间伐强度对落叶松人工林土壤有机碳的影响
2015-10-21王昌亮王庆成张程李雯张书娜
王昌亮 王庆成 张程 李雯 张书娜
摘要：以山河屯林业局凤凰山抚育所40年生落叶松人工林为研究对象，采用不同强度的间伐处理（间伐0%（CK）、15%（T1）、40%（T2））后，研究不同土层土壤有机碳储量、活性有机碳（水溶性有机碳、微生物有机碳、易氧化碳）的变化。结果表明：间伐处理提高了土壤有机碳储量，表现为CK（12.92 Mg/hm2）
关键词：落叶松（Larix gmelinii）；人工林；间伐强度；土壤碳
中图分类号：S 753.7文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0012-05
Effect of Thinning Intensity on Soil Organic
Carbon in Larix gmelinii Plantation
Wang Changliang，Wang Qingcheng，Zhang Cheng，Li Wen，Zhang Shuna
（School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040）
Abstract：The 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain Tending Institute of Shanhetun Forestry Bureau was studied in this paper.The soil organic carbon（SOC），water soluble organic carbon（WSOC），readily oxidizable carbon（ROC），microbial biomass carbon（MBC）in Larix gmelinii plantation with different thinning intensities（CK：control，T1：15% thinning intensity，T2：thinning intensity）were investigated.The results showed that thinning treatment increased the SOC storage，CK（12.92 Mg/ha2）
Keywords： Larix gmelinii；plantation；thinning intensity；soil carbon
收稿日期：2014-10-11
基金项目：国家“十二五”科技支撑项目（2011BAD37B02）
第一作者简介：王昌亮，硕士研究生。研究方向：土壤碳汇。
*通讯作者：王庆成，教授，博士生导师。研究方向：森林培育。Email：wqcnefu@163.com
引文格式：王昌亮，王庆成，张程，等.间伐强度对落叶松人工林土壤有机碳的影响[J].森林工程，2015，31（1）：12-16.抚育间伐是一项重要的森林经营的措施，对提高森林生产力，增加森林土壤碳汇具有重要的作用[1]。研究表明间伐强度对土壤有机碳含量的影响存在明显的差异，方晰等（2004）对湖南杉木（Cunninghamia lanceolata）林研究表明，50 % 强度的间伐导致杉木人工林土壤有机碳含量降低16.14%。而李云红（2009）对东北落叶松（Larix gmelinii）人工林研究发现，与对照相比，25%和50%间伐强度林下土壤有机碳含量分别增加了6.97%和15.04%。此外，还有研究认为，间伐对土壤有机碳储量的变化不显著[2]。
土壤活性有机碳是土壤有机碳库的重要组成，在一定的条件下受植物、微生物影响，具有一定溶解性，在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化，并对植物和微生物有较高活性[3]。虽然土壤活性有机碳占土壤有机碳含量的比例较小，但它能够敏感地反映因管理措施等人为活动所引起的土壤的微小变化[4]。其中水溶性有机碳（water soluble organic C，WSOC）、微生物有机碳（microbial biomass C，MBC）、易氧化碳（readily oxidizable C，ROC）等活性有机碳常应用于调查土壤有机碳对森林经营的响应[5-8]。因此研究活性有机碳库可以反映不同间伐强度下土壤有机碳的周转机制。
20世纪70年代后，东北地区陆续营造了大面积落叶松人工林，成为该区人工林的主体。但由于营林及管理措施的落后，导致了落叶松人工林出现了物种多样性低下、土壤退化等问题，而合理的间伐抚育和人工干扰可以促进林木演替更新、提高土壤立地质量和林地生产力[9]。因此，研究不同间伐强度对东北落叶松人工林有机碳的影响，分析土壤有机碳周转的机制，既可以了解森林土壤有机碳对间伐措施的响应，同时可以估测其对全球气候变化的影响，因此具有重要的理论意义和应用价值。
第1期王昌亮等：间伐强度对落叶松人工林土壤有机碳的影响
森林工程第31卷
1研究区概况
研究区位于黑龙江省五常市山河屯林业局凤凰山经营所林区内（E128°12′～128°48′，N44°27′～44°05′）。平均海拔650～900 m，为低山、中山地貌。年平均气温2～3 ℃，年平均降水量约为800 mm。地带性土壤为暗棕壤，质地大多为壤质，从表层向下石砾含量逐渐增加，土壤表层腐殖质积聚，腐殖层不厚，全剖面呈中至微酸性反应，表层有机质含量与土壤肥力较高，土层厚度可达60～80 cm。长白植物区系，主要乔木树种有落叶松（Larix gmelinii）、红松（Pinus koraiensis）、紫椴（Tilia amurensis）、蒙古栎（Quercus mongolica）、春榆（Ulmus japonica）、枫桦（Betula costata）、白桦（Platyphylla）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、胡桃楸（Mandshurica Maxim）、黄波罗（Phellodendron amurense）、山杨（Populus davidion）等。
2研究方法
2.1样地设置
2013年6月在山河屯林业局凤凰山经营所840号小班设立调查样地。该小班在1973年营造落叶松纯林（初植密度2 500株/hm2，林龄40 a），1987年进行轻度（15%间伐）和重度（40%间伐）间伐，并保留一部分作为对照。
在3种间伐强度（未间伐；CK，15%（T1）；40% T2）林分中设立固定标准地20×20（m），每种间伐强度设置3个重复，共计9块样地，样地之间设置过渡带。在样地中进行每木检尺和测高，结果见表1。
表1山河屯林业局凤凰山经营所不同
间伐强度40a生落叶松人工林林分状况
Tab.1 Stand conditions in different thinning treatments in
40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain
样地采伐株数
/株·hm-2平均树高
/m平均胸径
/cmCK53321.5226.46T144220.2127.24T231720.8429.07注：CK：未间伐落叶松人工林，T1：15%间伐强度落叶松人工林，T2：40%间伐强度落叶松人工林。
2.2样品采集
2013年8月分别在9块样地中挖1个土壤剖面，每个剖面均按0～10、10～20、20～40和40～60 cm深度分层采集土样，共计36个土样。其中一部分土壤样品在室内经自然风干后用于土壤碳、氮分析，以及有机碳和易氧化碳测定，另一部分样品去除杂质（过2 mm筛）后于4 ℃保存，用于土壤微生物有机碳、水溶性有机碳、蔗糖酶的测定。
2013年10月分别在9块样地内各设置3个50×50（cm）的样方，按未分解与分解的程度收集样方内的凋落物，取回后烘干测其生物量及其碳、氮含量。
2.3样品分析
土壤微生物量碳（MBC）测定：采用氯仿熏蒸浸提法。称取20 g新鲜土样于100 ml烧杯中，连同盛有60 ml的去乙醇氯仿溶液的小烧杯一起放入真空干燥器内，干燥器底部加入少量热水和1 mol/L NaOH溶液。用真空泵抽真空使氯仿持续沸腾2 min。关闭阀门，将干燥器放入25 ℃的生化培养箱中培养24 h。取出氯仿除尽干燥器底部的碱液，再用真空泵反复抽气，去除残留氯仿。向处理后的土樣中加入40 ml，0.5 mol/L硫酸钾溶液，在25 ℃振荡30 min后过滤，同时做无氯仿熏蒸的空白试验，滤液直接在碳氮自动分析仪（Multi C/N 3000，Analytik Jena AG）上测定[10]。
土壤水溶性有机碳（DOC）测定：称取20 g鲜土于100 ml三角瓶中，加入 40 ml蒸馏水，25 ℃下恒温振荡30 min（200 r/min）后，离心10 min（1 0000 r/min），再用0.45 μm滤膜抽滤，其滤液在碳氮自动分析仪（Multi C/N 3000，Analytik Jena AG）上测定[11]。
土壤易氧化碳（ROC）测定：采用高猛酸钾氧化法。25℃条件下，取三份含有15 mg碳的土壤样品，装入100 ml塑料离心管中，加入333 mmol/L高锰酸钾25 ml，密封瓶口充分混合后以250 r/min振荡1 h，再以2000 rpm速度离心5 min，吸取上清液0.2 ml，按与水比例1∶250用去离子水稀释溶液并转入100 ml容量瓶中，测定吸光值，波长为565 nm，吸光值可用来确定剩余的高锰酸钾的量，与高锰酸钾反应的碳量可以通过初始浓度减去剩余高锰酸钾浓度来估计，每消耗1 mmol高锰酸钾溶液相当于氧化9 mg或0.75 mmol碳[3]。
2.4数据分析
用Excel对原始数据进行整理，同时采用SPSS（SPSS 公司，19.0）软件对数据进行描述统计，各指标采用单因素（ANOVA）方差分析检验处理间的显著性，用SigmaPlot（SYSTAT公司，10.0）作图。
3结果与分析
3.1不同间伐强度对落叶松人工林土壤化学性质
的影响各间伐强度表层（0～10 cm）土壤有机碳（SOC）含量、土壤氮含量、蔗糖酶活性均最高，且随着土层深度的增加，呈现降低的趋势。在 0～10 cm土层中，对照样地SOC平均含量（63.34 g/kg）比T2处理样地（71.44 g/kg）低11.34%（P<0.05）。pH、C/N随着土层深度的增加无明显变化（P>0.05）（见表2）。
表2山河屯林业局凤凰山抚育所不同间伐强度
40a生落叶松人工林林下土层土壤化学性质
Tab.2 Soil chemical properties of different soil layers under
different thinning treatments in 40yearold
Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain
土层深度
/cm样地酸度
pH土壤有机碳
含量SOC
/g·kg-1氮含量
N/g·kg-1C/N
/%蔗糖酶活性
/mg·g-10～10CK5.4a63.34a5.35a10.03a9.72aT15.4a69.10ab6.38ab10.71a12.41aT25.2a71.44b6.57b11.20a11.59a10～20CK5.5a18.82a1.37a10.42a2.70abT15.5a22.20a1.50a10.63a1.35aT25.9b20.30a1.86a10.34a4.51b20～40CK5.5a6.86a0.55a11.04a0.36aT15.4a13.18b1.24b9.97a0.59aT26.1b12.61b0.68ab10.38a0.79a40～60CK5.4a8.44a0.57a10.02a0.36aT15.5ab12.25ab1.32b9.61a1.29bT25.9b15.48b1.49b10.24a0.91b注：CK：未间伐落叶松人工林，T1：15%间伐强度落叶松人工林，T2：40%间伐强度落叶松人工林。同列不同小写字母表示不同间伐强度差异显著（P<0.05）。
3.2不同间伐强度对落叶松人工林土壤有机碳储
量的影响各间伐处理土壤0～20 cm土层有机碳储量差异不显著（P>0.05），而20～40、40～60 cm土层T1、T2样地土壤有机碳储量显著高于对照的有机碳储量（P<0.05），分别增加124.36%、89.19%、63.61%、82.09%。土壤有机碳总储量CK（12.92 t/hm2）
图1山河屯林业局凤凰山抚育所不同间伐强度40 a生落叶松人工林土壤有机碳储量
Fig.1 Organic carbon storage of soil layer under different thinning treatments in 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain3.3不同间伐强度对落叶松人工林土壤活性有机
碳的影响T2样地表层（0～10 cm）微生物有机碳（MBC）含量（982.00 mg/kg）高于对照（788.00 mg/kg）和T1（785.67 mg/kg）样地（P>0.05）；随着土层深度的增加，MBC呈现降低的趋势，且每一土层均为对照最高。在20～40、40～60 cm土层中，T1低于对照89.85%和69.30%（P<0.05）（如图2所示）。
易氧化碳（ROC）含量主要集中在表层（0～10 cm），各样地分别占ROC总量的74.18%、64.65%和74.92%，表层中T2样地的ROC含量（20.52 g/kg）高于T1（5.41 g/kg）和T2（8.89 g/kg）（P<0.05）。对照样地所有土层的ROC含量均最低。在所有土层中的水溶性有机碳（WSOC）均为CK 3.4不同间伐强度对落叶松人工林凋落物生物量 的影响T1样地的未分解层（L层）和分解层（F层）现存量均显著高于CK和T2样地（P<0.05）。T1样地含碳量也高于CK和T2处理，仅在F和总量显著差异（P<0.05）。各样地C/N为 CK>T1>T2见表3。 图2山河屯林业局凤凰山抚育所不同间伐强度40a生落叶松人工林土壤活性有机碳含量 Fig.2 Labile organic carbon concentration of soil under different thinning treatments in 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain 表3山河屯林业局凤凰山抚育所不同间伐强度40a生落叶松人工林凋落物现存量及含碳量 Tab.3 Standing biomass and carbon concentration of litter under different thinning treatments
in 40yearold Larix gmelinii plantation in Phoenix Mountain
处理现存量/t·hm-2LF总含碳量t·hm-2LF总碳氮比/%LF总CK
T1
4讨论
4.1间伐对土壤有机碳储量的影响
森林土壤碳在全球碳循环中扮演着重要角色，并且具有较高的固碳能力[12]。森林动植物残体以及地上地下凋落物死亡分解、淋溶、分泌都是森林土壤有机碳的重要来源[13]。抚育间伐通过改变森林环境影响林内凋落物和土壤呼吸等输入输出途径，而对森林土壤碳储量产生重要影响[14]。本研究中，不同间伐处理落叶松人工林土壤碳储量变化的大致规律为T1>T2>CK（图1），并且在土壤0～20 cm层表现为T1处理最高。土壤总碳储量因间伐而增大，这与Vargas等（2009）的研究结果基本一致，研究认为间伐后土壤有机碳储量高于未间伐林地，这可能是因为间伐时伐去了林内直径较小且生长不良的林木使得森林生产力增强，间接影响了森林土壤碳储量。还可能是因为对照林分的林分密度较大，影响了土壤微生物活动，降低了凋落物的分解速度，从而减缓了凋落物碳的输入[15]。本研究中土壤有机碳主要集中在土壤表层（图1），这主要与凋落物层碳的输入以及土壤中的根系分布相关。
本研究中，T1凋落物量明显大于T2和CK处理（表3），土壤碳的输入量增加，因此，T1样地有机碳储量高于T2和CK处理。CK与T2的凋落物量无明显差异，但T2样地土壤有机碳储量大于CK处理（图1），一方面是因为T2处理林地内光照充足，温度较高，凋落物分解较快，加速了碳向土壤中释放。另一方面，T2处理郁闭度小，林下生物多样性及覆盖率要大于CK，林下草本植物在原地分解，增加了碳的输入。这与Selig等（2008）对维吉尼亚山麓的8年生火炬松人工林土壤碳储量及其分配的调查结果类似，研究发现伐后14a，间伐对林分碳储量和碳通量存在潜在影响，间伐林分土壤碳储量高于未伐林分，且土壤碳储量随着土壤深度的加深而下降。同样袁喆等（2011）对川西亚高山人工杉木林研究表明，30%间伐强度的土壤有机碳储量高于对照和其他间伐强度，与本文研究结果一致。
4.2间伐对土壤活性有机碳的影响
T2间伐处理提高了表层土壤微生物有机碳含量（图2），这可能由于间伐改变了林地光照和通气状况，为微生物分解有机质提供了一个较好的环境；另一方面林分下层草灌木较多，土壤表层根系分布较多，加速了土壤微生物的活动，促进了地上、地下凋落物的分解，而表层以下的生存环境较差，微生物的活动较少，因此土壤下层微生物生物量碳含量比表层含量低[16]。而T1间伐处理因其采伐强度相对较低，对地表各方面影响有限，故未出现土壤微生物有机碳的显著增加。
根系发达的草本植物的根分泌物和凋落物经微生物作用是土壤易氧化碳的主要来源[17]。由于T2样地郁闭度较低，林下草灌木覆盖率较高，导致T2样地易氧化碳含量明显高于T1和CK样地（图2）。随着土壤表层有机碳含量增加，当其粘结点达到饱和，并超过吸收额外有机碳能力时，易氧化碳将解析并以可溶有机碳的形式向深层土壤移动[18]，因此T2样地下层积累了大量的水溶性有机碳。而水溶性有机碳可以提高土壤中稳定性有机碳的分解，有利于土壤活性有机质的积累，这与Chatterjee等对于松林的研究结果类似。
综上所述，间伐通过增加凋落物的输入从而增加土壤碳储量，而且15%的弱度间伐能显著增加土壤碳储量，有利于碳的固定。40%的强度间伐能增加土壤表层的微生物碳和易氧化碳，从而增加下层的水溶性有机碳，增加了活性有机质的积累，但不利于稳定有机碳的固存。研究表明，15%弱度间伐有利于东北落叶松人工林土壤有机碳的固定。
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[责任编辑：董希斌]
