不同森林植被下土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)變化_張劍_ 生態(tài)農(nóng)

1、中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2009年 1月 第 17卷 第 1期Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2009, 17(1: 4147DOI: 10.3724/SP.J.1011.2009.00041不同森林植被下土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)變化 *張 劍 1,2,3汪思龍 1,2*王清奎 1,2劉燕新 1,2,3(1. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽(yáng) 110016; 2. 湖南會(huì)同森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 會(huì)同 418307; 3. 中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049摘 要 通過(guò)對(duì)湖南省會(huì)同縣地區(qū)不同季節(jié)地帶性常綠闊葉林、杉木純林、火力楠純

2、林以及杉木火力楠混交 林土壤各活性有機(jī)碳的含量測(cè)定, 分析了森林植被對(duì)土壤活性碳庫(kù)及其季節(jié)變化的影響。結(jié)果表明, 常綠闊 葉林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾? 土壤活性有機(jī)碳含量明顯降低; 與杉木純林相比, 火力楠與杉木混交可提高土壤活性 有機(jī)碳含量, 但只有土壤水溶性有機(jī)碳含量顯著提高;各林地土壤活性有機(jī)碳具有明顯的季節(jié)變化, 一年中 土壤水溶性有機(jī)碳含量的大小始終為常綠闊葉林>杉木火力楠混交林>火力楠純林>杉木純林, 土壤微生物 量碳、熱水浸提有機(jī)碳和碳水化合物則表現(xiàn)為常綠闊葉林>火力楠純林>杉木火力楠混交林>杉木純林。與 杉木純林相比, 杉木火力楠混交林可提高林地質(zhì)量

3、, 但不同林地活性有機(jī)碳的季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)不盡一致, 表明土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)差異不僅與溫度、降雨等氣候因素有關(guān), 還受到植被類型的影響。關(guān)鍵詞 杉木人工林 火力楠人工林 人工混交林 地帶性常綠闊葉林 土壤活性有機(jī)碳 季節(jié)變化中圖分類號(hào) :S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) : 1671-3990(200901-0041-07Content and seasonal change in soil labile organic carbon underdifferent forest coversZHANG Jian1,2,3, WANG Si-Long1,2, WANG Qing-Kui

4、1,2, LIU Yan-Xin1,2,3(1. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. Huitong National Research Station for Forest Ecosystem, Huitong 418307, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, ChinaAbstract Based on the concentratio

5、ns of soil labile organic carbon (SLOC pools under native evergreen broad-leaved forest (NBF, and three plantations of pure Cunninghamia lanceolata , pure Michelia macclurei and their mixed forest in different seasons, the effect of forest types on the content and seasonal changes of SLOC was analyz

6、ed for Huitong County of Hunan Province. The results show that SLOC content decreases after native evergreen broad-leaved forest are substituted by planted forest. Compared with C. lanceolata plantation, C. lanceolata and M. macclurei mixed forest (MCM increases SLOC content. However, the difference

7、 is statistically insignificant except for water-soluble organic carbon (WSOC. Substantial seasonal fluctuations in SLOC under forests are observed. Throughout the year, WSOC decreases in the following order of NBF > MCM > pure M. macclurei plantation (PM > pure C. lanceolata plantation (PC

8、F. For soil microbial biomass carbon (MBC, hot-water extractable C (HWC and hot-water ex-tractable carbohydrate-C (HWcC is in the following order of NBF > PM > MCM > PCF. Compared with PCF, MCM increases soil quality. However, seasonal trends of SLOC under different forest covers are not co

9、mpletely consistent, suggesting that seasonal fluc-tuations in SLOC are influenced not only by climatic factors like temperature and precipitation, but also by vegetation type.Key words Cunninghamia lanceolata plantation, Michelia macclurei plantation, Planted mixed forest, Native evergreen broad-le

10、aved forest, Soil labile organic carbon, Seasonal change(Received Feb. 1, 2008; accepted May 8, 2008土壤有機(jī)碳 (Soil organic carbon, SOC是土壤 -植物生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分 , 對(duì)土壤物理、化學(xué)*國(guó)家自然基金項(xiàng)目 (30470303、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目 (KZCX2-YW-405和中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前 沿項(xiàng)目 (07SBS116S3資助*通訊作者 :汪思龍 (1964, 男 , 博士 , 研究員 , 主要研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。 E-mai

11、l: slwang張劍 (1981, 男 , 在讀博士 , 主要研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)與土壤生態(tài)恢復(fù)。 E-mail: rczhjxmw.-和生物特征的變化起著關(guān)鍵作用。但土壤有機(jī)碳總 量的變化非常緩慢 , 很難觀測(cè)到其短期內(nèi)的微小變 化 , 在森林土壤中表現(xiàn)得更為明顯 1。 土壤活性有機(jī) 碳是土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化、礦化,對(duì) 植物和土壤微生物活性較高的那部分有機(jī)態(tài)碳 2直 接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程 , 在土壤養(yǎng)分循環(huán)中 具有重要作用 , 是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù) ; 并且能夠在 土壤全碳變化之前反映出土壤管理措施和環(huán)境引起 的土壤微小變化。因此 , 可作為土壤質(zhì)量和潛在生 產(chǎn)力的敏感指標(biāo) 3

12、, 4。 土壤活性有機(jī)碳可用水溶性有 機(jī)碳、微生物量碳、熱水浸提有機(jī)碳和碳水化合物 等來(lái)表征。有研究表明 57, 由于土壤活性有機(jī)碳對(duì) 環(huán) 境的高度 敏感 性 , 因 此會(huì) 表現(xiàn) 出明顯的 季節(jié) 變 化。 Zhou 等 5報(bào)道了竹林土壤微生物量碳和水溶性 有機(jī)碳的季節(jié)變化 , Zhang等 8報(bào)道了格氏栲和杉木 人工林枯枝落葉層水溶性有機(jī)碳的季節(jié)變化 , 但對(duì) 土壤熱水浸提有機(jī)碳和碳水化合物的研究報(bào)道較少。 杉木 (Cunninghamia lanceolata 人工林是我國(guó)南 方主要的森林類型 , 由于多代連栽和不合理的經(jīng)營(yíng) 措施導(dǎo)致林地生產(chǎn)力急劇下降。 一些學(xué)者 9,10對(duì)亞熱 帶常綠闊葉

13、林和人工林土壤活性有機(jī)碳進(jìn)行了研究 , 發(fā)現(xiàn)常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)樯寄救斯ち趾?, 土壤活性有 機(jī)碳含量明顯降低 , 并且隨著連栽代數(shù)的增加而減 少。馮宗煒等 11通過(guò)多年定位研究 , 發(fā)現(xiàn)火力楠和 杉木混交可明顯提高林地生產(chǎn)力和生態(tài)功能。此后 , 許多學(xué)者就杉木火力楠混交對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)、林地 生產(chǎn)力、凋落物分解以及細(xì)根周轉(zhuǎn)等方面的影響進(jìn) 行了深入研究 1214。森林土壤退化的核心問(wèn)題是土 壤有機(jī)質(zhì)組分功能的退化 , 表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量下降 和活性降低。 因此 , 在相對(duì)較短的時(shí)期內(nèi) , 如何提高 土壤有機(jī)質(zhì)的活性 , 改善其功能 , 對(duì)于土壤恢復(fù)來(lái) 說(shuō)至關(guān)重要。有人 15,16采用室內(nèi)培養(yǎng)方法研究了

14、杉 木凋落物與其他凋落物混合分解對(duì)土壤活性有機(jī)碳 的影響 , 但室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與野外實(shí)際情況存在一定 差異。 例如 , 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)所用土壤為過(guò)篩土壤 , 排 除了土壤動(dòng)物的影響 ; 室內(nèi)培養(yǎng)對(duì)揭示土壤水溶性 有機(jī)碳的真實(shí)反應(yīng)可能存在一定影響 , 因?yàn)橥寥浪?溶性有機(jī)碳在自然狀態(tài)下具有很強(qiáng)的遷移性。目前 , 杉闊混交對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響及其季節(jié)變化方 面的研究報(bào)道較少。本文研究了湖南省會(huì)同縣境內(nèi) 地帶性常綠闊葉林、杉木純林、火力楠純林以及杉木 火力楠混交林的土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)動(dòng)態(tài) , 對(duì)于揭示森林植被對(duì)土壤碳庫(kù)的影響和指導(dǎo)杉木人工 林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要意義。1材料與方法1.1研究地概

15、況試 驗(yàn) 在 中 國(guó) 科 學(xué) 院 會(huì) 同 森 林 生 態(tài) 試 驗(yàn) 站 (110°08 E, 27°09 N 進(jìn)行 , 該站位于湖南省西部的會(huì) 同縣 , 屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)氣候 , 年均氣溫 16.5 , 1月平均氣溫 4.5 , 7 月平均氣溫 27.5 , 年降水 量 1 2001 400 mm, 年蒸發(fā)量 1 1001 300 mm, 年 平均相對(duì)濕度 80%, 林地土壤為山地紅黃壤 , 地帶 性 植 被 為 典 型 的 亞 熱 帶 常 綠 闊 葉 林 , 以 栲 (Castanopsis spp . 、石櫟 (Lithocarpus spp . 等為主。 研究樣地為地

16、帶性常綠闊葉林 (NBF和 3種人 工林 , 即 1982年秋第 1代人工杉木林皆伐后 , 1983年 春 在 皆 伐 跡 地 上 設(shè) 置 了 杉 木 (Cunninghamia lanceolata 純林 (PCF、火力楠 (Michelia macclurei 純林 (PM以及杉木與火力楠的針闊混交林 (MCM3種 人 工林 生態(tài)系 統(tǒng) , 3種人 工林 密 度均為 2 000株 ·hm 2。針 闊混交林 的杉木與闊葉樹(shù) 的比例 為 8 2。 4種林分林地基本概況見(jiàn)表 1。1.2研究方法試驗(yàn)中所用土壤均為表層土壤 (010 cm, 分 別于 2006年 4月 (春 、 7月 (夏

17、 、 10月 (秋 和 2007年 1月 (冬 采自 4種林型。研究地區(qū) 2006年 3月至 2007年 2月月平均氣溫和總降雨量的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖 1。具體采樣方法為 : 每一林地選擇 3個(gè)具有代表性 的樣地 , 樣地面積為 10 m×10 m, 在每塊樣地內(nèi)隨 機(jī)選取 10個(gè)點(diǎn)。去除地表凋落物層 , 然后用直徑為 4.5 cm的取土鉆進(jìn)行采樣 , 并組成 1個(gè)混合土樣 , 去 掉土壤中可見(jiàn)植物根系和殘?bào)w.將土樣分為兩部分 , 一部分新鮮土樣過(guò) 2 mm篩后放置于冰箱中 (34 表 1林地基本概況及其土壤基本理化性質(zhì)Tab. 1 General situation of differe

18、nt forest stands and soil physico-chemistry properties林地 Forest stand pH容重Bulk density(g·cm 3總有機(jī)碳SOC(g·kg 1全氮Total N(g·kg 1全磷Total P(g·kg 1全鉀Total K(g·kg 1林齡Age(a海拔 Elevation (m常綠闊葉林 NBF 4.25 1.18 28.77 2.36 0.25 20.48 44 391 杉木純林 PCF 4.94 1.27 21.69 1.68 0.18 18.58 24 521 火

19、力楠純林 PM 4.57 1.09 24.92 1.92 0.23 18.92 24 521 杉木火力楠混交林 MCM 4.91 1.18 21.99 1.69 0.23 18.98 24 521第 1期張 劍等 : 不同森林植被下土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)變化 43以供測(cè)定土壤微生物生物量和水溶性有機(jī)碳 , 另一 部分土壤風(fēng)干后過(guò) 2 mm和 0.25 mm篩 , 供測(cè)定熱水 浸提有機(jī)碳和碳水化合物以及總有機(jī)碳。 圖 1 研究地區(qū) 2006年 3月至 2007年 2月月平均氣溫和總降雨量的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Monthly changes of air temperature and pr

20、ecipitation in thestudied sites from Mar., 2006 to Feb., 2007土壤微生物量碳 (Soil microbial biomass carbon, MBC 測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法 17; 水溶性有機(jī)碳 (Water-soluble organic carbon, WSOC按 McGill 等 18的方法浸提 ; 熱水浸提有機(jī)碳 (Hot water-extractable C, HWC和碳水化合物 (Hot-water extractable carbo-hydrate-C, HWcC按 Haynes 等 19的方法浸提 ; WSOC和 H

21、WC 用 Elementar High TOC+N 儀測(cè)定 , HWcC采用苯酚 -硫酸法 20測(cè)定。 1.3 數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)野外調(diào)查觀測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的分析資料 , 用 EXCEL(2003圖表處理軟件和 SPSS(13.0統(tǒng)計(jì)分 析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。 其中 , 數(shù)據(jù)進(jìn)行 One-way ANOVA 方差分析 , 并用 LSD 多重比較法進(jìn)行差異 顯著性分析 , 相關(guān)性分析采用 Pearson 檢驗(yàn)法。2 結(jié)果與分析2.1 不同林分下土壤活性有機(jī)碳含量從試驗(yàn)結(jié)果看 , 植被類型對(duì)土壤活性有機(jī)碳有顯 著影響 (表 2 。在試驗(yàn)期間 , 4種森林植被下土壤微生物量碳、水溶性有機(jī)碳、熱水浸提

22、有機(jī)碳和熱水浸提 碳 水 化 合 物 的 年 平 均 值 分 別 為 194.08307.60 mg ·kg 1、 24.4873.72 mg·kg 1、 653.011 188.98 mg ·kg 1以及 314.98496.77 mg·kg 1。各活性有機(jī) 碳含量均以常綠闊葉林最高 , 杉木純林最低 , 且二者 之間達(dá)到差異顯著水平。不同森林植被下土壤微生物 量碳和熱水浸提有機(jī)碳的年平均值表現(xiàn)為 : 常綠闊葉 林>火力楠純林>杉木 ×火力楠混交林>杉木純林 ; 從差異顯著性分析結(jié)果看 , 常綠闊葉林明顯高于 3種 人工林

23、, 火力楠純林明顯高于杉木純林 , 而杉木 ×火力 楠混交林與兩種純林之間并未達(dá)到 差異顯著水平 (P >0.05。 此外 , 不同林分下熱水浸提碳水化合物年平 均值表現(xiàn)為與熱水浸提有機(jī)碳相同的趨勢(shì) , 但 3種人 工林之間并沒(méi)有顯著差異。而水溶性有機(jī)碳表現(xiàn)為 : 常綠闊葉林>杉木 ×火力楠混交林>火力楠純林>杉 木純林 , 顯著性分析結(jié)果表明 , 杉木 ×火力楠混交林與 杉木純林之間存在顯著差異 , 而與常綠闊葉林之間沒(méi) 有達(dá)到顯著水平 , 兩種純林之間也沒(méi)有顯著差異。以 上結(jié)果可以看出 , 地帶性常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾?, 土壤活性有

24、機(jī)碳含量明顯降低 , 而火力楠純林和杉木 火力楠混交林土壤活性有機(jī)碳含量則高于杉木純林。 2.2 土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)變化不同林分下土壤活性有機(jī)碳表現(xiàn)出明顯的季節(jié) 動(dòng)態(tài) (表 3 。 一年中 , 4種林分下土壤水溶性有機(jī)碳含 量始終是常綠闊葉林>杉木 ×火力楠混交林>火力 楠純林>杉木純林 , 其他活性碳庫(kù)則表現(xiàn)為常綠闊 葉林>火力楠純林>杉木 ×火力楠混交林>杉木純 林。土壤水溶性有機(jī)碳以夏季最高 , 春、夏季節(jié)高 于秋、冬季節(jié) , 杉木純林最低值出現(xiàn)在秋季 , 其他 3種林地則出現(xiàn)在冬季。土壤微生物量碳最高值均在 秋季 , 冬季和夏季

25、最低。 從春季到秋季 , 土壤熱水浸 提有機(jī)碳和碳水化合物含量持續(xù)降低 ; 轉(zhuǎn)入冬季以 后 , 熱水浸提碳水化合物含量繼續(xù)降低 , 而熱水浸 提有機(jī)碳含量只有常綠闊葉林繼續(xù)降低 , 3種人工林 則略有升高。表 2 不同林分下土壤各活性有機(jī)碳的年平均含量Tab. 2 Annual average concentration of soil active organic carbon pools under different forest stands mg·kg 1林地 Forest stand 土壤微生物量碳MBC 水溶性有機(jī)碳WSOC 熱水浸提碳水化合物HWcC 熱水浸提有機(jī)碳H

26、WC常綠闊葉林 NBF 307.60 ± 55.99 a 73.72 ± 45.71 a 496.77 ± 164.77 a 1 188.98 ± 292.15 a 杉木純林 PCF 194.08 ± 17.98 c 24.48 ± 17.16 c 314.98 ± 106.98 b 653.01 ± 200.72 c 火力楠純林 PM 238.22 ± 24.68 b 40.60 ± 21.14 bc 401.71 ± 130.85 ab 852.56 ± 208.99 b

27、 杉木火力楠混交林 MCM217.41 ± 21.72 bc62.43 ± 38.21 ab722.08 ± 171.47 bc表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 , 同列不同字母表示 P <0.05差異顯著水平。 Values are means ± standard deviation. Different letters in the same column indicate significant difference at P <0.05.44中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2009 第 17卷表 3 不同森林類型土壤各活性有機(jī)碳的季節(jié)變化 Ta

28、b.3 Seasonal variation in SLOCs concentrations different forest ·kg 1林地Forest stand 季節(jié) Season 土壤微生物量碳MBC 水溶性有機(jī)碳WSOC 熱水浸提碳水化合物HWcC 熱水浸提有機(jī)碳HWC 春 Spring 315.42 ± 3.57 102.47 ± 15.80 661.47 ± 24.26 1 517.56 ± 118.53 夏 Summer 279.86 ± 4.58 127.67 ± 3.92 548.24 ± 14

29、.80 1 373.40 ± 131.17 秋 Autumn 388.84 ± 16.61 45.02 ± 3.07 539.69 ± 11.73 1 024.42 ± 38.62 常綠闊葉林 NBF冬 Winter246.27 ± 12.03 19.70 ± 0.43 237.67 ± 15.63 840.55 ± 31.44 春 Spring 198.02 ± 1.13 451.38 ± 10.23 951.16 ± 117.73 夏 Summer 195.13 

30、7; 9.18 42.54 ± 1.34 345.36 ± 7.88 664.96 ± 31.14 秋 Autumn 214.74 ± 14.83 7.38 ± 1.13 296.42 ± 2.73 479.53 ± 5.73 杉木純林 PCF冬 Winter177.82 ± 19.73 10.49 ± 0.17 166.77 ± 2.63 516.36 ± 2.98 春 Spring 259.71 ± 7.01 51.78 ± 8.85 1 158.72 

31、7; 81.58 夏 Summer 216.89 ± 6.32 65.53 ± 4.82 446.50 ± 10.80 889.33 ± 4.37 秋 Autumn 259.87 ± 12.77 31.64 ± 3.02 657.67 ± 31.94 火力楠純林PM冬 Winter216.40 ± 17.50 13.43 ± 0.53 704.50 ± 7.15 春 Spring 224.47 ± 1.80 98.36 ± 6.06 472.88 ± 9.55 95

32、6.51 ± 69.94 夏 Summer 198.54 ± 20.45 98.64 ± 11.56 440.11 ± 10.39 785.67 ± 9.20 秋 Autumn 235.53 ± 10.05 35.57 ± 6.25 554.29 ± 23.17 杉木火力楠混交林MCM冬 Winter211.09 ± 30.1918.14 ± 1.03182.51 ± 4.33591.84 ± 5.58在春夏季節(jié) , 植物進(jìn)入生長(zhǎng)期 , 為土壤微生物提供了足夠的易分解的新鮮有

33、機(jī)質(zhì) , 另一方面適宜 的水熱條件 , 極大地提高了微生物活性和植被的新 陳代謝速率 , 凋落物分解加快 , 根系分泌物也增多。 因此 , 盡管此時(shí)降雨對(duì)土壤有機(jī)碳有較強(qiáng)的淋溶、 淋失作用 , 但強(qiáng)的生物活性、高的生物代謝產(chǎn)物產(chǎn) 生速率 , 使 WSOC 含量在土壤環(huán)境中保持持續(xù)上 升。而土壤微生物處于活躍的新陳代謝狀態(tài)下 , 土 壤微生物的周轉(zhuǎn)速率提高 , 能耗加快 , 導(dǎo)致活性土 壤微生物量碳蓄存量降低 , HWC和 HWcC 也隨之 減少。從夏季到秋季 , 溫度有所降低 , 加之降雨量偏 低 , 土壤干旱 , 導(dǎo)致土壤微生物活性極大地減弱。 這 種情況下 , 一定量的降雨會(huì)刺激微生物的大

34、量繁殖 , 使土壤 MBC 含量急劇增加 , 尤以常綠闊葉林最為明 顯。 而土壤 WSOC 、 HWC 和 HWcC 均大幅度降低 , 一 方面是由于高溫干旱導(dǎo)致植物和微生物新陳代謝減 弱 , 分泌物減少 ; 另一方面 , 可能是長(zhǎng)時(shí)間土壤干 燥后的降雨對(duì)可溶解的有機(jī)碳部分產(chǎn)生較強(qiáng)的淋溶 作用。從秋季到冬季 , 隨著氣溫的降低 , 微生物活性 和數(shù)量都逐漸降低 , 土壤微生物量碳減少。 此時(shí) , 植 物基本停止生長(zhǎng) , 根系分泌物減少 , 凋落物分解緩 慢 , 產(chǎn)生的水溶性有機(jī)碳和碳水化合物減少 , 含量 降低。而微生物一方面利用土壤中活性有機(jī)碳來(lái)維 持自身生存 , 另一方面 , 其死亡后的尸

35、體轉(zhuǎn)化為可 被熱水浸提的有機(jī)碳 21。常綠闊葉林由于微生物數(shù) 量巨大 , 在微生物周轉(zhuǎn)緩慢的情況下 , HWC消耗量 超過(guò)轉(zhuǎn)化量 , 含量降低 ; 而 3種人工林則表現(xiàn)為轉(zhuǎn) 化量高于消耗量 , , 土壤活性有 機(jī)碳的季節(jié)變化不僅與溫度、降雨等氣候因素有關(guān) , 也受到植被類型的影響。 2.3 土壤活性有機(jī)碳之間的相關(guān)性對(duì)各活性碳庫(kù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明 (表 4, 除土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳顯著相關(guān)外 , 各活 性 有 機(jī) 碳 庫(kù) 兩 兩 之 間 都 存 在 著 極 顯 著 相 關(guān) 關(guān) 系 ,表 4 土壤微生物生物量碳、水溶性有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳和碳水化合物之間的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Co

36、rrelation coefficients among soil microbial biomass C (MBC, water soluble organic C (WSOC , hot water-extractable C(HWCand hot-water extractable carbohydrate-C (HWcC under different forestsWSOC MBC HWC MBC 0.285*HWC 0.747* 0.576*HWcC 0.762* 0.588* 0.859* , * and *分別表示 P <0.05, P <0.01 和 P <

37、0.001的顯著性水平 (雙尾檢驗(yàn) , n =48。 *, * and * mean significant difference at P <0.05,P <0.01 and P <0.001 respectively (two-tailed, n =48.第 1期 張 劍等 : 不同森林植被下土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)變化 45表明各活性碳之間關(guān)系密切 , 它們雖然表述與測(cè)定 方法不同 , 但都在一定程度上表征了土壤中活性較 高部分的碳含量。 WSOC 、 HWC 和 HWcC 3種溶解 性有機(jī)碳中 , 以 HWcC 與 MBC 的相關(guān)性和相關(guān)系數(shù) 最高 , HWC次之

38、, 表明熱水浸提碳水化合物對(duì)微生 物的有效程度最高 , 水溶性有機(jī)碳最低。3討論3.1不同植被下土壤活性有機(jī)碳含量土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于植被地上部分的凋落物 及其地下部分根的分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的碎屑。 植被的物種組成、土地利用方式以及管理措施等都 會(huì)影響土壤有機(jī)碳的質(zhì)量、數(shù)量和周轉(zhuǎn) 22。常綠闊 葉林轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌愋偷娜斯ち趾?, 森林植被類型發(fā) 生變化 , 凋落物以及根系輸入到土壤中的有機(jī)碳的 質(zhì) 量和數(shù)量 也隨 之改 變 , 導(dǎo) 致土 壤有機(jī)碳 存在 差 異。而土壤中的活性有機(jī)碳部分在土壤養(yǎng)分短期周 轉(zhuǎn)、為微生物提供能量等方面發(fā)揮著重要作用 , 能 夠更敏感地反映出這種變化 7。本研究結(jié)果表

39、明 , 與常綠闊葉林相比 , 3種人工 林土壤活性有機(jī)碳含量降低 , 這與大部分研究結(jié)果 一致。王清奎等 9, 10研究發(fā)現(xiàn) , 與闊葉林相比 , 第 一、二代杉木純林土壤活性有機(jī)質(zhì)總量、微生物生 物量碳、水溶性有機(jī)碳和碳水化合物含量均不同程 度的降低 ; 姜培坤 23分析了常綠闊葉林、馬尾松林 和杉木人工林不同層次土壤的活性有機(jī)碳含量 , 也 發(fā)現(xiàn)常綠闊葉林土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳含 量高于馬尾松與杉木林土壤。這一方面是人為干擾 的結(jié)果 , 例如 , 煉山、 皆伐等活動(dòng)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)大 量減少 ; 另一方面 , 由于土地利用變化引起凋落物 種類、數(shù)量減少 , 質(zhì)量下降以及林地生物多樣性的

40、 降低所致。本研究還表明 , 杉木火力楠混交林土壤 各活性有機(jī)碳庫(kù)高于杉木純林 , 尤其是水溶性有機(jī) 碳含量的增加最為顯著。凋落物和細(xì)根是土壤水溶 性有機(jī)碳的主要來(lái)源 24, 凋落物的分解和細(xì)根的周 轉(zhuǎn)釋放出水溶性有機(jī)碳 , 同時(shí) , 也為土壤微生物的 活動(dòng)提供能源 , 而土壤微生物是土壤熱水浸提有機(jī) 碳和碳水化合物最主要的來(lái)源之一 25, 26。因此 , 凋 落物和細(xì)根的分解可能是影響土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的 主要因素。一些模擬試驗(yàn)結(jié)果表明 , 火力楠與杉木 凋落物混合分解時(shí)表現(xiàn)出相互促進(jìn)的作用 13, 添加 混合葉凋落物土壤微生物量碳、水溶性有機(jī)碳等活 性有機(jī)碳含量高于添加純杉木葉凋落物土壤 1

41、5, 且 火力楠細(xì)根比杉木細(xì)根更顯著地增加土壤活性有機(jī) 碳的含量 27。凋落物和細(xì)根的化學(xué)成分可能是導(dǎo)致 這一結(jié)果的主要原因 28, 29, 凋落物和細(xì)根的 C/N以 及纖維素、木質(zhì)素等 C 的存在形式直接影響著微生 物對(duì)其分解和利用的程度 , 從而影響土壤活性有機(jī) 碳的含量。與杉木凋落物和細(xì)根相比 , 闊葉樹(shù)凋落 物和細(xì)根 C /N 小、 初始氮含量高 , 微生物較容易利 用 , 自身分解較快 , 有利于土壤活性有機(jī)碳含量的 提高。3.2土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)變化由于土壤活性有機(jī)碳對(duì)環(huán)境條件變化的高度敏 感性 , 各林地土壤活性有機(jī)碳含量具有明顯的季節(jié) 差異。 土壤水溶性有機(jī)碳在森林生態(tài)系統(tǒng)土

42、壤形成、 土壤養(yǎng)分有效性和污染物移動(dòng)性方面都起著重要作 用 , 本研究中各林地土壤水溶性有機(jī)碳含量從春季 到 夏 季 升 高 , 從 夏 季 到 秋 冬 兩 季 則 降 低 , 這 與 Campbell 等 30, 31的研究結(jié)果一致。但也有研究表 明 , 竹林 5、杉木和格氏栲人工林 8土壤水溶性有機(jī) 碳含量在秋冬季節(jié)高于夏季。土壤微生物量直接參與生態(tài)系統(tǒng) C 、 N 和其他 養(yǎng)分的循環(huán) , 與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力密切相關(guān)。 因此 , 土 壤微生物量碳的季節(jié)變化可一定程度上反映土壤有 機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分的循環(huán) 18。本研究表明 , 各林地 土壤微生物量碳在夏季和冬季較低 , 其原因可能是 夏季溫度和

43、濕度較為適宜 , 土壤微生物量碳周轉(zhuǎn)速 度快 , 其累積量就相對(duì)較少 ; 而冬季氣溫低 , 不利 于微生物的活動(dòng)和繁殖 , 導(dǎo)致土壤微生物量碳較低 , 與其他研究結(jié)果不盡一致。 Piao 等 7在中國(guó)西南巖 溶地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn) , 土壤微生物量碳在冬季最高 , 夏季最低 ; Zhou等 5報(bào)道了竹林春季土壤微生物量 碳低于夏季。 這些研究結(jié)果的差異可能與研究地區(qū)、 植被類型以及氣候條件的差異有關(guān)。土壤熱水浸提有機(jī)碳主要包括微生物、碳水化 合物以及構(gòu)成土壤其他活性有機(jī)碳的簡(jiǎn)單化合物 , 并 且可以作為森林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量變化的敏感指標(biāo) 32。 土壤熱水浸提碳水化合物是土壤團(tuán)聚體的重要膠結(jié) 劑 , 與

44、土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性密切相關(guān) 33, 也是土壤 熱水浸提有機(jī)碳的重要組成部分。本研究中 , 土壤 熱水浸提碳水化合物約占土壤熱水浸提有機(jī)碳 的 30%60%, 比其他研究結(jié)果中的范圍要大 , Puget等 34報(bào)道耕作土壤中這一比例為 40%50%, Ghani等 35, 36研究了不同土地利用方式后 , 認(rèn)為這一比例 在 40%60%之間。不同林地土壤熱水浸提有機(jī)碳 和碳水化合物含量的季節(jié)變化趨勢(shì)表現(xiàn)為 , 前者從 春季到冬季一直呈下降趨勢(shì) , 后者不同林地的變化 略有差異 , 地帶性常綠闊葉林從春季到冬季持續(xù)降 低 , 而 3種人工林則在冬季略有回升 , 這可能與常 綠闊葉林土壤微生物數(shù)量大

45、 , 能耗多有關(guān)。 有研究 36發(fā)現(xiàn)土壤熱水浸提有機(jī)碳的季節(jié)變化在不同年份之46 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2009 第 17 卷 間也存在差異, 甚至有相反的變化趨勢(shì), 主要是由 于同一季節(jié)不同年份之間在降雨、氣溫等氣候因素 存在較大差異。本研究中不同林地之間土壤活性有 機(jī)碳的季節(jié)變化趨勢(shì)并不完全一致, 因此, 植被類 型對(duì)土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)變化也有顯著影響。 3.3 各活性有機(jī)碳之間的關(guān)系 土壤活性有機(jī)質(zhì)的各個(gè)組分作為有機(jī)質(zhì)的一部 分是相互聯(lián)系的。碳水化合物是土壤微生物細(xì)胞必 需的組成物質(zhì)和主要能源, 與土壤微生物存在密切 關(guān)系 7。土壤微生物生物量碳與土壤熱水浸提碳水 化 合 物 含 量 具

46、有 極 顯 著 正 相 關(guān) 性 (r=0.588*, P<0.01, 與土壤水溶性有機(jī)碳(r=0.285*, P<0.05、 土 壤熱水 浸提有機(jī)碳 (r=0.576*, P<0.01含量之 間 的相關(guān)性也達(dá)到了顯著或極顯著水平, 表明土壤各 種活性有機(jī)碳組分都是土壤微生物的碳源, 但它們 對(duì) 土壤微 生物的 有效 程度不 同。由 相關(guān)系數(shù)可知, 土 壤 熱水 浸 提碳 水化 合 物對(duì) 微生 物 的有 效 程度 最 高。王清奎等 10 土 壤 熱水 浸 提有 機(jī)碳 可 以作 為土 壤 質(zhì)量 評(píng) 價(jià)的 生 化 指 標(biāo)。 土 壤活 性有 機(jī) 碳的 季節(jié) 變 化一 方面 與 溫 度

47、 、 降 雨 等 氣候 因素 有 關(guān) , 另一 方 面 與 植 被類 型 有關(guān)。 參考文獻(xiàn) 1 Bolinder L. C., Angers D. A., Gregorich E. G., et al. The response of soil quality indicators to conservation managementJ. Can. J. Soil Sci., 1999, 79: 3745 2 沈宏 , 曹志 洪, 胡 正 義. 土壤 活性有 機(jī)碳 的表 征 及 其生 態(tài) 效應(yīng)J. 生態(tài)學(xué)雜志, 1999, 18 (3: 3238 3 Wander M. M., Traina

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51、namics of dissolved organic carbon in forest floors of two plantations (Castanopsis kawakamii and Cunninghamia lanceolata in subtropical ChinaJ. Journal of Forestry Research, 2005, 16(3: 205208 9 Wang Q. K., Wang S. L., Deng S. J. Comparative study on active soil organic matter in Chinese fir planta

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53、機(jī)制的恢復(fù)J. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 11(1: 3336 13 廖利平, 馬越強(qiáng), 汪思龍, 等. 杉木與主要闊葉造林樹(shù)種葉 凋落物的混合分解J. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 24(1: 2733 14 廖利平, 陳楚瑩, 張家武, 等. 杉木、火力楠純林及混交林 細(xì)根周轉(zhuǎn)的研究J. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1995, 6(1: 710 15 王清奎, 汪思龍, 于小軍, 等. 杉木與闊葉樹(shù)葉凋落物混合 分 解 對(duì) 土 壤 活 性 有 機(jī) 質(zhì) 的 影 響 J. 應(yīng) 用 生 態(tài) 學(xué) 報(bào) , 2007, 18(6: 12031207 16 Hu Y. L., Wang S. L., Zeng D.

54、 H. Effects of single Chinese fir and mixed leaf litters on soil chemical, microbial properties and soil enzyme activitiesJ. Plant and Soil, 2006, 282: 也認(rèn)為, 土壤水溶性碳水化合物對(duì) 微生物的有效程度最高。 Liang 等 37研究發(fā)現(xiàn), 土壤 微生物量碳與水溶性有機(jī)碳、碳水化合物中的碳呈 顯著正相關(guān), 而與長(zhǎng)脂肪鏈碳呈負(fù)相關(guān), 表明微生 物量碳不僅與水溶性有機(jī)碳的數(shù)量有關(guān), 而且與其 質(zhì)量有關(guān)。 也有人 7發(fā)現(xiàn), 不同季節(jié)之間土壤微生物 量

55、碳與 0.5 mol·L1 K2SO 4 浸提的水溶性有機(jī)碳、碳 水化合物顯著負(fù)相關(guān), 認(rèn)為他們是土壤微生物重要 碳源并與土壤微生物相互消長(zhǎng)。但本研究中同一林 地類型不同季節(jié)之間土壤微生物量碳與其他活性有 機(jī)碳之間沒(méi)有顯著相關(guān)性, 這可能與研究區(qū)域的差 異有關(guān)。另外, 一年中不同林地土壤各活性有機(jī)碳 庫(kù)的方差分析結(jié)果表明, 土壤微生物量碳和土壤熱 水浸提有機(jī)碳能夠較好地區(qū)分不同森林類型, 并且 與其他活性有機(jī)碳具有明顯相關(guān)性, 因此, 可以作 為土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo), 這與其他人的研究結(jié)果一 致 21,32,38。 4 結(jié)語(yǔ) 研究發(fā)現(xiàn), 常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾? 土壤 活性有機(jī)碳含量

56、明顯降低; 與杉木純林相比, 火力 楠 與 杉木 混 交可提高 土 壤活性有 機(jī) 碳含 量, 其中, 土壤水溶性有機(jī)碳含量顯著增加, 而土壤其他活性 有機(jī)碳庫(kù)在一年的觀測(cè)中并未顯著提高。可以認(rèn)為 杉木火力楠混交林主要通過(guò)增加土壤可溶性有機(jī)碳 含量, 提高并促進(jìn)養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)輸, 有利于植 物對(duì)養(yǎng)分的吸收, 從而提高林地生產(chǎn)力。 因此, 與杉 木純林相比, 杉木火力楠混交林更有利于提高土壤 質(zhì)量和退化土壤的恢復(fù)。此外, 土壤微生物量碳和 第1期 379386 張 劍等: 不同森林植被下土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)變化 47 climate and litter qualityJ. Trends

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