人工林皆伐对土壤碳及相关理化性质的影响1)

安 静 王文杰 王洪岩 苏冬雪 邱 岭 祖元刚

(森林植物生态学教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

土壤是陆地生态系统中有机碳库的重要储存者，同时又是土壤肥力的物质基础［1］。其中森林土壤碳占全球土壤碳的73%［2］，这对于全球碳平衡起到了非常重要的作用。处于全球暖化敏感的中高纬度地区的东北森林是中国的主要林区之一，该区兴安落叶松人工林占造林总面积的50%以上［3］。人工林在缓解全球气候变暖中起到了举足轻重的地位，是实现和促进森林土壤碳汇的重要方式。因此近年来对于兴安落叶松人工林土壤碳及其它理化性质的研究报道不断增多［4-6］。而人工林是处在人工操作下的生态系统类型，对地上与土壤中的碳库及肥力的影响都十分明显［7］。以往多数研究中针对于落叶松人工林土壤碳的变化主要集中在较上层次即0～40 cm深的土壤，其土壤碳转化过程中的收支和损耗往往很明显［8］，但对于更深层(40 cm以下)的土壤碳截获及肥力影响的研究较少，也很少将不同地区多数样地的人工林和皆伐地的土壤性质进行综合分析。因此，本文在黑龙江省尚志及伊春市主要林场中选取多年栽种兴安落叶松人工林及附近皆伐地0～80 cm土层，针对土壤碳的2种类型——有机碳和无机碳以及包括土壤氮、酸碱度和物理性质在内的土壤可持续性指标进行深入研究，从碳、理化性质及其垂直变化角度系统了解皆伐作业措施的影响，为今后生态环境的保护和利用以及区域化林地经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区域主要选取了黑龙江省帽儿山实验林场中的边家沟样地和伊春市林区中的带岭、东山、东方红和大青川样地，其样地情况如表1所示。帽儿山林场(N45°20'～45°25'，E127°30'～127°34')，属于温带季风性气候，年平均气度为2.8℃，全年平均降水量724 mm。森林土壤类型多为暗棕壤，边家沟样地属于白浆化暗棕壤。主要生长植物为兴安落叶松(Larix gmelinii)、红松(Pinus koraiensis)、白桦(Betula platyphylla)、胡桃楸(Juglans mandshurica)和水曲柳(Fraxinus mandshurica)等。

伊春市林区位于黑龙江省东北部(N47°10'～47°14'，E128°53'～128°55')，以低山为主，最高海拔1 050 m，土壤为暗棕壤森林土。属于北温带大陆季风气候，全年平均气温1.4℃，年平均降水量为661 mm，无霜期115 d左右。植被主要以阔叶混交林或寒温带针叶林为主，其中包括兴安落叶松(Larix gmelinii)、红松(Pinus koraiensis)和黑桦(Betula davurica)等。

表1 样地基本概况

2 研究方法

2.1 样地的设计

在研究区域范围内，考虑到样地距离过远、土壤自身差异过大将导致数据可靠性下降［9］的问题，试验样地的设计主要选取落叶松人工林及距离林地10～100 m以内的皆伐迹地，使每一组样地中林地与皆伐迹地的海拔、坡向、坡度相近。然后在设定的每个20 m×20 m样地中挖取4个2 m长、1 m宽、0.8 m深的土坑。在每个土壤剖面上，按照不同的深度(0～20、20～40、40～60和60～80 cm)使用土壤环刀取100 cm3的土壤样品，将4个土壤剖面中相同深度的环刀样品混合成一个土壤样品，装入土壤袋，代表所测定样地该深度土壤的平均水平。

2.2 样品的测定

从野外带回实验室的土壤样品，风干去除植物根系、砖头石块等杂质，混合均匀、磨碎，过＜0.25 mm的筛并保存待用。根据文献［10］的方法，土壤密度采用环刀法测定，有机碳质量分数采用重铬酸钾容量法—外加热法测定，对样品用重铬酸钾硫酸溶液进行氧化;土壤碱解氮测定采用碱解—扩散法，利用扩散皿及硼酸溶液吸收土壤产生的氨气，并用标准酸滴定;全氮采用的半微量凯氏定氮法，用浓硫酸消煮土样后，使用凯氏定氮仪进行蒸馏并用标准酸溶液滴定;无机碳(碳酸钙是无机碳中主要成分)质量分数采用气量法测定;土壤pH、电导率的测定方法:称取5 g土样加入15 mL去离子水并混匀，使用pH计(PB-10，深圳赛多利斯)和电导率仪(DDS-307，上海雷磁)进行测定。对样品土壤碳、氮和物理性质进行测定时，均将土壤标准样品(ASA1-国家标准物质中心)作为对照土样。

2.3 数据处理

在测定土壤有机碳及肥力时需要计算有机碳质量分数，其公式为:

式中:c为0.800 0 mol·L-1(1/6K2Cr2O7)标准溶液的浓度;5为重铬酸钾标准溶液加入的体积(mL);V0为空白滴定用去FeSO4体积(mL);V为样品滴定用去FeSO4体积(mL);3.0为1/4碳原子的摩尔质量(g·mol-1);10-3为将mL换算为L;1.1为氧化校正系数;m为风干土样质量(g);k为将风干土换算成烘干土的系数。

对不同样地中林地和皆伐迹地土壤指标的数据使用Excel 2003处理，并用SPSS 17.0对数据进行显著性差异分析。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳

在所测定的5组样地中(表2)，多数人工林土壤有机碳质量分数高于皆伐迹地。如0～40 cm土层中除了边家沟样地外，人工林土壤有机碳质量分数均高于皆伐迹地且差异为2.53～44.83 g·kg-1(p＜0.05)。40～80 cm土层中，东山和边家沟样地表现为皆伐迹地土壤有机碳质量分数高于林地，其它样地中林地土壤有机碳质量分数高于皆伐地6.07～25.48 g·kg-1。综合分析0～80 cm土层有机碳质量分数，林地土壤有机碳质量分数均高于皆伐迹地，差异为0.41 ～29.16 g·kg-1，其中带岭样地差异显著(p＜0.05)。

表2 兴安落叶松林地与附近皆伐迹地不同土层的有机碳质量分数

3.2 土壤无机碳(碳酸钙)

从不同样地的各层土壤无机碳质量分数来看(表3)，0～40 cm土层的边家沟和东方红样地中林地土壤无机碳质量分数明显高于皆伐地0.30～5.13 mg·kg-1，而大青川和带岭样地表现为皆伐地高于林地0.49 ～4.82 mg·kg-1，其中带岭和边家沟样地差异显著(p＜0.05);40～80 cm土层中多数样地的皆伐地土壤无机碳质量分数高于林地(p＜0.05)。综合不同样地的结果可以看出，0～80 cm土壤剖面中无机碳质量分数边家沟和东方红样地中林地高于皆伐地，而大青川(p＜0.05)、带岭和东山林场趋势相反。

表3 兴安落叶松林地与附近皆伐迹地土壤无机碳质量分数

3.3 土壤全氮

多数样地中林地土壤全氮质量分数大于皆伐地，其变化规律与有机碳储量一致(表4)。0～20 cm土层中除了边家沟样地外，林地土壤全氮质量分数高于皆伐地0.77 ～1.76 g·kg-1，其中带岭样地差异显著(p＜0.05);更深层(20 ～80 cm)土壤中，多数样地(东方红、大青川和带岭)中林地土壤全氮质量分数高于皆伐地，东方红样地20～40 cm土层、大青川和带岭样地的40～60 cm土层差异达到显著(p＜0.05)。在0～80 cm土层中，土壤全氮质量分数具有一定的规律，多数样地中林地高于皆伐地0.09～1.13 g·kg-1(5% ～93%)，其中带岭样地差异显著(p＜0.05)。

3.4 土壤碱解氮

从不同样地土壤碱解氮质量分数差异来看(表5):0～40 cm深土壤中多数样地(大青川、带岭和东山)中林地土壤碱解氮质量分数高于皆伐地7.49～57.43 mg·kg-1，而边家沟和东方红样地中皆伐地土壤碱解氮质量分数显著高于林地(p＜0.05);在40～60 cm土层中，除了东山样地外，其它林地的土壤碱解氮高于皆伐地8.71 ～48.32 mg·kg-1(p＜0.05);对于60～80 cm土层，带岭林地土壤碱解氮质量分数显著高于皆伐地(p＜0.05)，而其它样地中皆伐地的土壤碱解氮高于林地1.25～16.85 mg·kg-1。综合0～80 cm 土层中，大青川、带岭(p＜0.05)和东山样地中林地土壤碱解氮质量分数高于皆伐地13.10～51.31 mg·kg-1，而边家沟和东方红样地中皆伐地高于林地1.87 ～4.46 mg·kg-1。

表4 兴安落叶松林地与附近皆伐迹地土壤全氮质量分数

表5 兴安落叶松林地与附近皆伐迹地土壤碱解氮质量分数

3.5 土壤pH值、电导率和密度

从表6中可以看出，林地和相邻皆伐地的土壤均偏酸性。表层土壤(0～20 cm)在所测定的5组样地中林地与皆伐地土壤pH值差异均未达到显著水平(p＜0.05)，对于 60～80 cm 土层，皆伐迹地土壤pH值明显高于林地0.14～0.38，且边家沟和带岭样地差异显著(p＜0.05)。综合0～80 cm 土层，多数样地中皆伐地土壤pH值高于林地，边家沟样地差异显著(p＜0.05)。

表6 兴安落叶松林地与附近皆伐迹地土壤的pH值

大多数林地土壤电导率均大于皆伐迹地并随着土层深度增加差异逐渐降低(表7)。0～20 cm土层中，林地的土壤电导率高于皆伐地20% ～72%，其中边家沟差异显著(p＜0.05)。60～80 cm 土层，东方红、大青川和带岭样地表现为林地的土壤电导率高于皆伐地。综合0～80 cm土层，所有样地均为林地土壤电导率高于皆伐地(p＜0.05)。

表7 兴安落叶松林地与附近皆伐迹地土壤电导率

从土壤密度变化来看(表8)，皆伐有增加土壤密度的趋势，其中表层土壤表现更为明显。0～20 cm土层不同样地的皆伐地土壤密度均高于林地(p＜0.05)。在深层土壤中(20～80 cm)，多数样地皆伐地土壤密度高于林地。综合0～80 cm土层，边家沟、东方红、大青川和带岭样地中林地土壤密度低于皆伐地0.07 ～0.31 g·cm-3(5% ～30%)，其中带岭样地差异显著(p＜0.05)。

表8 落叶松林地与附近皆伐迹地土壤密度

3.6 不同样地的人工林与皆伐迹地土壤质量分数变化的综合分析

根据表2～表8中不同样地土壤碳、氮及物理性质变化的单独分析情况，将5个地区中人工林和皆伐地所测定的土壤数据根据不同土层重新进行综合分析。由表9可知，不同土层土壤有机碳质量分数均表现为林地＞皆伐迹地，差异5.86～21.09 g·kg-1，其中0～20 cm和40～60 cm土层差异达到显著水平(p＜0.05)，综合0～80 cm土层平均质量分数林地＞皆伐迹地，差异约47%(p＜0.05);0～20 cm和60～80 cm土层中无机碳质量分数皆伐迹地＞林地，其值为 0.27 ～0.62 mg·kg-1，而深层(20 ～60 cm)土壤中林地无机碳质量分数高于皆伐迹地0.04～0.27mg·kg-1，60 ～80cm土层达到显著水平(p＜0.05)，综合0～80 cm土层平均土壤无机碳质量分数皆伐迹地＞林地，差异约10%(p＜0.05);土壤全氮、碱解氮质量分数表现出与有机碳相似的规律，综合0～80cm土层林地全氮质量分数＞皆伐迹地，差异约46%(p＜0.05);各土层中林地土壤碱解氮质量分数高于皆伐迹地12.85 ～27.10 mg·kg-1，40 ～60 cm土层中林地与皆伐迹地差异显著(p＜0.05)，因此在0～80 cm土层平均土壤碱解氮质量分数林地高于皆伐迹地35%(p＜0.05);0～80 cm土层土壤pH值皆伐迹地均高于林地(p＜0.05)，可见落叶松人工林有酸化土壤倾向，皆伐作业能够缓解这一酸化进程;不同土层林地土壤电导率均高于皆伐迹地32% ～86%，其中0～20 cm和40～80 cm土层林地与皆伐迹地差异显著(p＜0.05)，0～80 cm 的土层林地土壤电导率平均高出皆伐迹地49%(p＜0.05);林地的土壤密度小于皆伐迹地0.02～0.21 g·cm-3(2% ～23%)，40～60 cm土层中两者差异显著(p＜0.05)，综合0～80 cm土层土壤密度，皆伐迹地大于林地10%(p＜0.05)。

表9 不同土层兴安落叶松人工林和皆伐地土壤碳、氮及物理性质

4 结论与讨论

森林是重要的陆地生态系统碳库，对其采伐能够显著降低碳汇大小，并导致原来储存于土壤中的碳大量释放［11］。试验中同时考虑有机碳和无机碳的土壤理化指标，避免仅仅对一组对照样地研究所产生的误差;对深层土壤中有机碳和无机碳的变化等问题进行分析，并尝试解决这些问题。

不同采伐方式和采伐作业及不同的林型［12-13］、植被类型［14］能够显著影响土壤理化性质，这与对兴安落叶松人工林的研究与前人的研究结果一致。多数样地中均表现为人工林土壤有机碳质量分数高于皆伐地，平均值显示林地土壤有机碳高于皆伐地47%，达到显著水平(p＜0.05)(表 2和表 9)。因此，皆伐导致土壤中的有机碳快速分解以及有机质回归量减少应该是林地土壤有机碳大于皆伐地的主要原因［15］。皆伐对无机碳影响前人少有报道［16］，而本研究中皆伐对土壤无机碳的影响不同样地及土层差异较大，总体趋势是:0～80 cm土层中多数样地皆伐地土壤无机碳质量分数高于林地，而在不同土层中无机碳的变化有别于有机碳的趋势，如0～20 cm土层中林地土壤有机碳质量分数高于皆伐地，而40～80 cm土层皆伐地土壤无机碳质量分数高于林地，这可能由于无机碳对有机碳有一定的补偿作用，使得土壤有机碳升高的同时降低了无机碳的质量分数，因此，当把有机碳和无机碳同时考虑并计算土壤碳收支平衡时，仅考虑有机碳变化而忽视无机碳，可能导致结果有一定的偏差［17-18］。因此，在今后的研究中应尽量将较多组林地与附近皆伐地土壤进行分析，从而更好地反映皆伐作业对土壤的影响。尽管在样地选择中尽量做到地形、地貌、坡位、坡向等一致，但是由于土壤本身的异质性问题，有些林地与附近皆伐地之间的差异很小，甚至有些样地的试验结果与大多数样地的结果相反。如有机碳、无机碳、pH、电导率和氮相关指标都有这样的现象(表2～表8)。但是将不同地区林地与皆伐地多组数据放在一起分析时，能够获得更加可靠的结果，如表9所示，平均结果显示:土壤有机碳、全氮、pH、电导率和密度的变化趋势基本一致。与其它方法(如年代序列采样法、长期固定样地法)比较，本文所采用的配对样地采样法(Paired sampling)被认为是林地—皆伐化导致土壤理化性质变化研究中较省时、省力而较为准确的方法［9］。

土壤的理化性质中包括土壤N质量分数、pH值、电导率以及密度等能够反映出皆伐措施对土壤肥力的影响，对于后续经营管理至关重要。多数样地中林地土壤氮质量分数高于皆伐地，0～80 cm平均土壤全氮质量分数林地高于皆伐迹地46%(p＜0.05)，林地中碱解氮高于皆伐迹地 35%(p＜0.05)(表9)。这些结果说明，皆伐措施不仅导致土壤碳总量显著降低，而且还导致土壤肥力(总N和碱解N)降低，使得土壤变得更加紧实(密度增加)，土壤电导率降低。但是，皆伐能够显著改善由于落叶松长期生长所导致土壤酸化的问题。除了土壤碳库的变化外，直接或者间接影响土壤肥力的理化性质的变化，能够更长期地影响生物量碳的累积，在土壤碳截获研究中应以关注。

传统的观点认为［19］，类似于皆伐作业的措施对表层土壤的影响要远大于深层土壤，因此深层土壤可以忽略不计。但是最新的研究表明，深层土壤与表层土壤一样活跃，甚至其微生物系统具有更强的分解有机碳的能力［20-21］。从本试验结果来看，同时考虑表层和深层土壤能够更清晰地表征皆伐作业对土壤的影响(表9)。无论表层还是深层土壤，所考察的很多指标均表现出皆伐迹地与林地的差异，尽管很多差异未达到显著水平，但是当把5组配对样地中林地与皆伐地土壤数据放在一起进行统计分析时，0～80 cm土层有机碳、N、碱解氮、pH值、电导率和密度均表现出显著差异(p＜0.05)，表明皆伐过程能够导致土壤有机碳、氮减少、酸性降低、电导率降低而土壤密度升高(表9)。

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