去除凋落物和草毡层对寒温带典型森林土壤活性有机碳的短期影响

2024-02-29 09:20满秀玲
水土保持研究 2024年1期
关键词:种林白桦林樟子松

王 军, 满秀玲

(东北林业大学 林学院, 哈尔滨 150040)

森林生态系统是陆地生态系统中最大的碳库,在全球碳循环以及气候变化中发挥着关键作用[1-2]。Cai等的研究表明,森林生态系统55%~70%的碳是以有机碳的形式储存于森林土壤中[3],土壤有机碳储量的微小变化都会对森林碳循环产生深远影响[4]。活性有机碳是土壤有机碳的重要组成部分,虽然只在土壤碳库中占很小的一部分,但因其活性高、周转快以及对土壤有机质变化的高敏感性,常常被作为衡量土壤有机碳变化的早期预测指标[5]。

在森林生态系统中,土壤活性有机碳的主要来源是植物残体分解、微生物代谢以及根系分泌物等[6]。其中森林凋落物是土壤活性有机碳的重要来源之一,凋落物的分解淋溶会促进土壤微生物和酶的活性,增加土壤养分含量,利于林木的生长发育[7]。而去除凋落物会通过减少凋落物层数量对土壤碳库组成以及活性有机碳含量造成影响[6,8]。但目前去除凋落物对土壤活性有机碳的影响结果并不一致,例如张磊等[9]在亚热带天然米槠林中去除凋落物后土壤活性有机碳组分含量显著降低。李常准等[10]在温带阔叶红松林中的试验中发现去除凋落物对土壤颗粒有机碳和轻组有机碳影响显著但对易氧化有机碳的影响并不显著。而在亚热带杉木人工林中,去除凋落物后土壤可溶性有机碳含量无显著变化,但微生物量碳含量显著升高[11]。因此,去除凋落物对土壤活性有机碳的影响会因森林系统类型以及凋落物质量的不同而表现出差异。草毡层是普遍存在于我国高寒地区土壤中的特殊层次,由于常年处于低温寒冷的环境,植物残体不能充分分解,多以原状或半分解形态存在于土壤中,具有较高的有机质含量[12],对土壤养分有着重要影响。草毡层主要分布于我国的高山带或山地寒温带[13],有研究表明,在青藏高原地区的高寒草甸中,草毡层是土壤碳重要的储存场所,其固碳能力反映着高寒生态系统的固碳能力[14]。在人为和自然因素共同影响下会造成草毡层的消亡,草毡层的消失会使土壤有机碳加速流失[15-16],而土壤有机碳的流失又会对生态系统碳循环产生影响。因此,草毡层的存在对于土壤有机碳的固定与储存具有重要意义。大兴安岭北部是我国唯一的高纬度寒温带地区,草毡层广泛分布于森林凋落物层之下,但草毡层对于本地区森林土壤碳库有何影响目前还不清楚,因此探究草毡层在寒温带森林土壤碳循环中的作用也具有较为重要的意义。

大兴安岭北部林区地处寒温带,是我国重要的林业生产基地,在国家生态功能区中发挥着重要的碳平衡功能[17]。随着全球气候变暖趋势的加剧,可能会对凋落物输入量和草毡层固碳能力产生正面或负面的影响,进而对土壤有机碳产生影响。然而,大兴安岭地区去除凋落物和草毡层对土壤活性机碳影响的研究却鲜为报道。因此,本研究以分布于大兴安岭北部的白桦(Betulaplatyphylla)林、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)林和兴安落叶松(Larixgmelinii)林3种典型森林为研究对象,探究凋落物和草毡层去除对土壤活性有机碳的影响,以期为寒温带森林土壤碳循环的研究提供科学参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江漠河森林生态系统国家定位研究站(122°06′—122°27′E,53°17′—53°30′N)北段,本区属寒温带大陆性季风气候,季节分明,冬季酷寒漫长,夏季温热潮湿。区内最低气温达-52℃,年平均气温为-4.9℃,年均降水量为450 mm,主要集中在7—8月。该地区为我国的多年冻土分布区,地带性植被为兴安落叶松林,是我国唯一的大面积兴安落叶松原始林分布区。此外,还分布有樟子松林、白桦林、山杨(Populusdavidiana)林等森林群落。林下植被主要有越桔(Vacciniumvitis-idaea)、兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)和杜香(Ledumpalustre)等。地带性土壤为棕色针叶林土,局部地段分布有沼泽土、草甸土等土壤类型。

1.2 样地设置及样品采集

经过踏查后,于2021年5月选取白桦林、樟子松林和兴安落叶松林为研究对象,3种林型样地基本情况见表1。在每种林型内各设置3块规格为20 m×30 m的样地,3种林型共计9块样地。在每块样地内随机设置4个4 m×1.5 m的试验小区,做如下处理,(1) 对照,保留凋落物和草毡层;(2) 去除凋落物,将小区内的凋落物全部去除,并用尼龙网覆盖,防止当年的凋落物落入;(3) 去除草毡层,先将小区内的凋落物按未分解层及半分解层分层收集,之后将草毡层去除,最后将凋落物按半分解层和未分解层的顺序均匀地铺回小区内;(4) 去除凋落物和草毡层,将小区内的凋落物和草毡层全部去除后,用尼龙网覆盖。共计设置36个试验小区。于2021年9月进行采样,在每一样地内随机设置3个50 cm×50 cm的凋落物样方,测定凋落物层厚度并收集样方内的全部凋落物样品。之后在样方外侧挖取侧剖面,测定草毡层厚度,用土刀将草毡层与土壤层分离(草毡层与土壤层具有较为明显的分界线且较易分离),在分离后的草毡层上割取规格为10 cm×10 cm的试验样品用于基本性质的测定。凋落物和草毡层样品采集完毕后,在每个试验小区内分别采集0—10 cm和10—20 cm土层土壤样品,同时使用规格为100 cm3的环刀采集各层原状土。将采集的凋落物、草毡层和土壤样品分别装入密封袋内带回实验室。凋落物和草毡层样品称取鲜重后放入烘箱80°烘干至质量恒定测定自然含水量并计算储量,之后将烘干后的凋落物和草毡层样品研磨过0.149 mm钢筛后装入密封袋中用于碳氮含量的测定。土壤样品挑出植物根系、石块等杂物后过2 mm钢筛。取部分鲜土用于土壤含水量、可溶性有机碳和微生物量碳等指标的测定,另取部分土样于阴凉干燥处自然风干,研磨后分别过2 mm和0.149 mm钢筛后储存在密封袋内用于土壤pH、总有机碳、全氮和易氧化有机碳含量的测定。

表1 样地基本情况Table 1 Basic information of the sample plots

表2 凋落物和草毡层基本特征Table 2 Basic characteristics of litter and sod layers

1.3 样品指标测定方法

土壤含水量采用铝盒烘干法(105℃,24 h)测定,土壤pH采用pH计法测定,土壤容重采用环刀法测定。凋落物、草毡层以及土壤总有机碳、全氮含量分别使用总有机碳分析仪固体模块(MultiN/C2100, Germany)和AA3连续流动分析仪(Seal Analytical, Germany)测定。土壤可溶性有机碳以0.5 mol/L的硫酸钾溶液浸提[18](水土比2∶1),土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸—硫酸钾溶液浸提[19],两者所得提取液过0.45 μm滤膜后使用总有机碳分析仪液体模块测定。易氧化有机碳采用高锰酸钾—氧化法[20]提取后用分光光度计测定。

1.4 数据处理与分析

数据统计分析由Excel 2019和SPSS 25.0完成。采用单因素分析法(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同林型、处理指标的差异,独立样本t检验比较不同层次指标的差异。土壤活性有机碳与理化性质的相关性采用皮尔逊(Pearson)相关分析法。图表的绘制由OriginPro 2021和Word 2019完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对3种林型土壤理化性质的影响

由表3可知,3种林型在经过不同去除处理后土壤理化性质相较对照发生了较为明显的变化。在0—10 cm土层,白桦林中,RL处理对土壤含水量、容重、pH值、总有机碳和全氮含量无显著影响,RS和RR处理显著降低了土壤有机碳和全氮含量,而对土壤含水量、容重和pH值无显著影响。在樟子松林中,RL和RS处理显著提高了土壤pH值,RR处理显著提高土壤pH值,而土壤总有机碳和全氮含量显著降低。在兴安落叶松林中,RL处理显著提高了土壤pH值,而土壤总有机碳含量显著降低,RS处理显著降低了土壤含水量,RR处理显著降低了土壤含水量、总有机碳和全氮含量,而土壤pH值显著升高。在10—20 cm土层,白桦林中,RL和RS处理后土壤pH值和总有机碳含量显著降低,RR处理后土壤总有机碳含量显著降低。在樟子松林中,RL处理后土壤各理化性质指标与CK相比无显著变化,RS处理后土壤总有机碳含量显著降低,RR处理后土壤pH值显著升高,而总有机碳含量显著降低。在兴安落叶松林中,RL处理后土壤总有机碳含量显著降低,RS处理后土壤含水量和总有机碳含量显著降低,RR处理后土壤含水量和总有机碳含量显著降低,而土壤容重和pH值显著升高。

表3 3种林型不同处理土壤理化性质变化特征Table 3 Three forest types under different treatments of soil physical and chemical properties change characteristics

2.2 不同处理对3种林型土壤可溶性有机碳含量的影响

由图1可知,在0—10 cm土层,白桦林不同处理土壤可溶性有机碳含量表现为:CK(134.44 mg/kg)>RL(121.97 mg/kg)>RS(112.82 mg/kg)>RR(104.62 mg/kg),其中RS和RR处理土壤可溶性有机碳含量显著低于CK,与CK相比分别降低了16.08%和22.18%,而RL处理与CK土壤可溶性有机碳含量无显著差异。在樟子松林中,与CK(69.63 mg/kg)相比,RS和RR处理后土壤可溶性有机碳含量显著降低,降幅分别为17.38%和21.14%,而RL处理后土壤可溶性有机碳含量降低了9.92%,未达显著水平。在兴安落叶松林中,与CK(90.54 mg/kg)相比,土壤可溶性有机碳含量在RL,RS和RR处理后分别降低了25.49%,12.82%和11.25%,其中仅在RL处理下达显著水平。由此表明去除凋落物对兴安落叶松林表层土壤可溶性有机碳含量的影响较大。而在10—20 cm土层,3种林型经过不同去除处理后土壤可溶性有机碳含量均无显著变化,因此说明去除凋落物和草毡层对10—20 cm土层可溶性有机碳含量的影响较小。

图1 3种林型不同处理土壤可溶性有机碳含量特征

2.3 不同处理对3种林型土壤微生物量碳含量的影响

由图2可知,3种林型不同处理土壤微生物量碳具有明显的表聚性,表层(0—10 cm)土壤微生物量碳含量要极显著高于10—20 cm土层(p<0.01)。分析各林型经过不同处理后土壤微生物量碳含量的变化可知:在0—10 cm土层,白桦林经过不同处理后土壤微生物量碳含量极显著降低(p<0.01),RL,RS和RR处理的微生物量碳含量相比CK(731.40 mg/kg)分别降低了19.26%,42.02%和22.03%。从图中还可看出,RS处理土壤微生物量碳含量最低且显著低于RL和RR处理,因此可知去除草毡层对白桦林土壤微生物量碳含量的影响最为显著。樟子松林不同处理土壤微生物量碳含量表现为:CK(336.18 mg/kg)>RL(311.57 mg/kg)>RS(270.73 mg/kg)>RR(267.19 mg/kg),其中RS和RR土壤微生物量碳含量极显著低于CK(p<0.01),与CK相比分别降低了19.47%和20.52%,而RL与CK间的差异不显著。在兴安落叶松林中,RL,RS和RR处理后土壤微生物量碳含量显著低于CK(580.66 mg/kg),与CK相比分别降低了18.86%,23.49%和27.01%。虽然3种去除处理土壤微生物量碳含量均显著低于对照,但它们相互并无显著差异,这说明无论是凋落物还是草毡层抑或是两者的共同作用均对兴安落叶松林土壤微生物量碳含量有着重要影响。在10—20 cm土层,3种林型在经过不同去除处理后,土壤微生物量碳含量有小幅降低但并未达显著水平,因此说明10—20 cm土层土壤微生物量碳对凋落物和草毡层去除处理的响应较弱。

图2 3种林型不同处理土壤微生物量碳含量特征

2.4 不同处理对3种林型土壤易氧化有机碳含量的影响

由图3可知,在白桦林中,与CK(5.47 g/kg)相比,RS和RR处理后土壤易氧化有机碳含量极显著降低(p<0.01),降幅分别为60.69%和56.31%,而RL与CK相比降低了4.57%,未达到显著水平。RS处理土壤易氧化有机碳含量极显著低于RL(p<0.01),说明去除草毡层对白桦林土壤易氧化有机碳含量的影响较大。在樟子松林中,RL处理土壤易氧化有机碳含量与CK(4.27 g/kg)相比无显著差异,而RS和RR处理土壤易氧化有机碳含量显著低于CK,降幅分别为17.33%和52.22%。RR处理土壤易氧化有机碳含量极显著低于RL和RS处理(p<0.01),因此可知,凋落物和草毡层对樟子松林土壤易氧化有机碳的共同作用要明显大于凋落物或草毡层的单独作用。兴安落叶松林土壤易氧化有机碳含量在RL,RS和RR处理后相较CK(10.05 g/kg)分别降低了39.40%,4.88%和57.01%,其中RL和RR处理土壤易氧化有机碳含量极显著低于CK(p<0.01),而RS与CK土壤易氧化有机碳含量无显著差异。RS处理土壤易氧化有机碳含量显著高于RL,说明草毡层对兴安落叶松土壤易氧化有机碳的影响较小,凋落物对土壤易氧化有机碳的贡献更大。在10—20 cm土层,白桦林和樟子松林土壤易氧化有机碳含量在不同去除处理后的变化趋势与表层土壤基本一致。而兴安落叶松林经过不同去除处理后,土壤易氧化有机碳含量与对照相比未发生显著变化。

图3 3种林型不同处理土壤易氧化有机碳含量特征

2.5 土壤活性有机碳组分影响因子分析

采用Pearson相关性法对3种林型土壤活性有机碳组分与影响因子进行相关性分析。由表4可知,3种林型不同活性有机碳组分间呈极显著的正相关关系。3种林型活性有机碳各组分与土壤总有机碳、全氮和含水量呈显著或极显著的正相关,而与土壤pH值呈显著或极显著的负相关。与土壤容重呈负相关,但仅在白桦林中达显著水平。

表4 3种林型土壤活性有机碳组分与影响因子的相关性系数Table 4 Correlation coefficients between soil active organic carbon components and influencing factors in three forest types

3 讨 论

凋落物是森林土壤碳库的重要来源[8],而活性有机碳又是土壤碳库中易流动、易分解的组分[21],因此研究凋落物与土壤活性有机碳的关系对于进一步了解森林生态系统碳循环的运转具有重要意义[6]。有研究表明,新鲜凋落物有机层的渗透液和分解产物为土壤提供了活性有机碳的输入,去除凋落物会降低土壤活性有机碳含量并对土壤微环境产生影响[22-23]。本研究中去除凋落物后3种林型表层土壤可溶性有机碳含量降低了9.32%~25.49%,低于亚热带滨海沙地防护林的30.6%~52.9%[19]和米槠次生林的39.43%[24]。这可能是因为寒温带平均气温较低,凋落物分解缓慢[17],因而去除凋落物对土壤可溶性有机碳含量的影响相对于热带或亚热带等地区要小。去除凋落物后白桦林和兴安落叶松林土壤微生物量碳含量显著降低,这与多数研究结果一致[19,23-24]。有研究表明凋落物中含有的易变性有机碳是土壤微生物的重要碳源[22],去除凋落物后微生物可利用的碳源减少,因而土壤微生物量碳含量显著降低[24]。樟子松林在去除凋落物后土壤微生物量碳含量变化不显著,这可能是因为樟子松林凋落物质量较低(表2),不易被微生物分解利用,因此短期的去除处理并没有产生较为显著的变化。去除凋落物后白桦林和樟子松林土壤易氧化有机碳含量无显著变化,而兴安落叶松降低了39.40%,这与李常准等[10]在温带红松人工林中去除凋落物后的结果相似,这可能是因为去除凋落物后土壤微生物量的降低使得土壤有机质向易氧化有机碳的转化受到抑制,因此土壤易氧化有机碳含量显著降低。

草毡层是分布于高寒地区土壤中的特殊有机质层,由于气温低,干冷季漫长,土壤长期冻结,微生物活动较弱,以致死亡的根系和枯枝落叶难以分解,而以有机残体或腐殖质的形态积累于土壤或地表中,形成草根盘结的毡状表层[12-13]。有研究表明虽然草毡层聚集了较高含量的有机质,但由于分布区内土温较低,土壤动物少且不活跃,因此作为土壤有机物补给源的作用大幅降低[25]。而有些学者的研究结果则表明草毡层在高寒生态系统中具有极好的固碳能力[14],草毡层的存在避免了土壤表层有机质随土壤侵蚀的流失,而草毡层的消失会增加土壤有机碳的流失[15-16]。本研究中去除草毡层后3种林型土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量发生不同程度的降低,这可能是因为去除草毡层减少了土壤微生物可获取的碳源,因而造成微生物量的降低,而微生物量的减少又会使凋落物的分解速率减缓,因此土壤可溶性有机碳含量也出现降低。去除草毡层对土壤易氧化有机碳含量的影响在不同林型中表现出明显的差异,去除草毡层后白桦林和樟子松林土壤易氧化有机碳含量分别降低了60.69%和17.33%,要明显高于去除凋落物后的4.57%和5.39%,这可能是因为白桦林和樟子松林草毡层C/N值要显著低于凋落物,草毡层相较凋落物更易被微生物分解转化为土壤易氧化有机碳,因此去除草毡层后土壤易氧化有机碳含量的降幅相较去除凋落物后要更大。而兴安落叶松林在去除凋落物后土壤易氧化有机碳含量降低了39.40%,去除草毡层后降幅仅为4.88%,其变化规律与白桦林和樟子松林相反。有研究表明凋落物分解速率会随着C/N值的增大而减小,C/N值越大凋落物质量越低,其养分归还到土壤的速率越慢[26]。而在本研究中兴安落叶松凋落物C/N值要低于白桦林和樟子松林,说明兴安落叶松林凋落物质量要高于白桦林和樟子松林,Xiong等[27]的研究也表明高质量凋落物的分解产物向土壤中转移的比例更高,这可能是去除凋落物对兴安落叶松林土壤易氧化有机碳含量的影响比其他林型显著的主要原因。

同时去除凋落物和草毡层后,3种林型土壤活性有机碳含量与对照相比都发生了不同程度的降低,这可能是因为去除凋落物和草毡层后地表土壤会受到光照或降雨等因素的直接影响,土壤理化性质的改变可能会恶化土壤微生物的生存环境[28],降低其活性及数量,进而降低了土壤活性有机碳含量。但同时去除凋落物和草毡层后土壤活性有机碳含量的降低趋势与单独去除凋落物或草毡层相似但又因林型的不同而表现出差异。在白桦林中,与对照相比,同时去除凋落物和草毡层后土壤可溶性有机碳含量降幅最大,但与其他去除处理的差异并不显著,而土壤微生物量碳和易氧化有机碳含量的降幅则是在去除草毡层后最大,并且去除草毡层后土壤微生物量碳含量的降幅要明显高于去除凋落物以及同时去除凋落物和草毡层处理。在樟子松林中,同时去除凋落物和草毡层后的各活性有机碳组分含量均为最低,尤其是土壤微生物量碳含量要显著低于其他去除处理。在兴安落叶松林中,同时去除凋落物和草毡层对土壤可溶性有机碳含量的影响要略低于单独去除凋落物,对土壤微生物量碳含量的影响则稍大于单独去除凋落物和单独去除草毡层处理,而对土壤易氧化有机碳含量的影响则是显著高于单独去除凋落物或草毡层。由此可知,同时去除凋落物和草毡层对土壤活性有机碳含量的影响是一个比较复杂的过程,且影响程度并不总是大于单独去除凋落物或草毡层。

经过不同去除处理后土壤理化性质相比对照也发生了不同程度的变化,而从相关性分析可知(表4),土壤总有机碳、全氮、含水量和pH值等理化性质与土壤活性有机碳具有显著的相关性,这与张磊等[11]的研究结果相似,由此我们可以推测去除凋落物和草毡层后土壤理化性质的变化可能是引起活性有机碳产生变化的重要原因。

总体而言,去除凋落物和草毡层在短期内对寒温带3种典型森林土壤活性有机碳产生了一定的影响,但影响程度在不同林型中表现出差异,这可能因为受到凋落物和草毡层储量、质量以及土壤理化性质等因素综合影响的结果[19,24]。除了林型外,去除凋落物和草毡层后土壤活性有机碳的变化还受到土层的影响。10—20 cm土层活性有机碳含量在去除凋落物和草毡层后的变化幅度要低于0—10 cm土层,这可能是因为深层土壤对有机质输入量的变化具有滞后性。

有研究表明,控制有机质输入对土壤可溶性有机质和微生物特性的影响会因处理时间长短而异[29],短期的处理对于土壤可溶性碳氮以及微生物碳氮的影响具有变异性且会在不同森林生态系统中表现出不同的结果[19],因此开展长时间的监测与分析对于更加深刻地理解凋落物和草毡层在寒温带森林土壤碳循环中所发挥的作用具有重要意义。此外,凋落物和草毡层的分解其实是一个比较漫长的过程,随着处理时间的增加,凋落物和草毡层的分解不再受到限制,对土壤活性有机碳的影响也许会更显著,但森林生态系统都具有一定的自我调节与恢复能力[10],当土壤微生物群落逐渐适应了没有凋落物和草毡层存在的环境后,不同去除处理对于土壤活性有机碳的影响或许会变得越来越小,与对照的差异也会逐渐缩小,但长期效应是一个比较复杂的过程,因此今后应多注重长时间以及多次土壤样本的监测与分析。

4 结 论

(1) 凋落物和草毡层的存在与否对寒温带森林土壤活性有机碳具有重要影响,但影响程度因林型和土层的不同而异

(2) 在0—10 cm土层,去除凋落物处理显著降低兴安落叶松林土壤可溶性有机碳和易氧化有机碳含量,去除草毡层处理显著降低白桦林和樟子松林土壤可溶性有机碳和易氧化有机碳含量,同时去除凋落物和草毡层后,除兴安落叶松林土壤可溶性有机碳含量没有显著变化外,其他林型土壤可溶性有机碳和易氧化有机碳含量均显著降低。除樟子松林在去除凋落物后土壤微生物量碳含量无显著变化外,不同去除处理均使3种林型土壤微生物量碳含量显著降低。在10—20 cm土层,除白桦林和樟子松林土壤易氧化有机碳含量在去除草毡层和同时去除凋落物和草毡层处理后显著降低外,其他林型各去除处理土壤活性有机碳组分含量与对照相比无显著变化。

(3) 土壤总有机碳、全氮、含水量以及pH是活性有机碳含量的重要影响因子。

猜你喜欢
种林白桦林樟子松
那一片白桦林
大地掠美,穿越白桦林
冻融循环对温带3种林型下土壤微生物量碳、氮和氮矿化的影响
阳光洒满白桦林
承德市第三乡林场不同林分类型枯落物和土壤的持水特性
塞罕坝樟子松幼林抚育与管理
初探北方樟子松栽培关键技术
我眼中的樟子松
接坝地区5 种林分类型土壤水分— 物理性质研究
哈尔滨市呼兰区不同林分类型碳汇计量及碳汇价值评价