不同松栎混交林土壤溶解性有机碳氮的差异分析

杨果果, 孔玉华, 赵佳宝, 冯志培, 范贝贝, 杨喜田

(河南农业大学 林学院, 郑州 450002)

不同松栎混交林土壤溶解性有机碳氮的差异分析

杨果果, 孔玉华, 赵佳宝, 冯志培, 范贝贝, 杨喜田

(河南农业大学 林学院, 郑州 450002)

为揭示北亚热带地区不同林分类型的土壤活性碳氮分布特征，在驻马店市南部山区选取4处具有代表性的松栎人工混交林为研究对象，对其0—20 cm土壤的溶解性有机碳(DOC)，溶解性有机氮(DON)等组分进行研究。结果表明：4种林型土壤DOC的含量为麻栎纯林>湿地松麻栎混交林>火炬松麻栎混交林>马尾松麻栎混交林，DON的含量为马尾松麻栎混交林>麻栎纯林>湿地松麻栎混交林>火炬松麻栎混交林，不同林分类型间整体上差异性显著(p<0.05)；在垂直剖面上，4种林型土壤DOC和DON均随土层深度的增加而显著性下降(p<0.05)。4种林分类型DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON分别以麻栎纯林、马尾松麻栎混交林、麻栎纯林最高，在垂直空间分布上，差异性整体上不显著。土壤DOC和DON与土壤含水率、土壤硬度、速效钾、全氮均呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)相关性。

麻栎; 溶解性有机碳; 溶解性有机氮; 混交林

溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)是非常活跃的有机碳组分[1]，占土壤有机碳的比例很少[2]，具有周转速率快、易分解、生物活性高等特征[3]。溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen，DON)是重要的土壤营养库，矿化和硝化速率较快[4]。土壤DOC和DON含量易受到土壤养分、土壤质量、地形、气候、植被类型等因素的影响[5-6]，其微弱的变化都可能会影响土壤DOC和DON的转化过程。Cookson[7]、Kemmitt[8]等研究发现土壤温度、水分、pH值等均对土壤DOC和DON的转化和消耗有影响。Qualls等[9]提出土壤DOC和DON主要来源于新进的凋落物，由此可见，林木的组成对土壤DOC和DON的来源和转化尤为重要，国内外关于林分类型和垂直剖面上土壤DOC和DON的分布、转化和积累等方面已经做了大量的研究工作，曾全超等[10]研究发现不同乔木林下土壤DOC和DON有不同程度的差异性，赵佳宝等[11]研究马尾松麻栎混交林时发现土壤养分、坡向、土层深度和胸高断面积对土壤DOC和DON含量有影响。但是关于北亚热带地区不同松栎混交林的土壤DOC和DON分布的差异研究还未见报道。

麻栎(Quercusacutissima)，壳斗科栎属，是优良的硬阔叶用材树种，具有生长迅速、耐干旱瘠薄和水土保持功能，是一种具有广阔的开发前景的能源树种[12]，麻栎在北亚热带地区分布广泛，是重要的森林资源，这一地区属于亚热带和暖温带的过渡区，对气候变化具有敏感性，关于北亚热带的麻栎混交林土壤DOC和DON积累和转化的研究变得尤为重要。本研究选择了驻马店南部低山丘陵区3处具有代表性的马尾松、湿地松、火炬松和麻栎的松栎人工混交林，以麻栎纯林为对照，进行研究4种林分类型土壤溶解性有机碳氮的差异，探讨人工林生态系统的土壤DOC和DON的转化和周转机理，以期为北亚热带地区松栎人工混交林地的土壤有机碳氮积累和土壤质量改善提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究地区概况

研究区位于河南省驻马店市确山县薄山林场和泌阳县马道林场，是桐柏山系余脉，地处东经113°23′—114°30′，北纬32°24′—32°45′。该区位于亚热带和暖温带的过渡区，属于大陆性季节气候，年平均降雨量约为850～960 mm，年平均气温约为15.1℃，日照时长约2 140 h，无霜期约为220 d。土壤以黄棕壤和黄褐土为主。主要植被为马尾松(Pinusmassoniana)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，麻栎(Quercusacutissima)，栓皮栎(Quercusvariabilis)，侧柏(Platycladusorientalis)，杨树(Populusspp)等，以及稀有树种湿地松(Pinuselliottii)，火炬松(Pinustaeda)等。

表1 研究区样地的基本概况

1.2 研究方法

1.2.1 样地选取 于2014年7月先后在研究区薄山林场和马道林场进行调查采样，为尽可能减少对森林资源的破坏，选取4处具有代表性的人工林样地作为研究对象，分别为马尾松麻栎混交林(马×麻)，湿地松麻栎混交林(湿×麻)，火炬松麻栎混交林(火×麻)以及麻栎纯林。样地选择坡面相对均匀、人为干扰较少、胸径处的年轮变化大致相同的区域，设置面积为20 m×20 m的样方。采用罗盘仪对选取过的样地进行测量，用每木检尺法逐一测定样方内林木(胸径≥2 cm)的胸径和树高，并记录调查样地的名称、海拔、经纬度、树高、坡度、坡向、胸径等信息(表1)。

1.2.2 土壤取样 在每1个人工林样地中所选择的20 m×20 m的样方内按照对角线设定3个取样点，样点间隔≥1 m，清理土壤表面的枯落物等杂质后，使用环刀取样法分别取0—10 cm，10—20 cm的土层，装入已记录好对应的采样编号、地点和深度的密封袋中，留测土壤中根系生物量；在环刀所取位置挖取剖面，每个剖面分为0—10 cm，10—20 cm的土层，每个土层取约1 kg的混合样品(四分法)另放入同上已记录好的密封袋中，带回实验室进行测定和分析。

1.2.3 分析方法 采用烘干法测定土壤含水量和根系密度，采用山中式土壤硬度计测定土壤硬度，采用环刀法测定土壤容重，用土壤粒径粒型测量系统测量(Mastersizer 2000，Malvern，英国)测定土壤颗粒组成，将土壤颗粒按粒径分为黏粒(0～0.002 mm)，粉粒(0.002～0.02 mm)，砂粒(0.02～2 mm)。土壤pH值采用酸度计进行测定，采用连续流动分析仪测量铵态氮、硝态氮、DOC和DON，土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法，土壤全氮测定采用半微量开氏法，采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定土壤中速效钾含量，采用盐酸—氟化铵提取钼锑抗比色法测定土壤中速效磷含量，采用碱解扩散法测定样品中碱解氮。

表2 研究区供试土壤的物理性质(平均值±标准差)

表3 研究区供试土壤的化学性质(平均值±标准差)

1.2.4 数据处理和分析 采用IBM SPSS Statistics 19.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)和检验不同松栎林分类型DOC，DON，DON/TN，DOC/SOC，DOC/DON的差异性，并用最小显著差异法(LSD)进行多重比较和对土壤溶解性有机碳氮与理化性质进行了相关性分析，采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤溶解性有机碳氮的分布

4种林型土壤DOC含量在77.09～131.89 mg/kg范围波动，常晨晖等[13]研究发现川西高山森林土壤DOC含量为33.1～448.2 mg/kg，和其他研究者结论一致。土壤DOC含量从大到小的顺序为麻栎纯林>湿地松麻栎混交林>火炬松麻栎混交林>马尾松麻栎混交林，在0—10 cm和10—20 cm混交林土壤中的DOC含量均显著(p<0.05)低于麻栎纯林，0—10 cm土层中湿地松麻栎混交林、马尾松麻栎混交林、火炬松麻栎混交林分别是麻栎纯林土壤DOC含量的79.85%，57.61%，63.72%；10—20 cm土层中湿地松麻栎混交林、马尾松麻栎混交林、火炬松麻栎混交林分别是麻栎纯林土壤DOC含量的82.51%，61.88%，58.45%。随着土层深度的增加，不同林型中DOC含量均呈显著下降趋势(p<0.05)，在湿地松麻栎混交林、马尾松麻栎混交林、火炬松麻栎混交林、麻栎纯林0—10 cm土层DOC含量分别比10—20 cm高出10.53%，6.34%，24.52%，14.22%。

土壤DON含量以马尾松麻栎混交林最高，高达11.36 mg/kg，在0—10 cm土层，以麻栎纯林最高，为12.9 mg/kg，在10—20 cm土层，以马尾松麻栎混交林最高，为11.09 mg/kg，湿地松麻栎混交林次之，为8.59 mg/kg。在0—10 cm和10—20 cm土层，火炬松麻栎混交林中土壤DON含量均是最低的。在Chen等[14]发现土壤溶解性有机氮含量的范围为5～45 mg /kg。随着土层深度的增加，不同林型中DON含量均呈显著下降趋势(p<0.05)，在湿地松麻栎混交林、马尾松麻栎混交林、火炬松麻栎混交林、麻栎纯林0—10 cm的DON含量分别比10—20 cm高出10.36%，4.99%，13.35%，63.64%，其中以麻栎纯林中土壤DON含量变化最为显著。

2.2 DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON的变化特征

4种林型土壤DOC/SOC以麻栎纯林土壤最高，为2.11‰，均高于松栎混交林，与火炬松麻栎混交林的差异性不显著。在不同林型中不同土层深度土壤DOC/SOC，除了火炬松麻栎混交林10—20 cm显著(p<0.05)高于0—10 cm，整体上以0—10 cm低于10—20 cm，其中麻栎混交林0—10 cm显著低于10—20 cm。土壤DON占TN的比例大小为38.18%～53.39%，其由大到小的顺序为马尾松麻栎混交林>麻栎纯林>湿地松麻栎混交林>火炬松麻栎混交林，其中，马尾松麻栎混交林DON/TN显著(p<0.05)高于其他林型，但不同土层深度土壤DON/TN的比值差异性均不显著。土壤溶解性有机碳氮比以马尾松麻栎混交林最低，其他林型整体上差异性不显著，不同土层深度以麻栎纯林差异最为显著，3种混交林的垂直分布上的DOC/DON差异性均不显著。

表4 4种林型DOC和DON的含量

注：字母区分不同处理的比较，不同大写字母表示同种林分类型不同土层深度数据的差异显著性(p<0.05)；不同小写字母表示同一土层深度不同林分类型数据的差异显著性(p<0.05)。

2.3 土壤溶解性有机碳氮与理化性质的相关性

通过分析研究区土壤溶解性有机碳氮与土壤理化性质之间的相关关系，可以看出：土壤DOC与土壤含水率、速效钾、全氮、有机碳、铵态氮均达成极显著水平(p<0.01)的正相关关系，与土壤硬度呈极显著水平(p<0.01)的负相关关系，与速效磷存在显著(p<0.05)的负相关性，姜培坤[15]，张彪[16]等研究发现：土壤DOC与土壤SOC、全氮、速效磷、速效钾、铵态氮含量有显著或极显著相关性。土壤DON与速效钾、全氮存在极显著水平(p<0.01)的正相关，与土壤含水率存在显著(p<0.05)正相关关系，和土壤硬度呈显著(p<0.05)负相关关系。王清奎[17]，李淑芬[18]等研究发现土壤DON与速效钾、全氮等存在显著或极显著的相关关系。

表5 土壤溶解性有机碳氮与理化性质的相关系数 (自由度n=23)

3 讨 论

不同的林分类型受到不同树种的自身生物学特征的影响，导致了林内的水分、温度、光照等环境和凋落物种类和数量的差异。本研究发现不同林型中的DOC含量差异性显著(p<0.05)，麻栎纯林和湿地松麻栎混交林的土壤DOC含量较高，造成这种差异原因有植被类型、土壤养分等因素，不同的林分类型中凋落物分解速率有差异[19]，从而影响到土壤DOC含量，一方面可能由于其土壤含水率较高(表2)，更有利于植物凋落物的分解，进而增加土壤DOC的含量；另一方面可能是其土壤SOC含量较高，为微生物提供了必需物质，促进微生物的生长[20]，加速土壤有机物的分解，进而影响土壤DOC的转化，研究也发现4种林型土壤DOC的含量变化和DOC/SOC变化规律基本一致(表4)，表明较高的土壤SOC，能促进土壤DOC的增加。相关性分析也表明了土壤DOC与土壤含水率、速效钾、全氮、有机碳、铵态氮均达成极显著水平(p<0.01)的正相关关系。本研究发现，不同林型中的DON含量差异性显著(p<0.05)，麻栎纯林和马尾松麻栎混交林的土壤DON含量较高，分析其原因首先可能是土壤DON受到土壤TN的影响，研究也发现4种林分类型DON/TN的变化和土壤DON的含量变化规律基本一致(表4)，表明较高的土壤TN，能促进土壤DON的转化。相关性分析也表明了土壤DON与TN、速效钾存在极显著水平(p<0.01)的正相关关系。其次土壤DON是植物和微生物直接利用的氮源，在氮循环过程中扮演着重要角色，说明土壤DON含量的变化与林木的生长关系密切。另外，4种林型土壤DOC/DON以马尾松麻栎混交林的比值最低，File[6]等提出土壤DOC/DON与有机质有关，土壤有机质较低，其DOC/DON也会降低，本研究中4种林型的土壤DOC/DON的比值与土壤有机质关系符合File的研究结果，而凋落物的质量和数量影响着土壤有机质的积累，从而可以推断不同林分类型的植被种类对土壤DOC和DON含量有影响。

本研究中在4种林型均出现表层的土壤DOC和DON含量显著(p<0.05)大于下层，汪伟等[21]在研究罗浮栲天然林土壤可溶性有机碳的剖面分布及季节变化时发现土壤DOC随着土层深度的增加而减少；沈玉芳等[22]研究黄土高原水蚀风蚀交错区施肥对黑麦草农田土壤水溶性有机碳、氮的影响时发现在0—20 cm土层的土壤DOC和DON含量均大于20—40 cm土层。主要原因：一是表层大量凋落物输入形成了枯枝落叶层，为土壤微生物生长提供了丰富的碳源和氮源,促进了土壤有机质的分解和转化[23]，增加土壤DOC和DON的来源[24]。二是由于表层土壤的水分充足、有机碳、全氮的含量均较高，通气性好，微生物活性比下层剧烈，从而有利于表层土壤DOC和DON的积累。以上进一步证明了凋落物层是土壤DOC和DON的重要来源。

4 结 论

通过不同松栎人工混交林0—20 cm土壤DOC和DON的分布特征的研究发现：4种林型土壤DOC和DON的含量大小顺序分别为麻栎纯林>湿地松麻栎混交林>火炬松麻栎混交林>马尾松麻栎混交林、麻栎混交林>麻栎纯林>湿地松麻栎混交林>火炬松麻栎混交林，且均随土层深度的增加而呈显著性下降趋势。土壤中DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON分别以麻栎纯林、马尾松麻栎混交林、麻栎纯林最高。土壤DOC和DON均土壤含水率、土壤硬度、速效钾、全氮等土壤理化性质均呈现不同程度的相关性，进一步证明了土壤DON和DOC变化与植被类型、土层深度及土壤理化性质关系密切。

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DifferencesofDissolvedOrganicCarbonandNitrogeninSoilsofFourMixedPine-OakPlantations

YANG Guoguo, KONG Yuhua, ZHAO Jiabao, FENG Zhipei, FAN Beibei, YANG Xitian

(CollegeofForestry,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

In order to reveal the distribution characteristics of soil active carbon and nitrogen in different forest types in the north subtropics, four typical representative mixed plantations of Pine andQuercusacutissimain the southern mountainous area of Zhumadian were selected, and the components of 0—20 cm soil layer such as dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON), and so on were studied. The experimental results showed that the detail contents of soil DOC in four forest sites decreased in the order: pureQuercusacutissima> mixedQuercusacutissimaand mongolica>mixedPinustaedaandQuercusacutissima>mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima, the contents of soil DOC decreased in the order: mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima>pureQuercusacutissima>mixedQuercusacutissimaand mongolica >mixedPinustaedaandQuercusacutissima, and the statistics differences between different forest types are significantly(p<0.05). In the vertical profile, the contents of soil DOC and DON for the four forest types decreased significantly with increase of soil depth (p<0.05). The max proportion of DOC/SOC, DON/TN, DOC/DON was found in pureQuercusacutissima, mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima, pureQuercusacutissima, respectively. There were no significant differences in the vertical spatial distribution, soil DOC and DON are significantly (p<0.05) or extremely significantly (p<0.01) related with soil water content, soil hardness, available potassium and total nitrogen.

Quercusacutissima; dissolved organic carbon; dissolved organic nitrogen; mixed forest

S714.2

A

1005-3409(2017)06-0079-05

2017-01-13

2017-02-10

国家自然科学基金面上项目“林木幼苗对切根的生理生态响应及根-冠互作机制”(31570613)

杨果果(1989—),女,河南永城人,硕士研究生,主要从事生态恢复的研究。E-mail:yangggeco@163.com

杨喜田(1965—),男,河南长垣人,博士,教授,主要从事生态恢复的研究。E-mail:xitianyang@aliyun.com