絲栗栲林下土壤有機碳及其組分的時空年變化特征

戴奧娜，劉肖肖，王 兵，戴 偉

（1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083；2.中國林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京100091）

對土壤有機碳進(jìn)行分組及測定是明確土壤有機碳動態(tài)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響的基礎(chǔ)。對土壤有機碳成分劃分的研究較早，其中較為經(jīng)典的是Century模型。根據(jù)Century模型碳循環(huán)，土壤有機碳可劃分為活性碳、緩效碳和惰性碳［1］等3種組分類型。一些學(xué)者以此為依據(jù)，從有機碳組分變化［2－5］、溫度和有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礦化強度的影響［6－8］以及不同模型對礦化過程的擬合效果［9］等方面開展了相關(guān)研究。現(xiàn)有的研究多是針對土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)開展的，忽略了對緩效碳及活性碳—緩效碳轉(zhuǎn)化的分析，不利于對土壤有機碳組分特征的全面認(rèn)識，同時對組分含量動態(tài)變化研究的缺乏，也不利于對有機碳轉(zhuǎn)化特征的深入認(rèn)識。絲栗栲Castanopsis fargesii林是中國亞熱帶地區(qū)天然林的主要建群種之一，是影響地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)和碳循環(huán)特征的重要因素。迄今，雖有學(xué)者針對絲栗栲林的生態(tài)特征，如群落結(jié)構(gòu)、光合特性和群落生物量等，開展了相關(guān)研究［10－13］，但有關(guān)其林下土壤有機碳特征的針對性研究很少［14］。為此，本研究以江西大崗山天然絲栗栲林土壤為研究對象，利用室內(nèi)礦化培養(yǎng)，探討了土壤有機碳、活性碳和緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時空年變化特征，以期為該區(qū)域絲栗栲林生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀評價、碳匯林業(yè)與持續(xù)管理策略的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于江西省分宜縣大崗山國家級森林生態(tài)站， 地處 27°30′～27°50′N， 114°30′～114°40′E。 屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17.7～19.3℃，年平均降水量為1 076.0～1 472.0 mm，降水主要集中在4－6月。成土母質(zhì)為殘積形母質(zhì)。土壤屬紅黃壤。

1.2 樣品的采集與處理

在研究區(qū)設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，樣地優(yōu)勢樹種為絲栗栲，平均海拔為275 m。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，絲栗栲林平均林齡為45 a，平均樹高為23 m，平均胸徑為25 cm，林分郁閉度為80%。于2012年4，6，8，10和12月按S型取樣法分別采集0～20，20～40，40～60和60～100 cm的土壤混合樣品。采集的新鮮樣品部分根據(jù)《森林土壤分析方法》［15］風(fēng)干處理，過2 mm和0.149 mm篩后備用，部分于－4℃保存，用于土壤微生物碳測定。

另挖掘1個剖面，在0～20，20～40，40～60和60～100 cm土層深度布設(shè)自動測溫儀（U22-001）后回填，連續(xù)測定各層土壤溫度，測定時間為1 a。

1.3 測定方法

土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（SOC）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法［16］測定。

土壤活性碳（Co）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和緩效碳（Cs）質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定方法：室內(nèi)28℃恒溫條件下礦化培養(yǎng)96 d，其間利用堿液吸收法［17］分別測定第 1，4， 6， 8， 12，14， 24， 34，44，54， 65， 75，86和 96天的二氧化碳釋放量。利用Boyle和Paul雙指數(shù)方程［18］擬合出不同層次土壤有機碳礦化時間（t）與t時間二氧化碳累積釋放量的擬合方程，從而獲取土壤活性碳和緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)［3－4,14］。Boyle和Paul雙指數(shù)方程如下：Cmin=wCo（1－e－kot）＋wCs（1－e－kst）。 其中： Cmin為經(jīng)過 t時間后土壤累積釋放量（g·kg－1）； wCo為土壤活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g·kg－1）； ko為活性有機碳庫周轉(zhuǎn)速率（d－1）； wCs為土壤緩效性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g·kg－1）； ks為緩效性有機碳庫周轉(zhuǎn)速率（d－1）。

土壤微生物磷脂脂肪酸（PLFA）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用生物標(biāo)記法［19］測定。

各層土壤溫度利用自動測溫儀（U22-001）進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤有機碳礦化過程的擬合采用Origin 8.6軟件進(jìn)行。數(shù)據(jù)間的方差分析、多重比較采用SPSS 17.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳年變化特征

各時期土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)都表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而降低的剖面變化特征，0～20 cm土壤有機碳表聚現(xiàn)象顯著（P＜0.05）。8月0～100 cm深度范圍內(nèi)，各層土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著（P＜0.05），但在其他時期，0～20 cm以下各層土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)則表現(xiàn)出逐漸降低的變化特點，層間差異不顯著（P＞0.05）。不同時期各深度土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，8月為全年最高值。60～100 cm土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖也表現(xiàn)出相同變化，但全年各時期差異不顯著（圖1）。

2.2 土壤活性碳年變化特征

各個時期土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出與土壤有機碳總量相似的剖面變化特征，即，0～20 cm土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，表聚現(xiàn)象顯著（P＜0.05）。土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤有機碳總量的不同處出現(xiàn)在8月，該時期0～20 cm其下各層土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有像土壤有機碳總量一樣出現(xiàn)顯著的層間差異，表現(xiàn)為逐漸降低的層間變化特點（圖2）。

同層土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)全年的變化趨勢與有機碳總量相似，也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。具體表現(xiàn)為：8月＞10月＞6月＞12月＞4月。但0～100 cm深度范圍內(nèi)，同層土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異相鄰月份間未達(dá)到顯著水平，各層活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為緩慢增加和減少的趨勢（圖2）。

圖1 土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的年變化Figure 1 Annual change of SOC mass fraction

圖2 土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的年變化Figure 2 Annual change of soil active carbon mass fraction

4－6月，0～20 cm土層中土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變速最為強烈，平均變化速度為1.30 g·kg－1·月－1，絕對值為其他各月的1～2倍左右。比較4－8月與8－12月的平均值可以看出，0～20 cm土層間平均值差異較大， 分別為 1.05 g·kg－1·月－1和－0.65 g·kg－1·月－1， 全年活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)凈增長速率為 0.40 g·kg－1·月－1， 但20～100 cm深度范圍內(nèi)，僅為0.05 g·kg－1·月－1，表明土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加主要集中在0～20 cm表層，且4－6月貢獻(xiàn)最大，20～100 cm土壤對活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的影響相對較?。ū?）。

2.3 土壤緩效碳年變化特征

土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出與土壤有機碳總量相似的剖面垂直變化和相同的全年時間變化趨勢。8月土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不僅表現(xiàn)出明顯的表聚特點，而且0～20 cm以下各層還呈現(xiàn)出明顯的層間變化特征。此外，從 4月到 6月，緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著增加（P＜0.05），從 4.97 g·kg－1增至 6.69 g·kg－1， 平均變化速度為1.10 g·kg－1·月－1，為全年最高，其后的6－8月，緩效碳雖仍保持增加的趨勢，但變化不顯著。進(jìn)入10月后，月平均變化速度表現(xiàn)出較高的負(fù)增長，達(dá)－0.93 g·kg－1·月－1，土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從8月的 7.71 g·kg－1降至 5.86 g·kg－1， 出現(xiàn)顯著降低（P＜0.05）（表 2， 圖 3）。

表1 土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的月平均變化速度Table 1 Monthly average change rate of soil active carbon mass fraction

表2 土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)月平均變化速度Table 2 Average monthly change rate of soil slow-release carbon mass fraction

3 討論

受到氣候變化和群落組成樹種的生物學(xué)特性的影響，亞熱帶常綠闊葉林在每年4－5月降雨初期出現(xiàn)凋落高峰期［19，21－23］。 趙其國等［22］研究發(fā)現(xiàn)： 地表凋落物在最初的 90 d 分解最快， 失重率為 13.6%～20.8%，90～180 d次之，失重率為19.6%～41.8%，此后變化較小。AERTS等［24］和郭劍芬等［25］認(rèn)為：在同一氣候帶內(nèi)凋落物質(zhì)量是影響其分解過程最為重要的因素，控制著凋落物分解過程。受凋落物理化性質(zhì)的影響，凋落物初期分解速率較快，之后隨著難分解物質(zhì)的增加，凋落物分解受到抑制，分解速率明顯減慢［24,26－27］。4－5月凋落物峰值出現(xiàn)以及土壤溫度升高（圖4）和微生物活性增強（圖5，表3），凋落物進(jìn)入快速分解階段，不僅造成土壤礦化過程增強，增加了土壤中速效養(yǎng)分含量，保證林木夏季生長，同時強化了土壤腐殖化過程，0～20 cm土壤有機碳總量在6月出現(xiàn)顯著增加（圖1，表3）。對組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化進(jìn)一步分析表明：該時期0～20 cm土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然以全年最大值（1.3 g·kg－1·月－1）的平均速度大幅增加，但同時土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也以全年最大值（1.1 g·kg－1·月－1）的平均速度增加，反映出該時期土壤活性碳向緩效碳的轉(zhuǎn)化過程強烈。這種強轉(zhuǎn)化過程導(dǎo)致土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加不顯著，而土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻顯著增加的變化特點（圖2和圖3，表1，表2和表3），因此，該時期土壤有機碳總量的顯著提高主要歸于緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加。經(jīng)過4－5月的前期快速分解，進(jìn)入6－8月后，由于凋落物數(shù)量減少和難分解物質(zhì)比例的增加，凋落物分解速率減緩，0～20 cm土壤活性碳和緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖繼續(xù)保持增加的趨勢且在8月達(dá)到全年最大值，但該時期2個組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及土壤有機碳總量都沒有顯著變化。20～60 cm土壤表現(xiàn)不同，雖然土壤活性碳和緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也表現(xiàn)為緩慢增加的特點，但兩者共同作用導(dǎo)致該層土壤有機碳總量出現(xiàn)顯著增加（圖1，圖2和圖3，表3）。由于林木夏季生長的吸收消耗，土壤養(yǎng)分含量減少［28］。為了滿足秋季生長的需要，8－10月，土壤礦化作用增強，土壤緩效碳向活性碳的轉(zhuǎn)化過程強烈，緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著降低，導(dǎo)致0～20 cm土壤有機碳總量在10月出現(xiàn)顯著變化（圖1和圖3， 表3）。

圖3 土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的年變化Figure 3 Annual change of soil slow-release carbon mass fraction

圖4 不同時期各土層溫度的變化Figure 4 Changes of soil temperature in different periods

表3 有機碳、活性碳和緩效碳與溫度和微生物的相關(guān)性Table 3 Correlation between soil organic carbon,active carbon,slow-rease carbon and temperature and microbial

各層土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)年變化趨勢與土壤有機碳總量和緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢相同，但相鄰的生長期之間都沒有出現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著增加或減少。這種變化特點應(yīng)和活性碳—緩效碳間的轉(zhuǎn)化強度及氣候影響有關(guān)。以0～20 cm土壤為例，由于溫度、微生物活動和豐富的凋落物等因素的影響，4－6月間土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然以全年最大值的月平均速度大幅增加，但同時存在的強烈的土壤活性碳向緩效碳轉(zhuǎn)化過程減弱了土壤活性碳的增加幅度，使該時期土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有表現(xiàn)出顯著的增加。此外，該時期為研究地區(qū)的梅雨季節(jié)，2012年4－6月的降水量分別為210，220和250 mm，由于土壤活性碳的易溶性，會有相當(dāng)數(shù)量的土壤活性碳受到淋洗，影響其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加。進(jìn)入8－10月后，土壤礦化作用加強，隨著土壤活性碳分解，質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也以－0.93 g·kg－1·月－1的平均速度迅速減少，出現(xiàn)顯著降低。由于該時期土壤緩效碳的不斷轉(zhuǎn)化補充，土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有因為礦化作用的加強出現(xiàn)顯著降低（圖2和圖3，表1、表2和表3）。

圖5 土壤微生物量的年變化Figure 5 Annual variation of soil microbial biomass

4 結(jié)論

不同生長時期土壤有機碳總量及土壤活性碳和緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)都表現(xiàn)出隨深度增加而降低的剖面垂直特征，其中，8月層間變化最為強烈，而其他時期只有0～20 cm出現(xiàn)明顯富集。此外，三者還表現(xiàn)出4－8月增加，8月達(dá)到最大值，其后逐月降低的時間變化特征。

土壤緩效碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響4－6月和6－8月兩階段0～20 cm土壤有機碳總量顯著變化的主要原因，而6－8月20～60 cm土壤有機碳總量的顯著增加則是活性碳和緩效碳共同作用的結(jié)果。

由于土壤活性碳—緩效碳間的轉(zhuǎn)化強度及氣候等因素的影響，相鄰生長期間土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化。

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