不同經營模式下楊樹人工林土壤活性有機碳的分布特征

王艮梅，馬愛軍，夏鈺

1. 南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；3. 江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400

不同經營模式下楊樹人工林土壤活性有機碳的分布特征

王艮梅1,2*，馬愛軍2，夏鈺1,2

1. 南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；3. 江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400

土壤活性有機碳是土壤中易受微生物活動、土地利用方式及耕作措施等影響而發生變化的組分，對土壤碳平衡和土壤肥力保持具有重要意義。以蘇北兩種常見的楊樹（Populus euramevicana）人工林經營模式（純林：CP，農田林網：NL）樣地的土壤為研究對象，分析了不同經營模式下土壤活性有機碳組分剖面分布特征。研究結果表明，CP模式下土壤總有機碳（TOC）、易氧化碳（LOC）、顆粒有機碳（POC）及微生物量碳（MBC）的含量都隨土層加深而降低，與0～10 cm土層相比，30～40 cm土層中TOC、LOC、POC和MBC的含量分別下降了39.24%、69.12%、60.28%和49.91%。農林網模式樣地NL1采樣點土壤各形態有機碳含量在土層中的變化規律與純林模式類似，即隨土層加深呈下降趨勢；而NL2和NL3采樣點則表現為20～30 cm土層的各形態有機碳含量最高。結果還表明，除MBC外，CP模式下上層土壤（0～10、10～20 cm）中的TOC、LOC和POC的含量都比NL模式下對應土層的高，而NL模式下各土層土壤w(MBC)/w(TOC)和w(LOC)/w(TOC)的值都高于CP模式下對應土層的土壤，w(POC)/w(TOC)的值則為CP模式高于NL模式下的土壤。相關分析表明，除了受人為干擾大的NL2采樣點外，土壤活性有機碳含量與總有機碳之間呈顯著正相關關系。研究表明，土壤活性有機碳受土壤性質及人為活動影響，各活性有機碳占土壤總有機碳的質量分數在不同經營模式樣地中無明顯的變化規律。

活性有機碳；經營模式；楊樹人工林；垂直分布

WANG Genmei, MA Aijun, XIA Yu. Distribution of Soil Active Organic Carbon under Different Management Patterns of Poplar Plantation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1771-1776.

森林生態系統作為陸地生物圈的主體，不僅本身維持著大量的植被碳庫（約占全球植被碳庫的86%以上），同時也維持著巨大的土壤碳庫（約占全球土壤碳庫的73%）（楊洪曉等，2005），在全球碳循環中起著重要作用。土壤活性有機碳是指受植物和微生物影響強烈，具有一定溶解性、移動較快且容易礦化的那一部分土壤碳素（耿玉清等，2009），雖然其只占總有機碳的很小一部分，卻直接參與土壤生物和化學轉化過程（陸昕等，2013），易受土壤溫濕度、土地利用方式、耕作措施等影響（李太魁等，2012），可以在土壤總有機碳變化之前反映土壤因管理措施和環境引起的微小變化（榮麗等，2011）。因而，土壤有機碳活性組分對土壤碳庫平衡、土壤化學和土壤肥力保持具有重要意義（Coleman et al.，1983；Wander et al.，1994）。

人工林是我國森林生態系統經營的主要對象，其中楊樹人工林種植面積較大，占人工林總面積的13%，被廣泛應用于我國的人工林栽培中，在江蘇北部地區已有大面積栽植，模式也多種多樣。隨著人工林面積和蓄積量的持續增加，人工林在全球碳循環中占據了越來越重要的位置，而人工林恰恰是我國森林生態系統經營的主要對象。研究表明，我國的森林碳匯主要來自人工林的貢獻（方精云等，2001），人工林土壤碳庫是其整個生態系統碳庫的重要組成部分，人工林經營管理模式和培育措施對土壤碳庫尤其是土壤活性碳庫的微小改變都可能在很大程度上影響人工林生態系統碳收支平衡（Johnson，1992；Sartori et al.，2007；Berthrong et al.，2009）。研究指出，不同楊農復合模式對土壤活性有機碳和總有機碳含量存在顯著的影響，且主要與楊樹的栽植密度有關（王萬江，2010）。本研究以蘇北地區楊樹人工林不同種植模式下的土壤為研究對象，探討楊樹人工林不同經營模式下土壤活性有機碳的分布特征，旨在為楊樹人工林土壤活性有機碳相互關系的深入研究及全面了解土壤肥力質量的真實情況提供數據支撐，對楊樹人工林可持續發展具有一定的參考意義。

1 研究地區概況及研究方法

1.1研究區概況

試驗設在江蘇省淮安市洪澤縣共和鎮，共和鎮位于東經118°5′，北經33°18′，屬北亞熱帶和暖溫帶過渡性地帶，四季分明，氣候溫和，無霜期長，雨量充沛，日照充足。季風氣候特征顯著，冬季主導風為東北風，夏季主導風為東南風。年均降雨量913.3 mm，主要集中在4—9月份（占總降水量70%以上），年均氣溫為14.9 ℃，年均日照2300 h，無霜期平均為 242 d。土壤多為河流沖積母質發育形成的潮土。

根據蘇北楊樹（Populus euramevicana）人工林常見的經營模式，選擇純林和農田微型林網兩種模式作為研究對象。純林模式的株行距為4 m×5 m，樹齡為5 a，在3年生之前林下種植油菜，位于河流的岸灘上；農田微型林網模式為中間2 hm2的農田（水稻和小麥輪作），四周為3 m×4 m的人工林網，楊樹種植于農田四周的田埂上，樹齡為4 a。

1.2供試土壤的采集與制備

土樣采集時間為2012年12月11日，在選好的兩種模式樣地內用土鉆按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm分層采集不同的土壤樣品。純林模式（CP）下：以3 m×4 m為一個重復樣點，在每個重復采樣點內按照“S”形布置 5個采樣點采集土樣，對應土層的土壤混合。共設計3個重復的樣點。農田微型林網模式（NL）下：根據農田離楊樹的距離分別設定樹冠下（NL1）、離樹干4 m農田內（NL2）和離樹干11 m的農田內（NL3）3個采樣距離。在既定的距離范圍內再設定3個重復樣點采集不同土層的土壤樣品，由于水稻種植和翻耕，農田土壤非常粘重，預先設計采集的40～60 cm土層土樣難以用土鉆采集。土樣采集后裝入保鮮袋內帶回實驗室，部分土壤樣品放入冰箱保存，用于測定土壤微生物生物量碳；部分樣品進行風干，磨細，過篩，保存，用于土壤有機碳、易氧化態碳、顆粒態碳的分析以及土壤基本理化性質的測定（僅測定0～10和10～20 cm兩層）。兩種模式樣地土壤基本理化性質見表1。

表1 不同經營模式樣地土壤基本理化性質Table 1 The fundamental physical and chemical properties of soil under different mangament patterns

1.3分析指標及分析方法

土壤總有機碳（TOC）（魯如坤，2000）：采用K2Cr2O7-H2SO4氧化外加熱法（容量法）。土壤活性有機碳選用土壤微生物生物量碳、易氧化碳和顆粒有機碳3個指標代表，測定方法分別為：

易氧化碳（LOC）（耿玉清等，2009）：采用KMnO4氧化分級法；顆粒有機碳（POC）（姬強，2012）：采用濕篩法；微生物生物量碳測定（MBC）（毛瑢等，2009）：采用氯仿熏蒸浸提法。

1.4數據處理

采用 SPSS 19.0程序對土壤各形態碳數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），LSD多重比較法進行差異顯著性分析，比較不同經營模式下土壤總有機碳（TOC）、易氧化態碳（LOC）、顆粒有機碳（POC）和微生物量碳含量的差異顯著性。

2 結果與討論

2.1土壤有機碳含量的垂直分布特征

農田林網和純林模式下土壤中不同形態碳含量的分布特征見表2。從表2可以看出，TOC、LOC、POC和MBC在0～10和10～20 cm土層的含量總體上都表現為：CP>NL3>NL2>NL1。隨著土層深度的增加，純林模式下各形態碳含量總體都呈下降的趨勢，農田林網樣地各形態碳隨土層的變化規律和采樣點與樹冠之間的距離有關，NL1采樣點各形態碳含量隨土層變化規律同純林模式，NL2和NL3采樣點各形態碳含量則表現為20～30 cm土層的平均含量最高。

與0～10 cm土層的土壤有機碳相比，純林模式下，30～40 cm土層TOC含量平均下降了39.24%，LOC含量平均下降了69.12%，POC含量平均下降了60.28%，MBC含量平均下降了49.91%，很顯然隨著土層深度的加深，土壤中活性有機碳下降幅度都明顯的高于土壤總有機碳，這主要與土壤下層高含量的粘粒有關，高含量粘粒維持著有機碳總量從而導致活性有機碳比例下降。

表2 不同土層深度土壤有機碳含量的變化Table 2 The concentrations of soil organic carbon in soil horizons under different mangament patterns

農田林網模式下土壤有機碳的變化規律不一。NL1樣點（樹冠下）土壤有機碳平均含量都隨著土層的加深呈不斷下降的趨勢，與0～10 cm土層的土壤有機碳相比，30～40 cm土層TOC、LOC、POC和MBC的含量分別平均下降了32.12%、62.82%、64.16%和55.22%。，仍然表現為活性有機碳含量的下降幅度遠高于土壤總有機碳含量的變幅。與NL1不同，NL2（離樹冠4 m的農田）和NL3（離樹冠11 m的農田）土壤有機碳含量的變化總體表現為20～30 cm土層的平均含量最高，這主要是因為水稻種植后部分的殘根留在土壤，在種植小麥時翻耕進入深層土壤，據調查翻耕深度在20～30 cm左右，這些水稻根系在土壤生物的作用下分解產生各種活性有機碳，從而使20～30 cm有機碳的含量高于其他土層。

從表2中還可以看出，農田林網模式下，采樣點離樹冠的距離對土壤有機碳含量存在一定的影響。除了10～20 cm土層TOC和LOC含量除外，所測定的所有形態土壤有機碳總體均表現為離樹冠距離越遠土壤有機碳含量越高的變化趨勢。

表2還顯示，除MBC外，在0～10和10～20 cm土層中，純林模式下土壤各形態碳含量總體都明顯的高于農林網模式下不同采樣點的含量。在 0～10 cm土層中，TOC、LOC和POC在CP模式下平均比農田NL3的高出29.15%、39.80%和53.90%，在10～20 cm土層平均高出50.14%、43.60%和47.98%。而MBC在不同樣地中的含量無明顯的變化規律，CP模式下各土層MBC含量都比NL1的對應土層的含量高，而比NL3對應土層的含量低。

方差分析結果顯示，不同經營模式對土壤各形態有機碳存在顯著影響。除20～30 cm土層的TOC和10～20 cm土層的MBC外，所有土層的各形態有機碳含量在CP與NL3之間差異顯著（P≤0.05）。從不同土層有機碳含量的差異分析可知，表層土壤各形態碳含量總體都與下層土壤的碳含量存在顯著差異（P≤0.05）。

2.2土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比率

一般認為，w(MBC)/w(TOC)比值反映了容易被代謝的那部分有機碳，是衡量土壤有機碳損失和積累的一個重要指標（Kumar et al.，2011）。圖1為土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比率結果。w(POC)/w(TOC)反映了被團聚體積累和保護的碳；w(LOC)/w(TOC)的比例越高，土壤有機碳庫的活性就越大。從圖中可以看出，微生物量碳、顆粒有機碳和易氧化碳占土壤總有機碳的比率在樣地CP和NL1上變化規律相似，都表現為隨土層的增加呈逐漸下降的趨勢。除NL2樣地中顆粒有機碳和易氧化碳占土壤總有機碳比率表現為20～30 cm土層最高外，在樣地NL2和NL3上的變化規律總體表現為在10～20 cm土層3種活性碳占土壤總有機碳的比率最高。

圖1 不同經營模式楊樹林地土壤中活性有機碳占土壤總有機碳的比率Fig.1 Rations of soil active carbon to total oragnic carbon content in different soil horizons of poplar plantation under different mangament patterns (mean±SD)

微生物量碳占土壤總有機碳的比率w(MBC)/w(TOC)在所有土層中都表現為農林網模式的數值都高于純林模式對應土層，且兩種模式之間存在顯著差異。其中NL1樣地最高，而CP樣地最低，前者比后者分別高出 52.94%（0～10 cm）、44.83%（10～20 cm）、44.00%（20～30 cm）和43.48%（30～40 cm），且對應土層之間差異顯著，說明與純林模式相比，農林模式樣地土壤活性有機碳的比例更高。樣地NL2和NL3樣地則都表現為10～20和20～30 cm土層的w(MBC)/w(TOC)較高，這可能就是由于水稻種植后翻耕的影響所致。

圖1還顯示，顆粒有機碳占土壤總有機碳的比率w(POC)/w(TOC)與w(MBC)/w(TOC)的變化規律相反，總體上純林模式的數值要高于農林網模式，除了NL3的10～20cm和30～40cm土層外，不同經營模式樣地對應土層的 w(POC)/w(TOC)值之間差異顯著。其中CP模式下的w(POC)/w(TOC)的值分別比 NL1的高 27.87%（0～10 cm）、14.00%（10～20 cm）、22.22%（20～30 cm）和42.50%（30～40 cm）。這與純林模式樣地土壤顆粒中>0.05 mm的顆粒含量有關（表1），純林模式下>0.05 mm顆粒含量要明顯大于農林復合模式下土壤中該粒級土壤顆粒的含量。

從圖1還可發現，土壤易氧化碳占土壤總有機碳的比率 w(LOC)/w(TOC)在不同土層和樣地之間的變化規律與微生物量碳占土壤總有機碳比率的變化規律基本相似，即農林模式下3個采樣點的土壤易氧化態碳含量占總有機碳的比例略高于純林模式。NL1和CP模式樣地w(LOC)/w(TOC)值總體隨著土層的增加呈下降趨勢，方差分析顯示，0～10和10～20 cm土層間無顯著差異性，但與20～30 cm土層之間存在顯著差異性。而NL2和NL3樣地，w(LOC)/w(TOC)在各土層的數值則總體表現為10～20 cm（NL3）或20～30 cm（NL2）最高，原因分析同前，可能與農地的施肥耕作等農藝措施有關。土層0～10 cm的w(LOC)/w(TOC)的值在不同樣地間差異性分析結果顯示，農林模式3個樣地之間存在顯著差異，即隨著離楊樹距離的增加呈顯著性降低。10～20 cm土層w(LOC)/w(TOC)值在NL1和CP之間存在顯著差異，其他樣地間無差異。

2.3土壤活性有機碳與總有機碳的相關性分析

土壤活性有機碳庫是指受植物和微生物影響強烈，具有一定溶解性、移動較快且容易礦化的那一部分土壤碳素，來源于土壤有機碳，但易受土壤生物和農藝生產措施的影響，可以在土壤總有機碳變化之前反映土壤質量的微小變化。表3為各活性有機碳與土壤總有機碳的相關分析結果，從表中可以看出，CP和NL1兩樣地土壤的微生物量碳、易氧化碳、顆粒有機談和總有機碳之間都呈極顯著正相關關系，NL3樣地土壤除了易氧化碳和顆粒有機碳之間相關性不顯著外，其余都呈顯著正相關關系，很顯然土壤中活性有機碳受土壤總有機碳含量的影響，且各活性有機碳之間也是相互聯系和影響的。該結果印證了耿玉清等（2009）研究不同森林植被類型對土壤活性有機碳庫影響時得到的結果。而NL2樣地土壤各形態碳含量之間的相關性則完全與NL3相反，易氧化碳和顆粒有機碳呈極顯著正相關關系，而其余各形態之間都沒有相關性，這可能與NL2采樣點位于農田邊緣，受人為因素干擾較大有關。

表3 土壤活性有機碳及土壤總有機碳之間的相關性系數Tbale 3 Correlation coefficients between active SOC and total organic carbon

3 結論

（1）土壤總有機碳及各活性有機碳含量隨著土層的加深總體呈下降趨勢，受人為農藝措施影響較大的土壤各形態碳表現為20～30 cm土層的含量最高，方差分析顯示總體上土壤各形態碳含量在不同土層之間存在顯著差異。

（2）純林模式下上層土壤總有機碳、易氧化態碳和顆粒有機態碳的含量都對應大于農田林網模式下土壤各形態碳含量，而微生物量碳在兩種模式之間無明顯變化規律。

（3）活性有機碳占土壤總有機碳的比率隨著土層深度的增加呈逐漸下降的趨勢，農田林網模式下土壤w(MBC)/w(TOC)和w(LOC)/w(TOC)總體上都顯著地高于純林模式下對應土層的值，純林模式的w(POC)/w(TOC)都明顯的高于農林網模式下的值。

（4）受人為活動和邊際效應影響，農田邊緣樣點（NL2）外，土壤活性有機碳與土壤總有機碳之間呈顯著正相關關系。

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Distribution of Soil Active Organic Carbon under Different Management Patterns of Poplar Plantation

WANG Genmei1,2*, MA Aijun2, XIA Yu1,2
1. College of Forestry Resources and Environmental Sciences, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Collaorative Innovation Center of Southern China of Jiangsu Proviince, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037 China; 3. Jiangsu Polytechnic College of Agriculture and Forestry, Jurong 212400, China

Soil active organic carbon, an active fraction of soil organic matter, plays a significant role in maintaining the balance of soil organic carbon and soil fertility. It was easily affected by the microbial activity, the land use patterns and the tillage measures. Soil was collected from the two plots of poplar（Populus euramevicana） plantation under different management patterns (pure poplar stand: CP, farmland shelterbelt: NL) in Northern Jiangsu Area and the vertical distribution of active soil organic carbon were studied. The results showed that the contents of soil total organic carbon (TOC), labile oxidizable carbon (LOC), particulate organic carbon (POC) and microbial biomass carbon (MBC) were all decreased with soil depth increase. The contents of soil TOC, LOC, POC and MBC at 30～40 cm depth, compared with those at 0～10 cm depth, were, respectively, decreased by 39.24%, 69.12%、60.28% and 49.91%. There exited a similar change trend of active organic carbon concentrations in different soil depths between NL1 and CP, and the concentrations of TOC, MBC, LOC and POC were all decreased with soil depths increase, however, for NL2 and NL3 sampling sites, The maximum of TOC, MBC, LOC and POC were occured at 20～30 cm soil depth. The results also indicated that, except the MBC, the contents of TOC, LOC and POC at 0～10 and 10～20 cm soil depth of CP were higher than those of NL. The values of w(MBC)/w(TOC) and w(LOC)/w(TOC) at different soil depths of NL were correspondently higher than those of CP, but the values of w(POC)/w(TOC) at differetn soil depths of CP were higher than those of NL. It was also indicated that there exited a significant positive correlation between soil active organic carbon and total organic carbon for all sampling sites except NL2 which was obviously influenced by human activities. It could be concluded that soil organic carbon was influenced by soil properties and human activities, and there was no clear change tendency between poplar plantations under different management patterns.

soil active oragnic carbon; management pattern; poplar plantation; vertical distribution

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.003

S718.5；X144

A

1674-5906（2015）11-1771-06

國家自然科學基金項目（31200472）；江蘇省優勢學科建設工程項目（PAPD）

王艮梅（1976年生），女，副教授，博士，研究方向為森林土壤學。E-mail: wangyinmei519@163.com

2015-09-24

引用格式：王艮梅, 馬愛軍, 夏鈺. 不同經營模式下楊樹人工林土壤活性有機碳的分布特征[J]. 生態環境學報, 2015, 24(11): 1771-1776.