植被类型与管理方式对4种森林树种土壤活性碳氮及碳通量的影响

方向华，胡 伟，尤根彪，刘玲娟

（1.丽水职业技术学院，浙江 丽水 323000；2.丽水市莲都区生态林业发展中心，浙江 丽水 323000；3.丽水市白云山生态林场，浙江 丽水 323000；4.钱江源-百山祖国家公园龙泉保护中心，浙江 丽水 323000）

1 样品与方法

1.1 研究区概况

1.1.1 地理位置

凤阳山自然保护区位于浙江龙泉市南部，其地理坐标为东经119°06'-119°15'和北纬27°46'-27°58'。保护地面积15 171.4 hm2。形成于福建省戴云山向东延伸的东宫山系。该地区地质条件良好，属于侏罗纪火成岩类型。保护区的整个山脉从西南延伸到东北。西南面陡，东北坡起伏缓慢。最高海拔达1 929 m，为江浙最高峰。区域广阔，地形复杂多变，光、温、水各有不同。凤阳山自然保护区属于中亚热带的暖湿气候区，季风影响明显。四季如春，温暖湿润，雨量充沛，基本呈垂直分布。

1.1.2 气候特征

根据保护区管理机构所在地（海拔1 490 m）观测，年降水量约2 400 mm。降水主要集中于4-6月份，占年降水量的80%，年蒸发量1 100 mm。年均气温12.3℃，极端最高和最低气温分别为30.2℃和-12.5℃，甚至可能会发生洪涝、冰冻、暴风雪等气象灾害。这个地区的地面水系统很发达。大河川分布支流，无外来水流，江河属于瓯江水系。

1.1.3 植被类型

凤阳山位于亚热带和南亚热带过渡地区，植被类型和植物区系复杂。天然植被类型主要为常绿阔叶林和松林，人工林由阔叶林组成。区内植被垂直带谱明显，海拔1 300 m以下为常绿阔叶林，马尾松、竹林、冷杉等；1 300～1 700 m常青落叶阔叶林和黄山青冈；落叶阔叶林、针叶林、高山灌木和草本植物，海拔1 700 m以上。根据初步调查和文献资料，该区现有种子植物近2 000种，蕨类219种，苔藓植物365种。黄冷杉、康乃馨、雪松等20余种已列入中国珍稀濒危植物名录，其中一半以上分布在凤阳山。以铁杉等为主，森林类型较为整齐。

1.1.4 土壤类型

在凤阳山自然保护区内，主要土壤类型为黄壤土，土体构型一般为AO、AO-A-B-C型。A层可分为枯枝落叶层、半腐解性有机碳、腐殖质聚积层。主要特征为枯落物层较厚，可达1～2 cm，土质主要为壤粘土或粘壤土。B层心土层厚度20～40 cm，与A层过渡清晰，土质主要为壤粘土，部分粘壤土。其地层为半风化母岩，厚度19～35 cm，土壤质地为石质土或砂壤土多砾质土。

1.2 样品采集

从经营管理方式、植被类型等方面，选择同一种母质层上生长的土壤为研究对象，在凤阳山自然保护区设置4种森林树种土壤采样点，取样地点与林缘距离较远，各取样点的生存环境要素大致相同，在每一取样点上，随机抽取3个样方，每5 m×10 m，刮除浮土，采用S型方法进行取样。将土壤用密闭袋装好，然后送回实验室后，把树根、石块等捡出，及时过筛，混合均匀，4℃存放。调查样地的基本情况，见表1。

表1 调查样地的基本情况

1.3 分析方法

利用全有机碳分析仪测定土壤中的DOC、DN；用自动间断化学分析仪测定土壤NH4+-N，NO3--N含量。使用土壤碳通量测量系统测定土壤CO2和CH4通量。利用氯仿熏蒸气提取-UV280nm法测定微生物含量，利用UV的回归方程，用DOC和DN含量数据将UV280nm的吸光度转换成SMBC，SMBN。

1.4 数据分析

采用spss19.0单因素方差分析，以野外调查结果和室内分析资料为基础，进行多重比较分析。

2 土壤活性碳氮及碳通量研究概况

当前，我国退化的土地正遭受严重侵蚀。有机物质在为土壤中的植物和微生物提供营养方面起着重要作用，也影响土壤水分和含碳量。有机碳是土壤碳库的重要组成部分，但有机碳在自然界中稳定性较好，且短期内变化不大。有机碳有很多指标，其中以可溶性有机碳和微生物生物质碳最常用。在土壤有机质中，有机碳直接参与了土壤、植被、微生物等生物化学转化过程，尽管只占土壤中的一小部分。是微生物生存的能量基础和土壤养分的驱动力。土质的微小变化也能引起大气中二氧化碳浓度的巨大变化。土壤呼吸也日益受到重视。除了碳库之外，土壤呼吸是土壤碳库的主要输出通道。还可用于评价土壤渗透性、土壤肥力和微生物活性。但是，以往的研究多集中于自然森林生态系统中CO2和CH4的产生与变化。当前对有机碳、氮和微生物释放进行了系统研究，并且从森林土壤中提取天然气。

本文以浙江凤阳山4种树种——马尾松（inus massoniana Lamb）、木荷（Schima superba）、青冈（Cyclobalanopsis glauca）、甜槠（Castanopsis eyrei）林为研究对象，这4种树种是森林生态系统的组成部分。凤阳山是江浙地区重要的林区，是全球变暖敏感的低纬度森林。这对于长三角碳汇管理和生态环境建设具有重要意义。自然保护区内森林植被在全国植被分区中属中亚热带常绿阔叶林南部亚地带。在相应的垂直气候分布带上，由于海拔的变化，形成一系列森林植被垂直带谱。龙泉县第三伐木队于20世纪60年代中期，在大田坪设置伐木工段，修筑道路、伐木。龙泉林业局动员近千名职工“荒山绿化”砍伐树木。凤阳山受人类活动影响较大，植被覆盖度急剧下降，生态系统结构简单，土壤保持能力下降，生物多样性显著下降。原始林遭到砍伐，被杉树和雪松所取代。另外，在高海拔地区黄山青冈通过空中播种形成针阔混交林，在低海拔自然恢复发展为常绿阔叶林。

长久以来，凤阳山林区土壤有机碳的研究受到了广泛关注。通过对凤阳山不同林区土壤有机碳变化的对比研究，不仅有助于评价凤阳山不同植被土壤质量的变化，而且对于土壤有机碳库的研究具有重要意义。因此研究各种植被类型和管理方式对土壤有机碳非常重要，为凤阳山自然保护区的可持续管理和生态平衡发展提供科学依据。

随着对土壤碳库研究的深入，土壤碳库中活性有机碳逐渐成为研究热点。但目前对土壤活性有机碳还没有统一、严格、准确的定义。针对研究目的和研究方法，国内外许多学者对其定义不一。部分认为，土壤有机碳，即土壤有机碳的活性成分，是指土壤中活性高、易于被微生物分解、矿化并直接影响植物养分供给的有机碳。而有观点认为土壤微生物可以作为土壤碳源和能量来源的有机碳，是活性有机碳。BLAIR等提出活性有机碳是指土壤中易氧化分解的有机碳，它是指用浓硫酸与K2CrO4混合后的室内温度。莱夫罗伊等人在作物生长过程中发现333mmol·L-1KMnO4所氧化的有机碳变化最大，因此333mmol·L-1KMnO4被称为活性有机碳，不可氧化的有机碳称为活性有机碳。氧化性物质叫做惰性有机物。有学者认为土壤活性有机碳受植物和微生物的影响较大，具有一定的溶解性，在土壤中移动迅速、不稳定、氧化、分解、易矿化等。它对植物和微生物的活动有重要影响。吴晓丹等指出，活性有机碳是指在室内自然条件温和的情况下，能溶解于土壤水分的有机碳。土壤活性有机碳概念的表述仍然比较混乱，这可能是限制该领域研究进展的一个因素。结果表明，植被类型对溶解碳氮、SMBC、SMBN、CO2、CH4通量的影响较大。

3 结果与分析

3.1 4种森林树种土壤溶解性碳氮养分比较

4个不同类型的森林土壤pH值为4.2～7.1。土壤DOC浓度在5.7～77.5 mg·kg-1，马尾松＞木荷＞青冈＞甜槠；土壤DN浓度在2.2～71.9 mg·kg-1，平均高度和土壤DOC的变化趋势基本相同，主要是马尾松＞木荷＞青冈＞甜槠；方差分析表明，4个树种的DOC、DN水平无明显差别，但DOC/DN的比率为1.11～3.16，而甜槠林的DOC/DN比例则明显高于其他3个林（P＜0.05），其次为木荷、青冈林、马尾松，两者无显著性差别，但均低于甜槠林和木荷（图1）。

图1 4种森林土壤DOC和DN含量比较

3.2 4种森林土壤无机氮含量比较

4种不同类型的森林土壤NH4+-N均为1.4～15.8 mg·kg-1，结果表明，青冈林＞马尾松＞甜槠＞木荷，青冈林显著高于其他3种森林（P＜0.05），马尾松林与青冈林、木荷间差异显著（P＜0.05），木荷和甜槠之间、甜槠和马尾松林之间均没有显著性差异。土壤NO3--N含量在0.2～4.2 mg·kg-1，其均值表现为木荷＞青冈林＞甜槠＞马尾松林，木荷显著高于其他3种森林，青冈林和马尾松林间差异显著（P＜0.05），甜槠与马尾松林、青冈林之间没有显著差异；土壤无机氮含量（NH4+-N+NO3--N）高低趋势与土壤pH值相同、与树龄相反，表现为青冈林＞马尾松林＞木荷＞甜槠，青冈林显著高于其他3种森林。（图2为4种森林土壤中NH4+-N含量、N03--N含量、NH4+-N/N03--N含量比较）。

图2 4种森林土壤无机氮含量比较

3.3 4种森林土壤微生物生物量比较

土壤微生物在自然界中是一个重要的碳和氮循环系统。4个树种的SMBC、SMBN值为221.5～601.9 mg·kg-1，42.1～111.2 mg·kg-1，平均水平为青冈＞马尾松＞木荷＞甜槠，4个树种间的微生物生物量存在极显著性差异（P＜0.05）；SMBC/SMBN比率为4.15～5.86，各林种间差异有显著性（P＜0.05）。

3.4 4种森林土壤CO2，CH4通量比较

4个森林土壤CO2通量在-131.3～604.5 mg·m-2h-1之间，呈现出马尾松＞木荷＞青冈＞甜槠，方差分析表明，两种土壤CH4通量在-583.1～0 mg·m-2·h-1之间，以碳吸收为主，马尾松＞木荷，而青冈则无CH4排放，自然生长的甜槠显著高于（P＜0.05）其他2种人工管理的森林，木荷和马尾松之间没有显著差异。

3.5 Pearson相关分析

结果表明：4种土壤pH与土壤水分、NO3-N含量均存在极显著的正相关性（P＜0.01），与CH4通量负相关（P＜0.05）、与SMBN呈极显著负相关（P＜0.01）；DOC/DN与SMBC、SMBC/SMBN存在极显著的正相关性（P＜0.01）；SMBN与NO3--N含量和CH4通量均不存在明显的正相关性（P＜0.01）。4种森林土壤相关指标间的相关性见表2。

表2 4种森林土壤相关指标间的相关性

4 数据分析

4.1 植被类型和管理方式对土壤可溶性碳氮养分的影响

结果表明：4个森林之间的DOC和DN浓度明显大于针叶林；各样本之间差异不显著。主要原因为（1）凋落物的数量和质量，落叶归土对土壤中的有机碳降解和有机质的累积具有重要作用。马尾松的落叶以松针叶为主。与其他树种相比，它的枯萎物质水平较差，不易降解；（2）森林管理模式。人工经营的森林土壤可溶性碳、氮含量高于天然森林，变异系数较大。施肥是导致这种现象的重要因素。单施有机肥料和尿素的复混肥比有机肥高，而自然施肥更高。由于从无到有的自然生长，人工混合经营模式高于完全自然生长的纯马尾松。（3）森林用途。其中，阔叶林包括叶林、乔木或果林，景观树种。3种阔叶林样地DOC含量波动较大。人类的施肥、秸秆、整枝、套种和定期管理都有重要影响。松为用材林，以自然生长为主，DOC含量变幅不大。（4）森林果实生产期。5月采样期恰逢森林的果实生产期可能导致森林土壤DOC含量低于其他次生林。

4.2 植被类型和管理方式对土壤微生物生物量的影响

在森林中，凋落物的分解向植物提供了一系列重要的营养元素，如磷、氮等，其分解释放的碳是大气燃烧的10倍以上。凋落物的分解一般有两个主要阶段。最初阶段，凋落物会由于动物咬伤或腐蚀而分解成碎片；在第二阶段，凋落物中的有机碎片会被真菌和细菌进一步分解。细菌的分解生成磷、氨、水和二氧化碳。这是一种将有机物转变成无机物的过程。不同的植被类型和管理方式会对土壤中的微生物生物量造成影响。结果表明：天然生长的森林的SMBC/SMBN含量显著高于人工管理的森林（P＜0.05）。土壤DOC/DN的含量较高，导致SMBC/SMBN（r=0.78，P＜0.01）。因有机残留物进入土壤，其碳含量高，全氮含量低，使土壤微生物容易吸收含碳有机物（r=0.78，P＜0.01）。土壤微生物因其含碳量高，进入土壤中的残留物和总氮含量较低时，往往会将含碳有机质转化为生物量碳，从而使SMBC增加（r=0.78，P＜0.01）。大部分有机残留物进入土壤，含碳量高，全氮低。土生土长的土壤微生物往往会把含碳有机物同化成其自身的碳。有机残留物进入土壤的含碳量显著增加（r=0.78，P＜0.01）。

4.3 植被类型和管理方式对土壤碳通量的影响

结果显示：凋落物对CO2排放的贡献率在17%左右，而人工管理的经济林的CO2通量比自然生长的要高，而阔叶林CO2通量在241.8～310.9 mg/m，与土壤指数之间没有太大的关系。NO3--N含量和SMBN对经济林土壤CH4的通量均有明显的影响（r值为0.84、-0.78、P＜0.01），而非DOC、DN含量、DOC/DN含量。即通过人工施用NO3--N化肥或微生物异化生物N等环境养分，例如NO3--N，可以提高CH4的通量；如果长时间连续耕作，则会使CH4的通量增大，使CH4的排放量增大（r=-0.65，P＜0.05）。