去除根系或枯落物对湿地松和尾巨桉人工林土壤碳氮库的影响

沈 健，何宗明，郜士垒，林 宇，赵文东，董 强

（1.福建农林大学 a.林学院；b.国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002；2.福建省闽侯白沙国有林场，福建 闽侯 350100）

土壤碳氮是生物生存所需的重要营养元素，两者共同维系着生态系统的稳定性[1]。土壤碳可以加快养分循环，改良土壤结构；土壤氮可以调控陆地生态系统的结构和功能，与土壤碳紧密相关。森林生态系统土壤碳氮循环过程是能量交换和物质循环的核心[2]，且土壤碳氮储存和循环相互耦合。植物根系和枯落物是森林土壤碳、氮的主要来源，在维持土壤肥力、物质循环、养分有效性以及森林生态系统碳、氮收支等方面有着重要作用[3-4]。森林生态系统碳氮循环过程受多种因素共同影响，树种就是关键的影响因子之一，不同树种的枯落物数量、质量和降解速率以及根系生物量、根系分泌物和根际沉降过程等均具有差异，进而导致林地土壤碳氮库和碳氮循环过程具有差异性[5-6]。当下，关于改变有机质输入对土壤呼吸影响的报道较多，但改变有机质输入对土壤碳氮库稳定性变化，以及土壤碳氮各组分与有机质输入关系的研究较少，且大多研究主要在欧美地区的森林生态系统中，其结论不能直接应用到我国的森林中。在全球大气变化和人类活动影响愈来愈剧烈的背景下，亟待加强这方面的研究，以更好地应对土壤碳氮库和碳氮循环变化，来保证生态系统的稳定循环[7]。

沿海地区人工林生态系统受海洋、陆地、大气三方面共同影响，其碳氮循环与内陆生态系统有很大不同，滨海沙地土壤碳氮及各组分含量明显小于内陆，生态环境更为脆弱[8-9]。随着全球变化进程的不断加剧，出现了全球变暖、二氧化碳浓度增加和全球降雨量再分配等一系列问题，以及大气环境污染、干旱胁迫、森林病原体入侵等自然干扰，去除枯落物、切断植物根系和控制火烧等人为干扰，都会导致森林地上/地下有机质输入改变，造成林下地表覆盖状况和地下植物根系周转的一系列变化，使森林生态系统的生产力和生物多样性发生改变，对土壤储存碳氮产生重要影响[10-11]。沿海人工林土壤养分输入主要来源于地表枯落物和地下植物根系，土壤碳氮循环过程主要是受枯落物分解和根系代谢周转的影响[12]。为探究滨海地区人工林土壤生态系统碳氮循环对枯落物和根系有机物质输入的响应，以福建省南部地区具有代表性的2种（湿地松Pinus elliottii和尾巨桉Eucalyptus urophylla×E.grandis）沿海人工防护林为试验对象，通过设置去除根系、去除枯落物以及对照处理来研究2种防护林土壤碳氮储量、DOC、DON、MBC、MBN含量变化，以期为提高滨海沙地人工防护林土壤碳氮保留能力提供科学依据，促进沿海地区人工防护林可持续经营。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于福建省长乐大鹤国有防护林场（119°40′～119°43′E，25°57′～25°59′N），该林场始建于1964年，气候属亚热带海洋性季风气候，东临东海，地貌属沿海台地，属沿海防护林基干林带区域。平均海拔10 m，年平均气温19.2℃，最高温度37.4℃，平均湿度72.3%，年均降水量为1 382 mm，年实际日照时数1 837.6 h，霜冻害较少，早霜多出现在12月，晚霜在2月，无霜期320 d以上，全年无积雪现象。土壤为6～10 m厚的滨海风积沙土，保水性和肥力较差，林下植被稀少,常见植被有大蓟Cirsium japonicum、硕苞蔷薇Rosa bracteata、马缨丹Lantana camara、白茅Imperata cylindrica、茅莓Rubus parvifolius等。

1.2 试验设计

以湿地松Pinus elliottii和尾巨桉Eucalyptus urophylla×E.grandis2种人工林为研究对象，林地基本情况见表1。2019年9月，在湿地松林和尾巨桉林内随机选择4个25 m×25 m的样方，样方内随机设置3个2 m×2 m的小区。在每个小区中设置3种不同处理：1）去除根系（RR）：采用挖壕沟法，沿小区周围挖宽30 cm、深70 cm的壕沟切断植物根系，并填入尼龙网袋隔离新长出的植物根系；2）去除枯落物（RL）：将地面上的枯落物清理干净，并在距地面1 m处设置网框收集枯落物，阻止枯枝落叶进入小区内；3）对照（CK）：土壤中根系和枯落物输入维持在自然状态下。

表1 林地基本概况Table 1 Basic situation of the forest land

1.3 土壤样品采集、处理和测定方法

2020年9月，在每个2 m×2 m的小区内随机选取6个点，使用200 cm3环刀进行取样，深度为0～10 cm。去除残留的凋落物、可见根系以及其他杂质，混匀后冷藏带回实验室。一部分样品在室内自然风干后过2 mm筛，储存在4℃的冰箱中用于测定土壤可溶性有机碳氮、土壤微生物碳氮和矿质氮（NH4+-N、NO3--N）含量，剩下部分土样研磨后过0.149 mm筛，用于测定土壤pH值、全碳（TC）和全氮（TN）含量。同时，采用环刀法取原状土，测定土壤容重；用冷水浸提法测定土壤可溶性有机碳、氮（水土比为4∶1）；用氯仿—熏蒸浸提法测定土壤微生物生物量碳、氮；使用2 mol·L-1的氯化钾溶液（土∶氯化钾＝1∶4）浸提土壤中的矿质氮，并采用连续流动分析仪（BRAN+LUEBBE AA3）测定；土壤全碳和全氮含量采用（Vario MICRO cube, Elementar, 德国）直接测定，用pH计测定土壤pH值（土壤与蒸馏水比例为1∶2.5）。

1.4 数据处理与分析

根据下列公式计算全碳储量和全氮储量：

RTC=TCn×BDn×Dn×0.1；

RTN=TNn×BDn×Dn×0.1。

式中：RTC和RTN分别为第n层土壤全碳储量和全氮储量（t·hm-2），TCn和TNn分别为第n层土壤全碳和土壤全氮（g·kg-1），BDn为第n层土壤容重（g/cm3），Dn为第n层土层厚度（cm），0.1为单位转换系数。

根据下列公式计算微生物碳（MBC）和微生物（MBN）含量：

MBC=(CF-CNF)/KEC；

MBN=(NF-NNF)/KEN。

式中：CF和NF为熏蒸样品的有机碳含量和有机氮含量（mg/kg），CNF和NNF为未熏蒸样品的有机碳含量和有机氮含量（mg/kg）；KEC和KEN为MBC和MBN的浸提系数（0.45）。

采用Excel 2019软件对数据进行整理，采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）；利用最小显著差异法（Least-significant difference，LSD）检验各指标间的差异显著性，采用Pearson相关系数分析确定土壤碳氮各组分之间的相关性，采用Origin 2021软件作图，图中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 2种人工林不同处理下土壤碳氮储量

湿地松林对照处理土壤碳储量低于尾巨桉林，但土壤氮储量大小与之相反（湿地松林＞尾巨桉林）；去除根系后，湿地松林土壤碳储量高于尾巨桉林，但土壤氮储量与之相反（尾巨桉林＞湿地松林）；去除枯落物后，湿地松林土壤碳、氮储量均低于尾巨桉林，但2种人工林去除根系或枯落物后土壤碳氮储量差异均未达到显著水平。在湿地松和尾巨桉人工林中不同处理碳储量大小分别表现为：RR＞CK＞RL，RL＞CK＞RR，氮储量大小分别表现为：CK＞RR＞RL，RL＞RR＞CK。2种林地土壤碳、氮储量和碳氮比对去除根系或枯落物处理的响应不同，与对照相比，湿地松林地去除根系后土壤碳储量增加4.19%，氮储量下降13.0%，去除枯落物后碳、氮储量下降了15.0%、20.4%；尾巨桉林地去除根系后土壤碳储量下降6.7%，氮储量增加9.83%，去除枯落物后土壤碳、氮储量增加16.6%、11.8%。两种林地土壤C/N为8.71～12.15，湿地松林地去除枯落物对土壤C/N影响显著，尾巨桉林地去除根系对土壤C/N影响显著（P＜0.05）。

2.2 不同处理下土壤可溶性有机碳氮和微生物量碳氮含量变化

从表2可以看出，湿地松人工林对照处理土壤可溶性有机碳氮和微生物碳氮含量均低于尾巨桉人工林；去除根系后，湿地松林土壤DON、MBC、MBN含量均高于尾巨桉林，但土壤DOC含量低于尾巨桉林；去除枯落物后，湿地松林土壤DOC、DON、MBN均低于尾巨桉林，但土壤MBC含量高于尾巨桉林。2种林地去除根系或枯落物后土壤DOC、MBC、MBN含量均低于对照处理，湿地松林地去除枯落物或根系后土壤DON含量增加，尾巨桉林地去除枯落物后土壤DON含量降低，去除根系后土壤DON含量增加。湿地松林地去除枯落物对土壤DOC、MBN含量影响显著（P＜0.05），去除根系对土壤MBC含量影响显著（P＜0.05）；尾巨桉林地去除枯落物对土壤DOC、MBC、MBN含量影响显著（P＜0.05），去除根系对土壤MBC、MBN含量影响显著（P＜0.05）。

图1 2种林分不同处理下土壤碳氮储量特征Fig.1 Characteristics of the soil carbon and nitrogen storage of the two plantations under different treatments

表2 不同处理下土壤DOC、DON、MBC、MBN储量特征Table 2 Soil DOC, DON, MBC and MBN accumulation characteristics under different treatments

2.3 不同处理下土壤矿质氮含量变化

从图2可以看出，对照处理下2种人工林土壤铵态氮含量表现为湿地松＞尾巨桉，硝态氮和矿质氮含量表现为湿地松＜尾巨桉，去除根系或枯落物后，湿地松林土壤铵态氮、硝态氮、矿质氮含量均高于尾巨桉林。在湿地松人工林中土壤铵态氮含量表现为RL＞CK＞RR，其中去除枯落物处理对土壤铵态氮含量有显著影响（P＜0.05）；硝态氮含量和矿质氮含量均表现为RL＞RR＞CK，去除枯落物处理的土壤硝态氮含量显著高于对照处理（P＜0.05）。在尾巨桉人工林中土壤铵态氮和矿质氮含量均表现为：CK＞RR＞RL，去除枯落物后土壤矿质氮含量显著低于对照处理（P＜0.05），土壤硝态氮含量表现为RR＞RL＞CK。根据硝态氮在矿质氮含量中所占的比重可以看出土壤硝化作用的强弱，湿地松和尾巨桉人工林中根系或枯落物去除均使硝态氮含量占矿质氮含量的比重升高，与对照相比，尾巨桉人工林土壤硝化作用对根系或枯落物去除的响应具有显著差异（P＜0.05），说明土壤硝化作用在根系或枯落物去除后表现明显。

图2 2种林分不同处理下土壤矿质氮储量特征Fig.2 The characteristics of soil mineral nitrogen accumulation of the two plantations under different treatments

2.4 不同处理下土壤碳氮各组分之间的相关性

相关分析结果表明（表3），不同处理下土壤可溶性有机碳与可溶性有机氮、微生物量碳、微生物量氮之间呈极显著正相关关系，与硝态氮呈显著正相关；土壤可溶性有机氮与微生物量碳之间呈极显著正相关，与微生物量氮呈显著正相关；微生物量碳与微生物量氮、硝态氮、铵态氮呈显著正相关；铵态氮、硝态氮与DOC、DON、MBN之间均无显著相关性，其他指标之间也无显著相关。

表3 不同处理下土壤碳氮与各指标相关关系†Table 3 Correlation between soil carbon, nitrogen and various indicators under different carbon inputs

3 讨 论

3.1 不同处理方式对滨海沙地湿地松、尾巨桉人工林土壤碳氮储量的影响

本研究中，湿地松和尾巨桉林地土壤碳氮储量差异较小，2种人工林对照组土壤碳氮储量范围分别为5.15～5.50和0.49～0.55 t/hm2，与柳叶等[13]在沙地樟子松人工林中的研究结果和张书齐等[14]在海南岛海岸带沙地土壤中的研究结果相似；与弓文艳等[15]在抚顺市辽东棕壤、暗棕壤中的研究结果（碳储量为89.89～112.94 t/hm2）、张智勇等[16]在陕北黄绵土中的研究结果（不同植被类型土壤有机碳储量介于41.11～74.76 t/hm2）和李智超等[17]在江西省地带性低山丘陵红壤、黄壤类型及其亚类中的研究结果（碳氮储量分别为60.97～85.38和4.62～5.83 t/hm2）差异较大。结果表明，沙地土壤碳氮储量明显低于内陆森林土壤，其原因可能与滨海沙地的土壤特性有关，砂质土壤土质疏松，团粒结构难以形成，物理性沙粒占比高达90%以上，土壤孔隙大渗透性强，养分极易被雨水淋溶损失，导致沙地土壤碳氮储量低[18]。

尾巨桉林对去根处理的响应表现为碳储量下降，氮储量增加，土壤碳表现特征与Lajtha 等[19]在长达20 a的DIRT试验中的结果（碳含量约下降9%）一致，植物根系主要通过分泌物和死亡分解等方式向土壤输入有机碳，对土壤碳素积累起着重要作用，去除根系后土壤活性碳输入减少，土壤碳储量下降。土壤氮表现特征与Ross等[20]在新西兰海岸沙地辐射松人工林中的试验结果（氮含量增加）一致，去除根系会减少土壤碳输入，导致硝化作用增强，氮含量增加。去除枯落物使湿地松林地碳氮储量下降，这与Janos等[21]的研究结果（在0～15 cm深土壤有机碳、有机氮含量都有所下降）一致，地表枯落物是土壤有机质的主要来源之一，去除后土壤碳源输入减少，枯落物分解产生的氮元素含量也减少，还会降低土壤保水能力，使土壤养分易以地表径流的方式损失，导致土壤碳氮储量下降。尾巨桉林碳氮储量增加，这与Wan等[22]的研究结果（土壤全碳和全氮含量增加）一致，去除枯落物后地表腐殖质层水热因子发生改变，会加快腐殖质层的分解矿化速率，虽然隔绝了新的枯落物与土壤接触，但原有腐殖质层仍能为表层土壤提供大量有机质，导致林地土壤碳储量增加。2种人工林营建在同一采伐迹地上，采取相同的抚育管理措施，其立地条件、气候状况、抚育施肥量等因子均相同，试验处理时长也相同，但去除根系或枯落物后对2种人工林土壤碳氮储量的影响不同，这可能与树种养分周转速率有关，湿地松和尾巨桉枯落物的数量、质量和根系分泌物量以及林地土壤微生物的代谢产物等均有差异。Kotroczó等[23]在SIK森林中去除根系或枯落物（第1年和第2年）使土壤有机碳、氮含量和C/N降低；Yano等[24]在蓝桉人工林中去除枯落物没有引起土壤总有机碳的变化。以上研究结果表明改变地上、地下碳输入方式会使土壤碳氮储量发生改变，但不同类型森林生态系统土壤碳氮储量对去除根系或枯落物的响应不同，其结果会受林分特征（立地条件、林下植被、树种组成、林龄、土壤原有状态等）和处理方式（如强度、时间、频次等）影响。

3.2 不同处理方式对滨海沙地湿地松、尾巨桉人工林土壤DOC、DON的影响

尾巨桉人工林土壤DOC和DON含量高于湿地松林，这与Burton等[25]的研究结果一致，他们发现阔叶林DON含量要高于针叶（南洋杉）人工林；与胡宗达等[26]的研究结果一致，他们在川西亚高山3种天然次生林中发现阔叶树种林分土壤活性有机碳、氮含量均比针叶树种林分高。针叶林枯落物中的纤维素和木质素含量高于阔叶林（枯落物分解速度表现为：尾巨桉＞湿地松），不同林地树种可溶性有机碳、氮大小跟有机质输入数量和质量以及相关微生物转换过程有关，枯落物质量和数量对土壤有机碳、氮含量及组分的影响较大。尾巨桉林下枯落物分解较快，可以促进土壤养分循环和提高土壤养分状况。湿地松林下有约15～20 cm厚的枯落物层，分解速度较慢，腐殖化程度差，腐殖质层较薄，会影响土壤微生物数量和活性。在同一气候和土壤类型背景下，土壤活性碳氮含量、有机态碳氮稳定性以及生物固氮能力会受到树种群落结构的影响[25]，造成土壤中DOC、DON含量出现差异，这也就解释了为什么尾巨桉林地土壤可溶性有机质含量比湿地松林地高。

土壤可溶性有机碳氮主要来源一般有枯落物分解产物、根系分泌物、死亡根系分解产物以及腐殖质土壤等。在本研究中，湿地松林和尾巨桉林去除枯落物或根系后土壤DOC含量均有所下降，2种人工林去除枯落物后DOC含量分别下降了21.5%和37.7%，去除地表枯落物后，会减少土壤有机质输入和枯落物分解的中间产物，从而导致DOC含量降低。在相同试验处理下其他森林生态系统的降幅要小于本研究结果，去除根系对其影响不明显。说明枯落物对滨海沙地森林生态系统地下易变性有机碳的影响较大，且枯落物的养分归还在维持森林生态系统土壤碳循环中起着重要作用。湿地松林和尾巨桉林去除根系后土壤DON含量均有所升高，其中湿地松人工林表现显著，这与Paavolainen等[27]在欧洲云杉林中的研究结果一致，发现土壤氮循环过程改变与单萜物质（抑制土壤硝化作用）和根系分泌的化感物质（抑制土壤氮循环）有关，导致去除根系后土壤DON含量增加，另外去除根系后土壤中原本被根系吸收的有效态氮得以保留也可能是造成这一现象的原因。与Lajtha等[28]在Andrews温带森林中的试验结果（去除根系后森林土壤DON含量显著下降）不同，推测根系可能是温带森林可溶性有机氮生产的主要贡献者。以上研究结果说明不同植被类型、气候以及土壤原有状态等都是不同碳输入处理下土壤活性碳氮含量出现差异的原因。

3.3 不同处理方式对滨海沙地湿地松、尾巨桉人工林土壤MBC、MBN的影响

去除根系或枯落物会减少土壤中微生物数量、种类，影响微生物活性和改变其群落结构，使土壤有机碳和养分有效性发生改变进而影响土壤碳氮循环和养分转化。土壤微生物在养分转化和循环中起着重要作用，微生物量的细微变化就会对土壤碳氮库的有效性产生影响。尾巨桉林中MBC和MBN含量显著高于湿地松林，与对照相比，枯落物去除使2种人工林MBN含量显著降低，去除根系后2种人工林MBC和MBN含量下降，这可能是因为去除根系或枯落物会减少真菌和细菌的总生物量，土壤真菌和细菌比例降低引起土壤微生物群落结构组成发生改变，导致土壤MBC和MBN含量下降。这与Saye等[29]在中美洲低地热带森林、Li等[30]在热带次生林和加勒比松、Li等[31]在热带森林、Feng等[32]在亚热带季风林的研究结果（土壤微生物量碳、氮含量降低）一致。与前人研究结果比较发现，森林土壤MBC、MBN含量对去除根系和枯落物的响应程度不同，改变地上、地下碳输入对土壤MBC、MBN的影响因树种而异，还与不同森林生态系统类型、不同处理时长以及不同季节等有关。

3.4 不同处理方式对滨海沙地湿地松、尾巨桉人工林土壤氮组分的影响

在本研究中，2种人工林铵态氮含量均高于硝态氮，可能是因为滨海沙地降雨较频繁，且年降雨量大，使土壤中带负电的硝态氮更易被雨水淋溶流失，硝态氮还会通过反硝化作用转化成易于挥发的气体而损失。去除根系后2种人工林的硝态氮含量比铵态氮含量变化明显，增加了硝态氮在矿质氮中的比重，这与Foster等[33]在Harvard森林中的研究结果（去除根系处理5 a后土壤净氮矿化率降低，但硝化速率明显增高）一致。可能是因为去除根系后解除了根系分泌酚类物质和有机酸对硝化作用的抑制，促进铵态氮向硝态氮转化，且挖壕沟法会降低碳的可用性，使土壤硝化作用增强。还可能与湿地松和尾巨桉是速生树种有关，树种快速生长对土壤中速效养分吸收较快，导致铵态氮含量降低。另一方面地下根系是吸收氮的主要器官，植物根系去除后土壤硝态氮的输出被阻断，同时切断了植物体向土壤传输物质和能量的通道，导致土壤微生物分泌多酚氧化酶等来加速降解枯落物中难以分解的木质素和单宁等有机物质[4]，以弥补根系切断后减少的碳输入来维持自身生长，加快转化成矿质氮的速度，湿地松林去除根系后土壤矿质氮含量明显高于对照的原因主要是矿质氮转化量要大于原本根系输出的矿质氮量。

枯落物去除改变了枯落物层土壤中的有机碳和养分有效性，导致土壤养分发生变化。在本研究中，2种人工林去除枯落物处理对土壤矿质氮含量的影响不同，这与不同树种枯落物的养分元素、分解速率快慢有关。尾巨桉林去除枯落物处理使铵态氮和矿质氮含量下降，其中，对矿质氮的影响达到显著水平。尾巨桉枯落物中的木质素较少，容易被微生物降解，是土壤矿质氮的重要来源，枯落物去除会减少土壤中的异变性有机质（氮来源减少），使土壤微生物的活性下降，降低其对矿化和转化氮的能力，土壤变得贫瘠。其次，枯落物去除后地表直接暴露在光照和雨水下，对土壤温湿度的影响较大，导致微生物的生存环境被恶化活性降低。湿地松林去除枯落物后铵态氮、硝态氮显著升高，这可能是因为湿地松枯落物的C/N较高、质量较差，分解速度慢，在土壤中形成高C/N的酸性腐殖质层会产生抑制硝化作用的物质，且湿地松针叶中的单宁、木质素等次生代谢产物会抑制土壤微生物生长，使分解速率变慢，以上两点都会降低土壤硝化和净氮矿化速率[4]，枯落物去除后解除了对土壤的抑制作用，使土壤中的NH4+-N, NO3--N含量升高。2种人工林去除枯落物后土壤硝态氮在矿质氮中的占比增大，其中在尾巨桉林中表现明显，说明土壤硝化作用增强。枯落物去除后表层土壤通气状况良好，为硝化作用提供足够的O2，有利于硝化作用的进行。

此外，森林土壤对改变植物根系或枯落物的响应存在长期性，控制有机质输入对土壤DOC、DON、MBC、MBN的影响因处理时间长短而异，一年的观测对土壤碳氮变化的研究可能不够深入和全面，还需继续观测以分析长期不同处理对森林土壤碳氮库产生的影响以及土壤中微生物酶活性的变化，来阐明植物根系和枯落物在短期和长期时间尺度上对土壤碳氮动态的控制，为更全面地了解全球变化背景下沿海防护林土壤碳氮库和碳氮循环的响应机制提供参考依据。

4 结 论

对滨海沙地土壤进行为期一年的改变地上、地下碳输入试验，分析2种人工林土壤碳氮储量、DOC、DON、MBC、MBN含量以及氮组分（NO3--N、NH4+-N）含量对去除根系或枯落物处理的响应，发现改变碳输入会直接或间接影响土壤碳氮库和碳氮循环过程，地下根系、地表凋落物、土壤底物和微生物的交互作用及其协同作用对土壤碳氮循环及其稳定性具有明显影响，凋落物和根系是植物体影响碳氮周转的关键。受环境因素影响滨海地区人工林生态系统相比内陆森林生态系统更加脆弱，在营林过程中要减少人为干扰，保证凋落物的自然归还和根系的自然生长才能更好地发挥出森林的生态价值。本研究以期为更好地评价滨海地区人工林的稳定性及其生态功能提供理论和数据支持。