武夷山國家公園馬尾松林改為茶園后影響表層土壤碳含量的林緣效應(yīng)*

游巍斌 李 穎 周 艷 何東進,4

（1. 福建農(nóng)林大學林學院 福州 350002；2. 福建省南方森林資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心 福州 350002；3. 武夷山國家公園科研監(jiān)測中心 武夷山 354300；4. 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 福州 350119）

森林是陸地上最大的碳匯（Hinsonet al.，2017），在全球碳循環(huán)中具有重要作用；森林土壤碳儲量發(fā)生微小變化將對全球氣候產(chǎn)生巨大影響（Brincket al.，2017）。經(jīng)濟作物種植（Danielset al.，1995）、森林采伐（Luyssaertet al.，2008；Harmonet al.，1990）和開發(fā)建設(shè)（Myroniuket al.，2020；Bacciniet al.，2017）等不同形式的土地利用/覆蓋（Land-use and land-cover，LULC）變化，會改變植被覆蓋和水熱條件、土壤理化性質(zhì)和生物化學過程，引起土壤有機碳含量變化并影響森林碳固存（覃智蓮等，2020）。

種植經(jīng)濟作物導致大面積森林覆被改變的同時，也加劇了全球森林破碎化，森林與其他土地類型接壤的邊緣地帶面積和長度也隨之增加（田超等，2011；Smithet al.，2018）。全球近20%的森林面積位于森林邊緣100 m 的范圍之內(nèi)（Haddadet al.，2015）。隨著森林邊緣地帶的不斷增加，森林邊緣地帶的碳儲量和碳匯變化也受到關(guān)注（Remyet al.，2017；d'Albertaset al.，2018）。例如，Chaplin-Kramer 等（2015）結(jié)合遙感生物量估測和土地覆蓋數(shù)據(jù)集研究發(fā)現(xiàn)，全球熱帶森林距離其邊緣范圍（500 m）內(nèi)的森林平均碳存儲比森林內(nèi)部降低了25%，同時指出IPCC 第1 層方案高估了10%的熱帶森林碳儲量。Saeed 等（2019）研究中國東南部杉木（Cunninghamia lanceolata）林后發(fā)現(xiàn)，森林邊緣與森林內(nèi)部的土壤有機碳碳密度差異近6%。然而，Reinmann 等（2017）在對美國新英格蘭南部的典型溫帶闊葉林研究卻發(fā)現(xiàn)相反結(jié)果，即從森林內(nèi)部到邊緣（將林緣向林內(nèi)20 m 界定為邊緣）森林生長和生物量平均增長了89%和64%，森林破碎化導致的邊緣增多使碳吸收和碳儲存分別增加了13%和10%?？梢?，森林邊緣增加對森林土壤碳固持的影響尚未有一致結(jié)論，對其影響機制的認識也十分有限。

中國是世界上最早栽培茶樹的國家，茶區(qū)分布廣泛；在過去的半個世紀，中國茶園面積擴張了近10 倍，茶園總面積占世界的一半左右（國家統(tǒng)計局，2017）。茶園種植已是我國南方丘陵地區(qū)對山地森林的典型的土地利用/覆被類型（land-use and land-cover，LULC）變化。在考慮林緣效應(yīng)影響下，探究茶園種植對森林邊緣地帶碳匯潛力及其變化的影響，對提高區(qū)域碳匯估算精度具有重要價值。

武夷山是中國十大名茶“武夷巖茶”的主要產(chǎn)區(qū)，20 世紀90 年代以來，隨著武夷巖茶的快速發(fā)展，武夷山森林改茶園的土地利用的轉(zhuǎn)變十分普遍（陳玉真等，2018），這些森林林分與現(xiàn)存茶園毗鄰，但本底條件（母巖、土壤和氣候條件）相似。因此，本研究選擇武夷山國家公園馬尾松純林和由其轉(zhuǎn)換的毗鄰茶園，探究以茶園占用馬尾松林地為代表的LULC 變化以及影響馬尾松林土壤碳含量的變化的林緣效應(yīng)，以期為揭示茶園種植對森林土壤碳匯潛力和碳匯估算不確定的影響提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

武夷山國家公園（27°33′—27°54’N、117°27’—118°01’E）位于福建省北部，總面積1 001.41 km2，地處中亞熱帶，為中亞熱帶濕潤性季風氣候，四季分明，自然環(huán)境優(yōu)越，動植物資源豐富。武夷山國家公園森林覆蓋率為87.86%，其中28.6%為馬尾松林。該區(qū)自唐朝以來為茶葉主產(chǎn)區(qū)，且茶園分布零散，較少有大規(guī)?；蚣谐善牟枭剑ㄊ捥煜?，2008）。自20 世紀90年代以來，隨著武夷山地區(qū)茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)濟利益驅(qū)動下，當?shù)夭鑸@迅速擴張和無序開發(fā)，使林地或耕地改為茶園的土地利用/覆蓋變化方式十分普遍（Youet al.，2017）。

2 研究方法

2.1 采樣區(qū)篩選與取樣

結(jié)合武夷山國家公園地形圖、土壤類型圖和森林小班圖以及實地勘察，在海拔、坡度、土壤類型（紅壤）和茶園種植管理方式基本一致的區(qū)域，選取8 個馬尾松純林及其毗鄰茶園作為采樣區(qū)（茶園均是因占用與其接壤的次生馬尾松林轉(zhuǎn)化而來，以下將這類毗鄰茶園稱為“林改茶園”）。在每個采樣區(qū)內(nèi)，以茶園與馬尾松林接壤的“茶-林”邊緣為界，沿著垂直于海拔梯度的水平方向，設(shè)置從馬尾松林邊緣向林內(nèi)延50 m樣線，分別在樣線上距林緣1、20 和50 m 的位置設(shè)置3 個采樣點（以下簡稱林距1 m、林距20 m 和林距50 m），同時在每個林距采樣點處的上下兩側(cè)5 m 處再增設(shè)2個土壤采樣點，使用直徑7 cm 的土鉆采集3 個采樣點的表層（0～20 cm）土壤（去除地表枯落物），并在相應(yīng)位置處取原狀土測定土壤密度、孔隙度和含水率等指標。同時，在樣線上反向延伸入茶園5 m 處（茶園內(nèi)種植和管理方式一致），用上述方式取樣并測定對應(yīng)指標。在8 個采樣區(qū)的4 個林距（含茶園內(nèi)）各取3 個表層土樣，共96 個土樣。將上述土樣在采集以后馬上密封、冷藏保存帶回實驗室處理，用于土壤理化指標測定。采樣區(qū)基本概況見表1。

2.2 土壤指標測定

土壤樣品去除根系、石礫以及動植物殘體后，過2 mm 篩，一部分樣品自然風干后用于測定土壤pH 值和有機碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量；另一部分4 ℃冷藏用于測定微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、可溶性有機碳（DOC）、可溶性有機氮（DON）、銨態(tài)氮硝態(tài)氮含量等。土壤pH 值采用玻璃電極pH計測定。TOC 和TN 采用元素分析儀（Vario isotope cube, 德國）測定（習丹等，2020）。TP 采用硫酸鉬銻抗比色法測定；TK 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS 分析儀）測定。MBC 和MBN 采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法（林先貴，2010）；DOC 和DON 采用總有機碳分析儀（TOC-VCPH/CPN，日本）測定。和用氯化鉀浸提后，靛酚藍比色法測定，采用紫外分光光度法測定。土壤含水率（SM）用烘干法測定；土壤密度（BD）和孔隙度（SP）用環(huán)刀法測定（鮑士旦，2000；劉明輝等，2020）。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用R3.6.3 中rcompanion 包（Mangiafico，2020）的置換檢驗（permutation test），檢驗茶園和3 個林距的TOC、DOC、MBC 含量和其他土壤理化指標的差異顯著性。以TOC、DOC、MBC 等3 個土壤碳含量作為響應(yīng)變量，以土壤理化指標、邊緣年齡（BA）和土地類型/覆被類型（LULC）3 方面的因子作為潛在解釋變量，采用vegan 包進行冗余分析（RDA）；為進一步分析影響TOC、DOC 和MBC 含量的關(guān)鍵因素，在冗余分析的基礎(chǔ)上，采用lm()函數(shù)對單個土壤碳含量指標及其影響因素進行逐步回歸分析。采用prcomp 函數(shù)對不同林距處土壤屬性進行主成分分析。

比較馬尾松林改為茶園后的土壤碳變化程度，計算公式如下：

式中：EV 為效應(yīng)值（effect value）；SCCt 為茶園土壤碳含量均值（mean soil carbon content of tea plantation）；SCCp 為馬尾松林土壤碳含量均值（mean soil carbon content ofPinus massonianaforest）。

由于研究區(qū)內(nèi)能滿足本研究需要的“林—茶”采樣區(qū)十分有限，本研究僅獲得小樣本的采樣區(qū)數(shù)量，故采用置換檢驗方法進行統(tǒng)計推斷，并在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中將顯著性水平α 設(shè)為0.1（Amrheinet al.，2019）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳含量及理化性質(zhì)沿林緣距離的變化

3.1.1 土壤碳含量 馬尾松林改茶園后，土壤TOC和DOC 含量顯著低于馬尾松林內(nèi)所有林距點（P＜0.05）（圖1），呈土壤TOC 和DOC 含量從林內(nèi)向林緣及茶園方向的下降。TOC 含量均值在林距50 m、20 m、1 m 和毗鄰林改茶園處依次為31.08、30.67、22.26 和13.25 g·kg-1；DOC 含量均值在林距50 m、20 m、1 m 和林改茶園處依次為269.7、259.8、226.5 和135.45 mg·kg-1。與林距50 m 處相比，DOC 含量在林距20 m 略微降了3.7%，至林距1 m 和茶園處顯著下降16%和50%。此外，茶園土壤MBC 含量為283.4 mg·kg-1與林距50 m、20 m 和1 m 處的299.3、382.6 和310.6 mg·kg-1無顯著差異（P＞0.1）。

圖1 馬尾松林內(nèi)至林緣及毗鄰茶園處土壤表層碳含量變化Fig. 1 Changes of topsoil carbon content from inner-P. massoniana forest to forest edge and adjacent tea plantation

3.1.2 土壤理化指標 由表2 可見，馬尾松林內(nèi)與茶園的土壤理化特性總體上差異較大，而不同林距的土壤理化特性幾乎無顯著差異（除BD、SP、TP 外）。pH值、BD、SP、SM、TN、TP 和TK 等理化指標的變異系數(shù)變化在10%～50%之間（其中SM 變異最?。欢鳧ON、MBN、等活性氮相關(guān)指標的變異系數(shù)明顯增大（介于20%～80%）。具體來看，茶園土壤pH 值和TN 均值最低，分別為4.54 ± 0.23 和（0.96± 0.22） g·kg-1，從林緣向林內(nèi)兩者均有所增加（P＞0.1）。茶園BD 均值為（1.76 ± 0.13） g·cm-3，從林緣至林內(nèi)下降趨勢明顯。茶園TP 均值為（0.18 ± 0.04） g·kg-1，與馬尾松林內(nèi)差異顯著，且不同林距的TP 也存明顯區(qū)別。此外，TK、MBN 和均值在不同林距之間差異不顯著。

表2 馬尾松林內(nèi)至林緣及毗鄰茶園處表層土壤理化性質(zhì)特征①Tab. 2 Physical and chemical properties of topsoil from inner-P. massoniana forest to forest edge and adjacent tea plantation

3.2 馬尾松林轉(zhuǎn)為茶園后導致的土壤碳含量變化

為剔除邊緣效應(yīng)，以林距20 和50 m 處土壤碳含量作為不受茶園種植影響的馬尾松林土壤碳含量，計算碳含量的變化。由表3 可知，馬尾松林轉(zhuǎn)為茶園后，表層土壤TOC 和DOC 含量均值分別下降了57.4%和48.8%（P＜0.01），MBC 均值含量也下降了16.9%。在8 個采樣區(qū)之間，馬尾松林表層土壤碳含量變異系數(shù)較高（約40%～80%），尤其是MBC；而茶園土壤表層TOC、DOC 和MBC 含量的變異系數(shù)明顯較低，介于20%～40%之間。

表3 馬尾松林轉(zhuǎn)為茶園后表層土壤碳含量變化①Tab. 3 Changes of topsoil carbon content after P. massoniana forest transformed into tea plantation

3.3 影響土壤碳含量變化的相關(guān)因素

林內(nèi)至林緣及毗鄰茶園表層土壤性質(zhì)指標的主成分分析結(jié)果見圖2，前兩軸共同解釋了樣本總變異的50.6%。林距20 m（藍圈）和50 m（紅圈）重疊部分最多，表明林距20 和50 m 處土壤特征屬性相似度高。林距1 m（紫圈）與林距20 m（藍圈）、50 m（紅圈）及毗鄰茶園（黃圈）均有部分重疊，表明林緣土壤兼具兩側(cè)土地利用類型的土壤特征。此外，林距20 m 和50 m的圈層與毗鄰茶園的圈層明顯分離，表明它們的土壤特性明顯不同。

圖2 馬尾松林與毗鄰茶園表層土壤特性的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of topsoil properties in P.massoniana forest and adjacent tea plantation

RDA 冗余分析結(jié)果（圖3）顯示：土壤理化性質(zhì)、BA 和LULC 對3 個土壤碳含量指標的總解釋率為40.56%（約94%集中于第一軸）。TOC、DOC 和MBC含量與解釋變量的逐步回歸方程見表4。TOC 和DOC 擬合效果好，二者的調(diào)整R2均達到0.76 以上；但MBC 的調(diào)整R2接近于零。具體來說，土壤TOC 含量主要與TN、DON、SM、和LULC(Tea)的密切相關(guān)，它們共同解釋了TOC 變異的87.7%。DOC 含量主要受TN、DON、、pH、LULC(Tea)和BA的作用，它們共同解釋了DOC 變異的76.6%。

圖3 采樣點表層土壤碳含量與相關(guān)因子的冗余分析Fig. 3 Redundancy analysis of topsoil carbon content and relevant factors in sampling points

表4 土壤TOC、DOC 和MBC 含量的逐步回歸方程①Tab. 4 Stepwise regression equation for topsoil carbon content of each carbon component

4 討論

4.1 茶園種植對馬尾松林緣土壤碳含量的影響

本研究表明，馬尾松林緣土壤TOC 和DOC 含量會受到茶園種植的影響，越靠近林緣時表層土壤的TOC 和DOC 含量越小，在林緣至林距20 m 范圍內(nèi)這種現(xiàn)象更明顯，但表層土壤MBC 含量的林緣效應(yīng)不顯著（P＞0.1）。已有研究表明，土壤有機碳含量受植被類型、年齡、根系分布、凋落物分解程度、地形因子和土壤理化性質(zhì)等多因素影響（丁雪麗等，2012）。林內(nèi)土壤TOC 和DOC 含量與林緣的差異的原因可能為：1）林內(nèi)至林緣的凋落物數(shù)量和質(zhì)量變化；林內(nèi)凋落物以馬尾松針葉為主，而林緣的林下光照充足、高溫低濕， 草本生長更旺盛， 凋落物以芒萁（Dicranopteris dichotoma）為主。馬尾松凋落物中的碳歸還量顯著高于芒萁（張世良等，2021）；林緣易受人類活動影響，凋落物層較薄，限制了有機碳歸還土壤（柯嫻氡等，2012）。2）靠近林緣處有更加明顯的溫度和降水沖擊，加劇了土壤有機質(zhì)分解和淋溶損失，使有機碳含量降低（Barroset al.，2016）。

土壤有機碳是重要的碳匯（Maet al.，2017），DOC是最活躍的組分之一（劉翥等，2015），其主要來源于腐殖化的有機質(zhì)、地上凋落物、根系分泌物和土壤微生物量（Carrillo-Gonzalezet al.，2013）。馬尾松林改為茶園后，由于茶園土壤表層凋落物輸入量減少或被清理，茶園內(nèi)的可溶性有機碳（包括土壤腐殖質(zhì)）含量明顯下降，這與前人研究結(jié)果一致（劉霞嬌等，2018；付志藍等，2020）。即在不考慮季節(jié)差異情況下，茶園的凋落物輸入量偏少，加之茶葉采收和茶園管理使得土壤有機物歸還土壤量減少，造成土壤有機碳含量下降，而林地土壤TOC 含量高于茶園（付志藍等，2020）。MBC 含量在茶園與林地之間無顯著差異，這可能是由于茶園管理因施加各種有機肥和化肥使土壤微生物種群多樣性和活動強度發(fā)生了變化，從而形成較高的微生物生物量和微生物活性（吳志丹等，2015；李夢菡等，2021）；另一方面，茶園翻耕破壞了表層土壤的團聚體結(jié)構(gòu)，降低了有機碳的物理保護機制，提高了碳的微生物利用效率，因而MBC 含量提高（李英等，2017）。綜上所述，在進行涉及不同土地利用方式的邊緣地帶的野外調(diào)查與取樣時，應(yīng)充分考慮林緣效應(yīng)的影響。

4.2 土壤碳含量林緣效應(yīng)的影響因子

本研究表明，土壤碳（TOC、DOC 和MBC）含量及其變化過程受土壤理化性質(zhì)、土地利用/覆被類型和林緣年齡等多方面因素的綜合作用。逐步回歸分析結(jié)果表明，土壤氮含量指標（TN、DON 和）和茶園用地對TOC 和DOC 含量均產(chǎn)生不同程度的作用；且TN 是貢獻最大的解釋變量。林緣年齡僅對DOC含量產(chǎn)生影響。TN 是影響表層土壤碳積累的重要因素，隨土壤中氮的增加可以減少土壤有機質(zhì)礦化，并通過微生物生物量影響土壤有機質(zhì)的固定，促進有機碳的積累（Hickset al.，2019；Wiesmeieret al.，2019）。

pH 值是影響DOC 產(chǎn)生和淋溶損失的主要因素（Justineet al.，2017；Chenet al.，2017），本研究中pH 值對DOC 含量具有負向作用。在一定范圍內(nèi)，土壤pH值較低會影響基質(zhì)的有效性和微生物活性，限制微生物利用土壤有機質(zhì)的效率，促進可溶性有機碳的積累（何冬梅等，2016）。此外，回歸方差結(jié)果表明，MBC僅受到pH 值的影響，且方程擬合度極低（P＞0.05）。已有研究中，關(guān)于MBC 含量影響因素的結(jié)論差異較大。例如，吳曉玲等（2019）研究認為，年均溫、干燥度、年均降水量和母質(zhì)是MBC 的主要影響因素；王薪琪等（2017）的研究則表明土壤微生物生物量的主要影響因子隨林齡而變，如采伐后天然更新10 年的落葉闊葉林0～10 cm 土層的MBC 與pH 值無顯著的相關(guān)性，主要受到DON 和土壤溫度的影響。可見，MBC受土壤性質(zhì)、植物、林齡、生物量、氣候、成土母質(zhì)和地形等多因素的綜合復雜作用，研究結(jié)果較難統(tǒng)一。

在全球森林破碎化日趨嚴重的背景下，傳統(tǒng)研究中將同一土地利用/覆被類型的碳匯潛力均質(zhì)看待，這存在著很大的不確定性。即使在不同土地利用類型之間的土壤容重變化相對較小時，森林邊緣地帶的土壤碳含量下降也很可能導致在景觀或區(qū)域尺度上對土壤碳儲量的估算誤差；但事實上，如本研究結(jié)果所示，土壤密度受土地利用類型變化的影響也很大，這也使得森林土壤碳庫的林緣效應(yīng)的影響評價更加復雜。土壤碳含量作為碳庫計算的基礎(chǔ)，在獲得其含量的前提下，還需結(jié)合土壤深度和土壤密度才能夠計算出土壤碳密度。本文對土壤碳含量的林緣效應(yīng)進行研究，故有其局限性。此外，地上植被、地下植被和土壤組分的碳庫直接決定了森林碳儲量和碳匯潛力；這3 個碳庫組分之間的權(quán)衡或協(xié)調(diào)變化以及形成各組分林緣效應(yīng)的影響因素的多樣性，極大增加了在全球森林破碎化背景下林緣效應(yīng)影響景觀或區(qū)域尺度上碳儲量和碳匯潛力評估的不確定性和復雜性，今后可采用整合分析的思路方法就該問題深入探究。需要說明的是，表層土壤最易受到土地類型變化和林緣效應(yīng)的影響，而本研究僅為表層土壤，今后的研究應(yīng)考慮不同土層碳庫和植被碳庫受林緣效應(yīng)的影響，尤其是通過設(shè)置野外原位定位研究來進一步完善對林緣效應(yīng)的影響機制和變化規(guī)律及作用。

5 結(jié)論

馬尾松林改為茶園后，林緣和茶園的表層土壤TOC、DOC 和MBC 含量呈現(xiàn)沿馬尾松林內(nèi)向林緣及茶園方向的下降趨勢，其中TOC 和DOC 含量顯著下降。因此，在景觀或區(qū)域尺度上評價森林的碳庫大小和碳匯功能時，應(yīng)考慮林緣效應(yīng)的影響，否則會影響估算結(jié)果的準確性。