黔中不同發(fā)育階段馬尾松人工林土壤有機(jī)碳組分變化特征*

劉娜，周華，張旭，丁訪軍，彭麗

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005；2.貴州黎平石漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，貴州 黎平 557300；3.貴州草海濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，貴州 威寧 553100；4.長順縣林業(yè)局，貴州 長順 550700)

土壤是陸地上最大的碳庫，全球2 m土壤深度的碳儲量約為2 060×108t，遠(yuǎn)超大氣與植被碳庫之和[1]，參與地球陸域碳循環(huán)總碳量中80%的碳量以土壤有機(jī)碳形式存在于土壤中[2]，土壤有機(jī)碳微小的變動都會引起大氣二氧化碳較大的波動，影響全球氣候變化。據(jù)評估，在合理的生態(tài)系統(tǒng)管理措施下，土壤有機(jī)碳對自然氣候解決方案的貢獻(xiàn)率達(dá)25%[3]，在雙碳目標(biāo)背景下，土壤固定和積累有機(jī)碳的能力受到極大的關(guān)注。

土壤有機(jī)碳是在組成、結(jié)構(gòu)、存在形式、分解程度、周轉(zhuǎn)時間上具有差異性的一系列碳組分[4]。根據(jù)不同的分組方法可分離出多種性質(zhì)不同的有機(jī)碳組分[5]，根據(jù)密度分組可將土壤有機(jī)質(zhì)分為輕組有機(jī)碳(LFOC)和重組有機(jī)碳(HFOC)[6]，其中輕組易分解、周轉(zhuǎn)快，對土壤有機(jī)質(zhì)變化的反映更敏感，但不能被真正的被土壤所固定，屬于不穩(wěn)定性有機(jī)碳[7]；而重組受到土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的保護(hù)，在短期內(nèi)不會波動，反映出土壤長期積累和固碳的能力，屬于穩(wěn)定性有機(jī)碳[8]。探討基于密度分組的有機(jī)碳組分變化對評估土壤碳庫穩(wěn)定性和了解土壤質(zhì)量變化具有重要意義[9]。

植被恢復(fù)是雙碳背景下最自然最可及的固碳技術(shù)，具有成本低、潛力大、可持續(xù)強(qiáng)的優(yōu)點[10]，是提升區(qū)域有機(jī)碳固持的重要措施。研究植被恢復(fù)下土壤固碳效應(yīng)對科學(xué)評價生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力和有效實施生態(tài)系統(tǒng)碳匯管理具有重要意義[11]。馬尾松(Pinusmassoniana)是南方地區(qū)最常見的造林恢復(fù)樹種，具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱貧瘠的特點，是我國工業(yè)主要用材樹種之一，同時在森林碳匯中也發(fā)揮了重要的作用。但以往的研究多關(guān)注發(fā)育過程中總有機(jī)碳(TOC)的變化[12-15]，對不同穩(wěn)定性有機(jī)碳的響應(yīng)動態(tài)知之甚微。因此，本文以黔中馬尾松人工林為研究對象，應(yīng)用空間替代時間的方法，探究不同發(fā)育階段下馬尾松林土壤TOC、LFOC和HFOC含量、比例變化及相互關(guān)系，剖析馬尾松人工林發(fā)育對不同活性有機(jī)碳組分的影響，加深對馬尾松人工林土壤碳循環(huán)的認(rèn)識，為馬尾松人工林土壤碳庫管理決策提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

研究區(qū)域位于貴州省黔南布依族苗族自治州長順縣廣順國有林場，地理位置位于26°04′54″～26°10′35″N、106°18′16″～106°23′01″E，平均海拔為1 300 m，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，雨熱同季，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年均溫在13.5～18.5 ℃，年極端最低氣溫為-15.5 ℃，極端最高氣溫為40.7 ℃，年均相對濕度為81%，無霜期為275 d，年降雨量1 250～1 400 mm。林場內(nèi)地貌大部分屬巖溶區(qū)，土壤為山地黃棕壤、黃壤、石灰土。用材樹種主要有馬尾松、杉木(Cunninghamialanceolata)、濕地松(Pinuselliottii)等，面積約為67 hm2。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

通過前期對黔中地區(qū)國有林場的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在廣順國有林場具有各個發(fā)育階段的馬尾松人工林，并確定在該林場設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地。按照空間替代時間的方法，選擇區(qū)域內(nèi)位置相對集中、立地條件基本一致的林分設(shè)置幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林及過熟林5個發(fā)育階段，齡級按照《主要樹種齡級與齡組的劃分》[16]確定，每個階段各設(shè)置3個樣地，設(shè)置時保證各樣地相鄰邊界間隔距離在10 m以上，共15個樣地。于2022年10月進(jìn)行樣地調(diào)查，樣地大小為20 m×20 m，調(diào)查時，將其分為10個4 m×10 m的小樣方調(diào)查植被組成，在每個4 m×10 m樣方中對所有喬木進(jìn)行調(diào)查，記錄樣方中每株喬木植物名稱、高度、胸徑；在每個4 m×10 m的樣方中選取1個2 m×2 m的小樣方對灌木進(jìn)行調(diào)查，記錄灌木植物名稱、數(shù)量、高度、地徑等信息；在每個2 m×2 m的小樣方中選取1個1 m×1 m的樣方對草本進(jìn)行調(diào)查，記錄樣方中草本植物名稱、多度、平均高度、總蓋度。對于層間植物，依據(jù)其高度將其歸入相應(yīng)的層。在每個樣地選擇胸徑處于平均水平的林木3～5株，采用樹木生長錐取樹芯測定樣地的平均林齡，同時在每個樣地隨機(jī)設(shè)置3個0.5 m×0.5 m的凋落物框，收集其中全部凋落物帶回實驗室烘干，計算每個樣地的凋落物生物量。樣地本底調(diào)查見表1。

表1 樣地本底調(diào)查Tab.1 Basic information about the plots

1.3 樣品采集與處理

在每個樣地的中心，挖出一個完整的土壤剖面，以20 cm為一層進(jìn)行取樣，共取4層，每一層先用環(huán)刀取樣，用于測定土壤容重；而后取約1.5 kg左右的土壤裝入自封袋，用于土壤理化性質(zhì)測定。將土樣帶回實驗室后，挑揀出其中肉眼可見的石礫和根系，置于室內(nèi)自然陰干。將土樣分為2份，一份過0.25 mm篩，用于測定土壤輕組有機(jī)碳(LFOC)和重組有機(jī)碳(HFOC)；一份過2 mm篩，用于測定總有機(jī)碳(TOC)。

土壤密度分組參照魏懷建[17]的方法：稱取通過0.25 mm篩的風(fēng)干土5.0 g，置于已稱重的100 mL離心管中，向離心管加入相對密度1.8 g/cm3的重液25 mL，離心管加蓋后豎放在加有冰水的槽型超聲波清洗桶內(nèi)，保持超聲波清洗槽里的冰水面與離心管中的液面接近，于21.5 kHz 300 mA超聲分散10 min，使土壤充分分散。經(jīng)超聲分散后的土樣，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，此時輕組懸浮于重液上部，重組沉于管底。將懸浮有輕組的重液傾入鋪有濾紙的玻璃漏斗中過濾。離心管內(nèi)的土樣繼續(xù)加相對密度為1.8 g/cm3的重液，重復(fù)上述過程直至離心后的重液中無輕組為止，一般2～3次分離即能除盡輕組。離心管中的重組直接用95%乙醇洗滌3次，再用水洗滌2次，最后將盛有重組的離心管置于溫度不超過40 ℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干、稱重，封裝好待測。采用差減法計算出輕組的重量，分別計算出輕組和重組的質(zhì)量百分比。

采用重鉻酸鉀外加熱法(NY/T 1121.6-2006)測定土壤輕組、重組、和全土中的有機(jī)碳的含量。輕組和重組中的有機(jī)碳含量與各自的質(zhì)量百分比乘積則為土壤中輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

通過對不同土層的土壤容重和相應(yīng)的有機(jī)碳含量進(jìn)行加權(quán)，得到不同有機(jī)碳組分的加權(quán)平均值，按下式進(jìn)行計算。

式中：Co為土壤整體不同有機(jī)碳組分含量，單位為g/kg；Ck為土壤k層的有機(jī)碳組分含量，單位為g/kg；BDk為土壤k層的容重，單位為g/cm3；Tk為土壤k層的厚度，單位為cm。

數(shù)據(jù)在EXCEL中進(jìn)行整理，在SPSS 19.0中進(jìn)行分析，在Origin 2021中繪圖。同一土層不同發(fā)育階段間及同一發(fā)育階段不同土層間重組和輕組的質(zhì)量百分比、含碳量、3種有機(jī)碳組分含量、HFOC/TOC及LFOC/TOC值之間的顯著差異性采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比較(α=0.05)采用Duncan法，文中數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤輕組、重組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有機(jī)碳含量變化特征

由表2可知，不同發(fā)育階段0～80 cm土層內(nèi)重組質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為83%～91%，輕組質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為9%～17%，重組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是輕組的5～9倍。發(fā)育階段和土層深度對重組和輕組質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，僅在60～80 cm層，不同發(fā)育階段間重組和輕組質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著差異性(P<0.05)，僅在幼齡林階段的不同土層間重組和輕組質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有顯著性差異(P<0.05)。

不同發(fā)育階段0～80 cm土層重組中有機(jī)碳含量在1.53～33.07 g/kg，輕組中有機(jī)碳含量在8.20～119.10 g/kg，輕組中有機(jī)碳的含量是重組的3～5倍。發(fā)育階段和土層深度顯著的影響了重組和輕組中的有機(jī)碳含量。從發(fā)育階段來看，在20～80 cm層，重組和輕組中的有機(jī)碳含量在各發(fā)育階段間具有顯著差異，重組中有機(jī)碳含量在近熟林階段顯著高于(P<0.05)成熟林和過熟林，輕組中有機(jī)碳在各土層中變化的趨勢不一致；從土層來看，重組中有機(jī)碳含量在0～20 cm層顯著高于其他土層，輕組中有機(jī)碳含量在幼齡林、中齡林和成熟林階段表現(xiàn)為0～20 cm層顯著高于20～40 cm，20～40 cm層則顯著高于40～80 cm兩個土層(P<0.05)，在近熟林和過熟林則表現(xiàn)為0～20 cm和40～60 cm層顯著高于20～40 cm和60～80 cm層(P<0.05)。

2.2 3種有機(jī)碳組分的含量變化特征

不同發(fā)育階段0～80 cm土層內(nèi)HFOC含量的范圍在1.37～28.25 g/kg，LFOC含量的范圍在1.18～21.16 g/kg，TOC含量的范圍在2.55～44.74 g/kg，各有機(jī)碳組分含量變化趨勢如圖1所示。從發(fā)育階段來看，在0～20 cm層，各有機(jī)碳組分在發(fā)育階段間無顯著差異性，HFOC和TOC在20～80 cm層間具有顯著差異性(P<0.05)，LFOC在20～60 cm層具有顯著差異性，多表現(xiàn)為成熟林階段顯著低于其他階段。從土層來看，0～20 cm層土壤中各有機(jī)碳含量均顯高于其他土層(過熟林階段LFOC除外)(P<0.05)。

通過對4個土層的容重和相應(yīng)有機(jī)碳組分含量進(jìn)行加權(quán)，得到各發(fā)育階段有機(jī)碳組分的加權(quán)平均值(表3)?？梢钥闯?，HFOC和TOC隨發(fā)育階段呈先增加后降低再增加的變化趨勢，從幼齡林至近熟林階段含量逐漸升高，至成熟林階段含量降至最低，至過熟林階段含量略有升高但低于幼齡林階段，但僅TOC在各發(fā)育階段間表現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。LFOC隨發(fā)育階段呈降低-升高-降低-升高變化趨勢，在幼齡林階段最高在成熟林階段最低，但未表現(xiàn)出顯著的差異性(P<0.05)。

表3 0～80 cm土層內(nèi)3種有機(jī)碳組分的加權(quán)平均值Tab.3 Weighted average values of HFOC、LFOC and TOC in 0-80 cm soil layers of P.massoniana plantation at different developmental stages

2.3 LFOC/TOC、HFOC/TOC比例變化特征

黔中馬尾松人工林不同發(fā)育階段0～80 cm土層HFOC/TOC值的范圍在32%～80%，LFOC/TOC值的范圍在20%～68%(圖2)。從發(fā)育階段來看，各土層中HFOC/TOC和LFOC/TOC值隨發(fā)育階段變化無一致的變化規(guī)律，且僅在0～40 cm層表現(xiàn)出一定的差異性，在0～20 cm層，HFOC/TOC值在成熟和過熟林顯著高于幼齡林(P<0.05)，在20～40 cm層，HFOC/TOC在過熟林顯著低于其他階段(P<0.05)，LFOC/TOC則相反。從土層來看，HFOC/TOC和LFOC/TOC僅在近熟林和過熟林階段土壤剖面上表現(xiàn)出顯著差異性，在近熟林階段，60～80 cm層HFOC/TOC顯著高于0～40 cm土層(P<0.05)，在過熟林階段，則是0～20 cm顯著高于20～40 cm(P<0.05)。

圖2 各土層LFOC/TOC、HFOC/TOC比例Fig.2 The HFOC/SOC and HFOC/SOC ratio in different soil layers

2.4 不同有機(jī)碳組分之間的相互關(guān)系

通過進(jìn)行一元線性回歸分析，得到3種有機(jī)碳組分間的一元線性回歸方程和擬合優(yōu)度R2(圖3)。由圖可以看出，各有機(jī)碳兩兩之間均為正相關(guān)，其中，HFOC與TOC線性擬合程度最高，R2為0.92，其次是LFOC與TOC，R2為0.81，說明TOC的積累受HFOC、LFOC積累的影響，且HFOC的積累對TOC積累的貢獻(xiàn)更大，而LFOC與HFOC線性擬合程度最差，R2僅為0.55。

圖3 不同有機(jī)碳組分之間的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between different carbon fractions

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 發(fā)育階段和土層深度對黔中馬尾松人工林3種有機(jī)碳組分的影響

本研究得出黔中馬尾松人工林0～80 cm土層中TOC的范圍為6.67～41.38 g/kg、HFOC的范圍為4.51～25.34 g/kg、LFOC的范圍為2.16～12.03 g/kg。TOC高于全國尺度[15]的0～60 cm土層馬尾松人工林(9.3～22.0 g/kg)、天然馬尾松林[14](4.84～22.87 g/kg)和華南地區(qū)[12]0～80 cm土層馬尾松人工林土壤有機(jī)碳含量(6.32～15.74 g/kg)，HFOC和LFOC在華南亞熱帶森林范圍[18]內(nèi)(HFOC：1.95～72.73 g/kg、LFOC：0.01～41.94 g/kg)。通過各土層容重和相應(yīng)有機(jī)碳組分進(jìn)行加權(quán)，得出黔中幼齡至過熟林階段馬尾松人工林TOC的范圍為11.62～18.83 g/kg，高于同地區(qū)[19]幼齡至成熟林(9.84～14.92 g/kg)和廣西憑祥地區(qū)[20]幼齡林至成熟林(4.91～10.60 g/kg)的平均值?？梢钥闯觯瑥耐翆雍桶l(fā)育階段兩個方面來看，研究區(qū)馬尾松人工林TOC的含量都相對較高。這可能與研究的氣候條件有關(guān)，雨熱同期，使得凋落物的分解速度較快，養(yǎng)分快速歸還使得土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較高。

造林恢復(fù)通過改變地上植被與結(jié)構(gòu)、凋落物數(shù)量與質(zhì)量、根系生物量與分泌物等過程影響著土壤碳庫的積累[11]，造林帶來的植被生物量增加引起凋落物輸入增加從而促進(jìn)有機(jī)碳的積累，但植被生物量的增加也會增強(qiáng)對土壤養(yǎng)分的需求從而降低有機(jī)碳的固持。因此，土壤有機(jī)碳的固持水平取決于有機(jī)輸入與輸出之間的平衡[21]。本研究中，TOC和HFOC隨林分正向發(fā)育呈先增加后降低再增加的趨勢。在馬尾松發(fā)育的初期(幼齡林至近熟林階段)，2種有機(jī)碳組分的含量逐漸增加，而在發(fā)育成熟后(成熟至過熟林階段)含量下降，在近熟林階段多顯著的高于其他階段，這與郭其強(qiáng)等[19]對黔中孟關(guān)林場的研究結(jié)果相似。這可能是因為在發(fā)育的早期階段，馬尾松的郁閉度不大，林下光照較為充足，使得灌草豐富，微生物多樣性更高，增加了土壤碳的輸入；而到發(fā)育的后期，林分逐漸郁閉，對土壤養(yǎng)分需求增大，林下枯落物堆積量增加，土壤容重增加，導(dǎo)致微生物的活性降低，土壤中碳的輸出大于輸入。本研究中過熟林階段的林分曾進(jìn)行過間伐管理措施，因此TOC和HFOC在此階段有一定的增加，但仍然低于幼齡林。這也表明，在馬尾松人工林生長的后期，應(yīng)進(jìn)行合適的人工管理措施，如間伐、施肥等，以保證馬尾松的生長速度與養(yǎng)分供應(yīng)相適應(yīng)，有利于馬尾松地力的維持。LFOC作為土壤碳庫重要的活性碳組分，能靈敏的反映出土壤質(zhì)量的變化。本研究結(jié)果表明LFOC隨林分發(fā)育呈降低-增加反復(fù)波動，在幼齡林階段含量最高，在成熟林階段含量最低，表現(xiàn)出土壤活性有機(jī)碳的復(fù)雜多變化性[22]，這不僅與林分的發(fā)育程度有關(guān)，取樣點的微環(huán)境也強(qiáng)烈的影響著其含量。從土層來看，3種有機(jī)碳組分含量隨著土層的增加而降低，且在表層土壤中含量多顯著高于其它層，這與大多數(shù)的研究結(jié)果相同[23-25]。這是因為表層直接接受來自凋落物層的養(yǎng)分輸入，且在表層中分布著大量的灌草植物根系，使得土壤疏松透氣，水肥氣熱條件優(yōu)越，微生物活性高，為有機(jī)質(zhì)的分解和積累提供了直接優(yōu)勢[26]，從而表現(xiàn)出具明顯的有機(jī)碳“表聚”效應(yīng)。

3.1.2 發(fā)育階段和土層深度對黔中馬尾松人工林LFOC/TOC、HFOC/TOC值的影響

有機(jī)碳的相對含量可消除有機(jī)碳含量差異對碳組分的影響，更能準(zhǔn)確地表達(dá)有機(jī)碳的動態(tài)[26]，且在一定程度上表征土壤碳庫的穩(wěn)定性，HFOC/TOC越高，土壤碳庫越穩(wěn)定，LFOC/TOC越高，則土壤碳庫越不穩(wěn)定[28-29]。土壤中輕組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，但輕組中的有機(jī)碳的濃度高，重組中有機(jī)碳的濃度低，但重組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，所以土壤中HFOC高于LFOC，HFOC/TOC值也高于LFOC/TOC值，可見有機(jī)碳主要以穩(wěn)定性有機(jī)碳形式保存在土壤中。本研究得出黔中馬尾松人工林不同發(fā)育階段0～80 cm土層HFOC/TOC的范圍為32%～80%，LFOC/TOC的范圍為20%～68%，HFOC/TOC低于華南亞熱帶森林[18](63.4%～99.7%)，LFOC/TOC高于紅壤侵蝕區(qū)不同恢復(fù)階段馬尾松人工林[30](29.1%～41.9%)。有研究結(jié)果表明：土壤中的LFOC/SOC隨土層的增加而降低，而HFOC/TOC隨土層的增加而增加[18]，造林恢復(fù)會增加深層土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[25]。在本研究中，LFOC/TOC和HFOC/TOC隨發(fā)育階段和土層的改變并沒有一致的變化趨勢，但在幼齡林至近熟林階段，LFOC/TOC也是在底層或次底層中比值最小，HFOC/TOC在底層或次底層最大，但在成熟林至過熟林階段，HFOC/TOC值在卻在表層最高。該比值受到多個因素的影響，如輸入的植物殘體的數(shù)量與質(zhì)量，小氣候引起的土壤環(huán)境差異，密度分組的方法及重液濃度的選擇等，都會使輕、重組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的分配比例發(fā)生改變。

3.2 結(jié)論

土壤中輕組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，但輕組中的有機(jī)碳濃度高，重組中有機(jī)碳的濃度低，但重組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，所以土壤中HFOC高于LFOC含量，HFOC/TOC值也高于LFOC/TOC值，可見土壤中有機(jī)碳主要以穩(wěn)定性有機(jī)碳形式保存。發(fā)育階段和土層深度對不同活性有機(jī)碳的具有一定的影響，從發(fā)育階段來看，HFOC和TOC在發(fā)育的初期(幼齡林至近熟林)較高，在發(fā)育成熟后(成熟林至過熟林)開始降低，LFOC隨發(fā)育階段呈降低-升高反復(fù)波動，在幼齡林階段最高，在成熟林階段最低；從土層來看，3種有機(jī)碳都表現(xiàn)出明顯的表聚性，而HFOC/TOC和LFOC/TOC在發(fā)育階段和土層上無一致的變化趨勢。3種有機(jī)碳組分之間皆為正相關(guān)，HFOC與TOC之間的相關(guān)性最強(qiáng)，說明HFOC對TOC積累的貢獻(xiàn)更大。在馬尾松林發(fā)育成熟后，土壤對HFOC和TOC的固持能力開始下降，應(yīng)進(jìn)行合適的人工管理，如間伐、施肥等，保證馬尾松的生長速度與養(yǎng)分供應(yīng)相適應(yīng)，以加強(qiáng)馬尾松林的地力維持。