南亚热带不同红锥混交林土壤碳库稳定性与碳库管理指数变化

王仁杰，蒋 燚，王 勇＊，刘庭薇，唐靓茹，刘雄盛，黄荣林

(1. 广西壮族自治区林业科学研究院森林经营研究所，广西 南宁 530002；2. 中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004)

土壤碳库主要分为有机碳库和无机碳库，其中，前者所占比重较大，在森林生态系统碳库中占有重要地位，对土壤碳库具有深远影响[1]。土壤有机碳（SOC）是评价土壤质量状况的重要指标，但其含量变化缓慢，短期内不能快速灵敏的指示土壤碳库变化，而土壤活性有机碳组分易被分解利用，能够更灵敏地反映土壤管理措施和林分类型变化所引起的土壤碳库变化[2]。土壤活性有机碳通常用易氧化有机碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、溶解性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）4 个指标进行表征[3]。Lefroy 等[4]在土壤碳库研究的过程中结合土壤碳库指标和土壤中碳库活度两方面的内容，提出了碳库管理指数（CMI）概念，比较全面和动态地反映外界条件对土壤有机质的影响[4]，被广泛用于生态系统中土壤质量和碳库稳定性的评价[5]。人工林生态系统是全球碳循环的重要组成部分，研究表明，林型对人工林的碳库稳定性有显著影响[6]。我国南亚热带地区造林过程中，人工纯林所占比重较大，导致生态稳定性较差，土壤碳固存能力下降[7]。目前，人工混交林造林模式已逐渐成为趋势，研究不同林型人工林生态系统土壤有机碳组分特征对评价土壤质量和碳库稳定性，对筛选具有较强碳固存能力的优良造林模式，推进当地林业的可持续发展具有重要意义。

红锥（Castanopsis hystrixMiq.）作为南亚热带地区典型的珍贵乡土阔叶树种之一，其适应性强，材质优良、用途广泛，可作为用材林进行纯林种植，提高经济效益，亦可作为生态公益林混交造林树种，增加生态效益[8]。研究表明，与纯林相比，阔叶混交及针阔混交等混交模式通过充分的利用林地空间，改变林内小气候等方式，增加植被多样性，加强林地的土壤肥力[9]，促进林木生长，增加其总蓄积量与生物量[10]。目前，对红锥人工纯林和混交林的研究多集中在幼林生长状况[11]、植被多样性[12]以及林分碳储量[13]等方面，对土壤活性有机碳组分和碳库管理指数的研究鲜有报道。因此，本文以15 年生红锥人工纯林、红锥+湿地松（Pinus elliottiiEngelm.）人工混交林、红锥+火力楠（Michelia macclureiDandy）人工混交林、红锥+米老排（Mytilaria laosensisLec.）人工混交林为研究对象，探讨不同类型红锥混交林土壤有机碳组分及碳库稳定性的变化，以期为南亚热带不同红锥混交林碳平衡过程的评估和混交模式的筛选提供理论依据。

1 研究地概况

研究区为广西国有高峰林场界牌分场，地处南宁市兴宁区（108°07′～109°21′ E，22°50′～23°33′ N），地貌为低丘陵山地地带，平均海拔350 m，坡度18°左右；雨热同季，干湿分明；据武鸣气象站资料，年平均气温21℃左右，全年雨水充沛，年均降水量1 200～1 500 mm，主要集中于4－9 月，年均相对湿度81%；日照充沛，年日照总时数1 600 h左右，是典型的南亚热带季风湿润气候[14]。该地区土壤类型主要为沉积岩风化发育的赤红壤[15]。土壤厚度多为40～60 cm，土壤pH 为4.10，土壤容重为1.20 g·cm-3。

2 研究方法

2.1 试验设计

本研究以立地条件基本一致的15 年生红锥人工纯林(HC)、红锥+湿地松人工混交林(HS)、红锥+火力楠人工混交林(HH)、红锥+米老排人工混交林(HM)4 种林型为研究对象(表1)，于2018 年9 月分别在4 种林型中选择3 个面积为20 m×30 m 的固定样地，其林分密度为1 000 株·hm-2，混交比例为1:1，在每个样地坡上、坡中、坡下沿对角线选取3 个土壤剖面，将0～40 cm 土层按照0～20、20～40 cm 进行分层，用自封袋采集土样带回实验室测定，12 个样地共72 个样品。土样带回实验室去除根系等杂物，过2 mm 筛后将土壤分成2 份，1 份风干保存，用于土壤有机碳、活性碳的测定；另1 份放置4℃冰箱保存，用于土壤微生物量碳含量的测定，并以0～40 cm 土层的含量表示整体林分的含量。

表1 不同样地的基本概况Table 1 Basic situation of different sampling plots

2.2 测定及计算方法

土壤有机碳（SOC）采用浓硫酸重铬酸钾外加热法测定[16]，土壤易氧化有机碳（EOC）采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法测定[17]，土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法测定 ，土壤颗粒有机碳（POC）参考马和平等[19]提供的方法测定，土壤溶解性有机碳（DOC）用K2SO4溶液提取，红外监测仪器测定[20]。本文以红锥纯林土壤作为对照，采用Blair 等[21]提出的方法计算下列指标：

碳库活度（L）= 土壤活性有机碳含量/土壤非活性有机碳含量

碳库活度指数（LI）= 样品的碳库活度/参考土壤的碳库活度

碳库指数（CPI）= 样品总碳含量/参考土壤总碳含量

碳库管理指数（CMI）=CPI×LI× 100

2.3 数据处理

采用Excel 2016 进行试验数据统计，采用SPSS 19.0 对土壤碳组分和碳库管理指数进行方差分析（P＜ 0.05）和多重比较（采用邓肯氏新复极差法），对土壤活性有机碳与有机碳进行Pearson相关分析，采用SigmaPlot 14.0 作图。

3 结果分析

3.1 不同红锥混交林土壤有机碳含量

图1 表明：不同红锥混交林土壤有机碳（SOC）含量均随着土层深度的增加而显著降低（P＜ 0.05），而同一土层内不同林分土壤有机碳含量均表现为：HM ＞ HH ＞ HS ＞ HC。4 种林分类型中，0～40 cm 土层与0～20 cm 土层的变化趋势一致，在HS 和HC 间无显著差异（P＞ 0.05），其他林分间差异显著（P＜ 0.05）；20～40 cm 土层，HS 的SOC 含量显著大于HC（P＜ 0.05），HM 和HH 间无显著差异（P＞ 0.05）。在不同土层和不同林分类型中，HM 的SOC 含量均最高；0～20 cm 土层内HM 的SOC 比20～40 cm 土层内的增加了40%；0～20 cm 土层内HM 的SOC 含量比HC增加了53%，20～40 cm 土层内HM 的SOC 含量比HC 的增加了62%，0～40 cm 土层内HM 的SOC含量比HC 的增加了56%。

3.2 不同红锥混交林土壤活性有机碳含量

图2 表明：不同红锥混交林的4 种活性有机碳含量整体随着土层深度的增加而降低，在同一林分类型中土壤颗粒有机碳（POC）＞ 土壤易氧化有机碳（EOC）＞ 土壤溶解性有机碳（DOC）＞ 土壤微生物量碳（MBC）；同一土层不同林分类型中，除20～40 cm 土层的EOC 和DOC 外，其他均表现为：HM ＞ HH ＞ HS ＞ HC。同一林分类型中，0～20 cm 土层和20～40 cm 土层的EOC 差异不显著（P＞ 0.05），0～40 cm 土层的变化趋势表现为：HM 和HH 显著大于HC 和HS（P＜ 0.05）。不同林分类型的POC 在不同土层的变化均与0～40 cm 土层的POC 含量变化趋势基本相似；20～40 cm 土层的DOC 变化趋势表现为：HS ＞HH ＞ HC ＞ HM，且HS 显著大于其他3 种林分类型（P＜ 0.05），0 ～40 cm 土层的DOC 表现为HC 显著小于其他3 种林分类型（P＜ 0.05）；除0～20 cm 土 层HS 和HH 的MBC 差异不无显著（P＞ 0.05）外，不同林分类型间、不同土层间的MBC 均差异显著（P＜ 0.05）。

图1 不同红锥混交林土壤有机碳含量Fig. 1 The content of soil organic carbon of different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

3.3 不同红锥混交林土壤活性有机碳与有机碳的相关性分析

表2 表明：土壤SOC 与土壤EOC、POC、MBC间呈极显著正相关（P＜ 0.01），与DOC 呈显著正相关（P＜ 0.05）；土壤EOC 与土壤POC、DOC、MBC 呈显著正相关（P＜ 0.05）；土壤POC 与土壤DOC 相关性不显著（P＞ 0.05），与土壤MBC呈极显著正相关（P＜ 0.01）；土壤DOC 与MBC呈极显著正相关（P＜ 0.01）。

图2 不同红锥混交林土壤活性有机碳含量Fig. 2 The content of soil active organic carbon in different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

表2 不同红锥混交林土壤活性有机碳与有机碳的相关性Table 2 The relationship between soil active organic carbon and soil organic carbon of different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

表3 不同红锥混交林碳库管理指数的变化Table 3 The changes of carbon management index in different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

3.4 不同红锥混交林碳库管理指数的变化

以HC 土壤作为参照，对其他3 种红锥混交林的碳库管理指数（CMI）进行计算，结果（表3）表明：与对照相比，4 种林分类型碳库活度（L）、碳库指数（CPI）和碳库管理指数（CMI）在0～20 cm 土层内均表现为：HM ＞ HH ＞ HS ＞ HC，其中，4 种林分类型的L值差异不显著（P＞ 0.05），HS 和HC 间的CPI差异不显著（P＞ 0.05），其他林分间均差异显著（P＜ 0.05），HM 和HH 的CPI分别比HC 增加了53% 和29%，HM 的CMI显著大于其他3 种林分，比HC 增加了60.59%；在20～40 cm 土层内HC 的L值大于其他3 种林分，且HS 显著小于HC（P＜ 0.05），HM 和HH 的CPI显著大于其他2 种林分，HS 的CMI显著小于其他3 种林分，比HM降低了36.49%，比HC 降低了25.77%；在0～40 cm 土层内，4 种林分类型L值差异不显著性（P＞ 0.05），HM 的CPI和CMI显著大于对HS 和HC（P＜ 0.05），与HC 相比，分别高出了57.00%和40.20%。

4 讨论

4.1 不同红锥混交林土壤有机碳含量变化特征

森林生态系统中植被凋落物、根系分布及外界耕作措施等因素直接作用于表土，其分解产物不断被土壤固持和稀释，最终导致土壤表层有机碳（SOC）含量较高[22]。本研究表明，红锥纯林和3 种红锥混交林的SOC 含量随着土层深度的加深而逐渐减少，与杨-桤短期混交林地土壤养分的变化一致[23]。本研究中，0～40 cm 土层SOC 的含量代表了整个林分有机碳的水平，其结果表明：HM和HH 的阔叶混交模式其SOC 含量显著大于HS的针阔混交模式和HC，且红锥+米老排混交林（HM）的SOC 含量显著大于其他林分。森林中SOC 含量受到植被凋落物的输入量和分解速率等因素的影响[24]。红锥+湿地松的针阔混交模式(HS)中，SOC含量较低可能是由于针叶质地粗硬，纤维素含量高，表皮富被蜡质层，透水性能差[25]，导致其林分凋落物分解缓慢，减少了有机碳在土壤中的积累。研究表明，北亚热带地区木荷-青冈栎混交林土壤活性碳库高于杜英纯林[26]；中亚热带典型林研究区土壤有机质含量表现为：人工阔叶混交林 ＞ 人工针阔混交林 ＞ 人工阔叶纯林[27]；南亚热带地区人工纯林生态系统碳储量表现为：火力楠纯林 ＞ 米老排纯林 ＞ 红锥纯林 ＞ 马尾松纯林 ＞ 铁力木纯林，其中，红锥纯林碳储量处于中等水平，且米老排纯林、红锥纯林、马尾松纯林和铁力木纯林的土壤有机碳储量差异较小[28]。本研究中，土壤SOC 含量表现为：红锥人工阔叶混交林 ＞ 红锥人工针阔混交林 ＞ 红锥人工纯林，说明南亚热带地区红锥混交林，尤其是红锥人工阔叶混交林具有较强的土壤碳固存能力。

4.2 不同红锥混交林土壤活性有机碳含量变化特征

土壤活性有机碳主要来源于凋落物分解、土壤有机质水解、植物根系以及微生物群系的代谢产物[29]，对外部环境敏感性较强，对整个生态系统的碳循环具有重要作用 。本研究结果表明：4 种不同组分活性有机碳随着土层深度的增加逐渐减少，不同林分活性有机碳与有机碳的趋势也基本相似，与其有很好的正相关性，该结果表明土壤活性有机碳含量在很大程度上是由SOC 含量决定的，不同林分类型决定了有机质的输入量，从而影响到了土壤中SOC 的含量，而SOC 含量的高低决定了活性有机碳的含量[31]。前期研究表明，HM 和HH 的阔叶混交模式土壤有机碳、全氮含量、全磷含量和土壤微生物量碳、氮含量显著高于HS 和HC[32]，4 种不同活性有机碳的变化趋势与前期研究基本一致，表明不同林分内植物凋落物、土壤腐殖质及微生物群系的差异造成土壤肥力和土壤微生物量的不同，从而间接影响了土壤活性有机碳的含量。

在亚热带土壤中，由333 mmol·L-1KMnO4氧化而得的EOC 值可以作为土壤活性有机碳一个很好的评价指标[33]，但Vieira 等[34]指出，该指标在部分热带地区土壤中的响应并不敏感。本研究中，EOC 与SOC 及其他活性有机碳都呈显著或极显著相关，综合表明，在南亚热带红锥混交林中，EOC 值可以作为土壤活性有机碳很好的评价指标。土壤颗粒有机碳（POC）由与沙砾结合的植物残体和微生物体组成，该指标对SOC 的变化非常敏感[35-36]，Skjemstad 等[37]曾用POC 替代EOC 计算碳库管理指数（CMI）。在本研究中POC 与SOC 呈极显著正相关且相关系数达0.951，大于EOC 与SOC 的相关性，但与DOC 无显著相关，该结果表明POC比EOC 更敏感地反应了土壤有机质的动态变化，但能否用于计算CMI仍有待进一步验证。土壤溶解性有机碳（DOC）是地表植被及覆盖物淋溶，土壤根系分泌及微生物新陈代谢产物，对土壤有机碳浓度及土壤物理化学循环过程产生重要的影响[38]。研究表明，水土流失过程的差异性将影响土-水界面的物质交换过程[39]。本研究中，HS 内20～40 cm 土层中DOC 的含量显著大于其他3 种林分，最终对整个林分DOC 的含量产生重要影响，其原因可能是针阔混交林中针叶保水效果差，DOC 随径流、壤中流下渗速度快，从而导致林分下层土壤DOC 含量高于其他林分，其具体原因仍待进一步研究。土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳库中较为活跃的部分之一，在土壤碳循环中起重要作用，也是表征土壤生物肥力的重要指标[40]。本研究中，0～40 cm 土层，不同林分类型MBC 之间均呈显著差异且HM 的MBC 最高，MBC与SOC 的相关性仅次于POC 与SOC，且与POC、DOC、EOC 均呈显著或极显著正相关，表明MBC对其他组分活性有机碳密切相关，其活跃性大，HM 的土壤生物肥力最高。

4.3 不同红锥混交林土壤碳库管理指数特征

土壤有机碳库与全球碳循环密切相关, 其积累和分解直接影响全球的碳平衡[41]。土壤碳库活度（L）、碳库指数（CPI）和碳库管理指数（CMI）均反映了土壤有机碳库的质量，其值越大，碳库质量越高[42]，其中，L增加表示有机碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用，CPI和CMI的增加分别表示该林地土壤碳积累能力和碳库稳定性比参考土壤有所提升[43]。本研究结果表明，整个林分内，L无显著差异，CPI表现为混交林大于HC，阔叶混交显著大于针阔混交；整个林分内CMI表现为阔叶混交大于HC，针阔混交小于HC，但在0～20 cm土层中，混交林CMI都大于HC。该结果表明，红锥混交林同时提高了土壤活性碳含量和非活性碳的含量，而不同红锥混交林中土壤有机碳提升比例较大，导致土壤碳积累能力比红锥纯林高，但HS 的针阔混交模式碳库稳定性比红锥纯林有所下降，主要是由于其20～40 cm 土层内土壤活性有机碳严重下降造成的。综合三者的变化表明：与HC 相比，HM 的阔叶混交模式土壤碳库质量最高，更有利于碳循环和碳平衡。

5 结论

4 种林分类型土壤有机碳（SOC）及活性有机碳（EOC、POC、DOC、MBC）含量随着土层深度的增加而降低，有机碳与各组分活性有机碳密切相关，但与颗粒有机碳（POC）关系最密切；红锥阔叶混交林较红锥针阔混交林更有利于土壤有机碳积累，改善土壤质地，其有机碳含量和碳库活度（L）主要受表层（0～20 cm）土壤的影响，而碳库管理指数（CMI）主要受下层（20～40 cm）土壤的影响，且红锥+米老排（HM）的阔叶混交模式土壤碳库质量最高，在SOC 和EOC、POC、DOC、MBC 增加的同时，更有利于惰性碳的固存及碳库的稳定性。