沿海基岩质海岸防护林不同林分类型土壤有机碳矿化研究

高智慧，张晓勉，岳春雷，张 勇，陈贤田，林 荫，王 泳，郭晓平，王 珺，张金池*

（1. 浙江省林业技术推广总站，浙江 杭州 310020；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州310023；4. 浙江省林业生态工程管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三门县林业特产局，浙江 三门 317100）

沿海基岩质海岸防护林不同林分类型土壤有机碳矿化研究

高智慧1，张晓勉2,3，岳春雷3，张 勇4，陈贤田5，林 荫2，王 泳3，郭晓平2，王 珺3，张金池2*

（1. 浙江省林业技术推广总站，浙江 杭州 310020；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州310023；4. 浙江省林业生态工程管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三门县林业特产局，浙江 三门 317100）

以浙江省沿海基岩质海岸防护林的 3种主要林分类型湿地松（Pinus elliottii）纯林、枫香（Liquidambar formosana）纯林、湿地松+枫香混交林作为研究对象，并选择无林地作对照，对其土壤有机碳矿化进行测定研究。结果表明：4种林分类型土壤有机碳矿化动态在整个培养过程，可分为快速下降期，缓慢下降期和相对稳定期 3个阶段；对整个培养过程中不同林分类型土壤有机碳日均矿化量进行拟合，其变化趋势符合对数函数；对4种林分类型土壤有机碳矿化速率进行聚类分析得出，枫香+湿地松混交林0 ~ 20 cm土壤有机碳矿化速率最高，枫香纯林0 ~ 20 cm、湿地松纯林0 ~ 20 cm土壤有机碳矿化速率次之，枫香纯林20 ~ 40 cm、湿地松纯林20 ~ 40 cm、枫香+湿地松混交林20 ~ 40 cm土壤有机碳矿化速率一般，无林地0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤有机碳矿化速率最低。说明土壤有机碳矿化速率随着土层的增加递减，表层土壤敏感性最强。

沿海防护林，基岩质海岸，土壤有机碳矿化，土壤有机碳矿化速率

土壤有机碳矿化是土壤生物通过自身活动、分解和利用土壤中活性有机组分来完成自身代谢，同时释放出CO2的过程，直接关系到土壤中养分的释放与供应及温室气体的形成等[1]。目前我国土壤有机碳矿化研究多在林地[2]、水稻土[3]、沙地[4]和湿地[5~6]地区，但针对沿海防护林体系土壤碳库特别是基岩质海岸沿海防护林土壤有机碳矿化的报道还不多见。

沿海防护林体系是我国东部沿海地区重要的生态屏障，在我国生态环境建设和全球气候变化研究中具有重要的地位。本文主要研究浙江省基岩质海岸沿海防护林体系主要林分类型土壤有机碳矿化速率、累计矿化量等内容，旨在分析浙江省基岩质海岸沿海防护林体系土壤有机碳矿化规律，系统认识该类森林体系土壤有机碳矿化特征，为进一步揭示沿海防护防护林体系土壤碳“汇”功能的变化以及全球碳循环过程中的作用等方面提供理论基础。

2 研究方法

2.1 样地选择及样品采集

在研究区内选择湿地松（Pinus elliottii）纯林、枫香（Liquidambar formosana）纯林、湿地松+枫香混交林3种有代表性的沿海防护林类型作为研究对象，并选择无林地作对照。在这4种不同类型从分中分别设置20 m ×20 m的标准样地进行调查。在每一种林分内的典型地段挖土壤剖面，分0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm两个层次采集土壤样品进行室内试验。

2.2 样品分析

土壤有机碳矿化量的测定采用室内恒温 、碱液吸收法[7]进行测定。将30 g新鲜土壤放在50 mL的密封广口瓶中，调节土壤含水率至45%左右，然后在广口瓶中放置一个盛有1 mol/L NaOH溶液15 mL的小瓶，并在广口瓶底部加入15 mL蒸馏水以保持瓶内湿度，在25℃的恒温箱中密封培养。在培养的第7、第14、第21、第28、第35 天取出NaOH溶液，从中吸取5 mL于小烧瓶中，加入1 mol/L的BaCl2溶液2.5 mL，加2滴酚酞指示剂，用1 mol/L的HCl滴定至红色消失。根据CO2的释放量计算培养期内土壤有机碳矿化量。土壤有机碳的矿化量用CO2g/kg干土表示。用称重法校正水分含量，每次处理设3次重复和空白对照。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型土壤有机碳矿化速率

土壤有机碳矿化速率为每天每 kg干土释放的CO2-C的质量，单位g/（kg·d）[8]。不同类型土壤由于其有机碳含量、有机质稳定性和质量等的差异，有机碳矿化速率不同。在培养初期，林分类型不同土壤有机碳矿化速率有显著影响，但随着培养时间的增加，差异逐渐变小，矿化速率基本稳定。

图1 不同林分类型土壤有机碳矿化速率动态Figure 1 Dynamics of SOC mineralization under different forests

由图1可看出，土层0 ~ 20 cm处4种林分类型土壤0 ~ 7 d时的矿化速率最

3.2 不同林分类型土壤有机碳矿化动态高，其中枫香+湿地松混交林土壤有机碳矿化速率达到0.19 g/（kg·d），显著高于其他3种林分类型土壤；枫香纯林土壤有机碳矿化速率次之，为0.15 g/（kg·d），湿地松纯林土壤有机碳矿化速率第3，为0.14 g/（kg·d），无林地最低，为0.12 g/（kg·d），约为枫香+湿地松混交林的63%。至第14天时，4种林分类型土壤有机碳矿化速率均值为0.1 g/（kg·d），是第7天时均值的71%。28 d后，土壤有机碳矿化速率趋于基本稳定，保持在开始时的38%左右。对于不同土层而言，在0 ~ 7 d 4种不同林分类型土壤有机碳矿化速率20 ~ 40 cm比0 ~ 20 cm低，均值低15%，在整个35 d培养过程中，土壤20 ~ 40 cm矿化速率均值比0 ~ 20 cm低28%。

土壤有机碳矿化动态是土壤有机碳日均矿化量随着培养时间的变化关系，用释放出CO2的量表示，可以表征在培养过程中不同时间有机碳矿化快慢的高低[9]。

4种林分类型由于植被类型不同，在枯落物、植物根系等方面就不同，导致土壤有机碳、微生物以及酶活性等方面出现差异，土壤有机碳矿化规律也不同。

从不同林分类型土壤培养35 d，有机碳矿化随培养时间的动态变化（图 1）可以看出，培养过程中，同林分类型土壤有机碳矿化动态变化有类似规律，随着培养时间的延长，有机碳的日均矿化量前期（7 ~ 14 d）较大但不稳定，有大幅度的下降；随着时间的延长（14 ~ 21 d）日均矿化量均有一定程度的减少，但减少幅度较小；培养后期，有机碳矿化保持相对稳定状态。整个培养过程，土壤有机碳矿化可分为快速下降期，缓慢下降期和相对稳定期3个阶段。总体来看，培养期间不同林分类型土壤有机碳日均矿化量的变化符合对数函数见表1。

表1 不同林分类型土壤有机碳矿化动态的拟合方程Table 1 Fitting equation for SOC mineralization under different forests

3.3 不同林分类型土壤有机碳矿化速率综合评价

为了对不同林分类型不同土层土壤有机碳矿化速率进行综合评价，对不同林分类型0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm两个土层第7、第14、第21、第28、第35 d土壤有机碳累计矿化速率运用 SAS软件进行聚类分析，结果见表图2。

由聚类分析可以看出，4种不同的植被类型2个土壤层次土壤有机碳矿化速率可以分为4类，其中，枫香+湿地松混交林0 ~ 20 cm归为一类，土壤有机碳矿化速率最高；枫香纯林0 ~ 20cm、湿地松纯林0 ~ 20 cm归为一类，土壤有机碳矿化速率较高；枫香纯林20 ~ 40 cm、湿地松纯林20 ~ 40 cm、枫香+湿地松混交林20 ~ 40 cm归为一类，土壤有机碳矿化速率一般；无林地0 ~ 20 cm和无林地20 ~ 40 cm归为一类，土壤有机碳矿化速率最低。

图2 不同林分类型不同土层土壤有机碳矿化速率聚类图Figure 1 Dendrogram of SOC mineralization rate at different soil layer under different forests

4 结论与讨论

（1）土壤有机碳的去向有两个方面，一方面通过矿化或呼吸作用分解形成CO2，释放到大气中或在水循环的参与下通过碳酸盐的溶蚀作用被消耗，另一方面是经过腐殖质化作用转化为与钙紧密结合的稳定胡敏酸钙[10]，或者形成稳定的团聚体变成更稳定的部分，降低土壤的淋溶强度，增加土壤有机碳的稳固性，有利于土壤有机质的累积，从而减少土壤有机碳因为分解向大气中释放CO2的数量。其中，经过矿化分解释放的有机碳一般是易分解的有机碳或活性有机碳。测定土壤有机碳矿化释放CO2-C的主要方法是室内土壤需氧培养法，这种方法培养土壤，温度和湿度得到有效控制，并且没有有机碳的输入和淋溶输出，所以培养过程中CO2的释放趋势和强度可以反映在一定温度和湿度条件下不同类型土壤有机碳的稳定性和周转速率的差异[11]。

（2）4种林分类型土壤有机碳矿化动态随着培养时间的延长，前期（7 ~ 14 d）较大但不稳定，有大幅度的迅速下降；随着时间的延长（14 ~ 21 d）日均矿化量有一定程度的减少，但减少幅度较小；培养后期，有机碳矿化保持相对稳定的状态。对整个培养过程中不同林分类型土壤有机碳日均矿化量进行拟合，其变化趋势符合对数函数。原因可以解释为，在培养过程中，微生物优先利用结构简单、活性高的有机组分，这表现为培育初期土壤有机碳矿化速率相对较高；随着培育时间的延长，活性底物消耗，微生物呼吸强度减弱，表现为土壤有机碳矿化速率缓慢下降；在培育后期，微生物以土壤中结构复杂的有机物质作为代谢底物，表现为有机碳矿化速率保持相对稳定趋势[11]。也有研究表明，土壤中有机碳根据其稳定性高低，可分为活性碳库、缓效性碳库和惰性碳库[12]。在不同培养阶段，微生物依次利用活性有机碳、缓效性有机碳和惰性有机碳为底物进行代谢活动，这与土壤有机碳矿化不同阶段相对应。

（3）土壤有机碳矿化速率是土壤碳分解速率的重要表征指标，在相同条件培养下，4种林分类型土壤矿化速率各不相同。影响土壤有机碳矿化的因子较多，如土壤有机质质量、土壤微生物、温度、湿度和土地利用方式等。本研究中枫香+湿地松混交林0 ~ 20 cm土壤有机碳矿化速率最高；枫香纯林0 ~ 20 cm、湿地松纯林0 ~ 20 cm土壤有机碳矿化速率次之；枫香纯林20 ~ 40cm、湿地松纯林20 ~ 40 cm、枫香+湿地松混交林20 ~ 40 cm土壤有机碳矿化速率一般。从这个分类可以看出，对于不同土层而言，3种防护林类型0 ~ 20 cm土层有机碳矿化率大于20 ~ 40 cm土层。这是由于表层土壤受土壤微生物、土壤温度、土壤湿度等因子的影响相对较大，导致其矿化速率较高。说明在受到气候影响和人类活动的干扰下，表层土壤敏感性最强。因此在基岩质海岸区建设针阔混交的防护林，可以提高土壤表层有机质的输入，加强腐殖质的积累，提高有机质的含量，这对增加土壤肥力，减少土壤向大气释放CO2是有利的。

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Study on Soil Organic Carbon Mineralization under Different Rocky Coastal Protective Forests

GAO Zhi-hui1，ZHANG Xiao-mian2,3，YUE Chun-lei3，ZHANG Yong4，CHEN Xian-tian5，LIN Yin2，WANG Yong3，GUO Xiao-ping2，WANG Jun3，ZHANG Jin-chi2*
（1. Zhejiang Forestry Extension Station, Hangzhou 310020, China; 2. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 4. Zhejiang Forestry Ecological Engineering Administration, Hangzhou 310020, China; 5. Sanmen Forestry Specialty Bureau of Zhejiang, Sanmen 317100, China）

Investigations were implemented on soil organic carbon(SOC) mineralization under 3 types of coastal protective forest in Zhejiang province. The result demonstrated that SOC mineralization process of tested forest types was similar and could be divided into three stages: rapid decomposition phase, slow decomposition phase and relatively stable stage, fitting a logarithmic function. Cluster analysis on mineralization rate of tested forests indicated that SOC mineralization rate was ordered by mixed forest of Pinus elliottii and Liquidambar formosana (0-20cm), pure L. formosana (0-20cm) and pure P. elliottii plantation(0-20cm), pure L. formosana and P. elliottii plantation(20-40cm), mixed forest of P. elliottii and L.formosana (20-40cm), and the last, the control, non-stocked land(0-20cm) and (20-40cm). The investigation resulted that SOC mineralization rate decreased with soil depth.

coastal protective forest; rocky coast; SOC mineralization; SOC mineralization rate

S714.6

A

1001-3776（2013）05-0006-04

2013-05-11；

2013-07-25

防海岸带侵蚀沿海基岩质海岸防护林体系研究与示范（2009BADB2B0603）；浙江省重点科技创新团队“森林生态科技创新团队”资助项目（2011R50027）；城市湿地植被修复关键技术研究与示范（2013F50G5010018）；浙江省林业厅推广项目“基于地理信息系统的海岛困难立地造林技术综合集成与推广”（2013TG28）

高智慧（1960-），男，浙江绍兴人，研究员，从事森林生态研究；*通讯作者。