山西太岳山不同針葉純林及混交林土壤有機(jī)碳庫的變異性1)

賈匡迪 王勇強(qiáng) 高雨 周志勇

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (山西靈空山國家自然保護(hù)區(qū)管理局) (北京林業(yè)大學(xué))

“碳達(dá)峰,碳中和”已成為本世紀(jì)中葉我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。森林因其較高的物質(zhì)生產(chǎn)能力和巨大的碳儲存能力,在“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中被寄予了厚望。有研究顯示,在適當(dāng)?shù)慕?jīng)營管理措施下,我國森林可在2050年之前一直發(fā)揮著“碳匯”的功能[1]。土壤有機(jī)質(zhì)是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)物的性狀間差異及其與礦物質(zhì)顆粒的互作能夠調(diào)控土壤有機(jī)碳組分,影響土壤碳庫的穩(wěn)定性[2-4]?；钚杂袡C(jī)碳一般是指易被土壤微生物分解利用的碳組分,能夠靈敏地反應(yīng)土壤碳庫變化[5]。非活性有機(jī)碳通常由大分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的分解產(chǎn)物構(gòu)成,有些會與礦物質(zhì)顆粒結(jié)合,形成具有較長周轉(zhuǎn)周期的穩(wěn)定有機(jī)碳[6]。Blair et al.[7]根據(jù)有機(jī)碳的抗氧化性強(qiáng)弱,把土壤有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳,并在碳庫指數(shù)(CPI)和碳庫活度指數(shù)(AI)的基礎(chǔ)上提出了碳庫管理指數(shù)(CPMI)的概念[8]。碳庫管理指數(shù)反映不同林型下土壤有機(jī)碳(SOC)數(shù)量和質(zhì)量的變化,數(shù)值升高代表碳庫向良性方向發(fā)展,數(shù)值降低則表示碳庫質(zhì)量下降。近年來,碳庫管理指數(shù)常被用于評價不同土壤環(huán)境時土壤有機(jī)碳質(zhì)量變化[9]。

土壤有機(jī)碳及其組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)會受林分類型的影響[10]。研究發(fā)現(xiàn),相比針葉林,針闊混交林具有更高的活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[11]。也有研究證實(shí),相比針闊混交林,闊葉混交林更助于積累惰性碳和增強(qiáng)碳庫穩(wěn)定性[12]。此外,土壤養(yǎng)分元素和酶活性對土壤有機(jī)碳及其組分的分布也會產(chǎn)生影響。土壤中氮素的可獲得性可以改變土壤微生物群落組成,抑制深層土壤有機(jī)碳礦化,促進(jìn)土壤有機(jī)碳貯存[13]。在土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化過程中,胞外酶活性調(diào)控土壤有機(jī)碳礦化,水解酶(β-葡萄糖苷酶,纖維二糖水解酶)參與活性碳轉(zhuǎn)化,氧化酶(過氧化物酶,多酚氧化酶)則主要參與惰性碳轉(zhuǎn)化[14]。綜上所述,各種生態(tài)因子直接或間接調(diào)控土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其組分的分布和穩(wěn)定性。

油松(Pinustabuliformis)和華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)作為華北地區(qū)的主要造林樹種,在水土保持、氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要作用[15]。近年來,相關(guān)研究人員主要針對不同發(fā)育階段油松林土壤碳組分及土壤碳穩(wěn)定性等開展研究[16-17],不同林分類型間土壤碳庫質(zhì)量呈現(xiàn)何種變化趨勢還亟待研究。因此,本研究以山西太岳山林區(qū)油松林、華北落葉松林、油松落葉松混交林3種人工林為研究對象,依據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)分析,探究了不同林分類型對土壤有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)的影響及影響土壤碳庫管理指數(shù)的因子,以期為山西太岳山林區(qū)土壤碳庫未來管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省長治市太岳山林區(qū)(地理中心坐標(biāo)為：36°40′1″N,112°4′28″E),當(dāng)?shù)氐纳指采w率達(dá)60%,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫8.6 ℃,年均降水量650 mm,降雨主要發(fā)生在7—9月。土壤主要為棕壤土,山體基巖以石灰?guī)r和花崗巖為主。區(qū)內(nèi)代表樹種有油松、華北落葉松、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等;常見灌木樹種有黃刺玫(Rosaxanthina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、胡枝子(Lespedezabicolor)等,常見草本植物有莎草(Cyperaceae)及苔草(Carextristachya)等。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與土樣采集

2019年7月,在山西太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站西南向10 km的水洞川,分別選取相同林齡的油松、華北落葉松、油松落葉松混交林為研究對象,在各人工林內(nèi)分別布設(shè)4塊30 m×30 m的樣地,共12塊。各樣地情況如表1所示。每塊樣地采用“V”字形法隨機(jī)設(shè)置3個采樣點(diǎn),去除地表凋落物,用土鉆在每個樣點(diǎn)分別采集土層深度(h)為0

表1 樣地基本信息

2.2 土壤理化指標(biāo)測定

帶回實(shí)驗(yàn)室的土壤樣品一部分在室內(nèi)自然風(fēng)干,風(fēng)干土壤經(jīng)過研磨后過0.18 mm篩,采用重絡(luò)酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳;凱氏定氮法測定土壤全氮。土壤易氧化碳采用Chan et al.[18]提出的濕氧化法測定：向500 mL錐形瓶中加入1.0 g土壤,然后添加適量重鉻酸鉀(0.167 mol·L-1),用移液槍對不同土壤中分別加入5、10、20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸,分別對應(yīng)濃度為6、9、12 mol·L-1硫酸氧化條件下所對應(yīng)的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),使用濃度為1 mol·L-1的FeSO4溶液進(jìn)行滴定,高氧化活性有機(jī)碳(F1)是濃度為6 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);中氧化活性有機(jī)碳(F2)是濃度為9 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去濃度為6 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);低氧化活性有機(jī)碳(F3)是濃度為12 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去濃度為9 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);穩(wěn)定有機(jī)碳(F4)是土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去濃度為12 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。另一部分冷藏保存的新鮮土壤用于酶的測定,土壤酶α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶活性采用微孔板熒光分析法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

碳庫管理指數(shù)用于反映不同林型土壤質(zhì)量變化,本研究以該地區(qū)林分特征較為一致的40年生油松林[16]為參考,計(jì)算各林型的碳庫管理指數(shù)。公式如下：

活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)=高氧化活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)+中氧化活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)+低氧化活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

碳庫活度=活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)÷(總碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)-活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

碳庫活度指數(shù)=各林型土壤碳庫活度÷參考碳庫活度。

碳庫指數(shù)=各林型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)÷參考土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

碳庫管理指數(shù)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100。

碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)均反應(yīng)了土壤有機(jī)碳庫的質(zhì)量。碳庫活度指數(shù)增加表明有機(jī)碳更容易被微生物降解并被植物吸收利用;碳庫指數(shù)增加表明該林地土壤在碳積累方面有所提升;碳庫管理指數(shù)增加表明該林地土壤在碳庫穩(wěn)定性方面有所改善。

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,應(yīng)用SPSS22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法對不同林型及土層的土壤酶活性及其理化性質(zhì)進(jìn)行多重比較,差異顯著性水平為α=0.05。采用Pearson相關(guān)系數(shù)探究土壤碳庫管理指數(shù)與土壤理化性質(zhì)及生物性質(zhì)的相關(guān)性。采用AMOS26.0構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型,通過Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn),篩選顯著影響土壤碳庫管理指數(shù)的因子作為構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型的基本變量,分析變量間的路徑系數(shù)和相關(guān)系數(shù)。通過卡方和自由度的比值、比較擬合指數(shù)(CFI)、均方根誤差(RMSEA)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?yōu)良度。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型間土壤理化性質(zhì)的變化特征

如表2所示,在3種不同森林類型的土壤中,土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(SOC)、土壤含水率(SMC)及全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TN)在0

在0

表2 不同林型間土壤理化性質(zhì)

3.2 不同林型間細(xì)根生物量及土壤酶活性的變化特征

細(xì)根生物量在不同林型間表現(xiàn)出顯著差異(表3)。3種森林類型的上、下2個土層中,細(xì)根生物量(FRB)的變化規(guī)律均為華北落葉松林最高,混交林次之,油松林最低。在0

如表3所示,在0

表3 不同林型間細(xì)根生物量及土壤酶活性

林型β-木糖苷酶活性/nmol·g-1·h-10

3.3 不同林型間土壤有機(jī)碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳庫管理指數(shù)的變化特征

如表4所示,土壤穩(wěn)定有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的比例最大,為84.43%～88.06%。華北落葉松林各土層中穩(wěn)定有機(jī)碳分配比例均低于油松林和混交林。在0

3種不同林型的土壤碳庫管理指數(shù)如表5所示。華北落葉松林各土層土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)均高于油松林及混交林,但不同林型間差異不顯著。3種林分類型碳庫指數(shù)由大到小依次為混交林、華北落葉松林、油松林,其中,10 cm

表4 不同林型土壤氧化活性碳組分占有機(jī)碳的比例

表5 不同林型間土壤碳庫管理指數(shù)

3.4 土壤碳庫質(zhì)量影響因子分析

將0

選取土壤碳庫管理指數(shù)的影響因子建立碳庫管理指數(shù)與土壤理化性質(zhì)、生物性質(zhì)的結(jié)構(gòu)方程模型(卡方自由度為1.037,擬合指數(shù)為0.995,均方根誤差為0.04;圖1)。結(jié)構(gòu)方程模型顯示,森林類型的轉(zhuǎn)變對土壤含水率和土壤酶活性產(chǎn)生直接顯著正效應(yīng)(P<0.05),對根系生物量產(chǎn)生直接正作用,但無顯著性。根系生物量對土壤養(yǎng)分、土壤酶活性有直接顯著正作用(P<0.05)。土壤養(yǎng)分、根系生物量對碳庫管理指數(shù)產(chǎn)生直接顯著正效應(yīng)(P<0.05)。綜合來看,結(jié)構(gòu)方程模型適配良好。

總體而言,森林類型的轉(zhuǎn)變通過影響土壤含水率、根系生物量、土壤酶活性間接影響土壤養(yǎng)分和碳庫管理指數(shù)。

表6 土壤環(huán)境因子與碳庫管理指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

SOC為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);TN為全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù);AG為α-葡萄糖苷酶;BG為β-葡萄糖苷酶;BX為β-木糖苷酶;AP為酸性磷酸酶,實(shí)線箭頭為顯著路徑(P<0.05);虛線箭頭為不顯著路徑;擬合指數(shù)為0.995,大于0.900;均方根誤差為0.040,小于0.050;卡方自由度為1.037,小于3.000。

4 結(jié)論與討論

森林類型不同,地表凋落物儲量及構(gòu)成、樹木根系的生長發(fā)育、凋落物分解速率等方面都有一定差異,這會造成不同林分土壤理化性質(zhì)出現(xiàn)差異[19]。本研究結(jié)果顯示,不同林分類型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為混交林、華北落葉松林、油松林。土壤有機(jī)碳反映了以植物殘體為主的有機(jī)物輸入與土壤微生物分解為主的有機(jī)物輸出之間的動態(tài)平衡。一般而言,土壤有機(jī)碳受林分類型、凋落物、土壤環(huán)境影響。林分混交后,林內(nèi)環(huán)境條件和植被覆蓋的改善能夠增強(qiáng)微生物活度,加速凋落物分解速率,使?fàn)I養(yǎng)元素更容易釋放,促進(jìn)有機(jī)碳積累[20]。同時,林分混交使森林土壤的持水能力得到明顯改善。本研究中,混交林中上、下兩個土層的土壤含水率均顯著高于油松林。較高的林冠郁閉度及地表凋落物有效減緩森林內(nèi)的水分蒸發(fā),提高土壤的水分含量[21]。3種林分類型0

土壤酶主要來源于凋落物、根系分泌物及微生物活動,受底物供應(yīng)的強(qiáng)烈影響[23]。本研究顯示,混交林中β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性均高于華北落葉松林及油松林?；旖涣种休^多的地表凋落物在土壤表面累積,這有利于提高土壤養(yǎng)分[24]。氮元素往往與碳元素一起,為微生物提供底物,底物增加時,微生物代謝活動增強(qiáng),因此提高了土壤酶活性[25-26]。不同的樹種組成具有不同的酶活性和獨(dú)特的微生物群落,這也是影響土壤養(yǎng)分動態(tài)和有效性的因素之一[27]。落葉松林中α-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶活性顯著低于油松林和混交林,這與落葉松凋落物單寧、樹脂等酸性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,導(dǎo)致土壤酸化有關(guān),且落葉松林地土壤pH較低,會抑制相關(guān)微生物的活性[28]。α-葡萄糖苷酶及β-木糖苷酶主要促進(jìn)可溶性糖類和纖維素分解,而油松凋落物中粗纖維含量最高,屬于較難分解的有機(jī)物質(zhì)[29],所以這兩種酶活性較高。

土壤活性有機(jī)碳占有機(jī)碳庫的比例較小,是土壤碳庫中最活躍的部分。華北落葉松林中高氧化活性有機(jī)碳所占比例高于油松林和混交林,穩(wěn)定有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的比例低于油松林和混交林。華北落葉松林高氧化活性有機(jī)碳所占比例與土壤碳庫活度指數(shù)變化一致,說明其土壤碳庫活度較好。有研究顯示,土壤完全分解層中油松凋落物的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于落葉松,油松林中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也低于落葉松林[30]。不同樹種凋落物輸入的數(shù)量和質(zhì)量差別較大,不同樹種根系及微生物區(qū)系也有差異[31]。本研究中,華北落葉松林的根系生物量遠(yuǎn)高于油松林,進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳及其組分出現(xiàn)差異。不同林型間穩(wěn)定有機(jī)碳占比均顯著高于其他組分占比,說明該地區(qū)土壤性質(zhì)較穩(wěn)定,不同森林類型的有機(jī)碳主要以穩(wěn)定形式存在。

土壤碳庫管理指數(shù)不僅反映土壤有機(jī)碳組分的變化,還反映外界環(huán)境變化對有機(jī)碳總量的影響,可以表征土壤有機(jī)碳的質(zhì)量和碳庫穩(wěn)定程度[32]。有研究以南亞熱帶紅錐人工純林為參考,計(jì)算不同紅錐混交林的碳庫管理指數(shù)。該研究發(fā)現(xiàn),在0

探討土壤中生物因子及非生物因子與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系一直是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題,明確影響土壤碳庫變異的主導(dǎo)因素對森林可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義[33]。結(jié)構(gòu)方程模型在模擬驗(yàn)證多因素間復(fù)雜關(guān)系時具有強(qiáng)大優(yōu)勢,目前已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域。本研究采用根系生物量、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶表征生物因子,土壤含水率、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表征非生物因子,構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型以探討各因子對土壤碳庫管理指數(shù)直接及間接影響。結(jié)果表明,不同森林類型對碳庫管理指數(shù)的影響有3條途徑。首先,不同森林類型通過影響土壤含水率和土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)間接影響碳庫管理指數(shù);其次,不同森林類型對碳庫管理指數(shù)的影響是通過其對根系生物量的影響來中介的,而根系生物量直接影響碳庫管理指數(shù);最后,土壤酶活性受不同森林類型及根系生物量的直接影響,進(jìn)而影響碳庫管理指數(shù)。林分類型的轉(zhuǎn)變提高了土壤的水分含量,改善了森林土壤的孔隙度和持水能力。土壤水分通過改變土壤氧化還原電位和微生物活性來減少土壤有機(jī)物礦化,促進(jìn)有機(jī)物在土壤中積累[34]。土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高改善了土壤質(zhì)量,碳庫管理指數(shù)也得以提高。根系的儲量及分解是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中不可忽視的一部分。與地上部分凋落物相比,根系的死亡在一年四季中隨時發(fā)生,其不斷向土壤中輸送養(yǎng)分,這對于森林土壤碳循環(huán)具有更為特殊的意義。相關(guān)研究表明,植物死根及根系分泌物會促進(jìn)土壤中碳的積累[35],這是因?yàn)檩^高的根系凋落物輸入量能顯著影響土壤有機(jī)碳的礦化速率,提高土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[36]。同時,較高的根系生物量為土壤中微生物的生長繁殖提供了能量保障,進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物分解更多的胞外酶來獲取外界土壤養(yǎng)分,調(diào)控土壤碳周轉(zhuǎn)。土壤碳庫受理化因子和生物因子多方面因素的綜合影響。綜合3種林分類型的土壤養(yǎng)分、土壤含水率及酶活性的變化可以看出,油松林和華北落葉松林混交模式時土壤碳庫質(zhì)量最高,更有利于土壤碳循環(huán)及碳平衡。

太岳山林區(qū)相同林齡的不同針葉林土壤中,油松林和華北落葉松林混交改善了土壤環(huán)境,提高了土壤養(yǎng)分,土壤含水率及酶活性也呈增加趨勢。結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明,土壤養(yǎng)分、根系生物量、土壤酶活性共同促進(jìn)了土壤碳庫管理指數(shù)提高。林分混交提高了土壤碳庫質(zhì)量,有利于天然林的生長發(fā)育及生產(chǎn)力的提高。