四川盆地西缘4种人工林土壤有机碳组分特征

牟凌，张丽，陈子豪，谭波，徐振锋

(四川农业大学生态林业研究所，四川省林业生态工程重点实验室，四川 成都 611130)

自工业革命以来，由于温室气体的过度排放，气候变化已成为当前全球面临的重要问题之一.森林作为陆地生态系统最大的碳库，在维持全球碳平衡的过程中起着非常重要的作用[1].随着人们对森林土壤碳库重要性认知的增强，森林土壤有机碳特征已成为森林可持续经营参考最为重要的指标之一.森林土壤总有机碳背景值较高，其对气候变化和土地利用方式的反应比较缓慢[2]，通常在较短的周期内难以发现其发生的微小变化.土壤活性有机碳是指在一定的时空条件下，受植物、微生物影响强烈，具有一定溶解性，且在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化的这部分土壤碳库[3]，其对土地利用方式的变化更加敏感.土壤活性有机碳作为土壤有机碳中最活跃、周转速率最快的部分，也是最容易被土壤微生物分解利用的组分[4].有学者认为土壤活性碳是微生物生长过程中土壤有机碳中可以降解的部分，虽然只占土壤有机碳中较小的部分，但其氧化过程推动着土壤和大气中的碳交换，是森林碳循环的重要组成部分，是碳从土壤库释放到大气库的主要媒介[5-7]，对预测未来全球气候变化具有重要作用，因此受到广泛关注[8].

我国是世界上人工林面积最大及增长速度最快的国家，森林碳汇主要来自人工林的贡献[9].由于气候和物种的不同，使得人工林内小气候，凋落物输入量和分解速率以及根系活动存在很大差异，这些因素将对碳元素的收支产生一定影响，进而在很大程度上改变土壤碳库特征.四川盆地西缘的华西雨屏区是青藏高原与四川盆地的过渡带，是长江流域的重要生态屏障.近年来，已有一些学者对该地区森林土壤理化性质进行了相关研究分析[10-11]，并针对四川盆地主要造林树种，如桉树(Eucalyptusrobusta)、马尾松(Pinusmassoniana)和柏木(Cupressusfunebris)等人工林土壤碳库开展相关研究，但对该地区珍贵的乡土物种人工林土壤碳组分特征还未见报道.鉴于此，本研究选取位于四川盆地西缘的都江堰灵岩山四川农业大学试验林场4种乡土树种人工林为研究对象，采集4种人工林0～20 cm和20～40 cm两个土壤层次土壤样品，分析土壤总有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳碳含量，比较不同林型、不同土壤层次4种有机碳组分含量差异，以期为四川盆地人工碳汇林树种选择提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于成都平原与四川盆地西缘山地结合部都江堰灵岩山的四川农业大学教学实验林场(N 31°01′～31°01′，E 103°34′～103°36′)，海拔高度896～1 320 m，属于中亚热带温湿型气候，年平均温度15.2 ℃，最高气温31.6 ℃(7月)，最低气温-1.4 ℃(1月)，年降水量1 243 mm.研究区域以人工林为主，主要包括柳杉(Cryptomeriafortune)、含笑(Micheliawilsonii)、桢楠(Phoebezhennan)、麻栎(Quercusacutissima)人工林.林下灌木主要是水麻(Debregeasiaorientalis)、山茶(Camelliajaponica)等；草本覆盖主要为冷水花(Pileanotata)及鸢尾(Iristectorum)等.土壤类型为发育在砂岩上的黄壤，土壤厚度一般为70～100 cm，土壤基本理化特征见已有的研究报道[10].

1.2 样地设置与样品采集

研究区域内选取4个具有代表性的人工林群落(柳杉、含笑、桢楠和麻栎)作为研究样地.在每类人工林内随机设置3块20 m×20 m的样方，样方间距不少于20 m.在每个样方中随机选取5个采样点，用土钻(5 cm内径)采集0～20 cm和20～40 cm土壤层次采集原状土壤.同一个样方采集5个原状土壤混合成一个样品.

1.3 样品处理与测定

带回实验室的土壤样品，去除动植物残体和石砾，自然风干后研磨过100目筛.土壤容重采用环刀法测定.土壤总有机碳(SOC)及易氧化有机碳(EOC)采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；颗粒有机碳(POC)采用六偏磷酸钠溶液法测定；轻组有机碳(LF-C)参照Janzer等[12]的分离方法得到轻组有机质，然后在60 ℃下烘干，称质量，用重铬酸钾外加热法测定其含量.

1.4 数据处理

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同林分、土壤层次间土壤碳组分的差异；采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验人工林类型和土壤厚度对土壤有机碳组分的交互作用；采用Pearson相关性分析研究土壤有机碳组分之间的相关性.图表中数据均为平均值±标准误，采用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析，采用Origin 8.5软件作图.

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳组分含量特征

由图1可知，土壤总有机碳及颗粒有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳组分含量均随着土层深度的增加而减少，说明土层层次对土壤有机碳组分有显著影响.在20～40 cm土层，土壤有机碳各组分含量在4种人工林类型间均无显著性差异.在0～20 cm，4种人工林类型其土壤总有机碳、颗粒有机碳和轻组有机碳含量均表现为麻栎人工林显著高于其他3种人工林(P<0.05)；易氧化有机碳含量以麻栎人工林处于最高水平，但4种人工林类型间并未表现出显著性差异.双因素方差分析结果表示，人工林类型和土壤与人工林间的交互作用均显著影响土壤总有机碳、颗粒有机碳和轻组有机碳的含量，对易氧化有机碳无显著性影响(表2).

不同小写字母表示同一土层不同林类型间的差异显著(P<0.05)，*表示同一人工林类型不同土层间的差异显著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant differences between plantation types in the same soil layer(P<0.05) and * indicate significant differences between soil layers in the same plantation types.

2.2 土壤活性有机碳组分含量占总有机碳比例

研究表明，在同一人工林类型不同土层间，易氧化有机碳占总有机碳的比例最高，为21.71%～36.12%；但各活性有机碳所占比例随着土层深度的增加并未表现出一致的变化趋势(表1)，说明土壤层次对土壤活性碳组分占总有机碳比例无显著性影响.同一土层不同人工林类型间，在0～20 cm土层中，麻栎人工林颗粒有机碳和轻组有机碳占总有机碳比例均处于最高水平，而易氧化有机碳分配比例为最低；20～40 cm土层中，各林型间颗粒有机碳和易氧化有机碳分配比例差异较小，未达到显著性水平；柳杉和桢楠人工林轻组有机碳分配比例显著高于含笑和麻栎人工林(P<0.05).由双因素方差分析结果表明，人工林类型对LF-C/SOC和POC/SOC均有显著影响，人工林类型和土壤层次的交互作用仅对LF-C/SOC有显著影响(P<0.05).

2.3 土壤有机碳各组分的相关性分析

由表3可知，土壤碳组分之间存在显著的正相关关系.例如，土壤总有机碳含量与颗粒有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳均呈极显著正相关(P<0.01)，土壤活性有机碳之间呈显著正相关(P<0.05)，说明土壤活性有机碳与总有机碳之间关系密切.

表1 不同森林类型土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比例

表2 林型和土层对土壤有机碳组分含量及其比例影响的双因素方差分析

表3 土壤有机碳组分间的相关分析

3 讨论

3.1 不同人工林类型土壤总有机碳含量

本研究发现，随着土壤深度的增加，4种人工林土壤总有机碳含量均下降，即土壤有机碳具有表聚现象，这与许多已有研究结果相同[13-15].在土壤垂直剖面上，植物凋落物与土壤微生物通常集中分布在土壤表层，凋落物矿化及腐殖质都在表层，有利于有机碳的积累；另外，对于森林生态系统而言，植物根系也聚集在土壤表层，根系分泌物及根系周转输入有机碳也集中在土壤表层[16].此外，本研究表明，土壤总有机碳含量在不同人工林类型间差异显著.总的来看，总有机碳含量在麻栎人工林中最高，柳杉人工林含量最小.这可能是由于不同森林群落物种组成不同，凋落物的种类、产量和质量不同所致[17-18].麻栎作为阔叶落叶物种，相较于常绿物种(柳杉、桢楠和含笑)，每年通过凋落物输入系统的碳更多；其次，落叶树种凋落物通常含有更加丰富且易分解的碳，在一定程度上有利于系统土壤碳积累.同时，由于不同物种构成人工林的群落结构不同，使得林下微气候也存在较大的差异，从而使得土壤微生物活性存在差异，进而可能对土壤有机碳的积累产生较大影响[19]，这需要进一步验证.

3.2 不同人工林类型土壤活性有机碳的分布特征

颗粒有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳含量能在一定程度上表征土壤有机质的质量及潜在分解特征[20].本研究表明，4种人工林类型下土壤颗粒有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳含量均随着土壤深度的增加而降低，其中以麻栎人工林最为明显.这主要是因为土壤活性有机碳的含量很大程度上依赖于土壤总有机碳含量.随着土壤厚度的加深，地表向地下土壤输入的有机碳源减少，使得土壤有机碳含量下降[21].此外，分解凋落物和根系周转是土壤活性有机碳的重要的来源，土壤表层丰富的凋落物和根系为土壤提供了大量的活性有机碳，同样也为微生物和植物根系向表层聚集提供了有利条件[22].

颗粒有机碳是土壤砂粒组分结合的有机碳，通常由未分解或半分解的动植物和根系残体组成，是土壤中相对活跃的有机碳库.本研究发现麻栎人工林土壤颗粒含量显著高于其他3种人工林类型，除凋落物质量外，土壤侵蚀是影响土壤颗粒碳含量的重要因素之一，其通过破坏水稳性大团聚体，使大团聚体中的颗粒有机碳进入地表径流，从而导致土壤颗粒有机碳含量降低[23-24].同时，麻栎人工林丰富的凋落物能够减弱地表径流，从而减少土壤侵蚀，在一定程度上保护土壤颗粒有机碳.颗粒有机碳与总有机碳含量的比值反映了土壤中团聚体的稳定性，其比值越高，土壤团聚体越稳定[25].本研究中，麻栎人工林POC/SOC比值处于最高水平，表明麻栎人工林土壤团聚体稳定性显著高于其他3种人工林类型.

研究结果表明，试验区4种人工林轻组有机碳含量大小关系依次为麻栎人工林>桢楠人工林>柳杉人工林>含笑人工林.轻组有机碳是由可识别的、处于不同分解阶段的植物残体、真菌的菌丝和孢子、种子、微生物残骸以及一些吸附在有机碎屑上的矿质颗粒组成[12]，这就意味着其含量很大程度上取决于植被的密度、盖度和凋落物质量[23].4种人工林，麻栎人工林凋落物质量明显优于其他人工林[26]，而地表凋落物的堆积不仅能提供充足的养分，还能改善土壤表层水热条件，利于微生物活动，促进麻栎人工林轻组有机碳的积累，这一结果与相关研究结果相似[24].

易氧化有机碳是位于土壤团聚体表面和大团聚体之间，或处于游离状态的有机活性碳，决定了土壤有机质的氧化稳定性[27].与总有机碳及其他活性有机碳组分不同的是，本研究中易氧化有机碳在4种林分间未呈现显著性的差异.这可能是由于4种人工林类型受人类活动影响较大，与树种组成等生物因素相比，人为干扰在易氧化有机碳含量变化中扮演着更为重要的角色[28].易氧化有机碳被认为是土壤有机碳组分中稳定性相对较差的部分，其占总有机碳的比例越低，说明养分循环速率越低，土壤稳定性越高[29].本研究发现，麻栎人工林EOC/SOC处于较低水平，即麻栎人工林更有利于土壤有机质的积累.

4 结论

本研究对比分析了四川盆地西缘4种人工林2个土壤层次有机碳组分差异.研究发现，从土层来看，4种人工林土壤碳各组分含量均随着土壤层次的增加而下降.从人工林类型来看，相比于其他3类人工林，麻栎人工林土壤总有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳含量处于较高水平，表明麻栎人工林更有利于土壤碳积累.