更新方式对天山云杉林土壤碳氮的影响

王卫霞，杨 光，王振锡

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】碳、氮不仅是构成森林生态系统组分、维持养分循环的必需营养元素，也是重要的生态元素，其循环过程及其相互作用直接影响森林生态功能的发挥，森林作为全球碳、氮循环的重要组成部分，在维持碳、氮平衡方面做出贡献[1-3]。土壤碳、氮是陆地生态系统碳、氮循环过程中最大的碳、氮库。森林土壤系统碳、氮平衡是全球碳、氮循环中极为重要的组成部分，在全球的碳、氮循环中起着不可替代的作用，同时土壤系统中的碳、氮元素也是土壤养分的重要组成部分，不仅与土壤肥力相关，而且与土壤结构密切相关并影响土壤质量[4]。森林更新是一个重要的生态学过程，是森林生态系统动态研究的主要领域之一[5]。森林更新方式变化对土壤生态环境有重要的影响[6]，不同的林木更新方式可以通过改变地表植被类型进而改变土壤的理化性质，同时土壤植物根系及微生物的组成和活性等均会发生变化[7]，最终会影响土壤有机碳、氮源的输入，导致土壤有机碳、氮含量与分布的差异。土壤有机碳和全氮的含量与空间分布直接影响生态系统的生产力与温室气体的组成和含量[8]，而全球气候变化又会反作用于土壤碳、氮元素的迁移转化[1]。认识森林更新方式对土壤碳、氮分布的影响对于正确理解碳、氮的生物地球化学循环具有重要意义。【前人研究进展】已有的研究多集中在杉木林，杉木人工林砍伐后火烧炼山人工更新引起的水土流失、地力衰退等，有关杉木林采伐迹地火烧炼山后不同更新方式对土壤有机碳变化的研究也有相关报道[4, 7, 9-11]。徐桂林等[4]研究发现，湖南会同第1代杉木林采伐迹地经不同更新方式转变为第2代杉木林地后，土壤有机碳含量随土层深度增加呈指数函数下降趋势。福建老龄杉木林经人工更新和天然更新后土壤轻组有机碳的对比研究发现，人工更新林地土壤轻组有机碳含量显著下降[7,9]。【本研究切入点】天山云杉(Piceaschrenkiana)作为新疆山地森林中分布最广、蓄积量最大的森林生态树种，在山地森林水源涵养与水土保持及林区生态系统的形成和维护等方面起着主导作用[12-13]。森林更新是指森林主伐以后，为了保证木材源源不断的供应和防护效能的持续发挥，在其采伐迹地上借助自然力或人力迅速恢复森林的过程，更新方式包括天然更新、人工更新和人工促进天然更新。不同的森林更新方式会影响土壤碳、氮源的输入，进而影响林地土壤肥力和生产力。关于天山云杉林不同更新方式对土壤有机碳及氮含量的影响目前仍不清楚。研究新疆地区不同更新方式对天山云杉林土壤碳、氮的影响。【拟解决的关键问题】研究以天山云杉皆伐后不同更新方式下的林地土壤为研究对象，分析天山云杉不同更新方式对土壤有机碳及全氮的影响，为提高森林碳汇能力提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

野外调查研究区位于新疆农业大学实习林场，地处天山北麓中段的乌鲁木齐西南方向110 km，头屯河上游，北临准噶尔盆地，平均海拔约2 200 m，林场内年平均温度3℃，7月最高温度为15℃左右，1月最低温度为-10℃左右；年日照大于1 300 h，无霜期140 d。年降水量500～600 mm，年降水分布不均，春夏偏多，约占全年总降水量的70%左右。地势南高北低，坡度多在10～40°。森林主要分布在北坡、东北坡和西北坡，以天山云杉纯林为主，林下土壤为普通灰褐色森林土。林下植被主要有塔什克羊角芹(AegopodiumtadshikorumSchischk.)、珠芽蓼(PolygonumviviparumLinn.)、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia(Decne.) C. B. Clarke)、准噶尔繁缕(StellariasoongaricaRoshev.)和天山羽衣草(AlchemilatianschananicaJuz.)等[14-15]。

1.2 方 法

1.2.1 样地布设

2017年7～8月，采用典型样方法在新疆农业大学实习林场天山云杉林中设置样方进行调查。依据新疆农业大学实习林场历史记载资料及现地调查资料，选择本底条件(母岩、母质、土壤等)较为一致的样地，均为20世纪60年代初皆伐后不同的更新林地，主要包括皆伐后天然更新天山云杉林、皆伐后人工更新天山云杉林及皆伐后天然加人工更新天山云杉林；以Ⅷ级的老龄云杉林作为对照样地，系统研究不同更新方式林地土壤碳、氮含量及储量的差异，天山云杉林采伐迹地上不同更新方式会改变地表植被类型、林地环境条件及土壤特性等而导致不同更新方式下林地土壤有机碳含量的不同。

1.2.2 土壤样品采集

2017年7～8月，根据各林地的地形地势及小气候等微环境的特点，分别在皆伐后的天然更新林地、人工更新林地、天然加人工更新林地和Ⅷ级的老龄云杉林地各设置3个30 m ×30 m 样地，在每个样地内按照上坡、中坡和下坡各设3个采样点，共36个采样点。每个采样点均按0～10 cm、10～25 cm和25～75 cm分层采集土壤样品，然后把同一样地内上坡、中坡和下坡不同采样点的同一土层的土样混合均匀带回实验室自然风干，粉碎过筛后进行碳氮含量的测定分析，同时在采集土壤剖面样品时用100 cm3环刀取样，105℃下烘干至恒重，测定土壤容重。

1.2.3 土壤样品碳氮含量测定

土壤中的全氮含量取决于氮素输入与输出量的相对大小，森林的更新方式及土壤的管理会影响氮素的输入与输出。土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾—水合加热法[16]，全氮含量测定采用凯氏定氮法[17]。

1.2.4 土壤碳氮储量测算

土地利用方式对土壤氮的影响可以通过土壤氮储量来反映。由于不同更新方式对土壤氮含量存在一定差异，土壤氮储量也存在差异，各土层碳氮储量S(g/cm2)采用以容重BD(g/cm3)、C或N含量C(%)及土层厚度T(cm)进行计算，其计算公式为[18]：

S=BD×C× T.

1.3 数据处理

所有数据采用SPSS 18.0 和 Sigmaplot 10.0进行处理分析，采用单因素方差分析法和LSD多重比较法检验不同更新方式林分类型在同一土层土壤碳氮含量、碳氮储量的差异。

2 结果与分析

2.1 不同更新方式对土壤碳氮含量的影响

2.1.1 对土壤有机碳含量的影响

研究表明,不同更新方式下林地土壤有机碳含量在空间分布上存在显著差异，有机碳含量均随着土层加深呈逐渐下降的趋势。不同更新方式间差异主要在0～25 cm土层。与老龄云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤有机碳含量分别下降21.08、27.83和53.2 g/kg，下降幅度分别为18.57%、24.52%和46.87%，且与老龄云杉林差异均达到显著水平(P< 0.05)；10～25 cm土层分别比老龄云杉林下降9.09、13.88和13.83 g/kg，下降幅度分别为22.08%、33.72%和33.60%，且与老龄云杉林差异均达到显著水平(P< 0.05)，但人促更新林和人工更新林之间差异不显著(P< 0.05)。

不同更新方式对林地土壤有机碳含量影响程度不同，人工更新林土壤有机碳含量比天然更新林土壤下降的更为明显，不同更新方式之间以0～10 cm土层土壤有机碳含量差异最大，天然更新林比人促更新林和人工更新林分别高6.75和32.12 g/kg，且差异均达到显著水平(P< 0.05)；10～25 cm、25～75 cm土层，天然更新林土壤有机碳含量均显著高于人促更新林和人工更新林，但人促更新林和人工更新林之间差异未达到显著水平(P< 0.05)。表1

表1 不同林分土壤有机碳含量 Table 1 The concentration of SOC in different forests(g/kg)

研究表明,不同更新方式之间0～10 cm、10～25 cm土层土壤有机碳含量均达到显著差异水平(P< 0.05)，但25～75 cm土层土壤有机碳含量未达到显著水平(P>0.05)。不同更新方式对林地土壤表层有机碳产生了一定的影响，但对深层土壤有机碳含量影响相对较小。这和不同更新方式下土壤有机碳的输入和输出方式不同密切相关。表2

表2 林分不同土层有机碳含量单因素方差Table 2 One way ANOVA analysis of SOC content in soil layers

研究表明,不同的更新方式和土层深度均对土壤有机碳含量造成显著的差异(P< 0.05)，而两者的交互作用对土壤有机碳差异并不显著(P= 0.398)。更新方式和土层深度均对土壤有机碳含量具有一定的影响，但两者的交互作用对土壤有机碳含量几乎没有影响。表3

表3 不同更新方式(处理)和土层深度有机碳含量方差Table 3 Univariate analysis of variance between regeneration patterns (Treatment)and depth effects for SOC content

2.1.2 土壤全氮含量的影响

研究表明,不同更新方式下林地土壤全氮含量在空间分布上存在显著差异，全氮含量均随着土层加深呈逐渐下降的趋势。这和土壤有机碳含量的变化比较一致。不同更新方式间土壤全氮含量的差异主要在0～10 cm土层。与老龄云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤全氮含量分别下降0.44、0.71和0.98 g/kg，下降幅度分别为20.37%、32.87%和45.37%，且与老龄云杉林差异均达到显著水平(P< 0.05)。10～25 cm、25～75cm土层，不同更新方式间土壤全氮含量差异未达到显著水平(P> 0.05)。表4

表4 不同林分土壤全氮含量Table 4 The concentration of TN in different forests(g/kg)

研究表明,不同更新方式之间0～10 cm土层土壤全氮含量达到显著的差异水平(P< 0.05)，但10～25和25～75 cm土层土壤全氮含量均未达到显著水平(P> 0.05)。不同更新方式对林地土壤表层全氮产生了一定的影响，但对深层土壤全氮含量影响相对较小。表5

表5 林分不同土层全氮含量单因素方差Table 5 One way ANOVA analysis of TN content in soil layers

研究表明,不同的更新方式和土层深度均对土壤全氮含量造成显著的差异(P< 0.05)，且更新方式均方差远小于土层深度的均方差，而两者的交互作用并不显著(P= 0.079)。土层深度对土壤全氮含量的影响大于更新方式，而土层深度和更新方式的影响远大于两者的交互作用。表6

表6 不同更新方式(处理)和土层深度全氮含量方差Table 6 Univariate analysis of variance between regeneration patterns (Treatment)and depth effects for TN content

2.2 不同更新方式对土壤碳氮储量的影响

2.2.1 对土壤有机碳储量的影响

研究表明,更新方式对表层土壤有机碳储量影响较为显著。不同方式更新后，0～10和10～25 cm土层的土壤有机碳储量均有所下降，与老龄云杉林相比，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤有机碳储量分别下降了13.31%、23.43%和40.02%，10～25 cm土层土壤有机碳储量则分别下降了17.30%、28.30%和28.80%，且与老龄云杉林相比差异均达到显著水平(P< 0.05)。

不同更新方式对林地土壤有机碳储量的影响不同，75 cm深土壤有机碳储量的大小顺序依次为天然更新林>人促更新林>人工更新林，不同方式更新后，天然更新林比人促更新林和人工更新林土壤有机碳储量分别高23.47%和35.04%。图1

注：不同小写字母表示同一土层不同更新方式间差异显著(P < 0.05)

2.2.2 对土壤氮储量的影响

研究表明,更新方式对表层土壤氮储量影响较为显著。与老龄云杉林相比，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤有机氮储量分别下降了19.03%、28.76%和38.29%，且与老龄云杉林相比差异均达到显著水平(P< 0.05)。

不同更新方式对林地土壤氮储量的影响不同，老龄云杉林0～75 cm土层内土壤氮储量分别是天然更新林、人促更新林、人工更新林的1.02、1.22和1.33倍，森林更新显著降低了森林氮储量，但是不同方式更新后，天然更新林比人促更新林、人工更新林土壤氮储量分别高19.55%和30.59%，且差异均达到显著水平(P< 0.05)，天然更新方式更有利于土壤氮的固定。图2

注：不同小写字母表示同一土层不同更新方式间差异显著(P < 0.05)

3 讨 论

土壤有机碳含量是森林生态系统在特定条件下的动态平衡结果，土壤有机碳主要来自于动植物和微生物等的残体、排泄物和分泌物等，而且土壤有机碳含量始终处于不断分解与合成的动态变化过程中[19]，其储量的大小受气候条件、植被类型、土壤特性及其土壤上的经营实践与人为活动等的控制[11]。有研究发现森林采伐收获后，土壤有机碳含量一直处于下降状态[20-21]，不同的更新方式改变了植被类型和林地的外界环境条件以及土壤的特性等，进而引起土壤碳含量的差异。杨玉盛等[22]通过对福建格氏栲天然林及其采伐迹地上营造的人工林土壤有机碳的研究发现，天然林改建为人工林后，土壤有机碳含量及储量均显著下降，其中表层(0～10 cm)土壤有机碳含量的变化最大，研究者认为这和土壤受皆伐、整地等营林措施的干扰影响密切相关。周艳翔等[11]对亚热带地区更新方式对杉木人工林土壤碳库质量的影响研究发现，老龄杉木林砍伐更新为人工更新林和天然更新林均导致土壤有机碳含量下降。

研究中，与老龄云杉林相比，天然更新林、人促更新林和人工更新林土壤中0～75 cm土层有机碳含量和储量均有不同程度的下降，而不同更新方式下林地土壤有机碳含量均随着土层加深呈逐渐下降的趋势。这主要是由于地上枯枝落叶和地下植物根系的分解所形成的有机碳首先进入土壤表层，使得表层土壤有机碳含量显著高于深层土壤。另外随着土层厚度的加深，土壤中分布的植物根系越来越少，腐殖质含量相对表层土壤大幅减少，因此，土壤有机碳含量沿着土层垂直方向越往下越少[23-24]。也有研究表明，由于大量死根的腐解归还为土壤提供了丰富的碳源[25]，因此，植物根系的分布会直接影响土壤有机碳的垂直分布。研究中,不同更新方式对林地土壤有机碳含量和储量影响程度不同，人促更新林和人工更新林的土壤有机碳含量和储量比天然更新林土壤下降的更为明显。这主要是由于森林的采伐及更新方式改变了地表的植被类型，从而影响了林地有机碳的输入和输出的数量[11]。人促更新林和人工更新林经过人为的经营管理措施以后，对土壤形成一定的扰动，造成土壤有机碳的损失，而采用天然更新的林地，每年有枯枝落叶覆盖地表使得林地未完全裸露，具有保水保肥的功效，同时养分及有机碳可以通过枯枝落叶的不断分解逐渐归还到林地中，相对于人促更新林和人工更新林，林地有机碳含量和储量下降较少。

在土壤-植物系统中，氮素在动植物及微生物体、土壤有机质与土壤矿物质的各个分室中迁移转化，氮是调节生态系统结构和功能的关键元素[26]，而且土壤中的有效氮很容易迁移，土地利用方式的变化常常会引起土壤氮循环格局的不同，进而影响整个生态系统的稳定性和可持续性[27]。土壤中的全氮含量取决于氮素输入和输出量的相对大小，森林的更新方式及人为的经营管理措施会影响氮素的输入与输出。研究中不同更新方式下林地土壤全氮含量均随着土层加深呈逐渐下降的趋势。这和土壤有机碳含量的变化比较一致。主要原因可能是土壤氮含量受降雨、动植物残体、枯枝落叶和植物根系及微生物的分解作用等多因素的影响，地上的枯枝落叶与地下植物根系的分解所形成的养分元素首先进入土壤表层，从而使得表层土壤养分含量会显著高于深层土壤。不同更新方式间土壤全氮含量的差异主要在0～10 cm土层。与老龄云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤全氮含量及储量均表现为下降趋势，且与老龄云杉林差异均达到显著水平(P< 0.05)。可能是由于不同的更新方式改变了地表植被类型及土壤的理化性质，从而使土壤中的植物根系分布及微生物的组成和活性等均发生变化，最终导致分解后通过淋溶作用进入土壤层氮素的量产生差异[7, 28]。

研究中不同更新方式同一土层土壤有机碳、全氮含量的方差分析结果显示，不同更新方式之间0～10 cm土层土壤有机碳、全氮含量均达到显著的差异水平(P< 0.05)，但25～75 cm土层土壤有机碳、全氮含量未达到显著水平(P> 0.05)。不同更新方式对林地土壤表层有机碳、全氮含量产生了一定的影响，但对深层土壤影响相对较小。不同更新方式和土层深度对土壤有机碳、全氮含量的方差分析结果显示，不同的更新方式和土层深度均对土壤有机碳、全氮含量造成显著的差异(P< 0.05)，而两者的交互作用对土壤有机碳、全氮差异并不显著(P> 0.05)。更新方式和土层深度均对土壤有机碳、全氮含量具有一定的影响，但两者的交互作用对其几乎没有影响。这和徐桂林等[4]对湖南会同杉木林地不同更新方式和土层深度对土壤碳氮含量影响的方差分析结果较为一致。

4 结 论

不同更新方式对天山云杉林土壤碳氮含量的影响程度不同，林地土壤有机碳及全氮含量在空间分布上均表现为随着土层加深呈逐渐下降的趋势。不同更新方式对土壤有机碳含量的影响差异主要体现0～25 cm土层，与老龄云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤有机碳含量分别下降21.08、27.83和53.2 g/kg；10～25 cm土层分别下降9.09、13.88和13.83 g/kg，且均与老龄云杉林差异达到显著水平(P< 0.05)。而不同更新方式对土壤全氮含量的影响差异则主要体现在0～10 cm土层，与老龄云杉林相比，更新后，天然更新林、人促更新林和人工更新林0～10 cm土层土壤全氮含量分别下降0.44、0.71和0.98 g/kg，且与老龄云杉林差异均达到显著水平(P< 0.05)。人工更新林土壤碳氮含量均比天然更新林土壤下降的更为明显，而表层土壤反映最为敏感，下降最快。

更新方式对表层(0～10 cm)土壤有机碳储量及氮储量均有显著影响，且与老龄云杉林相比，不同的更新方式使土壤有机碳储量及氮储量存在不同程度的下降，但不同方式更新后，天然更新林比人促更新林和人工更新林土壤有机碳储量分别高23.47%和35.04%；氮储量则分别高19.55%和30.59%，且差异均达到显著水平(P< 0.05)，天然更新方式更有利于土壤碳氮的固定。