经营模式对栎类次生林土壤有机碳和氮磷的影响

欧赜瑜,彭 珍,王媛媛,张溪丹,饶 冯,谢沛霖,万 盼

(西北农林科技大学 林学院,陕西 杨凌 712100)

森林土壤的碳储量是森林生态系统中最大的碳库,约占森林生态系统的44%,是陆地植被碳储量的3倍,其中有机碳库是其最主要的组成部分。由于森林土壤有机碳库巨大的存量,其微小的变化将显著改变大气 CO2浓度,对全球气候产生影响[1-5]。此外,土壤中有机碳(SOC)是重要的生命元素,与氮(N)、磷(P)元素一同供给植物的生长,三者之间的化学计量特征可以反映土壤养分循环过程和耦合机制[6-8]。因此,研究森林土壤有机碳、氮、磷的分布及化学计量特征对于研究林分养分循环及供给机制有着重要的意义。也对认识土壤碳库的平衡机理和预测全球气候变化意义重大[9-11]。

栎类天然林是我国北方最重要的森林类型之一,在秦岭林区广泛分布,具有多种生态功能[12]。然而,由于历史上长期的破坏和不合理利用,形成了多代萌生的次生林,生态系统的多样性及稳定性下滑,固碳能力下降[13]。因此,亟需采取科学的经营来提高森林生态系统的恢复速度和质量,恢复其生态效益。森林经营模式是生物群落中采用的一种开发实践。近自然经营(Close-to-Natural Forest Management,CNFM)﹑结构化经营(Structure-Based Forest Management,SBFM)和次生林综合培育(Secondary Forest Comprehensive Silvicuture,SFCS)为主要的经营模式,近年来在我国被广泛推广[14-15]。近自然经营以培育大径级目标树为目的,对影响目标树生长的干扰树实施间伐,强调森林的稳定性,进而发挥其生态效益[16]；结构化经营量化和发展了德国近自然森林经营方法,以培育健康森林为目标,是通过结构参数(角尺度、大小比数、拥挤度、混交度)对林分空间结构进行优化的间伐,使森林达到健康、稳定、永续的状态,是21世纪以来我国首创的森林经营方法[17]；次生林综合培育是以采伐大径级林木而减少密度的间伐,经营中不考虑树种组成和林分结构,在西北天然次生林中被广泛应用[18]。近年来,我国很多专家、学者对上述3种经营模式进行了对比研究[18-20],但研究主要集中于林分地上部分,包括林分生长、林分结构﹑生物多样性等方面,对林分土壤性质的研究较少,关于3种经营模如何影响林分土壤养分分布及生态化学计量特征,目前的研究还未涉及。

本文以秦岭西段小陇山自然保护区锐齿栎天然林为研究对象,研究3种经营模式(CNFM,SBFM,SFCS)实施8年的土壤SOC,全氮(TN)和全磷(TP)的分布及化学计量特征,并以未经营(UC)作为对照。本研究的目的:1)分析不同经营模式下土壤养分含量及其分布特征；2)探讨不同经营模式各层土壤养分化学计量差异及变化规律；3)阐明不同经营模式土壤养分之间的相互关系,以及影响土壤SOC变化的主导因素。研究结果有助于深入了解不同经营模式实施后土壤主要养分的变化及其耦合关系,从而为我国西北地区天然栎类次生林经营模式的科学选择提供参考。

1 研究区概况

研究区为甘肃天水小陇山自然保护区百花林场大干子沟。小陇山自然保护区位于甘肃省东南部,秦岭西段,地理坐标为33°31′～34°41′N,104°23′～106°43′E,海拔700～2 500m。该区处在暖温带向北亚热带过渡地带,兼有我国南北气候特点,大多数地域属暖温湿润-中温半湿润大陆性季风气候,年平均气温7～12℃,极端最高气温39.2℃,极端最低气温-23.2℃,年降水量600～900mm,主要集中于7—9月,年蒸发量989～1 658mm,相对湿度68%～78%,年日照时长 1 520～2 313h,无霜期130～220d。区内秦岭以北的地带性土壤为灰褐土,以南为黄褐土,垂直分布比较明显[21]。植被主要是以锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)为主的高度自然化栎类天然次生林,有辽东栎(Quercusliaotungensis)、华山松(Pinusarmandii)和山核桃(Caryacathayensis)等30多个树种[22]。

2 研究方法

2.1 样地设置

2013年,在甘肃小陇山百花林场大干子沟锐齿栎天然林3号小班试验地内,设置16块具有类似坡度、坡向、海拔及土壤类型(山地灰褐土)的20m×20m样地；基于林分状态特征,通过完全随机优化设计得到小区排列方案,进而保证林分起始状态差异最小,具体方法参见文献[23]。在2013年冬季,在A1—A4样地中实施CNFM,B1—B4样地中实施SBFM,D1—D4样地中实施SFCS,C1—C4样地不进行经营,作为对照(UC)。2021年春季,以16块样地作为土壤采集样地,其基本信息如表1所示。

表1 样地基本情况

2.2 土样采集及测定

在每个样地中设置2m的缓冲区,在缓冲区内的实验样地中,采用“S”型,选取5个土壤采集点(16个样地共选择80个采样点)。在采样点上,先除去表层凋落物,再用口径约为4.5cm的土钻进行分层取样,取0～10cm,10～20cm和20～30cm层土壤,将每个样地的5个取样点的各层土样分别制成混合样品,即16个样地共收集48个混合样品(4种经营模式各3土层,4重复),放入自封袋,置于便携式保温箱中带回实验室,用于分析测定土壤有机碳、全氮和全磷。

土壤有机碳(SOC)使用SSM-5000A有机碳固体分析仪(岛津TOC-5000),采用直接进样的分析方式,基于非色散红外法测定；土壤全氮使用K1100全自动凯氏定氮仪,将样品放入消化管中,加入浓硫酸,消化冷却后测定；土壤全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法,先将样品熔融,加入钼锑抗显色剂,经显色、比色后测定[24-25]。

2.3 数据分析

使用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0整理分析数据。其中,栎类天然次生土壤SOC,TN,TP,C∶N,C∶P及N∶P进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD),对比其差异的显著性,使用Pearson相关性分析土壤SOC,TN和TP的相关性。采用Origin 2017作图。

3 结果与分析

3 .1 土壤SOC TN和TP含量差异及分布规律

SBFM,CNFM和SFCS的0～30cm土壤SOC与UC(21.65g/kg)相比分别高13.75%、低12%和低15%,其中SBFM显著高于CNFM和SFCS(P<0.05)(图1)。各土层SOC均表现为SBFM>UC>CNFM>SFCS。此外,土壤SOC均呈现随深度增加而下降的趋势,0～10cm表土层SOC均显著高于其它土层(P<0.05)(图2)。土壤TN与SOC含量及分布类似,SBFM,CNFM和SFCS的0～30cm土壤TN含量与UC(5.67g/kg)相比,分别高0.24%,低23.95%和低27.68%,CNFM和SFCS显著低于SBFM和UC(P<0.05)(图1)。土壤TN垂直变化规律与土壤SOC一致(图2)。SBFM,CNFM和SFCS的0～30cm土壤TP与UC(1.13g/kg)相比,分别高37.30%、高20.05%和低10.65%,其中SBFM和CNFM显著高于SFCS和UC(P<0.05)(图1),且在20～30cm土层更为明显。虽然不同经营模式下各土层之间的TP含量均无显著差异(P>0.05),但SFCS和UC土壤TP垂直变化呈现下降的趋势,而SBFM和CNFM呈现先降后升的规律(图2)。

注:不同大写字母表示不同经营模式间差异显著(p<0.05)。

注:同一经营模式不同小写字母表示不同土层间差异显著(P <0.05)；同一土层不同大写字母表示不同经营模式间差异显著(P<0.05)。

3.2 土壤SOC TN和TP化学计量差异及变化规律

SFCS,CNFM和SBFM的0～30 cm土壤C∶N均高于UC(13.02),3者之间无显著差异(P>0.05)。0～10cm表层土中CNFM和SBFM显著高于UC(P<0.05)(图3)。同时,SBFM和CNFM各土层之间的C∶N均无显著差异(P>0.05),SFCS和UC土壤0～10cm表层土C∶N显著低于其他土层(P<0.05)(图4)。SBFM,CNFM和SFCS的0～30 cm土壤C∶P和N∶P均低于UC(65.08,4.77),其中SBFM和CNFM土壤C∶P和N∶P均显著低于UC(P<0.05)(图3)。同时,土壤C∶P和N∶P均随土壤深度增加而降低,其中0～10 cm土壤显著高于其他土层(P<0.05)(图4)。

注:不同大写字母表示不同经营模式间差异显著(p<0.05)。

注:同一经营模式不同小写字母表示不同土层间差异显著(P <0.05),同一土层不同大写字母表示不同经营模式间差异显著(P<0.05)。

3.3 土壤SOC TN和TP之间的相关性及回归分析

根据pearson双变量相关分析(表2),3种经营模式及UC的土壤SOC和TN之间均存在极显著的正相关性(P<0.01),其余养分因子之间相关性不显著(P>0.05)。SFCS土壤养分因子之间均存在极显著地正相关关系(P<0.01)。此外,由回归分析可见,SFCS土壤SOC变化受TN,TP两个自变量影响,其它经营模式土壤SOC变化只由TN主导(表3)。

表2 栎类天然次生林土壤有机碳 全氮 和全磷的相关性

表3 栎类天然次生林土壤有机碳与全氮和全磷的回归分析

4 讨论与结论

1)土壤C,N,P元素在植物生长过程中发挥着重要的作用,其中土壤C,N元素主要源于地表凋落物及细根的分解,而P元素主要来源于岩石风化和淋溶[4-6]。本研究结果表明,SBFM经营后0～30cm土壤SOC,TN和TP均高于UC及其它经营模式,说明SBFM对于养分积累较为有利,这与袁士云等[26]、葛兆轩等[27]研究结论类似。究其原因,可能是因为SBFM经营后林分空间结构优于其它经营模式[18,20],林分的混交度、大径级林木比例增加,生物量、蓄积量高,地表凋落物量大,进而有更多的养分归还土壤[29-31]。

2)CNFM经营后0～30cm土壤SOC和TN均明显低于UC,说明CNFM对土壤SOC,N积累较少。这与张国庆等[32]、张涛等[33]研究结果类似。原因可能是CNFM在实际生产实践中,为保留大径级目标树,较多的小树及地表灌木被伐除,地上部分C,N储量下降,从而导致归还土壤的C,N下降。与吴天乐等[34]、黄凯旋等[35]研究结果不同,其原因可能是研究区域、经营时间、树种等因素差异导致。CNFM土壤TP显著高于对照,说明近自然经营有利于土壤P素增加,与杨会侠等[36]研究结果一致。这可能是由于间伐降低林分密度,林下光环境改善,利于微生物对土壤P素分解。SFCS的土壤养分均低于UC,这与袁士云[18]的研究结论一致,可能因为SFCS是以降低林分密度为目的,林木被采伐后,导致养分流失。

3)研究中土壤SOC和TN均富集于0～10cm土层,随土层加深有明显降低的趋势,这与以往学者的研究结果一致[37-39]。原因可能是枯落物聚集在土壤表层,微生物活性较高,枯落物分解速率较快,土壤较肥沃[40]。土壤TP的垂直分布显示,CNFM和SNFM先降后升,而UC和SFCS持续下降。可能是由于CNFM和SNFM大树比例高,根系相对更深且发达,细根的分泌物加速了深层土壤P的分解。各土层TP差异均不显著,这与杨霞等[38]、张藤子等[41]研究结果类似。可能是土壤中P素空间迁移性较差所致[41-43]。

4)土壤生态化学计量比是确定土壤C,N和P平衡特征的重要参数。土壤C∶N可以反映土壤有机质的分解状况,是土壤N素矿化能力的标志[4-6]。研究中不同经营模式C∶N总体均值为13.44,高于中国陆地土壤平均水平(12.30)[44],与吴昊等[42]、王棣等[45]学者的研究结果类似。3种经营模式0～30cm土壤C∶N均高于UC,其中0～10cm土层中CNFM和SBFM显著高于UC。这可能是经营措施增加了表层土壤C,N元素的输入,导致土表C∶N增加,土表SOC分解减少。土壤C∶N的垂直变化不明显,这与Tian等[44]的研究结果类似。土壤C∶P和N∶P反映了土壤养分的供应能力[29]。土壤C∶P通常反映土壤中P素的有效性。研究中3种经营模式土壤在各土层中的C∶P均低于对照,其中CNFM和SBFM土壤C∶P低于中国陆地土壤平均值(52.70)[44],且显著低于UC。说明这2种经营模式,有利于促进土壤微生物矿化作用释放P素。土壤N∶P可以反映土壤养分的限制类型[6]。3种经营模式0～30cm土壤N∶P均明显低于对照,经营后土壤N∶P均值(3.70)低于全国陆地土壤平均水平(3.90)[44],说明经营后土壤受N素制约。不同经营模式的土壤C∶P,N∶P在0～10cm土层最高,显著高于其他土层,并随土壤加深呈现明显降低趋势,这与吕金林等[46]研究结果类似。

5)相关性分析结果表明,3种经营模式土壤SOC和TN之间均呈现强烈的正相关性。这是因为土壤N素影响微生物的活动,进而促进或抑止微生物对有机物的分解,两者的含量和分布规律往往相挂钩[47-48]。回归分析显示,CNFM,SBFM土壤SOC变化的主导因子是TN,且两者C∶N明显低于UC,说明CNFM和SBFM经营后,以N素主导的制约作用加剧。FSCS经营后,土壤SOC,TN和TP间均呈现极显著相关,回归方程表明,FSCS土壤SOC受到N素和P素的双重制约。这可能是由于FSCS的采伐导致养分流失,造成了该经营模式因缺乏P素而受到制约。