森林转换对土壤活性有机碳组分的影响

2023-01-09马锐豪温正宇徐小牛

水土保持研究 2023年1期

王斐, 马锐豪, 夏开, 温正宇, 徐小牛

(安徽农业大学林学与园林学院, 合肥 230036)

土壤是陆地生态系统中最重要的长期有机碳库，分别是植被和大气碳库的4.5倍和3.1倍[1-2]。因此，关注土壤有机碳库的动态变化对深入研究全球碳循环十分重要[3]。土壤有机碳(SOC)储量是碳通过有机质输入持续进入土壤和通过分解矿化、可溶性有机碳淋失和侵蚀之间的动态平衡的结果[4]。根据土壤碳的周转率，土壤有机碳可分为活性有机碳、缓慢有机碳和顽固性有机碳，其组成、动态及作用一直是国际研究的热点问题[5]。活性有机碳包括颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(EOC)、微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)等组分，被认为是生物可利用的碳源，对有机碳动态和养分循环至关重要，并且比总有机碳对环境变化的响应更快[6]。因此，准确量化土壤活性有机碳组分对深入理解土壤碳循环具有深刻意义[7]。

森林生态系统是重要的土壤有机碳库，容易受到气候、土壤类型、森林管理措施以及植被类型的复杂交互作用的影响[8]。森林转换是一种森林管理方法，通常容易导致土壤碳库受到强烈干扰，造成严重养分和碳库损失[9]。20世纪末，为满足日益增长的木材需求，我国热带和亚热带地区的大片天然林都被采伐而转换成了人工林。然而，大规模森林转换会对土壤碳的周转产生影响，其容易受到生物因素(如植被类型、土壤微生物群落结构和组成、林龄和酶活性等)以及非生物因素(如温度、降雨量、土壤水分、土壤性质、基质可用性等)的共同影响[10]。因此，森林转换对土壤有机碳库的影响存在诸多不确定性。例如，Chen等[11]的研究表明，天然常绿阔叶林转换为杉木人工林后，转换初期土壤碳储量出现显著下降，而随着转换时间的增加碳储量逐渐恢复。Yang[12]发现从天然混交林转变为人工林40 a后，人工林中的土壤有机碳(包括活性有机碳)含量低于天然林。Hizal等[13]报告指出，从天然阔叶林转变为纯针叶林大约30 a后，与人工林相比，天然林的有机质和全氮含量较高。与此相反的是，Haghdoost等[14]在伊朗进行的退化天然林转化为人工林的研究得出，人工林的SOC，TN有所提高。目前，关于森林转换的研究主要集中在土壤碳库恢复，针对更能快速反映土壤碳库变化的活性碳组分的研究相对较少。同时，森林转换林分选择大多为天然阔叶林转换成人工林而对针叶次生林转换成人工纯林后土壤活性有机碳组分的研究相对较少。马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)以及湿地松(P.elliottii)都是我国重要的造林树种，确定其森林转换后土壤活性有机碳组分变化，有助于优化经营措施，解决人工林土壤有机碳库与木材生产量之间的权衡问题。因此，本研究选择安徽旌德县蔡家桥林场内马尾松次生林及其转换后的湿地松人工林和杉木人工林作为研究对象，通过研究SOC，POC，EOC，MBC以及DOC对林型转换的响应及其与土壤理化性质的相关关系，以揭示林型转换对土壤活性有机碳组分的影响及其主导因素，从而为该地区土壤碳循环研究和森林可持续经营提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 样地基本概况

试验地设在安徽省旌德县蔡家桥国有林场(118°20′ E，30°20′N)，为皖南黄山山脉中、低山区，平均海拔450 m。亚热带季风气候，年平均温度16℃，年平均降水量1 522 mm。其土壤为山地红黄壤。该区域主要树种为马尾松、湿地松、杉木、鹅掌楸(Liriodendronchinense)、檫木(Sassafrastzumu)、化香(Platycaryastrobilacea)、枫香(Liquidambarformosana)，林下植被以檵木(Loropetalumchinense)、蕨类(Pteridophyta)为主。

1.2 样品采集方法

2020年8月进行土壤样品采集。该地区的存在大片马尾松次生林，十几年前采伐部分次生林后通过种植速生丰产的用材树种如杉木、湿地松等，实现了马尾松次生林向人工林的转换。选择3种森林类型设置样地进行调查，其中杉木、湿地松人工林是在砍伐原有的马尾松次生林后建立的，具有相同的土地利用历史。每种森林类型设置3块20 m×20 m的样地，一共建立9块样地。在移除枯枝落叶层后，每个样地内按S型多点混合取样法取样，用土钻按0—10 cm，10—30 cm和30—50 cm分层取样，共计81个混合土样，带回实验室进行分析。样地基本概况见表1。

表1 试验地概况

1.3 土壤理化指标测定

1.4 数据处理与分析

在对数据进行正态性检验后，采用方差分析和LSD法对不同林型和土层土壤有机碳及其活性组分进行分析；利用Pearson线性相关评估土壤活性有机碳组分与土壤理化因子的关系。图表中数据均为平均值±标准误，采用R.3.6.1进行数据分析，运用Origin 2019b绘图。

2 结果与分析

2.1 林型转换后土壤有机碳含量变化特征

由图1可知，土壤SOC含量在3种森林类型中均随着土层的加深而出现显著下降(p<0.05)。此外，马尾松天然次生林转换为湿地松人工林和杉木人工林后，0—10 cm土层SOC含量分别下降了8.3%和21.4%(p<0.05)，而马尾松次生林转换成湿地松人工林和杉木人工林后10—50 cm土层土壤SOC含量均无显著差异。由表2可知，森林类型和土层均对SOC含量产生显著影响(p<0.05)。

2.2 林型转换后土壤活性有机碳组分含量及其分配比例

由图2可知，马尾松次生林转换成湿地松人工林和杉木人工林后，0—10 cm土层土壤EOC含量分别下降了5.3%和22%(p<0.05)，POC含量分别下降了52.3%(p<0.05)和41.8%(p<0.05)，DOC含量呈现上升趋势，分别上升了16.19%和25.5%(p<0.05)，而MBC含量则无显著差异。林型转换对10—50 cm土层活性碳组分含量并未产生显著影响。各活性碳组分含量均随着土层加深而减少。方差分析结果表明(表2)，林型和土层均对4种活性碳组分存在极显著(p<0.01)或显著影响(p<0.05)，而森林类型和土层深度的交互作用只对DOC含量产生显著影响(p<0.05)。

注：不同大写小写字母分别表示森林中同一土壤层之间、相同森林中的土层深度之间的显著差异(p<0.05)。下同。

表2 森林类型和土层对土壤有机碳组分含量及其比例影响的方差检验结果

由表3可知，3种林分类型中土壤POC占SOC比例最大，达到了8.61%～16.46%，其次是EOC，占比为4.78%～5.97%，而MBC和DOC含量占比相对较低。马尾松次生林转换成两种人工林后，不同土层POC/SOC均表现出下降趋势，DOC和EOC占SOC的比例则表现出升高趋势，MBC/SOC未表现出一致的规律。此外，3种林分类型中只有土壤DOC/SOC随土层的加深而升高，其他活性碳组分占总有机碳比例在不同土层中呈现不规律分布。由表2可知，森林类型对土壤POC和DOC占SOC比例存在显著影响(p<0.05)，土层对DOC/SOC存在极显著影响(p<0.01)，林型和土层的交互作用只对MBC/SOC存在显著影响(p<0.05)。

图2 不同森林类型土壤活性有机碳组分的平均含量

表3 森林土壤剖面中活性有机碳占土壤总有机碳的比例 %

2.3 林型转换后土壤活性有机碳组分与理化因子的相关性分析

3 讨论

3.1 林型转换对土壤有机碳的影响

土壤有机碳含量是有机物质投入速率和有机碳矿化速率之间的净平衡的结果，而林型转换会显著影响土壤碳输入和输出之间的平衡，从而改变土壤有机碳含量[18]。胡雪寒等[19]关于林型转换的研究结果表明，天然林转换成杉木人工林后土壤有机碳含量下降24.1%。本研究结果表明，马尾松次生林转换为湿地松人工林和杉木人工林后0—10 cm土壤有机碳含量分别下降了8.3%和21.4%，方差分析结果表明林型是影响土壤有机碳含量变化的重要驱动因素。林型作为一个关键的生物因子，通过改变凋落物和根系物质的产量、质量和分解速率、微生物群落和土壤微环境等因素来影响森林土壤有机碳含量。此外，林龄和降雨量分配也可能是导致林型转换后土壤有机碳含量下降的原因，Guo等[20]关于林型转换的综述表明当转换后人工林林龄小于40时，土壤碳储量会减少约20%。王一佩等[21]的研究表明，土壤有机碳与林龄呈正相关关系，本研究中各林型林龄表现为马尾松次生林>湿地松人工林>杉木人工林，这与土壤有机碳含量趋势相一致。这可能与森林凋落物积累与分解、根系分泌物的累积有关。研究表明，当森林所属地区年平均降雨量>1 500 mm时，次生林转为人工林时往往会导致土壤有机碳的损失[20,22]。降雨导致土壤有机碳流失的主要途径来自两个过程：林型转换初期人工幼林未郁闭降雨会导致坡面形成径流机械去除土壤有机碳以及强降雨冲击的侵蚀力造成的土壤大团聚体破裂，引起原本被团聚体保护的有机碳被微生物分解利用，从而导致土壤有机碳的损失。Mayer等[23]研究表明，森林转换导致土壤碳平均损失7%，流失量主要集中在表层土壤，深层土壤有机碳含量受影响较小，这与本研究结果相一致。次生林转换人工林后10—50 cm土壤有机碳无显著差异，这可能是由于深层土壤有机碳相对稳定，不同林型产生的凋落物分解输入土壤有机碳只对表层土壤产生较大影响，无法影响深层土壤有关。总体而言，马尾松次生林转换成湿地松和杉木人工林后，均导致了土壤有机碳损失，说明次生林更有利于该地区土壤碳库的积累。

此外，从平衡土壤有机碳库与木材生产量的角度出发，相比较杉木人工林，湿地松人工林在可能是该地区林型转换树种更好的选择。此外，本研究结果表明3种森林类型的土壤有机碳含量均随着土层加深出现而显著下降，这与殷有等[24]的研究相同。这是因为植物凋落物和根系主要集中在表层，并且表层土壤微生物活性高，分解能力强，从而增加表层土壤有机碳含量。而底层土壤有机碳主要来源于根系分泌物、可溶性有机碳淋失、破碎和颗粒有机碳运移，所产生的碳输入有限[25]。

表4 森林土壤碳组分与理化因子间相关性

3.2 林型转换对土壤有活性碳的影响

与森林土壤有机碳相比，周转时间较短的活性有机碳通常更能够敏感地响应林型转换的变化[26]。然而，不同活性碳组分的大小和特征因森林转换变化的方向和所采用的分级方法而异，所测得的活性碳组分在周转时间、化学成分和功能方面是不同的[27]。因此，它们对短期森林转换的反应可能不同。例如，在亚热带天然林转换成板栗人工林后活性有机碳组分含量显著减少[18]；在马来西亚，将森林转化为油棕榈人工林后，表土活性有机碳含量增加了18%[28]。本研究结果表明，马尾松次生林转换成湿地松和杉木人工林后0—10 cm土壤颗粒有机碳和易氧化有机碳含量出现下降，可溶性有机碳含量升高，而微生物生物量碳在林型转换后无显著差异。各活性有机碳组分在林型转换后表现为不一致的趋势，这与Wang等[29]的研究结果相似。森林转换后土壤活性碳组分的不同格局表明，土壤活性碳组分对森林转化具有树种特异性的响应。因此，在进行大规模森林转换时树种的选择对于该地区土壤碳排放与固存而言十分重要。

林型转换后POC与EOC含量在土壤表层出现下降，这与前人的研究一致[30]。这可能是因为天然次生林转换成人工林导致了表层土壤发生强烈扰动，团聚体的破裂可能导致不稳定的POC和EOC矿化成CO2而损失。此外，POC和EOC与SOC的变化趋势相同，这说明林型转换后土壤有机碳的损失可能是POC和EOC含量下降的主要因素。土壤中的DOC主要是由凋落物渗滤液、根系分泌物和微生物降解产物产生的。本研究结果表明，森林转换后0—10 cm土壤DOC含量上升，这与Sheng等[18]的研究结果不一致。森林土壤中DOC浓度是多种因素共同作用的结果。森林冠层是DOC的重要来源[31]，这可能是由于穿透雨将大气中有机物的沉积和源于植物组织中有机物的淋溶液带入土壤中。林分密度越大林冠层越密，本研究中林分密度表现为杉木人工林>湿地松人工林>马尾松次生林，且试验地区雨水充足，这可能是导致DOC含量升高的原因之一。土壤微生物生物量是土壤有机质中的活性成分，与土壤养分循环密切相关[32]。Dos等[33]的研究表明，森林转换后，人工林微生物生物量碳含量出现显著下降，而本研究中微生物生物量碳在马尾松次生林转换成两种人工林后没有产生显著差异，这可能是由于人工林树种的差异造成的。林型转换导致树种发生了改变，不同的树种可能会导致可分解的有机化合物、根密度以及土壤结构等产生差异，这些因素都可能导致林型转换后土壤微生物生物量碳含量出现不一致的结果。此外，有研究表明在湿润季节，热带原生林及其转换的人工林土壤微生物量基本没有差异[34]。本试验地位于皖南山区，取样时间为夏季，湿润的气候可能是微生物生物量碳含量与其他活性碳组分变化趋势不同的原因。今后可进一步开展森林转换对微生物群落结构影响的相关研究。

土壤活性有机碳组分占总有机碳比例可以用来指示土壤有机碳库的稳定性、有效性和可溶性[35]。POC/SOC在一定程度上可以用来表征土壤团聚体稳定性[36]，而团聚体与土壤有机碳保护密切相关。本研究中，林型转换后，两种人工林各土层POC/SOC均出现了下降，这说明林型转换降低了土壤团聚体的稳定性，这与林型转换导致土壤有机碳含量下降的结果相一致。DOC/SOC可以用来表明土壤有机碳的可迁移性，反映了SOC的损失水平[37]。本研究中林型转换后，各土层DOC/SOC均出现上升，这与土壤有机碳在林型转换后出现损失的趋势相一致，这可能与林型转换改变了土壤水分有关。EOC/SOC可以用来表示土壤有机碳的稳定性[38]，本研究中马尾松次生林转换成湿地松和杉木人工林后各土层EOC/SOC出现上升，这表明林型转换的土壤有机碳库变得更加活跃，土壤有机碳的稳定性下降，容易造成有机碳的损失。森林土壤中MBC/SOC可以用来表示易于代谢的有机碳的比例[39]，本研究中MBC/SOC随林型转换未表现出一致的规律，这与林型转换对微生物生物量碳无显著影响的趋势相符，可能是由于不同森林类型产生的凋落物质量、产量和其他碳输入量的不同以及人工林具有很强的特异性有关。活性碳组分占总有机碳比例在次生林转换成人工林后的变化趋势表明，林型转换造成了该地区土壤有机碳库稳定性、有效性下降，不利于该地区土壤库的积累。