四川盆地西緣4種人工林土壤有機(jī)碳組分特征

牟凌，張麗，陳子豪，譚波，徐振鋒

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，四川省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130)

自工業(yè)革命以來(lái)，由于溫室氣體的過(guò)度排放，氣候變化已成為當(dāng)前全球面臨的重要問(wèn)題之一.森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，在維持全球碳平衡的過(guò)程中起著非常重要的作用[1].隨著人們對(duì)森林土壤碳庫(kù)重要性認(rèn)知的增強(qiáng)，森林土壤有機(jī)碳特征已成為森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)參考最為重要的指標(biāo)之一.森林土壤總有機(jī)碳背景值較高，其對(duì)氣候變化和土地利用方式的反應(yīng)比較緩慢[2]，通常在較短的周期內(nèi)難以發(fā)現(xiàn)其發(fā)生的微小變化.土壤活性有機(jī)碳是指在一定的時(shí)空條件下，受植物、微生物影響強(qiáng)烈，具有一定溶解性，且在土壤中移動(dòng)較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化的這部分土壤碳庫(kù)[3]，其對(duì)土地利用方式的變化更加敏感.土壤活性有機(jī)碳作為土壤有機(jī)碳中最活躍、周轉(zhuǎn)速率最快的部分，也是最容易被土壤微生物分解利用的組分[4].有學(xué)者認(rèn)為土壤活性碳是微生物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤有機(jī)碳中可以降解的部分，雖然只占土壤有機(jī)碳中較小的部分，但其氧化過(guò)程推動(dòng)著土壤和大氣中的碳交換，是森林碳循環(huán)的重要組成部分，是碳從土壤庫(kù)釋放到大氣庫(kù)的主要媒介[5-7]，對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)全球氣候變化具有重要作用，因此受到廣泛關(guān)注[8].

我國(guó)是世界上人工林面積最大及增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家，森林碳匯主要來(lái)自人工林的貢獻(xiàn)[9].由于氣候和物種的不同，使得人工林內(nèi)小氣候，凋落物輸入量和分解速率以及根系活動(dòng)存在很大差異，這些因素將對(duì)碳元素的收支產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而在很大程度上改變土壤碳庫(kù)特征.四川盆地西緣的華西雨屏區(qū)是青藏高原與四川盆地的過(guò)渡帶，是長(zhǎng)江流域的重要生態(tài)屏障.近年來(lái)，已有一些學(xué)者對(duì)該地區(qū)森林土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)研究分析[10-11]，并針對(duì)四川盆地主要造林樹(shù)種，如桉樹(shù)(Eucalyptusrobusta)、馬尾松(Pinusmassoniana)和柏木(Cupressusfunebris)等人工林土壤碳庫(kù)開(kāi)展相關(guān)研究，但對(duì)該地區(qū)珍貴的鄉(xiāng)土物種人工林土壤碳組分特征還未見(jiàn)報(bào)道.鑒于此，本研究選取位于四川盆地西緣的都江堰靈巖山四川農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林場(chǎng)4種鄉(xiāng)土樹(shù)種人工林為研究對(duì)象，采集4種人工林0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)土壤層次土壤樣品，分析土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳碳含量，比較不同林型、不同土壤層次4種有機(jī)碳組分含量差異，以期為四川盆地人工碳匯林樹(shù)種選擇提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于成都平原與四川盆地西緣山地結(jié)合部都江堰靈巖山的四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(N 31°01′～31°01′，E 103°34′～103°36′)，海拔高度896～1 320 m，屬于中亞熱帶溫濕型氣候，年平均溫度15.2 ℃，最高氣溫31.6 ℃(7月)，最低氣溫-1.4 ℃(1月)，年降水量1 243 mm.研究區(qū)域以人工林為主，主要包括柳杉(Cryptomeriafortune)、含笑(Micheliawilsonii)、楨楠(Phoebezhennan)、麻櫟(Quercusacutissima)人工林.林下灌木主要是水麻(Debregeasiaorientalis)、山茶(Camelliajaponica)等；草本覆蓋主要為冷水花(Pileanotata)及鳶尾(Iristectorum)等.土壤類(lèi)型為發(fā)育在砂巖上的黃壤，土壤厚度一般為70～100 cm，土壤基本理化特征見(jiàn)已有的研究報(bào)道[10].

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

研究區(qū)域內(nèi)選取4個(gè)具有代表性的人工林群落(柳杉、含笑、楨楠和麻櫟)作為研究樣地.在每類(lèi)人工林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3塊20 m×20 m的樣方，樣方間距不少于20 m.在每個(gè)樣方中隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆(5 cm內(nèi)徑)采集0～20 cm和20～40 cm土壤層次采集原狀土壤.同一個(gè)樣方采集5個(gè)原狀土壤混合成一個(gè)樣品.

1.3 樣品處理與測(cè)定

帶回實(shí)驗(yàn)室的土壤樣品，去除動(dòng)植物殘?bào)w和石礫，自然風(fēng)干后研磨過(guò)100目篩.土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定.土壤總有機(jī)碳(SOC)及易氧化有機(jī)碳(EOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；顆粒有機(jī)碳(POC)采用六偏磷酸鈉溶液法測(cè)定；輕組有機(jī)碳(LF-C)參照J(rèn)anzer等[12]的分離方法得到輕組有機(jī)質(zhì)，然后在60 ℃下烘干，稱質(zhì)量，用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定其含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)不同林分、土壤層次間土壤碳組分的差異；采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗(yàn)人工林類(lèi)型和土壤厚度對(duì)土壤有機(jī)碳組分的交互作用；采用Pearson相關(guān)性分析研究土壤有機(jī)碳組分之間的相關(guān)性.圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.5軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳組分含量特征

由圖1可知，土壤總有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳組分含量均隨著土層深度的增加而減少，說(shuō)明土層層次對(duì)土壤有機(jī)碳組分有顯著影響.在20～40 cm土層，土壤有機(jī)碳各組分含量在4種人工林類(lèi)型間均無(wú)顯著性差異.在0～20 cm，4種人工林類(lèi)型其土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為麻櫟人工林顯著高于其他3種人工林(P<0.05)；易氧化有機(jī)碳含量以麻櫟人工林處于最高水平，但4種人工林類(lèi)型間并未表現(xiàn)出顯著性差異.雙因素方差分析結(jié)果表示，人工林類(lèi)型和土壤與人工林間的交互作用均顯著影響土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳的含量，對(duì)易氧化有機(jī)碳無(wú)顯著性影響(表2).

不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同林類(lèi)型間的差異顯著(P<0.05)，*表示同一人工林類(lèi)型不同土層間的差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant differences between plantation types in the same soil layer(P<0.05) and * indicate significant differences between soil layers in the same plantation types.

2.2 土壤活性有機(jī)碳組分含量占總有機(jī)碳比例

研究表明，在同一人工林類(lèi)型不同土層間，易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例最高，為21.71%～36.12%；但各活性有機(jī)碳所占比例隨著土層深度的增加并未表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)(表1)，說(shuō)明土壤層次對(duì)土壤活性碳組分占總有機(jī)碳比例無(wú)顯著性影響.同一土層不同人工林類(lèi)型間，在0～20 cm土層中，麻櫟人工林顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例均處于最高水平，而易氧化有機(jī)碳分配比例為最低；20～40 cm土層中，各林型間顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳分配比例差異較小，未達(dá)到顯著性水平；柳杉和楨楠人工林輕組有機(jī)碳分配比例顯著高于含笑和麻櫟人工林(P<0.05).由雙因素方差分析結(jié)果表明，人工林類(lèi)型對(duì)LF-C/SOC和POC/SOC均有顯著影響，人工林類(lèi)型和土壤層次的交互作用僅對(duì)LF-C/SOC有顯著影響(P<0.05).

2.3 土壤有機(jī)碳各組分的相關(guān)性分析

由表3可知，土壤碳組分之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系.例如，土壤總有機(jī)碳含量與顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，土壤活性有機(jī)碳之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說(shuō)明土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳之間關(guān)系密切.

表1 不同森林類(lèi)型土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例

表2 林型和土層對(duì)土壤有機(jī)碳組分含量及其比例影響的雙因素方差分析

表3 土壤有機(jī)碳組分間的相關(guān)分析

3 討論

3.1 不同人工林類(lèi)型土壤總有機(jī)碳含量

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的增加，4種人工林土壤總有機(jī)碳含量均下降，即土壤有機(jī)碳具有表聚現(xiàn)象，這與許多已有研究結(jié)果相同[13-15].在土壤垂直剖面上，植物凋落物與土壤微生物通常集中分布在土壤表層，凋落物礦化及腐殖質(zhì)都在表層，有利于有機(jī)碳的積累；另外，對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)而言，植物根系也聚集在土壤表層，根系分泌物及根系周轉(zhuǎn)輸入有機(jī)碳也集中在土壤表層[16].此外，本研究表明，土壤總有機(jī)碳含量在不同人工林類(lèi)型間差異顯著.總的來(lái)看，總有機(jī)碳含量在麻櫟人工林中最高，柳杉人工林含量最小.這可能是由于不同森林群落物種組成不同，凋落物的種類(lèi)、產(chǎn)量和質(zhì)量不同所致[17-18].麻櫟作為闊葉落葉物種，相較于常綠物種(柳杉、楨楠和含笑)，每年通過(guò)凋落物輸入系統(tǒng)的碳更多；其次，落葉樹(shù)種凋落物通常含有更加豐富且易分解的碳，在一定程度上有利于系統(tǒng)土壤碳積累.同時(shí)，由于不同物種構(gòu)成人工林的群落結(jié)構(gòu)不同，使得林下微氣候也存在較大的差異，從而使得土壤微生物活性存在差異，進(jìn)而可能對(duì)土壤有機(jī)碳的積累產(chǎn)生較大影響[19]，這需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

3.2 不同人工林類(lèi)型土壤活性有機(jī)碳的分布特征

顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量能在一定程度上表征土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量及潛在分解特征[20].本研究表明，4種人工林類(lèi)型下土壤顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量均隨著土壤深度的增加而降低，其中以麻櫟人工林最為明顯.這主要是因?yàn)橥寥阑钚杂袡C(jī)碳的含量很大程度上依賴于土壤總有機(jī)碳含量.隨著土壤厚度的加深，地表向地下土壤輸入的有機(jī)碳源減少，使得土壤有機(jī)碳含量下降[21].此外，分解凋落物和根系周轉(zhuǎn)是土壤活性有機(jī)碳的重要的來(lái)源，土壤表層豐富的凋落物和根系為土壤提供了大量的活性有機(jī)碳，同樣也為微生物和植物根系向表層聚集提供了有利條件[22].

顆粒有機(jī)碳是土壤砂粒組分結(jié)合的有機(jī)碳，通常由未分解或半分解的動(dòng)植物和根系殘?bào)w組成，是土壤中相對(duì)活躍的有機(jī)碳庫(kù).本研究發(fā)現(xiàn)麻櫟人工林土壤顆粒含量顯著高于其他3種人工林類(lèi)型，除凋落物質(zhì)量外，土壤侵蝕是影響土壤顆粒碳含量的重要因素之一，其通過(guò)破壞水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，使大團(tuán)聚體中的顆粒有機(jī)碳進(jìn)入地表徑流，從而導(dǎo)致土壤顆粒有機(jī)碳含量降低[23-24].同時(shí)，麻櫟人工林豐富的凋落物能夠減弱地表徑流，從而減少土壤侵蝕，在一定程度上保護(hù)土壤顆粒有機(jī)碳.顆粒有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的比值反映了土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其比值越高，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定[25].本研究中，麻櫟人工林POC/SOC比值處于最高水平，表明麻櫟人工林土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于其他3種人工林類(lèi)型.

研究結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)4種人工林輕組有機(jī)碳含量大小關(guān)系依次為麻櫟人工林>楨楠人工林>柳杉人工林>含笑人工林.輕組有機(jī)碳是由可識(shí)別的、處于不同分解階段的植物殘?bào)w、真菌的菌絲和孢子、種子、微生物殘骸以及一些吸附在有機(jī)碎屑上的礦質(zhì)顆粒組成[12]，這就意味著其含量很大程度上取決于植被的密度、蓋度和凋落物質(zhì)量[23].4種人工林，麻櫟人工林凋落物質(zhì)量明顯優(yōu)于其他人工林[26]，而地表凋落物的堆積不僅能提供充足的養(yǎng)分，還能改善土壤表層水熱條件，利于微生物活動(dòng)，促進(jìn)麻櫟人工林輕組有機(jī)碳的積累，這一結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)果相似[24].

易氧化有機(jī)碳是位于土壤團(tuán)聚體表面和大團(tuán)聚體之間，或處于游離狀態(tài)的有機(jī)活性碳，決定了土壤有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性[27].與總有機(jī)碳及其他活性有機(jī)碳組分不同的是，本研究中易氧化有機(jī)碳在4種林分間未呈現(xiàn)顯著性的差異.這可能是由于4種人工林類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，與樹(shù)種組成等生物因素相比，人為干擾在易氧化有機(jī)碳含量變化中扮演著更為重要的角色[28].易氧化有機(jī)碳被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳組分中穩(wěn)定性相對(duì)較差的部分，其占總有機(jī)碳的比例越低，說(shuō)明養(yǎng)分循環(huán)速率越低，土壤穩(wěn)定性越高[29].本研究發(fā)現(xiàn)，麻櫟人工林EOC/SOC處于較低水平，即麻櫟人工林更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累.

4 結(jié)論

本研究對(duì)比分析了四川盆地西緣4種人工林2個(gè)土壤層次有機(jī)碳組分差異.研究發(fā)現(xiàn)，從土層來(lái)看，4種人工林土壤碳各組分含量均隨著土壤層次的增加而下降.從人工林類(lèi)型來(lái)看，相比于其他3類(lèi)人工林，麻櫟人工林土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量處于較高水平，表明麻櫟人工林更有利于土壤碳積累.