植被類型與管理方式對(duì)4種森林樹種土壤活性碳氮及碳通量的影響

方向華，胡 偉，尤根彪，劉玲娟

（1.麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 麗水 323000；2.麗水市蓮都區(qū)生態(tài)林業(yè)發(fā)展中心，浙江 麗水 323000；3.麗水市白云山生態(tài)林場(chǎng)，浙江 麗水 323000；4.錢江源-百山祖國(guó)家公園龍泉保護(hù)中心，浙江 麗水 323000）

1 樣品與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 地理位置

鳳陽山自然保護(hù)區(qū)位于浙江龍泉市南部，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°06'-119°15'和北緯27°46'-27°58'。保護(hù)地面積15 171.4 hm2。形成于福建省戴云山向東延伸的東宮山系。該地區(qū)地質(zhì)條件良好，屬于侏羅紀(jì)火成巖類型。保護(hù)區(qū)的整個(gè)山脈從西南延伸到東北。西南面陡，東北坡起伏緩慢。最高海拔達(dá)1 929 m，為江浙最高峰。區(qū)域廣闊，地形復(fù)雜多變，光、溫、水各有不同。鳳陽山自然保護(hù)區(qū)屬于中亞熱帶的暖濕氣候區(qū)，季風(fēng)影響明顯。四季如春，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，基本呈垂直分布。

1.1.2 氣候特征

根據(jù)保護(hù)區(qū)管理機(jī)構(gòu)所在地（海拔1 490 m）觀測(cè)，年降水量約2 400 mm。降水主要集中于4-6月份，占年降水量的80%，年蒸發(fā)量1 100 mm。年均氣溫12.3℃，極端最高和最低氣溫分別為30.2℃和-12.5℃，甚至可能會(huì)發(fā)生洪澇、冰凍、暴風(fēng)雪等氣象災(zāi)害。這個(gè)地區(qū)的地面水系統(tǒng)很發(fā)達(dá)。大河川分布支流，無外來水流，江河屬于甌江水系。

1.1.3 植被類型

鳳陽山位于亞熱帶和南亞熱帶過渡地區(qū)，植被類型和植物區(qū)系復(fù)雜。天然植被類型主要為常綠闊葉林和松林，人工林由闊葉林組成。區(qū)內(nèi)植被垂直帶譜明顯，海拔1 300 m以下為常綠闊葉林，馬尾松、竹林、冷杉等；1 300～1 700 m常青落葉闊葉林和黃山青岡；落葉闊葉林、針葉林、高山灌木和草本植物，海拔1 700 m以上。根據(jù)初步調(diào)查和文獻(xiàn)資料，該區(qū)現(xiàn)有種子植物近2 000種，蕨類219種，苔蘚植物365種。黃冷杉、康乃馨、雪松等20余種已列入中國(guó)珍稀瀕危植物名錄，其中一半以上分布在鳳陽山。以鐵杉等為主，森林類型較為整齊。

1.1.4 土壤類型

在鳳陽山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，主要土壤類型為黃壤土，土體構(gòu)型一般為AO、AO-A-B-C型。A層可分為枯枝落葉層、半腐解性有機(jī)碳、腐殖質(zhì)聚積層。主要特征為枯落物層較厚，可達(dá)1～2 cm，土質(zhì)主要為壤粘土或粘壤土。B層心土層厚度20～40 cm，與A層過渡清晰，土質(zhì)主要為壤粘土，部分粘壤土。其地層為半風(fēng)化母巖，厚度19～35 cm，土壤質(zhì)地為石質(zhì)土或砂壤土多礫質(zhì)土。

1.2 樣品采集

從經(jīng)營(yíng)管理方式、植被類型等方面，選擇同一種母質(zhì)層上生長(zhǎng)的土壤為研究對(duì)象，在鳳陽山自然保護(hù)區(qū)設(shè)置4種森林樹種土壤采樣點(diǎn)，取樣地點(diǎn)與林緣距離較遠(yuǎn)，各取樣點(diǎn)的生存環(huán)境要素大致相同，在每一取樣點(diǎn)上，隨機(jī)抽取3個(gè)樣方，每5 m×10 m，刮除浮土，采用S型方法進(jìn)行取樣。將土壤用密閉袋裝好，然后送回實(shí)驗(yàn)室后，把樹根、石塊等撿出，及時(shí)過篩，混合均勻，4℃存放。調(diào)查樣地的基本情況，見表1。

表1 調(diào)查樣地的基本情況

1.3 分析方法

利用全有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤中的DOC、DN；用自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定土壤NH4+-N，NO3--N含量。使用土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定土壤CO2和CH4通量。利用氯仿熏蒸氣提取-UV280nm法測(cè)定微生物含量，利用UV的回歸方程，用DOC和DN含量數(shù)據(jù)將UV280nm的吸光度轉(zhuǎn)換成SMBC，SMBN。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用spss19.0單因素方差分析，以野外調(diào)查結(jié)果和室內(nèi)分析資料為基礎(chǔ)，進(jìn)行多重比較分析。

2 土壤活性碳氮及碳通量研究概況

當(dāng)前，我國(guó)退化的土地正遭受嚴(yán)重侵蝕。有機(jī)物質(zhì)在為土壤中的植物和微生物提供營(yíng)養(yǎng)方面起著重要作用，也影響土壤水分和含碳量。有機(jī)碳是土壤碳庫的重要組成部分，但有機(jī)碳在自然界中穩(wěn)定性較好，且短期內(nèi)變化不大。有機(jī)碳有很多指標(biāo)，其中以可溶性有機(jī)碳和微生物生物質(zhì)碳最常用。在土壤有機(jī)質(zhì)中，有機(jī)碳直接參與了土壤、植被、微生物等生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，盡管只占土壤中的一小部分。是微生物生存的能量基礎(chǔ)和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力。土質(zhì)的微小變化也能引起大氣中二氧化碳濃度的巨大變化。土壤呼吸也日益受到重視。除了碳庫之外，土壤呼吸是土壤碳庫的主要輸出通道。還可用于評(píng)價(jià)土壤滲透性、土壤肥力和微生物活性。但是，以往的研究多集中于自然森林生態(tài)系統(tǒng)中CO2和CH4的產(chǎn)生與變化。當(dāng)前對(duì)有機(jī)碳、氮和微生物釋放進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并且從森林土壤中提取天然氣。

本文以浙江鳳陽山4種樹種——馬尾松（inus massoniana Lamb）、木荷（Schima superba）、青岡（Cyclobalanopsis glauca）、甜櫧（Castanopsis eyrei）林為研究對(duì)象，這4種樹種是森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。鳳陽山是江浙地區(qū)重要的林區(qū)，是全球變暖敏感的低緯度森林。這對(duì)于長(zhǎng)三角碳匯管理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。自然保護(hù)區(qū)內(nèi)森林植被在全國(guó)植被分區(qū)中屬中亞熱帶常綠闊葉林南部亞地帶。在相應(yīng)的垂直氣候分布帶上，由于海拔的變化，形成一系列森林植被垂直帶譜。龍泉縣第三伐木隊(duì)于20世紀(jì)60年代中期，在大田坪設(shè)置伐木工段，修筑道路、伐木。龍泉林業(yè)局動(dòng)員近千名職工“荒山綠化”砍伐樹木。鳳陽山受人類活動(dòng)影響較大，植被覆蓋度急劇下降，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，土壤保持能力下降，生物多樣性顯著下降。原始林遭到砍伐，被杉樹和雪松所取代。另外，在高海拔地區(qū)黃山青岡通過空中播種形成針闊混交林，在低海拔自然恢復(fù)發(fā)展為常綠闊葉林。

長(zhǎng)久以來，鳳陽山林區(qū)土壤有機(jī)碳的研究受到了廣泛關(guān)注。通過對(duì)鳳陽山不同林區(qū)土壤有機(jī)碳變化的對(duì)比研究，不僅有助于評(píng)價(jià)鳳陽山不同植被土壤質(zhì)量的變化，而且對(duì)于土壤有機(jī)碳庫的研究具有重要意義。因此研究各種植被類型和管理方式對(duì)土壤有機(jī)碳非常重要，為鳳陽山自然保護(hù)區(qū)的可持續(xù)管理和生態(tài)平衡發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

隨著對(duì)土壤碳庫研究的深入，土壤碳庫中活性有機(jī)碳逐漸成為研究熱點(diǎn)。但目前對(duì)土壤活性有機(jī)碳還沒有統(tǒng)一、嚴(yán)格、準(zhǔn)確的定義。針對(duì)研究目的和研究方法，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其定義不一。部分認(rèn)為，土壤有機(jī)碳，即土壤有機(jī)碳的活性成分，是指土壤中活性高、易于被微生物分解、礦化并直接影響植物養(yǎng)分供給的有機(jī)碳。而有觀點(diǎn)認(rèn)為土壤微生物可以作為土壤碳源和能量來源的有機(jī)碳，是活性有機(jī)碳。BLAIR等提出活性有機(jī)碳是指土壤中易氧化分解的有機(jī)碳，它是指用濃硫酸與K2CrO4混合后的室內(nèi)溫度。萊夫羅伊等人在作物生長(zhǎng)過程中發(fā)現(xiàn)333mmol·L-1KMnO4所氧化的有機(jī)碳變化最大，因此333mmol·L-1KMnO4被稱為活性有機(jī)碳，不可氧化的有機(jī)碳稱為活性有機(jī)碳。氧化性物質(zhì)叫做惰性有機(jī)物。有學(xué)者認(rèn)為土壤活性有機(jī)碳受植物和微生物的影響較大，具有一定的溶解性，在土壤中移動(dòng)迅速、不穩(wěn)定、氧化、分解、易礦化等。它對(duì)植物和微生物的活動(dòng)有重要影響。吳曉丹等指出，活性有機(jī)碳是指在室內(nèi)自然條件溫和的情況下，能溶解于土壤水分的有機(jī)碳。土壤活性有機(jī)碳概念的表述仍然比較混亂，這可能是限制該領(lǐng)域研究進(jìn)展的一個(gè)因素。結(jié)果表明，植被類型對(duì)溶解碳氮、SMBC、SMBN、CO2、CH4通量的影響較大。

3 結(jié)果與分析

3.1 4種森林樹種土壤溶解性碳氮養(yǎng)分比較

4個(gè)不同類型的森林土壤pH值為4.2～7.1。土壤DOC濃度在5.7～77.5 mg·kg-1，馬尾松＞木荷＞青岡＞甜櫧；土壤DN濃度在2.2～71.9 mg·kg-1，平均高度和土壤DOC的變化趨勢(shì)基本相同，主要是馬尾松＞木荷＞青岡＞甜櫧；方差分析表明，4個(gè)樹種的DOC、DN水平無明顯差別，但DOC/DN的比率為1.11～3.16，而甜櫧林的DOC/DN比例則明顯高于其他3個(gè)林（P＜0.05），其次為木荷、青岡林、馬尾松，兩者無顯著性差別，但均低于甜櫧林和木荷（圖1）。

圖1 4種森林土壤DOC和DN含量比較

3.2 4種森林土壤無機(jī)氮含量比較

4種不同類型的森林土壤NH4+-N均為1.4～15.8 mg·kg-1，結(jié)果表明，青岡林＞馬尾松＞甜櫧＞木荷，青岡林顯著高于其他3種森林（P＜0.05），馬尾松林與青岡林、木荷間差異顯著（P＜0.05），木荷和甜櫧之間、甜櫧和馬尾松林之間均沒有顯著性差異。土壤NO3--N含量在0.2～4.2 mg·kg-1，其均值表現(xiàn)為木荷＞青岡林＞甜櫧＞馬尾松林，木荷顯著高于其他3種森林，青岡林和馬尾松林間差異顯著（P＜0.05），甜櫧與馬尾松林、青岡林之間沒有顯著差異；土壤無機(jī)氮含量（NH4+-N+NO3--N）高低趨勢(shì)與土壤pH值相同、與樹齡相反，表現(xiàn)為青岡林＞馬尾松林＞木荷＞甜櫧，青岡林顯著高于其他3種森林。（圖2為4種森林土壤中NH4+-N含量、N03--N含量、NH4+-N/N03--N含量比較）。

圖2 4種森林土壤無機(jī)氮含量比較

3.3 4種森林土壤微生物生物量比較

土壤微生物在自然界中是一個(gè)重要的碳和氮循環(huán)系統(tǒng)。4個(gè)樹種的SMBC、SMBN值為221.5～601.9 mg·kg-1，42.1～111.2 mg·kg-1，平均水平為青岡＞馬尾松＞木荷＞甜櫧，4個(gè)樹種間的微生物生物量存在極顯著性差異（P＜0.05）；SMBC/SMBN比率為4.15～5.86，各林種間差異有顯著性（P＜0.05）。

3.4 4種森林土壤CO2，CH4通量比較

4個(gè)森林土壤CO2通量在-131.3～604.5 mg·m-2h-1之間，呈現(xiàn)出馬尾松＞木荷＞青岡＞甜櫧，方差分析表明，兩種土壤CH4通量在-583.1～0 mg·m-2·h-1之間，以碳吸收為主，馬尾松＞木荷，而青岡則無CH4排放，自然生長(zhǎng)的甜櫧顯著高于（P＜0.05）其他2種人工管理的森林，木荷和馬尾松之間沒有顯著差異。

3.5 Pearson相關(guān)分析

結(jié)果表明：4種土壤pH與土壤水分、NO3-N含量均存在極顯著的正相關(guān)性（P＜0.01），與CH4通量負(fù)相關(guān)（P＜0.05）、與SMBN呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；DOC/DN與SMBC、SMBC/SMBN存在極顯著的正相關(guān)性（P＜0.01）；SMBN與NO3--N含量和CH4通量均不存在明顯的正相關(guān)性（P＜0.01）。4種森林土壤相關(guān)指標(biāo)間的相關(guān)性見表2。

表2 4種森林土壤相關(guān)指標(biāo)間的相關(guān)性

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 植被類型和管理方式對(duì)土壤可溶性碳氮養(yǎng)分的影響

結(jié)果表明：4個(gè)森林之間的DOC和DN濃度明顯大于針葉林；各樣本之間差異不顯著。主要原因?yàn)椋?）凋落物的數(shù)量和質(zhì)量，落葉歸土對(duì)土壤中的有機(jī)碳降解和有機(jī)質(zhì)的累積具有重要作用。馬尾松的落葉以松針葉為主。與其他樹種相比，它的枯萎物質(zhì)水平較差，不易降解；（2）森林管理模式。人工經(jīng)營(yíng)的森林土壤可溶性碳、氮含量高于天然森林，變異系數(shù)較大。施肥是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的重要因素。單施有機(jī)肥料和尿素的復(fù)混肥比有機(jī)肥高，而自然施肥更高。由于從無到有的自然生長(zhǎng)，人工混合經(jīng)營(yíng)模式高于完全自然生長(zhǎng)的純馬尾松。（3）森林用途。其中，闊葉林包括葉林、喬木或果林，景觀樹種。3種闊葉林樣地DOC含量波動(dòng)較大。人類的施肥、秸稈、整枝、套種和定期管理都有重要影響。松為用材林，以自然生長(zhǎng)為主，DOC含量變幅不大。（4）森林果實(shí)生產(chǎn)期。5月采樣期恰逢森林的果實(shí)生產(chǎn)期可能導(dǎo)致森林土壤DOC含量低于其他次生林。

4.2 植被類型和管理方式對(duì)土壤微生物生物量的影響

在森林中，凋落物的分解向植物提供了一系列重要的營(yíng)養(yǎng)元素，如磷、氮等，其分解釋放的碳是大氣燃燒的10倍以上。凋落物的分解一般有兩個(gè)主要階段。最初階段，凋落物會(huì)由于動(dòng)物咬傷或腐蝕而分解成碎片；在第二階段，凋落物中的有機(jī)碎片會(huì)被真菌和細(xì)菌進(jìn)一步分解。細(xì)菌的分解生成磷、氨、水和二氧化碳。這是一種將有機(jī)物轉(zhuǎn)變成無機(jī)物的過程。不同的植被類型和管理方式會(huì)對(duì)土壤中的微生物生物量造成影響。結(jié)果表明：天然生長(zhǎng)的森林的SMBC/SMBN含量顯著高于人工管理的森林（P＜0.05）。土壤DOC/DN的含量較高，導(dǎo)致SMBC/SMBN（r=0.78，P＜0.01）。因有機(jī)殘留物進(jìn)入土壤，其碳含量高，全氮含量低，使土壤微生物容易吸收含碳有機(jī)物（r=0.78，P＜0.01）。土壤微生物因其含碳量高，進(jìn)入土壤中的殘留物和總氮含量較低時(shí)，往往會(huì)將含碳有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物量碳，從而使SMBC增加（r=0.78，P＜0.01）。大部分有機(jī)殘留物進(jìn)入土壤，含碳量高，全氮低。土生土長(zhǎng)的土壤微生物往往會(huì)把含碳有機(jī)物同化成其自身的碳。有機(jī)殘留物進(jìn)入土壤的含碳量顯著增加（r=0.78，P＜0.01）。

4.3 植被類型和管理方式對(duì)土壤碳通量的影響

結(jié)果顯示：凋落物對(duì)CO2排放的貢獻(xiàn)率在17%左右，而人工管理的經(jīng)濟(jì)林的CO2通量比自然生長(zhǎng)的要高，而闊葉林CO2通量在241.8～310.9 mg/m，與土壤指數(shù)之間沒有太大的關(guān)系。NO3--N含量和SMBN對(duì)經(jīng)濟(jì)林土壤CH4的通量均有明顯的影響（r值為0.84、-0.78、P＜0.01），而非DOC、DN含量、DOC/DN含量。即通過人工施用NO3--N化肥或微生物異化生物N等環(huán)境養(yǎng)分，例如NO3--N，可以提高CH4的通量；如果長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)耕作，則會(huì)使CH4的通量增大，使CH4的排放量增大（r=-0.65，P＜0.05）。