凤阳山典型林分土壤有机碳特征1)

陈美玲 赵友朋 张金池 王宇浩 孟苗婧 刘鑫 李翀 谢德晋

(南京林业大学，南京，210037)

森林作为陆地生态系统中最大的“碳汇”，森林土壤中有机态形式的碳约1 400～1 500 Gt，约是陆地植被碳库的2～3倍[1]，在全球碳平衡和气候变化中发挥着不可替代的作用[2]。森林类型的转化被认为是森林土壤碳动态变化的重要驱动力，并直接影响土壤碳的储存[3]。土壤有机碳、总氮、pH、孔隙度、密度等理化性质，均是土壤肥力、结构和质量评价的重要指标[4-5]。

在过去的10 a中，亚热带地区的许多地区，将天然林大规模地转化为人工林[6]。森林类型转化，可以改变地表植物组成，进而通过改变植物根系、凋落物和土壤微生物群落，改变土壤条件[7]；土壤有机质和pH驱动了森林类型转化后细菌群落的变化[8]；氮磷储量动态[9]、碳降解酶活性[10]、土壤水解酶和氧化酶活性[11]、真菌群落[12]、微生物共生网络[13]，也受森林类型转化的影响。

凤阳山自然保护区为森林生态的自然保护区，原为常绿阔叶林[14]。20世纪70年代，该区域进行了部分间伐和补植，产生了几种新的森林类型，包括针阔混交林、杉木林和竹林等[15]。几种新的森林类型，改变了土壤的饱和导水率[15]、土壤纳米尺度孔隙[7]、土壤细菌群落组成和多样性[16]。但是，关于原始森林类型转化后，对土壤碳、土壤理化性质影响的研究较少。为此，本研究于2016年8月份，在浙江省凤阳山海拔1 300～1 400 m选取4种主要林分类型(常绿阔叶林、针阔混交林、杉木林、竹林)为研究对象，每种林分设置3个标准样地(20 m×20 m)；在每个标准样地内，用“S”型方法，布设5个样点，按照2个土层深度(h)0

1 研究区概况

研究试验区位于钱江源-百山祖国家公园龙泉保护中心内(东经119°6′～119°15′、北纬27°46′～27°58′)。保护区内地形地貌复杂多样，主峰黄茅尖海拔1 929 m，是江浙地区第一高峰。凤阳山属于中亚热带温暖湿润气候区，区内森林覆盖率高达95%，全年降水量2 400 mm，年蒸发量1 171.0 mm，年平均气温12.3 ℃。保护区内植物种类多样，有部分原始的亚热带常绿阔叶林，于1971—1973年补植后，形成针阔混交林、竹林、杉木林等新的森林类型；优势树种，主要有短柄枹(Quercusglandulifera)、黄山松(Pinustaiwanensis)、木荷(Schimasuperba)、红豆杉(Taxuswallichiana)、马尾松(Pinusmassoniana)、多脉青冈(Cyclobalanopsismultinervis)、板栗(Castaneamollissima)、杉木(Cunninghamialanceolata)、雷公鹅耳枥(Carpinusvimineawall)等[17]。

2 研究方法

2016年8月份，选取保护区海拔1 300～1 400 m的4种林分，常绿阔叶林、针阔混交林、杉木林、竹林。每种林分设置3个20 m×20 m重复样地(见表1)，对树木的种类、树高、胸径、林龄、郁闭度等进行调查测定。

表1 样地森林类型基本特征

每个标准样地内清除土壤表层枯枝落叶，依据“S”形走向布设5个样点，挖取土壤剖面，然后剔除根系、石块等杂物；根据研究区土壤结构，按照2个土层深度(h)0

土壤总氮(TN)，采用元素分析仪测定[18]；土壤密度、孔隙度，采用环刀法测定[19]；土壤pH，采用pH计测定(V(水)∶m(土)为2.5 mL∶1.0 g)[17-18]；土壤总有机碳，采用重铬酸钾外加热法测定[20]。

颗粒有机碳的测定[21]：风干20 g土样过2 mm筛，倒进已经注入100 mL质量浓度为5 g/L的六偏磷酸钠[(NaPO3)6]的250 mL三角瓶；90 r·min-1恒温震荡18 h并过53 μm筛，然后蒸馏水反复冲洗至水清澈只存筛上留存物，烘箱60 ℃烘干至恒质量(约48 h)，即为颗粒有机碳质量，计算其质量占土壤样品总质量的比例。

土壤矿质结合态有机碳测定：土壤总有机碳质量分数-土壤颗粒有机碳质量分数[17-18]。

应用方差分析法(ANOVA)对不同林分和不同土层间单因素差异性分析，采用最小显著性差异法(LSD)分析显著相关性[22]。

3 结果与分析

3.1 不同林分土壤有机碳组成特征

3.1.1 土壤有机碳特征

由表2可见：4种林型的土壤有机碳质量分数，常绿阔叶林在0

地表植被类型、微生物活动和人为活动等因素，综合影响土壤有机碳质量分数[23]。但相关研究表明，不同的林分类型对土壤有机碳质量分数影响不同[24]。本研究中，4种类型林分，常绿阔叶林和针阔混交林的土壤有机碳质量分数，比竹林和杉木林的土壤有机碳质量分数略高。常绿阔叶林的土壤有机碳质量分数比杉木和竹林的高，主要是因为常绿阔叶林植物物种丰富，枝繁叶茂，地表凋落物较多[25]，因此生物归还量大，有更多的外源有机物料的输入；而竹林和杉木林林分单一，地表凋落物有限，生物归还量也相对较少。其次，常绿阔叶林的根系庞大，冠层密集，可以通过拦截降雨，大幅增强土壤胶结物质的稳定性，从而促进团聚体形成，有利于有机碳的稳定和降低土壤表层的养分流失。这是常绿阔叶林的土壤有机碳质量分数较高的重要原因。

表2 不同林分类型各土层的土壤有机碳质量分数

3.1.2土壤颗粒有机碳和矿质结合态有机碳及其碳组分特征

根据物理大小组分，按照颗粒大小将有机碳(SOC)分为颗粒有机碳(POC)和矿质结合态有机碳(MOC)。

由表3可见：在0

表3 不同林分类型各土层的土壤颗粒有机碳、矿质结合态有机碳质量分数及其占总有机碳质量比例

土层(h)/cm土壤颗粒有机碳占总有机碳质量比例/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤矿质结合态有机碳质量分数/g·kg-1常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤矿质结合态有机碳占总有机碳质量比例/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

颗粒有机碳对有机质的降解起抑制作用，遭到破坏后的分解物充当土壤团聚体胶结剂的作用；矿质结合态有机碳主要是腐殖化的有机物质，受到了土壤黏粒和粉粒保护，因此状态相对稳定，可以保存较长时间，对有机碳的稳定起着重要作用[26]。本研究中，在15 cm

3.1.3 土壤细颗粒有机碳和粗颗粒有机碳特征

根据土壤颗粒粒径(d)将颗粒有机碳分为粗颗粒有机碳(d>0.25 mm)、细颗粒有机碳(d≤0.25 mm)[27]。

由表4可见：从整体剖面看，除竹林外，其他3种林分类型土壤细颗粒有机碳(FPOC)质量分数，均随土层深度的增加呈逐渐降低；4种林分类型在0

表4 不同林分类型各土层的土壤细颗粒有机碳、粗颗粒有机碳质量分数及其占总有机碳质量比例

土层(h)/cm土壤细颗粒有机碳占总有机碳质量比例/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤粗颗粒有机碳质量分数/g·kg-1常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤粗颗粒有机碳占总有机碳质量比例/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

本研究表明，在表层土壤(0

3.2 土壤有机碳与理化性质的相关性

由表5可见：在15 cm

本研究表明，各林分中土壤有机碳和总氮质量分数随着土层加深显著减少，具有“表层聚集”的特征[32-33]。主要原因，一方面是微生物代谢活动给供给森林养分，另一方面是地表植被枯落物、植物根系、凋落物分解释放了大量植物生长所需的营养元素，表层的有机质、腐殖质等营养物质大量聚集。有研究表明，土壤表层50 cm以内分布了大量植物根系，植物地下生物量大部分集中在土壤表层[34]。植物根系分布随土层加深而减少，有机质来源减少，下层土壤也更加结实，阻挡了有机碳向下渗入，且微生物活动也减少，导致了有机碳随着土层的加深而减少[35-38]。

表5 不同林分类型各土层的土壤理化性质

土层(h)/cm土壤总氮质量分数/g·kg-1常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤密度/g·cm-3常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤总孔隙度/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤毛管孔隙度/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

土层(h)/cm土壤非毛管孔隙度/%常绿阔叶林针阔混交林杉木林竹林0

森林林分类型的变化对土壤pH、密度的影响，随土层深度的加深而增加。有研究表明，单纯营造针叶林，将会导致林业土壤酸性增强，土壤pH逐渐降低，土壤板结沉实，土壤结构遭到破坏，其养分存储能力下降[39]。然而，在本研究中，由于竹林盛产竹笋，导致人为活动增加，表层土壤因踩踏导致孔隙度降低[40]，土壤板结，竹林土壤总氮质量分数低于下层土壤[41]，因而竹林土壤pH略高于针阔混交林土壤。

本研究表明，4种林分土壤密度均值为1.04 g·cm-3，密度值小，疏松多孔，透气透水性好。总体看，针阔混交林和竹林的土壤密度，比阔叶混交林和杉木林的小；针阔混交林和竹林对土壤结构的改善效果较好，每年归还林地的凋落物多，对增加土壤有机质、降低土壤坚实度方面发挥重要作用，使土壤更加疏松多孔。本研究中，土壤密度随土层加深而增大；主要是因为在成土过程中，下层土壤由于物质的迁移、转化和沉积而更加紧实，表层土壤在大量地表生物影响下，加之密集的根系固土和微生物活动，导致表土疏松多孔，通透性较好[40]。

由表6可见：在15 cm

表层土壤和深层土壤有机碳与理化性质呈现不同的相关性，主要是因为，表层土壤中，由于在地表上落叶、生物活动、人为活动等因素，致使表层土壤中有较多的有机质；而随着土层的加深，由于雨水的淋溶作用、深层细根的减少和微生物活动的减少，土壤中的有机碳相对减少；因此呈现出有机碳与理化性质在不同土层相关性不同。随着土层加深，有机碳质量分数逐渐增加、土壤密度减小、pH也逐渐变小，氮素反而升高[42]。

本研究中，土壤总氮质量分数，与土壤细颗粒有机碳质量分数呈极显著正相关(P<0.01)，与有机碳质量分数和颗粒有机碳质量分数呈显著正相关(P<0.05)，表明土壤总氮是影响有机碳组分的关键因素，总氮通过影响颗粒有机碳中的细颗粒有机碳，影响有机碳稳定性。常绿阔叶林转化为竹林后，总氮和有机碳质量分数显著低于常绿阔叶林，说明林型转化后，竹林对土壤表层的养分利用效率降低，更多利用自身土壤中的有机质分解，因此，林分转化显著改变了竹林的凋落物吸收与分解速率，影响竹林有机碳的积累与储存能力。

本研究中，土壤总孔隙度、毛管孔隙度，与有机碳质量分数、颗粒有机碳质量分数、细颗粒有机碳质量分数呈极显著相关(P<0.01)，表明土壤孔隙度越大越有利于有机碳的积累。土壤孔隙度影响土壤中水分和气体的运移与交换[43]，土壤孔隙度增大，可以更好地固持有机碳中的颗粒物，引起颗粒有机碳的变化，促进有机碳的积累。土壤密度，与土壤有机碳质量分数、颗粒有机碳质量分数、细颗粒有机碳质量分数呈极显著负相关(P<0.01)，表明在下层土壤中，由于植物凋落物和根系分泌物的减少，导致下层土壤养分和水分减少，土壤密度增加，孔隙度降低，微生物分解活动随着减少，进而导致有机碳质量分数的减少。这也说明，不同林分类型、不同土壤养分、不同根系分泌物时，有机碳质量分数也有所不同。

表6 不同林分类型土壤基本理化性质与土壤有机碳之间的相关系数

4 结论

森林类型由常绿阔叶林部分转化为杉木林、竹林后，对土壤有机碳稳定性产生影响；不同林分类型的土壤总氮质量分数、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤密度等理化指标，可以通过影响颗粒有机碳质量分数中的细颗粒有机碳质量分数，影响有机碳稳定性。除竹林外，其他3种森林类型的有机碳质量分数均随土层的增加而减少，表现出明显的“表聚效应”。