更新方式對天山云杉林土壤碳氮的影響

王衛(wèi)霞，楊 光，王振錫

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】碳、氮不僅是構(gòu)成森林生態(tài)系統(tǒng)組分、維持養(yǎng)分循環(huán)的必需營養(yǎng)元素，也是重要的生態(tài)元素，其循環(huán)過程及其相互作用直接影響森林生態(tài)功能的發(fā)揮，森林作為全球碳、氮循環(huán)的重要組成部分，在維持碳、氮平衡方面做出貢獻[1-3]。土壤碳、氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程中最大的碳、氮庫。森林土壤系統(tǒng)碳、氮平衡是全球碳、氮循環(huán)中極為重要的組成部分，在全球的碳、氮循環(huán)中起著不可替代的作用，同時土壤系統(tǒng)中的碳、氮元素也是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，不僅與土壤肥力相關(guān)，而且與土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)并影響土壤質(zhì)量[4]。森林更新是一個重要的生態(tài)學(xué)過程，是森林生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)研究的主要領(lǐng)域之一[5]。森林更新方式變化對土壤生態(tài)環(huán)境有重要的影響[6]，不同的林木更新方式可以通過改變地表植被類型進而改變土壤的理化性質(zhì)，同時土壤植物根系及微生物的組成和活性等均會發(fā)生變化[7]，最終會影響土壤有機碳、氮源的輸入，導(dǎo)致土壤有機碳、氮含量與分布的差異。土壤有機碳和全氮的含量與空間分布直接影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與溫室氣體的組成和含量[8]，而全球氣候變化又會反作用于土壤碳、氮元素的遷移轉(zhuǎn)化[1]。認(rèn)識森林更新方式對土壤碳、氮分布的影響對于正確理解碳、氮的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】已有的研究多集中在杉木林，杉木人工林砍伐后火燒煉山人工更新引起的水土流失、地力衰退等，有關(guān)杉木林采伐跡地火燒煉山后不同更新方式對土壤有機碳變化的研究也有相關(guān)報道[4, 7, 9-11]。徐桂林等[4]研究發(fā)現(xiàn)，湖南會同第1代杉木林采伐跡地經(jīng)不同更新方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈?代杉木林地后，土壤有機碳含量隨土層深度增加呈指數(shù)函數(shù)下降趨勢。福建老齡杉木林經(jīng)人工更新和天然更新后土壤輕組有機碳的對比研究發(fā)現(xiàn)，人工更新林地土壤輕組有機碳含量顯著下降[7,9]。【本研究切入點】天山云杉(Piceaschrenkiana)作為新疆山地森林中分布最廣、蓄積量最大的森林生態(tài)樹種，在山地森林水源涵養(yǎng)與水土保持及林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的形成和維護等方面起著主導(dǎo)作用[12-13]。森林更新是指森林主伐以后，為了保證木材源源不斷的供應(yīng)和防護效能的持續(xù)發(fā)揮，在其采伐跡地上借助自然力或人力迅速恢復(fù)森林的過程，更新方式包括天然更新、人工更新和人工促進天然更新。不同的森林更新方式會影響土壤碳、氮源的輸入，進而影響林地土壤肥力和生產(chǎn)力。關(guān)于天山云杉林不同更新方式對土壤有機碳及氮含量的影響目前仍不清楚。研究新疆地區(qū)不同更新方式對天山云杉林土壤碳、氮的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究以天山云杉皆伐后不同更新方式下的林地土壤為研究對象，分析天山云杉不同更新方式對土壤有機碳及全氮的影響，為提高森林碳匯能力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

野外調(diào)查研究區(qū)位于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實習(xí)林場，地處天山北麓中段的烏魯木齊西南方向110 km，頭屯河上游，北臨準(zhǔn)噶爾盆地，平均海拔約2 200 m，林場內(nèi)年平均溫度3℃，7月最高溫度為15℃左右，1月最低溫度為-10℃左右；年日照大于1 300 h，無霜期140 d。年降水量500～600 mm，年降水分布不均，春夏偏多，約占全年總降水量的70%左右。地勢南高北低，坡度多在10～40°。森林主要分布在北坡、東北坡和西北坡，以天山云杉純林為主，林下土壤為普通灰褐色森林土。林下植被主要有塔什克羊角芹(AegopodiumtadshikorumSchischk.)、珠芽蓼(PolygonumviviparumLinn.)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia(Decne.) C. B. Clarke)、準(zhǔn)噶爾繁縷(StellariasoongaricaRoshev.)和天山羽衣草(AlchemilatianschananicaJuz.)等[14-15]。

1.2 方 法

1.2.1 樣地布設(shè)

2017年7～8月，采用典型樣方法在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實習(xí)林場天山云杉林中設(shè)置樣方進行調(diào)查。依據(jù)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實習(xí)林場歷史記載資料及現(xiàn)地調(diào)查資料，選擇本底條件(母巖、母質(zhì)、土壤等)較為一致的樣地，均為20世紀(jì)60年代初皆伐后不同的更新林地，主要包括皆伐后天然更新天山云杉林、皆伐后人工更新天山云杉林及皆伐后天然加人工更新天山云杉林；以Ⅷ級的老齡云杉林作為對照樣地，系統(tǒng)研究不同更新方式林地土壤碳、氮含量及儲量的差異，天山云杉林采伐跡地上不同更新方式會改變地表植被類型、林地環(huán)境條件及土壤特性等而導(dǎo)致不同更新方式下林地土壤有機碳含量的不同。

1.2.2 土壤樣品采集

2017年7～8月，根據(jù)各林地的地形地勢及小氣候等微環(huán)境的特點，分別在皆伐后的天然更新林地、人工更新林地、天然加人工更新林地和Ⅷ級的老齡云杉林地各設(shè)置3個30 m ×30 m 樣地，在每個樣地內(nèi)按照上坡、中坡和下坡各設(shè)3個采樣點，共36個采樣點。每個采樣點均按0～10 cm、10～25 cm和25～75 cm分層采集土壤樣品，然后把同一樣地內(nèi)上坡、中坡和下坡不同采樣點的同一土層的土樣混合均勻帶回實驗室自然風(fēng)干，粉碎過篩后進行碳氮含量的測定分析，同時在采集土壤剖面樣品時用100 cm3環(huán)刀取樣，105℃下烘干至恒重，測定土壤容重。

1.2.3 土壤樣品碳氮含量測定

土壤中的全氮含量取決于氮素輸入與輸出量的相對大小，森林的更新方式及土壤的管理會影響氮素的輸入與輸出。土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀—水合加熱法[16]，全氮含量測定采用凱氏定氮法[17]。

1.2.4 土壤碳氮儲量測算

土地利用方式對土壤氮的影響可以通過土壤氮儲量來反映。由于不同更新方式對土壤氮含量存在一定差異，土壤氮儲量也存在差異，各土層碳氮儲量S(g/cm2)采用以容重BD(g/cm3)、C或N含量C(%)及土層厚度T(cm)進行計算，其計算公式為[18]：

S=BD×C× T.

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 和 Sigmaplot 10.0進行處理分析，采用單因素方差分析法和LSD多重比較法檢驗不同更新方式林分類型在同一土層土壤碳氮含量、碳氮儲量的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同更新方式對土壤碳氮含量的影響

2.1.1 對土壤有機碳含量的影響

研究表明,不同更新方式下林地土壤有機碳含量在空間分布上存在顯著差異，有機碳含量均隨著土層加深呈逐漸下降的趨勢。不同更新方式間差異主要在0～25 cm土層。與老齡云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤有機碳含量分別下降21.08、27.83和53.2 g/kg，下降幅度分別為18.57%、24.52%和46.87%，且與老齡云杉林差異均達到顯著水平(P< 0.05)；10～25 cm土層分別比老齡云杉林下降9.09、13.88和13.83 g/kg，下降幅度分別為22.08%、33.72%和33.60%，且與老齡云杉林差異均達到顯著水平(P< 0.05)，但人促更新林和人工更新林之間差異不顯著(P< 0.05)。

不同更新方式對林地土壤有機碳含量影響程度不同，人工更新林土壤有機碳含量比天然更新林土壤下降的更為明顯，不同更新方式之間以0～10 cm土層土壤有機碳含量差異最大，天然更新林比人促更新林和人工更新林分別高6.75和32.12 g/kg，且差異均達到顯著水平(P< 0.05)；10～25 cm、25～75 cm土層，天然更新林土壤有機碳含量均顯著高于人促更新林和人工更新林，但人促更新林和人工更新林之間差異未達到顯著水平(P< 0.05)。表1

表1 不同林分土壤有機碳含量 Table 1 The concentration of SOC in different forests(g/kg)

研究表明,不同更新方式之間0～10 cm、10～25 cm土層土壤有機碳含量均達到顯著差異水平(P< 0.05)，但25～75 cm土層土壤有機碳含量未達到顯著水平(P>0.05)。不同更新方式對林地土壤表層有機碳產(chǎn)生了一定的影響，但對深層土壤有機碳含量影響相對較小。這和不同更新方式下土壤有機碳的輸入和輸出方式不同密切相關(guān)。表2

表2 林分不同土層有機碳含量單因素方差Table 2 One way ANOVA analysis of SOC content in soil layers

研究表明,不同的更新方式和土層深度均對土壤有機碳含量造成顯著的差異(P< 0.05)，而兩者的交互作用對土壤有機碳差異并不顯著(P= 0.398)。更新方式和土層深度均對土壤有機碳含量具有一定的影響，但兩者的交互作用對土壤有機碳含量幾乎沒有影響。表3

表3 不同更新方式(處理)和土層深度有機碳含量方差Table 3 Univariate analysis of variance between regeneration patterns (Treatment)and depth effects for SOC content

2.1.2 土壤全氮含量的影響

研究表明,不同更新方式下林地土壤全氮含量在空間分布上存在顯著差異，全氮含量均隨著土層加深呈逐漸下降的趨勢。這和土壤有機碳含量的變化比較一致。不同更新方式間土壤全氮含量的差異主要在0～10 cm土層。與老齡云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤全氮含量分別下降0.44、0.71和0.98 g/kg，下降幅度分別為20.37%、32.87%和45.37%，且與老齡云杉林差異均達到顯著水平(P< 0.05)。10～25 cm、25～75cm土層，不同更新方式間土壤全氮含量差異未達到顯著水平(P> 0.05)。表4

表4 不同林分土壤全氮含量Table 4 The concentration of TN in different forests(g/kg)

研究表明,不同更新方式之間0～10 cm土層土壤全氮含量達到顯著的差異水平(P< 0.05)，但10～25和25～75 cm土層土壤全氮含量均未達到顯著水平(P> 0.05)。不同更新方式對林地土壤表層全氮產(chǎn)生了一定的影響，但對深層土壤全氮含量影響相對較小。表5

表5 林分不同土層全氮含量單因素方差Table 5 One way ANOVA analysis of TN content in soil layers

研究表明,不同的更新方式和土層深度均對土壤全氮含量造成顯著的差異(P< 0.05)，且更新方式均方差遠小于土層深度的均方差，而兩者的交互作用并不顯著(P= 0.079)。土層深度對土壤全氮含量的影響大于更新方式，而土層深度和更新方式的影響遠大于兩者的交互作用。表6

表6 不同更新方式(處理)和土層深度全氮含量方差Table 6 Univariate analysis of variance between regeneration patterns (Treatment)and depth effects for TN content

2.2 不同更新方式對土壤碳氮儲量的影響

2.2.1 對土壤有機碳儲量的影響

研究表明,更新方式對表層土壤有機碳儲量影響較為顯著。不同方式更新后，0～10和10～25 cm土層的土壤有機碳儲量均有所下降，與老齡云杉林相比，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤有機碳儲量分別下降了13.31%、23.43%和40.02%，10～25 cm土層土壤有機碳儲量則分別下降了17.30%、28.30%和28.80%，且與老齡云杉林相比差異均達到顯著水平(P< 0.05)。

不同更新方式對林地土壤有機碳儲量的影響不同，75 cm深土壤有機碳儲量的大小順序依次為天然更新林>人促更新林>人工更新林，不同方式更新后，天然更新林比人促更新林和人工更新林土壤有機碳儲量分別高23.47%和35.04%。圖1

注：不同小寫字母表示同一土層不同更新方式間差異顯著(P < 0.05)

2.2.2 對土壤氮儲量的影響

研究表明,更新方式對表層土壤氮儲量影響較為顯著。與老齡云杉林相比，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤有機氮儲量分別下降了19.03%、28.76%和38.29%，且與老齡云杉林相比差異均達到顯著水平(P< 0.05)。

不同更新方式對林地土壤氮儲量的影響不同，老齡云杉林0～75 cm土層內(nèi)土壤氮儲量分別是天然更新林、人促更新林、人工更新林的1.02、1.22和1.33倍，森林更新顯著降低了森林氮儲量，但是不同方式更新后，天然更新林比人促更新林、人工更新林土壤氮儲量分別高19.55%和30.59%，且差異均達到顯著水平(P< 0.05)，天然更新方式更有利于土壤氮的固定。圖2

注：不同小寫字母表示同一土層不同更新方式間差異顯著(P < 0.05)

3 討 論

土壤有機碳含量是森林生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動態(tài)平衡結(jié)果，土壤有機碳主要來自于動植物和微生物等的殘體、排泄物和分泌物等，而且土壤有機碳含量始終處于不斷分解與合成的動態(tài)變化過程中[19]，其儲量的大小受氣候條件、植被類型、土壤特性及其土壤上的經(jīng)營實踐與人為活動等的控制[11]。有研究發(fā)現(xiàn)森林采伐收獲后，土壤有機碳含量一直處于下降狀態(tài)[20-21]，不同的更新方式改變了植被類型和林地的外界環(huán)境條件以及土壤的特性等，進而引起土壤碳含量的差異。楊玉盛等[22]通過對福建格氏栲天然林及其采伐跡地上營造的人工林土壤有機碳的研究發(fā)現(xiàn)，天然林改建為人工林后，土壤有機碳含量及儲量均顯著下降，其中表層(0～10 cm)土壤有機碳含量的變化最大，研究者認(rèn)為這和土壤受皆伐、整地等營林措施的干擾影響密切相關(guān)。周艷翔等[11]對亞熱帶地區(qū)更新方式對杉木人工林土壤碳庫質(zhì)量的影響研究發(fā)現(xiàn)，老齡杉木林砍伐更新為人工更新林和天然更新林均導(dǎo)致土壤有機碳含量下降。

研究中，與老齡云杉林相比，天然更新林、人促更新林和人工更新林土壤中0～75 cm土層有機碳含量和儲量均有不同程度的下降，而不同更新方式下林地土壤有機碳含量均隨著土層加深呈逐漸下降的趨勢。這主要是由于地上枯枝落葉和地下植物根系的分解所形成的有機碳首先進入土壤表層，使得表層土壤有機碳含量顯著高于深層土壤。另外隨著土層厚度的加深，土壤中分布的植物根系越來越少，腐殖質(zhì)含量相對表層土壤大幅減少，因此，土壤有機碳含量沿著土層垂直方向越往下越少[23-24]。也有研究表明，由于大量死根的腐解歸還為土壤提供了豐富的碳源[25]，因此，植物根系的分布會直接影響土壤有機碳的垂直分布。研究中,不同更新方式對林地土壤有機碳含量和儲量影響程度不同，人促更新林和人工更新林的土壤有機碳含量和儲量比天然更新林土壤下降的更為明顯。這主要是由于森林的采伐及更新方式改變了地表的植被類型，從而影響了林地有機碳的輸入和輸出的數(shù)量[11]。人促更新林和人工更新林經(jīng)過人為的經(jīng)營管理措施以后，對土壤形成一定的擾動，造成土壤有機碳的損失，而采用天然更新的林地，每年有枯枝落葉覆蓋地表使得林地未完全裸露，具有保水保肥的功效，同時養(yǎng)分及有機碳可以通過枯枝落葉的不斷分解逐漸歸還到林地中，相對于人促更新林和人工更新林，林地有機碳含量和儲量下降較少。

在土壤-植物系統(tǒng)中，氮素在動植物及微生物體、土壤有機質(zhì)與土壤礦物質(zhì)的各個分室中遷移轉(zhuǎn)化，氮是調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵元素[26]，而且土壤中的有效氮很容易遷移，土地利用方式的變化常常會引起土壤氮循環(huán)格局的不同，進而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[27]。土壤中的全氮含量取決于氮素輸入和輸出量的相對大小，森林的更新方式及人為的經(jīng)營管理措施會影響氮素的輸入與輸出。研究中不同更新方式下林地土壤全氮含量均隨著土層加深呈逐漸下降的趨勢。這和土壤有機碳含量的變化比較一致。主要原因可能是土壤氮含量受降雨、動植物殘體、枯枝落葉和植物根系及微生物的分解作用等多因素的影響，地上的枯枝落葉與地下植物根系的分解所形成的養(yǎng)分元素首先進入土壤表層，從而使得表層土壤養(yǎng)分含量會顯著高于深層土壤。不同更新方式間土壤全氮含量的差異主要在0～10 cm土層。與老齡云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤全氮含量及儲量均表現(xiàn)為下降趨勢，且與老齡云杉林差異均達到顯著水平(P< 0.05)?？赡苁怯捎诓煌母路绞礁淖兞说乇碇脖活愋图巴寥赖睦砘再|(zhì)，從而使土壤中的植物根系分布及微生物的組成和活性等均發(fā)生變化，最終導(dǎo)致分解后通過淋溶作用進入土壤層氮素的量產(chǎn)生差異[7, 28]。

研究中不同更新方式同一土層土壤有機碳、全氮含量的方差分析結(jié)果顯示，不同更新方式之間0～10 cm土層土壤有機碳、全氮含量均達到顯著的差異水平(P< 0.05)，但25～75 cm土層土壤有機碳、全氮含量未達到顯著水平(P> 0.05)。不同更新方式對林地土壤表層有機碳、全氮含量產(chǎn)生了一定的影響，但對深層土壤影響相對較小。不同更新方式和土層深度對土壤有機碳、全氮含量的方差分析結(jié)果顯示，不同的更新方式和土層深度均對土壤有機碳、全氮含量造成顯著的差異(P< 0.05)，而兩者的交互作用對土壤有機碳、全氮差異并不顯著(P> 0.05)。更新方式和土層深度均對土壤有機碳、全氮含量具有一定的影響，但兩者的交互作用對其幾乎沒有影響。這和徐桂林等[4]對湖南會同杉木林地不同更新方式和土層深度對土壤碳氮含量影響的方差分析結(jié)果較為一致。

4 結(jié) 論

不同更新方式對天山云杉林土壤碳氮含量的影響程度不同，林地土壤有機碳及全氮含量在空間分布上均表現(xiàn)為隨著土層加深呈逐漸下降的趨勢。不同更新方式對土壤有機碳含量的影響差異主要體現(xiàn)0～25 cm土層，與老齡云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤有機碳含量分別下降21.08、27.83和53.2 g/kg；10～25 cm土層分別下降9.09、13.88和13.83 g/kg，且均與老齡云杉林差異達到顯著水平(P< 0.05)。而不同更新方式對土壤全氮含量的影響差異則主要體現(xiàn)在0～10 cm土層，與老齡云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土層土壤全氮含量分別下降0.44、0.71和0.98 g/kg，且與老齡云杉林差異均達到顯著水平(P< 0.05)。人工更新林土壤碳氮含量均比天然更新林土壤下降的更為明顯，而表層土壤反映最為敏感，下降最快。

更新方式對表層(0～10 cm)土壤有機碳儲量及氮儲量均有顯著影響，且與老齡云杉林相比，不同的更新方式使土壤有機碳儲量及氮儲量存在不同程度的下降，但不同方式更新后，天然更新林比人促更新林和人工更新林土壤有機碳儲量分別高23.47%和35.04%；氮儲量則分別高19.55%和30.59%，且差異均達到顯著水平(P< 0.05)，天然更新方式更有利于土壤碳氮的固定。