不同經營年限對山核桃林地土壤輕重組有機碳的影響

盛衛星，吳家森，徐建春，張少偉，蔡建榮

（1.浙江省建德市林業局，浙江 建德311600；2.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 臨安311300；3.浙江省開化縣林業局，浙江 開化324300；4.浙江省建德市新安江林場，浙江建德311600）

不同經營年限對山核桃林地土壤輕重組有機碳的影響

盛衛星1，吳家森2，徐建春3，張少偉4，蔡建榮1

（1.浙江省建德市林業局，浙江 建德311600；2.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 臨安311300；3.浙江省開化縣林業局，浙江 開化324300；4.浙江省建德市新安江林場，浙江建德311600）

為探討不同集約經營歷史山核桃Carya cathayensis林地土壤輕重組有機碳的演變規律,在浙江省臨安市分別采集了集約經營歷史為5，10，15，20 a的山核桃林土壤樣品，并與天然山核桃-闊葉混交林（0 a）進行比較。結果表明：天然混交林改造為山核桃純林并經強度經營后，土壤有機碳的變化主要發生在表層（0～10 cm），表層土壤總有機碳（SOC），輕組有機碳（LFOC），重組有機碳（HFOC）質量分數均呈下降趨勢，與0 a相比，經過5 a經營后，土壤SOC，LFOC，HFOC分別下降了28.4%，59.3%和15.1%， 而20 a后，則分別下降了38.6%，68.2%和26.0%。經營前5 a，LFOC/SOC從23.0%下降為17.0%，而HFOC/SOC則從從70.0%上升到83.0%，在后期的經營過程中，輕重組有機碳占總有機碳的比例保持相對穩定。圖3表2參26

森林土壤學；輕組有機碳；重組有機碳；山核桃

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是土壤的重要組成部分，影響著土壤中養分的儲存與供應，其數量和分布反映了地表植物群落的空間分布、時間上的演替和人為干擾，在全球碳循環中也起著至關重要的作用［1］?？刹捎梦锢矸椒?，將土壤有機碳分為輕組有機碳（light fraction organic carbon，LFOC）和重組有機碳（high fraction organic carbon，HFOC）。輕組有機碳是介于動植物殘體和腐殖化有機質之間的有機碳庫，是土壤不穩定有機碳庫的重要組成［2］。重組有機碳主要成分是礦質顆粒，存在于有機-無機復合體中，受土壤礦物不同程度的物理和化學保護，一定程度上反映了土壤保持有機碳的能力［3-4］。近年來，關于土地利用變化對SOC的影響主要有土壤總有機碳［5］和活性有機碳［6］，天然林轉變為次生林或人工林后，土壤有機碳顯著降低，土壤LFOC降低尤為明顯［7-8］。耕作會導致LFOC迅速減少，但HFOC減少不顯著，而施入苜蓿Medicago sativs后2 a后，土壤LFOC增加量是SOC和HFOC的2～3倍［9］，所以LFOC比SOC和HFOC對耕作、施肥等農業生產措施的響應更快［10］，而對HFOC的研究則較少［11］。山核桃Carya cathayensis是中國特有的木本油料樹種和高檔干果，主要分布在浙皖交界的天目山系。山核桃生產具有很高的經濟效益，因此，林農將大面積的山核桃-闊葉混交林改造為山核桃純林，在生產過程中將林下灌木、雜草除盡，造成林地土壤有機碳質量分數低于相同區域的次生闊葉林［12］。山核桃的強度經營，也造成林地土壤有機碳質量分數下降［13］，而生草栽培則提高了土壤有機碳質量分數［14］，但集約經營過程中土壤輕、重組有機碳的質量分數和比例是如何變化的？本研究通過空間代替時間的方法，研究不同經營年限對山核桃林地土壤輕重組有機碳質量分數的影響，以期為山核桃土壤的科學管理提供依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省臨安市昌化鎮（30°03′02′′N，119°08′54′′E），屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫為16.4℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-13.3℃，年均有效積溫5 774.0℃，年降水量1 628.0 mm，年日照時數1 774.0 h，無霜期235.0 d。土壤為發育于板巖的巖性土。試驗林分位于海拔200～260 m，坡度20°左右，林下無灌木生長，僅有少量草本植物。每年5月和9月上旬共施復合肥［m（氮N）∶m（磷P2O5）∶m（鉀K2O）=15∶15∶15］600 kg·hm-2，同時施用除草劑［13］。

1.2 試驗設計與取樣

2012年1月，根據森林資源經營檔案，在昌化鎮石坎村的3個小流域，分別選擇經營5，10，15，20 a的山核桃純林各1塊，同時在樣地周圍選擇山核桃-闊葉混交林作為對照（0 a），1個小流域作為1個區組，同一區組中樣地的坡向、坡度和土壤類型相同，面積1.0 hm2［13］。樣地林分的基本特征和0～10 cm土壤理化性質如表1～2所示。

表1 樣地林分基本特征Table 1 Basic characteristics of sample plots

表2 樣地土壤基本理化性質（0～10 cm）Table 2 Soil physiochemical characters of sample plots（0-10 cm）

在各樣地中，按 “S”型布點，分別采集5個0～10 cm，10～30 cm土樣，將其分別混合，然后采用四分法分取樣品1.0 kg左右。采集后帶回實驗室，去除石塊和植物根系等雜物，置于室內風干，過2 mm篩后混勻，備用。

1.3 分析方法

利用相對密度分組法分離土壤輕組、重組有機碳，得到輕組有機碳和重組有機碳；輕組、重組有機碳及總有機碳均采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定［15］。

1.4 成數據處

采用SPSS 13.0軟件進行數據處理。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和新復極差法（SSR）比較不同數據組間的差異（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 林地土壤有機碳質量分數

如圖1所示：表層（0～10 cm）土壤有機碳（SOC）質量分數隨著經營年限的延長而下降，特別是改造初期（前5 a），其質量分數下降了28.4%，差異達顯著水平，后期經營過程中（5～20 a）土壤總有機碳質量分數總體呈下降趁勢，但不同經營年限之間的差異性并不顯著，經過20 a的經營，SOC質量分數下降了38.6%；林地表下層（10～30 cm）土壤總有機碳質量分數在改造初期有所下降，經營前5 a，有機碳質量分數下降了18.3%，但隨著經營年限的延長而緩慢上升，在整個經營過程中保持相對穩定，差異性不顯著性，經過20 a的經營，SOC質量分數僅降低了1.8%。不同經營年限山核桃林地土壤有機碳質量分數在剖面上的分布均隨著土壤深度增加而減小。

圖1 不同經營年限山核桃林地土壤有機碳質量分數Figure 1 Soil organic carbon content under various intensive management period of Carya cathayensis

2.2 林地土壤輕組、重組有機碳質量分數

從圖2中可知：不同經營年限山核桃林地土壤輕組、重組有機碳質量分數均隨著土層深度的增加而降低，表層（0～10 cm）土壤輕組、重組有機碳質量分數均高于表下層（10～30 cm）。

山核桃林地表層土壤輕組、重組有機碳質量分數隨著經營年限的延長而下降，與天然混交林（0 a）相比，經過5 a強度經營，輕組有機碳質量分數降低了59.3%，差異性達到顯著水平，而重組有機碳質量分數只下降了15.1%，差異性并不顯著；集約經營20 a后，土壤輕組、重組有機碳質量分數分別下降了68.2%和26.0%，不同經營年限之間的差異并不顯著。

山核桃林地表下層土壤輕組、重組有機碳量質量分數在不同經營年限之間的差異不明顯，分別介于1.63～2.04，9.55～11.52 g·kg－1。

2.3 林地土壤輕組、重組有機碳占總有機碳的比例

土壤輕組、重組有機碳占總有機碳的比例如圖3所示，林地表層土壤輕組有機碳占總有機碳的比例隨著經營年限的延長而下降，經營5 a后，LFOC/SOC從23.0%下降到17.0%，差異達顯著水平，但在后期的經營過程中，LFOC/SOC保持相對穩定，其值保持在15.5%～19.1%。而重組有機碳的表現規律則與輕組相反，經營5 a后，HFOC/SOC從70.0%上升到83.0%，差異達顯著水平，在后期的經營中，HFOC/ SOC保持相對穩定，其值在81.0%～85.5%。

不同經營年限林地表下層土壤輕組、重組有機碳占總有機碳的比例則保持相對穩定，變化不明顯，LFOC/TOC保持在13.2%～15.1%，HFOC/TOC在84.9%～86.9%。

圖3 山核桃林地土壤輕組、重組有機碳占總有機碳的比例Figure 3 Composition of LFOC/SOC and HFOC/SOC under various intensive management period of Carya cathayensis forest

3 討論與結論

土地利用變化及人為經營措施影響著土壤的碳過程，對土壤有機碳的質量分數、組成會產生顯著影響［16-17］。常闊葉林改造成板栗Castanea mollissima林10 a后，土壤有機碳質量分數下降了45.5%［18］，毛竹Phyllostachys edulis從粗放經營轉為集約經營20 a后,土壤有機碳質量分數也下降了34.7%［19］。隨著栽植年限的增加，臍橙Citrus sinensis和柑橘Citrus reticulata園土壤有機碳質量分數呈增加的趨勢［20－21］。本研究結果表明：與天然混交林（0 a）相比，經過5 a的強度經營，山核桃林地表層（0～10 cm）土壤總有機碳質量分數降低了28.4%，而經過20 a經營后，土壤SOC質量分數下降了38.6%。這主要是由于天然混交林改造為山核桃純林后，受到人為強度干擾，灌木層和草本層缺失，有機質輸入明顯減少，凋落物現存量僅為混交林的一半［22］。同時山核桃林相結構的改變，土壤溫差大，有機質分解速度快；并且山核桃純林水土流失嚴重，造成林地土壤有機碳大量流失，從而導致土壤有機碳質量分數明顯下降。相關研究也表明，造成森林土壤有機碳降低的主要原因是森林凋落物歸還數量及其質量改變，以及水土流失和經營措施對土壤的擾動引起土壤有機質加速分解或流失等［7－8］。

土壤輕組有機碳對耕作比較敏感，是反映不同措施下土壤質量變化的較好指標，對于評價耕作影響土壤碳過程具有重要意義［23］。與傳統小麥Triticum aestivum-玉米Zea mays農田土壤相比較，果園土壤輕組有機碳質量分數提高了136.4%［24］。隨著栽培年限的延長，日光溫室土壤LFOC質量分數顯著增加，而土壤HFOC增長緩慢［25］。與上述研究結果相反，經過5 a強度經營，山核桃林地輕組有機碳質量分數降低了59.3%，LFOC/TOC從23.0%下降到17.0%，差異達顯著水平，集約經營20 a后，輕組有機碳質量分數則下降了68.2%，這主要是經營措施不同，有機物歸還的大小差異所造成的。

經營干擾對土壤有機碳的影響主要體現在表層［26］。20世紀50年代栽植的果園0～20 cm和20～40 cm土層輕組有機碳質量分數比20世紀80年代栽植的果園提高了23.6%和3.6%［21］。本研究也表明：不同經營年限山核桃林地土壤有機碳的變化主要發生在表層（0～10 cm），而表下層（10～30 cm）土壤不同組分有機碳在整個經營過程保持相對穩定。

［1］ 李鑒霖，江長勝，郝慶菊.縉云山不同土地利用方式下土壤有機碳組分特征［J］.生態學報，2015，35（11）：1－13.

LI Jianlin,JIANG Changsheng,HAO Qingju.Distribution characteristics of soil organic carbon and its physical fractions under the different land uses in Jinyun Mountain［J］.Acta Ecol Sin,2015,35（11）：1－13.

［2］ CHRISTENSEN B T.Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates［J］.Adv Soil Sci,1992,20（1）：1－90.

［3］ SIX J,ELLIOTT E T,PAUSTIAN K,et al.Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils［J］.Soil Sci Soc Am J,1998,62（5）：1367－1377.

［4］ BARRIOS E,BURESH,R J,KWESIGA F,et al.Light fraction soil organic matter and available nitrogen following trees and maize［J］.Soil Sci Soc Am J,1997,61（3）：826－831.

［5］ 唐國勇，李昆，孫永玉，等.土地利用方式對土壤有機碳和碳庫管理指數的影響［J］.林業科學研究，2011，24（6）：754－759.

TANG Guoyong,LI Kun,SUN Yongyu,et al.Effects of land uses on soil organic carbon and carbon pool management index［J］.For Res,2011,24（6）：754－759.

［6］ 藍家程，傅瓦利，袁波，等.巖溶山區土地利用方式對土壤活性有機碳及其分布的影響［J］.中國巖溶，2011，30（2）：175－180.

LAN Jiacheng,FU Wali,YUAN Bo,et al.Impact of land use type on soil active organic carbon and its distribution in karst mountain［J］.Carsol Sin,2011,30（2）：175－180.

［7］ 楊玉盛，謝錦升，盛浩，等.中亞熱帶山區土地利用變化對土壤有機碳儲量和質量的影響［J］.地理學報，2007，62（11）：1123－1131.

YANG Yusheng,XIE Jinsheng,SHENG Hao,et al.The impact of land use/cover change on soil organic carbon stocks and quality in mid-subtropical mountainous area of southern China［J］.Acta Geogr Sin,2007,62（11）：1123－1131.

［8］ LUAN Junwei,LIU Shirong,ZHU Xueling,et al.Soil carbon stock and flux in a warm-temperate oak chronosequence in China［J］.Plant Soil,2011,347（1/2）：243－253.

［9］ BLAIR G J,LEFROY R D B,LISLE L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems［J］.Aust J Agric Res,1995,46（7）：1459－1466.

［10］ BrEMER E,ELLERT B H,JANZEN H H.Total and light-fraction carbon dynamics during four decades after cropping changes［J］.Soil Sci Soc Am J,1995,59（5）：1398－1403.

［11］ 王發剛，王啟基，王文穎.土壤有機碳研究進展［J］.草業科學，2008，25（2）：48－54. WANG Fagang,WANG Qiji,WANG Wenying.Research progress on soil organic matter［J］.Pratac Sci,2008,25（2）：48－54.

［12］ 吳家森，張金池，黃堅欽，等.浙江省臨安市山核桃產區林地土壤有機碳分布特征［J］.浙江大學學報：農業與生命科學版，2013，39（4）：413－420.

WU Jiasen,ZHANG Jinchi,HUANG Jianqin,et al.Distribution characteristics of soil organic carbon in Carya cathayensis producing regions of Lin’an City,Zhejiang Province［J］.J Zhejiang Univ Agric&Life Sci,2013,39（4）：413－420.

［13］ 吳家森.山核桃人工林土壤有機碳變化特征［D］.南京：南京林業大學，2014.

WU Jiasen.Study on the Characteristics of Soil Organic Carbon under Carya cathayensis Stands［D］.Nanjing：Nan-Jing Forestry University,2014.

［14］ 錢進芳，吳家森，黃堅欽.生草栽培對山核桃林地土壤肥力和微生物功能多樣性的影響［J］.生態學報，2014，34（15）：4324－4332.

QIAN Jinfang,WU Jiasen,HUANG Jianqin.Effects of sod-cultural practices on soil nutrients and microbial diversity in the Carya cathayensis forest［J］.Acta Ecol Sin,2014,34（15）：4324－4332.

［15］ 魯如坤.土壤農業化學分析方法［M］.北京：中國農業科技出版社，1999：108，116－118.

［16］ BATLLE-BAYER L,BATJES N H,BINDRABAN P S.Changes in organic carbon stocks upon land use conversion in the Brazilian Cerrado：a review［J］.Agric Ecosyt&Environ,2010,137（1/2）：47－58.

［17］ AREVALO C B M,BHATTI J S,CHANG S X,et al.Ecosystemcarbon stocks and distribution under different landuse in north central Alberta,Canada［J］.For Ecol Manage,2009,257（8）：1776－1785.

［18］ WU Jiasen,JIANG Peikun,CHANG S X,et al.Dissolved soil organic carbon and nitrogen were affected by conversion of native forests to plantations in subtropical China［J］.Can J Soil Sci,2010,90（1）：27－36.

［19］ 周國模，徐建明，吳家森，等.毛竹林集約經營過程中土壤活性有機碳庫的演變［J］.林業科學，2006，42（6）：124－128.

ZHOU Guomo,XU Jianming,WU Jiasen,et al.Changes in soil active organic carbon with history of intensive management of Phyllostachy pubescens forest［J］.Sci Silv Sin,2006,42（6）：124－128.

［20］ 郭恢財，廖鵬飛，陳伏生.臍橙果園土壤養分動態與酶活性的季節變化［J］.生態學雜志，2010，29（4）：754－759.

GUO Huicai,LIAO Pengfei,CHEN Fusheng.Seasonal changes of soil nutrient supply and enzyme activities in navel orange orchards of south Jiangxi［J］.Chin J Ecol,2010,29（4）：754－759.

［21］ 王義祥，葉菁，王成己，等.不同經營年限對柑橘果園土壤有機碳及其組分的影響［J］.生態環境學報，2014， 23（10）：1574－1580.

WANG Yixiang,YE Jing,WANG Chengji,et al.Effect of different cultivation years on soil organic carbon pools in citrus orchards［J］.Ecol Environ Sci,2014,23（10）：1574－1580.

［22］ 吳家森，錢進芳，童志鵬，等.山核桃林集約經營過程中土壤有機碳和微生物功能多樣性的變化［J］.應用生態學報，2014，25（9）：2486－2492.

WU Jiasen,QIAN Jinfang,TONG Zhipeng,et al.Changes in soil organic carbon and soil microbial functional diversity of Carya cathayensis plantations under intensive managements［J］.Chin J Appl Ecol,2014,25（9）：2486－2492.

［23］ CHAN K Y,HEENAN D P,OATES A.Soil carbon fractions and relationship to soil quality under different tillage and stubble management［J］.Soil Tillage Res,2002,63（3/4）：133－139.

［24］ 楊長明，歐陽竹，楊林章，等.農業土地利用方式對華北平原土壤有機碳組分和團聚體穩定性的影響［J］.生態學報，2006，26（12）：4148－4155.

YANG Changming,OUYANG Zhu,YANG Linzhang,et al.Organic carbon fractions and aggregate stability in an aquatic soil as influenced by agricultural land uses in the Northern China Plain［J］.Acta Ecol Sin,2006.26（12）：4148－4155.

［25］ 郭冉，梁成華，杜立宇，等.栽培年限對日光溫室土壤團聚體有機碳含量與組分的影響［J］.中國土壤與肥料，2013（5）：24－28.

GUO Ran,LIANG Chenghua,DU Liyu,et al.The content and components of different fractions in aggregates soil organic carbon of solar greenhouse at different planted years［J］.Soil Fert Sci China,2013（5）：24－28.

［26］ 蔡立群，齊鵬，張仁陟，等.不同保護性耕作措施對麥—豆輪作土壤有機碳庫的影響［J］.中國生態農業學報，2009，17（1）：1－6.

CAI Liqun,QI Peng,ZHANG Renzhi,et al.Effects of different conservation tillage measures on soil organic carbon pool in two sequence rotation systems of spring wheat and pease［J］.Chin J Eco-Agric,2009,17（1）：1-6.

Years of cultivation along with light and high fractions of soil organic carbon in a Carya cathayensis forest

SHENG Weixing1,WU Jiasen2,XU Jianchun3,ZHANG Shaowei4,CAI Jianrong1
（1.Forest Enterprise of Jiande City,Jiande 311600,Zhejiang,China;2.School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;3.Forest Enterprise of Kaihua City,Kaihua 324300,Zhejiang,China;4.Forest Farm of Xin’anjiang,Jiande 311600,Zhejiang,China）

Forests of Carya cathayensis（Chinese hickory）,a unique tree species with seeds that produce highgrade oil.Intensive management including heavy application of chemical fertilizer and long-term application of herbicides has resulted in serious soil organic carbon （SOC）decrea.To evaluate what kind of composition of SOC decrea,soil samples collected from intensively-managed forests （IMF）of 5,10,15,and 20 years were compared to samples of IMF forests newly converted（year 0）from an evergreen and deciduous broadleaf forest（EDBF）.The results indicated that SOC,light fraction organic carbon（LFOC）,and high fraction organic carbon （HFOC）decreased after converting an EDBE to an IMF.Compared to the EDBF,in the Chinese hickory forest with 20 years intensive management,there was a decrease in SOC（38.6%）,LFOC（68.2%）,and HFOC（26.0%）.After 5 years of intensive management,LFOC/SOC decreased from 23.0%to 17.0%;whereas HFOC/ SOC increased from 70.0%to 83.0%.The results demonstrate that LFOC is the main composition of SOC decreased after converting an EDBE to an IMF.［Ch,3 fig.2 tab.26 ref.］

forest soil science;light fraction organic carbon（LFOC）;heavy fraction organic carbon（HFOC）; Carya cathayensis

S714.5

A

2095-0756（2015）05-0803-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.05.022

2014-12-01；

2015-03-04

浙江省科學技術重點科技創新團隊資助項目（2009R50033）

盛衛星，工程師，從事林業科技推廣研究。E-mail：89357222@qq.com。通信作者：吳家森，教授級高級工程師，博士，從事森林土壤與環境研究。E-mail：jswu@zafu.edu.cn