經(jīng)營(yíng)模式對(duì)櫟類次生林土壤有機(jī)碳和氮磷的影響

歐賾瑜,彭 珍,王媛媛,張溪丹,饒 馮,謝沛霖,萬(wàn) 盼

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

森林土壤的碳儲(chǔ)量是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),約占森林生態(tài)系統(tǒng)的44%,是陸地植被碳儲(chǔ)量的3倍,其中有機(jī)碳庫(kù)是其最主要的組成部分。由于森林土壤有機(jī)碳庫(kù)巨大的存量,其微小的變化將顯著改變大氣 CO2濃度,對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響[1-5]。此外,土壤中有機(jī)碳(SOC)是重要的生命元素,與氮(N)、磷(P)元素一同供給植物的生長(zhǎng),三者之間的化學(xué)計(jì)量特征可以反映土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程和耦合機(jī)制[6-8]。因此,研究森林土壤有機(jī)碳、氮、磷的分布及化學(xué)計(jì)量特征對(duì)于研究林分養(yǎng)分循環(huán)及供給機(jī)制有著重要的意義。也對(duì)認(rèn)識(shí)土壤碳庫(kù)的平衡機(jī)理和預(yù)測(cè)全球氣候變化意義重大[9-11]。

櫟類天然林是我國(guó)北方最重要的森林類型之一,在秦嶺林區(qū)廣泛分布,具有多種生態(tài)功能[12]。然而,由于歷史上長(zhǎng)期的破壞和不合理利用,形成了多代萌生的次生林,生態(tài)系統(tǒng)的多樣性及穩(wěn)定性下滑,固碳能力下降[13]。因此,亟需采取科學(xué)的經(jīng)營(yíng)來(lái)提高森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)速度和質(zhì)量,恢復(fù)其生態(tài)效益。森林經(jīng)營(yíng)模式是生物群落中采用的一種開發(fā)實(shí)踐。近自然經(jīng)營(yíng)(Close-to-Natural Forest Management,CNFM)﹑結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)(Structure-Based Forest Management,SBFM)和次生林綜合培育(Secondary Forest Comprehensive Silvicuture,SFCS)為主要的經(jīng)營(yíng)模式,近年來(lái)在我國(guó)被廣泛推廣[14-15]。近自然經(jīng)營(yíng)以培育大徑級(jí)目標(biāo)樹為目的,對(duì)影響目標(biāo)樹生長(zhǎng)的干擾樹實(shí)施間伐,強(qiáng)調(diào)森林的穩(wěn)定性,進(jìn)而發(fā)揮其生態(tài)效益[16]；結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)量化和發(fā)展了德國(guó)近自然森林經(jīng)營(yíng)方法,以培育健康森林為目標(biāo),是通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)(角尺度、大小比數(shù)、擁擠度、混交度)對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的間伐,使森林達(dá)到健康、穩(wěn)定、永續(xù)的狀態(tài),是21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)首創(chuàng)的森林經(jīng)營(yíng)方法[17]；次生林綜合培育是以采伐大徑級(jí)林木而減少密度的間伐,經(jīng)營(yíng)中不考慮樹種組成和林分結(jié)構(gòu),在西北天然次生林中被廣泛應(yīng)用[18]。近年來(lái),我國(guó)很多專家、學(xué)者對(duì)上述3種經(jīng)營(yíng)模式進(jìn)行了對(duì)比研究[18-20],但研究主要集中于林分地上部分,包括林分生長(zhǎng)、林分結(jié)構(gòu)﹑生物多樣性等方面,對(duì)林分土壤性質(zhì)的研究較少,關(guān)于3種經(jīng)營(yíng)模如何影響林分土壤養(yǎng)分分布及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,目前的研究還未涉及。

本文以秦嶺西段小隴山自然保護(hù)區(qū)銳齒櫟天然林為研究對(duì)象,研究3種經(jīng)營(yíng)模式(CNFM,SBFM,SFCS)實(shí)施8年的土壤SOC,全氮(TN)和全磷(TP)的分布及化學(xué)計(jì)量特征,并以未經(jīng)營(yíng)(UC)作為對(duì)照。本研究的目的:1)分析不同經(jīng)營(yíng)模式下土壤養(yǎng)分含量及其分布特征；2)探討不同經(jīng)營(yíng)模式各層土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量差異及變化規(guī)律；3)闡明不同經(jīng)營(yíng)模式土壤養(yǎng)分之間的相互關(guān)系,以及影響土壤SOC變化的主導(dǎo)因素。研究結(jié)果有助于深入了解不同經(jīng)營(yíng)模式實(shí)施后土壤主要養(yǎng)分的變化及其耦合關(guān)系,從而為我國(guó)西北地區(qū)天然櫟類次生林經(jīng)營(yíng)模式的科學(xué)選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為甘肅天水小隴山自然保護(hù)區(qū)百花林場(chǎng)大干子溝。小隴山自然保護(hù)區(qū)位于甘肅省東南部,秦嶺西段,地理坐標(biāo)為33°31′～34°41′N,104°23′～106°43′E,海拔700～2 500m。該區(qū)處在暖溫帶向北亞熱帶過(guò)渡地帶,兼有我國(guó)南北氣候特點(diǎn),大多數(shù)地域?qū)倥瘻貪駶?rùn)-中溫半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫7～12℃,極端最高氣溫39.2℃,極端最低氣溫-23.2℃,年降水量600～900mm,主要集中于7—9月,年蒸發(fā)量989～1 658mm,相對(duì)濕度68%～78%,年日照時(shí)長(zhǎng) 1 520～2 313h,無(wú)霜期130～220d。區(qū)內(nèi)秦嶺以北的地帶性土壤為灰褐土,以南為黃褐土,垂直分布比較明顯[21]。植被主要是以銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)為主的高度自然化櫟類天然次生林,有遼東櫟(Quercusliaotungensis)、華山松(Pinusarmandii)和山核桃(Caryacathayensis)等30多個(gè)樹種[22]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2013年,在甘肅小隴山百花林場(chǎng)大干子溝銳齒櫟天然林3號(hào)小班試驗(yàn)地內(nèi),設(shè)置16塊具有類似坡度、坡向、海拔及土壤類型(山地灰褐土)的20m×20m樣地；基于林分狀態(tài)特征,通過(guò)完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到小區(qū)排列方案,進(jìn)而保證林分起始狀態(tài)差異最小,具體方法參見文獻(xiàn)[23]。在2013年冬季,在A1—A4樣地中實(shí)施CNFM,B1—B4樣地中實(shí)施SBFM,D1—D4樣地中實(shí)施SFCS,C1—C4樣地不進(jìn)行經(jīng)營(yíng),作為對(duì)照(UC)。2021年春季,以16塊樣地作為土壤采集樣地,其基本信息如表1所示。

表1 樣地基本情況

2.2 土樣采集及測(cè)定

在每個(gè)樣地中設(shè)置2m的緩沖區(qū),在緩沖區(qū)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)樣地中,采用“S”型,選取5個(gè)土壤采集點(diǎn)(16個(gè)樣地共選擇80個(gè)采樣點(diǎn))。在采樣點(diǎn)上,先除去表層凋落物,再用口徑約為4.5cm的土鉆進(jìn)行分層取樣,取0～10cm,10～20cm和20～30cm層土壤,將每個(gè)樣地的5個(gè)取樣點(diǎn)的各層土樣分別制成混合樣品,即16個(gè)樣地共收集48個(gè)混合樣品(4種經(jīng)營(yíng)模式各3土層,4重復(fù)),放入自封袋,置于便攜式保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室,用于分析測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮和全磷。

土壤有機(jī)碳(SOC)使用SSM-5000A有機(jī)碳固體分析儀(島津TOC-5000),采用直接進(jìn)樣的分析方式,基于非色散紅外法測(cè)定；土壤全氮使用K1100全自動(dòng)凱氏定氮儀,將樣品放入消化管中,加入濃硫酸,消化冷卻后測(cè)定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法,先將樣品熔融,加入鉬銻抗顯色劑,經(jīng)顯色、比色后測(cè)定[24-25]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0整理分析數(shù)據(jù)。其中,櫟類天然次生土壤SOC,TN,TP,C∶N,C∶P及N∶P進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(LSD),對(duì)比其差異的顯著性,使用Pearson相關(guān)性分析土壤SOC,TN和TP的相關(guān)性。采用Origin 2017作圖。

3 結(jié)果與分析

3 .1 土壤SOC TN和TP含量差異及分布規(guī)律

SBFM,CNFM和SFCS的0～30cm土壤SOC與UC(21.65g/kg)相比分別高13.75%、低12%和低15%,其中SBFM顯著高于CNFM和SFCS(P<0.05)(圖1)。各土層SOC均表現(xiàn)為SBFM>UC>CNFM>SFCS。此外,土壤SOC均呈現(xiàn)隨深度增加而下降的趨勢(shì),0～10cm表土層SOC均顯著高于其它土層(P<0.05)(圖2)。土壤TN與SOC含量及分布類似,SBFM,CNFM和SFCS的0～30cm土壤TN含量與UC(5.67g/kg)相比,分別高0.24%,低23.95%和低27.68%,CNFM和SFCS顯著低于SBFM和UC(P<0.05)(圖1)。土壤TN垂直變化規(guī)律與土壤SOC一致(圖2)。SBFM,CNFM和SFCS的0～30cm土壤TP與UC(1.13g/kg)相比,分別高37.30%、高20.05%和低10.65%,其中SBFM和CNFM顯著高于SFCS和UC(P<0.05)(圖1),且在20～30cm土層更為明顯。雖然不同經(jīng)營(yíng)模式下各土層之間的TP含量均無(wú)顯著差異(P>0.05),但SFCS和UC土壤TP垂直變化呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而SBFM和CNFM呈現(xiàn)先降后升的規(guī)律(圖2)。

注:不同大寫字母表示不同經(jīng)營(yíng)模式間差異顯著(p<0.05)。

注:同一經(jīng)營(yíng)模式不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(P <0.05)；同一土層不同大寫字母表示不同經(jīng)營(yíng)模式間差異顯著(P<0.05)。

3.2 土壤SOC TN和TP化學(xué)計(jì)量差異及變化規(guī)律

SFCS,CNFM和SBFM的0～30 cm土壤C∶N均高于UC(13.02),3者之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。0～10cm表層土中CNFM和SBFM顯著高于UC(P<0.05)(圖3)。同時(shí),SBFM和CNFM各土層之間的C∶N均無(wú)顯著差異(P>0.05),SFCS和UC土壤0～10cm表層土C∶N顯著低于其他土層(P<0.05)(圖4)。SBFM,CNFM和SFCS的0～30 cm土壤C∶P和N∶P均低于UC(65.08,4.77),其中SBFM和CNFM土壤C∶P和N∶P均顯著低于UC(P<0.05)(圖3)。同時(shí),土壤C∶P和N∶P均隨土壤深度增加而降低,其中0～10 cm土壤顯著高于其他土層(P<0.05)(圖4)。

注:不同大寫字母表示不同經(jīng)營(yíng)模式間差異顯著(p<0.05)。

注:同一經(jīng)營(yíng)模式不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(P <0.05),同一土層不同大寫字母表示不同經(jīng)營(yíng)模式間差異顯著(P<0.05)。

3.3 土壤SOC TN和TP之間的相關(guān)性及回歸分析

根據(jù)pearson雙變量相關(guān)分析(表2),3種經(jīng)營(yíng)模式及UC的土壤SOC和TN之間均存在極顯著的正相關(guān)性(P<0.01),其余養(yǎng)分因子之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。SFCS土壤養(yǎng)分因子之間均存在極顯著地正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。此外,由回歸分析可見,SFCS土壤SOC變化受TN,TP兩個(gè)自變量影響,其它經(jīng)營(yíng)模式土壤SOC變化只由TN主導(dǎo)(表3)。

表2 櫟類天然次生林土壤有機(jī)碳 全氮 和全磷的相關(guān)性

表3 櫟類天然次生林土壤有機(jī)碳與全氮和全磷的回歸分析

4 討論與結(jié)論

1)土壤C,N,P元素在植物生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,其中土壤C,N元素主要源于地表凋落物及細(xì)根的分解,而P元素主要來(lái)源于巖石風(fēng)化和淋溶[4-6]。本研究結(jié)果表明,SBFM經(jīng)營(yíng)后0～30cm土壤SOC,TN和TP均高于UC及其它經(jīng)營(yíng)模式,說(shuō)明SBFM對(duì)于養(yǎng)分積累較為有利,這與袁士云等[26]、葛兆軒等[27]研究結(jié)論類似。究其原因,可能是因?yàn)镾BFM經(jīng)營(yíng)后林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)于其它經(jīng)營(yíng)模式[18,20],林分的混交度、大徑級(jí)林木比例增加,生物量、蓄積量高,地表凋落物量大,進(jìn)而有更多的養(yǎng)分歸還土壤[29-31]。

2)CNFM經(jīng)營(yíng)后0～30cm土壤SOC和TN均明顯低于UC,說(shuō)明CNFM對(duì)土壤SOC,N積累較少。這與張國(guó)慶等[32]、張濤等[33]研究結(jié)果類似。原因可能是CNFM在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,為保留大徑級(jí)目標(biāo)樹,較多的小樹及地表灌木被伐除,地上部分C,N儲(chǔ)量下降,從而導(dǎo)致歸還土壤的C,N下降。與吳天樂等[34]、黃凱旋等[35]研究結(jié)果不同,其原因可能是研究區(qū)域、經(jīng)營(yíng)時(shí)間、樹種等因素差異導(dǎo)致。CNFM土壤TP顯著高于對(duì)照,說(shuō)明近自然經(jīng)營(yíng)有利于土壤P素增加,與楊會(huì)俠等[36]研究結(jié)果一致。這可能是由于間伐降低林分密度,林下光環(huán)境改善,利于微生物對(duì)土壤P素分解。SFCS的土壤養(yǎng)分均低于UC,這與袁士云[18]的研究結(jié)論一致,可能因?yàn)镾FCS是以降低林分密度為目的,林木被采伐后,導(dǎo)致養(yǎng)分流失。

3)研究中土壤SOC和TN均富集于0～10cm土層,隨土層加深有明顯降低的趨勢(shì),這與以往學(xué)者的研究結(jié)果一致[37-39]。原因可能是枯落物聚集在土壤表層,微生物活性較高,枯落物分解速率較快,土壤較肥沃[40]。土壤TP的垂直分布顯示,CNFM和SNFM先降后升,而UC和SFCS持續(xù)下降?？赡苁怯捎贑NFM和SNFM大樹比例高,根系相對(duì)更深且發(fā)達(dá),細(xì)根的分泌物加速了深層土壤P的分解。各土層TP差異均不顯著,這與楊霞等[38]、張?zhí)僮拥萚41]研究結(jié)果類似?？赡苁峭寥乐蠵素空間遷移性較差所致[41-43]。

4)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是確定土壤C,N和P平衡特征的重要參數(shù)。土壤C∶N可以反映土壤有機(jī)質(zhì)的分解狀況,是土壤N素礦化能力的標(biāo)志[4-6]。研究中不同經(jīng)營(yíng)模式C∶N總體均值為13.44,高于中國(guó)陸地土壤平均水平(12.30)[44],與吳昊等[42]、王棣等[45]學(xué)者的研究結(jié)果類似。3種經(jīng)營(yíng)模式0～30cm土壤C∶N均高于UC,其中0～10cm土層中CNFM和SBFM顯著高于UC。這可能是經(jīng)營(yíng)措施增加了表層土壤C,N元素的輸入,導(dǎo)致土表C∶N增加,土表SOC分解減少。土壤C∶N的垂直變化不明顯,這與Tian等[44]的研究結(jié)果類似。土壤C∶P和N∶P反映了土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力[29]。土壤C∶P通常反映土壤中P素的有效性。研究中3種經(jīng)營(yíng)模式土壤在各土層中的C∶P均低于對(duì)照,其中CNFM和SBFM土壤C∶P低于中國(guó)陸地土壤平均值(52.70)[44],且顯著低于UC。說(shuō)明這2種經(jīng)營(yíng)模式,有利于促進(jìn)土壤微生物礦化作用釋放P素。土壤N∶P可以反映土壤養(yǎng)分的限制類型[6]。3種經(jīng)營(yíng)模式0～30cm土壤N∶P均明顯低于對(duì)照,經(jīng)營(yíng)后土壤N∶P均值(3.70)低于全國(guó)陸地土壤平均水平(3.90)[44],說(shuō)明經(jīng)營(yíng)后土壤受N素制約。不同經(jīng)營(yíng)模式的土壤C∶P,N∶P在0～10cm土層最高,顯著高于其他土層,并隨土壤加深呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì),這與呂金林等[46]研究結(jié)果類似。

5)相關(guān)性分析結(jié)果表明,3種經(jīng)營(yíng)模式土壤SOC和TN之間均呈現(xiàn)強(qiáng)烈的正相關(guān)性。這是因?yàn)橥寥繬素影響微生物的活動(dòng),進(jìn)而促進(jìn)或抑止微生物對(duì)有機(jī)物的分解,兩者的含量和分布規(guī)律往往相掛鉤[47-48]。回歸分析顯示,CNFM,SBFM土壤SOC變化的主導(dǎo)因子是TN,且兩者C∶N明顯低于UC,說(shuō)明CNFM和SBFM經(jīng)營(yíng)后,以N素主導(dǎo)的制約作用加劇。FSCS經(jīng)營(yíng)后,土壤SOC,TN和TP間均呈現(xiàn)極顯著相關(guān),回歸方程表明,FSCS土壤SOC受到N素和P素的雙重制約。這可能是由于FSCS的采伐導(dǎo)致養(yǎng)分流失,造成了該經(jīng)營(yíng)模式因缺乏P素而受到制約。