馬尾松低效人工林土壤易氧化有機碳在不同改造措施下的分布特征

王亞麗, 許武成, 杜忠

西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院，四川 南充 637009

在全球碳循環(huán)中，土壤扮演著極其重要的角色，它是地球表層最大的有機碳庫。土壤中有機碳含量估計為陸地生物圈碳庫總量的2/3，碳庫的變化被普遍認(rèn)為是導(dǎo)致大氣成分和全球氣候變暖的重要因素[1]。土壤有機碳一般由兩部分構(gòu)成：一是易氧化有機碳，二是穩(wěn)定性比較強的有機碳。其中，Blair等學(xué)者在進行廣泛深入地調(diào)查分析后表示[2]，在作物連續(xù)生長期間能被333 mmol·L?1的KMnO4氧化的有機質(zhì)最易發(fā)生變化，稱之為易氧化有機碳，是反映土壤肥力變化的主要依據(jù)。有研究人員表示，易氧化有機碳不僅是預(yù)測土壤有機碳中動態(tài)周轉(zhuǎn)最快的組分[3]，同時也是反映土壤有機質(zhì)動態(tài)變化的重要指標(biāo)[4]，可以此為依據(jù)評估土壤內(nèi)部有機質(zhì)的早期動態(tài)變化[5,6]。

土壤易氧化有機碳（ROOC）包括有輕組有機碳、微生物生物量碳、可溶性有機碳、土壤可礦化碳以及碳水化合物[7]。易氧化有機碳在反映土壤質(zhì)量和肥力變化時比總有機碳（TOC）更靈敏，能夠比較早地揭示土壤肥力變化情況，及時準(zhǔn)確地表達土壤物理性質(zhì)的演變。ROOC可被用于描述和反映土壤物質(zhì)循環(huán)特征，被視為土壤管理措施變化引起土壤有機質(zhì)變化和土壤潛在生產(chǎn)力的早期指標(biāo)[8,9]，在采取一系列經(jīng)管措施后，其變化相對較為明顯[10]。

作為我國栽植分布最廣的一類松屬樹種，馬尾松是南方最主要用材松屬樹種之一，也是四川省栽植范圍最廣的用材樹種，它具有適生生長能力強、豐產(chǎn)、速生、用途廣泛等諸多優(yōu)點[5]。低效林是一個比較寬泛的概念，主要指的是受人為或者自然等相關(guān)因素的制約，林木生長速度滯后，林分結(jié)構(gòu)不合理，系統(tǒng)功能明顯衰退，造成森林生態(tài)功能、林產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量等遠遠落后于同等面積、同等范圍下的林分水平。低效林改造，是改變森林資源粗放經(jīng)營、提高森林資源整體功能效益的有效途徑，充分發(fā)揮林地生產(chǎn)潛力，提高林分質(zhì)量，是加快森林資源培育和林業(yè)產(chǎn)業(yè)建設(shè)步伐，培育優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)和高效的森林資源的必然要求。但目前比較缺乏關(guān)于經(jīng)營管理對馬尾松低效林土壤易氧化有機碳影響的研究，鑒于此，本試驗擬將目光聚焦于川南馬尾松低效林，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上立足于現(xiàn)實情況，積極探尋各種改造措施下土壤易氧化有機碳含量的初期變化規(guī)律，為該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的合理經(jīng)營、碳匯功能的客觀評價及土地利用方式的正確選擇提供有益指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選址設(shè)在四川省宜賓市高縣北部來復(fù)鎮(zhèn)（104°21′ E—104°49′ E，28°11 N—28°42′ N），海拔274.0 m～1 252.1 m，屬于典型丘陵低山地貌。該區(qū)屬于中亞熱帶濕潤性季風(fēng)型氣候，年平均日照時間1 107.7 h，年平均氣溫18.0 ℃，年降水量1 037.9 mm，年無霜期346.2 d。土壤多為山地黃壤土，其pH值為3.89～5.16，表層基巖質(zhì)地松軟。植被絕大部分為原始植被受破壞后的次生植被和以馬尾松為主的人工植被。

1.2 研究方法

試驗選取的樣地主要設(shè)置在2年生的幼齡林地帶，其研究區(qū)的林分形態(tài)類型、坡度坡向和當(dāng)?shù)赝寥罈l件均相對一致。采用面積各異的林窗干擾，團塊狀鑲嵌式改造低效低產(chǎn)人工林地，在林窗內(nèi)栽植紅椿、油樟等闊葉樹種，打造針闊混交林人工生態(tài)系統(tǒng)。本試驗共設(shè)置18個樣地，其中3個馬尾松低效林對照樣地（CK），12個不同林窗面積標(biāo)準(zhǔn)樣地，分別是10 m×10 m林窗3個（T1）、20 m×20 m林窗3個（T2）、30 m×30 m林窗3個（T3）、40 m×40 m林窗3（T4），重造樣地3個（QK），調(diào)查采樣時間分別為2013年12月、2014年3月、2014年6月、2014年10月，采樣用蛇形5點法，將地面凋落物全部去除之后，按0 cm～20 cm土層和20 cm～40 cm土層分別取適量土樣并混勻，置放于密封袋內(nèi)并按照順序進行統(tǒng)一編號，排盡袋內(nèi)空氣。將樣袋帶回后自然風(fēng)干、研磨，過2 mm篩后備用，采用高錳酸鉀氧化比色法測定土壤易氧化有機碳（ROOC）含量[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel2003軟件（Microsoft，USA）進行數(shù)據(jù)整理，采用SPASS13.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，顯著水平α設(shè)定為0.05，用Duncan’s法進行多重比較，最后用sigmpaplot12.5（Systat Software Inc., USA）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改造措施對土壤易氧化有機碳含量的影響

根據(jù)表1能夠了解到，在同一季節(jié)，土壤中易氧化有機碳（ROOC）含量因采取的改造方法不同、土層深度不同而呈現(xiàn)出較大差別（P<0.05）。0～20 cm土層深度中，ROOC含量為CK>T1>T2>T3>T4>QK；即對照林最高，皆伐最低，并隨開窗面積的增大而降低。20～40 cm土層深度中，春季ROOC含量表現(xiàn)為CK>T2>T3>T4>T1>QK，夏季ROOC含量表現(xiàn)為T1>T3>CK>T2>T4>QK，秋、冬季節(jié)ROOC含量均表現(xiàn)為CK>T2>T3>T4>T1>QK。且20～40 cm土層中的ROOC約為0～20 cm土層的31.47%～81.03%，表明不同改造模式對不同土層的ROOC含量有顯著影響。

2.2 同一改造措施下易氧化有機碳季節(jié)含量變化情況

由表2可知，在同一改造措施下，ROOC含量因季節(jié)變化存在明顯差異。0～20cm深度土層下，ROOC含量表現(xiàn)為冬、夏季節(jié)顯著高于春、秋季節(jié)，且ROOC含量趨勢依次表現(xiàn)為：夏>冬>春>秋；20～40 cm深度土層下，對照樣地與重造樣地中的ROOC含量趨勢依次表現(xiàn)為：夏>冬>春>秋。而在標(biāo)準(zhǔn)樣地中，ROOC含量趨勢依次表現(xiàn)為夏>春>冬>秋。表明同一改造措施下，土層深度是影響ROOC含量的重要因素。

3 討論

本研究中，土壤易氧化有機碳含量0～20 cm土層均高于20～40 cm土層，其原因主要包括下述幾點：第一，較多作物根系殘留于土壤之中；第二，土壤垂直方向上不同層次氧氣含量不同，加之受人為因素影響不同。在土壤土層深度不斷增加的過程中，存活于土壤中的微生物其活性不斷降低，而這即使得土壤有機化合物的分解利用速率明顯下降，由此造成土壤易氧化有機碳含量驟降。一般來講，土層深度越大，土壤有機碳的殘存時間愈久，有效性愈差。所以，相比于深層土壤，土壤易氧化有機碳更易停留于淺層土壤[12]。另外，據(jù)調(diào)查，研究的所有樣地都有施用有機肥，有機肥及有機肥與化肥（NPK）聯(lián)合配施對提高土壤易氧化有機碳有較大影響[13]，但因為追肥基本都在土壤表層進行，下層土壤只能通過滲透才能吸收到，所以土壤通過施肥增加的易氧化有機碳仍然是表層大于下層，即隨土壤深度增加而降低。0～20 cm土壤層易氧化有機碳含量明顯高于20～40 cm土壤層，表明表層土壤的碳儲存能力較強，加大了土壤穩(wěn)定作用，隨即改善了土壤的物理及生物性質(zhì)，使得土壤肥力明顯提升，而這已被證實[14]。

表 1 不同改造措施土壤易氧化碳含量變化情況Tab. 1 Soil readily oxidizable carbon content under different transformation measures

表 2 同一改造措施下土壤易氧化有機碳含量的影響Tab. 2 Effects of the same transformation measure on soil readily oxidizable carbon content

本研究中，通過不同季節(jié)土壤采樣對土壤易氧化碳含量進行分析，研究表明土壤易氧化碳含量隨季節(jié)的變化而變化。同時，研究發(fā)現(xiàn)，同一土壤層，不同改造措施土壤中易氧化有機碳含量表現(xiàn)為皆林砍伐重造<大林窗補植間伐<小林窗補植間伐<馬尾松純林，其原因有多種：（1）是由于馬尾松低效林樣地長期未得到管理，其生態(tài)系統(tǒng)近似于低效天然林生態(tài)系統(tǒng)，間伐補植林窗和皆林砍伐重造都是人工再造林地。有研究表明，當(dāng)自然生態(tài)系統(tǒng)逐步向人工管理生態(tài)系統(tǒng)過渡及演變時，土壤性質(zhì)驟變，譬如，土壤肥力明顯減弱、土壤團聚化降低等[15]。天然林轉(zhuǎn)換為人工林后，土壤中所存在的植物細跟及其凋落物均明顯減少，加之受人為因素的影響，土壤水分、溫度等土壤環(huán)境因子發(fā)生顯著變化，土壤有機質(zhì)礦化作用進一步加強，由此造成ROOC減少[16]。同時林窗面積越大，則人工改造越多，對其影響越明顯?？梢姡S持土壤較高碳含量的前提是減少人為干擾。（2）是氣候影響，有研究表明，降雨和灌水可顯著提高活性有機碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[2]，ROOC是土壤有機碳中易被氧化、分解的部分[17]，隨土壤濕度波動，易氧化有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為：濕潤區(qū)>潮濕區(qū)>半濕潤區(qū)>半干旱區(qū)[18]。（3）是因為在低效林改造初期，林地表層土壤環(huán)境條件特別是溫度和水分條件發(fā)生較大變化，使土壤中原有的易氧化有機碳分解加快，加之改造初期林木幼小，枯落物回歸量少。表明在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，無論何種改造措施，初期由于環(huán)境條件改變，枯落物回歸量減少，土壤中原有有機質(zhì)分解加快，都能不同程度降低土壤中的易氧化有機碳含量，且與砍伐面積呈負相關(guān)，即砍伐面積越大土壤中易氧化有機碳含量越低。但隨著林分的生長，林內(nèi)森林環(huán)境條件形成，枯落物回歸量增加，林地土壤中易氧化有機碳含量會逐漸增加，土壤的固碳能力亦會明顯提高[19]。

4 結(jié)論

（1）同一改造措施、不同土壤層易氧化有機碳含量，均隨土層深度的增加而減少；同一土壤層、不同改造措施易氧化有機碳含量不同，具體表現(xiàn)為：皆林砍伐重造< 大林窗補植間伐改造< 小林窗補植間伐改造< 馬尾松純林，上述改變差異在表層0～20 cm土壤中較為突出，在土層深度不斷增大的過程中，其差別日益減小。

（2）在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，無論何種改造措施，初期由于森林采伐必然導(dǎo)致林地環(huán)境條件改變，枯落物回歸量減少，土壤中原有有機質(zhì)分解加快，從而不同程度降低土壤中的易氧化有機碳含量，且與砍伐面積呈負相關(guān)。