亞熱帶森林轉(zhuǎn)換對不同粒徑土壤有機碳的影響*

胡雪寒 劉 娟? 姜培坤 周國模 李永夫 吳家森

（1 浙江農(nóng)林大學亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江臨安 311300）

（2 浙江農(nóng)林大學浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江臨安 311300）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林土壤碳儲量為全球土壤碳儲量的73%，森林土壤碳庫的微小變化對大氣中CO2濃度和全球氣候變化均會產(chǎn)生深刻影響［1］。土壤有機碳是土壤碳庫的容量指標，按照粒徑大小可分為粗顆粒有機碳（250 μm～2000 μm）（Coarse particulate organic carbon，CPOC）、細顆粒有機碳（53 μm～250 μm）（Fine particulate organic carbon，F(xiàn)POC）和礦物結(jié)合態(tài)有機碳（0～53 μm）（Mineral-associated organic carbon，MOC）［2-3］。粗顆粒有機碳和細顆粒有機碳統(tǒng)稱為顆粒有機碳（Particulate organic carbon，POC），主要為植物殘體的半分解產(chǎn)物，生物活性高，周轉(zhuǎn)速度快，是土壤有機碳變化的敏感性指標之一［4-7］。礦物結(jié)合態(tài)有機碳為有機質(zhì)最終分解的產(chǎn)物，周轉(zhuǎn)速度慢，是土壤有機碳中的非活性部分［8-9］。

森林轉(zhuǎn)換是土地利用方式改變的一種重要方式，是影響土壤碳、氮循環(huán)的重要驅(qū)動因子［10-12］。森林轉(zhuǎn)換導致植物地上部分生物量、凋落物等均發(fā)生明顯變化，顯著影響了土壤有機碳的儲量和轉(zhuǎn)化過程。研究表明，受林齡、林分類型、土壤類型、氣候條件以及營林措施的影響，森林轉(zhuǎn)換對土壤有機碳的影響存在諸多不確定性［13］。Guo和Gifford［14］綜述了全球范圍內(nèi)不同土地利用方式變化對土壤有機碳庫的影響，表明天然林轉(zhuǎn)換為針葉林，土壤有機碳儲量平均下降了15%；而天然林轉(zhuǎn)換為闊葉林，土壤有機碳未發(fā)生顯著變化。天然闊葉林是亞熱帶地區(qū)的典型代表植被，隨著商品林的開發(fā)，大面積的天然闊葉林經(jīng)皆伐轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち郑?5］。我國人工林面積已達6 933萬公頃，占林地面積的36.3%［16］。Yang等［17］在我國湖南瀏陽和Sheng等［18］在福建三明開展的森林轉(zhuǎn)換對土壤碳庫影響的研究表明，天然林轉(zhuǎn)換為人工林同時導致了土壤有機碳和顆粒有機碳的損失。本研究以亞熱帶代表性天然闊葉林和由其轉(zhuǎn)換而來的針闊混交人工林和杉木人工林作為研究對象，通過揭示森林轉(zhuǎn)換對土壤有機碳含量及其在不同粒徑分布的影響，探討森林轉(zhuǎn)換導致的土壤有機碳穩(wěn)定性的變化及其表征，為土地利用變化對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的影響提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省臨安區(qū)西北部的臨安玲瓏山風景區(qū)，地理坐標為119°39′E，30°14′N，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，該地區(qū)溫暖濕潤，四季分明，1月溫度最低，歷年平均溫度為3.4℃，7月溫度最高，歷年平均溫度為28.1℃，年平均氣溫15.8℃，年平均日照時數(shù)1 939 h，年有效積溫5 774℃。年均降水量1 614 mm。研究區(qū)原為天然次生闊葉林，20世紀90年代初，一部分天然次生闊葉林改造為針闊混交人工林和杉木人工林，另一部分保留了原來的天然次生林。天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林3種林地毗鄰，林地的坡度、坡向基本一致，土壤為由凝灰?guī)r發(fā)育而來的黃紅壤。3種林地基本情況如下：（1）天然闊葉林（Natural broad-leaved forests，BL）：林齡25～28 a，郁閉度70%，平均胸徑16.7 cm，主要優(yōu)勢樹種有苦櫧（Castanopsissclerophylla）、木荷（Schimasuperba）、青岡（Cyclobalanopsisglauca）等，林下灌木種類有山胡椒（Linderaglauca）和山蒼子（Litseacubeba）等，覆蓋度70%；（2）針闊混交人工林（Mixed conifer and broadleaf plantations，CB）：天然闊葉林砍伐后保留了部分樹種如苦櫧、木荷等，并補種了杉木、馬尾松，林齡25～28a，郁閉度70%，平均胸徑16.5 cm；（3）杉木（Cunninghamialanceolata）人工林（Chinese fir plantation，CF）：闊葉林皆伐后種植杉木人工純林，林齡25～28 a，郁閉度70%，平均胸徑15.3 cm，樹高12 m，林下灌木稀少，草本層僅有少量蕨類植物。

1.2 樣品采集與分析

2016年11月中旬，在上述三種林地中，各建立20 m×20 m的樣地4個，在每個樣地內(nèi)，挖掘4個0～60 cm的土壤剖面，取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的樣品。將同一樣地同一土層的4個樣品混合，作為該樣地的土壤樣品。樣品采集后在室溫下風干，除去礫石和根系后，磨細過2 mm鋼篩，待測。土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤pH采用水浸提酸度計法（土∶水=1∶5）測定。

土壤粒度分級：采用超聲分散濕篩法［19］。稱取土樣10 g，按照水土比5∶1的比例加水，攪拌，放置在超聲波清洗儀（300 W）中處理15 min，取出后依次過250 μm和53 μm篩，用水洗至水清為止，獲得粗顆粒250～2 000 μm，細顆粒53～250 μm，以及0～53 μm的部分，60℃烘干至恒重后，稱重、磨細，測定各粒級土粒碳含量，由此計算單位土壤中各粒級含碳量和各粒級含碳量占土壤總有機碳的比例，公式如下：

不同粒徑土壤顆粒有機碳含量（g·kg-1）=不同粒徑土壤顆粒物中有機碳（g·kg-1）×不同粒徑顆粒物占土壤的百分比（%）

不同粒徑土壤顆粒有機碳分配比例（%）=不同粒徑土壤顆粒有機碳含量（g·kg-1）/土壤總有機碳含量（g·kg-1）×100

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin 8軟件進行制圖。圖表中所有數(shù)據(jù)均為四次重復的平均值，采用單因素方差分析比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 森林轉(zhuǎn)換對土壤有機碳、全氮、pH和凋落物的影響

如表1所示，天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，各土層土壤有機碳含量均呈下降趨勢。天然林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林，0～20 cm土層土壤有機碳含量分別下降了19.3%和24.1%（P ＜0.05），針闊混交人工林和杉木人工林土壤有機碳含量無顯著差異。天然林轉(zhuǎn)換為人工林，0～20 cm和20～40 cm土層土壤全氮含量呈下降趨勢，40～60 cm土層土壤全氮含量呈上升趨勢，但各處理之間差異均不顯著（P ＞ 0.05）。森林轉(zhuǎn)換對各土層土壤pH均沒有顯著影響（表1）。天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林凋落物現(xiàn)存量分別為5.25 t·hm-2·a-1、4.15 t·hm-2·a-1和1.08 t·hm-2·a-1，天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后凋落物現(xiàn)存量分別顯著下降了21.0%和79.4%。

表1 不同森林類型土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties in forest land relative to type of forest

2.2 森林轉(zhuǎn)換對土壤粗顆粒有機碳含量和分配比例的影響

天然林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，0～20 cm 土層土壤粗顆粒有機碳含量顯著下降（表2）。天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林土壤粗顆粒有機碳的含量分別為 6.49 g·kg-1、2.60 g·kg-1和2.95 g·kg-1，天然林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后土壤粗顆粒有機碳含量分別下降60.0%和54.6%。0～20 cm土層天然林土壤粗顆粒有機碳占總有機碳的比例為30.8%，顯著高于針闊混交人工林和杉木人工林（P ＜ 0.05）。

同一林分土壤粗顆粒有機碳含量均隨土壤深度增加而下降（表2）。天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后土壤粗顆粒有機碳含量和分配比例的差異主要體現(xiàn)在0～20 cm土層，20～40 cm和40～60 cm土層之間的差異減少。

表2 不同森林類型土壤粗顆粒有機碳含量和分配比例Table 2 Content and proportion of CPOC in the soil relative to type of forest

2.3 森林轉(zhuǎn)換對土壤細顆粒有機碳含量和分配比例的影響

天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后0～20 cm 土層土壤細顆粒有機碳含量呈現(xiàn)增加趨勢（表3）。天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林土壤細顆粒有機碳含量分別為5.53 g·kg-1、6.14g·kg-1和5.83 g·kg-1，轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后土壤細顆粒態(tài)有機碳含量分別增加10.9%和5.3%，但處理之間差異不顯著（P ＞0.05）。天然林0～20 cm土層土壤細顆粒有機碳的分配比例為26.2%，轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后顯著增加（P ＜0.05）（表3）。

同一林分土壤細顆粒有機碳含量和分配比例均隨土壤深度增加而下降（表3）。天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后土壤細顆粒態(tài)有機碳含量和分配比例在20～40 cm和40～60 cm土層均呈減少趨勢（表3）。

表3 不同森林類型土壤細顆粒有機碳含量和分配比例Table 3 Content and proportion of FPOC in the soil relative to type of forest

2.4 森林轉(zhuǎn)換對土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量和分配比例的影響

天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，0～20 cm土層土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量顯著降低（P＜ 0.05）（表4）。天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量分別為9.06 g·kg-1、8.28 g·kg-1和7.24 g·kg-1，轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后土壤礦物結(jié)合有機碳含量分別減少8.6%和20.1%。天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林0～20 cm土層土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳的分配比例分別為43.1%、48.7%和45.2%，天然林轉(zhuǎn)換為人工林土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳的分配比例呈現(xiàn)上升趨勢。

不同土層土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量差異較大，但天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳的分配比例均呈現(xiàn)上升趨勢。

表4 不同森林類型土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量和分配比例Table 4 Content and proportion of MOC in the soil relative to type of forest

2.5 森林轉(zhuǎn)換對土壤POC/SOC和POC/MOC的影響

天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤顆粒有機碳含量（粗顆粒和細顆粒有機碳含量之和）和分配比例（POC/SOC）均呈現(xiàn)下降趨勢（表2，表3，圖1）。

天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，不同土層土壤顆粒有機碳含量/礦物結(jié)合態(tài)有機碳含量（POC/MOC） 均呈下降趨勢。0～20 cm 土層土壤的POC/MOC值變化范圍為5.94～19.30，顯著高于20～40 cm（0.59～1.00）和40～60 cm土層（0.39～0.86）（圖2）。

圖1 不同林分土層土壤顆粒有機碳含量分配比例Fig. 1 POC/SOC in the soil relative to type of forest and soil layer

圖2 不同林分土層土壤顆粒態(tài)/礦物態(tài)有機碳比例Fig. 2 POC/MOC in the soil relative to type of forest and soil layer

2.6 不同粒徑土壤有機碳與土壤總有機碳之間的關(guān)系

對不同土層不同粒徑的土壤有機碳和SOC進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明0～20 cm土層土壤CPOC、MOC均與SOC呈顯著相關(guān)（P＜ 0.01），R2值分別為0.829 3和0.633 7。20～40 cm土層各粒徑土壤有機碳與SOC均沒有顯著相關(guān)。40～60 cm土層土壤中，F(xiàn)POC和MOC與SOC呈顯著相關(guān)（P＜0.01），R2值分別為0.655 0和0.915 1（表5）。由此推測土壤CPOC更能反映森林轉(zhuǎn)換對表層土壤有機碳的影響；而MOC更能反映森林轉(zhuǎn)換對深層土壤有機碳的影響。

表5 不同土層土壤 CPOC、FPOC、MOC與SOC的相關(guān)性Table 5 Correlations of CPOC, FPOC and MOC with SOC in the soil relative to soil layer（R2）

3 討 論

土壤有機碳含量是有機物質(zhì)輸入和礦化分解動態(tài)平衡的結(jié)果［20］。土地利用變化通過改變地表植被的覆蓋類型以及生物地球化學過程，顯著影響了土壤有機碳的含量和轉(zhuǎn)化過程［21］。據(jù)估計，在過去100年間，由森林轉(zhuǎn)化為其他土地利用方式所造成的土壤碳損失達25%～50%［22-23］。森林轉(zhuǎn)換是土地利用變化的一種方式，通過細根生物量、凋落物輸入量以及土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)等方面的變化影響土壤有機碳含量。由于受林齡、林分類型、土壤條件、氣候條件以及營林措施的影響，森林轉(zhuǎn)換對土壤有機碳的影響存在諸多不確定性［13］。Guo 和 Gifford［14］對不同土地利用方式變化對土壤有機碳的影響進行了綜述，表明天然林轉(zhuǎn)換為針葉林，土壤有機碳儲量平均下降15%；而天然林轉(zhuǎn)換為闊葉林，土壤有機碳未發(fā)生顯著變化。本試驗研究結(jié)果表明，天然林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林，0～20 cm土層土壤有機碳含量分別下降19.3%和24.1%。同處于亞熱帶地區(qū)在湖南瀏陽和福建三明開展的森林轉(zhuǎn)換對土壤有機碳的影響的研究表明，天然林轉(zhuǎn)換為人工林后土壤有機碳含量下降29.5%～35.9%［17-18］。亞熱帶天然林轉(zhuǎn)換為人工林后土壤有機碳含量下降的原因主要有：（1）細根生物量和凋落物數(shù)量的減少。本試驗中，天然林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林凋落物現(xiàn)存量分別降低21.0%和79.4%。Sheng等［18］的研究發(fā)現(xiàn)，天然林轉(zhuǎn)換為杉木人工林和板栗林后細根生物量下降63.2%和50.0%，凋落物質(zhì)量減少57.5%和47.0%，土壤有機碳分別下降30.0%和29.5%。（2）降雨量的影響。據(jù)統(tǒng)計，當年累積降雨量大于1 500 mm時，森林轉(zhuǎn)換才會導致土壤有機碳的損失［14］。本研究地處浙江省西北部，年均降雨量為1 600 mm左右，屬典型的中緯度亞熱帶季風氣候，較高的降雨量會導致土壤有機碳的淋失［24-25］。本研究中天然闊葉林、針闊混交人工林和杉木人工林三種林地樣地毗鄰，林地的坡度、坡向基本一致，因此天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林導致的土壤有機碳的減少主要源于細根生物量［18］和凋落物數(shù)量的減少以及水土流失加劇了碳的損失。

土壤顆粒有機碳是指53～2 000 μm粒徑中的土壤有機碳，分為粗顆粒有機碳（250～2 000μm）和細顆粒有機碳（＜ 53 μm），是土壤碳庫中的活性組分，具有周轉(zhuǎn)速度快，容易被分解的特點，是土地利用變化的重要指示指標［9,26-27］。顆粒有機碳主要來源于植物殘體的輸入，天然林轉(zhuǎn)換為人工林后植物殘體凋落物質(zhì)量以及細根生物量的下降［18］，導致各個土層土壤顆粒態(tài)有機碳含量均呈下降趨勢（表2、表3）。本研究中，天然闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交人工林和杉木人工林后，0～20 cm土層土壤中粗顆粒有機碳含量顯著下降，但細顆粒態(tài)有機碳含量卻呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，這表明粗顆粒有機碳更能反映土地利用方式對表層土壤有機碳含量的影響［28］。沈艷等［3］在巖溶地區(qū)不同土地利用方式對土壤顆粒有機碳影響的研究結(jié)果也表明，土壤粗顆粒有機碳對人為干擾和耕作措施的反應更加敏感。本研究中各土層土壤CPOC、FPOC、MOC與SOC的相關(guān)性分析結(jié)果表明，0～20 cm土層土壤CPOC與SOC相關(guān)性最好，表明土壤CPOC更能反映森林轉(zhuǎn)換對表層土壤有機碳含量的影響。

一般而言，土壤有機碳中活性有機碳所占比例越高，土壤碳的穩(wěn)定性越差［29］。本研究中，土壤POC/SOC的變化范圍為16.8%～58.7%，與張秀蘭等［4］在江西省泰和縣中國科學院千煙洲生態(tài)實驗站對于杉木林土壤有機碳的研究結(jié)果類似（29.7%～52.9%），高于Yang等［17］在福建三明（14%～40%）的研究結(jié)果。研究表明，由于土壤顆粒態(tài)有機碳主要來源于半分解的植物殘體，土壤顆粒有機碳的含量和分配比例具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，田舒怡和滿秀玲［29］在白樺林、白樺-山楊林和落葉松林的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤中顆粒有機碳的含量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，10月份達到最高。本研究采樣時間為11月份，此時氣溫降低，土壤微生物活性減弱，對有機碳中的非保護性組分的分解減少，加之植物殘體的累積，導致土壤中活性有機碳含量較高［25］。具體還需要進一步開展森林轉(zhuǎn)換對土壤有機碳和顆粒有機碳季節(jié)變化影響的研究。

土壤POC/MOC值在一定程度上反映土壤有機碳的質(zhì)量和穩(wěn)定程度。比值增大，說明土壤有機碳較易礦化、周轉(zhuǎn)期較短，活性高；比值減小，說明土壤有機碳不易被礦化，周轉(zhuǎn)期較長或者活性較低［8］。唐光木等［8］在對新疆綠洲農(nóng)田不同開墾年限的顆粒態(tài)有機碳的研究發(fā)現(xiàn)，開墾使得POC/MOC值先上升后下降，使得有機碳由不穩(wěn)定趨于穩(wěn)定。本研究中，天然林轉(zhuǎn)換為人工林后，不同土層土壤POC/MOC均呈下降趨勢，這表明天然林轉(zhuǎn)換為人工林后土壤有機碳趨于穩(wěn)定，有機碳的分解減弱，由此會導致土壤呼吸顯著降低［30］。

4 結(jié) 論

亞熱帶天然林闊葉林轉(zhuǎn)換為針闊混交林和杉木人工林，土壤總有機碳含量降低，不同土層土壤顆粒態(tài)有機碳/土壤有機碳和顆粒態(tài)有機碳/礦物結(jié)合態(tài)有機碳均呈不同程度的下降趨勢，土壤有機碳的穩(wěn)定性增強。各土層土壤粗顆粒有機碳、細顆粒有機碳、礦物結(jié)合態(tài)有機碳與土壤有機碳的相關(guān)性分析結(jié)果表明，0～20 cm土層土壤粗顆粒有機碳與土壤有機碳相關(guān)性最好，40～60 cm土層土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳與土壤有機碳相關(guān)性最好。表明土壤粗顆粒有機碳更能反映森林轉(zhuǎn)換對表層土壤有機碳的影響；而土壤礦物結(jié)合態(tài)有機碳更能反映森林轉(zhuǎn)換對深層土壤有機碳的影響。