武功山日本柳杉林與草甸土壤碳氮特征和pH比較

方海富 江亮波 張毅 NasirShad 陳煦 張強 馬麗麗 賈婷 應(yīng)欽 張令

摘 要：【目的】通過研究日本柳杉Cryptomeria japonica（L.f.）D.Don造林34年后與其山地草甸土壤碳氮特征和pH的比較，為武功山山地草甸脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)建設(shè)提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳越魑涔ι缴降夭莸闉檠芯繉ο?，選擇具有代表性樣地，采用五點取樣法，采集小區(qū)內(nèi)0～20 cm土層的土樣，收集草甸地上凋落物，對草甸與日本柳杉林土壤凋落物碳氮指標(biāo)與pH進行測定?！窘Y(jié)果】造林會顯著增加土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效態(tài)氮、可溶性有機氮、可溶性有機碳、微生物量碳含量、凋落物有機態(tài)碳、凋落物全氮（P<0.05），但是卻顯著降低土壤pH（P<0.05）;土壤pH與土壤有機質(zhì)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效態(tài)氮、可溶性有機氮、可溶性有機碳、微生物量碳含量、凋落物有機態(tài)碳、凋落物全氮呈顯著負相關(guān)（P<0.05）。【結(jié)論】日本柳杉造林對土壤微生物活性、土壤質(zhì)量以及N礦化能力具有積極效應(yīng);造林可降低土壤pH值，土壤pH與有機物質(zhì)分解存在緊密聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：碳氮;造林;草甸;柳杉;土壤;酸堿度

中圖分類號：S 152文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0384（2019）06-705-06

Abstract： 【Objective】 Relationship between carbon （C）， nitrogen （N） and pH in meadow soil at the forests of Cryptomeria japonica（L. f.）D. Don after afforested 34 years previously in Mt. Wugong was studied to extract crucial information on the restoration and construction of the fragile ecosystem. 【Method】Samples from 0-20 cm soil layer and litter on the meadow ground were collected by 5-point sampling method at representative plots at the forests for the determinations of C- and N-indices and soil pH. 【Result】Planting of C. japonica significantly increased the total N， ammonium N， nitrate N， available N， soluble organic N， soluble organic C， and microbial biomass C in soil， as well as the organic C and total N in litter （P<0.05）， but significantly reduced soil pH （P<0.05）. Soil pH inversely correlated with the organic C， total N， ammonium N， nitrate N， available N， soluble organic N， soluble organic C， and microbial biomass C in soil， and the organic C in litter.【Conclusion】 C. japonica planting positively impacted the microbial activity as well as the quality and N mineralization capacity of the soil ，and decreased the svil pH，which was closely related with the organic matter decomposition.

Key words： carbon and nitrogen; afforest; meadow; Cryptomeria japonica; soil; pH

0 引言

【研究意義】日本柳杉Cryptomeria japonica（L.f.）D.Don原產(chǎn)日本，屬高大喬木，溫性針葉林，耐寒，畏高溫炎熱，為重要的造林樹種，在我國山東、上海、江西、浙江、湖北等海拔800 m以上的中山山地均有引種栽培的記錄，特別是在山地草甸的山頂以及兩峰間的“風(fēng)口”區(qū)域，日本柳杉相比于杉木Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.和黃山松Pinus taiwanenesis Hayata等具有較強的生長優(yōu)勢和抗逆能力?！厩叭搜芯窟M展】關(guān)于近幾年武功山山地草甸退化修復(fù)的研究較多，多集中于草本植物修復(fù)研究，并取得了重要進展[1]。國內(nèi)外對于土壤碳氮的研究主要集中于人工造林過程中土壤碳氮和微生物量碳氮的變化，有關(guān)人工造林過程中土壤碳氮變化的過程多集中于農(nóng)田和退耕還林方面，關(guān)于武功山山地草甸人工造林對土壤碳氮的變化研究較少。有一些學(xué)者通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)草地轉(zhuǎn)換為針葉林40年后，土壤有機質(zhì)碳（Soil organic matter carbon，SC）無變化，但卻顯著增加了SC∶土壤全氮（Soil total nitrogen，SN）（P<0.05）[2];林齡20年的樟子松和小葉楊人工林，較之科爾沁流動沙丘，表層土壤微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）顯著增加23.76倍和33.34倍（P<0.05）[3];植被修復(fù)顯著提高表層土壤（0～30 cm）可溶性氮（Dissolved organic nitrogen，DON）含量（P<0.05）[4]。造林會增加MBC、微生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）、SC、SC∶SN和NH+4-N，降低NO-3-N[5];草地造林40年后，發(fā)現(xiàn)SC、SN、可溶性碳（Dissolved organic carbon，DOC）有所下降[6];通過造林可降低土壤的pH值[4]?！颈狙芯壳腥朦c】到目前為止，造林對山地草甸土壤生態(tài)學(xué)影響的研究鮮有報道。長期以來，人工造林通常被認為能夠增加土壤C儲量而具有減緩大氣CO2濃度的能力[8-9]，但是其對土壤理化性質(zhì)的影響仍具有很多的不確定性，尤其是造林對土壤碳氮動力學(xué)的影響還不夠清楚。

而江西武功山山地草甸作為我國南方草地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，具有面積廣和分布基準海拔低的特點[7]，在華東植被垂直帶譜中具有典型性和特殊性，是氣候變化的重要指示植被。【擬解決的關(guān)鍵問題】20世紀80年代，江西省萍鄉(xiāng)市礦務(wù)局林場以培育煤礦礦柱用材林為目的，在武功山山地草甸核心區(qū)域大范圍種植日本柳杉，但由于煤炭資源枯竭、企業(yè)體制變化和主營方向轉(zhuǎn)型等原因，絕大部分人工柳杉用材林保留至今并與草甸形成林-草交錯格局。

本課題組通過研究武功山日本柳杉造林與草甸土壤碳氮特征和pH的影響，旨在為武功山山地草甸脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

武功山（27°24′～27°34′ N，114°05′～114°15′ E;最高海拔1 918.3 m）坐落于中國亞熱帶的江西省中西部，屬羅霄山脈中、北段，山體呈東北-西南走向，是吉安市安?？h、萍鄉(xiāng)市蘆溪縣以及宜春市袁州區(qū)的界山。年平均溫度14～16℃，年降水量1 350～1 750 mm[10]。

本試驗位于武功山九龍山區(qū)域（27°26′N，114°08′E），巖石主要由花崗核雜巖構(gòu)成。草甸區(qū)域優(yōu)勢種為芒Miscanthus sinensis、野古草Arundinella anomala等植被。日本柳杉林的造林時間是1982年，行間距為2 m × 2 m，平均胸徑15.4 cm，平均樹高913 cm，坡度10～15°，為單一的日本柳杉純林，林內(nèi)生物多樣性極低，枯枝落葉物分解緩慢。

1.2 試驗設(shè)計

在武功山林地選擇具有代表性的地段，于林-草交錯帶設(shè)置3個100 m × 50 m的大樣地（表1），每個大樣地內(nèi)包含50 m × 50 m草甸和50 m × 50 m日本柳杉林2個小樣地;為縮小取樣誤差，針對每個樣地，沿對角線分別劃定3個1 m×1 m的平行小區(qū)。使用五點取樣法采集小區(qū)內(nèi)0～20 cm土層的土樣，收集草甸地上凋落物，通過1 m×1 m的尼龍網(wǎng)收集日本柳杉林凋落物。土壤混合均勻后，放入冰盒中帶回實驗室。

1.3 指標(biāo)測定及方法

仔細剔除鮮樣中石子、植物殘體（如根、莖、葉等）并過2 mm孔徑篩。移出一部分土樣進行風(fēng)干處理，風(fēng)干土一部分用于測定土壤pH，另一部分過0.149 mm孔徑篩后用于測定土壤有機質(zhì)碳（SC）和全氮（SN）。剩余的鮮樣置于4℃冰箱并及時測定土壤有效態(tài)氮（Available nitrogen，AN = NH+4-N + NO-3-N）、可溶性碳（DOC）和可溶性氮（DON）、微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）等指標(biāo);pH使用電極法（水∶土=2.5∶1.0）（METTER TOLEDO， Shanghai）;SC和凋落物有機質(zhì)碳（Litter organic matter carbon，LC）使用重鉻酸鉀容量法-外加熱法（H2SO4-K2Cr2O7）測定[11];SN和凋落物全氮（Litter total nitrogen，LN）及NO-3-N和NH+4-N使用全自動智能化學(xué)分析儀測定，其中NO-3-N和NH+4-N浸提液為2 mol·L-1 KCl;DOC和DON使用總碳測定儀測定 （VarioTOC， Elementar， Germany），浸提液為0.5 mol·L-1 K2SO4（水土比4∶1），濾液用0.45 μm水性濾膜抽濾;MBC[11]和MBN[12]使用氯仿熏蒸法測定，浸提液為0.5 mol·L-1 K2SO4（水土比4∶1），轉(zhuǎn)換系數(shù)取值為0.45。草甸和日本柳杉林凋落物在65℃條件下烘干稱量并粉碎過0.149 mm孔徑篩后測定LC和LN含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，使用Duncan′s法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 日本柳杉林與草甸土壤特征方差分析比較

方差分析結(jié)果表明：草甸和日本柳杉林在SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、pH、LC和LN指標(biāo)存在顯著差異（P<0.05）;在SC、SC∶SN、DOC∶DON、MBN、MBC∶MBN、LC∶LN等指標(biāo)差異不顯著（P>0.05）（表2）。

2.2 日本柳杉林與草甸土壤碳、氮和pH值比較

多重比較結(jié)果表明（表3）：在SN、NO-3-N、NH+4-N、DOC、DON、MBC、LC、LN方面，日本柳杉林顯著高于草甸（P<0.05），在pH方面，日本柳杉造林顯著低于草甸;而在SC、MBN方面，日本柳杉林與草甸差異不顯著（P>0.05）。通過多年的營林造林使得養(yǎng)分含量有所提升，加劇土壤C、N的礦化能力，從而SN等含量增高了;但也降低了草甸土壤的酸度，造林會產(chǎn)生大量掉落物長時間沉積，加劇了土壤的酸化。

2.3 日本柳杉林和草甸各相關(guān)系數(shù)比較

由表4可以看出，SC與SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC和LN呈顯著正相關(guān);SN與NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、LC和LN呈顯著或極顯著正相關(guān);NO-3-N與NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC和LC呈顯著或極顯著正相關(guān);NH+4-N與AN和DOC呈顯著或極顯著正相關(guān);AN與DOC、DON、MBC和LC呈顯著或極顯著正相關(guān);DOC與DON、MBC和LN呈顯著或極顯著正相關(guān);DON與MBC和LC呈顯著或極顯著正相關(guān)，MBC與LC和LN呈顯著或極顯著正相關(guān);MBC與LC和LN呈顯著或極顯著正相關(guān);LC與LN呈顯著或極顯著正相關(guān);pH與SC、SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、LC和LN呈顯著或極顯著負相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

造林除影響土壤物理特性，如pH、容重等;還會通過根系分泌物以及凋落物歸還改變土壤化學(xué)性質(zhì)[7]，間接改變土壤微生物活性以及群落結(jié)構(gòu)組成，從而影響土壤C、N礦化過程。研究表明，土壤有機質(zhì)碳含量變化受土壤水分、溫度、造林類型和時間等綜合影響[13-14]。在本試驗中，雖然日本柳杉造林與草甸SC和MBN含量沒有顯著差異（P>0.05），這與Carlos等[2]發(fā)現(xiàn)草地轉(zhuǎn)換為針葉林40年后，SC無顯著差異結(jié)果相似，但卻顯著增加了SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON和MBC含量（P<0.05）。趙路紅等[5]研究表明，植被修復(fù)顯著提高土壤表層土壤（0～30 cm）DON含量（P<0.05），與本研究結(jié)果相似，那么這可能與日本柳杉林較之草甸具有較高的LC和LN含量，加之日本柳杉林會通過林冠截留霧氣形成林內(nèi)降水，增加土壤含水率，間接促進土壤C、N礦化能力增強，從而導(dǎo)致土壤C、N有效性增加有關(guān)。MBC和MBN是微生物活性的重要指標(biāo)，土壤C和N的轉(zhuǎn)化與其息息相關(guān)，尤其是表征土壤退化的DOC、DON，N的礦化能力更是關(guān)系到植物生長的重要因素，說明日本柳杉造林對土壤微生物活性，土壤質(zhì)量以及N礦化能力具有積極效應(yīng)。一般來說，植物群落的改變可能會因為光合效率、根系深度、凋落物數(shù)量、凋落物質(zhì)量、群落小氣候以及地下C、N分配策略的改變而影響生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)[10，16-19]，因此，日本柳杉造林對武功山山地草甸土壤碳氮特征的影響是多方面因素造成的結(jié)果。

pH作為土壤的一個基本理化性質(zhì)，直接影響土壤營養(yǎng)元素的有效性[20]、存在形式以及遷移狀況，并且會對土壤微生物、凋落物分解以及植物的生長造成影響。土壤pH降低可能與日本柳杉林具有更多的酸性物質(zhì)，或者吸收土壤中鈣鎂離子，導(dǎo)致鈉離子和氫離子含量的增加。土壤pH的高低制約著土壤生物化學(xué)性質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)的有效性、造林對營養(yǎng)元素的吸收、林木的生長發(fā)育等諸多方面，同時對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有深刻的影響。造林通常會降低土壤pH值[4-5，8]，這與本試驗所得結(jié)果一致，這可能一方面與日本柳杉林通過大量的凋落物歸還，造成酸性有機物及碳酸類物質(zhì)增加;在本試驗中，LC與LN方面，日本柳杉林顯著高于草甸，那么土壤中有機酸類物質(zhì)的增加，pH值較草甸土壤相比有所下降;另一方面在生長過程中會吸收土壤鈣鎂離子從而導(dǎo)致土壤鈉和氫離子含量增加[3，21-22];在本試驗中，SN、NO-3-N、NH+4-N、DOC、DON、MBC、LC、LN方面，日本柳杉都高于草甸，且SC與SN呈極顯著正相關(guān)，說明土壤有機質(zhì)碳的積累也有利于土壤氮的儲存與保持，土壤中這些形態(tài)的碳氮具有較好的相關(guān)關(guān)系，植物在增加碳的含量時，同時也增加氮的利用率，這樣會使土壤氫離子濃度升高，pH值降低。土壤pH通常與表層土壤有機碳存在負相關(guān)[23]，在本試驗中，pH與SC、SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、LC和LN呈顯著或極顯著負相關(guān)。

綜上，武功山山地草甸進行日本柳杉造林后，對土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，林草凋落物數(shù)量、質(zhì)量以及小氣候等的差異造成日本柳杉林土壤較草甸土壤具有較高的SN、AN、DOC、MBC含量，對增加土壤N庫、N的有效性以及微生物活性具有重要意義，但是卻加劇了武功山山地草甸土壤酸化。因此，在今后的研究中，應(yīng)當(dāng)對土壤其他指標(biāo)（如土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤酶等）加以測定，更加全面地揭示人工造林后，土壤養(yǎng)分及碳氮循環(huán)的變化規(guī)律;如何減緩?fù)寥浪峄瘧?yīng)當(dāng)成為武功山山地草甸脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)建設(shè)需要考慮的重要因素，此外，如果進行野外碳氮氣體（如CO2、CH4、N2O）長期檢測，將能更全面地揭示日本柳杉造林對武功山山地草甸碳氮循環(huán)的影響。

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（責(zé)任編輯：林海清）