不同经营模式下杨树人工林土壤活性有机碳的分布特征

2015-12-08王艮梅马爱军夏钰

生态环境学报 2015年11期

王艮梅，马爱军，夏钰

1. 南京林业大学生物与环境学院，江苏南京 210037；2. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏南京 210037；3. 江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400

王艮梅1,2*，马爱军2，夏钰1,2

土壤活性有机碳是土壤中易受微生物活动、土地利用方式及耕作措施等影响而发生变化的组分，对土壤碳平衡和土壤肥力保持具有重要意义。以苏北两种常见的杨树（Populus euramevicana）人工林经营模式（纯林：CP，农田林网：NL）样地的土壤为研究对象，分析了不同经营模式下土壤活性有机碳组分剖面分布特征。研究结果表明，CP模式下土壤总有机碳（TOC）、易氧化碳（LOC）、颗粒有机碳（POC）及微生物量碳（MBC）的含量都随土层加深而降低，与0～10 cm土层相比，30～40 cm土层中TOC、LOC、POC和MBC的含量分别下降了39.24%、69.12%、60.28%和49.91%。农林网模式样地NL1采样点土壤各形态有机碳含量在土层中的变化规律与纯林模式类似，即随土层加深呈下降趋势；而NL2和NL3采样点则表现为20～30 cm土层的各形态有机碳含量最高。结果还表明，除MBC外，CP模式下上层土壤（0～10、10～20 cm）中的TOC、LOC和POC的含量都比NL模式下对应土层的高，而NL模式下各土层土壤w(MBC)/w(TOC)和w(LOC)/w(TOC)的值都高于CP模式下对应土层的土壤，w(POC)/w(TOC)的值则为CP模式高于NL模式下的土壤。相关分析表明，除了受人为干扰大的NL2采样点外，土壤活性有机碳含量与总有机碳之间呈显著正相关关系。研究表明，土壤活性有机碳受土壤性质及人为活动影响，各活性有机碳占土壤总有机碳的质量分数在不同经营模式样地中无明显的变化规律。

活性有机碳；经营模式；杨树人工林；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.

森林生态系统作为陆地生物圈的主体，不仅本身维持着大量的植被碳库（约占全球植被碳库的86%以上），同时也维持着巨大的土壤碳库（约占全球土壤碳库的73%）（杨洪晓等，2005），在全球碳循环中起着重要作用。土壤活性有机碳是指受植物和微生物影响强烈，具有一定溶解性、移动较快且容易矿化的那一部分土壤碳素（耿玉清等，2009），虽然其只占总有机碳的很小一部分，却直接参与土壤生物和化学转化过程（陆昕等，2013），易受土壤温湿度、土地利用方式、耕作措施等影响（李太魁等，2012），可以在土壤总有机碳变化之前反映土壤因管理措施和环境引起的微小变化（荣丽等，2011）。因而，土壤有机碳活性组分对土壤碳库平衡、土壤化学和土壤肥力保持具有重要意义（Coleman et al.，1983；Wander et al.，1994）。

人工林是我国森林生态系统经营的主要对象，其中杨树人工林种植面积较大，占人工林总面积的13%，被广泛应用于我国的人工林栽培中，在江苏北部地区已有大面积栽植，模式也多种多样。随着人工林面积和蓄积量的持续增加，人工林在全球碳循环中占据了越来越重要的位置，而人工林恰恰是我国森林生态系统经营的主要对象。研究表明，我国的森林碳汇主要来自人工林的贡献（方精云等，2001），人工林土壤碳库是其整个生态系统碳库的重要组成部分，人工林经营管理模式和培育措施对土壤碳库尤其是土壤活性碳库的微小改变都可能在很大程度上影响人工林生态系统碳收支平衡（Johnson，1992；Sartori et al.，2007；Berthrong et al.，2009）。研究指出，不同杨农复合模式对土壤活性有机碳和总有机碳含量存在显著的影响，且主要与杨树的栽植密度有关（王万江，2010）。本研究以苏北地区杨树人工林不同种植模式下的土壤为研究对象，探讨杨树人工林不同经营模式下土壤活性有机碳的分布特征，旨在为杨树人工林土壤活性有机碳相互关系的深入研究及全面了解土壤肥力质量的真实情况提供数据支撑，对杨树人工林可持续发展具有一定的参考意义。

1 研究地区概况及研究方法

1.1研究区概况

试验设在江苏省淮安市洪泽县共和镇，共和镇位于东经118°5′，北经33°18′，属北亚热带和暖温带过渡性地带，四季分明，气候温和，无霜期长，雨量充沛，日照充足。季风气候特征显著，冬季主导风为东北风，夏季主导风为东南风。年均降雨量913.3 mm，主要集中在4—9月份（占总降水量70%以上），年均气温为14.9 ℃，年均日照2300 h，无霜期平均为 242 d。土壤多为河流冲积母质发育形成的潮土。

根据苏北杨树（Populus euramevicana）人工林常见的经营模式，选择纯林和农田微型林网两种模式作为研究对象。纯林模式的株行距为4 m×5 m，树龄为5 a，在3年生之前林下种植油菜，位于河流的岸滩上；农田微型林网模式为中间2 hm2的农田（水稻和小麦轮作），四周为3 m×4 m的人工林网，杨树种植于农田四周的田埂上，树龄为4 a。

1.2供试土壤的采集与制备

土样采集时间为2012年12月11日，在选好的两种模式样地内用土钻按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm分层采集不同的土壤样品。纯林模式（CP）下：以3 m×4 m为一个重复样点，在每个重复采样点内按照“S”形布置 5个采样点采集土样，对应土层的土壤混合。共设计3个重复的样点。农田微型林网模式（NL）下：根据农田离杨树的距离分别设定树冠下（NL1）、离树干4 m农田内（NL2）和离树干11 m的农田内（NL3）3个采样距离。在既定的距离范围内再设定3个重复样点采集不同土层的土壤样品，由于水稻种植和翻耕，农田土壤非常粘重，预先设计采集的40～60 cm土层土样难以用土钻采集。土样采集后装入保鲜袋内带回实验室，部分土壤样品放入冰箱保存，用于测定土壤微生物生物量碳；部分样品进行风干，磨细，过筛，保存，用于土壤有机碳、易氧化态碳、颗粒态碳的分析以及土壤基本理化性质的测定（仅测定0～10和10～20 cm两层）。两种模式样地土壤基本理化性质见表1。

表1 不同经营模式样地土壤基本理化性质Table 1 The fundamental physical and chemical properties of soil under different mangament patterns

1.3分析指标及分析方法

土壤总有机碳（TOC）（鲁如坤，2000）：采用K2Cr2O7-H2SO4氧化外加热法（容量法）。土壤活性有机碳选用土壤微生物生物量碳、易氧化碳和颗粒有机碳3个指标代表，测定方法分别为：

易氧化碳（LOC）（耿玉清等，2009）：采用KMnO4氧化分级法；颗粒有机碳（POC）（姬强，2012）：采用湿筛法；微生物生物量碳测定（MBC）（毛瑢等，2009）：采用氯仿熏蒸浸提法。

1.4数据处理

采用 SPSS 19.0程序对土壤各形态碳数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），LSD多重比较法进行差异显著性分析，比较不同经营模式下土壤总有机碳（TOC）、易氧化态碳（LOC）、颗粒有机碳（POC）和微生物量碳含量的差异显著性。

2 结果与讨论

2.1土壤有机碳含量的垂直分布特征

农田林网和纯林模式下土壤中不同形态碳含量的分布特征见表2。从表2可以看出，TOC、LOC、POC和MBC在0～10和10～20 cm土层的含量总体上都表现为：CP>NL3>NL2>NL1。随着土层深度的增加，纯林模式下各形态碳含量总体都呈下降的趋势，农田林网样地各形态碳随土层的变化规律和采样点与树冠之间的距离有关，NL1采样点各形态碳含量随土层变化规律同纯林模式，NL2和NL3采样点各形态碳含量则表现为20～30 cm土层的平均含量最高。

与0～10 cm土层的土壤有机碳相比，纯林模式下，30～40 cm土层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%，很显然随着土层深度的加深，土壤中活性有机碳下降幅度都明显的高于土壤总有机碳，这主要与土壤下层高含量的粘粒有关，高含量粘粒维持着有机碳总量从而导致活性有机碳比例下降。

表2 不同土层深度土壤有机碳含量的变化Table 2 The concentrations of soil organic carbon in soil horizons under different mangament patterns

农田林网模式下土壤有机碳的变化规律不一。NL1样点（树冠下）土壤有机碳平均含量都随着土层的加深呈不断下降的趋势，与0～10 cm土层的土壤有机碳相比，30～40 cm土层TOC、LOC、POC和MBC的含量分别平均下降了32.12%、62.82%、64.16%和55.22%。，仍然表现为活性有机碳含量的下降幅度远高于土壤总有机碳含量的变幅。与NL1不同，NL2（离树冠4 m的农田）和NL3（离树冠11 m的农田）土壤有机碳含量的变化总体表现为20～30 cm土层的平均含量最高，这主要是因为水稻种植后部分的残根留在土壤，在种植小麦时翻耕进入深层土壤，据调查翻耕深度在20～30 cm左右，这些水稻根系在土壤生物的作用下分解产生各种活性有机碳，从而使20～30 cm有机碳的含量高于其他土层。

从表2中还可以看出，农田林网模式下，采样点离树冠的距离对土壤有机碳含量存在一定的影响。除了10～20 cm土层TOC和LOC含量除外，所测定的所有形态土壤有机碳总体均表现为离树冠距离越远土壤有机碳含量越高的变化趋势。

表2还显示，除MBC外，在0～10和10～20 cm土层中，纯林模式下土壤各形态碳含量总体都明显的高于农林网模式下不同采样点的含量。在 0～10 cm土层中，TOC、LOC和POC在CP模式下平均比农田NL3的高出29.15%、39.80%和53.90%，在10～20 cm土层平均高出50.14%、43.60%和47.98%。而MBC在不同样地中的含量无明显的变化规律，CP模式下各土层MBC含量都比NL1的对应土层的含量高，而比NL3对应土层的含量低。

方差分析结果显示，不同经营模式对土壤各形态有机碳存在显著影响。除20～30 cm土层的TOC和10～20 cm土层的MBC外，所有土层的各形态有机碳含量在CP与NL3之间差异显著（P≤0.05）。从不同土层有机碳含量的差异分析可知，表层土壤各形态碳含量总体都与下层土壤的碳含量存在显著差异（P≤0.05）。

2.2土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率

一般认为，w(MBC)/w(TOC)比值反映了容易被代谢的那部分有机碳，是衡量土壤有机碳损失和积累的一个重要指标（Kumar et al.，2011）。图1为土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率结果。w(POC)/w(TOC)反映了被团聚体积累和保护的碳；w(LOC)/w(TOC)的比例越高，土壤有机碳库的活性就越大。从图中可以看出，微生物量碳、颗粒有机碳和易氧化碳占土壤总有机碳的比率在样地CP和NL1上变化规律相似，都表现为随土层的增加呈逐渐下降的趋势。除NL2样地中颗粒有机碳和易氧化碳占土壤总有机碳比率表现为20～30 cm土层最高外，在样地NL2和NL3上的变化规律总体表现为在10～20 cm土层3种活性碳占土壤总有机碳的比率最高。

图1 不同经营模式杨树林地土壤中活性有机碳占土壤总有机碳的比率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)

微生物量碳占土壤总有机碳的比率w(MBC)/w(TOC)在所有土层中都表现为农林网模式的数值都高于纯林模式对应土层，且两种模式之间存在显著差异。其中NL1样地最高，而CP样地最低，前者比后者分别高出 52.94%（0～10 cm）、44.83%（10～20 cm）、44.00%（20～30 cm）和43.48%（30～40 cm），且对应土层之间差异显著，说明与纯林模式相比，农林模式样地土壤活性有机碳的比例更高。样地NL2和NL3样地则都表现为10～20和20～30 cm土层的w(MBC)/w(TOC)较高，这可能就是由于水稻种植后翻耕的影响所致。

图1还显示，颗粒有机碳占土壤总有机碳的比率w(POC)/w(TOC)与w(MBC)/w(TOC)的变化规律相反，总体上纯林模式的数值要高于农林网模式，除了NL3的10～20cm和30～40cm土层外，不同经营模式样地对应土层的 w(POC)/w(TOC)值之间差异显著。其中CP模式下的w(POC)/w(TOC)的值分别比 NL1的高 27.87%（0～10 cm）、14.00%（10～20 cm）、22.22%（20～30 cm）和42.50%（30～40 cm）。这与纯林模式样地土壤颗粒中>0.05 mm的颗粒含量有关（表1），纯林模式下>0.05 mm颗粒含量要明显大于农林复合模式下土壤中该粒级土壤颗粒的含量。

从图1还可发现，土壤易氧化碳占土壤总有机碳的比率 w(LOC)/w(TOC)在不同土层和样地之间的变化规律与微生物量碳占土壤总有机碳比率的变化规律基本相似，即农林模式下3个采样点的土壤易氧化态碳含量占总有机碳的比例略高于纯林模式。NL1和CP模式样地w(LOC)/w(TOC)值总体随着土层的增加呈下降趋势，方差分析显示，0～10和10～20 cm土层间无显著差异性，但与20～30 cm土层之间存在显著差异性。而NL2和NL3样地，w(LOC)/w(TOC)在各土层的数值则总体表现为10～20 cm（NL3）或20～30 cm（NL2）最高，原因分析同前，可能与农地的施肥耕作等农艺措施有关。土层0～10 cm的w(LOC)/w(TOC)的值在不同样地间差异性分析结果显示，农林模式3个样地之间存在显著差异，即随着离杨树距离的增加呈显著性降低。10～20 cm土层w(LOC)/w(TOC)值在NL1和CP之间存在显著差异，其他样地间无差异。

2.3土壤活性有机碳与总有机碳的相关性分析

土壤活性有机碳库是指受植物和微生物影响强烈，具有一定溶解性、移动较快且容易矿化的那一部分土壤碳素，来源于土壤有机碳，但易受土壤生物和农艺生产措施的影响，可以在土壤总有机碳变化之前反映土壤质量的微小变化。表3为各活性有机碳与土壤总有机碳的相关分析结果，从表中可以看出，CP和NL1两样地土壤的微生物量碳、易氧化碳、颗粒有机谈和总有机碳之间都呈极显著正相关关系，NL3样地土壤除了易氧化碳和颗粒有机碳之间相关性不显著外，其余都呈显著正相关关系，很显然土壤中活性有机碳受土壤总有机碳含量的影响，且各活性有机碳之间也是相互联系和影响的。该结果印证了耿玉清等（2009）研究不同森林植被类型对土壤活性有机碳库影响时得到的结果。而NL2样地土壤各形态碳含量之间的相关性则完全与NL3相反，易氧化碳和颗粒有机碳呈极显著正相关关系，而其余各形态之间都没有相关性，这可能与NL2采样点位于农田边缘，受人为因素干扰较大有关。

表3 土壤活性有机碳及土壤总有机碳之间的相关性系数Tbale 3 Correlation coefficients between active SOC and total organic carbon

3 结论

（1）土壤总有机碳及各活性有机碳含量随着土层的加深总体呈下降趋势，受人为农艺措施影响较大的土壤各形态碳表现为20～30 cm土层的含量最高，方差分析显示总体上土壤各形态碳含量在不同土层之间存在显著差异。

（2）纯林模式下上层土壤总有机碳、易氧化态碳和颗粒有机态碳的含量都对应大于农田林网模式下土壤各形态碳含量，而微生物量碳在两种模式之间无明显变化规律。

（3）活性有机碳占土壤总有机碳的比率随着土层深度的增加呈逐渐下降的趋势，农田林网模式下土壤w(MBC)/w(TOC)和w(LOC)/w(TOC)总体上都显著地高于纯林模式下对应土层的值，纯林模式的w(POC)/w(TOC)都明显的高于农林网模式下的值。

（4）受人为活动和边际效应影响，农田边缘样点（NL2）外，土壤活性有机碳与土壤总有机碳之间呈显著正相关关系。

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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

1674-5906（2015）11-1771-06

国家自然科学基金项目（31200472）；江苏省优势学科建设工程项目（PAPD）

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

2015-09-24

引用格式：王艮梅, 马爱军, 夏钰. 不同经营模式下杨树人工林土壤活性有机碳的分布特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1771-1776.