差異；已分解層枯落物有機(jī)碳含量為142.85～197.72 g/kg，近熟林＜中齡林＜成熟林＜幼齡林，中齡林和近熟林都與幼齡林存在顯著性差異。

圖3 不同齡組枯落物層有機(jī)碳含量Fig. 3 The organic carbon contents in litter layer (LOC)within age groups

不同齡組枯落物層全氮含量成熟林顯著高于其它齡組，但不同分解狀態(tài)枯落物全氮含量，隨林齡變化未表現(xiàn)出明顯規(guī)律（見(jiàn)圖4）?？萋湮飳尤繛?3.12～16.02 g/kg，成熟林達(dá)最大值；未分解層為13.39～18.53 g/kg，隨林齡變化先減少后增加，幼齡林和中齡林都與成熟林差異顯著；半分解層為11.30～16.38 g/kg，隨林齡的增長(zhǎng)逐漸增加，幼齡林與近熟林和成熟林差異顯著；已分解層同樣先減少后增加，為9.81～13.19 g/kg，近熟林階段最小，顯著低于幼林齡和成熟林。

圖4 銳齒櫟林枯落物層全氮含量Fig.4 The total nitrogen contents in litter layer (LTN)of different age groups

2.4 不同齡組土壤有機(jī)碳和全氮密度

土壤有機(jī)碳密度隨林齡的增長(zhǎng)逐漸增加，土壤全氮密度隨林齡的增長(zhǎng)先增加后減少，近熟林達(dá)最大值（見(jiàn)圖5）。土壤有機(jī)碳密度在幼齡林到中齡林階段快速增長(zhǎng)，中齡林到近熟林階段趨于穩(wěn)定，近熟林到成熟林階段再次快速增長(zhǎng)，隨林齡的增長(zhǎng)整體呈增加趨勢(shì)，在83.33～117.33 t/hm2之間，且幼齡林顯著低于近熟林和成熟林，中齡林與成熟林也存在顯著差異。土壤全氮密度在幼齡林到中齡林階段保持相對(duì)穩(wěn)定，中齡林到近熟林階段快速增加，由近熟林到成熟林階段密度降低，甚至低于幼齡林，隨林齡的增長(zhǎng)呈先增加后減少的趨勢(shì)，在6.41～8.46 t/hm2之間，近熟林全氮密度顯著高于成熟林。

圖5 不同齡組土壤有機(jī)碳和全氮密度Fig. 5 Soil organic carbon density and soil total nitrogen density within age groups

2.5 不同齡組林地土壤和枯落物碳氮比

土壤碳氮比隨林齡的增長(zhǎng)整體呈增加的趨勢(shì)，且成熟林與其它齡組存在顯著差異；枯落物碳氮比呈現(xiàn)小幅度波動(dòng)，各齡組間無(wú)顯著差異（見(jiàn)圖6）。銳齒櫟不同齡組土壤碳氮比在12.04～18.31之間，近熟林略小于幼齡林和中齡林，成熟林明顯大于其它林齡，且存在顯著差異。不同齡組枯落物碳氮比在17.9～20.90，近熟林略高于其它齡組，各齡組間無(wú)顯著差異。

圖6 不同齡組土壤和枯落物碳氮比Fig. 6 The ratio(soil and litter)of carbon and nitrogen in different age groups

3 討 論

3.1 林齡對(duì)林地土壤有機(jī)碳的影響

本研究表明，土壤有機(jī)碳含量和密度，隨林齡的增長(zhǎng)而增加，這與前人的研究結(jié)果一致[33-35]。土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源是植被地上部分的枯落物、地下部分根的分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的碎屑[36]。幼齡林階段林分郁閉度低、對(duì)光照利用率低，光合產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)較少。并且林木處于迅速生長(zhǎng)的階段，光合產(chǎn)物大多用于植物自身的生長(zhǎng)，枯落物較少，因此土壤表層和枯落物層有機(jī)碳含量均較低。隨著林木的生長(zhǎng)，林分郁閉度在一定范圍內(nèi)的增加，提高了林分光合利用率，同時(shí)郁閉度過(guò)度增加產(chǎn)生自然疏枝等現(xiàn)象，導(dǎo)致枯枝落葉增加，因此土壤有機(jī)碳也相應(yīng)增長(zhǎng)。

3.2 林齡對(duì)林地土壤全氮的影響

土壤表層全氮含量和密度隨林齡的增長(zhǎng)先增加后減小，與劉冰燕等[37]的研究結(jié)果一致，但與崔寧潔等[33]、苗娟等[26]和牛小云等[38]對(duì)不同林齡土壤全氮含量研究結(jié)果存在差異。產(chǎn)生差異的原因可能是，本研究囊括了銳齒櫟從幼齡林到成熟林4個(gè)林齡階段的變化特征，而苗娟、崔寧潔與牛小云的研究都僅僅包含幼齡林和中齡林兩個(gè)階段，在這兩個(gè)階段土壤表層全氮含量的變化與本研究一致。在林齡達(dá)到一定范圍后，一方面可能由于地上部分對(duì)土壤氮元素利用增加，另一方面土壤微生物對(duì)枯落物的腐化分解速度達(dá)到相對(duì)飽和狀態(tài)，不能隨枯落物的增加無(wú)限增長(zhǎng)，導(dǎo)致氮素由土壤層轉(zhuǎn)向植被層和枯落物層， 因此出現(xiàn)土壤氮元素含量減小，枯落物層全氮含量在成熟林階段迅速增加的現(xiàn)象。

3.3 林齡對(duì)林地枯落物有機(jī)碳和全氮的影響

不同齡組枯落物層有機(jī)碳含量隨林齡的增長(zhǎng)逐漸增加，全氮含量成熟林明顯大于其它齡組，與崔寧潔等[33]、明安剛等[16]研究結(jié)果存在差異。隨林齡的增長(zhǎng)，林地枯枝落葉逐漸積累，因此枯落物各分解狀態(tài)有機(jī)碳含量增加，密度也相應(yīng)增加。與其它研究結(jié)果存在差異的原因，可能是由于樹種特性的不同，以及研究對(duì)象齡組劃分的差異。但總體看來(lái)，由于樹種特性、研究方法與具體林分的環(huán)境條件的差異，林齡對(duì)枯落物有機(jī)碳與全氮的影響，仍然存在比較大的不確定性，在不同的研究中未得一致結(jié)果。

3.4 林齡對(duì)土壤和枯落物中碳氮比的影響

本研究顯示隨林齡的增長(zhǎng)土壤碳氮比呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，成熟林顯著大于其它齡組；枯落物碳氮比變化不明顯，各齡組差異不顯著。陸媛等[39]認(rèn)為隨著林齡增加，土壤碳氮比顯著降低；牛小云等[38]認(rèn)為不同林齡土壤碳氮比隨林齡增加先減小后增加；崔寧潔等[33]認(rèn)為枯落物中碳氮比隨林齡的增加而下降，與本研究結(jié)果存在差異。不同研究區(qū)林地氣候條件差異明顯，林分類型與樹種組成不用，生物學(xué)特性差異也較為顯著，因此可能導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異。Hooker等[40]認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)碳氮比與土壤有機(jī)碳的分解速率呈反比，即碳氮比越高有機(jī)碳分解速率越低，這也解釋了隨林齡的增加，土壤有機(jī)碳含量與密度增長(zhǎng)的現(xiàn)象，支撐本研究的研究結(jié)果。由于枯落物中碳氮主要來(lái)自未分解和半分解的林地枯枝落葉，而枝葉中碳氮比基本維持在一個(gè)變化不大的范圍內(nèi)，因此隨林齡的增長(zhǎng)枯落物碳氮比變化不明顯。

4 結(jié) 論

（1）林齡對(duì)土壤表層有機(jī)碳含量和密度有顯著影響，隨林齡增長(zhǎng)有機(jī)碳含量和密度增加；對(duì)全氮含量和密度影響較復(fù)雜，在近熟林達(dá)到最大值。土壤深度影響土壤有機(jī)碳和全氮含量，隨土壤深度的增加有機(jī)碳和全氮含量減少。

（2）林齡對(duì)枯落物層有機(jī)碳和全氮含量影響顯著，隨林齡的增長(zhǎng)枯落物層有機(jī)碳和全氮呈增加趨勢(shì)。枯落物分解狀態(tài)對(duì)枯落物層有機(jī)碳和全氮含量變化規(guī)律不一致。

（3）土壤碳氮比受林齡影響，隨林齡增長(zhǎng)土壤碳氮比呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，成熟林顯著大于其它齡組；林齡對(duì)枯落物碳氮比影響不顯著。土壤碳氮比在成熟林階段達(dá)最大值，表明研究區(qū)銳齒櫟林受到可利用氮元素的制約，因此在林地管理時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)元素提高森林質(zhì)量。

由于林齡對(duì)枯落物有機(jī)碳與全氮的影響，仍然存在較大的不確定性，未得一致結(jié)論。因此需要對(duì)其做進(jìn)一步研究，揭示產(chǎn)生不同結(jié)論的內(nèi)在機(jī)理。

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Characteristics of soil and litter organic carbon and total nitrogen in different age groups ofQuercus alienavar.acuteserrataforests in the Qinling mountains

LI Zhe1, DONG Ningning1, HOU Lin1, ZHANG Fan2, MA Wugong2
(1.College of Forestry, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China;2. Xingjiashan Forestry Administration, Baoji 721700, Shaanxi, China)

The forest standQuercus alienavar.acuteserratais extensively distributed in the Qinling mountains. Forest age plays key roles in stand structure formation, absorption and emission of carbon and nitrogen in individuals. To better understand traits of organic carbon and total nitrogen in mineral soil and litter ofQuercus alienavar.acuteserratastands with age groups, effects of stand age and limitation of available nutrients in soil for individual growth, samples of litter and mineral soil in the depth 0-40 cm were collected from fi eld and chemical analysis was conducted. The results indicated as following. Organic carbon ranged from 17.61 to 28.31 g/kg in mineral soil and from 260.09 to 316.96 g/kg in litter. Total nitrogen ranged from 1.54 to 1.94 g/kg in mineral soil and from 13.12 to 16.02 g/kg in litter. The density of soil organic carbon and total nitrogen ranged from 83.33 to 117.33 t/hm2in mineral soil and from 6.41 to 8.46 t/hm2in litter. Content of organic carbon both in mineral soil and litter and soil organic carbon density increased with stand age.The same trend was also found in content of total nitrogen in litter. However, the content and density of total nitrogen in mineral soil fl uctuated in stand age groups and the maximum values were attained in near-matured stand. The ratio C:N in mineral soil increased with stand age generally and the ratio (18.31±2.25) was highest in matured stand. Content of organic carbon and total nitrogen in mineral soil and litter, and soil organic carbon density were signi fi cantly affected by stand age. Growth ofQuercus alienavar.acuteserratawas limited by soil available nitrogen.

Qinling mountains;Quercus alienavar.acuteserrata; soil organic carbon; litter organic carbon; total nitrogen

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.020

http: //qks.csuft.edu.cn

S714

A

1673-923X(2017)12-0127-06

2016-09-20

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201304307）

李 哲，碩士研究生

侯 琳，副研究員；E-mail：houlin_1969@nwsuaf.edu.cn

李 哲，董寧寧，侯 琳，等 . 秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林土壤和枯落物有機(jī)碳、全氮特征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(12): 127-132, 138.

[本文編校：文鳳鳴]