南亞熱帶森林土壤碳庫穩(wěn)定性與碳庫管理指數(shù)對模擬酸雨的響應(yīng)

張慧玲, 吳建平, 熊 鑫, 褚國偉, 周國逸, 張德強(qiáng),*

1 中國科學(xué)院華南植物園, 廣州 510650 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

森林生態(tài)系統(tǒng)儲存陸地生態(tài)系統(tǒng)80%以上的植物碳庫和70%以上的土壤有機(jī)碳庫[7]。森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫主要分為土壤碳庫和生物量碳庫,其中土壤碳庫又包括有機(jī)碳庫和無機(jī)碳庫[8]。土壤有機(jī)碳庫所占比重較大,其含量是土壤的一個重要屬性,氣候環(huán)境及土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)和生物過程對碳庫具有深遠(yuǎn)地影響[9]。土壤有機(jī)質(zhì)短暫的波動及變化最初發(fā)生在其易分解的活性組分[10]。根據(jù)活性有機(jī)碳庫穩(wěn)定性及周轉(zhuǎn)速率,又可以將其分為活性碳庫(周轉(zhuǎn)期0.1—4.5年)、慢性碳庫(周轉(zhuǎn)期5—10年)和惰性碳庫(周轉(zhuǎn)期50年以上,甚至幾千年)[11]。

土壤中總有機(jī)碳和總氮含量的變化非常緩慢,在短期內(nèi)不能快速靈敏指示土壤碳庫變化,而活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳中對植物養(yǎng)分有高效直接的供應(yīng)作用,且易被土壤微生物分解利用的部分,它能夠更靈敏和迅速地表征土壤碳庫對人工措施和環(huán)境條件改變的響應(yīng),因此活性有機(jī)碳被認(rèn)為是早期評價土壤性狀、土壤質(zhì)量土壤碳庫動態(tài)變化的良好指標(biāo)[12- 13]。碳庫管理指數(shù)這一概念是1995年Blair等[14]提出的,它因結(jié)合了土壤有機(jī)碳的活性和質(zhì)量而被廣泛用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤質(zhì)量和肥力的評價[15]。本文將這一指標(biāo)用于森林生態(tài)系統(tǒng)中,試圖基于碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)等指標(biāo),探討森林土壤有機(jī)碳組分及碳庫穩(wěn)定性對模擬酸雨的響應(yīng)特征,為森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡過程的評估提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地建立在廣東省肇慶市鼎湖山自然保護(hù)區(qū)(112°30′39″—112°33′41″ E,23°09′21″—23°11′30″ N),位于北回歸線附近地區(qū)(圖1),屬于南亞熱帶季風(fēng)性氣候,年均溫為21.0℃,年平均相對濕度為80%,年降雨量為1927.3mm。干濕季分明,降水集中在4—9月,為濕季,降水量占全年的80%。10月—次年3月為旱季[16]。

圖1 研究地位置及遙感影像Fig.1 The location and an aerial photograph of study site

研究所用土壤分別取自自然保護(hù)區(qū)內(nèi)三個演替階段的典型森林。1)亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(以下簡稱季風(fēng)林, BF)：林地海拔250—400m,有著近400年的保護(hù)歷史,是典型的南亞熱帶地帶性植被類型,整個群落屬于演替的最后階段,群落外貌終年常綠,垂直結(jié)構(gòu)與成層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,群落優(yōu)勢樹種主要有錐栗Castanopsischinensis、木荷Schimasuperba、云南銀柴Aporusayunnanensis、黃果厚殼桂Cryptocaryaconcinna等。季風(fēng)常綠闊葉林樣地的土壤是發(fā)育于母巖為砂頁巖的赤紅壤,土層深約60—90cm；2)針闊混交林(以下簡稱混交林,MF)：林地海拔100—250m,是馬尾松林向闊葉林進(jìn)化的一個過渡類型,由人工種植的馬尾松群落被先鋒闊葉樹種侵入后自然發(fā)展演變而成,群落屬于演替發(fā)展的中期階段,主要建群樹種有馬尾松Pinusmassoniana與木荷Schimasuperba、錐栗Castanopsischinensis、滇粵山胡椒Linderametcalfiana等。土層厚30—60cm,厚薄不均；3)馬尾松林(以下簡稱松林, PF)：林地海拔50—200m,主要分布于保護(hù)區(qū)的邊緣。該群落處在南亞熱帶森林群落演替的初期階段,有六七十年的歷史。喬木層為馬尾松Pinusmassoniana、白楸Mallotuspaniculatus下層有少量三椏苦Evodialepta、黧蒴Castanopsisfissa等闊葉樹種侵入。林下物種豐富,包括草本、藤本、灌木和蕨類植物。土層較薄,一般不超過30cm[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 野外實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在上述3種林型中選擇坡向、坡度基本一致的林地,分別設(shè)置12個10m×10m的樣方,每個樣方間預(yù)留3m的緩沖帶,樣方四周用PVC板圍起,PVC板插入土壤15cm,地上部分高出地表5cm。根據(jù)Liu 等[18]對鼎湖地區(qū)近年降水及土壤的pH值,以及酸雨主要成分比例及變化趨勢的研究,以H2SO4∶HNO3—1∶1的溶液與當(dāng)?shù)氐奶烊缓旌蠟槟M酸雨的實(shí)驗(yàn)材料,以0.5個pH值為單位,設(shè)計模擬酸雨分別為3.0、3.5、4.0和對照組4個處理,每個處理3個重復(fù)。2009年6月開始進(jìn)行模擬酸雨處理,每月月初及月中將配置好的模擬酸雨人工均勻地噴灑在林地土壤上,每個樣方每次噴淋量為40升,對照樣方則噴淋同樣量的天然湖水。

1.2.2 樣品采集

2014年12月(模擬酸雨處理5.5a)分別在上述3個實(shí)驗(yàn)樣地中采集土壤樣品。在每個樣方內(nèi)隨機(jī)選取5個點(diǎn),去除表面的枯枝落葉,用內(nèi)徑2.5cm的不銹鋼空心土鉆采集0—10和10—20cm兩層土壤,混合后裝入做好標(biāo)記的密封袋中。帶回實(shí)驗(yàn)室去除樣品中而可見的根系石礫動植物殘體等,過2mm篩后將土壤分成兩份,一份放置4℃冰箱中保存并盡快進(jìn)行土壤微生物碳氮分析,另一份土壤風(fēng)干后備用。

1.2.3 樣品分析及方法

土壤pH值采用水土比2.5∶1電位法測定[19]；土壤總有機(jī)碳采用濃硫酸重鉻酸鉀外加熱法測定[19]；土壤微生物量碳(SMBC)采用氯仿熏蒸浸提法測定[20]；溶解性有機(jī)碳(DOC)用K2SO4溶液提取[21]。

易氧化有機(jī)碳(Readily oxidation organic carbon, ROC)采用KMnO4氧化法[14,22],稱取含碳量約為15—30mg的土樣于離心管中,分別加入25mL濃度分別為333mmol/L、167mmol/L、33mmol/L的KMnO4溶液。振蕩1h后在3000r/min下離心5min,將上清液用去離子水1∶250稀釋,在分光光度計565nm下測定稀釋樣品的吸光度。經(jīng)計算得出不同KMnO4濃度氧化的活性有機(jī)碳含量,非活性有機(jī)碳(NLOC)即為總有機(jī)碳有活性有機(jī)碳含量之差。被333mmol/L、167mmol/L、33mmol/L的KMnO4溶液氧化的活性有機(jī)碳分別用ROC333、ROC167、ROC33表示。

土壤顆粒有機(jī)碳參考Cambardella和Elliott[23]提供的方法測定。將過2mm篩的風(fēng)干土去除肉眼可見的植物根系及石礫等雜物,稱取10g土樣放入塑料瓶中,加入30mL的5g/L的六偏磷酸納溶液,在往復(fù)振蕩機(jī)上振蕩15h分散。將分散溶液置于53μm篩上用清水沖洗直至瀝濾液清澈為止,將篩上及濾液在60℃下烘干72h到恒重,計算各自所占土壤比重。其中篩上>53μm組分即為顆粒有有機(jī)碳(POC)。

1.3 指標(biāo)計算

碳庫管理指數(shù)(CMI)采用Blair和Lefroy等1995年提出的計算方法[14]：

碳庫活度(L)=土壤活性有機(jī)碳含量/土壤非活性有機(jī)碳含量

碳庫活度指數(shù)(LI)=樣品的碳庫活度/參考土壤的碳庫活度

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品總有機(jī)碳含量/參考土壤總有機(jī)碳含量

碳庫管理指數(shù)(CMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100=CPI×LI×100

非活性有機(jī)碳(NLOC)=總有機(jī)碳(SOC)-活性有機(jī)碳(LOC)

本文參考土壤選取各林型鄰近的未進(jìn)行酸處理的對照土壤作為參考土壤。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析在Excel 2010和SPSS 22.0軟件下完成,用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸梯度處理下土壤三種活性有機(jī)碳含量

3個演替階段林型不同酸梯度處理下0—10cm土層3種不同濃度高錳酸鉀溶液氧化的碳含量(ROC333、ROC167、ROC33)分布如圖2,不同演替階段林型3種易氧化有機(jī)碳呈現(xiàn)明顯差異,含量總體趨勢為ROC333>ROC167>ROC33。ROC333含量為3.055—10.167g/kg,約占土壤總有機(jī)碳的16.8%—36.5%；ROC167含量為1.257—8.542g/kg,約占土壤總有機(jī)碳的7.7%—33.0%；ROC33含量為1.076—3.614g/kg,約占土壤總有機(jī)碳的5.5%—16.3%(圖2,圖3)。

季風(fēng)林3種易氧化碳(ROC)含量有隨著酸處理強(qiáng)度增強(qiáng)而增加的趨勢,其中ROC333、ROC167的含量在pH 3.0、pH 3.5處理顯著高于pH 4.0與CK處理(P<0.05)?；旖涣諶OC333含量在pH 3.0、pH 3.5處理與CK處理呈現(xiàn)極顯著差異(P=0.002)。3個演替階段林型中混交林MF的3種易氧化有機(jī)碳含量最大,其次為季風(fēng)林、針葉林(P<0.01)。土壤非活性有機(jī)碳在土壤總有機(jī)碳中所占比重比易氧化有機(jī)碳所大,占據(jù)土壤有機(jī)碳的52%—94%。

圖2 不同酸梯度處理下易氧化有機(jī)碳含量Fig.2 The content of readily oxidation organic carbon under different acid treatments不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著(P<0.05,平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差,n=3);BF, 季風(fēng)常綠闊葉林,Monsoon evergreen board-leaved forest；MF, 混交林,Mixed forests; PF, 松林, Pine forest;ROC333,333mmol/L 易氧化碳, 333mmol/L KMnO4 oxidation organic carbon； ROC167, 167mmol/L 易氧化碳, 167mmol/L KMnO4 oxidation organic carbon; ROC33, 33mmol/L 易氧化碳, 33mmol/L KMnO4 oxidation organic carbon

2.2 不同酸梯度處理對總有機(jī)碳及其他活性有機(jī)碳影響

圖3 不同酸梯度處理下總有機(jī)碳SOC、顆粒碳POC、微生物量碳MBC及溶解性有機(jī)碳DOC的變化Fig.3 Dynamics of soil organic carbon, particulate organic carbon, microbial biomass carbon and dissolved organic carbon under different acid treatments

如圖3,土壤總有機(jī)碳(SOC)在5年的酸處理下,pH 3.0、pH 3.5、pH 4.0、CK 4個處理下土壤有機(jī)碳含量(g/kg)分別為季風(fēng)林(37.36±0.31、35.29±2.14、30.60±1.17、28.29±1.32),混交林(38.89±1.15、38.58±0.58、38.11±2.14、35.97±3.39)和松林(20.86±4.43、16.20±1.64、14.63±0.91、16.34±1.05)?？傮w來看,3種林型SOC含量達(dá)到顯著差異(P<0.01),為MF>BF>PF。處理間,季風(fēng)林pH 3.0、pH 3.5顯著大于pH 4.0、CK處理(P=0.006)。

顆粒有機(jī)碳(POC)在季風(fēng)林中有隨著酸處理強(qiáng)度增加而上升的明顯趨勢,但差異不顯著(P=0.141),其他兩個林型沒有呈現(xiàn)相似規(guī)律。3種林型間POC的含量達(dá)到顯著差異(P<0.01),大小順序?yàn)椋篗F>BF>PF。POC占SOC的比例為10.17%—60.37%(圖3)。

土壤微生物量碳(SMBC)在不同演替階段森林中含量有隨自然演替而增加的趨勢,且不同林型之間微生物碳含量達(dá)到顯著差異(P<0.01),大小為BF>MF>PF。隨著酸處理強(qiáng)度的增強(qiáng)在3個演替階段森林中土壤微生物碳含量有下降的趨勢,表明酸處理對微生物活性有一定的抑制作用,但均未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)(圖3)。

溶解性有機(jī)碳(DOC)也有隨自然演替而增加的趨勢,季風(fēng)林中pH 4.0與pH 3.5處理之間(P=0.03),pH4.0與CK處理之間(P=0.033)達(dá)到顯著差異。針葉林不同酸處理之間也達(dá)到顯著差異(P=0.005)。而不同演替階段森林土壤DOC含量也存在顯著差異(P<0.05), 大小為：BF>MF>PF(圖3)。

2.3 不同酸梯度處理下的碳庫管理指數(shù)

將各演替階段林型的對照作參考土壤,對不同強(qiáng)度酸處理下的碳庫管理指數(shù)進(jìn)行計算(表1)。季風(fēng)林、混交林、松林3個林型ROC333所得CMI與對照土壤CK相比變化幅度分別為11.83%—47.47%、13.93%—29.25%、10.80%—19.98%,平均變化幅度分別為：31.52%、23.91%、15.95%。3個演替階段的林型CMI值都有隨酸處理強(qiáng)度增強(qiáng)而增加的趨勢,說明酸處理增加了土壤碳庫管理指數(shù),但各林型在不同處理之間的CMI值沒有達(dá)到顯著差異(P>0.05)。3種林型中處于演替后期的季風(fēng)林對酸雨的響應(yīng)更加敏感,碳庫管理指數(shù)值增加幅度最大,其次為混交林和松林。

表1 模擬酸雨對土壤活性有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)的影響

括號內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)誤差,n=3;L, 碳庫活度, lability of carbon; CPI, 碳庫指數(shù), carbon pool index; CMI, 碳庫管理指數(shù), carbon management index

3 討論

3.1 不同梯度酸處理對土壤活性有機(jī)碳的影響

對于土壤活性有機(jī)碳沈宏等將其定義為受植物、微生物等影響強(qiáng)烈且不穩(wěn)定、易氧化、易分解礦化的那部分碳,易被微生物分解利用且能為植物提供高效直接的碳源[24]，是反映土地利用和管理措施對土壤性狀及質(zhì)量的一個很好的指標(biāo)[10]。主要包括易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、微生物量碳、溶解性有機(jī)碳等[12,25]。通?；钚杂袡C(jī)碳只占土壤碳庫的很小比例,卻與土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分關(guān)系密切[26]

高錳酸鉀氧化的活性有機(jī)碳主要包括的單一碳水化合物、氨基酸和糖類、一些簡單的有機(jī)化合物等[27],其濃度主要受營養(yǎng)物質(zhì)和水的影響[28]。Biederbeck等[10]通過動力學(xué)研究指出,土壤有機(jī)質(zhì)的短暫波動主要發(fā)生在易氧化分解部分,并選擇易氧化有機(jī)碳、微生物碳等作為土壤活性有機(jī)碳的指示因子。目前高錳酸鉀氧化法測得的活性有機(jī)碳已被廣泛運(yùn)用很多研究中,這種方法不僅快速廉價,而且對土地管理措施和環(huán)境變化非常敏感,與土壤總有機(jī)碳和其他組分的活性有機(jī)碳的關(guān)系密切[27,29]。不同濃度KMnO4氧化而得不同活度有機(jī)碳對不同的類型的土壤反應(yīng)也不同。Vieira等[30]指出333mmol/L濃度高錳酸鉀氧化而得的活性有機(jī)碳在熱帶地區(qū)土壤中的響應(yīng)并不敏感,認(rèn)為ROC333所的易氧化有機(jī)碳高估了土壤活性碳含量。Tirol-Padre Ladha[27]研究表明水稻土中土壤333mmol/L濃度的易氧化有機(jī)碳與總有機(jī)碳的相關(guān)性大于與水溶性有機(jī)碳,而與微生物量碳沒有相關(guān)性,認(rèn)為ROC333更偏向是一種穩(wěn)定性碳。本研究中333mmol/L KMnO4氧化而得的ROC333與SOC及其他活性有機(jī)碳都呈顯著或極顯著的關(guān)系,尤其與POC的相關(guān)性達(dá)到了0.832(表2)。ROC167與ROC33含量與微生物量碳卻沒有顯著關(guān)系(P>0.05),且ROC333含量在處理間達(dá)到顯著差異(圖2),ROC333、ROC167、ROC33在酸處理的作用下相對于CK處理其平均變化量分別為：23.33%、23.99%、12.37%(表3)。綜合表明在亞熱帶酸性土壤中ROC333值可以作為土壤活性有機(jī)碳一個很好的評價指標(biāo),與Leroy等一些學(xué)者的研究結(jié)果一致[14,22,25,31]。因此本文在計算CMI時也采用的ROC333含量作為活性有機(jī)碳部分。同時由圖2可得,3種濃度KMnO4氧化所得的活性有機(jī)碳有隨酸處理強(qiáng)度增強(qiáng)而增加的趨勢。Tirol-Padre 等[27]和Skjemstad等[32]的研究結(jié)果表明高錳酸鉀對土壤中的木質(zhì)素存在比較敏感,對纖維素不敏感,所以增加的活性碳可能主要來源于木質(zhì)素部分。而土壤酸化增加了土壤主要分解木質(zhì)素的真菌生物量,且增加了真菌細(xì)菌比[33]。Wu等[34]利用核磁共振分析土壤中官能團(tuán)有機(jī)碳,在酸雨處理的初期,季風(fēng)林土壤中的烷氧碳有隨酸處理而降低的趨勢,凋落物的分解速率降低,且抑制了土壤呼吸,土壤有機(jī)碳含量增加。所以在本研究中模擬酸雨增加土壤中易氧化有機(jī)碳含量可能主要是酸處理增加了與植物殘體相結(jié)合的那部分POC含量及抑制微生物分解能力所導(dǎo)致。

表2 不同組分活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)(n=36)

*在0.05水平上顯著相關(guān),** 在0.01水平上顯著相關(guān)；SOC: 土壤有機(jī)碳, Soil organic carbon; ROC333: ROC333,333mmol/L易氧化碳, 333mmol/L KMnO4oxidation organic carbon； ROC167, 167mmol/L易氧化碳, 167mmol/L KMnO4oxidation organic carbon; ROC33, 33mmol/L易氧化碳, 33mmol/L KMnO4oxidation organic carbon; POC: 顆粒有機(jī)碳：Particulate organic carbon; SMBC: 微生物量碳, Soil microbial biomass carbon; DOC: 溶解性有機(jī)碳, Dissolved organic carbon

土壤顆粒有機(jī)碳(POC)由與沙礫結(jié)合的植物殘體和微生物體組成[23],其結(jié)構(gòu)和組成與輕組有機(jī)質(zhì)性質(zhì)相似。近年來很多研究表明顆粒有機(jī)碳是反應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)動態(tài)變化的良好指標(biāo)[35],對土地利用,耕作及管理措施非常敏感[36-37]。有學(xué)者用POC代替ROC計算碳庫管理指數(shù)[32, 38]。在本研究中POC與SOC及各組分活性有機(jī)碳也都是呈現(xiàn)顯著或極顯著的關(guān)系,表明POC可以作為土壤活性有機(jī)碳的重要組成部分。酸處理相對于CK處理其平均變化量為：21.56%,較ROC333相對較弱,比ROC167ROC33敏感性強(qiáng)(表3)。而POC能否代替ROC計算CMI有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

土壤微生物量碳(SMBC)也是一個敏感指標(biāo),溫度、濕度、根系及根際分泌物等都會影響微生物的生物量及活性[39],這一部分碳占土壤總有機(jī)碳的0.3%—7%[40]。土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)是地表植被及覆蓋物淋溶,土壤根系分泌及微生物新陳代謝產(chǎn)物[12],對土壤有機(jī)碳濃度及土壤物理化學(xué)循環(huán)過程產(chǎn)生重要的影響[41]。研究結(jié)果表明SMBC與DOC之間相關(guān)性顯著,與龔偉等[42]的研究結(jié)果相同。Liang等[43]結(jié)果也驗(yàn)證在這一點(diǎn),在鼎湖山過去幾年的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),模擬酸雨造成的土壤酸化從而引起季風(fēng)林和混交林土壤呼吸的下降,并伴隨著土壤微生物量碳氮的顯著降低,顯著降低了季風(fēng)林土壤pH值。土壤DOC含量在松林有顯著差異且有隨酸強(qiáng)度增加而下降的趨勢,混交林中有這一趨勢但差異不顯著,季風(fēng)林則未呈現(xiàn)明顯規(guī)律?？赡苡捎谄溆绊懸蛩乇容^復(fù)雜,其來源有近期的凋落物與土壤中的腐殖質(zhì),還包括一系列有機(jī)物,從簡單的有機(jī)酸到復(fù)雜的大分子物質(zhì)[20]。因此對活性碳的變化還需要多次長期的觀測。

綜合所得：POC、MBC、DOC占SOC的比例分別為10.17%—60.37%,0.23%—2.4%,0.32%—1.3%。不同組分的活性有機(jī)碳之間及與總有機(jī)碳關(guān)系密切。其中ROC333和POC的含量與SOC關(guān)系最為密切,相關(guān)系數(shù)分別為0.853和0.846。其他組分活性有機(jī)碳與SOC的也有很好的相關(guān)性(表2),表明土壤活性有機(jī)碳含量在很大程度上是由其總有機(jī)碳的含量所決定的,地上部分的森林類型在很大程度上決定了有機(jī)質(zhì)的輸入量,從而影響到了土壤中有機(jī)碳的含量,而總有機(jī)碳含量的高低在很大程度上決定了活性有機(jī)碳的豐缺[44- 45]。

3.2 酸處理對不同演替階段林型CMI的影響

處在演替后期成熟的季風(fēng)林,演替中期的混交林,演替初期的松林對于酸沉降的響應(yīng)是有明顯差異的。不同的樹種凋落物的輸入量,有機(jī)碎屑的化學(xué)性質(zhì),細(xì)根生物量,葉片及凋落物的C/N,鐵鋁交換離子的濃度等都會影響土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及質(zhì)量[44]。季風(fēng)林、混交林、松林3個林型L及LI的均值隨林型演替而降低(表1),說明土壤活性有機(jī)碳與非活性有機(jī)碳的比值、酸處理條件下碳庫活度指數(shù)與對照碳庫活度指數(shù)的比值都有隨著森林順向演替而遞減的趨勢,土壤活性碳庫占總有機(jī)碳庫比值相對減小,土壤碳庫穩(wěn)定性增加。3個林型L變化幅度均值分別為：1.9%、15.21%和18.08%,LI的變化幅度分別為：8.50%、19.78%和20.53%(表3)說明酸處理條件下隨著森林順向演替土壤碳庫穩(wěn)定性增強(qiáng),活性碳庫的變化幅度降低。季風(fēng)林、混交林、松林3個林型CPI的變化幅度均值分別為：22.13%、8.89%和12.11%。土壤的碳庫指數(shù)變化幅度最大的為季風(fēng)林。說明相對于參考土壤,處于演替后期成熟的季風(fēng)林仍然表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳積累能力。季風(fēng)林、混交林、松林3個林型CMI均值及變化幅度均值隨著森林的順向演替而增加,說明隨著森林的順行演替碳固存增加,活度降低,在總有機(jī)碳及活性碳增加的前提下更有利于惰性碳的保存及碳庫的穩(wěn)定性。

表3 相對于CK處理各組分活性碳的變化幅度

變化幅度=(處理的含量-CK的含量)/ CK的含量*100%;BF,季風(fēng)常綠闊葉林,Monsoon evergreen board-leaved forest；MF,混交林, Mixed forests; PF,松林,Pine forest;SOC, ROC333, ROC167, ROC33, POC, SMBC, DOC, L, LI, CPI, CMI分別表示土壤有機(jī)碳,333mmol/L 易氧化碳,167mmol/L 易氧化碳,33mmol/L 易氧化碳,顆粒碳,微生物量碳,溶解性碳,碳庫活度,碳庫活度指數(shù),碳庫指數(shù),碳庫管理指數(shù)

從CMI及不同組分活性碳的變化幅度和差異性可得,3個演替階段森林對模擬酸雨的敏感性有隨森林順行演替而增強(qiáng)的趨勢,處于演替頂級的季風(fēng)林對模擬酸雨最為敏感,隨著酸處理強(qiáng)度的增加有明顯的變化趨勢。這種現(xiàn)象的原因有可能是其表層土壤的理化性質(zhì)及林下凋落物層差異所造成。首先,季風(fēng)林及混交林分別作為發(fā)展成熟和過渡的林型,土壤各組分活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳高于松林。酸沉降明顯增加了季風(fēng)林易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的含量,碳源的可獲得性提高,惰性碳得以存儲,使南亞熱帶成熟森林土壤總有機(jī)碳積累[46]?；旖涣钟捎谔幱谏鷳B(tài)系統(tǒng)的上升期,植被生長旺盛,總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳濃度相對較高,表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳積累能力。其次,3個演替階段林型凋落物的輸入量雖然隨著順行演替而增加,但凋落物的分解速率也是隨著順行演替而增加[47]。這導(dǎo)致松林地表覆被較厚的枯枝落葉層,因而對酸雨也表現(xiàn)出較強(qiáng)的緩沖能力,土壤總有機(jī)碳及各組分活性有機(jī)碳各處理間沒有明顯差異。

綜合表3得 CMI是相對于活性有機(jī)碳和總有機(jī)碳對模擬酸雨響應(yīng)更加敏感的指標(biāo),本研究中CMI與R333呈顯著相關(guān)(P=0.001),但與其他活性有機(jī)碳沒有呈現(xiàn)顯著相關(guān),這與Kalambukattu等[48]在喜馬拉雅中部地區(qū)不同土地利用方式CMI變化的研究結(jié)果相同。碳庫活度L與活度指數(shù)LI可以作為評價土壤碳庫穩(wěn)定性的良好指標(biāo),相比CPI更加敏感。CMI因結(jié)合土壤碳庫活度與總量,可以良好地指示土壤質(zhì)量與肥力的變化情況[14,49],碳庫管理指數(shù)越增加是碳庫固存增加和碳庫活度降低綜合作用導(dǎo)致[50]。

4 結(jié)論

(1)在模擬酸雨的作用下,鼎湖山3個演替階段林型的總有機(jī)碳,易氧化有機(jī)碳,顆粒有機(jī)碳都有隨酸處理的增加而增加的趨勢,其中季風(fēng)林的變化最為明顯。微生物量碳及溶解性有機(jī)碳有隨酸強(qiáng)度增加而降低的趨勢。

(2)ROC333和POC的含量與SOC關(guān)系最為密切,相關(guān)系數(shù)分別為0.853、0.846。以ROC333作為活性碳計算CMI能夠較好表征森林土壤碳庫穩(wěn)定性及其對酸處理的響應(yīng)規(guī)律。

(3)L和LI在酸處理作用下隨著林型演替均值及變化幅度減小,CMI指數(shù)隨著酸處理強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加,土壤碳固存增加及碳庫活度降低,從而碳庫穩(wěn)定性增加。從不同林型活性有機(jī)碳及CMI值變化來看,不同林型之間有隨森林的順向演替而對模擬酸雨響應(yīng)更加敏感的趨勢。各指標(biāo)對酸雨敏感性表現(xiàn)為CMI>R333>POC>SMBC>R167>R33>LI>DOC>CPI>SOC。

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