天然次生林改造成香榧林對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響

張雨潔，王斌，李正才，黃盛怡，原雅楠，秦一心

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，森林土壤有機(jī)碳作為陸地碳庫的重要組成部分，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著極其重要的作用，森林土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化與大氣CO2濃度的變化密切相關(guān)（Duan et al.，2015；Zhong et al.，2015），而土地利用方式的改變?cè)谝鹬脖桓采w類型與經(jīng)營(yíng)管理措施變化的同時(shí)，對(duì)土壤有機(jī)碳庫也產(chǎn)生顯著的影響（Zhou et al.，2015；Ouyang et al.，2015）。構(gòu)成土壤有機(jī)碳的組分多種多樣，它們?cè)诨瘜W(xué)組成、降解與轉(zhuǎn)化速率方面存在一定的差異，從而對(duì)土地利用方式變化、人類活動(dòng)干擾的響應(yīng)也存在較大差異（Jiang et al.，2006；Huang et al.，2008）。土壤總有機(jī)碳較為穩(wěn)定，在短期內(nèi)不容易發(fā)生明顯的變化，而土壤活性有機(jī)碳對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)較為敏感和迅速，能更好地反映土壤碳庫的微小變化（Huang et al.，2008；肖鵬等，2012）。因此，對(duì)不同土地利用方式下的不同形態(tài)碳的研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

林業(yè)生產(chǎn)中，由于經(jīng)濟(jì)林可以帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益，很多地方習(xí)慣將天然林改造為經(jīng)濟(jì)林。關(guān)于森林植被類型變化對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分的影響，目前有一些研究，但結(jié)論不盡相同。肖鵬等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，常綠落葉林改造成雷竹（Phyllostachys violascens cv. Prevernalis）林并經(jīng)營(yíng)8年后，土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分含量顯著增加；岳天等（2016a）研究表明，將天然林改為板栗（Castanea mollissima）林并集約經(jīng)營(yíng)10年后，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和各活性有機(jī)碳組分含量均有所下降；Nath et al.（2018）研究發(fā)現(xiàn)，34年生的橡膠（Hevea brasiliensis）人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量低于天然林。

在浙江紹興會(huì)稽山區(qū)，由于香榧（Torreya grandis）的經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高，近幾年該區(qū)域不少天然次生林被改造成了香榧林。香榧林是一種人類長(zhǎng)期集約經(jīng)營(yíng)的森林類型，強(qiáng)烈的人類經(jīng)營(yíng)活動(dòng)在顯著改變區(qū)域植被類型的同時(shí)，森林土壤性狀也隨之發(fā)生變化，但目前人們對(duì)這種變化的認(rèn)知還比較有限。森林植被類型的改變加上人類活動(dòng)的影響，必然對(duì)林地土壤有機(jī)碳的積累、循環(huán)和平衡產(chǎn)生重要影響，而土壤有機(jī)碳數(shù)量與質(zhì)量又直接影響土壤肥力（岳天，2016；蔣溢等，2017）。目前關(guān)于香榧的研究主要集中于林地養(yǎng)分狀況調(diào)查（黃媛媛，2016）、施肥對(duì)香榧生長(zhǎng)及果實(shí)的影響（趙燕等，2015）等方面，而有關(guān)天然次生林改造成香榧林后土壤碳庫發(fā)生變化方面的研究少有報(bào)道。因此，本研究采集本底條件基本一致、土地利用史清晰的天然次生林和 40年生香榧林土壤，分析了兩種林分土壤有機(jī)碳相關(guān)組分的含量變化，以期為該地區(qū)香榧林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)與土壤固碳能力的提高提供科學(xué)參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地位于浙江省諸暨市趙家鎮(zhèn)的香榧國(guó)家森林公園（119°53′－120°32′E，29°21′－29°59′N），該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水豐沛，日照充足，年平均氣溫 16.3 ℃，年平均降水量約1373.6 mm，年平均日照時(shí)數(shù)約1887.6 h。研究區(qū)屬于低山丘陵地貌，土壤類型為紅壤?，F(xiàn)存天然次生林喬木樹種以木荷（Schima superba）、青岡（Cyclobalanopsis glauca）為主，平均樹齡30－40 a，郁閉度為80%。研究地現(xiàn)有的結(jié)實(shí)香榧樹主要分為兩類，一類是歷史上種植保留至今的古香榧樹，樹齡大都在百年以上；另一類是20世紀(jì)70－80年代新種植的香榧樹（造林方法為：將天然次生林皆伐，清除地表植被，劈山整地，然后挖穴，栽植穴規(guī)格長(zhǎng)1 m×寬1 m×深1 m，造林密度為4 m×5 m），樹齡約40－50 a。造林后每年對(duì)香榧樹采取施有機(jī)肥、翻耕和去除林下植被等一系列管理措施。肥料用量如下：復(fù)合肥（N∶P∶K=15%∶15%∶15%）0.7 kg·m-2，有機(jī)肥（禽畜糞便和稻草混合物）7.5 kg·m-2。不同林分土壤的基本性質(zhì)見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 取樣和測(cè)定方法

2017年9月，在研究區(qū)內(nèi)選擇40年生的香榧樹5株，對(duì)所選樣株進(jìn)行土樣采集，在離開樣本樹100 cm處隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)挖取土壤剖面，按0－20、20－40、40－60 cm，3個(gè)層次采集土壤樣品。同時(shí)，在與之相鄰的天然次生林地內(nèi)選擇20 m×20 m的樣地5個(gè)，按照S型取樣法采取各樣地0－20、20－40、40－60 cm土層土壤。將土壤放入袋中，去掉其中的可見植物根系、殘?bào)w和碎石，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，之后過0.15 mm篩用于土壤總有機(jī)碳（TOC）的測(cè)定，過0.25 mm篩用于易氧化碳（ROC）、全氮（TN）的測(cè)定，過2 mm篩用于輕組有機(jī)質(zhì)（LFOM）、水解性氮（HN）、速效鉀（AK）、有效磷（AP）交換性鈣（Ca）和交換性鎂（Mg）的測(cè)定。

土壤總有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法（國(guó)家林業(yè)局，1999）；易氧化碳測(cè)定采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法（沈宏等，2000）；輕組有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用1.7 g·mL-1碘化鈉重液分離法（Janzen et al.，1992）。土壤養(yǎng)分測(cè)定采用常規(guī)方法（魯如坤，2000）：全氮，凱氏定氮法；水解性氮，堿解擴(kuò)散法；速效鉀，乙酸浸提法；有效磷，碳酸氫鈉法。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

運(yùn)用Excel 2016和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行圖表繪制和數(shù)據(jù)處理分析。采用t檢驗(yàn)分析香榧林與次生林同一土層的土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)的差異顯著性，對(duì)土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析（Pearson檢驗(yàn)）。

式中，AR為土壤易氧化碳碳素有效率（%）；LC 為土壤活性碳（g·kg-1）；TOC 為總有機(jī)碳（g·kg-1）。

式中，AC為碳庫活度；LC為土壤活性碳（g·kg-1）；RC 為非活性有機(jī)碳（g·kg-1）；TOC 為總有機(jī)碳（g·kg-1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型土壤有機(jī)碳庫的比較

由表2可知，天然次生林0－60 cm的各層土壤總有機(jī)碳含量均高于香榧林，增幅分別為37.3%、85.6%和102.0%，差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其中20－40 cm和40－60 cm土層差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。次生林改造成香榧林后，0－20 cm土層土壤易氧化碳含量增加了 56.6%，20－40 cm和40－60 cm土層土壤易氧化碳含量均有所降低，變化幅度為-35.4%和-29.3%。與次生林相比，香榧林土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了明顯的改變，0－20 cm土層土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量增加了31.5%，但差異不顯著，20－40 cm和40－60 cm土層土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量分別增加了155.5%和184.8%，結(jié)果差異均顯著（P＜0.05）。

表1 不同林分土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic soil properties of different forest stands

表2 不同林分土壤有機(jī)碳含量Table 2 Soil organic carbon content of different forests g·kg-1

土壤剖面特征顯示，兩種林地的土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度的增加而下降，其中，香榧林20－40 cm和40－60 cm土層總有機(jī)碳含量分別下降了55.8%和49.5%，次生林20－40 cm和40－60 cm土層總有機(jī)碳含量分別下降了40.3%和45.0%，兩種林地各層土壤均達(dá)到極顯著差異（P＜0.01）；香榧林的易氧化碳含量在20－40 cm土層下降幅度最大，降幅為68.1%，次生林的易氧化碳含量在40－60 cm土層顯著降低，降幅為61.3%；香榧林和次生林的輕組有機(jī)質(zhì)含量均在20－40 cm土層顯著下降，降幅分別為34.7%和66.4%。

2.2 不同林分類型土壤碳素有效率及碳庫活度的差異

由表3可知，香榧林0－20 cm土層土壤易氧化碳碳素有效率與碳庫活度較次生林高出 123.2%和 169.2%，達(dá)到顯著差異（P＜0.05）。隨著土層加深，兩種林分易氧化碳碳素有效率均有規(guī)律地下降；香榧林的碳庫活度整體也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而次生林的碳庫活度在20－40 cm土層最高。

2.3 土壤有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分間的相關(guān)分析

對(duì)土壤有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)分析，從結(jié)果可以看出（表4），土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)與全氮和水解性氮之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）；總有機(jī)碳與速效鉀、有效磷、交換性鈣和交換性鎂之間的相關(guān)性較差；易氧化碳與有效磷達(dá)到極顯著相關(guān)（P＜0.01），與交換性鈣和交換性鎂顯著相關(guān)（P＜0.05）；輕組有機(jī)質(zhì)與速效鉀、有效磷、交換性鈣和交換性鎂之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。

表3 不同林分土壤活性碳碳素有效率及碳庫活度Table 3 Availability of different soil organic carbon and activity of C pool for different forests

表4 土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil organic carbon and soil nutrients

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其含量變化對(duì)土壤肥力水平和作物產(chǎn)量具有直接影響（徐明崗等，2006）。土壤有機(jī)碳主要來源于植被凋落物、動(dòng)植物殘?bào)w、根系分泌物和有機(jī)肥料（Liu et al.，2009；唐國(guó)勇等，2011；楊玲等，2013），因此受到氣候、植被覆蓋和土地管理措施等多種因素的綜合影響（展?fàn)幤G等，2005）。本研究中，次生林土壤總有機(jī)碳含量高于香榧林，增加幅度隨土層的加深而加大，這是因?yàn)榇紊至址钟糸]度較高，并且林下植被豐富，故凋落物數(shù)量和根系分泌物較多，而香榧樹長(zhǎng)期進(jìn)行人工撫育清除樹下灌木草本，能夠回歸到土壤中的凋落物數(shù)量有限，雖然香榧樹的集約經(jīng)營(yíng)向土壤中輸送了大量的有機(jī)肥，但翻耕地表易促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化（馬少杰等，2011）。本研究結(jié)果與 Fernández-Romero et al.（2014）和殷有等（2018）的研究結(jié)果一致，說明天然次生林更有利于土壤有機(jī)碳的積累。

土壤易氧化碳是土壤微生物活動(dòng)的重要能源，可直接向作物提供養(yǎng)分，具有有效性較高、移動(dòng)較快、易氧化的特點(diǎn)，能更好地反映土壤有機(jī)碳的有效性（Blair et al.，1995；蘇麗麗等，2016）。本研究中，香榧林表層土壤易氧化碳含量高于次生林，與肖鵬等（2012）研究結(jié)果一致，這可能是因?yàn)橄汩剂值乇砣鍪┯袡C(jī)肥和復(fù)合肥，并且翻耕地表土壤，使得肥料與土壤充分接觸，加速了肥料的分解利用（柳敏等，2006），從而促進(jìn)了土壤表層活性有機(jī)碳含量的增加，使得表層土壤易氧化碳含量有所提升。

土壤輕組有機(jī)質(zhì)主要由未完全分解的植物殘?bào)w和微生物殘?bào)w組成（謝錦升等，2008），具有較高的潛在生物學(xué)活性，作為土壤中不穩(wěn)定碳庫的重要組成部分，其含量變化可以作為表征土壤肥力變化的指標(biāo)（劉榮杰等，2012）。本研究中，香榧林地表撒施的大量有機(jī)肥（牲畜糞便與稻草的混合物）大大增加了輕組有機(jī)質(zhì)的來源，從而使得香榧林土壤輕組有機(jī)質(zhì)含量明顯高于次生林，與Nahrawi et al.（2012）的研究結(jié)果一致；但也有研究表明天然次生林的土壤易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)含量高于人工林（盛浩等，2015），不同地區(qū)的結(jié)果差異說明土壤活性有機(jī)碳對(duì)土地利用變化的響應(yīng)存在一定的不確定性和區(qū)域差異（孫偉軍等，2013）。另外，采樣季節(jié)的不同也可能造成研究結(jié)果的差異，如楊玲等（2013）對(duì)新疆干旱區(qū)綠洲棉田的研究結(jié)果表明，土壤總有機(jī)碳含量在棉花播種前較低，花鈴期有所增加，至收獲期達(dá)到最大值，而土壤易氧化碳含量在棉花播種前較低，花鈴期達(dá)到最大值，而在收獲期明顯降低。本研究中，雖然土壤易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)與土壤總有機(jī)碳呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)，但它們的含量在兩種林分間的分布規(guī)律與土壤總有機(jī)碳表現(xiàn)不一致，主要是因?yàn)榛钚杂袡C(jī)碳含量除依賴總有機(jī)碳含量外，還取決于林地自身微環(huán)境，包括凋落物量、根系狀況及土壤理化性質(zhì)等，并且容易受到林地管理措施的影響（朱麗琴等，2017）。

本研究?jī)煞N林分的總有機(jī)碳、易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)的剖面特征相似，均隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，但香榧林土壤易氧化碳含量的剖面特征不同于土壤總有機(jī)碳，在40－60 cm土層下降最為顯著，可見人為經(jīng)營(yíng)對(duì)香榧林土壤易氧化碳含量的剖面特征具有一定影響。

土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例可以表征土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，反映土壤質(zhì)量，土壤碳庫活度可以指示活性有機(jī)碳的活躍程度，兩者數(shù)值越大，說明土壤總有機(jī)碳活性越強(qiáng)，越容易被分解（徐明崗等，2006；林寶珠等，2013）。本研究中，香榧林易氧化碳碳素有效率和碳庫活度均高于次生林，且均在表層土壤差異顯著，說明天然次生林轉(zhuǎn)變?yōu)橄汩剂趾笸寥烙袡C(jī)碳的穩(wěn)定性降低，原因可能是香榧樹下地表翻耕，使得表層土壤通氣狀況良好，從而提高了土壤中的微生物活性，加速了活性碳的氧化過程，提高了易氧化碳的含量（楊玲等，2013）。

本研究中，土壤總有機(jī)碳與易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此，易氧化碳和輕組有機(jī)質(zhì)可以準(zhǔn)確反映土壤碳的供應(yīng)變化情況（曹麗花等，2011），三者與全氮、水解性氮之間的相關(guān)性均高于與其他土壤養(yǎng)分的相關(guān)性，說明氮元素與土壤有機(jī)碳的關(guān)系更為密切。速效鉀、有效磷和交換性鈣鎂與易氧化碳、輕組有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性均達(dá)到顯著或極顯著水平，而與土壤總有機(jī)碳之間的相關(guān)性較差，與于榮（2001）的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步證明活性有機(jī)碳在指示土壤肥力變化時(shí)比總有機(jī)碳更靈敏，更能反映土壤化學(xué)性質(zhì)，衡量土壤潛在生產(chǎn)力。

3.2 結(jié)論

綜上所述，天然次生林改造成香榧林對(duì)土壤有機(jī)碳的影響是雙面的：一方面，天然次生林林改造成香榧林后，由于長(zhǎng)期施肥和翻耕，土壤礦化作用加強(qiáng)，不利于土壤有機(jī)碳的積累；另一方面，與天然林相比，由于香榧林施肥和土壤表層翻耕，導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳含量提高，降低了土壤活性碳的穩(wěn)定性。因此，為促進(jìn)香榧林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，建議在今后香榧林的人為管理方面，采用免耕、保留林下植被以及合理有效施肥等方式以提升香榧林土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量。