马尾松低效人工林土壤易氧化有机碳在不同改造措施下的分布特征

王亚丽, 许武成, 杜忠

西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009

在全球碳循环中，土壤扮演着极其重要的角色，它是地球表层最大的有机碳库。土壤中有机碳含量估计为陆地生物圈碳库总量的2/3，碳库的变化被普遍认为是导致大气成分和全球气候变暖的重要因素[1]。土壤有机碳一般由两部分构成：一是易氧化有机碳，二是稳定性比较强的有机碳。其中，Blair等学者在进行广泛深入地调查分析后表示[2]，在作物连续生长期间能被333 mmol·L−1的KMnO4氧化的有机质最易发生变化，称之为易氧化有机碳，是反映土壤肥力变化的主要依据。有研究人员表示，易氧化有机碳不仅是预测土壤有机碳中动态周转最快的组分[3]，同时也是反映土壤有机质动态变化的重要指标[4]，可以此为依据评估土壤内部有机质的早期动态变化[5,6]。

土壤易氧化有机碳（ROOC）包括有轻组有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳、土壤可矿化碳以及碳水化合物[7]。易氧化有机碳在反映土壤质量和肥力变化时比总有机碳（TOC）更灵敏，能够比较早地揭示土壤肥力变化情况，及时准确地表达土壤物理性质的演变。ROOC可被用于描述和反映土壤物质循环特征，被视为土壤管理措施变化引起土壤有机质变化和土壤潜在生产力的早期指标[8,9]，在采取一系列经管措施后，其变化相对较为明显[10]。

作为我国栽植分布最广的一类松属树种，马尾松是南方最主要用材松属树种之一，也是四川省栽植范围最广的用材树种，它具有适生生长能力强、丰产、速生、用途广泛等诸多优点[5]。低效林是一个比较宽泛的概念，主要指的是受人为或者自然等相关因素的制约，林木生长速度滞后，林分结构不合理，系统功能明显衰退，造成森林生态功能、林产品产量和质量等远远落后于同等面积、同等范围下的林分水平。低效林改造，是改变森林资源粗放经营、提高森林资源整体功能效益的有效途径，充分发挥林地生产潜力，提高林分质量，是加快森林资源培育和林业产业建设步伐，培育优质、丰产和高效的森林资源的必然要求。但目前比较缺乏关于经营管理对马尾松低效林土壤易氧化有机碳影响的研究，鉴于此，本试验拟将目光聚焦于川南马尾松低效林，在借鉴前人研究成果的基础上立足于现实情况，积极探寻各种改造措施下土壤易氧化有机碳含量的初期变化规律，为该区森林生态系统的合理经营、碳汇功能的客观评价及土地利用方式的正确选择提供有益指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选址设在四川省宜宾市高县北部来复镇（104°21′ E—104°49′ E，28°11 N—28°42′ N），海拔274.0 m～1 252.1 m，属于典型丘陵低山地貌。该区属于中亚热带湿润性季风型气候，年平均日照时间1 107.7 h，年平均气温18.0 ℃，年降水量1 037.9 mm，年无霜期346.2 d。土壤多为山地黄壤土，其pH值为3.89～5.16，表层基岩质地松软。植被绝大部分为原始植被受破坏后的次生植被和以马尾松为主的人工植被。

1.2 研究方法

试验选取的样地主要设置在2年生的幼龄林地带，其研究区的林分形态类型、坡度坡向和当地土壤条件均相对一致。采用面积各异的林窗干扰，团块状镶嵌式改造低效低产人工林地，在林窗内栽植红椿、油樟等阔叶树种，打造针阔混交林人工生态系统。本试验共设置18个样地，其中3个马尾松低效林对照样地（CK），12个不同林窗面积标准样地，分别是10 m×10 m林窗3个（T1）、20 m×20 m林窗3个（T2）、30 m×30 m林窗3个（T3）、40 m×40 m林窗3（T4），重造样地3个（QK），调查采样时间分别为2013年12月、2014年3月、2014年6月、2014年10月，采样用蛇形5点法，将地面凋落物全部去除之后，按0 cm～20 cm土层和20 cm～40 cm土层分别取适量土样并混匀，置放于密封袋内并按照顺序进行统一编号，排尽袋内空气。将样袋带回后自然风干、研磨，过2 mm筛后备用，采用高锰酸钾氧化比色法测定土壤易氧化有机碳（ROOC）含量[11]。

1.3 数据处理

使用Excel2003软件（Microsoft，USA）进行数据整理，采用SPASS13.0统计分析软件对数据进行方差分析，显著水平α设定为0.05，用Duncan’s法进行多重比较，最后用sigmpaplot12.5（Systat Software Inc., USA）作图。

2 结果与分析

2.1 不同改造措施对土壤易氧化有机碳含量的影响

根据表1能够了解到，在同一季节，土壤中易氧化有机碳（ROOC）含量因采取的改造方法不同、土层深度不同而呈现出较大差别（P<0.05）。0～20 cm土层深度中，ROOC含量为CK>T1>T2>T3>T4>QK；即对照林最高，皆伐最低，并随开窗面积的增大而降低。20～40 cm土层深度中，春季ROOC含量表现为CK>T2>T3>T4>T1>QK，夏季ROOC含量表现为T1>T3>CK>T2>T4>QK，秋、冬季节ROOC含量均表现为CK>T2>T3>T4>T1>QK。且20～40 cm土层中的ROOC约为0～20 cm土层的31.47%～81.03%，表明不同改造模式对不同土层的ROOC含量有显著影响。

2.2 同一改造措施下易氧化有机碳季节含量变化情况

由表2可知，在同一改造措施下，ROOC含量因季节变化存在明显差异。0～20cm深度土层下，ROOC含量表现为冬、夏季节显著高于春、秋季节，且ROOC含量趋势依次表现为：夏>冬>春>秋；20～40 cm深度土层下，对照样地与重造样地中的ROOC含量趋势依次表现为：夏>冬>春>秋。而在标准样地中，ROOC含量趋势依次表现为夏>春>冬>秋。表明同一改造措施下，土层深度是影响ROOC含量的重要因素。

3 讨论

本研究中，土壤易氧化有机碳含量0～20 cm土层均高于20～40 cm土层，其原因主要包括下述几点：第一，较多作物根系残留于土壤之中；第二，土壤垂直方向上不同层次氧气含量不同，加之受人为因素影响不同。在土壤土层深度不断增加的过程中，存活于土壤中的微生物其活性不断降低，而这即使得土壤有机化合物的分解利用速率明显下降，由此造成土壤易氧化有机碳含量骤降。一般来讲，土层深度越大，土壤有机碳的残存时间愈久，有效性愈差。所以，相比于深层土壤，土壤易氧化有机碳更易停留于浅层土壤[12]。另外，据调查，研究的所有样地都有施用有机肥，有机肥及有机肥与化肥（NPK）联合配施对提高土壤易氧化有机碳有较大影响[13]，但因为追肥基本都在土壤表层进行，下层土壤只能通过渗透才能吸收到，所以土壤通过施肥增加的易氧化有机碳仍然是表层大于下层，即随土壤深度增加而降低。0～20 cm土壤层易氧化有机碳含量明显高于20～40 cm土壤层，表明表层土壤的碳储存能力较强，加大了土壤稳定作用，随即改善了土壤的物理及生物性质，使得土壤肥力明显提升，而这已被证实[14]。

表 1 不同改造措施土壤易氧化碳含量变化情况Tab. 1 Soil readily oxidizable carbon content under different transformation measures

表 2 同一改造措施下土壤易氧化有机碳含量的影响Tab. 2 Effects of the same transformation measure on soil readily oxidizable carbon content

本研究中，通过不同季节土壤采样对土壤易氧化碳含量进行分析，研究表明土壤易氧化碳含量随季节的变化而变化。同时，研究发现，同一土壤层，不同改造措施土壤中易氧化有机碳含量表现为皆林砍伐重造<大林窗补植间伐<小林窗补植间伐<马尾松纯林，其原因有多种：（1）是由于马尾松低效林样地长期未得到管理，其生态系统近似于低效天然林生态系统，间伐补植林窗和皆林砍伐重造都是人工再造林地。有研究表明，当自然生态系统逐步向人工管理生态系统过渡及演变时，土壤性质骤变，譬如，土壤肥力明显减弱、土壤团聚化降低等[15]。天然林转换为人工林后，土壤中所存在的植物细跟及其凋落物均明显减少，加之受人为因素的影响，土壤水分、温度等土壤环境因子发生显著变化，土壤有机质矿化作用进一步加强，由此造成ROOC减少[16]。同时林窗面积越大，则人工改造越多，对其影响越明显。可见，维持土壤较高碳含量的前提是减少人为干扰。（2）是气候影响，有研究表明，降雨和灌水可显著提高活性有机碳的质量分数[2]，ROOC是土壤有机碳中易被氧化、分解的部分[17]，随土壤湿度波动，易氧化有机碳质量分数表现为：湿润区>潮湿区>半湿润区>半干旱区[18]。（3）是因为在低效林改造初期，林地表层土壤环境条件特别是温度和水分条件发生较大变化，使土壤中原有的易氧化有机碳分解加快，加之改造初期林木幼小，枯落物回归量少。表明在森林生态系统内，无论何种改造措施，初期由于环境条件改变，枯落物回归量减少，土壤中原有有机质分解加快，都能不同程度降低土壤中的易氧化有机碳含量，且与砍伐面积呈负相关，即砍伐面积越大土壤中易氧化有机碳含量越低。但随着林分的生长，林内森林环境条件形成，枯落物回归量增加，林地土壤中易氧化有机碳含量会逐渐增加，土壤的固碳能力亦会明显提高[19]。

4 结论

（1）同一改造措施、不同土壤层易氧化有机碳含量，均随土层深度的增加而减少；同一土壤层、不同改造措施易氧化有机碳含量不同，具体表现为：皆林砍伐重造< 大林窗补植间伐改造< 小林窗补植间伐改造< 马尾松纯林，上述改变差异在表层0～20 cm土壤中较为突出，在土层深度不断增大的过程中，其差别日益减小。

（2）在森林生态系统内，无论何种改造措施，初期由于森林采伐必然导致林地环境条件改变，枯落物回归量减少，土壤中原有有机质分解加快，从而不同程度降低土壤中的易氧化有机碳含量，且与砍伐面积呈负相关。