針葉林補(bǔ)闊對(duì)土壤有機(jī)碳、氮含量的影響*

彭素琴，劉郁林，劉苑秋，樊乙萱，周玉姍，楊 琪，鄒文文

(1.贛南師范大學(xué) 地理與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，南昌 330045,3.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

亞熱帶紅壤區(qū)是我國(guó)土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一.為控制水土流失、提高土壤肥力，馬尾松(Pinusmassoniana)等針葉樹種作為主要造林樹種在該地區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用.近30多年，馬尾松面積迅速擴(kuò)大，僅江西省馬尾松面積就達(dá)到了239.4萬(wàn)hm2.針葉純林樹種結(jié)構(gòu)單一、林分結(jié)構(gòu)不合理[1-2]，導(dǎo)致地力衰退[3-5]、生態(tài)效益差[6]、生物多樣性喪失、林分生產(chǎn)力下降和土壤養(yǎng)分元素虧缺[7]等問(wèn)題，極大地影響了森林生態(tài)功能的發(fā)揮.鄉(xiāng)土闊葉樹種相比針葉樹種根系系統(tǒng)更復(fù)雜、凋落物分解速率更快、土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能更高[8]，鄉(xiāng)土闊葉樹種可以在生物多樣性保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性改善和生態(tài)功能等方面發(fā)揮重要作用[9]，營(yíng)造針闊混交林正逐漸成為替代世界上大面積分布的人工針葉純林最有前景的森林經(jīng)營(yíng)模式之一[10].

針葉林補(bǔ)闊成為優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)、提高森林質(zhì)量的有效措施，研究表明針葉林中混交闊葉樹后形成針闊混交林是改善土壤肥力、增強(qiáng)森林土壤養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要措施[11]，混交林林地生產(chǎn)力明顯高于林分結(jié)構(gòu)單一的人工純林[12]，因此混交林通常比純林有更高水平的生態(tài)系統(tǒng)功能[13].人工針闊混交林的土壤有機(jī)碳和氮儲(chǔ)量顯著高于針葉和闊葉純林[14-15]，石漠化地區(qū)針闊混交林相比針葉純林土壤SOC、TN顯著提升[16]，但不同闊葉樹種其套種效果不同[17].

為此，本文以亞熱帶退化紅壤區(qū)江西泰和為研究代表區(qū)域，利用鄉(xiāng)土樹種木荷(Schimasuperb)進(jìn)行補(bǔ)闊調(diào)整的馬尾松木荷混交林分土壤為研究對(duì)象，馬尾松純林和木荷純林做對(duì)照，探討馬尾松純林補(bǔ)闊后不同林分土壤全碳、氮含量及其季節(jié)分布差異，以揭示針葉林補(bǔ)闊后土壤碳、氮的變化規(guī)律，進(jìn)一步闡明退化紅壤植被恢復(fù)機(jī)理，為人工林科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江西省泰和縣石山鄉(xiāng)(115°04′E，26°44′N).該試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，年平均氣溫18.6 ℃，絕對(duì)最低氣溫-6 ℃，絕對(duì)最高氣溫41.5 ℃.20世紀(jì)90年代以前，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度僅0.3.最高海拔為131.3 m，最低海拔為74.7 m，有機(jī)質(zhì)含量為6.5 g/kg，pH為4.9,土壤成土母質(zhì)是第四紀(jì)紅粘土，屬于典型的紅壤低丘崗地,為中亞熱帶區(qū)典型退化紅壤區(qū).1991年選擇馬尾松(Pinusmassoniana)、濕地松(Pinuselliottii)、楓香(Liquidambarfomosana)、木荷(Schimasuperb)等12個(gè)針闊葉樹種進(jìn)行植被恢復(fù)荒山綠化，開展不同樹種、不同混交組合等植被恢復(fù)與重建試驗(yàn)，建立了面積為133 hm2試驗(yàn)林.

1.2 樣地設(shè)置

2009 年利用鄉(xiāng)土樹種木荷進(jìn)行補(bǔ)闊恢復(fù)的馬尾松木荷混交林分為研究對(duì)象，馬尾松純林、木荷純林作為對(duì)照.在每種林分類型中選擇具有相近坡向、坡位和坡度的代表性林分各4個(gè)小班，每個(gè)小班設(shè)置1個(gè)20 m×20 m 樣地，即每種林分4個(gè)重復(fù)，共計(jì)12個(gè)樣地(見(jiàn)表1).

表1 樣地基本情況

1.3 樣品的采集與測(cè)定

按照對(duì)角線五點(diǎn)取樣法在各樣地中采集土壤樣本，先去除枯枝落葉等地表凋落物，然后采集0 cm～10 cm土壤樣品，保持每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度和采量均勻一致，同時(shí)用土壤三參數(shù)速測(cè)儀測(cè)定10 cm處的土壤濕度和溫度.最后將每個(gè)小區(qū)中采集的土樣過(guò) 2 mm鋼篩后混勻?yàn)橐粋€(gè)混合樣，自然風(fēng)干，測(cè)定土壤理化性質(zhì).

測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)化分析》[18]，方法如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的整理和計(jì)算，用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素、多因素方差分析及相關(guān)性分析，比較不同林分類型、土層、季節(jié)之間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05，多重比較采用 LSD 法(P=0.05)，論文所有數(shù)據(jù)的圖形處理采用Orgin2018軟件制作.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分特征及凋落物狀況

由表2可知，3種林分年凋落物量馬尾松木荷混交林>木荷純林>馬尾松林，但林分間差異不顯著.3種林分間馬尾松林凋落物碳含量顯著高于馬尾松木荷混交林和木荷純林，林分間差異顯著，馬尾松木荷混交林凋落物氮含量顯著高于純林，林分間差異顯著，馬尾松林凋落物碳氮比高于馬尾松木荷混交林和木荷純林.

表2 不同林分土壤、凋落物基本理化性質(zhì)

2.2 不同林分土壤pH、溫度、濕度和含水率的季節(jié)性變化特征

由表3可知，馬尾松純林、馬尾松木荷混交林和木荷純林土壤pH均呈酸性，3種林分土壤pH值均在春季最大，秋季最低，秋季與春夏冬差異顯著，同一林分內(nèi)春夏冬差異不顯著.3種林分土壤含水率和土壤濕度在季節(jié)間變化存在明顯差異，3種林分均在夏季最高，秋季最低，其中馬尾松純林春季和夏季含水率幾乎相同.3種林分土壤溫度存在明顯的季節(jié)性變化差異，均在秋季溫度最高，冬季最低.同一季節(jié)，馬尾松木荷混交林土壤溫度大多高于馬尾松純林和木荷純林.

表3 不同林分0 cm～10 cm土壤pH、溫度、濕度和含水率

2.3 不同林分土壤有機(jī)碳、全氮、C/N的季節(jié)性動(dòng)態(tài)

從表4可以看出，林分、季節(jié)對(duì)土壤有機(jī)碳、氮及土壤碳氮比影響極顯著，但季節(jié)和林分的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳、氮及土壤碳氮比均無(wú)顯著影響.

表4 土壤碳、氮的多因素方差分析

2.3.1 不同林分土壤有機(jī)碳含量的季節(jié)性動(dòng)態(tài)

從圖1(注:不同小寫字母表示同一季節(jié)各林分間存在顯著性差異;不同大寫字母表示同一林分不同季節(jié)間存在顯著性差異(P<0.05),下同)可以看出，與馬尾松林和馬尾松木荷混交林相比，木荷林具有較高的土壤有機(jī)碳含量，馬尾松木荷混交林次之，馬尾松林相對(duì)較低，表明馬尾松純林補(bǔ)植木荷闊葉樹后顯著提升了土壤有機(jī)碳含量.春季和秋季3種林分間土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異(P>0.05)，夏季馬尾松木荷混交林、木荷林顯著高于馬尾松林(P<0.05)，但馬尾松木荷混交林與木荷林之間差異不顯著(P>0.05).除春季外，馬尾松木荷混交林各季節(jié)土壤有機(jī)碳含量均高于馬尾松純林，夏、秋、冬季比馬尾松林顯著提高45%、4%、10%.在同一林分中，土壤有機(jī)碳含量在4個(gè)季節(jié)中的變化趨勢(shì)相同，表現(xiàn)出先升后降趨勢(shì)，春季含量均最低.馬尾松林春、夏、秋季之間呈上升趨勢(shì)，冬季較秋季略下降，秋季最高，秋季相比春、夏、冬季分別高71%、25%、8%，季節(jié)之間無(wú)顯著差異(P>0.05).馬尾松木荷混交林和木荷林土壤有機(jī)碳含量季節(jié)變化一致，均在夏季達(dá)到最高后下降，其中馬尾松木荷混交林春、秋、冬相比夏季分別減少了50.2%、9.7%、11.6%，木荷林春、秋、冬相比夏季分別減少了41.0%、15.8%、28.1% ，馬尾松木荷混交林和木荷林夏、秋、冬3季顯著高于春季(P<0.05)，但夏、秋、冬3季之間不顯著(P>0.05).

圖1 不同林分土壤有機(jī)碳含量

圖2 不同林分土壤全氮含量

圖3 不同林分土壤C/N

2.3.2 不同林分土壤全氮的季節(jié)性動(dòng)態(tài)

3種林分土壤全氮含量如圖2所示，土壤全氮含量均表現(xiàn)為木荷林>馬尾松木荷混交林>馬尾松林，表明馬尾松林補(bǔ)植木荷闊葉樹后提升了土壤N儲(chǔ)量，其中春、秋、冬季3種林分全氮含量差異不顯著，夏季木荷林顯著高于馬尾松林和馬尾松木荷混交林(P<0.05)，且馬尾松林和馬尾松木荷混交林分間無(wú)顯著差異(P>0.05)，夏季木荷林和馬尾松木荷混交林分別比馬尾松林分別高102%、53%.同一林分中，3種林分全氮含量表現(xiàn)出顯著季節(jié)差異(P<0.05)，夏季顯著高于春、秋、冬季，且馬尾松林冬春季顯著差異，馬尾松木荷混交林和木荷林春、秋、冬季間無(wú)顯著差異.

2.3.3 不同林分土壤C/N的季節(jié)性動(dòng)態(tài)

從同一林分不同季節(jié)土壤來(lái)看(圖3)，碳氮比變化規(guī)律相對(duì)較為復(fù)雜，介于 8.78～12.94之間，馬尾松木荷混交林和木荷林各季節(jié)C/N比均低于馬尾松林，表明馬尾松林補(bǔ)植木荷闊葉樹后降低了土壤C/N.3種林分碳氮比均在秋季最高，夏季最低.馬尾松林夏季顯著低于秋季，春冬季間無(wú)顯著差異，馬尾松木荷混交林季節(jié)間無(wú)顯著差異，木荷林秋季顯著高于夏、冬季，且與春季無(wú)顯著差異.從同一季節(jié)不同林分來(lái)看，各季節(jié)馬尾林C/N比均高于馬尾松木荷混交林和木荷純林，春、夏、冬季3種林分間C/N差異不顯著，春季3種林分碳氮比幾乎無(wú)變化，秋季馬尾松顯著高于馬尾松木荷混交林和木荷純林(P<0.05)，分別高出1.66、1.12，馬尾松木荷混交林和木荷純林間無(wú)顯著差異，可以看出馬尾松純林補(bǔ)植木荷闊葉樹后土壤C/N較馬尾松純林明顯降低，林地土壤的C、N含量明顯提高，反映馬尾松木荷針闊混交林具有良好的土壤養(yǎng)分循環(huán)累積機(jī)制.

2.4 土壤碳、氮及C/N與環(huán)境因子的關(guān)系

表5為土壤碳、氮因子和環(huán)境因子的相關(guān)性分析.土壤有機(jī)碳與土壤溫度、土壤全氮、凋落物氮含量顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤pH極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；土壤全氮與土壤含水率、凋落物氮含量顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤碳氮比與濕度、pH、土壤含水率、凋落物碳含量顯著或極顯著負(fù)相關(guān).

表5 土壤碳、氮與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 針葉林補(bǔ)闊對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

森林土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于植被地上的凋落物和其地下根系分泌物以及死亡的根系.因此植被類型不同會(huì)影響森林土壤有機(jī)碳的數(shù)量、質(zhì)量及周轉(zhuǎn).在本研究中，馬尾松純林補(bǔ)種闊葉樹木荷后變成馬尾松木荷針闊混交林，大大提升了土壤有機(jī)碳含量，這主要是馬尾松純林補(bǔ)植闊葉樹木荷后，由原來(lái)的馬尾松純林變?yōu)楫慅g復(fù)層的針闊混交林[19]，林分結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的改變，從而影響了林地結(jié)構(gòu)和碳儲(chǔ)量.另外，不同森林類型土壤中有機(jī)碳組分穩(wěn)定性及凋落物輸入差異也是導(dǎo)致碳含量差異的原因[20].與針葉樹相比，闊葉樹種具有較高的年凋落物量和凋落物的浸出物，因此有機(jī)碳的輸入量較高.本研究中馬尾松木荷混交林、木荷林相比馬尾松林，具有較高的年凋落物量，不同森林類型外源碳庫(kù)輸入的差異，是導(dǎo)致不同森林類型土壤有機(jī)碳含量差異顯著的原因之一.林木自土壤中吸收的礦物質(zhì)養(yǎng)分相當(dāng)一部分是以凋落物的形式歸還土壤，由于不同樹種生物學(xué)特性不同，使得其凋落物的質(zhì)和量及分解速率均有較大的差異，從而影響土壤的養(yǎng)分狀況[21].馬尾松純林經(jīng)過(guò)套種闊葉樹改造后，其分解速率比馬尾松純林有較大的提高，回歸土壤的養(yǎng)分量較多，而且土壤有機(jī)碳含量與凋落物、土壤氮含量顯著正相關(guān)(表5)，從而提高了林地的有機(jī)碳含量[15].

3.2 針葉林補(bǔ)闊對(duì)土壤全氮的影響

森林植被氮儲(chǔ)量受眾多因素影響，如生物量和樹種生物學(xué)特性等[14].本研究中，馬尾松林土壤全氮含量全年均低于馬尾松木荷混交林和木荷林，馬尾松針葉純林補(bǔ)闊后會(huì)提高土壤氮儲(chǔ)量，說(shuō)明馬尾松木荷混交林和木荷林土壤肥力高，有機(jī)質(zhì)較易轉(zhuǎn)化為氮素.不同林型之間氮儲(chǔ)量的差異主要與不同植被凋落物生物量、性質(zhì)及輸入差異有關(guān)，本研究中馬尾松林凋落物葉片分解率相對(duì)較低，因此馬尾松林的凋落物較難分解，土壤養(yǎng)分較馬尾松木荷混交林低，土壤中微生物活性相對(duì)較弱，將土壤有機(jī)質(zhì)分解為氮素的能力也就小于馬尾松木荷混交林及木荷純林，此外，馬尾松木荷混交林和木荷林年凋落物生物量高于馬尾松林，同等時(shí)間內(nèi)積累的生物量更多，氮儲(chǔ)量也越高.本研究中3種林分土壤碳和氮的變化趨勢(shì)相同，且土壤全碳與全氮含量極顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤碳素積累與氮儲(chǔ)存關(guān)系密切.

3.3 針葉林補(bǔ)闊對(duì)土壤碳氮比的影響

土壤C/N是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，在一定程度上能反映有機(jī)物質(zhì)分解程度，是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志，碳氮比低則促進(jìn)微生物的分解，氮的礦化速率就高.本研究中，與馬尾松林相比，木荷、馬尾松木荷混交林C/N相對(duì)較低，均小于15，木荷林與馬尾松木荷混交林之間無(wú)顯著差異，這說(shuō)明馬尾松木荷混交林與木荷林土壤氮礦化較強(qiáng)[22]，馬尾松針葉純林補(bǔ)闊后會(huì)降低土壤C/N，從而提高氮礦化速率和氮有效性.

此外，馬尾松補(bǔ)闊后形成異齡復(fù)層的針闊混交林，相比2種純林，優(yōu)化了樹種組成，改善了林下凋落物的質(zhì)量，凋落物生物量顯著提升，同時(shí)促進(jìn)了樹種多樣性，改善了純林林分結(jié)構(gòu)單一現(xiàn)象，森林空間結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化.

4 結(jié)論

針葉林補(bǔ)闊顯著改變土壤有機(jī)碳、氮濃度.在3種林分中，木荷林的土壤有機(jī)碳和全氮最高，其次為馬尾松木荷混交林，馬尾松林最低，而馬尾松木荷混交林和木荷林C/N低于馬尾松林.說(shuō)明馬尾松純林補(bǔ)種闊葉樹木荷后，大大提升了土壤有機(jī)碳、氮含量，降低了土壤C/N，從而提高氮礦化速率和氮有效性，反映馬尾松木荷針闊混交林具有良好的土壤養(yǎng)分循環(huán)累積機(jī)制.