林型轉(zhuǎn)化對土壤碳氮穩(wěn)定性的影響1)

馬銳豪 王斐 樊偉 夏開 徐小牛

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)

碳(C)、氮(N)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的養(yǎng)分元素，在反映土壤碳、氮的固持能力以及植物代謝需求等方面起著至關(guān)重要的作用，是陸地生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)[1]。研究表明，土壤碳、氮的動態(tài)變化作為土壤肥力以及植物的養(yǎng)分狀況的代表性元素，已被廣泛用于將不同森林類型中的植物和土壤養(yǎng)分特征聯(lián)系起來[2]。因此，了解土壤有機(jī)質(zhì)水平及C、N穩(wěn)定性，有助于更好地應(yīng)對自然環(huán)境因素和人類活動造成的森林群落的變化。然而，由于不同森林生態(tài)系統(tǒng)之間生物與非生物因素的變化十分復(fù)雜，在評價林型轉(zhuǎn)化對土壤碳、氮穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響時仍存在難以預(yù)估的不確定性[3]。

穩(wěn)定碳、氮同位素技術(shù)通常作為檢測土壤碳、氮穩(wěn)定性的工具，其自然原子分?jǐn)?shù)(δ(13C)、δ(15N))對反映土壤生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部C、N轉(zhuǎn)化的過程具有重要意義[4]。土壤氮素由大氣沉降以及植物殘體輸入，經(jīng)微生物分解產(chǎn)生生物有效N再次被植物吸收，或是通過淋溶和氣體輸出[5]。上述過程都離不開同位素的分餾作用，且氮同位素的組成在不同的生理生化反應(yīng)中存在較大差異，這為土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))反映土壤氮素的穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ)[6-8]。土壤有機(jī)碳(SOC)的動態(tài)變化與土壤穩(wěn)定碳同位素在土壤中的分布密切相關(guān)；然而，土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)過程具有周期長、空間異質(zhì)性大的特點，單獨土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))不足以準(zhǔn)確描述土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。因此，引入δ(13C)與log[w(SOC)]之間的回歸斜率β，作為有機(jī)碳周轉(zhuǎn)率的替代指標(biāo)[9]，與土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)相結(jié)合能夠更加準(zhǔn)確地反映土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的變化。

過去的幾十年里，我國經(jīng)歷了巨大的土地利用變化，森林資源不斷豐富[10]。然而，為了更符合經(jīng)營目的，特別是在中國亞熱帶地區(qū)，曾進(jìn)行過大規(guī)模的人工林建設(shè)和密集的木材采伐，大片的原始林被砍伐并退化為天然次生林，隨后被單一樹種的人工林所取代[11]。大量研究表明，次生林轉(zhuǎn)化為人工林后，由于植被類型、管理措施、林分結(jié)構(gòu)、微生物群落結(jié)構(gòu)及其活性等多種因素的綜合影響，導(dǎo)致土壤碳、氮動態(tài)的變化十分復(fù)雜[12-13]。為更好地評價林型轉(zhuǎn)化對土壤碳、氮穩(wěn)定性的影響，本研究從同位素分餾的角度，對我國亞熱帶馬尾松(Pinusmassoniana)次生林及其轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦厮?Pinuselliottii)人工林、杉木(Cunninghamialanceolata)人工林土壤穩(wěn)定碳氮同位素及相關(guān)環(huán)境因素的特征進(jìn)行分析，測定林型轉(zhuǎn)化后0～50 cm土層的理化性質(zhì)及土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)、土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)，并建立回歸模型；旨在量化林型轉(zhuǎn)化對土壤碳氮穩(wěn)定性的綜合影響，探討林型轉(zhuǎn)化后影響土壤碳氮動態(tài)的因素，為森林可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 試驗地概況

試驗地位于安徽省旌德縣國營蔡家橋林場，地處黃山北麓(東經(jīng)118°30′，北緯30°20′)，經(jīng)營面積為3 577 hm2。試驗地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，近10 a年平均氣溫16 ℃，年均相對濕度70%，平均降水量為1 522.7 mm。土壤以山地黃壤為主，植被豐富，森林覆蓋率達(dá)85%。地帶性植被為亞熱帶常綠針、闊葉林，經(jīng)長期森林經(jīng)營，大面積的馬尾松(Pinusmassoniana)次生林，被杉木(Cunninghamialanceolata)、濕地松(Pinuselliottii)、檫木(Sassafrastzumu)、楓香(Liquidambarformosana)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)等人工植被所替代。

本研究于2020年8月份，調(diào)查了3種林分類型，分別是馬尾松次生林及采伐后營造的杉木人工林、濕地松人工林；選取立地條件相似的林分，每個林型內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個20 m×20 m獨立的重復(fù)樣地，共9個樣地進(jìn)行調(diào)查(見表1)。

表1 試驗林地概況

2 研究方法

2.1 土壤采集及測定

土壤樣品的采集，在每個20 m×20 m的樣地內(nèi)隨機(jī)挖取3個0.5 m×0.5 m×0.5 m的土壤剖面，每個樣地的土壤剖面內(nèi)采用多點混合取樣法，在土層(h)0

土樣自然風(fēng)干，過100目(孔徑0.150 mm)篩，利用同位素質(zhì)譜儀(Thermo Scientific Delta V Advantage，Germany)聯(lián)用的元素分析儀(EA-IRMS)系統(tǒng)測定土壤樣品的穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))、穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))：

δ(13C)=[(Rsp/Rsd)-1]×100%；

δ(15N)=[(Rsp/Rsd)-1]×100%。

式中：Rsp為樣品的同位素比值(原子分?jǐn)?shù))、Rsd為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素比值(原子分?jǐn)?shù))，以Vienna Pee Dee Belemnite為標(biāo)準(zhǔn)，氮同位素以標(biāo)準(zhǔn)大氣中的N2為標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定碳氮同位素組成的內(nèi)標(biāo)精密度(標(biāo)準(zhǔn)偏差)分別優(yōu)于0.08%和0.02%。

將δ(13C)與進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化的有機(jī)碳濃度(log[w(SOC)])之間的線性回歸方程斜率，定義為β：δ(13C)=a+βlog[w(SOC)]。a為常數(shù)；β為回歸方程系數(shù)，用于描述林型轉(zhuǎn)化引起的土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化，β表示有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率。

土壤含水率，采用烘干法對新鮮土樣進(jìn)行測定；土壤pH，按照水土比例(V(水)∶V(土)為2.5∶1.0))混合后，用pH計測定；土壤電導(dǎo)率，按照水土比例(V(水)∶V(土)為5∶1))混合后，用電導(dǎo)率計測定；土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，運用自然風(fēng)干土樣，過篩(孔徑0.150 mm)、包樣后，使用元素分析儀(EA3000 Vector，Italy)測定；土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用V(HNO3)∶V(HClO4)為3∶1法消煮后，運用流動注射分析儀(FIA Star 5000，F(xiàn)OSS，Denmark)測定；土壤有效氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用新鮮土樣，與KCl溶液混合、震蕩、浸提后，使用流動注射分析儀(FIA Star 5000，F(xiàn)OSS，Denmark)測定；土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用新鮮土樣，加入K2SO4溶液混合、震蕩、浸提后，使用總有機(jī)碳分析儀(Multi3100N/C，Analytic Jena，Germany)測定；土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用氯仿熏蒸法測定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)土層(h)0

3 結(jié)果與分析

3.1 林型轉(zhuǎn)化對土壤穩(wěn)定碳氮同位素原子分?jǐn)?shù)的影響

林分類型的轉(zhuǎn)化對土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)產(chǎn)生一定的影響。除土壤表層(0

表2 不同林型和土層深度的土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))、穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))

表3 林型和土層深度對土壤穩(wěn)定碳氮同位素影響的方差分析結(jié)果

表4 3種林型土壤δ(13C)與log[w(SOC)]之間的回歸模型

與林分類型相比，在土壤剖面中，各林分的土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)均隨土層的加深呈現(xiàn)上升的趨勢(見表2)。土層深度對土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)影響極顯著(P<0.01)，林型的變化和土層深度的交互作用對土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)的影響不顯著(見表3)。

馬尾松次生林向人工林轉(zhuǎn)化后，土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)的變化比較明顯。在0

各林分土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)均隨土層加深呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(見表2)。馬尾松次生林不同土層，土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)由小到大依次為0

植物和土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，它們之間存在很強(qiáng)的相互作用。植物通過根系吸收土壤中的養(yǎng)分以滿足自身生長發(fā)育的需要，土壤也受到植物歸還養(yǎng)分(凋落物及根的殘體)的補(bǔ)充[14]。這樣的關(guān)系存在，地上植被的更替不可避免地會影響土壤碳、氮的穩(wěn)定性。本研究表明，各林型土壤穩(wěn)定碳同位素的原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))在-2.747%～-2.391%范圍內(nèi)變化，根據(jù)3種林型土壤δ(13C)與log[w(SOC)]的回歸模型可知，馬尾松次生林回歸模型中斜率(β)的絕對值大于2種人工林。說明林型轉(zhuǎn)化，影響了整個土壤剖面內(nèi)有機(jī)碳的動態(tài)變化，增強(qiáng)了土壤中微生物的活動和有機(jī)質(zhì)的分解。Mobley et al.[15]、Lü et al.[16]研究認(rèn)為，林型轉(zhuǎn)化，會增加土壤中不穩(wěn)定凋落物的投入，增強(qiáng)土壤透氣性，并改變水分條件。這些因素作為激活微生物優(yōu)先利用底物的啟動機(jī)制，能夠影響有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和分解速率，從而促進(jìn)土壤碳的穩(wěn)定性發(fā)生變化[17]。次生林的產(chǎn)生(采伐原生林分)以及人工林的建立，使林分受到強(qiáng)烈的人為干擾，破壞了土壤中分解者和聚集體(受物理保護(hù)的有機(jī)碳)的空間分離，同樣會促進(jìn)微生物對碳的礦化[18]。然而，本研究中，林型轉(zhuǎn)化對土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)的影響并不顯著。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因，與次生林和人工林不同有關(guān)，人工林本身具有高度的立地特異性，不同的人工林中根系分泌物、凋落物輸入C的數(shù)量和質(zhì)量有較大差異，會對土壤有機(jī)碳的分解及穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響[19-21]。另一方面，土壤有機(jī)碳的積累和穩(wěn)定性也受土壤基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，并與土壤碳飽和度、氣候帶、生態(tài)系統(tǒng)類型有關(guān)[22]。本研究中，次生林林分密度較低，凋落物分解產(chǎn)生的可溶性有機(jī)碳更易隨地表徑流流失，土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)更快，土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)更高。因此，由于生物和非生物因子之間復(fù)雜的相互作用，林型轉(zhuǎn)化對土壤穩(wěn)定碳同位素的影響并不固定。

與土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)不同，本研究中，土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))受林型轉(zhuǎn)化的影響呈極顯著(P<0.01)，且馬尾松次生林土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)在整個土壤剖面中均低于人工林。Fujiyoshi et al.[23]研究表明，林型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致不同林型土壤吸收植物歸還的氮源存在差異。次生林轉(zhuǎn)化為人工林后，土壤氮素有效性降低，植物更加依賴土壤微生物(如細(xì)菌、菌根真菌等)對氮素進(jìn)行固定[24]，與通過菌根真菌吸收氮素相比，植物通過酶反應(yīng)直接從根系中吸收氮素時分餾產(chǎn)生的穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)較低[25]。因此，與次生林相比，人工林具有更高的穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)。此外，植物菌根類型的不同，同樣是導(dǎo)致其自身吸收氮素能力產(chǎn)生差異的重要因素[26-27]。本研究中，2種人工林分主要樹種的菌根真菌類型不同，杉木為淺根系具有叢枝菌根的樹種，對氮素的吸收能力弱于濕地松這類具有外生菌根的樹種，因此，林型轉(zhuǎn)化后土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)，由小到大依次為馬尾松次生林地、濕地松人工林地、杉木人工林地。

大量研究表明，土壤中的穩(wěn)定碳氮同位素原子分?jǐn)?shù)有隨土層深度的增加而增加的趨勢[28-30]。土壤穩(wěn)定碳同位素的原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))與不同深度的土壤有機(jī)碳分解速率直接相關(guān)，通常隨土壤剖面加深而逐漸升高，直到達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)的最大值[31]。這一變化規(guī)律，是由穩(wěn)定碳同位素(13C)的動力學(xué)阻礙作用所致[32]。土壤微生物通過生物合成等回補(bǔ)反應(yīng)固定土壤中的13CO2，合成13C富集的微生物生物量碳[33]。此外，隨著土壤剖面的加深，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，土壤有機(jī)碳中反映微生物源產(chǎn)物的特定化合物發(fā)生改變，如脂肪族的生物多聚物、果蛋白和其他多聚酮等相對不穩(wěn)定的化合物轉(zhuǎn)移到腐殖質(zhì)中，導(dǎo)致土壤中的13C富集；同時，由于不穩(wěn)定化合物質(zhì)的增多，土壤腐殖化增強(qiáng)，土壤有機(jī)碳中13C貧化的部分分解增多，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)與13C富集的有機(jī)碳結(jié)合[34]。在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，上述有機(jī)碳的分餾過程占據(jù)不同的地位，導(dǎo)致土壤剖面中穩(wěn)定碳同位素的原子分?jǐn)?shù)存在不同程度的變化。在本研究中，各林型土壤穩(wěn)定碳同位素的原子分?jǐn)?shù)隨土壤剖面加深有著不同程度的升高。其中，馬尾松次生林土壤表層與深層之間土壤穩(wěn)定碳同位素的原子分?jǐn)?shù)的差異更為明顯，這是由于次生林中土壤深層有機(jī)質(zhì)腐殖化程度較大，或有機(jī)碳在土壤中更加穩(wěn)定(停留時間更長)所致。

與土壤穩(wěn)定碳同位素的原子分?jǐn)?shù)相同，土壤穩(wěn)定氮同位素的原子分?jǐn)?shù)通常會隨著土壤剖面深度的增加而增加，但穩(wěn)定碳、氮同位素在土壤中的分餾機(jī)制不同[35]。本研究中，各林型中表層土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)較低，是由于地上部分持續(xù)向土壤中添加穩(wěn)定氮同位素(15N)貧化的凋落物；而隨著土層的下降，無機(jī)氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)占全氮的比例隨水分的向下遷移逐漸升高，植物可利用的無機(jī)氮增多，土壤氮素的分餾以硝化和反硝化為主，在這樣的過程中，土壤中微生物對化合物中相對原子質(zhì)量為14的氮同位素(14N)的同化作用，有助于穩(wěn)定氮同位素(15N)富集的化合物在土壤深處積累；同時，土壤中通過酶的水解、氨化、硝化、反硝化及其他相關(guān)反應(yīng)，揮發(fā)出N2O、N2、NH3等15N貧化的氣體，或淋溶損失15N貧化的分餾產(chǎn)物，也會導(dǎo)致深層土壤15N的富集[36-37]。此外，不同土層間存在的生物擾動，如不同營養(yǎng)級的動物之間的捕食或競爭現(xiàn)象，土壤剖面中不同的土壤質(zhì)地使土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))保持差異等等，這些潛在的機(jī)制共同影響著土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)。

3.2 林型轉(zhuǎn)化和土層深度對土壤環(huán)境因子的影響

由表5可見：表層土(0

表5 不同林型和土層深度的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計量比

土層深度(h)/cm土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1馬尾松次生林濕地松人工林杉木人工林土壤有效銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1馬尾松次生林濕地松人工林杉木人工林土壤有效硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1馬尾松次生林濕地松人工林杉木人工林0

土層深度(h)/cm土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1馬尾松次生林濕地松人工林杉木人工林土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1馬尾松次生林濕地松人工林杉木人工林土壤pH馬尾松次生林濕地松人工林杉木人工林0

土層深度對土壤各因子的影響比林型更大。其中：同一林型內(nèi)，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均隨土層的加深而降低，且不同土層上述各因子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化明顯(見表5)。此外，不同林分類型的土壤pH、土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(w(C)∶w(N))在不同土層中的變化趨勢并不一致。除土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(w(C)∶w(N))、土壤含水率外，土層深度對其余土壤環(huán)境因子均有顯著的影響；除pH外(P<0.05)，林型和土層深度的交互作用對其余土壤因子均無顯著影響(見表6)。

表6 林型和土層深度對土壤因子影響的方差分析結(jié)果

3.3 土壤環(huán)境因子對穩(wěn)定碳氮同位素原子分?jǐn)?shù)的影響

由表7可見：土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))，與土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有效銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤電導(dǎo)率、土壤有效硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))，與土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(w(C)∶w(N))、土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有效銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤電導(dǎo)率、土壤有效硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。對土壤δ(13C)、δ(15N)進(jìn)行線性回歸擬合，模型表明，δ(13C)隨δ(15N)的升高而顯著增大(見圖1)。

圖1 土壤δ(13C)與δ(15N)的線性回歸擬合結(jié)果

表7 土壤各因子之間的相關(guān)性系數(shù)

為進(jìn)一步了解土壤穩(wěn)定碳氮同位素與環(huán)境因子的關(guān)系，以土壤環(huán)境因子為影響因素，以土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(13C))、土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)(δ(15N))為評價指標(biāo)，采用逐步回歸法盡可能消除土壤環(huán)境因子之間潛在的共線性影響，建立多元回歸模型(見圖2)：

R2為影響因素累計貢獻(xiàn)率。*表示影響顯著(P<0.05)，** 表示影響極顯著(P<0.01)。經(jīng)多元線性回歸分析后，回歸模型為：δ(13C)=為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為g·kg-1)；w(SWC)為土壤含水率(以百分比計，%)；pH為土壤酸堿度；w(MBC)為土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為mg·kg-1)；w(TN)為土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為g·kg-1)；w(TP)為土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為g·kg-1)；w(MBN)為土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為mg·kg-1)；w(C)∶w(N)為土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比；為土壤有效硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為mg·kg-1)。圖2 土壤δ(13C)、δ(15N)與理化性質(zhì)的多元線性回歸結(jié)果

δ(13C)=-23.140-0.042w(SOC)+2.447w(SWC)-

0.482pH-0.001w(MBC)，P<0.001；

δ(15N)=5.443-0.524w(TN)+3.867w(TP)+6.266

w(SWC)-0.027w(MBN)-0.318(w(C)∶

分析結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤含水率、土壤pH，對土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)變異性的累計貢獻(xiàn)率達(dá)45.06%；土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤含水率、土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤微生物生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有效硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(w(C)∶w(N))，對土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)變異性的累計貢獻(xiàn)率達(dá)57.80%。

對試驗地內(nèi)馬尾松次生林、濕地松和杉木人工林0～50 cm土壤剖面內(nèi)的多項環(huán)境因子進(jìn)行研究表明，與濕地松和杉木人工林相比，馬尾松次生林的枯枝落葉層(0

森林土壤氮素狀況是影響碳穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，氮素有效性越高，土壤固持有機(jī)碳的能力越強(qiáng)[40]。本研究中，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)、土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)與土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，表明土壤有機(jī)碳與全氮之間的關(guān)系反映了有機(jī)質(zhì)的分解。另一方面，人工林集約化的管理措施導(dǎo)致土壤C、N流失。與相對未受人為干擾的天然次生林相比，受較大干擾的人工林生態(tài)系統(tǒng)，土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)、穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)較高。表明了次生林轉(zhuǎn)化為人工林后，減少了地上部分碳、氮的輸入，同時增強(qiáng)了土壤中頑固性有機(jī)質(zhì)的分解，用于彌補(bǔ)損失的養(yǎng)分[41]。林型轉(zhuǎn)化后，由于有機(jī)碳的分餾和穩(wěn)定碳同位素(13C)的親水性，通過微生物的代謝過程以及分解作用，富集了大量可溶性的分解產(chǎn)物[42]。隨后，13C貧化的可溶性有機(jī)碳隨土壤剖面加深不斷淋失，13C富集的可溶性有機(jī)碳通過剖面向下轉(zhuǎn)移，并被吸附在土壤顆粒上，有助于土壤深層穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)升高[43]。本研究中，多元線性回歸模型中，土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤含水率對土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)的影響，以及相關(guān)性分析中，土壤微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤含水率、土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)之間的顯著相關(guān)關(guān)系，共同證明了上述過程。此外，林型轉(zhuǎn)化降低了土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此，轉(zhuǎn)化后的人工林土壤氮素的分餾，通常以氨化、硝化及反硝化為主。而伴隨著硝化作用的進(jìn)行，穩(wěn)定氮同位素(15N)貧化的硝態(tài)氮淋失更嚴(yán)重，導(dǎo)致在林型轉(zhuǎn)化后的很長一段時間內(nèi)，人工林的土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)持續(xù)增大。

4 結(jié)論

由馬尾松天然次生林轉(zhuǎn)化為濕地松人工林和杉木人工林，林型轉(zhuǎn)化后，土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)并無顯著變化。通過擬合得出的δ(13C)與log[w(SOC)]之間的回歸方程斜率(β)，對林型轉(zhuǎn)化后土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的動態(tài)變化進(jìn)行分析，次生林轉(zhuǎn)化為人工林后，β絕對值下降，土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率下降，表明土壤活性有機(jī)碳與土壤黏粒、粉粒等含有頑固性碳的結(jié)合能力降低，對微生物分解的抵抗能力下降，土壤的穩(wěn)定性降低。將土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)與林分其他各項環(huán)境指標(biāo)(如土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(w(C)∶w(N))等)進(jìn)行綜合分析表明，與次生林相比，人工林的特異性及不穩(wěn)定性，使土壤穩(wěn)定碳同位素原子分?jǐn)?shù)更易受環(huán)境因素和管理措施的影響，其變化趨勢較為復(fù)雜。林型轉(zhuǎn)化后，土壤穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)明顯增大，表明人工林植物以利用菌根真菌吸收氮素為主，穩(wěn)定氮同位素多被菌根真菌固定在土壤中；人工林有效氮尤其是硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，表明次生林轉(zhuǎn)化為人工林后，土壤全氮的分餾效應(yīng)以硝化和反硝化為主，且伴隨著硝態(tài)氮的淋溶，導(dǎo)致人工林土壤中穩(wěn)定氮同位素原子分?jǐn)?shù)高于次生林土壤的?？傮w而言，本研究結(jié)果表明，林型轉(zhuǎn)化對土壤碳、氮穩(wěn)定性的影響較為明顯。