林型转化对土壤碳氮稳定性的影响1)

马锐豪 王斐 樊伟 夏开 徐小牛

(安徽农业大学，合肥，230036)

碳(C)、氮(N)作为陆地生态系统中重要的养分元素，在反映土壤碳、氮的固持能力以及植物代谢需求等方面起着至关重要的作用，是陆地生物多样性和生态系统功能的基础[1]。研究表明，土壤碳、氮的动态变化作为土壤肥力以及植物的养分状况的代表性元素，已被广泛用于将不同森林类型中的植物和土壤养分特征联系起来[2]。因此，了解土壤有机质水平及C、N稳定性，有助于更好地应对自然环境因素和人类活动造成的森林群落的变化。然而，由于不同森林生态系统之间生物与非生物因素的变化十分复杂，在评价林型转化对土壤碳、氮稳定性产生的影响时仍存在难以预估的不确定性[3]。

稳定碳、氮同位素技术通常作为检测土壤碳、氮稳定性的工具，其自然原子分数(δ(13C)、δ(15N))对反映土壤生态系统内部C、N转化的过程具有重要意义[4]。土壤氮素由大气沉降以及植物残体输入，经微生物分解产生生物有效N再次被植物吸收，或是通过淋溶和气体输出[5]。上述过程都离不开同位素的分馏作用，且氮同位素的组成在不同的生理生化反应中存在较大差异，这为土壤稳定氮同位素原子分数(δ(15N))反映土壤氮素的稳定性提供了理论基础[6-8]。土壤有机碳(SOC)的动态变化与土壤稳定碳同位素在土壤中的分布密切相关；然而，土壤有机碳的周转过程具有周期长、空间异质性大的特点，单独土壤稳定碳同位素原子分数(δ(13C))不足以准确描述土壤有机碳的动态变化。因此，引入δ(13C)与log[w(SOC)]之间的回归斜率β，作为有机碳周转率的替代指标[9]，与土壤稳定碳同位素原子分数相结合能够更加准确地反映土壤有机碳稳定性的变化。

过去的几十年里，我国经历了巨大的土地利用变化，森林资源不断丰富[10]。然而，为了更符合经营目的，特别是在中国亚热带地区，曾进行过大规模的人工林建设和密集的木材采伐，大片的原始林被砍伐并退化为天然次生林，随后被单一树种的人工林所取代[11]。大量研究表明，次生林转化为人工林后，由于植被类型、管理措施、林分结构、微生物群落结构及其活性等多种因素的综合影响，导致土壤碳、氮动态的变化十分复杂[12-13]。为更好地评价林型转化对土壤碳、氮稳定性的影响，本研究从同位素分馏的角度，对我国亚热带马尾松(Pinusmassoniana)次生林及其转变为湿地松(Pinuselliottii)人工林、杉木(Cunninghamialanceolata)人工林土壤稳定碳氮同位素及相关环境因素的特征进行分析，测定林型转化后0～50 cm土层的理化性质及土壤稳定碳同位素原子分数、土壤稳定氮同位素原子分数，并建立回归模型；旨在量化林型转化对土壤碳氮稳定性的综合影响，探讨林型转化后影响土壤碳氮动态的因素，为森林可持续经营提供参考。

1 试验地概况

试验地位于安徽省旌德县国营蔡家桥林场，地处黄山北麓(东经118°30′，北纬30°20′)，经营面积为3 577 hm2。试验地区属亚热带季风气候，近10 a年平均气温16 ℃，年均相对湿度70%，平均降水量为1 522.7 mm。土壤以山地黄壤为主，植被丰富，森林覆盖率达85%。地带性植被为亚热带常绿针、阔叶林，经长期森林经营，大面积的马尾松(Pinusmassoniana)次生林，被杉木(Cunninghamialanceolata)、湿地松(Pinuselliottii)、檫木(Sassafrastzumu)、枫香(Liquidambarformosana)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)等人工植被所替代。

本研究于2020年8月份，调查了3种林分类型，分别是马尾松次生林及采伐后营造的杉木人工林、湿地松人工林；选取立地条件相似的林分，每个林型内随机设置3个20 m×20 m独立的重复样地，共9个样地进行调查(见表1)。

表1 试验林地概况

2 研究方法

2.1 土壤采集及测定

土壤样品的采集，在每个20 m×20 m的样地内随机挖取3个0.5 m×0.5 m×0.5 m的土壤剖面，每个样地的土壤剖面内采用多点混合取样法，在土层(h)0

土样自然风干，过100目(孔径0.150 mm)筛，利用同位素质谱仪(Thermo Scientific Delta V Advantage，Germany)联用的元素分析仪(EA-IRMS)系统测定土壤样品的稳定碳同位素原子分数(δ(13C))、稳定氮同位素原子分数(δ(15N))：

δ(13C)=[(Rsp/Rsd)-1]×100%；

δ(15N)=[(Rsp/Rsd)-1]×100%。

式中：Rsp为样品的同位素比值(原子分数)、Rsd为标准物质的同位素比值(原子分数)，以Vienna Pee Dee Belemnite为标准，氮同位素以标准大气中的N2为标准。稳定碳氮同位素组成的内标精密度(标准偏差)分别优于0.08%和0.02%。

将δ(13C)与进行对数转化的有机碳浓度(log[w(SOC)])之间的线性回归方程斜率，定义为β：δ(13C)=a+βlog[w(SOC)]。a为常数；β为回归方程系数，用于描述林型转化引起的土壤有机碳的动态变化，β表示有机碳的周转速率。

土壤含水率，采用烘干法对新鲜土样进行测定；土壤pH，按照水土比例(V(水)∶V(土)为2.5∶1.0))混合后，用pH计测定；土壤电导率，按照水土比例(V(水)∶V(土)为5∶1))混合后，用电导率计测定；土壤有机碳、全氮质量分数，运用自然风干土样，过筛(孔径0.150 mm)、包样后，使用元素分析仪(EA3000 Vector，Italy)测定；土壤全磷质量分数，用V(HNO3)∶V(HClO4)为3∶1法消煮后，运用流动注射分析仪(FIA Star 5000，FOSS，Denmark)测定；土壤有效氮(铵态氮、硝态氮)质量分数，采用新鲜土样，与KCl溶液混合、震荡、浸提后，使用流动注射分析仪(FIA Star 5000，FOSS，Denmark)测定；土壤可溶性有机碳质量分数，采用新鲜土样，加入K2SO4溶液混合、震荡、浸提后，使用总有机碳分析仪(Multi3100N/C，Analytic Jena，Germany)测定；土壤微生物生物量碳质量分数、土壤微生物生物量氮质量分数，采用氯仿熏蒸法测定。

2.2 数据处理

根据土层(h)0

3 结果与分析

3.1 林型转化对土壤稳定碳氮同位素原子分数的影响

林分类型的转化对土壤稳定碳同位素原子分数产生一定的影响。除土壤表层(0

表2 不同林型和土层深度的土壤稳定碳同位素原子分数(δ(13C))、稳定氮同位素原子分数(δ(15N))

表3 林型和土层深度对土壤稳定碳氮同位素影响的方差分析结果

表4 3种林型土壤δ(13C)与log[w(SOC)]之间的回归模型

与林分类型相比，在土壤剖面中，各林分的土壤稳定碳同位素原子分数均随土层的加深呈现上升的趋势(见表2)。土层深度对土壤稳定碳同位素原子分数影响极显著(P<0.01)，林型的变化和土层深度的交互作用对土壤稳定碳同位素原子分数的影响不显著(见表3)。

马尾松次生林向人工林转化后，土壤稳定氮同位素原子分数的变化比较明显。在0

各林分土壤稳定氮同位素原子分数均随土层加深呈现显著上升的趋势(见表2)。马尾松次生林不同土层，土壤稳定氮同位素原子分数由小到大依次为0

植物和土壤作为生态系统的主要组成部分，它们之间存在很强的相互作用。植物通过根系吸收土壤中的养分以满足自身生长发育的需要，土壤也受到植物归还养分(凋落物及根的残体)的补充[14]。这样的关系存在，地上植被的更替不可避免地会影响土壤碳、氮的稳定性。本研究表明，各林型土壤稳定碳同位素的原子分数(δ(13C))在-2.747%～-2.391%范围内变化，根据3种林型土壤δ(13C)与log[w(SOC)]的回归模型可知，马尾松次生林回归模型中斜率(β)的绝对值大于2种人工林。说明林型转化，影响了整个土壤剖面内有机碳的动态变化，增强了土壤中微生物的活动和有机质的分解。Mobley et al.[15]、Lü et al.[16]研究认为，林型转化，会增加土壤中不稳定凋落物的投入，增强土壤透气性，并改变水分条件。这些因素作为激活微生物优先利用底物的启动机制，能够影响有机碳的周转和分解速率，从而促进土壤碳的稳定性发生变化[17]。次生林的产生(采伐原生林分)以及人工林的建立，使林分受到强烈的人为干扰，破坏了土壤中分解者和聚集体(受物理保护的有机碳)的空间分离，同样会促进微生物对碳的矿化[18]。然而，本研究中，林型转化对土壤稳定碳同位素原子分数的影响并不显著。产生这一结果的原因，与次生林和人工林不同有关，人工林本身具有高度的立地特异性，不同的人工林中根系分泌物、凋落物输入C的数量和质量有较大差异，会对土壤有机碳的分解及稳定性产生不同程度的影响[19-21]。另一方面，土壤有机碳的积累和稳定性也受土壤基质结构的影响，并与土壤碳饱和度、气候带、生态系统类型有关[22]。本研究中，次生林林分密度较低，凋落物分解产生的可溶性有机碳更易随地表径流流失，土壤有机碳周转更快，土壤稳定碳同位素原子分数更高。因此，由于生物和非生物因子之间复杂的相互作用，林型转化对土壤稳定碳同位素的影响并不固定。

与土壤稳定碳同位素原子分数不同，本研究中，土壤稳定氮同位素原子分数(δ(15N))受林型转化的影响呈极显著(P<0.01)，且马尾松次生林土壤稳定氮同位素原子分数在整个土壤剖面中均低于人工林。Fujiyoshi et al.[23]研究表明，林型转化，导致不同林型土壤吸收植物归还的氮源存在差异。次生林转化为人工林后，土壤氮素有效性降低，植物更加依赖土壤微生物(如细菌、菌根真菌等)对氮素进行固定[24]，与通过菌根真菌吸收氮素相比，植物通过酶反应直接从根系中吸收氮素时分馏产生的稳定氮同位素原子分数较低[25]。因此，与次生林相比，人工林具有更高的稳定氮同位素原子分数。此外，植物菌根类型的不同，同样是导致其自身吸收氮素能力产生差异的重要因素[26-27]。本研究中，2种人工林分主要树种的菌根真菌类型不同，杉木为浅根系具有丛枝菌根的树种，对氮素的吸收能力弱于湿地松这类具有外生菌根的树种，因此，林型转化后土壤稳定氮同位素原子分数，由小到大依次为马尾松次生林地、湿地松人工林地、杉木人工林地。

大量研究表明，土壤中的稳定碳氮同位素原子分数有随土层深度的增加而增加的趋势[28-30]。土壤稳定碳同位素的原子分数(δ(13C))与不同深度的土壤有机碳分解速率直接相关，通常随土壤剖面加深而逐渐升高，直到达到其稳定状态的最大值[31]。这一变化规律，是由稳定碳同位素(13C)的动力学阻碍作用所致[32]。土壤微生物通过生物合成等回补反应固定土壤中的13CO2，合成13C富集的微生物生物量碳[33]。此外，随着土壤剖面的加深，土壤有机碳质量分数下降，土壤有机碳中反映微生物源产物的特定化合物发生改变，如脂肪族的生物多聚物、果蛋白和其他多聚酮等相对不稳定的化合物转移到腐殖质中，导致土壤中的13C富集；同时，由于不稳定化合物质的增多，土壤腐殖化增强，土壤有机碳中13C贫化的部分分解增多，促进了土壤有机质与13C富集的有机碳结合[34]。在不同的生态系统中，上述有机碳的分馏过程占据不同的地位，导致土壤剖面中稳定碳同位素的原子分数存在不同程度的变化。在本研究中，各林型土壤稳定碳同位素的原子分数随土壤剖面加深有着不同程度的升高。其中，马尾松次生林土壤表层与深层之间土壤稳定碳同位素的原子分数的差异更为明显，这是由于次生林中土壤深层有机质腐殖化程度较大，或有机碳在土壤中更加稳定(停留时间更长)所致。

与土壤稳定碳同位素的原子分数相同，土壤稳定氮同位素的原子分数通常会随着土壤剖面深度的增加而增加，但稳定碳、氮同位素在土壤中的分馏机制不同[35]。本研究中，各林型中表层土壤稳定氮同位素原子分数较低，是由于地上部分持续向土壤中添加稳定氮同位素(15N)贫化的凋落物；而随着土层的下降，无机氮(铵态氮、硝态氮)占全氮的比例随水分的向下迁移逐渐升高，植物可利用的无机氮增多，土壤氮素的分馏以硝化和反硝化为主，在这样的过程中，土壤中微生物对化合物中相对原子质量为14的氮同位素(14N)的同化作用，有助于稳定氮同位素(15N)富集的化合物在土壤深处积累；同时，土壤中通过酶的水解、氨化、硝化、反硝化及其他相关反应，挥发出N2O、N2、NH3等15N贫化的气体，或淋溶损失15N贫化的分馏产物，也会导致深层土壤15N的富集[36-37]。此外，不同土层间存在的生物扰动，如不同营养级的动物之间的捕食或竞争现象，土壤剖面中不同的土壤质地使土壤稳定氮同位素原子分数(δ(15N))保持差异等等，这些潜在的机制共同影响着土壤稳定氮同位素原子分数。

3.2 林型转化和土层深度对土壤环境因子的影响

由表5可见：表层土(0

表5 不同林型和土层深度的土壤养分质量分数及其化学计量比

土层深度(h)/cm土壤可溶性有机碳质量分数/mg·kg-1马尾松次生林湿地松人工林杉木人工林土壤有效铵态氮质量分数/mg·kg-1马尾松次生林湿地松人工林杉木人工林土壤有效硝态氮质量分数/mg·kg-1马尾松次生林湿地松人工林杉木人工林0

土层深度(h)/cm土壤微生物生物量碳质量分数/mg·kg-1马尾松次生林湿地松人工林杉木人工林土壤微生物生物量氮质量分数/mg·kg-1马尾松次生林湿地松人工林杉木人工林土壤pH马尾松次生林湿地松人工林杉木人工林0

土层深度对土壤各因子的影响比林型更大。其中：同一林型内，土壤有机碳质量分数、全氮质量分数、可溶性有机碳质量分数、有效铵态氮质量分数、有效硝态氮质量分数、微生物生物量碳质量分数、微生物生物量氮质量分数，均随土层的加深而降低，且不同土层上述各因子质量分数变化明显(见表5)。此外，不同林分类型的土壤pH、土壤碳氮质量分数比(w(C)∶w(N))在不同土层中的变化趋势并不一致。除土壤碳氮质量分数比(w(C)∶w(N))、土壤含水率外，土层深度对其余土壤环境因子均有显著的影响；除pH外(P<0.05)，林型和土层深度的交互作用对其余土壤因子均无显著影响(见表6)。

表6 林型和土层深度对土壤因子影响的方差分析结果

3.3 土壤环境因子对稳定碳氮同位素原子分数的影响

由表7可见：土壤稳定碳同位素原子分数(δ(13C))，与土壤微生物生物量氮质量分数、土壤有效铵态氮质量分数、土壤微生物生物量碳质量分数、土壤可溶性有机碳质量分数、土壤有机碳质量分数、土壤全氮质量分数、土壤电导率、土壤有效硝态氮质量分数呈显著负相关(P<0.05)；土壤稳定氮同位素原子分数(δ(15N))，与土壤碳氮质量分数比(w(C)∶w(N))、土壤微生物生物量氮质量分数、土壤有效铵态氮质量分数、土壤微生物生物量碳质量分数、土壤可溶性有机碳质量分数、土壤有机碳质量分数、土壤全氮质量分数、土壤电导率、土壤有效硝态氮质量分数呈显著负相关(P<0.05)，与土壤含水率呈显著正相关(P<0.05)。对土壤δ(13C)、δ(15N)进行线性回归拟合，模型表明，δ(13C)随δ(15N)的升高而显著增大(见图1)。

图1 土壤δ(13C)与δ(15N)的线性回归拟合结果

表7 土壤各因子之间的相关性系数

为进一步了解土壤稳定碳氮同位素与环境因子的关系，以土壤环境因子为影响因素，以土壤稳定碳同位素原子分数(δ(13C))、土壤稳定氮同位素原子分数(δ(15N))为评价指标，采用逐步回归法尽可能消除土壤环境因子之间潜在的共线性影响，建立多元回归模型(见图2)：

R2为影响因素累计贡献率。*表示影响显著(P<0.05)，** 表示影响极显著(P<0.01)。经多元线性回归分析后，回归模型为：δ(13C)=为土壤有机碳质量分数(单位为g·kg-1)；w(SWC)为土壤含水率(以百分比计，%)；pH为土壤酸碱度；w(MBC)为土壤微生物生物量碳质量分数(单位为mg·kg-1)；w(TN)为土壤全氮质量分数(单位为g·kg-1)；w(TP)为土壤全磷质量分数(单位为g·kg-1)；w(MBN)为土壤微生物生物量氮质量分数(单位为mg·kg-1)；w(C)∶w(N)为土壤碳氮质量分数比；为土壤有效硝态氮质量分数(单位为mg·kg-1)。图2 土壤δ(13C)、δ(15N)与理化性质的多元线性回归结果

δ(13C)=-23.140-0.042w(SOC)+2.447w(SWC)-

0.482pH-0.001w(MBC)，P<0.001；

δ(15N)=5.443-0.524w(TN)+3.867w(TP)+6.266

w(SWC)-0.027w(MBN)-0.318(w(C)∶

分析结果表明：土壤有机碳质量分数、土壤微生物生物量碳质量分数、土壤含水率、土壤pH，对土壤稳定碳同位素原子分数变异性的累计贡献率达45.06%；土壤全氮质量分数、土壤含水率、土壤全磷质量分数、土壤微生物生物量氮质量分数、土壤有效硝态氮质量分数、土壤碳氮质量分数比(w(C)∶w(N))，对土壤稳定氮同位素原子分数变异性的累计贡献率达57.80%。

对试验地内马尾松次生林、湿地松和杉木人工林0～50 cm土壤剖面内的多项环境因子进行研究表明，与湿地松和杉木人工林相比，马尾松次生林的枯枝落叶层(0

森林土壤氮素状况是影响碳稳定性的关键因素，氮素有效性越高，土壤固持有机碳的能力越强[40]。本研究中，土壤有机碳质量分数与全氮质量分数呈显著正相关、土壤稳定碳同位素原子分数与土壤稳定氮同位素原子分数呈显著正相关，表明土壤有机碳与全氮之间的关系反映了有机质的分解。另一方面，人工林集约化的管理措施导致土壤C、N流失。与相对未受人为干扰的天然次生林相比，受较大干扰的人工林生态系统，土壤中的有机碳质量分数、全氮质量分数较低，而土壤稳定碳同位素原子分数、稳定氮同位素原子分数较高。表明了次生林转化为人工林后，减少了地上部分碳、氮的输入，同时增强了土壤中顽固性有机质的分解，用于弥补损失的养分[41]。林型转化后，由于有机碳的分馏和稳定碳同位素(13C)的亲水性，通过微生物的代谢过程以及分解作用，富集了大量可溶性的分解产物[42]。随后，13C贫化的可溶性有机碳随土壤剖面加深不断淋失，13C富集的可溶性有机碳通过剖面向下转移，并被吸附在土壤颗粒上，有助于土壤深层稳定碳同位素原子分数升高[43]。本研究中，多元线性回归模型中，土壤微生物生物量碳质量分数、土壤含水率对土壤稳定碳同位素原子分数的影响，以及相关性分析中，土壤微生物生物量碳质量分数、土壤可溶性有机碳质量分数、土壤含水率、土壤稳定碳同位素原子分数之间的显著相关关系，共同证明了上述过程。此外，林型转化降低了土壤全氮质量分数。因此，转化后的人工林土壤氮素的分馏，通常以氨化、硝化及反硝化为主。而伴随着硝化作用的进行，稳定氮同位素(15N)贫化的硝态氮淋失更严重，导致在林型转化后的很长一段时间内，人工林的土壤稳定氮同位素原子分数持续增大。

4 结论

由马尾松天然次生林转化为湿地松人工林和杉木人工林，林型转化后，土壤稳定碳同位素原子分数并无显著变化。通过拟合得出的δ(13C)与log[w(SOC)]之间的回归方程斜率(β)，对林型转化后土壤有机碳质量分数的动态变化进行分析，次生林转化为人工林后，β绝对值下降，土壤有机碳周转速率下降，表明土壤活性有机碳与土壤黏粒、粉粒等含有顽固性碳的结合能力降低，对微生物分解的抵抗能力下降，土壤的稳定性降低。将土壤稳定碳同位素原子分数与林分其他各项环境指标(如土壤可溶性有机碳质量分数、微生物生物量碳质量分数、碳氮质量分数比(w(C)∶w(N))等)进行综合分析表明，与次生林相比，人工林的特异性及不稳定性，使土壤稳定碳同位素原子分数更易受环境因素和管理措施的影响，其变化趋势较为复杂。林型转化后，土壤稳定氮同位素原子分数明显增大，表明人工林植物以利用菌根真菌吸收氮素为主，稳定氮同位素多被菌根真菌固定在土壤中；人工林有效氮尤其是硝态氮质量分数较低，表明次生林转化为人工林后，土壤全氮的分馏效应以硝化和反硝化为主，且伴随着硝态氮的淋溶，导致人工林土壤中稳定氮同位素原子分数高于次生林土壤的。总体而言，本研究结果表明，林型转化对土壤碳、氮稳定性的影响较为明显。