黄河三角洲盐碱地不同混交林土壤可溶性有机碳氮的研究

陈印平，夏江宝，曹建波，王进闯

（1.滨州学院 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，山东 滨州256603；2.滨州学院，山东 滨州256603；3.中国科学院 成都生物研究所，四川 成都610041）

森林土壤有机碳库储量的微小变化，可显著地引起大气CO2浓度的改变，土壤可溶性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）的生物有效性极高，是土壤有机质的重要组分，也是陆地生态系统中极为活跃的有机碳组分及物质交换的重要形式［1］，对生态系统土壤养分的有效性和流动性等有直接的影响。土壤可溶性有机碳占土壤有机碳总量的比例较小，但可直接参与土壤生物化学转化过程，也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力［2］，因此，可与土壤微生物生物量和土壤酶活性等一起作为土壤健康的生态指标，评价退化生态系统的恢复进程，从而指导生态系统管理［3］。近年来，拥有中国人工刺槐林面积最大的黄河三角洲地区，刺槐人工林出现了大面积枯梢，甚至成片死亡的退化现象，严重影响了黄河三角洲盐碱地土壤的改良和人工林的生态功能。目前，大多数研究集中在黄河三角洲人工林的土壤可溶性氮含量、造林模式、林分配置、林冠健康及其土壤水盐动态、土壤理化性状等方面［4－7］。研究发现，黄河三角洲不同林地改造模式下，刺槐人工林土壤可溶性氮含量高于杨树和白蜡林，而刺槐混交林土壤酶活性及养分等土壤性状优于刺槐纯林。土壤可溶性有机碳可反映林地土壤中潜在活性养分含量和周转速率、表征土壤碳平衡和生物学肥力，那么在不同造林模式下土壤可溶性有机碳含量是否发生变化？其变化是否影响林分的配置模式及土壤其他理化性状？相关研究还未见报道。

因此，本研究以黄河三角洲盐碱地刺槐纯林、刺槐＋白蜡、刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林四种人工林为对象，通过比较不同人工刺槐纯林与混交林土壤DOC含量的变化特征和差异性，分析土壤理化指标与DOC的相关关系以及不同植被类型对DOC的影响，以期为完善刺槐人工林可持续经营的理论体系及盐碱地土壤的改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于山东省东营市河口区，该区位于山东省北部黄河三角洲地区，属于暖温带半湿润地区，大陆性季风气候，年均气温12.1℃，无霜期长达201d，≥10℃的积温约4 200℃，年降水量500～600mm。试验区土壤为冲积性黄土母质在海浸母质上沉淀而成，机械组成以粉沙为主，沙黏相间，层次变化复杂。试验区主要造林模式有刺槐（Robinia pseudoacacia）林、白蜡（Fraxinus chinensis）林、杨树（Populus euramericana）林、柽柳（Tamarix chinensis）林、刺槐＋白蜡（Robinia pseudoacacia＋Fraxinus chinensis）混交林、刺槐＋白榆（Robinia pseudoacacia＋Ulmus pumila）混交林、刺槐＋臭椿（Robinia pseudoacacia ＋Ailanthus altissima）混交林等，天然植被以盐生、湿生的禾本科芦苇（Phragmites australis）、白茅（Imperata cylindrica）以及翅碱蓬（Suaeda heteroptera）为主。

1.2 样品采集

2008年7月中旬，在试验区内选择造林时间及管理措施相同，株行距3m×3m的26年生人工刺槐纯林（CHL）、刺槐＋白蜡混交林（CBL）、刺槐＋白榆混交林（CBY）、刺槐＋臭椿混交林（CCC）4种林分类型。4种林地的土壤理化性质见表1，植被状况见表2。在每个林分类型内分别设置3个30m×30m的样地，按“S”型设5个取样点，分表层0—5cm的腐殖质层、除去腐殖质层在土壤0—20，20—40cm两层进行采样，将相同土层样品混合，低温保鲜带回实验室。部分土壤样品过2mm筛后在4℃下保存，用于测定pH值、全盐量、有效磷、速效钾和可溶性全氮（TSN）；另一部分风干过0.25mm筛用于分析测试土壤的全氮（TN）和土壤总有机碳（TOC）。

表1 4种人工林土壤肥力状况

表2 样地植被基本概况

1.3 测定方法

pH值采用电位法测定，可溶性盐采用质量法测定，土壤总有机碳用重铬酸钾—浓硫酸外加热法，可溶性总氮（TSN）和可溶性有机碳（DOC）采用水浸提法（水土比10∶1）用仪器Liqui TOC II测定浸提液，全氮和碳用元素分析仪（VARIO EL III），有效磷用钼锑抗比色法测定，速效钾用火焰光度计测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 11.5和Excel对数据进行统计及单因素方差分析（ANOVA）和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 各林分DOC含量

由图1可知，4种林型的腐殖质层DOC的平均含量为219.67mg／kg，显著大于0—20和20—40cm层土壤（p＜0.05），其中刺槐＋臭椿混交林腐殖质层的DOC含量最高，为257.70mg／kg，是刺槐＋白蜡混交林的1.3倍，而0—40cm层土壤DOC含量在92.62～158.78mg／kg，其中最高的是刺槐＋白蜡混交林0—20cm的土壤，为158.78mg／kg。这可能是因为该层土壤有机质含量（3.47%）高（表1），腐殖质层DOC向下层移动，使0—20cm层土壤的DOC含量高于其他林型，而20—40cm的土壤孔隙度较高（表1），土壤DOC易向下层迁移，致使20—40cm层土壤的DOC含量较其他林型同层土壤的含量低。

图1 各林型土壤可溶性有机碳（DOC）

土壤DOC主要来自于土壤的腐殖质、植物残体、根系分泌物及微生物的代谢产物等［8］。综合分析，4种林型土壤各层土壤DOC含量由高到底依次为刺槐＋臭椿混交林＞刺槐＋白榆混交林＞刺槐纯林＞刺槐＋白蜡混交林，表明刺槐＋臭椿混交林土壤的性质优于其他林地。

2.2 各林分土壤氮和可溶性总氮

由图2可知，刺槐＋臭椿混交林腐殖质层TSN含量较其他三种林型高，为55.80mg／kg。而在0—20和20—40cm土层刺槐＋白蜡混交林的TSN含量最低，分别为23.58和19.21mg／kg，最高的为刺槐＋臭椿混交林为35.07和34.38mg／kg，其次为刺槐＋白榆混交林，刺槐纯林土壤TSN含量比刺槐＋白蜡混交林高，而低于臭椿、白榆与刺槐的混交林。由此可见，刺槐＋臭椿和刺槐白榆混交林土壤TSN含量较其他两种林型高。

图2 各林型土壤可溶性总氮（TSN）

各林型土壤总氮的含量在0.02%～0.11%（表1，图3），其含量较其他林地土壤含量低［9－10］，可能因为该区域为盐碱地土壤，相对比较贫瘠。在腐殖质层，刺槐＋臭椿混交林土壤TN含量最高，最低的为刺槐＋白蜡混交林，而0—20和20—40cmTN含量最高，TSN含量则最低，TN由可溶性和不溶性的两部分组成，土壤的物理性状和腐殖质层的分解速率影响氮的迁移和转化，刺槐＋白蜡混交林土壤的容重大，孔隙度低，腐殖质层TN含量在4种林型中最低，这些因素可能限制了土壤氮的转化和迁移。

综合分析比较4种林型各层土壤TN和TSN含量，腐殖质层显著高于其他两层（p＜0.05），并随着土层的加深而降低（图2—3），因此，在人工林管理过程中，应该重视腐殖质在人工林生态系统中的作用，特别注意保护刺槐纯林和刺槐＋白蜡混交林土壤的表层，防止腐殖质流失。

图3 各林型土壤全氮（TN）

2.3 不同元素的比例关系

土壤中的C，N，P组成决定了能量流动和物质循环，土壤C／N比值与有机质分解、土壤呼吸等密切相关［11］，土壤及植物的N和P共同决定着生态系统的生产力，因此土壤营养元素间的比例关系是土壤有机质组成和土壤质量的一个重要指标。分析黄河三角洲不同林型土壤的C／N比以及可溶性总氮与有效磷的比值关系发现，4林型土壤的C／N比范围在19.52～54.61（表3），平均为34.08，较中国土壤（250cm深）C／N 比平均比11.9高186%［12］，可能是因为本研究分析的土壤深为40cm，而11.9的比值是土壤250cm深层次的平均值，随着土层的加深，其比值随之下降。刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林0—40cm层土壤有较高的C／N比（表3），表明两林地可能拥有丰富的潜在碳源。

土壤TSN与有效磷的平均比值为1.94（表3），较中国土壤的平均比值5.2低［12］。本研究分析了植物易于吸收的可溶性氮和有效磷的比值，而中国土壤的研究是基于全氮及全磷的分析，因此所得比例小于全国土壤的比值。土壤中的氮磷是植物生长所必需的矿质营养元素和生态系统中最常见的限制性元素，二者之间具有重要的相互作用，并在植物体内存在功能上的联系。黄河三角洲人工林土壤可溶性氮和有效磷的比值低，可供植物吸收利用的营养元素受到限制，因此人工林可能因土壤营养元素的供给不足而使其生长发育受到限制。人工林地退化的具体原因还需进一步研究。

表3 不同元素间的比例关系

分析4种林型各层土壤TSN／N和DOC／TOC的百分比随土壤深度无明显的变化规律。刺槐＋白蜡混交林0—20cm层土壤TSN占N的百分含量较低为3.92%；而其他三种林型0—20cm层土壤的百分含量较同林型腐殖质层和0—40cm层高，表明刺槐＋白蜡混交林上层土壤可供植被吸收利用的可溶性氮较低。土壤DOC含量一般不超过土壤有机碳总量的2%［13］，本研究的结果显示，不同林型和土层内DOC占TOC的百分含量在0.33%～1.01%，其平均百分含量为0.72%，比不同栽植代数杉木人工林土壤（平均百分含量为0.58%）［9］和红松阔叶混交林土壤DOC／TOC（平均百分含量为（0.10%）高。在刺槐＋白榆混交林和刺槐＋臭椿混交林中，0—20和20—40cm层土壤DOC／TOC含量显著高于腐殖质层（p＜0.05），而刺槐纯林和刺槐＋白蜡混交林则相反。

3 结论与讨论

（1）不同林型土壤可溶性有机碳分析。可溶性有机碳是有机碳的活性组分，具有易流动、易分解、生物活性较高等特点，在提供土壤养分方面起着重要的作用。森林土壤的可溶性有机碳的含量一般不超过200mg／kg［14］，本研究的结果也表明，4种人工林土壤的DOC含量范围在92.62～178.54mg／kg，与王清奎等［9］对人工林的研究结果较接近。土壤TSN和DOC含量由高到低依次为：刺槐＋臭椿和刺槐＋白榆混交林＞刺槐纯林＞刺槐＋白蜡混交林，从0—40cm层土壤可溶性有机碳和氮来看，以刺槐纯林为对照，白榆和臭椿的植入均有利于刺槐林土壤性状的改善，其土壤含盐量与pH值有不同程度的下降，土壤孔隙度略有增加，土壤容重下降（表1），有利于植物根系的伸展和生长。此外，土壤碳氮储存能力与凋落物的量与分解速率也密切相关［15］，凋落物质量影响凋落物的分解及营养元素的归还。在刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林内，林下植被相对丰富，凋落物较刺槐纯林和刺槐＋白蜡混交林多。刺槐＋白榆混交林中土壤呼吸速率较高，微生物活性强［16］，并且叶中氮含量高［17］，凋落物具较低的C／N比，有利于微生物对凋落物的分解，使土壤中的碳氮及时得到补充，DOC和TSN的含量高。而白蜡叶片表面有蜡质，分解缓慢，使刺槐＋白蜡混交林土壤中的可溶性碳含量低，因此刺槐与白榆和臭椿混交有利于土壤的改良。

（2）可溶性有机碳与土壤理化指标的关系。混交林土壤性状较纯林土壤有所改善，分析土壤DOC与其他理化指标的相关关系发现，土壤DOC与TSN及速效钾呈极显著正相关（p＜0.01，表4），这与王清奎等［9］和张文义等［18］对林地土壤的研究结果是一致的。与全氮和有效磷呈显著正相关（p＜0.05），与含盐量呈负相关（p＞0.05），TSN与有效磷和速效钾呈极显著正相关（p＜0.01）；土壤含盐量随TSN的增加而下降，呈极显著负相关（p＜0.01）（表4）。这表明土壤DOC与TSN可降低土壤中的盐含量，而有机质与含盐量呈极显著正相关，与pH值呈显著负相关，因此有机质的增加可降低土壤的酸碱性。本研究中DOC与pH值的相关性不强，这与土壤活性有机碳与pH值呈显著或极显著负相关的研究结果不一致［10］，可能和研究对象以及林地的树龄有关。本研究选择的研究对象为26年生的人工林，而刘振花等［10］研究的红松阔叶混交林分别是30，50，70年的自然林，植被对土壤的作用时间较长，对土壤性质的影响明显。

表4 可溶性有机碳与土壤理化指标的相关关系

综上所述，刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林土壤DOC，TSN含量以及TSN／N和DOC／TOC的百分含量较刺槐纯林和刺槐＋白蜡混交林高，对提高两林地的土壤质量起到了重要的作用，针对黄河三角洲盐碱地改良，可种植白榆、臭椿与刺槐的混交林。作为土壤碳氮主要来源之一的腐殖质层，其DOC，TSN和TN含量均显著高于0—20和20—40cm土层含量，因此在人工林的管理过程中应防止土壤腐殖质层的流失。由相关性分析得出，土壤DOC，TSN与土壤全氮、有效磷、速效钾和含盐量相关性显著。土壤中DOC含量的大小可反映土壤中潜在活性养分含量和周转速率，从而反映出土壤养分循环和供应状况［19］，而作为衡量土壤碳氮营养平衡状况的土壤C／N比和土壤全碳和全氮呈极显著相关性（p＜0.01），与其他营养元素和物理指标的相关性不显著。因此土壤C／N比作为衡量土壤碳氮平衡是较好的指标，而土壤DOC和TSN含量用于判断土壤的综合营养状况可能更合适。采取措施增强土壤有机质或腐殖质层向可溶性碳氮的转化，对黄河三角洲人工纯林和混交林生态系统的维持和改良具有重要的现实意义。

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