天然次生林改造成香榧林对土壤活性有机碳的影响

张雨洁，王斌，李正才，黄盛怡，原雅楠，秦一心

中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400

土壤是陆地生态系统的核心，森林土壤有机碳作为陆地碳库的重要组成部分，在全球碳循环中发挥着极其重要的作用，森林土壤有机碳的动态变化与大气CO2浓度的变化密切相关（Duan et al.，2015；Zhong et al.，2015），而土地利用方式的改变在引起植被覆盖类型与经营管理措施变化的同时，对土壤有机碳库也产生显著的影响（Zhou et al.，2015；Ouyang et al.，2015）。构成土壤有机碳的组分多种多样，它们在化学组成、降解与转化速率方面存在一定的差异，从而对土地利用方式变化、人类活动干扰的响应也存在较大差异（Jiang et al.，2006；Huang et al.，2008）。土壤总有机碳较为稳定，在短期内不容易发生明显的变化，而土壤活性有机碳对外界环境变化的响应较为敏感和迅速，能更好地反映土壤碳库的微小变化（Huang et al.，2008；肖鹏等，2012）。因此，对不同土地利用方式下的不同形态碳的研究具有重要的理论意义和实践价值。

林业生产中，由于经济林可以带来较高的经济效益，很多地方习惯将天然林改造为经济林。关于森林植被类型变化对土壤有机碳及其组分的影响，目前有一些研究，但结论不尽相同。肖鹏等（2012）研究发现，常绿落叶林改造成雷竹（Phyllostachys violascens cv. Prevernalis）林并经营8年后，土壤有机碳和活性有机碳组分含量显著增加；岳天等（2016a）研究表明，将天然林改为板栗（Castanea mollissima）林并集约经营10年后，土壤有机碳储量和各活性有机碳组分含量均有所下降；Nath et al.（2018）研究发现，34年生的橡胶（Hevea brasiliensis）人工林土壤有机碳储量低于天然林。

在浙江绍兴会稽山区，由于香榧（Torreya grandis）的经济价值极高，近几年该区域不少天然次生林被改造成了香榧林。香榧林是一种人类长期集约经营的森林类型，强烈的人类经营活动在显著改变区域植被类型的同时，森林土壤性状也随之发生变化，但目前人们对这种变化的认知还比较有限。森林植被类型的改变加上人类活动的影响，必然对林地土壤有机碳的积累、循环和平衡产生重要影响，而土壤有机碳数量与质量又直接影响土壤肥力（岳天，2016；蒋溢等，2017）。目前关于香榧的研究主要集中于林地养分状况调查（黄媛媛，2016）、施肥对香榧生长及果实的影响（赵燕等，2015）等方面，而有关天然次生林改造成香榧林后土壤碳库发生变化方面的研究少有报道。因此，本研究采集本底条件基本一致、土地利用史清晰的天然次生林和 40年生香榧林土壤，分析了两种林分土壤有机碳相关组分的含量变化，以期为该地区香榧林的可持续经营与土壤固碳能力的提高提供科学参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验地概况

研究地位于浙江省诸暨市赵家镇的香榧国家森林公园（119°53′－120°32′E，29°21′－29°59′N），该地区属于亚热带季风气候，四季分明，雨水丰沛，日照充足，年平均气温 16.3 ℃，年平均降水量约1373.6 mm，年平均日照时数约1887.6 h。研究区属于低山丘陵地貌，土壤类型为红壤。现存天然次生林乔木树种以木荷（Schima superba）、青冈（Cyclobalanopsis glauca）为主，平均树龄30－40 a，郁闭度为80%。研究地现有的结实香榧树主要分为两类，一类是历史上种植保留至今的古香榧树，树龄大都在百年以上；另一类是20世纪70－80年代新种植的香榧树（造林方法为：将天然次生林皆伐，清除地表植被，劈山整地，然后挖穴，栽植穴规格长1 m×宽1 m×深1 m，造林密度为4 m×5 m），树龄约40－50 a。造林后每年对香榧树采取施有机肥、翻耕和去除林下植被等一系列管理措施。肥料用量如下：复合肥（N∶P∶K=15%∶15%∶15%）0.7 kg·m-2，有机肥（禽畜粪便和稻草混合物）7.5 kg·m-2。不同林分土壤的基本性质见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 取样和测定方法

2017年9月，在研究区内选择40年生的香榧树5株，对所选样株进行土样采集，在离开样本树100 cm处随机选取5个点挖取土壤剖面，按0－20、20－40、40－60 cm，3个层次采集土壤样品。同时，在与之相邻的天然次生林地内选择20 m×20 m的样地5个，按照S型取样法采取各样地0－20、20－40、40－60 cm土层土壤。将土壤放入袋中，去掉其中的可见植物根系、残体和碎石，带回实验室自然风干，之后过0.15 mm筛用于土壤总有机碳（TOC）的测定，过0.25 mm筛用于易氧化碳（ROC）、全氮（TN）的测定，过2 mm筛用于轻组有机质（LFOM）、水解性氮（HN）、速效钾（AK）、有效磷（AP）交换性钙（Ca）和交换性镁（Mg）的测定。

土壤总有机碳测定采用重铬酸钾外加热法（国家林业局，1999）；易氧化碳测定采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法（沈宏等，2000）；轻组有机质测定采用1.7 g·mL-1碘化钠重液分离法（Janzen et al.，1992）。土壤养分测定采用常规方法（鲁如坤，2000）：全氮，凯氏定氮法；水解性氮，碱解扩散法；速效钾，乙酸浸提法；有效磷，碳酸氢钠法。

1.2.2 统计分析方法

运用Excel 2016和SPSS 22.0统计分析软件进行图表绘制和数据处理分析。采用t检验分析香榧林与次生林同一土层的土壤总有机碳、易氧化碳、轻组有机质的差异显著性，对土壤总有机碳、易氧化碳、轻组有机质和土壤养分进行相关性分析（Pearson检验）。

式中，AR为土壤易氧化碳碳素有效率（%）；LC 为土壤活性碳（g·kg-1）；TOC 为总有机碳（g·kg-1）。

式中，AC为碳库活度；LC为土壤活性碳（g·kg-1）；RC 为非活性有机碳（g·kg-1）；TOC 为总有机碳（g·kg-1）。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型土壤有机碳库的比较

由表2可知，天然次生林0－60 cm的各层土壤总有机碳含量均高于香榧林，增幅分别为37.3%、85.6%和102.0%，差异均达到显著水平（P＜0.05），其中20－40 cm和40－60 cm土层差异达到极显著水平（P＜0.01）。次生林改造成香榧林后，0－20 cm土层土壤易氧化碳含量增加了 56.6%，20－40 cm和40－60 cm土层土壤易氧化碳含量均有所降低，变化幅度为-35.4%和-29.3%。与次生林相比，香榧林土壤轻组有机质含量发生了明显的改变，0－20 cm土层土壤轻组有机质含量增加了31.5%，但差异不显著，20－40 cm和40－60 cm土层土壤轻组有机质含量分别增加了155.5%和184.8%，结果差异均显著（P＜0.05）。

表1 不同林分土壤的基本性质Table 1 Basic soil properties of different forest stands

表2 不同林分土壤有机碳含量Table 2 Soil organic carbon content of different forests g·kg-1

土壤剖面特征显示，两种林地的土壤总有机碳、易氧化碳、轻组有机质含量均随土层深度的增加而下降，其中，香榧林20－40 cm和40－60 cm土层总有机碳含量分别下降了55.8%和49.5%，次生林20－40 cm和40－60 cm土层总有机碳含量分别下降了40.3%和45.0%，两种林地各层土壤均达到极显著差异（P＜0.01）；香榧林的易氧化碳含量在20－40 cm土层下降幅度最大，降幅为68.1%，次生林的易氧化碳含量在40－60 cm土层显著降低，降幅为61.3%；香榧林和次生林的轻组有机质含量均在20－40 cm土层显著下降，降幅分别为34.7%和66.4%。

2.2 不同林分类型土壤碳素有效率及碳库活度的差异

由表3可知，香榧林0－20 cm土层土壤易氧化碳碳素有效率与碳库活度较次生林高出 123.2%和 169.2%，达到显著差异（P＜0.05）。随着土层加深，两种林分易氧化碳碳素有效率均有规律地下降；香榧林的碳库活度整体也呈现下降趋势，而次生林的碳库活度在20－40 cm土层最高。

2.3 土壤有机碳和土壤养分间的相关分析

对土壤有机碳和土壤养分进行相关分析，从结果可以看出（表4），土壤总有机碳、易氧化碳、轻组有机质与全氮和水解性氮之间的相关性均达到极显著水平（P＜0.01）；总有机碳与速效钾、有效磷、交换性钙和交换性镁之间的相关性较差；易氧化碳与有效磷达到极显著相关（P＜0.01），与交换性钙和交换性镁显著相关（P＜0.05）；轻组有机质与速效钾、有效磷、交换性钙和交换性镁之间的相关性均达到极显著水平（P＜0.01）。

表3 不同林分土壤活性碳碳素有效率及碳库活度Table 3 Availability of different soil organic carbon and activity of C pool for different forests

表4 土壤有机碳与土壤养分的相关性Table 4 Correlation between soil organic carbon and soil nutrients

3 结论与讨论

3.1 讨论

土壤有机碳是土壤质量的重要指标，其含量变化对土壤肥力水平和作物产量具有直接影响（徐明岗等，2006）。土壤有机碳主要来源于植被凋落物、动植物残体、根系分泌物和有机肥料（Liu et al.，2009；唐国勇等，2011；杨玲等，2013），因此受到气候、植被覆盖和土地管理措施等多种因素的综合影响（展争艳等，2005）。本研究中，次生林土壤总有机碳含量高于香榧林，增加幅度随土层的加深而加大，这是因为次生林林分郁闭度较高，并且林下植被丰富，故凋落物数量和根系分泌物较多，而香榧树长期进行人工抚育清除树下灌木草本，能够回归到土壤中的凋落物数量有限，虽然香榧树的集约经营向土壤中输送了大量的有机肥，但翻耕地表易促进土壤有机质的分解与转化（马少杰等，2011）。本研究结果与 Fernández-Romero et al.（2014）和殷有等（2018）的研究结果一致，说明天然次生林更有利于土壤有机碳的积累。

土壤易氧化碳是土壤微生物活动的重要能源，可直接向作物提供养分，具有有效性较高、移动较快、易氧化的特点，能更好地反映土壤有机碳的有效性（Blair et al.，1995；苏丽丽等，2016）。本研究中，香榧林表层土壤易氧化碳含量高于次生林，与肖鹏等（2012）研究结果一致，这可能是因为香榧林地表撒施有机肥和复合肥，并且翻耕地表土壤，使得肥料与土壤充分接触，加速了肥料的分解利用（柳敏等，2006），从而促进了土壤表层活性有机碳含量的增加，使得表层土壤易氧化碳含量有所提升。

土壤轻组有机质主要由未完全分解的植物残体和微生物残体组成（谢锦升等，2008），具有较高的潜在生物学活性，作为土壤中不稳定碳库的重要组成部分，其含量变化可以作为表征土壤肥力变化的指标（刘荣杰等，2012）。本研究中，香榧林地表撒施的大量有机肥（牲畜粪便与稻草的混合物）大大增加了轻组有机质的来源，从而使得香榧林土壤轻组有机质含量明显高于次生林，与Nahrawi et al.（2012）的研究结果一致；但也有研究表明天然次生林的土壤易氧化碳和轻组有机质含量高于人工林（盛浩等，2015），不同地区的结果差异说明土壤活性有机碳对土地利用变化的响应存在一定的不确定性和区域差异（孙伟军等，2013）。另外，采样季节的不同也可能造成研究结果的差异，如杨玲等（2013）对新疆干旱区绿洲棉田的研究结果表明，土壤总有机碳含量在棉花播种前较低，花铃期有所增加，至收获期达到最大值，而土壤易氧化碳含量在棉花播种前较低，花铃期达到最大值，而在收获期明显降低。本研究中，虽然土壤易氧化碳、轻组有机质与土壤总有机碳呈现显著或极显著相关，但它们的含量在两种林分间的分布规律与土壤总有机碳表现不一致，主要是因为活性有机碳含量除依赖总有机碳含量外，还取决于林地自身微环境，包括凋落物量、根系状况及土壤理化性质等，并且容易受到林地管理措施的影响（朱丽琴等，2017）。

本研究两种林分的总有机碳、易氧化碳和轻组有机质的剖面特征相似，均随土层深度的增加呈下降趋势，但香榧林土壤易氧化碳含量的剖面特征不同于土壤总有机碳，在40－60 cm土层下降最为显著，可见人为经营对香榧林土壤易氧化碳含量的剖面特征具有一定影响。

土壤易氧化碳占总有机碳的比例可以表征土壤有机碳的稳定性，反映土壤质量，土壤碳库活度可以指示活性有机碳的活跃程度，两者数值越大，说明土壤总有机碳活性越强，越容易被分解（徐明岗等，2006；林宝珠等，2013）。本研究中，香榧林易氧化碳碳素有效率和碳库活度均高于次生林，且均在表层土壤差异显著，说明天然次生林转变为香榧林后土壤有机碳的稳定性降低，原因可能是香榧树下地表翻耕，使得表层土壤通气状况良好，从而提高了土壤中的微生物活性，加速了活性碳的氧化过程，提高了易氧化碳的含量（杨玲等，2013）。

本研究中，土壤总有机碳与易氧化碳和轻组有机质之间呈显著的正相关关系，因此，易氧化碳和轻组有机质可以准确反映土壤碳的供应变化情况（曹丽花等，2011），三者与全氮、水解性氮之间的相关性均高于与其他土壤养分的相关性，说明氮元素与土壤有机碳的关系更为密切。速效钾、有效磷和交换性钙镁与易氧化碳、轻组有机质之间的相关性均达到显著或极显著水平，而与土壤总有机碳之间的相关性较差，与于荣（2001）的研究结果一致，进一步证明活性有机碳在指示土壤肥力变化时比总有机碳更灵敏，更能反映土壤化学性质，衡量土壤潜在生产力。

3.2 结论

综上所述，天然次生林改造成香榧林对土壤有机碳的影响是双面的：一方面，天然次生林林改造成香榧林后，由于长期施肥和翻耕，土壤矿化作用加强，不利于土壤有机碳的积累；另一方面，与天然林相比，由于香榧林施肥和土壤表层翻耕，导致土壤活性有机碳含量提高，降低了土壤活性碳的稳定性。因此，为促进香榧林的可持续经营，建议在今后香榧林的人为管理方面，采用免耕、保留林下植被以及合理有效施肥等方式以提升香榧林土壤的有机碳储量。