土壤碳矿化对西双版纳热带森林恢复演替的响应

左倩倩，王邵军，陈闽昆，曹润，王平，曹乾斌，赵爽，杨波

西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224

陆地生态系统大约有 60%的碳储存在森林土壤中（Davidson et al.，2006），森林土壤有机碳矿化过程中碳释放的微小变化能够显著影响大气CO2浓度及全球碳平衡（Lefevre et al.，2014）。因此，森林土壤有机碳矿化是全球变化研究中的重要组成部分。土壤有机碳矿化是一个由碳/氮含量、温度与水分、动物及微生物等土壤生物和非生物因素共同作用的微生物生态学过程。土壤有机碳矿化对森林类型、土壤养分、植被类型等因素改变的响应极其敏感，在不同森林群落类型间存在较大的时空差异。目前有关土壤有机碳矿化的研究，主要集中于亚热带及温带森林、不同土地利用方式、不同外源碳添加、不同温度及含水量培养条件的影响研究（Tian et al.，2015；El-naggar et al.，2015）。然而，关于热带森林恢复演替对土壤碳矿化时空动态影响的研究，却十分缺乏（Milcu et al.，2011）。森林恢复演替是一个由植被与土壤协同作用的过程，不同森林恢复阶段必然形成不同的土壤物理环境（如温度、湿度）与化学环境（pH及碳、氮等养分），可能显著影响到土壤有机碳的积累与矿化的生物生态学过程（王红等，2017），导致不同森林样地土壤有机碳矿化存在差异。因此，研究森林恢复演替进程中土壤有机碳矿化的时空动态特征，具有重要的科学意义。

西双版纳是中国热带雨林集中分布的重要区域，由于地处热带生物区系向亚热带生物区系过渡的生物地理群落交错带上（朱华等，2015），生态系统脆弱。同时由于刀耕火种等农业活动对热带雨林的破坏，形成了大面积处于不同恢复阶段的次生热带森林类型，必然影响到土壤有机碳矿化的时空变化。本研究以西双版纳3种不同恢复阶段热带森林群落为研究对象，研究热带森林恢复过程中土壤碳矿化速率的时空变化，揭示热带森林恢复过程中土壤微生物及理化性质变化对土壤碳矿化动态的影响，试图探明土壤碳矿化对热带森林恢复演替响应的方向与程度，有助于正确理解热带森林恢复对土壤碳循环影响的过程与机制。

1 材料与方法

1.1 样地概况

研究区位于西双版纳中国科学院热带植物园（21°55′N、101°16′E），属于季风气候，年均气温21.5 ℃，年均降雨量1557 mm。一年中分干、湿两季，湿季为每年的5—10月，降水量为1335 mm；干季为每年的11—4月，降水量仅有202 mm，只占年降雨量的13%。植被类型为热带雨林和季雨林。

在西双版纳中国科学院热带森林植物园实验区内，选择有代表性的3个处于不同次生恢复阶段热带森林群落为研究样地，样地间隔 100—800 m左右。样地基本情况如下：

白背桐（Mallotus paniculatus，MP）群落，恢复年限约12年，海拔600 m，盖度60%左右，覆盖枯枝落叶 1—2 cm；样地主要树种为白背桐（M.paniculatus）、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、粉被金合欢（Acacia pruinescens）、丰花草（Borreria stricta）、椴叶山麻秆（Alchornea tiliifolia）等。

崖豆藤（Mellettia leptobotrya，ML）群落，恢复年限约42年，海拔568 m，盖度90%左右，覆盖枯枝落叶4—5 cm；样地主要树种为思茅崖豆（M.leptobotrya）、滇南九节（Psychotria henryi）、猪肚木（Canthium horridum）、锈毛鱼藤（Derris ferruginea）、椴叶山麻秆（A.tiliifolia）、刚莠竹（Microstegium ciliatum）、钝叶金合欢（Acacia megaladena）等。

高檐蒲桃（Syzygium oblatum，SO）群落，恢复年限约53年，海拔619 m，盖度95%左右，覆盖枯枝落叶 6—7 cm；样地主要树种为高檐蒲桃（S.oblatum）、崖豆藤（M.leptobotrya）、印度栲（Castanopsis indica）、鸡嗉子榕（Ficus semicordata）、南山花（Prismatomeris connata）、云南黄杞（Engelhardia spicata）、红豆蔻（Alpinia galanga）、黑风藤（Fissistigma polyanthum）等。

1.2 土壤取样

于2017年3、6、9、12月，在不同恢复阶段的3个实验样地中，按3点法分别随机选取3个样方（40 m×40 m，相距25 m），在每个样方内随机选择布设3个样点，小心除去地表凋落物后，按0—5、5—10、10—15 cm分层破坏性采集土壤，将每个样方相同土层土壤混合均匀，采用四分法取1 kg左右土样，土样装入做好标记的自封袋带回实验室过2 mm筛后剔除残体和植物根系，用于室内培养实验和土壤理化性质测定。

1.3 土壤有机碳矿化速率测定

把每个恢复样地内的土样按0—5、5—10、10—15 cm分层混匀后形成土壤样品，每个样品称取过2 mm筛的新鲜土样50 g于1000 mL广口瓶中，每个样品3次重复，广口瓶放入装有20 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液的小瓶吸收释放的CO2，在25 ℃恒温培养箱内培养7 d后，取出广口瓶中的碱液加入2 mL 1·mol·L-1的 BaCl2，滴 2—3 滴酚酞指示剂，用 0.05 mol·L-1的HCL浓度滴定至红色消失，计算7 d土壤有机碳矿化的总量然后换算成日均土壤碳矿化速率（He et al.，2013；吴建国等，2004）。

1.4 土壤基本理化性质测定

土壤pH采用电位法，土壤有机质采用油浴加热-重铬酸钾氧化法，土壤微生物生物量碳采用氯仿水浴法（李少辉等，2019），易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法，全氮采用扩散法，水解性氮采用碱解扩散法，铵氮采用氧化镁浸提扩散法，硝氮采用酚二磺酸比色法（张哲等，2019a）。

1.5 数据处理与分析

用SPSS 23.0进行统计分析，数据分析前进行正态性及方差齐性检验，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同数据之间的差异性；采用三因素方差分析比较不同土层、不同月份、不同恢复阶段（白背桐群落、崖豆藤群落、高檐蒲桃群落）土壤有机碳矿化速率间的差异；相关性分析运用Pearson法；土壤理化指标与土壤有机碳矿化速率的关系用Canoco 4.5 for Windows多元统计分析。使用Excel制表和作图。

2 结果与分析

2.1 不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率比较

不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率（4个月3个土层均值）差异显著（图1，P＜0.05）。从图1可以看出，不同次生恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率表现为高檐蒲桃群落（19.09 mg·kg-1·d-1）＞崖豆藤群落（16.93 mg·kg-1·d-1）＞白背桐群落（15.35 mg·kg-1·d-1），这表明相对于恢复初期（白背桐群落），崖豆藤群落和高檐蒲桃群落分别提高了10.3%和24.4%。因此，西双版纳热带森林恢复演替能够提高土壤有机碳矿化速率。

2.2 不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率的时空动态

图1 不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率的均值比较Fig. 1 Comparison for mean values of soil organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

图2 不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率时间动态Fig. 2 Temporal dynamics of soil organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

对不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率（3个土层均值）随月份的变化进行观测（图2），3种热带森林土壤有机碳矿化速率的月动态均呈“单峰型”变化趋势，即 6月土壤有机碳矿化速率最高，高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率(20.81±0.35) mg·kg-1·d-1显著高于白背桐群落(17.36±0.48) mg·kg-1·d-1和崖豆藤群落(19.04±0.35) mg·kg-1·d-1；12 月土壤有机碳矿化速率最低，高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率(17.96±0.31) mg·kg-1·d-1显著高于白背桐群落(14.15±0.30) mg·kg-1·d-1和崖豆藤群落(15.50±0.24) mg·kg-1·d-1。不同月份土壤有机碳矿化速率均表现为随恢复演替进程有逐渐增大的趋势。

研究区白背桐群落、崖豆藤群落和高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率（4个月均值）随土层的加深呈现出不同幅度的降低（图 3），具有明显的表聚特征，取样土层对土壤有机碳矿化速率变化均有显著影响（图 3，P＜0.05）。在同一土层，不同恢复阶段森林土壤有机碳矿化速率均为高檐蒲桃群落＞崖豆藤群落＞白背桐群落。其中0—5 cm土层，高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率分别是白背桐群落和崖豆藤群落的1.23倍和1.13倍；5—10 cm土层，高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率分别是白背桐群落和崖豆藤群落的1.22倍和1.11倍；10—15 cm土层，高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率分别是白背桐群落和崖豆藤群落的1.29倍和1.15倍。三因素方差分析表明（表 1），恢复阶段、月份及土层均对土壤有机碳矿化速率呈极显著的影响（P＜0.01），且三者间还存在着两两交互及三因素交互影响（P＜0.05）。

图3 不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率垂直变化Fig. 3 Vertical variations of soil organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

表1 土壤有机碳矿化速率三因素（恢复阶段、月份和土层）的方差分析Table 1 Three-way (restoration stage, month and soil layers) analysis for the variance in soil organic carbon mineralization rate

2.3 土壤有机碳矿化与土壤理化性质的关系

研究区不同恢复年限对热带森林群落土壤理化性质存在影响，但对不同理化性质的影响存在一定的差异（表 2）。相比于恢复时间较短的白背桐群落来说，恢复年限显著增加崖豆藤群落和高檐蒲桃群落的土壤微生物生物量碳、土壤有机质、易氧化有机碳、全氮、水解氮、硝氮含量和铵氮含量，降低土壤pH值；但是pH、铵氮在白背桐群落与崖豆藤群落之间的差异不显著（P＞0.05）。

对土壤有机碳矿化速率与土壤环境因子进行相关性分析，结果表明，不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率与微生物生物量碳、土壤有机质、易氧化有机碳、水解氮、全氮及硝氮均呈极显著正相关（表 3，P＜0.01），白背桐群落、高檐蒲桃群落土壤有机碳矿化速率与pH均呈负相关，崖豆藤群落土壤有机碳矿化速率与pH呈正相关，总的来说，3种不同恢复阶段森林土壤有机碳矿化速率与土壤pH相关性不显著。

主成分分析结果表明，第一坐标轴对土壤有机碳矿化速率贡献率最大（96.3%），第二坐标轴的贡献率（3.3%）较小。同时从箭头夹角来看，土壤微生物生物量碳、土壤易氧化有机碳与土壤有机碳矿化速率间夹角较小（图 4），说明土壤微生物生物量碳与易氧化有机碳是土壤有机碳矿化的主控因子，土壤有机质、全氮、水解氮、硝氮、铵氮对土壤有机碳矿化速率的贡献率次之（图 4）。按箭头夹角来看，森林土壤理化性质对碳矿化影响存在样地差异性。在白背桐群落中，土壤pH对土壤有机碳矿化有负作用；崖豆藤群落中，易氧化有机碳、水解氮、铵氮与硝氮是土壤碳矿化的主要影响因素；高檐蒲桃群落中，土壤有机质、微生物生物量碳、易氧化有机碳与全氮是土壤有机碳矿化最主要的决定因素。

图4 不同恢复阶段热带森林土壤理化性质对土壤有机碳矿化速率影响的主成分分析（PCA）Fig. 4 Principal component analysis (PCA) for the effect of soil physicochemical properties on organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

3 讨论

3.1 热带森林恢复演替对有机碳矿化速率时空变化的影响

热带森林恢复进程显著影响土壤有机碳矿化。土壤有机碳矿化速率随热带森林恢复演替逐渐增大，这主要是由于土壤有机碳矿化量易受植被覆盖、地上与地下物质输入及土壤理化环境的影响（张玲等，2017）。土壤有机碳矿化能够敏感反映环境变化，作为恢复初期的白背桐群落，群落结构简单，根系及凋落物输入较少，土壤养分缺乏，微生物供应能源不足，导致土壤碳矿化累积量较低；处于恢复后期的高檐蒲桃群落，其生态结构复杂、地表植被多样、土壤养分丰富，促进土壤微生物对土壤有机碳的矿化。目前关于森林恢复对土壤有机碳矿化的影响存在一定的不确定性。一些研究发现森林恢复演替过程中土壤有机碳矿化表现为先降低而后增加（Thuille et al.，2006）、先增加后降低（Pastor et al.，1986）或随演替进程无显著变化（Taylor et al.，2007）。另外，不同研究中森林土壤碳矿化速率变幅也有不同，本研究中热带森林土壤碳矿化速率变幅为 12.87—22.97 mg·kg-1·d-1，高于中亚热带森林土壤碳矿化速率（4.8—13.2 mg·kg-1·d-1）的变幅（赵本嘉等，2015）。这可能与本研究区高温高湿的热带环境密切相关。

表2 不同恢复阶段热带森林土壤理化性质比较Table 2 Comparison of soil physicochemical properties across the different recovery stages of tropical forests

表3 土壤有机碳矿化速率与土壤理化性质的相关系数Table 3 Correlation coefficient between soil organic carbon mineralization rate and soil physicochemical properties

不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化具有类似的时间变化。3种热带森林土壤碳矿化速率均表现为6月最高，12月最低，这与微生物生物量碳、有机质、易氧化有机碳等土壤养分含量的时间变化一致，说明这些土壤因素随月份变动对土壤有机碳矿化产生显著影响。本研究区6月降雨量较大、气温较高，土壤环境有利于碳、氮养分含量的增加，为土壤微生物的增长提供充足的营养，从而促进土壤有机碳的矿化。12月干旱低温的微生境导致土壤有机碳矿化速率的急剧降低。这种变化规律与王清奎等（2007）在常绿阔叶林与杉木林中的研究结果一致，即夏季较高，冬季较低。但也有研究得出不同结论，小兴安岭两种森林土壤有机碳矿化速率表现为春季土壤碳矿化速率最高，随季节的进行，土壤碳矿化速率逐渐减小（高菲等，2016）。这可能与土壤有机碳及微生境等因素的差异密切相关。但3种不同恢复阶段土壤有机碳矿化速率月份最大值和最小值之间的变异程度存在差异，其中恢复初期和中期土壤有机碳矿化速率变异程度较大，而处于恢复后期的高檐蒲桃群落变化较小。这说明不同恢复阶段植物与土壤性质的差异显著影响土壤有机碳矿化，马少杰等（2010）的研究也得出了类似结论。

热带森林不同恢复演替阶段土壤有机碳矿化速率的垂直变化，均表现为随土层的加深逐渐减小，主要是由于土壤表层微生物易于存活且数量较多，利于土壤有机碳的矿化（朱丽琴等，2017；陈仕奇等，2019）。3种恢复阶段土壤有机碳矿化速率的垂直变化幅度随演替年限的增加大致呈减小趋势，造成这种变化趋势的原因可能是不同恢复阶段热带森林具有不同的植被覆盖度及多样性，显著影响植被对土壤有机质的输入（Wang et al.，2016）和微生物的活动，且恢复后期生态系统趋于复杂与稳定，土层变化对土壤有机碳矿化影响减弱（张俊华，2004）。这表明热带森林恢复演替对土壤有机碳矿化的垂直变化具有一定的影响。

3.2 热带森林恢复过程土壤微生物生物量碳的变化对有机碳矿化速率的影响

土壤微生物生物量碳含量随热带森林恢复的进程逐渐增大，且土壤有机碳矿化速率随微生物生物量碳的增加而增大。这与Anderson et al.（1989）、Dimsaai et al.（2014）的研究结果一致，说明土壤有机碳矿化受土壤微生物生物量碳的显著影响。土壤有机碳矿化是一个由微生物参与的有机碳分解与转化过程，土壤微生物生物量碳作为表征土壤微生物群落组成与数量大小的重要指标，在很大程度上决定了土壤有机碳的矿化速率。而不同种类群落的地面覆盖物、微环境、根系分布状况及动植物残体都会影响土壤微生物生物量碳含量，进而显著影响微生物的活性状况（曹润等，2019；刘振花等，2009），从而导致土壤有机碳矿化速率的变化。本研究中处于热带森林演替后期的高檐蒲桃群落，群落结构趋于复杂，物种多样，凋落物的类型、数量丰富，植物根系的可分解底物较多，营养归还土壤的能力强，利于微生物的生长与活动，最终促进土壤有机碳矿化。相对而言，演替年限较短的白背桐群落和崖豆藤群落，结构相对较简单、地上与地下凋落物输入数量较少、有机质含量较低、土壤养分不足，不利于微生物生物量碳含量的累积，限制土壤微生物的生命活动，从而导致较低的土壤有机碳矿化速率。

3.3 热带森林恢复过程土壤理化性质的变化对有机碳矿化速率的影响

本研究表明，西双版纳热带森林恢复演替进程中，土壤C、N养分含量逐渐增加。随着恢复演替年限的增加，植被覆盖度与地上部分生物量增加，引起地上枯枝落叶和地下腐根输入增加、腐殖质含量提高。这不仅提高了土壤C、N养分含量，而且能够刺激土壤微生物的生长和发育，促进土壤有机碳循环（梁月明等，2010）。另外，随着热带森林土壤恢复年限的增加，土壤 pH有所降低但差异不明显，pH降低可能促进土壤微生物活动及其参与的养分循环过程。有学者对喀斯特地区植被恢复的研究也得出了相同结论（司彬等，2008）。因此，热带森林恢复演替显著影响土壤理化性质，进而可能直接或间接导致土壤有机碳矿化速率的显著变化。

西双版纳热带森林不同恢复演替土壤有机碳矿化速率均与土壤有机质、全氮、铵氮、硝氮、水解氮有显著正相关关系。热带森林恢复显著提高C、N养分含量，从而对土壤有机碳矿化产生显著影响（Fang et al.，2005），其影响存在样地差异性。恢复后期的高檐蒲桃群落土壤C、N养分含量高于崖豆藤群落和白背桐群落，与土壤有机碳矿化的变化一致（王丹等，2013；高菲等，2016；Khamzina et al.，2016）。一方面是植物能充分利用氮素形成生物量造成可矿化碳的累积量增加，同时这也表明氮素可能影响土壤有机碳的含量（Iqbal et al.，2009）；另一方面不同热带森林群落具有不同种类和数量的凋落物，显著影响微生物的活性和数量，影响其分解能力和循环过程（Thiessen et al.，2013），进而影响土壤有机碳矿化速率。Wei et al.（2013）认为，土壤C、N养分含量的增加能够对土壤酶活性、微生物种类及活性、代谢速率等产生影响，促进土壤有机碳的矿化。因此，不同恢复阶段C、N养分含量的差异，导致不同群落土壤碳矿化的差异性，也正符合这一结论。

土壤易氧化有机碳含量随热带森林恢复演替进程而逐渐增加，进而提高土壤有机碳矿化速率。森林土壤易氧化有机碳在一定程度上反映了土壤有机碳库的组成与大小，土壤易氧化有机碳是一种具有生物活性的稳定碳组分，极易被土壤微生物分解与转化，因此，土壤易氧化有机碳含量能够间接影响土壤有机碳的矿化速率（董扬红等，2015）。随着恢复演替的进行，植被群落结构趋于稳定，地表凋落物和地下根系周转加快，同时根系分泌物增加，提高了可矿化有机碳底物数量，从而导致土壤易氧化有机碳含量的增加，最终加快土壤微生物对土壤有机碳的矿化（张哲等，2019b；朱小叶等，2019）。

随着热带森林群落恢复演替的进行，土壤 pH不断下降，且与土壤有机碳矿化速率呈负相关，土壤pH主要通过影响土壤微生物活性来影响有机碳的矿化，从而加快或减弱土壤有机碳矿化速率。本研究中pH未能对土壤有机碳矿化速率产生显著影响，这与李春哲（2018）的研究结果类似。但也有研究表明，pH与土壤有机碳矿化呈显著负相关，能够严重制约土壤有机碳矿化速率（杜满义等，2017）。表明pH对土壤有机碳矿化速率的影响存在一定的不确定性，可能与不同研究区域的气候类型、样地类型、微生物数量及土壤养分状况等因素的异质性密切相关。

4 结论

西双版纳热带森林群落恢复过程中土壤有机碳矿化速率具有显著的时空变化，它能够敏感地反映热带森林群落恢复过程中植被与土壤环境的微小变化。土壤微生物生物量碳与易氧化有机碳含量随热带森林恢复进程的变化逐渐增大，是影响土壤有机碳矿化时空变化的主控因子，而土壤有机质、全氮、水解氮、铵氮及硝氮的变化对土壤碳矿化速率的影响次之。西双版纳热带森林恢复演替主要通过影响土壤微生物及土壤养分状况进而调控土壤有机碳矿化的时空变化。研究结果有助于理解热带森林恢复演替过程中土壤碳循环特征及其影响机制，能够为准确评估热带森林恢复对全球气候变化响应的性质、强度及过程提供数据与理论参考。