常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤活性碳庫與氮庫的影響

摘要：為了研究常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤活性碳庫和氮庫的影響，在浙江省臨安市玲瓏山采集了相鄰的常綠闊葉林和雷竹林土壤（雷竹林由常綠闊葉林改造而來），測定分析了土壤的水溶性有機碳（WSOC）、微生物量碳（MBC）、易氧化碳（ROC）、水溶性有機氮（WSON）及微生物量氮（MBN）含量。結果表明，常綠闊葉林改造成雷竹林后土壤pH顯著降低，土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷及速效鉀含量顯著增加。常綠闊葉林改造成雷竹林后，WSOC和ROC分別增加了61.3%和94.7%，而土壤MBC含量卻下降了37.8%。雷竹林土壤WSON和MBN含量分別為常綠闊葉林土壤的80.9%和70.8%。常綠闊葉林改造成雷竹林并長期集約經營后，WSOC、ROC及土壤養分庫含量均顯著增加，而土壤微生物量顯著降低。

關鍵詞：常綠闊葉林；雷竹林；活性碳庫；氮庫

中圖分類號：S714 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4739-05

Effect of Conversion from Evergreen Broad-leaved Forest to Phyllostachys violascens cv. Prevernalis Forest on Soil Labile Carbon and Nitrogen Pools

XIAO Peng1，LI Yong-fu1，JIANG Pei-kun1，PAN Ren-jun2，WU Jin-gen3

（1. School of Environmentral Resource Sciences， Zhejiang A F University， Lin’an 311300， Zhejiang， China； 2. City College，Zhejiang University， Hangzhou 310015， China； 3. Hangzhou Lijia Environmental Services Co.， Ltd.， Hangzhou 311100， China）

Abstract： To investigate the effect of conversion from evergreen broad-leaved forest（EBLF） to Phyllostachys violascens cv. Prevernalis forest（BF） on the soil C and N pools， soils of the above two types of forests （The BF was converted from EBLF）were sampled from Lin’an county in Zhejiang Province. Soil water-soluble organic C（WSOC）， microbial biomass C（MBC）， readily oxidizable C（ROC）， water-soluble organic nitrogen（WSON）， and microbial biomass N（MBN） were analyzed. The results showed that the pH of soil was significantly decreased， while total organic carbon， total N， alkalyzable N， available P， and available K contents were significantly increased after the conversion of EBLF to BF. The content of WSOC and ROC was increased by 61.3% and 94.7% respectively， while the MBC content was decreased by 37.8% caused by the conversion of EBLF to BF. The content of WSON and MBN in BF was 80.9% and 70.8% respectively. In conclusion， the soil content of WSOC， ROC， and nutrient pools was significantly increased； but the soil microbial content was significantly decreased by the conversion from EBLF to BF.

Key words： Evergreen broad-leaved forest； Phyllostachys violascens cv. Prevernalis forest； labile carbon pool； nitrogen pool

土壤有機碳含量是評定土壤肥力等級及評價土壤質量的重要參考指標。近年來，隨著全球氣候變暖的不斷加劇，生態系統碳循環研究受到越來越多的關注與重視。由于土壤有機碳庫容量巨大，其較小變化就會顯著影響大氣中CO2濃度[1]。因此土壤碳庫動態變化（特別是對人為干擾的響應）已經成為目前生態系統碳循環研究的重點之一。土地利用變化是影響土壤碳庫特征的主要因素之一。由于土壤總有機碳含量在短期內很難發生顯著變化，因此，非常有必要利用更加敏感的指標來表征土壤碳庫的動態變化。

土壤活性有機碳是指土壤中穩定性差、易氧化、易礦化、移動性好，并對植物和土壤微生物活性較高的那部分有機態碳[2]。從含量來看，活性碳占土壤總有機碳的比例偏低，但活性碳庫的變化與土壤有機質和養分庫轉化、微生物的生長以及土壤呼吸特征變化等方面具有非常密切的關系[3，4]。水溶性碳、熱水溶性碳、微生物量碳、易氧化碳是目前用來表征土壤活性碳庫的常見指標[5，6]。不同經營管理措施對土壤中不同形態活性碳的影響程度存在顯著差異[5-7]。因此，研究土地利用變化對不同形態活性碳特征的影響比單純研究其對土壤總有機碳特征的影響具有更重要的意義。

常綠闊葉林是中國亞熱帶地區生產力最高、生物多樣性最豐富的地帶性植被類型，在維持森林生態系統碳平衡及應對全球氣候變化過程中發揮著非常重要的作用[8]。在過去的30年間，隨著農林業經濟的快速發展以及市場對雷竹筍產品、板栗等需求的不斷增加，一部分常綠闊葉次生林被經濟價值較高的林分如雷竹、板栗林等取代。雷竹（Phyllostachys praecox C.D. Chu et C.S. Chao）是中國南方非常重要的筍用竹種之一。由于竹筍營養豐富并且味道鮮美，因此深受消費者喜愛。近十幾年來，以重施肥及冬季地表有機物覆蓋為核心的集約高效栽培技術在雷竹林生產上得到了廣泛的運用與推廣[9]。集約經營措施能提早出筍和增加竹筍產量，也會對雷竹林生產帶來不少負面影響，如出現土壤生物學性質下降和雷竹林提前退化等問題[10，11]。本試驗采集了相鄰的常綠闊葉林和雷竹林土壤，分析了這兩種土地利用方式下土壤水溶性有機碳（WSOC）、微生物量碳（MBC）、易氧化碳（ROC）、水溶性有機氮（WSON）及微生物量氮（MBN）含量變化，為深入研究土壤生態系統對土地利用變化的響應機制提供基礎資料，并為雷竹林土壤的養分綜合管理與雷竹林產業的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗取樣地點設在浙江省臨安市玲瓏山（30°14′N，119°42′E）。試驗區屬于中緯度北亞熱帶季風氣候，雨量充沛（年平均降水量1 424 mm），氣候溫和，多年年均氣溫為15.9 ℃。平均日照時數1 943 h，無霜期236 d。在研究區選擇立地情況基本一致的常綠闊葉林與雷竹林樣地。常綠闊葉林海拔高度為265 m，郁閉度為90%，主要樹種有木荷、青岡、甜櫧、苦櫧等。雷竹林于1997年從常綠闊葉林中改造而來。2003年之前，每年進行施肥結合翻耕等管理措施，全年施肥量為尿素450 kg/hm2，復合肥600 kg/hm2。2003年起，進行地表有機物覆蓋管理措施。具體方法如下：在每年的11月下旬至12月上旬期間，竹農在雷竹林土壤表面進行有機物覆蓋措施，以達到增溫保濕的目的。一般做法如下：先覆蓋10～15 cm的稻草，然后在稻草上面再覆蓋10～15 cm的礱糠，稻草用量為40 t/hm2，礱糠用量為55 t/hm2，次年3、4月份揭去上層未腐爛的礱糠。每年施3次肥，時間分別為5月中旬、9月下旬及有機物覆蓋前。雷竹林地每年肥料用量如下：復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）2.250 t/hm2、尿素（含N 46%）1.125 t/hm2。

1.2 試驗設計及取樣

2011年7月，在研究區域里選擇立地基本一致的相鄰的常綠闊葉林和雷竹林樣地，分別在樣地中選擇面積為400 m2（20 m×20 m）的試驗小區各4個，共8個試驗小區。按照五點取樣法用土鉆（直徑為4.5 cm）采取各試驗小區表層（0～20 cm）土壤。將同一試驗小區內5個點所取到的土壤樣充分混勻，作為該試驗小區的土壤樣品。土樣過2 mm鋼篩后分成2份。一份為新鮮土樣，保存在4 ℃的冰箱中；另外一份土樣經風干處理后放在卡口袋中備用。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤基本理化性狀的測定 土壤總有機碳（TOC）含量的測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法；總氮采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用Bray法測定；速效鉀含量采用醋酸銨（1 mol/L）浸提，火焰光度計測定；土壤pH采用水土比2.5∶1浸提后電極法測定。上述測定方法均參考文獻[12]。

1.3.2 水溶性有機碳氮的測定 土壤WSOC和WSON含量的分析參考Jones等[13]的方法進行測定。稱量新鮮土壤樣品20.00 g（同時測定土壤樣品的含水量），按照土水比1∶2進行浸提，振蕩0.5 h（25 ℃），離心10 min（轉速為8 000 r/min），接著過0.45 μm濾膜（Millipore公司），濾液放入塑料瓶中，貯存備用。取一份濾液用有機碳自動分析儀（TOC-VCPH，島津公司）測定土壤WSOC和水溶性總氮（WSN）含量；另外取一份濾液用離子色譜法（ICS 1500，戴安公司）測定NH4+？螄N和NO3-？螄N的含量。計算WSON含量：WSON=WSN-NH4+？螄N-NO3-？螄N。

1.3.3 微生物量碳氮的測定 土壤微生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸直接提取法[14]。對照土壤和熏蒸后土壤用K2SO4溶液（0.5 mol/L）浸提（液土比為5∶1），浸提液過濾后的濾液中WSOC和WSN含量采用有機碳自動分析儀測定。土壤MBC和MBN含量的計算方法如下：MBC=EC/0.45，MBN=EN/0.45，式中EC和EN分別為熏蒸土樣與未熏蒸土樣提取液中C、N含量之差，0.45為浸提系數[14，15]。

1.3.4 易氧化碳的測定 土壤易氧化態碳（ROC）的測定參考Graeme等[16]的方法。具體如下：稱取2.00 g風干土置于50 mL離心管中，再加入25 mL KMnO4溶液（333 mmol/L），振蕩1 h（25 ℃），離心5 min（轉速4 000 r/min），吸取上清液，在565 nm波長處進行比色，同時制作KMnO4的標準曲線。根據KMnO4消耗量就可以計算土壤樣品中的ROC含量。

1.4 數據統計

本試驗數據為4次重復的平均值。數據采用單因素方差分析，并用新復極差法進行多重比較（P< 0.05）。使用Microsoft Excel和SPSS 13.0軟件對數據進行統計分析處理。

2 結果與分析

2.1 常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤基本理化性質的影響

常綠闊葉林與雷竹林樣地土壤樣品的基本理化性質指標如表1所示。由表1可知，常綠闊葉林改造成雷竹林后，對土壤理化性質的影響非常顯著。常綠闊葉林改成雷竹林后，土壤pH從4.85下降到4.12，呈現出一定程度的酸化現象。雷竹林土壤的有機碳含量和全氮含量分別為常綠闊葉林的164%和169%。另外，常綠闊葉林改造成雷竹林后，土壤的速效養分（如堿解氮、有效磷和速效鉀）含量均顯著增加（P<0.05）。

2.2 常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤活性碳庫的影響

常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤不同活性碳庫含量的影響如圖1所示。常綠闊葉林改造成雷竹林后，土壤中WSOC和ROC含量均顯著增加（P<0.05）。其中WSOC從25.6 mg/kg增加到41.3 mg/kg，增加了61.3%（圖1A）。上述土地利用變化后，土壤ROC含量增加了94.7%（圖1C），而土壤MBC含量卻下降了37.8%（圖1B）。常綠闊葉林和雷竹林不同活性碳庫含量占總有機碳比例如表2所示。常綠闊葉林改造成雷竹林后，MBC/TOC顯著下降（P<0.05），ROC/TOC卻呈顯著增加趨勢，而WSOC/TOC無顯著變化（表2）。

2.3 常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤活性氮庫的影響

常綠闊葉林和雷竹林土壤的WSON和MBN含量如圖2所示。常綠闊葉林改造成雷竹林后，WSON和MBN含量呈不同變化。其中，WSON含量從4.76 mg/kg增加到38.51 mg/kg（圖2A），而MBN含量卻從74.30 mg/kg下降至52.60 mg/kg，降低了29.2%。常綠闊葉林和雷竹林土壤水溶性有機氮、微生物量氮占相應氮組分比例的比較如表3所示。常綠闊葉林改造成雷竹林后，WSON/TN顯著增加（P<0.05），MBN/TN顯著降低，而WSON/WSN無顯著變化。

3 討論

從目前的研究來看，空間代替時間的方法仍然被很多研究學者用來從事土地利用變化對土壤性質影響方面的研究[17，18]。而上述方法是否有效的前提主要取決于相鄰的兩種不同利用方式土壤在土地利用變化之前的性質是否相似[5，19]。在本研究中，雷竹林于1997年由常綠闊葉林改造而來，目前這兩塊相鄰樣地（常綠闊葉林與雷竹林）土壤的碳庫與氮庫的差異，主要是由不同植被覆蓋以及不同經營管理措施造成的。由于在雷竹林管理過程中采用了集約經營措施，主要包括冬季有機物覆蓋以及重施化肥。因此，必然會對土壤理化性質及養分庫特征產生顯著影響。

本研究的結果表明，常綠闊葉林改造成雷竹林后，土壤的有機碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均顯著增加。Cao等[11]研究表明土地利用導致養分含量增加。Sun等[20]的研究表明將水稻土改造成蔬菜地后，土壤的全氮、全磷及有效鉀含量均顯著增加。本試驗中，養分庫含量增加的原因是由于雷竹林采取了集約經營措施，其中重施化肥措施增加了雷竹林土壤氮、磷、鉀養分的輸入。而有機物覆蓋后，由于有機物的腐爛，增加了土壤有機物的輸入，從而導致土壤有機碳含量增加。Huang等[6]研究表明覆蓋措施可以增加林地土壤有機碳含量。

Chen等[21]研究表明短期或長期的土地利用變化均會對土壤活性碳（如水溶性有機碳、易氧化碳等）的含量產生顯著影響。張金波等[22]研究表明在三江平原區域的土壤WSOC含量隨著土地利用方式的變化發生顯著變化，土地開墾耕作是導致土壤WSOC含量降低的主要原因。本研究結果表明，將常綠闊葉林改造成雷竹林并集約經營10余年后，土壤WSOC含量增加了61.3%。土地利用改變影響WSOC含量的主要機理：一是土地利用變化引起進入土壤中植物殘體與肥料的數量和性質發生改變；二是土地利用變化引起土壤水分、耕作方式等經營管理措施發生改變[23]。本研究中雷竹林土壤WSOC含量高于常綠闊葉林土壤的原因可能是雷竹林經營過程中施入的覆蓋物為稻草與竹葉，而這些覆蓋物腐爛以后，會產生大量的水溶性有機碳化合物；另外，由于雷竹植株根鞭比較發達，從根系分泌到土壤的含碳有機化合物含量相應較多。土壤ROC含量的變化與WSOC含量的變化非常相似，增加的機理主要也是與有機物覆蓋措施有關。

微生物量碳（MBC）指土壤微生物軀體中包含的碳，是土壤有機碳庫中最活躍的組分之一。近些年來，MBC被用來表征土壤有機碳特征及其對人為干擾響應的重要指標之一[24]。常綠闊葉林改造成雷竹林后，土壤MBC含量顯著降低。與WSOC和ROC變化趨勢剛好相反。土壤MBC下降原因如下：一是在雷竹林的集約經營管理中，除了覆蓋有機物料外，還包括超量施用化肥措施。長期連續超量施用化肥可能會導致雷竹林土壤微生物活性的顯著下降，從而引起土壤微生物生物量的顯著下降；二是土壤pH的不同。常綠闊葉林改造成雷竹林后，土壤pH顯著降低，土壤酸化會在一定程度上抑制土壤微生物的生長和繁殖，從而引起土壤微生物生物量的降低[25，26]。

水溶性有機氮（WSON）顯著影響農林生態系統的氮循環以及土壤的氮素有效性。從國內外有關土壤WSON研究的結果來看，不同學者有關土壤WSON含量的報道差異較大。王清奎等[27]研究表明，大部分森林土壤的WSON含量均在10 mg/kg以下。而張彪等[28]研究表明，3種森林土壤（包括細柄阿丁楓天然林、米櫧天然林及杉木人工林土壤）的WSON含量都高于50 mg/kg。從本研究的結果可知，常綠闊葉林和雷竹林的WSON含量分別為4.76 mg/kg和38.51 mg/kg，與其他森林土壤的研究結果存在較大差異。不同森林類型土壤WSON含量的差異可能是土壤性質、氣候、森林類型、經營管理措施等因素的不同所引起的[29，30]。本研究結果表明，常綠闊葉林改造成雷竹林并經過10余年的人為經營管理后，導致土壤WSON含量顯著增加。WSON增加的機理與WSOC增加的機理相似。主要是由于雷竹林的有機物覆蓋措施引起的。常綠闊葉林改造成雷竹林對土壤MBN的影響機理與其對MBC的影響比較相似。土地利用變化之后，土壤MBN含量下降了29.2%。可能是由于雷竹林重施化肥以及土壤酸化導致土壤微生物生長受到抑制引起的。從WSON/TN以及MBN/TN的變化可知，常綠闊葉林改造成雷竹林以后，土壤微生物量顯著降低。相比較MBN的變化程度，MBN/TN的變化更加劇烈。因此MBN/TN這個指標對人為干擾的響應要比MBN更加敏感。

綜合本試驗的所有分析測定指標可知，常綠闊葉林改造成雷竹林對于土壤的理化性狀及肥力狀況的影響是呈兩方面的。一方面，常綠闊葉林改造成雷竹林后，由于每年均采取了有機物覆蓋及施肥措施，所以從NPK養分指標、有機碳及WSOC和ROC含量來看，雷竹林土壤要顯著高于常綠闊葉林土壤，這表明長期的集約經營措施對于土壤養分狀況來講是有利的。另外一方面，從MBC和MBN含量來看，與常綠闊葉林土壤相比，由于雷竹林經營過程中長期施用化肥，從而使土壤的微生物生長受到抑制，從而導致MBC和MBN含量顯著下降。本研究只比較了常綠闊葉林和集約經營15年后的雷竹林之間碳庫和氮庫的差異，在分析土地利用變化以及經營管理措施對土壤碳庫和氮庫影響機理方面仍存在不足。今后，將選取不同集約經營歷史的雷竹林形成集約經營時間序列，來研究土地利用變化和長期集約經營措施對土壤活性碳庫和氮庫的影響機制。

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收稿日期：2012-06-10

基金項目：國家自然科學基金項目（31170576）；浙江省科技廳重點項目（2011C12019）；浙江農林大學科研發展基金項目（2007FR040）

作者簡介：肖 鵬（1991-），男，福建漳州人，在讀本科生，研究方向為森林生態系統碳循環，（電話）0571-63741609（電子信箱）xiaopengzafu@163.com；

通訊作者，李永夫（1980-），男，浙江溫嶺人，副教授，博士，主要從事森林生態系統碳循環研究（電話）13095718121（電子信箱）

yongfuli@zafu.edu.cn。