間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林土壤有機(jī)碳的影響

王昌亮　王慶成　張程　李雯　張書(shū)娜

摘要：以山河屯林業(yè)局鳳凰山撫育所40年生落葉松人工林為研究對(duì)象，采用不同強(qiáng)度的間伐處理（間伐0%（CK）、15%（T1）、40%（T2））后，研究不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、活性有機(jī)碳（水溶性有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳、易氧化碳）的變化。結(jié)果表明：間伐處理提高了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，表現(xiàn)為CK（12.92 Mg/hm2）0.05）。微生物有機(jī)碳和易氧化碳均主要集中在0～10 cm土層；不同處理間均為T(mén)2含量最高，分別為982.00、20.52 g/kg。水溶性有機(jī)碳在0～10 cm土層差異不顯著，但在其他土層（10～20、20～40、40～60 cm）差異顯著（P<0.05），不同處理間T2含量也均最高，由上到下不同土層水溶性有機(jī)碳分別為51.59、52.99、37.83和31.87 mg/kg。研究表明：15%的弱度間伐更有利于東北落葉松人工林土壤有機(jī)碳的固定。

關(guān)鍵詞：落葉松（Larix gmelinii）；人工林；間伐強(qiáng)度；土壤碳

中圖分類(lèi)號(hào)：S 753.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2015）01-0012-05

Effect of Thinning Intensity on Soil Organic

Carbon in Larix gmelinii Plantation

Wang Changliang，Wang Qingcheng，Zhang Cheng，Li Wen，Zhang Shuna

（School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：The 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain Tending Institute of Shanhetun Forestry Bureau was studied in this paper.The soil organic carbon（SOC），water soluble organic carbon（WSOC），readily oxidizable carbon（ROC），microbial biomass carbon（MBC）in Larix gmelinii plantation with different thinning intensities（CK：control，T1：15% thinning intensity，T2：thinning intensity）were investigated.The results showed that thinning treatment increased the SOC storage，CK（12.92 Mg/ha2）0.05），respectively.MBC and ROC ware mainly concentrated in 0-10cm soil layer，and the highest content of T2 between different treatments，were 982.00 mg/kg and 20.52 g/kg.WSOC in 0-10cm soil layer was not significantly different among the treatments，but in other layers（10-20cm，20-40cm，40-60cm）showed significant difference（P<0.05）.T2 between different treatments was the highest.WSOC of different layers from top to bottom were 51.59，52.99，37.83，and 31.87 mg/kg，respectively.In conclusion，15% intensity of thinning was more advantageous to the SOC sequestration of Larix gmelinii plantation in the northeast.

Keywords： Larix gmelinii；plantation；thinning intensity；soil carbon

收稿日期：2014-10-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目（2011BAD37B02）

第一作者簡(jiǎn)介：王昌亮，碩士研究生。研究方向：土壤碳匯。

*通訊作者：王慶成，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：森林培育。Email：wqcnefu@163.com

引文格式：王昌亮，王慶成，張程，等.間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林土壤有機(jī)碳的影響[J].森林工程，2015，31（1）：12-16.撫育間伐是一項(xiàng)重要的森林經(jīng)營(yíng)的措施，對(duì)提高森林生產(chǎn)力，增加森林土壤碳匯具有重要的作用[1]。研究表明間伐強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響存在明顯的差異，方晰等（2004）對(duì)湖南杉木（Cunninghamia lanceolata）林研究表明，50 % 強(qiáng)度的間伐導(dǎo)致杉木人工林土壤有機(jī)碳含量降低16.14%。而李云紅（2009）對(duì)東北落葉松（Larix gmelinii）人工林研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，25%和50%間伐強(qiáng)度林下土壤有機(jī)碳含量分別增加了6.97%和15.04%。此外，還有研究認(rèn)為，間伐對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化不顯著[2]。

土壤活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要組成，在一定的條件下受植物、微生物影響，具有一定溶解性，在土壤中移動(dòng)較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，并對(duì)植物和微生物有較高活性[3]。雖然土壤活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳含量的比例較小，但它能夠敏感地反映因管理措施等人為活動(dòng)所引起的土壤的微小變化[4]。其中水溶性有機(jī)碳（water soluble organic C，WSOC）、微生物有機(jī)碳（microbial biomass C，MBC）、易氧化碳（readily oxidizable C，ROC）等活性有機(jī)碳常應(yīng)用于調(diào)查土壤有機(jī)碳對(duì)森林經(jīng)營(yíng)的響應(yīng)[5-8]。因此研究活性有機(jī)碳庫(kù)可以反映不同間伐強(qiáng)度下土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)機(jī)制。

20世紀(jì)70年代后，東北地區(qū)陸續(xù)營(yíng)造了大面積落葉松人工林，成為該區(qū)人工林的主體。但由于營(yíng)林及管理措施的落后，導(dǎo)致了落葉松人工林出現(xiàn)了物種多樣性低下、土壤退化等問(wèn)題，而合理的間伐撫育和人工干擾可以促進(jìn)林木演替更新、提高土壤立地質(zhì)量和林地生產(chǎn)力[9]。因此，研究不同間伐強(qiáng)度對(duì)東北落葉松人工林有機(jī)碳的影響，分析土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的機(jī)制，既可以了解森林土壤有機(jī)碳對(duì)間伐措施的響應(yīng)，同時(shí)可以估測(cè)其對(duì)全球氣候變化的影響，因此具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

第1期王昌亮等：間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林土壤有機(jī)碳的影響

森林工程第31卷

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省五常市山河屯林業(yè)局鳳凰山經(jīng)營(yíng)所林區(qū)內(nèi)（E128°12′～128°48′，N44°27′～44°05′）。平均海拔650～900 m，為低山、中山地貌。年平均氣溫2～3 ℃，年平均降水量約為800 mm。地帶性土壤為暗棕壤，質(zhì)地大多為壤質(zhì)，從表層向下石礫含量逐漸增加，土壤表層腐殖質(zhì)積聚，腐殖層不厚，全剖面呈中至微酸性反應(yīng)，表層有機(jī)質(zhì)含量與土壤肥力較高，土層厚度可達(dá)60～80 cm。長(zhǎng)白植物區(qū)系，主要喬木樹(shù)種有落葉松（Larix gmelinii）、紅松（Pinus koraiensis）、紫椴（Tilia amurensis）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、春榆（Ulmus japonica）、楓樺（Betula costata）、白樺（Platyphylla）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、胡桃楸（Mandshurica Maxim）、黃波羅（Phellodendron amurense）、山楊（Populus davidion）等。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置

2013年6月在山河屯林業(yè)局鳳凰山經(jīng)營(yíng)所840號(hào)小班設(shè)立調(diào)查樣地。該小班在1973年?duì)I造落葉松純林（初植密度2 500株/hm2，林齡40 a），1987年進(jìn)行輕度（15%間伐）和重度（40%間伐）間伐，并保留一部分作為對(duì)照。

在3種間伐強(qiáng)度（未間伐；CK，15%（T1）；40% T2）林分中設(shè)立固定標(biāo)準(zhǔn)地20×20（m），每種間伐強(qiáng)度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9塊樣地，樣地之間設(shè)置過(guò)渡帶。在樣地中進(jìn)行每木檢尺和測(cè)高，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1山河屯林業(yè)局鳳凰山經(jīng)營(yíng)所不同

間伐強(qiáng)度40a生落葉松人工林林分狀況

Tab.1 Stand conditions in different thinning treatments in

40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain

樣地采伐株數(shù)

/株·hm-2平均樹(shù)高

/m平均胸徑

/cmCK53321.5226.46T144220.2127.24T231720.8429.07注：CK：未間伐落葉松人工林，T1：15%間伐強(qiáng)度落葉松人工林，T2：40%間伐強(qiáng)度落葉松人工林。

2.2樣品采集

2013年8月分別在9塊樣地中挖1個(gè)土壤剖面，每個(gè)剖面均按0～10、10～20、20～40和40～60 cm深度分層采集土樣，共計(jì)36個(gè)土樣。其中一部分土壤樣品在室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干后用于土壤碳、氮分析，以及有機(jī)碳和易氧化碳測(cè)定，另一部分樣品去除雜質(zhì)（過(guò)2 mm篩）后于4 ℃保存，用于土壤微生物有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、蔗糖酶的測(cè)定。

2013年10月分別在9塊樣地內(nèi)各設(shè)置3個(gè)50×50（cm）的樣方，按未分解與分解的程度收集樣方內(nèi)的凋落物，取回后烘干測(cè)其生物量及其碳、氮含量。

2.3樣品分析

土壤微生物量碳（MBC）測(cè)定：采用氯仿熏蒸浸提法。稱(chēng)取20 g新鮮土樣于100 ml燒杯中，連同盛有60 ml的去乙醇氯仿溶液的小燒杯一起放入真空干燥器內(nèi)，干燥器底部加入少量熱水和1 mol/L NaOH溶液。用真空泵抽真空使氯仿持續(xù)沸騰2 min。關(guān)閉閥門(mén)，將干燥器放入25 ℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。取出氯仿除盡干燥器底部的堿液，再用真空泵反復(fù)抽氣，去除殘留氯仿。向處理后的土樣中加入40 ml，0.5 mol/L硫酸鉀溶液，在25 ℃振蕩30 min后過(guò)濾，同時(shí)做無(wú)氯仿熏蒸的空白試驗(yàn)，濾液直接在碳氮自動(dòng)分析儀（Multi C/N 3000，Analytik Jena AG）上測(cè)定[10]。

土壤水溶性有機(jī)碳（DOC）測(cè)定：稱(chēng)取20 g鮮土于100 ml三角瓶中，加入 40 ml蒸餾水，25 ℃下恒溫振蕩30 min（200 r/min）后，離心10 min（1 0000 r/min），再用0.45 μm濾膜抽濾，其濾液在碳氮自動(dòng)分析儀（Multi C/N 3000，Analytik Jena AG）上測(cè)定[11]。

土壤易氧化碳（ROC）測(cè)定：采用高猛酸鉀氧化法。25℃條件下，取三份含有15 mg碳的土壤樣品，裝入100 ml塑料離心管中，加入333 mmol/L高錳酸鉀25 ml，密封瓶口充分混合后以250 r/min振蕩1 h，再以2000 rpm速度離心5 min，吸取上清液0.2 ml，按與水比例1∶250用去離子水稀釋溶液并轉(zhuǎn)入100 ml容量瓶中，測(cè)定吸光值，波長(zhǎng)為565 nm，吸光值可用來(lái)確定剩余的高錳酸鉀的量，與高錳酸鉀反應(yīng)的碳量可以通過(guò)初始濃度減去剩余高錳酸鉀濃度來(lái)估計(jì)，每消耗1 mmol高錳酸鉀溶液相當(dāng)于氧化9 mg或0.75 mmol碳[3]。

2.4數(shù)據(jù)分析

用Excel對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，同時(shí)采用SPSS（SPSS 公司，19.0）軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，各指標(biāo)采用單因素（ANOVA）方差分析檢驗(yàn)處理間的顯著性，用SigmaPlot（SYSTAT公司，10.0）作圖。

3結(jié)果與分析

3.1不同間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)

的影響各間伐強(qiáng)度表層（0～10 cm）土壤有機(jī)碳（SOC）含量、土壤氮含量、蔗糖酶活性均最高，且隨著土層深度的增加，呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在 0～10 cm土層中，對(duì)照樣地SOC平均含量（63.34 g/kg）比T2處理樣地（71.44 g/kg）低11.34%（P<0.05）。pH、C/N隨著土層深度的增加無(wú)明顯變化（P>0.05）（見(jiàn)表2）。

表2山河屯林業(yè)局鳳凰山撫育所不同間伐強(qiáng)度

40a生落葉松人工林林下土層土壤化學(xué)性質(zhì)

Tab.2 Soil chemical properties of different soil layers under

different thinning treatments in 40yearold

Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain

土層深度

/cm樣地酸度

pH土壤有機(jī)碳

含量SOC

/g·kg-1氮含量

N/g·kg-1C/N

/%蔗糖酶活性

/mg·g-10～10CK5.4a63.34a5.35a10.03a9.72aT15.4a69.10ab6.38ab10.71a12.41aT25.2a71.44b6.57b11.20a11.59a10～20CK5.5a18.82a1.37a10.42a2.70abT15.5a22.20a1.50a10.63a1.35aT25.9b20.30a1.86a10.34a4.51b20～40CK5.5a6.86a0.55a11.04a0.36aT15.4a13.18b1.24b9.97a0.59aT26.1b12.61b0.68ab10.38a0.79a40～60CK5.4a8.44a0.57a10.02a0.36aT15.5ab12.25ab1.32b9.61a1.29bT25.9b15.48b1.49b10.24a0.91b注：CK：未間伐落葉松人工林，T1：15%間伐強(qiáng)度落葉松人工林，T2：40%間伐強(qiáng)度落葉松人工林。同列不同小寫(xiě)字母表示不同間伐強(qiáng)度差異顯著（P<0.05）。

3.2不同間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)

量的影響各間伐處理土壤0～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量差異不顯著（P>0.05），而20～40、40～60 cm土層T1、T2樣地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于對(duì)照的有機(jī)碳儲(chǔ)量（P<0.05），分別增加124.36%、89.19%、63.61%、82.09%。土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量CK（12.92 t/hm2）0.05）（如圖1所示）。

圖1山河屯林業(yè)局鳳凰山撫育所不同間伐強(qiáng)度40 a生落葉松人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

Fig.1 Organic carbon storage of soil layer under different thinning treatments in 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain3.3不同間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林土壤活性有機(jī)

碳的影響T2樣地表層（0～10 cm）微生物有機(jī)碳（MBC）含量（982.00 mg/kg）高于對(duì)照（788.00 mg/kg）和T1（785.67 mg/kg）樣地（P>0.05）；隨著土層深度的增加，MBC呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，且每一土層均為對(duì)照最高。在20～40、40～60 cm土層中，T1低于對(duì)照89.85%和69.30%（P<0.05）（如圖2所示）。

易氧化碳（ROC）含量主要集中在表層（0～10 cm），各樣地分別占ROC總量的74.18%、64.65%和74.92%，表層中T2樣地的ROC含量（20.52 g/kg）高于T1（5.41 g/kg）和T2（8.89 g/kg）（P<0.05）。對(duì)照樣地所有土層的ROC含量均最低。在所有土層中的水溶性有機(jī)碳（WSOC）均為CK

3.4不同間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松人工林凋落物生物量

的影響T1樣地的未分解層（L層）和分解層（F層）現(xiàn)存量均顯著高于CK和T2樣地（P<0.05）。T1樣地含碳量也高于CK和T2處理，僅在F和總量顯著差異（P<0.05）。各樣地C/N為 CK>T1>T2見(jiàn)表3。

圖2山河屯林業(yè)局鳳凰山撫育所不同間伐強(qiáng)度40a生落葉松人工林土壤活性有機(jī)碳含量

Fig.2 Labile organic carbon concentration of soil under different thinning treatments

in 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain

表3山河屯林業(yè)局鳳凰山撫育所不同間伐強(qiáng)度40a生落葉松人工林凋落物現(xiàn)存量及含碳量

Tab.3 Standing biomass and carbon concentration of litter under different thinning treatments

in 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain

處理現(xiàn)存量/t·hm-2LF總含碳量t·hm-2LF總碳氮比/%LF總CK

T1

4討論

4.1間伐對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

森林土壤碳在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，并且具有較高的固碳能力[12]。森林動(dòng)植物殘?bào)w以及地上地下凋落物死亡分解、淋溶、分泌都是森林土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源[13]。撫育間伐通過(guò)改變森林環(huán)境影響林內(nèi)凋落物和土壤呼吸等輸入輸出途徑，而對(duì)森林土壤碳儲(chǔ)量產(chǎn)生重要影響[14]。本研究中，不同間伐處理落葉松人工林土壤碳儲(chǔ)量變化的大致規(guī)律為T(mén)1>T2>CK（圖1），并且在土壤0～20 cm層表現(xiàn)為T(mén)1處理最高。土壤總碳儲(chǔ)量因間伐而增大，這與Vargas等（2009）的研究結(jié)果基本一致，研究認(rèn)為間伐后土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量高于未間伐林地，這可能是因?yàn)殚g伐時(shí)伐去了林內(nèi)直徑較小且生長(zhǎng)不良的林木使得森林生產(chǎn)力增強(qiáng)，間接影響了森林土壤碳儲(chǔ)量。還可能是因?yàn)閷?duì)照林分的林分密度較大，影響了土壤微生物活動(dòng)，降低了凋落物的分解速度，從而減緩了凋落物碳的輸入[15]。本研究中土壤有機(jī)碳主要集中在土壤表層（圖1），這主要與凋落物層碳的輸入以及土壤中的根系分布相關(guān)。

本研究中，T1凋落物量明顯大于T2和CK處理（表3），土壤碳的輸入量增加，因此，T1樣地有機(jī)碳儲(chǔ)量高于T2和CK處理。CK與T2的凋落物量無(wú)明顯差異，但T2樣地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量大于CK處理（圖1），一方面是因?yàn)門(mén)2處理林地內(nèi)光照充足，溫度較高，凋落物分解較快，加速了碳向土壤中釋放。另一方面，T2處理郁閉度小，林下生物多樣性及覆蓋率要大于CK，林下草本植物在原地分解，增加了碳的輸入。這與Selig等（2008）對(duì)維吉尼亞山麓的8年生火炬松人工林土壤碳儲(chǔ)量及其分配的調(diào)查結(jié)果類(lèi)似，研究發(fā)現(xiàn)伐后14a，間伐對(duì)林分碳儲(chǔ)量和碳通量存在潛在影響，間伐林分土壤碳儲(chǔ)量高于未伐林分，且土壤碳儲(chǔ)量隨著土壤深度的加深而下降。同樣袁喆等（2011）對(duì)川西亞高山人工杉木林研究表明，30%間伐強(qiáng)度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量高于對(duì)照和其他間伐強(qiáng)度，與本文研究結(jié)果一致。

4.2間伐對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響

T2間伐處理提高了表層土壤微生物有機(jī)碳含量（圖2），這可能由于間伐改變了林地光照和通氣狀況，為微生物分解有機(jī)質(zhì)提供了一個(gè)較好的環(huán)境；另一方面林分下層草灌木較多，土壤表層根系分布較多，加速了土壤微生物的活動(dòng)，促進(jìn)了地上、地下凋落物的分解，而表層以下的生存環(huán)境較差，微生物的活動(dòng)較少，因此土壤下層微生物生物量碳含量比表層含量低[16]。而T1間伐處理因其采伐強(qiáng)度相對(duì)較低，對(duì)地表各方面影響有限，故未出現(xiàn)土壤微生物有機(jī)碳的顯著增加。

根系發(fā)達(dá)的草本植物的根分泌物和凋落物經(jīng)微生物作用是土壤易氧化碳的主要來(lái)源[17]。由于T2樣地郁閉度較低，林下草灌木覆蓋率較高，導(dǎo)致T2樣地易氧化碳含量明顯高于T1和CK樣地（圖2）。隨著土壤表層有機(jī)碳含量增加，當(dāng)其粘結(jié)點(diǎn)達(dá)到飽和，并超過(guò)吸收額外有機(jī)碳能力時(shí)，易氧化碳將解析并以可溶有機(jī)碳的形式向深層土壤移動(dòng)[18]，因此T2樣地下層積累了大量的水溶性有機(jī)碳。而水溶性有機(jī)碳可以提高土壤中穩(wěn)定性有機(jī)碳的分解，有利于土壤活性有機(jī)質(zhì)的積累，這與Chatterjee等對(duì)于松林的研究結(jié)果類(lèi)似。

綜上所述，間伐通過(guò)增加凋落物的輸入從而增加土壤碳儲(chǔ)量，而且15%的弱度間伐能顯著增加土壤碳儲(chǔ)量，有利于碳的固定。40%的強(qiáng)度間伐能增加土壤表層的微生物碳和易氧化碳，從而增加下層的水溶性有機(jī)碳，增加了活性有機(jī)質(zhì)的積累，但不利于穩(wěn)定有機(jī)碳的固存。研究表明，15%弱度間伐有利于東北落葉松人工林土壤有機(jī)碳的固定。

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[責(zé)任編輯：董希斌]