森林轉(zhuǎn)換對不同土層土壤碳氮含量及儲量的影響

李若南，楚海燕，李一清,1b,2,4*，鄭永，鄭蔚，楊柳明,1b,2，張文強，李靖雯，陳紅英

(1．福建師范大學(xué)a.地理科學(xué)學(xué)院；b．濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州 350007；2．福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站，福建 三明 365000；3．福建省南平市順昌縣林業(yè)局，福建 南平 353200；4．夏威夷大學(xué)希羅分校農(nóng)林和自然資源管理學(xué)院，希羅 96720)

0 引言

碳和氮是構(gòu)成森林生態(tài)系統(tǒng)組分、維持養(yǎng)分循環(huán)的重要元素[1]，其循環(huán)過程及其相互作用，對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力以及穩(wěn)定性都具有重要的影響[2]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫，儲存著60%的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳[3]，其中森林土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的 39%[4]，氮儲量占森林生態(tài)系統(tǒng)氮儲量的90%以上[5]。森林生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)過程相互耦合[6]，氮元素的供應(yīng)量是控制生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的重要影響因子[7]，因而在全球碳循環(huán)過程中起著重要的作用[8]。因此，評估森林土壤有機碳氮儲量的變化特征對研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力至關(guān)重要[9]。

Templer等[10]研究表明，土地利用變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的最大因素之一。森林轉(zhuǎn)換是中亞熱帶地區(qū)一種重要的土地利用變化方式。森林類型的改變影響了生態(tài)系統(tǒng)植物組成、種群結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力水平，并通過改變凋落物、根系分泌物及土壤微生物群落等過程影響土壤碳氮儲量[11]。目前關(guān)于國內(nèi)外碳氮儲量的研究較多，但主要是基于不同林分、不同林齡、不同土地利用方式對碳氮儲量的影響，較少考慮森林系統(tǒng)的土地利用歷史和立地條件是否一致，加之森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性及其空間異質(zhì)性導(dǎo)致土壤碳氮儲量估算的不確定性[12]，為更為精確地動態(tài)預(yù)測和區(qū)域評價，就需在排除立地條件的影響下研究不同森林類型的碳氮儲蓄能力。因此，以亞熱帶地區(qū)2種典型且立地條件基本一致的森林類型為研究對象，探討森林轉(zhuǎn)換后，闊葉天然次生林(BL)與杉木人工林(CF)土壤碳氮含量及其儲量的變化及其剖面特征，旨在為區(qū)域或全球尺度的森林碳氮儲量估算提供科學(xué)數(shù)據(jù)，以期為科學(xué)評價亞熱帶地區(qū)森林轉(zhuǎn)換對土壤碳氮循環(huán)和全球氣候變化的影響提供研究基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況及實驗設(shè)計

研究區(qū)位于福建省南平市順昌縣國有林場下屬林場武坊林場(26°38′～27°12′N，117°29′～118°41′E)，地處武夷山脈的東南側(cè)，主要地貌是低山丘陵。該區(qū)屬于中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫19.1 ℃，多年平均降水量2 051 mm，有富屯溪、金溪2條干流和仁壽溪、高陽溪等4條支流，水資源豐富。同時，該地區(qū)是福建省杉木中心產(chǎn)區(qū)，著有“中國杉木之鄉(xiāng)”。土壤為頁巖發(fā)育的紅壤，pH值為4.0～5.0。

目前的試驗地主要包括常綠闊葉天然次生林(BL)和杉木人工林(CF) 2種森林生態(tài)系統(tǒng)。20世紀50年代，一部分闊葉天然林砍伐后自然形成闊葉天然次生林，一部分砍伐后轉(zhuǎn)換成杉木人工林，現(xiàn)在已經(jīng)是二代杉木人工林。于2017年7月，在試驗樣地選擇在立地條件、本底土壤條件(母巖、土層)一致、毗鄰的常綠闊葉天然次生林和杉木人工林，在2種林內(nèi)分別設(shè)置3個20 m×20 m樣方，在每個樣方內(nèi)設(shè)3個平行，同時對樣地植被進行調(diào)查，各林分基本情況見表1。常綠闊葉天然林試驗樣地喬木層以細柄阿丁楓(Altingiagracilipes)、木荷(Schimasuperba)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、苦竹(Pleioblastusamarus)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、虎皮楠(Daphniphyllumoldhami)、油茶(Camelliaoleifera)、栲樹(Katus)為主；灌木層主要以黃絨潤楠(Polygonumamurensis)、毛冬青(Hairyhollyroot)、粗毛榕(Ficushirsutum)、幌傘楓(Acerparabinifera)為主；草本層主要有狗脊(Woodwardiajaponica)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、杜莖山(Maesajaponica)、牛尾菜(WhitebackGreenbrier)、百兩金(Ardisiacrispa)等。杉木人工林內(nèi)植物種類較少，群落結(jié)構(gòu)也較單一。其中喬木層主要是杉木(Cunninghamialanceolata)；灌木層有黃絨潤楠 (Polygonumamurensis)、粗毛榕(Ficushirsutum)等；草本層有狗脊(Woodwardiajaponica)、網(wǎng)脈葉酸藤子(Lianareticularis)、半邊旗(Pterissemipinnata)、團葉鱗始蕨(Lindsaeaorbiculata)、扇葉鐵線蕨(Adiantumflabellulatum)等。

表 1 林分基本概況Table 1 Survey of the different forest types

1.2 土壤樣品采集和測定

在樣地內(nèi)，用土鉆沿“S”形鉆取5個點，土層分0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和 80～100 cm，共6個土層，并將同一個樣方相同土層的土樣均勻混合后低溫冷藏帶回實驗室內(nèi)。將樣品在室溫下自然風(fēng)干，挑除植物根系和石礫，研磨過0.149 mm篩，用于測定土壤全量碳氮含量。

隨機取3個點采用100 cm3的環(huán)刀取原狀土，用于測定土壤容重；土壤含水率的測定采用烘干法；土壤pH通過玻璃電極pH計測定，水土比為2.5∶1；土壤機械組成采用Master Sizer 2000激光粒度儀測定；土壤碳氮含量用元素分析儀(Elemental EL MAX CNS analyzer，德國)，測定供試土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表 2 土壤的基本理化性質(zhì)

注：數(shù)值均為(平均值±標準差)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤碳儲量 ( SCM，Mg·hm-2)和氮儲量( SNM，Mg·hm-2)按下式計算：

(1)

(2)

式(1～2)中：n為土壤剖面分割的層數(shù)，SCi和SNi分別為第i層土壤碳、氮含量，Bi和Hi分別為i層土壤容重(g·cm-3)和土層厚度(cm)。

所有數(shù)據(jù)首先用Excel 2013進行處理，并采用冪函數(shù)回歸分析方法分析SOC、TN與土壤深度之間的擬合關(guān)系；再用SPSS 19.0軟件上進行分析，采用獨立樣本獨立t檢驗方法分析同一土層不同林分之間的差異(P<0.05)，采用單因素方差方法(One-way ANOVA)分析同一林分不同土層之間的差異(P<0.05)，利用Pearson相關(guān)分析方法分析土壤碳氮含量以及碳氮儲量與土壤基本理化性質(zhì)以及活性碳氮的相關(guān)性；最后統(tǒng)一由Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型 土壤碳含量(SOC)和氮含量(TN)的差異

闊葉天然次生林0～10、10～20 、20～40 cm土層的SOC含量顯著高于杉木人工林(P<0.05)，其中闊葉天然次生林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層內(nèi)SOC含量比杉木人工林分別高39.66%、25.86%、9.28%，而闊葉天然次生林40～100 cm土層內(nèi)SOC含量與杉木人工林相比均無顯著差異(圖1)。相同森林類型下，SOC含量均隨土層深度的增加而遞減。2種林分0～40 cm土層之間SOC含量下降幅度較大，2種林分40～100 cm土層的SOC含量下降比較緩慢。闊葉天然次生林和杉木人工林不同土層之間的SOC均有較大差異，闊葉天然次生林0～60 cm各土層之間存在顯著差異(P<0.05)，杉木人工林0～40 cm各土層之間存在顯著差異(P<0.05)。2種森林類型SOC含量隨土層變化均以冪函數(shù)擬合效果最好，其中闊葉天然次生林SOC垂向擬合方程式為：y=54.6x-0.571,R2=0.988，杉木人工林SOC垂向擬合方程式為：y=34.043x-0.491,R2=0.969(圖1)。

注：不同小寫字母表示2個林分之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一林分不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

0～10、10～20 cm土層闊葉天然次生林土壤TN含量顯著高于杉木人工林(P<0.05)，0～10、10～20 cm闊葉天然次生林TN含量分別是杉木人工林的1.39、1.31倍，但2種森林類型在土壤20～100 cm土層的氮含量均無顯著差異(P>0.05)(圖1)。相同森林類型下不同土層TN含量與SOC垂直分布相似。闊葉天然次生林0～10、10～20 、20～40 cm土層之間的遞減趨勢較為明顯(P<0.05)。杉木人工林則是在0～20 cm土層之間的遞減趨勢較為明顯(P<0.05)。無論是闊葉天然次生林還是杉木人工林，40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm土層之間的TN 含量均無顯著差異。2種森林土壤TN含量垂向擬合方程式分別為：y=2.738-0.31(R2=0.974)、y=1.624x-0.198(R2=0.965)(圖1)。相同土層下闊葉天然次生林與杉木人工林的土壤C/N均無顯著的差異(P>0.05)；相同森林類型下，土壤C/N均隨著土層的增加而降低，闊葉天然次生林和杉木人工林的C/N分別為5.80～12.12和5.01～9.34(圖1)。

2.2 不同森林類型土壤碳氮儲量差異

表 3 不同林分土壤碳氮儲量Table 3 Soil total C and N in different plantations (mean±SE)

注：同行不同小寫字母表示2個林分之間差異顯著(P<0.05)，同行不同大寫字母表示同一林分不同土層之間的顯著差異(P<0.05)，表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差，BL:闊葉天然次生林；CF:杉木人工林。2種森林類型的SCM隨著土層深度的增加而減少，闊葉天然次生林和杉木人工林SCM為10.83～21.04 Mg·hm-2和7.95～15.96 Mg·hm-2，0～100 cm SCM闊葉天然次生林(88.59±12.44 Mg·hm-2)高于杉木人工林(73.03±8.53 Mg·hm-2)。闊葉天然次生林表層(0～10 cm)SCM最高，是深層土壤(80～100 cm)的2.13倍。杉木人工林(20～40 cm)的SCM最高，是深層土壤(80～100 cm)的 2.01倍(表3)。

圖 2 不同森林類型土壤有機碳氮儲量在不同土層之間占的比例Figure 2 The proportion of soil organic carbon and nitrogen storage among different soil layers in different forest types

2種森林類型不同土層的SNM沒有明顯的規(guī)律變化，闊葉天然次生林SCM和杉木人工林SNM分別為1.45～2.03 Mg·hm-2和1.07～1.85 Mg·hm-2，闊葉天然次生林SNM高于杉木人工林(表3)。

闊葉天然次生林各土層SCM占總SCM的比例分別是23.75%、17.30%、20.48%、15.09%、12.22%和11.14%；杉木人工林各土層SCM占總SCM的比例分別是20.85%、14.51%、21.85%、17.37%、14.53%和10.89%(圖2)。闊葉天然次生林各土層SNM占總SNM的比例分別是16.66%、13.88%、19.37%、11.72%、16.51%和16.36%；杉木人工林各土層SNM占總SNM的比例分別是13.58%、11.43%、19.81%、19.36%、17.40%和18.40%(圖2)。

2.3 土壤碳氮含量以及儲量的影響因素

表 4 土壤碳氮含量及其儲量的影響因素 Table 4 Influencing factors of soil carbon and nitrogen content and storage

注：SWC為土壤含水量，BD為土壤容重，C/N為土壤碳氮比，SOC為土壤有機碳，TN為總氮，SCM為碳儲量，SNM為氮儲量。*在0.05 水平( 雙側(cè)) 上顯著相關(guān)，**在 0.01 水平( 雙側(cè)) 上顯著相關(guān)。SOC與土壤容重(BD)極顯著負相關(guān)(P<0.01)，TN與BD顯著負相關(guān)(P<0.05)與C/N極顯著正相關(guān)(P<0.01)；SNM與土壤含水量(SWC)顯著負相關(guān)(P<0.05)。SNM與BD呈負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，SCM與C/N顯著正相關(guān)(P<0.01)，SNM與C/N呈負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表4)。

3 討論

3.1 森林轉(zhuǎn)換對土壤碳氮含量的影響

SOC 與TN是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，也是植物生長必需營養(yǎng)元素的主要來源[13]。森林轉(zhuǎn)換后，闊葉天然次生林的SOC和TN均顯著高于杉木人工林。Laganiere等[14]總結(jié)了33個不同區(qū)域造林對SOC影響的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)闊葉類林地對SOC的積累程度明顯強于針葉類。2種森林類型在0～40 cm各土層之間的SOC含量存在顯著差異，0～20 cm各土層間的TN含量存在顯著差異(圖1a、圖1b)，這與李斌等[15]的研究結(jié)果一致。這可能是由于闊葉天然林轉(zhuǎn)換成杉木人工林后凋落物量減少所致[16]。另一方面，不同森林類型下根系的生長發(fā)育和分布不同亦是導(dǎo)致深層土壤碳氮含量差異的主要原因[17]。由土地利用方式變更而引起的植被類型發(fā)生變化，導(dǎo)致表層土壤有機物質(zhì)向深層土壤運輸和轉(zhuǎn)移的數(shù)量和性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，進而影響SOC在不同土層中的分布[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤SOC、TN均隨著土層深度的增加而降低呈現(xiàn)出一致性，且降幅較大(圖1a、圖1b)，這與相關(guān)研究的結(jié)果一致[19]。土壤TN含量在很大程度上取決于SOC的積累及其分解作用的相對強度[20]，因此土壤TN變化趨勢與有機碳變化趨勢相似[19]。結(jié)果顯示2種類型下土壤SOC和TN含量隨土層深度的變化均以冪函數(shù)擬合性最佳，有較強的表聚效應(yīng)。

3.2 森林轉(zhuǎn)換對土壤碳氮儲量的影響

一般研究認為土壤碳氮儲量主要集中在土壤表層，研究得出闊葉天然次生林0～40 cm土層土壤碳氮儲量只占土壤層(0～100 cm) 的61.53%、50.27%，杉木人工林為57.21% 、44.82%，這與黃宇等[21]對不同人工林土壤氮儲量的研究，林地土壤0～40 cm土層氮儲量占0～100的比例平均為55.5%的研究結(jié)果基本類似，土壤碳氮儲量在垂直方向上總體呈現(xiàn)下降的趨勢，但并未表現(xiàn)出明顯的表層富集效應(yīng)，這與川西亞高山和六盤山[22]森林生態(tài)系統(tǒng)研究結(jié)果一致，可能是因為研究區(qū)雨量充沛，土壤淋溶作用降低了土壤碳氮儲量在土層深度上的差異性。根據(jù)Baties[23]對全球各類土壤碳儲量的研究，在0～100 cm土層中， 0～50 cm土層的碳儲量所占比例為62%～81%。本研究中2種森林類型0～60 cm土層的土壤碳儲量所占比例為76.62%、74.58%，與之結(jié)果類似。從土壤氮儲存空間分布看，森林土壤碳氮儲量的土壤深度分布均比較分散，這可能是一些自然生態(tài)過程( 包括降雨、淋溶、礦質(zhì)化作用等) 的影響結(jié)果，有待進一步研究。此外，闊葉天然次生林和杉木人工林0～100 cm 碳儲量分別為88.59±12.44 Mg·hm-2、73.03±8.53 Mg·hm-2，闊葉天然次生林高于杉木人工林，表明闊葉天然次生林更有利于碳氮的累積。

3.3 土壤有機碳氮含量以及儲量的影響因素

土壤有機碳氮含量主要受土壤理化性質(zhì)(pH、容重、碳氮比)以及樹種等因素的影響，并且在一定程度上，土壤氮素水平也會影響土壤中有機碳的含量[24]。土壤容重是土壤理化性質(zhì)的綜合反映指標，其大小受地表凋落物、地下根系分布、人為干擾等因素的影響。本研究顯示土壤有機碳氮含量與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系。土壤C/N是衡量土壤 C、N 營養(yǎng)平衡狀況的重要指標，它的演變趨勢對土壤碳、氮循環(huán)有重要影響[25]，全球土壤C/N平均為13.33[7]，中國土壤 C/N平均在10～12[26]，本研究的闊葉天然次生林的土壤 C/N變化在5.80 ～12.12，杉木人工林土壤 C/N變化5.01～9.34，闊葉天然次生林土壤C/N高于杉木人工林，主要是因為闊葉天然次生林受人類干擾較小，微生物分解能力強，有利于土壤有機碳的積累。研究結(jié)果顯示土壤SOC、TN含量與土壤C/N呈正比，這與前人研究一致[13]。土壤活性碳氮是土壤碳氮庫中活性較高，易被土壤微生物分解利用的部分[27]，可以直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，同時也是土壤微生物活動的能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力[28]。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，森林轉(zhuǎn)換后森林類型是影響土壤SOC含量和N含量的重要因素，2種森林類型間的差異主要集中在0～20 cm土層，同一森林不同土層的SOC含量和N含量與土層之間的擬合關(guān)系呈冪函數(shù)關(guān)系，且R2均達到0.9以上；森林轉(zhuǎn)換后，2種森林類型土壤SCM隨土層的變化有遞減的趨勢，土層間的差異不明顯，SNM則比較分散，未表現(xiàn)出明顯的富集效應(yīng)。土壤SOC、TN含量與土壤容重顯著負相關(guān)，與C/N之間顯著正相關(guān)。森林土壤碳氮主要集中在0～10 cm土層，天然林轉(zhuǎn)換為杉木人工林后，導(dǎo)致森林碳氮儲蓄能力下降，因此要加強對天然林的保護。