闽西毛竹林不同施肥处理下土壤有机碳含量垂直分布与季节动态*

杜满义 封焕英 范少辉 苏文会 毛 超 唐晓鹿 刘广路

(1．国际竹藤中心 国家林业局竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102;2．中国林业科学研究院华北林业实验中心 北京 102300)



闽西毛竹林不同施肥处理下土壤有机碳含量垂直分布与季节动态*

杜满义1,2封焕英1,2范少辉1苏文会1毛 超1唐晓鹿1刘广路1

(1．国际竹藤中心 国家林业局竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102;2．中国林业科学研究院华北林业实验中心 北京 102300)

【目的】以期更全面反映毛竹林地培肥机制，为毛竹林科学经营提供依据，也为森林生态系统碳平衡估算与模拟提供基础数据。【方法】在永安天宝岩国家自然保护区，选取生长良好、具有代表性的典型毛竹纯林，采用随机区组设计，共设置18块20 m×20 m样地，包括6个处理： 施5年毛竹专用肥(Ⅰ)，施5年氮、磷、钾配方肥(Ⅱ)，施5年有机肥(Ⅲ)，施1年毛竹专用肥(Ⅳ)，施1年有机肥(Ⅴ)和不施肥(Ⅵ)，探讨不同施肥措施毛竹林土壤有机碳含量、垂直分布格局、季节动态变化及土壤有机碳含量影响因子。【结果】不同施肥处理毛竹林0～100 cm土层有机碳平均含量无显著差异，分别为11.39，9.83，10.49，10.34，9.83和11.20 g·kg-1； 施肥显著降低0～20 cm表层土壤有机碳含量，与不施肥毛竹林(Ⅵ)相比施肥毛竹林(Ⅰ-Ⅴ)表层0～10 cm有机碳含量分别降低9.05%，27.33%，28.84%，18.92%和25.37%，10～20 cm有机碳含量分别降低1.25%，23.68%，23.47%， 20.48%和18.61%； 随着土层深度增加，施肥正效应得以体现，毛竹林(Ⅰ-Ⅴ)80～100 cm土层有机碳含量提高2.72%～37.14%； 毛竹林(Ⅰ-Ⅵ)土壤有机碳含量均随土层深度增加呈现降低趋势，碳含量标准误差亦随土层深度增加而不断减小，表明深层土壤有机碳更为稳定； 毛竹林(Ⅰ-Ⅵ)土壤剖面有机碳含量无显著季节变化，但表现出秋冬季有机碳含量大于春夏季的趋势，不同季节下毛竹林(Ⅰ-Ⅵ)0～100 cm土层有机碳加权平均值分别为10.86～12.33，8.98～10.38，10.14～11.32，9.66～11.29，9.19～10.24和10.40～12.23 g·kg-1； 土壤有机碳含量与土壤全N含量、全P含量、水解N含量、有效P含量和速效K含量极显著正相关(P< 0.01)，而与土壤密度和pH值极显著负相关(P< 0.01)。【结论】毛竹林短期施肥未显著改变土壤层有机碳平均含量，但导致浅层土壤有机碳含量显著下降，深层土壤有机碳含量小幅上升，然而随土壤深度增加而降低的垂直分布格局未变化； 施肥或不施肥情况下土壤剖面有机碳含量均无显著的季节动态变化，取样时间对土壤有机碳含量估计的影响甚微； 毛竹林施肥虽能显著提高竹林生产力，但施肥过程和高强度采伐却破坏原有竹林结构，不利于表层土壤有机碳的积累和贮存，因此毛竹林经营中应尽量减少土壤扰动，及时合理补充矿质营养元素，适当挖笋与采伐，使土壤有机碳含量保持较高水平，以利于维持毛竹林地长期生产力。关键词： 毛竹林； 施肥； 土壤有机碳； 垂直分布； 季节动态； 闽西

土壤养分供给及其平衡状况已成为维持与提高人工林生态系统生产力的关键所在(徐福利等， 2014)。施肥是影响土壤质量演化及其可持续利用最为深刻的农业措施之一(刘恩科等， 2010)，对土壤养分、碳贮量、CO2和N2O释放、团聚体、微生物群落结构与功能均产生显著影响(Macketal., 2004； Skinner， 2013； Zhouetal., 2013； Nicolasetal., 2014； Plaza-Bonillaetal., 2014)。毛竹(Phyllostachysedulis)生长速度快，可以连续采伐及永续利用，具有高效的固碳能力，对平衡大气CO2有重要作用(Zhouetal., 2009； 2011)。毛竹经营生产过程中会消耗土壤中的大量养分，需要及时补充养分来维持林地持续生产力(王意锟等， 2014)，毛竹施肥可以提高毛竹林生产力并影响生物量分布格局，进而影响到毛竹林经济和生态效益的发挥(陈孝丑等， 2012； 杜满义等， 2015)。然而相对于其他森林或土地利用类型，毛竹经营中的频繁干扰造成其土壤有机碳库管理和精确估算更易受到人类活动方式的影响，是碳贮量和碳流失最不确定的森林类型(漆良华等， 2013； 李翀等， 2015)。近年来有关施肥对毛竹林生长(朱强根等， 2013； 王意锟等， 2014)、土壤肥力(郭晓敏等， 2007)及养分循环(刘广路等， 2010； Lietal., 2013)的研究较多，而有关土壤有机碳含量的土层垂直分布和季节动态变化规律的报道较少。在全球气候变化背景下，如何同时实现毛竹经营的经济效益和土壤碳吸收、碳封存生态效益日益成为关注焦点。

闽北是我国毛竹自然分布的中心产区之一，具有区域代表性，因此本研究以闽西不同施肥处理毛竹林为对象，探讨不同施肥处理毛竹林土壤有机碳含量、垂直分布格局、季节动态变化规律及有机碳含量影响因子，试图揭示毛竹林土壤有机碳的时空格局，以期更全面反映毛竹林林地培肥机制，为毛竹林科学经营提供依据，也为森林生态系统碳平衡估算与模拟提供基础数据。

1 研究区概况

研究区位于福建省永安市天宝岩国家级自然保护区(117°31′—117°33.5′E，25°55′—25°58′N)，福建永安素有“中国毛竹之乡”美誉，地处戴云山余脉，属于中低山地貌，海拔580～1 604 m，属于亚热带东南季风气候型，年均气温23 ℃，全年最低气温-11 ℃，全年最高气温40 ℃，全年无霜期290天左右，年均降水量2 000 mm，≥10 ℃年活动积温4 520～5 800 ℃，持续天数为225～250天，空气相对湿度80%左右。竹林主要分布在海拔800 m以下，研究区内竹林覆盖率96.8%，主要为毛竹，其间少量混生江南油杉(Keteleeriacyclolepis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、杨梅(Myricarubra)、南酸枣(Choerospondiasaxillaris)、鹅掌楸(Liriodendronchinense)和木荷(Schimasuperba)等树种。

试验区内毛竹通过自身扩鞭繁殖成林，成林时间约25年，自然状态下毛竹林密度为1 600～2 000株· hm-2，竹林地每年8,9 月份进行砍伐，每年施除草剂1次或劈山1次，林下有少量灌木和杂草。主要土壤类型为红壤，0～100 cm土层平均元素含量为有机质23.45 g·kg-1，全氮0.63 g·kg-1，全磷0.23 g·kg-1，全钾20.05 g·kg-1，水解氮93.10 mg·kg-1，有效磷27.08 mg·kg-1，速效钾65.42 mg·kg-1，交换性钙53.08 mg·kg-1，交换性镁11.39 mg·kg-1，pH值为4.71(杜满义等， 2015)。

2 研究方法

2.1 样地设置与施肥处理

2011年7月对研究区立地因子和植被状况进行调查，包括立竹度、树高和郁闭度等； 用便携式GPS、罗盘仪等测定各样地坡度、坡向、土层厚度、海拔及经纬度等(表1)。利用典型样地法与随机区组设计布置相关试验。选取生长良好，具有代表性的典型毛竹林设置18块20 m×20 m样地，6种施肥处理，每处理3次重复。6种施肥处理分别为施5年毛竹专用肥(Ⅰ)，施5年氮、磷、钾配方肥(Ⅱ)，施5年有机肥(Ⅲ)，施1年毛竹专用肥(Ⅳ)，施1年有机肥(Ⅴ)，不施肥样地(Ⅵ)。相邻样地之间设置至少5 m的缓冲带。各处理样地概况见表1。毛竹林Ⅰ-Ⅲ施肥时间为2007—2011年，Ⅳ和Ⅴ施肥时间为2011年，每年5月份统一施肥，各种施肥当量按N元素施入量相等进行折合计算，专用肥和氮、磷、钾配方施肥在距离毛竹约30 cm处进行穴施，穴施深度为30 cm； 有机肥在标准地内开沟6～7条进行沟施，沟施深度为30 cm。专用肥、配方肥和有机肥概况见表2。

表2 专用肥、配方肥和有机肥概况

2.2 土壤样品采集及室内分析

于2012年1，4，7和10月分次取样，每次取样均在每个样地内按照“S”型选取5个样点，采样时先除去地面凋落物，挖取土壤剖面，取0～10，10～20， 20～40，40～60，60～80和80～100 cm土层的土样，将每样地相同层次土壤混合，用四分法选出1 kg土样，每次获样品108个，4次取样共计432个。同时，在每个样点，采用容积100 cm3的环刀分层取样，从每层中部取土测定土壤密度。将土壤样品带回实验室，充分混匀并去掉植物根系和残体，室内风干后研磨粉碎，过2 和0.149 mm 筛，然后装入无菌塑封袋，用于土壤总有机碳和各种养分含量测定。

土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定、土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定、水解氮含量采用碱解扩散法测定、全磷含量采用碱溶-钼锑抗比色法测定、有效磷含量采用氟化铵-盐酸浸提法-钼锑抗比色法测定、全钾含量采用氢氧化钠融熔法-原子吸收光谱法测定、速效钾含量采用中性乙酸铵浸提-原子吸收光谱法测定、交换性钙含量和交换性镁含量采用乙酸铵提取-原子吸收分光光度法测定、脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定、磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定、过氧化氢酶活性采用容量法测定、pH值采用电极法测定、土壤密度采用环刀法测定(张万儒， 1999； 鲁如坤， 2000)。

2.3 数据处理

根据野外调查资料和室内分析结果，用Excel(2010)和SPSS(19.0)统计分析软件进行数据处理分析，不同施肥处理、季节及土层的土壤有机碳数据变量的差异运用One-Way ANOVA分析，LSD进行方差分析，相关性分析采用Peason相关分析。

3 结果与分析

3.1 不同施肥处理毛竹林土壤有机碳特征

不同施肥处理毛竹林0～100 cm土层土壤有机碳平均含量无显著差异，分别为11.39，9.83，10.49，10.34，9.83和11.20 g·kg-1。施肥显著降低浅层土壤有机碳含量(图1)，0～10和10～20 cm土层土壤有机碳含量均以不施肥(Ⅵ)毛竹林最高，不施肥(Ⅵ)毛竹林土壤有机碳含量分别为30.60和21.77 g·kg-1，显著高于施肥处理Ⅱ-Ⅴ(P< 0.05)； 与不施肥毛竹林相比，施肥毛竹林(Ⅰ-Ⅴ)0～10 cm土层有机碳含量分别降低9.05%，27.33%，28.84%，18.92%和25.37%，10～20 cm土层分别降低1.25%，23.68%，23.47%， 20.48%和18.61%。不同施肥处理毛竹林20～40，40～60和60～80 cm土层有机碳含量差异均不显著，但施用5年有机肥(Ⅲ)毛竹林土壤有机碳含量随着土层深度增加(在40～60 cm及以下)逐渐变为6个处理中最高的，在80～100 cm土层显著高于施肥处理Ⅰ和Ⅴ及Ⅵ(P< 0.05)。与不施肥处理毛竹林相比，施肥毛竹林(Ⅰ-Ⅴ)80～100 cm土层有机碳含量提高2.72%～37.14%。

图1 不同施肥处理毛竹林各土层土壤有机碳含量Fig.1 Soil organic carbon (SOC) content in each soil layer under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

3.2 毛竹林土壤剖面有机碳垂直分布特征

不同施肥处理的毛竹林土壤有机碳含量均随土层加深而降低，其中0～60 cm土层下降剧烈，60～100 cm下降平缓。碳含量标准误差值表现为随土壤加深不断减小，在深层土壤更稳定(图2)。不同土层的有机碳含量差异达显著水平(P<0.05)。

3.3 毛竹林土壤有机碳含量季节变化特征

各处理毛竹林0～100 cm土层有机碳含量各季节间均无显著差异，但秋冬季大于春夏季(图3)。施肥处理Ⅰ-Ⅵ各季节的土壤剖面有机碳含量分别为10.86～12.33，8.98～10.38，10.14～11.32，9.66～11.29，9.19～10.24和10.40～12.23 g·kg-1。土壤剖面有机碳含量的季节变异特征不同，其中施肥5年的毛竹林(Ⅰ-Ⅲ)和不施肥毛竹林(Ⅵ)变异系数大于15%，而施肥1年的毛竹林(Ⅳ，Ⅴ)变异系数小于15%，分别为14.65%和8.14%。

3.4 土壤理化性质

不同施肥处理毛竹林土壤密度表现出随土层加深而显著增大的趋势(0.745～1.592 g·cm-3)； 酸性土壤是毛竹较为适应的生境(pH4.44～5.31)，pH值表现出随土层加深而略微增大的趋势； 土壤全K含量在不同土层间未表现出明显规律，数值波动较小； 土壤全N、全P、水解N、有效P及速效K含量均表现出随土层加深而显著减小的趋势，但趋势并非完全一致。其中全N、水解N及速效K在0～100 cm土层间随土层加深均降幅明显，而全P和有效P在0～40 cm土层降幅明显，40～100 cm土层变化微小(图4)。

图2 不同施肥处理土壤有机碳含量的垂直变化Fig.2 Vertical distribution of SOC under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

图3 不同施肥处理毛竹林土壤有机碳的季节动态变化Fig.3 Seasonal dynamics of SOC under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

图4 不同施肥处理毛竹林各土层土壤理化指标的变化Fig.4 The variation of soil physiochemical indicators with depth under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

3.5 土壤有机碳含量与土壤理化性质的相关性

土壤有机碳含量与大部分土壤理化性质密切相关，与土壤密度和pH值极显著负相关(P< 0.01)，与土壤全氮、全磷、水解氮、有效磷、速效钾等绝大多数因子极显著正相关(P< 0.01)(表3)。

表3 土壤有机碳含量与土壤理化因子间的Person相关系数①

①*：P< 0.05； **：P< 0.01.

4 讨论

4.1 土壤有机碳含量对短期施肥的响应

本研究中短期施肥导致毛竹林浅层土壤有机碳含量降低的原因是多方面的。首先，毛竹林施肥等集约经营措施虽在一定程度上增加了土壤碳源输入，但施肥过程对表层土壤有较大扰动，使土壤中微生物数量、土壤团聚体结构、酶种类及其活性均发生变化(徐江兵等， 2007； 毕明丽等， 2010； 刘恩科等， 2010； 钟晓兰等， 2015)，导致土壤有机质矿化增强，进而导致浅层土壤碳含量降低。其次，毛竹林施肥后年净生产力迅速提高，竹笋和成竹数量大幅增加，竹林密度显著增大(杜满义等， 2015)，为保持竹林合理密度，施肥毛竹林往往采取更高强度的采伐，这就更容易导致毛竹林结构破坏、表层土壤及有机质大量流失(徐秋芳等， 2003； 刘广路， 2009； 李翀等， 2015)。综上所述表明，寻找一种有利于减少表层土壤碳损失的包括施肥方式、采伐强度等措施的综合经营方案，是增强毛竹林固碳作用的有效途径，也是未来的研究方向。

本研究显示，毛竹林短期施肥可以增加深层土壤有机碳含量，且以施用5年有机肥提高幅度最大。目前关于有机物添加对深层土壤有机碳影响的结论并不一致。Sébastien 等(2007)指出新鲜有机物的加入会导致稳定的深层土壤有机碳分解速度加快； Wang等(2014)认为深层土壤有机碳处于稳定状态是由于缺乏新鲜碳源的输入，添加凋落物可以刺激深层土壤有机碳的矿化。这些研究均表明外源有机质的添加不利于深层有机碳的稳定和积累。相反，有些研究表明施肥能增加土壤微生物生物量碳(Bhattacharyyaetal., 2008)，显著改变土壤真菌结构(毕明丽等， 2010)，氮添加还可抑制有机碳矿化(Wangetal., 2014)。在我国黄土丘陵区植被恢复导致的有机物增加量大于分解量，最终使深层土壤截留更多的有机碳(王征等， 2010)。本次试验中毛竹林施肥后，尤其是施用5年有机肥的竹林，其深层土壤在未受到翻动干扰的情况下获得更多的碳源，其中氮肥的添加还可以抑制有机碳的矿化作用，最终表现为深层土壤有机碳含量会有小幅提高。对于施肥仅1年的竹林而言，施肥能否在短时间内影响深层土壤碳含量，深层土壤碳含量的小幅提高与施肥措施是否有直接关系，需要进一步研究。

4.2 施肥对土壤有机碳垂直分布的影响

本研究短期施肥虽然造成毛竹林浅层土壤(0～20 cm)有机碳含量降低和深层土壤有机碳含量增加，然而并未改变土层中有机碳含量随土层加深而降低的垂直分布规律(图2)，这与前人研究结果(田大伦等， 2011； 漆良华等， 2013； 李翀等， 2015)。主要是因毛竹的采伐剩余物、凋落物以及鞭根系统大都存于表层或浅层土壤，分解后形成的腐殖质在表层进行积累(周国模， 2006； 杜满义， 2013)。毛竹林土壤有机碳含量在深层更为稳定(图3)，主要是因土壤有机碳含量受扰动影响随土层加深而衰减，而且深层土壤的氧气含量降低不利于有机质分解。土壤中微生物活性和细菌数量均随土壤深度增加而减少，而施肥可以改变微生物的群落特征(李秀英等， 2005； 刘晓梅等， 2009)。因此，与深层土壤相比，浅层土壤中微生物群落更易受到施肥等经营措施的影响，从而影响到土壤有机质的分解和积累过程，导致浅层土壤有机碳变异更明显(刘延惠等， 2012)。与浅层土壤相比，深层土壤更少受到施肥、翻耕、挖笋、砍竹、除草等人为经营措施的干扰，凋落物和鞭根的不均匀分布以及环境温湿度变化对深层土壤的影响也显著小于浅层土壤，这些因素更利于深层土壤有机碳含量的稳定(Wangetal., 2014； 董莉茹， 2014)。

4.3 施肥对土壤有机碳季节动态的影响

毛竹林土壤剖面有机碳含量季节变化不显著，但呈现出秋冬季高于春夏季的趋势(图3)，与已有研究结果(高志勤等， 2006； 漆良华等， 2013)相似。在一定范围内，随温度和湿度上升，土壤有机质加速分解(Kirschbaum， 2000； Tangetal., 2015)，春夏季土层温湿度较秋冬季节高，必然导致土壤矿化作用较强，消耗更多有机质，相反秋冬季节土层温湿度低，根系生理代谢缓慢 (范少辉等， 2009； 陈红等， 2013)，微生物利用碳源较少，土壤有机质矿化作用较弱； 同时，每年8—9月份伐竹后初期竹根大量死亡，在很短时间内大量补充了土壤有机质； 伐竹也导致更多竹叶等凋落物补充土壤有机质(高志勤等， 2007)，因此秋冬季土壤剖面有机碳含量较高。由于土壤有机质含量季节变化并不显著，在毛竹林施肥结束一段时间后，取样季节对土壤有机质测定结果影响甚微。但是，对土壤中活性有机碳的季节动态变化，还需要进一步研究，因为活性有机碳对环境和经营措施的改变更敏感，能指示土壤有机质的早期变化(杜满义等， 2013)。

5 结论

施肥能显著提高毛竹林生产力，对0～100 cm土层土壤有机碳平均含量无显著影响，然而施肥过程和高强度采伐会破坏竹林结构，尤其是扰动表层土壤，导致浅层土壤有机碳含量显著下降，但深层土壤有机碳含量有小幅上升； 林地施肥未明显改变土壤有机碳含量的垂直分布规律； 林地施肥或不施肥情况下土壤剖面的有机碳含量均无显著季节变化。

建议在毛竹林经营时尽量减少土壤扰动，合理施肥，及时补充营养元素，适当挖笋与伐竹，使土壤有机碳含量保持较高水平，以利于维持毛竹林地长期生产力及其固碳功能。

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(责任编辑 于静娴)

Effects of Fertilization on Vertical Distribution and Seasonal Dynamics of Soil Organic Carbon inPhyllostachysedulisForests, Western Fujian Province

Du Manyi1,2Feng Huanying1,2Fan Shaohui1Su Wenhui1Mao Chao1Tang Xiaolu1Liu Guanglu1

(1.KeyLaboratoryofScienceandTechnologyofBambooandRattanofStateForestryAdministrationInternationalCentreforBambooandRattanBeijing100102; 2.NorthChinaForestryExperimentCenter,CAFBeijing102300)

【Objective】To reveal mechanisms of soil fertility enhacement in moso bamboo (Phyllostachysedulis) stands and to provide data for the estimation and simulation of carbon (C) balance in forest ecosystems, we investigated the effects of fertilization on spatial and temporal pattern of soil organic carbon (SOC) in the west of Fujian province. 【Method】 18 sample plots, in a size of 20 m × 20 m, were set in typical pure moso bamboo forest with good growth, using randomized block design in Tianbaoyan National Nature Reserve in Yong’an. Six treatments were applied, including 5-year applications of specialized fertilizer for bamboo (Ⅰ), formula fertilizer fused with nitrogen (N)-phosphorus (P)-potassium (K) (Ⅱ),organic fertilizer (Ⅲ), 1-year applications of specialized fertilizer for bamboo (Ⅳ), organic fertilizer (Ⅴ) ,and non-fertilization (Ⅵ). SOC contents under different fertilization treatments, soil depths and seasons were analyzed to reveal the vertical distribution and seasonal dynamics of SOC and its relationship with soil quality in moso bamboo forest. 【Result】 Fertilization had no significant effects on the average SOC content in 0-100 cm soil layer. However, fertilization treatments (Ⅰ-Ⅴ) significantly decreased the SOC content in 0-10 cm soil layer by 9.05%, 27.33%, 28.84%, 18.92%, 25.37% and in 10-20 cm layer by 1.25%, 23.68%, 23.47%, 20.48%, 18.61%, respectively, whereas SOC contents in 80-100 cm layer increased by 2.72%-37.14%, suggesting that fertilization exhibited positive effects on SOC content with soil depth. In addition, SOC content and its standard error decreased with soil depth, indicating that soil C in deep layer was more stable than that in top layer. No significant seasonal changes of SOC content in bamboo forests was observed, but the SOC concentrations in autumn and winter is slightly higher than that in spring and summer. Moreover, SOC content was significantly positively correlated with soil total N, total P, hydrolysis N, available P and available K，but significantly negatively correlated with soil bulk density and pH. 【Conclusion】Short-term fertilization had no significant effects on the average SOC content in the 0-100 cm soil layers and the vertical distribution pattern of SOC, but led to a significant decline of SOC in the top soil layers and a slightly increase of SOC in deep soil layer. Moreover, fertilization had no significant effects on the seasonal dynamics of SOC content, indicating that sample data was not a main determinant. Furthermore, SOC content was significantly correlated with soil total N, total P, hydrolysis N and other soil quality factors, demonstrating that minimized soil disturbance, timely and appropriate nutrient supplements, appropriate collection of bamboo shoots and cuttings of bamboo would help to maintain a high level of SOC content and long-term productivity.

Phyllostachysedulisforests; fertilization;soil organic carbon; vertical distribution;seasonal dynamics; western Fujian Province

10.11707/j.1001-7488.20170302

2016-01-04；

2017-02-21。

林业公益性行业科研专项(201404408)； 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CAFYBB2014QA036)。

S718.5

A

1001-7488(2017)03-0012-09

*刘广路为通讯作者。