沿海基巖質海岸防護林不同林分類型土壤有機碳礦化研究

高智慧，張曉勉，岳春雷，張 勇，陳賢田，林 蔭，王 泳，郭曉平，王 珺，張金池*

（1. 浙江省林業技術推廣總站，浙江 杭州 310020；2. 南京林業大學，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州310023；4. 浙江省林業生態工程管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三門縣林業特產局，浙江 三門 317100）

沿海基巖質海岸防護林不同林分類型土壤有機碳礦化研究

高智慧1，張曉勉2,3，岳春雷3，張 勇4，陳賢田5，林 蔭2，王 泳3，郭曉平2，王 珺3，張金池2*

（1. 浙江省林業技術推廣總站，浙江 杭州 310020；2. 南京林業大學，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州310023；4. 浙江省林業生態工程管理中心，浙江 杭州 310020；5. 浙江省三門縣林業特產局，浙江 三門 317100）

以浙江省沿海基巖質海岸防護林的 3種主要林分類型濕地松（Pinus elliottii）純林、楓香（Liquidambar formosana）純林、濕地松+楓香混交林作為研究對象，并選擇無林地作對照，對其土壤有機碳礦化進行測定研究。結果表明：4種林分類型土壤有機碳礦化動態在整個培養過程，可分為快速下降期，緩慢下降期和相對穩定期 3個階段；對整個培養過程中不同林分類型土壤有機碳日均礦化量進行擬合，其變化趨勢符合對數函數；對4種林分類型土壤有機碳礦化速率進行聚類分析得出，楓香+濕地松混交林0 ~ 20 cm土壤有機碳礦化速率最高，楓香純林0 ~ 20 cm、濕地松純林0 ~ 20 cm土壤有機碳礦化速率次之，楓香純林20 ~ 40 cm、濕地松純林20 ~ 40 cm、楓香+濕地松混交林20 ~ 40 cm土壤有機碳礦化速率一般，無林地0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤有機碳礦化速率最低。說明土壤有機碳礦化速率隨著土層的增加遞減，表層土壤敏感性最強。

沿海防護林，基巖質海岸，土壤有機碳礦化，土壤有機碳礦化速率

土壤有機碳礦化是土壤生物通過自身活動、分解和利用土壤中活性有機組分來完成自身代謝，同時釋放出CO2的過程，直接關系到土壤中養分的釋放與供應及溫室氣體的形成等[1]。目前我國土壤有機碳礦化研究多在林地[2]、水稻土[3]、沙地[4]和濕地[5~6]地區，但針對沿海防護林體系土壤碳庫特別是基巖質海岸沿海防護林土壤有機碳礦化的報道還不多見。

沿海防護林體系是我國東部沿海地區重要的生態屏障，在我國生態環境建設和全球氣候變化研究中具有重要的地位。本文主要研究浙江省基巖質海岸沿海防護林體系主要林分類型土壤有機碳礦化速率、累計礦化量等內容，旨在分析浙江省基巖質海岸沿海防護林體系土壤有機碳礦化規律，系統認識該類森林體系土壤有機碳礦化特征，為進一步揭示沿海防護防護林體系土壤碳“匯”功能的變化以及全球碳循環過程中的作用等方面提供理論基礎。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及樣品采集

在研究區內選擇濕地松（Pinus elliottii）純林、楓香（Liquidambar formosana）純林、濕地松+楓香混交林3種有代表性的沿海防護林類型作為研究對象，并選擇無林地作對照。在這4種不同類型從分中分別設置20 m ×20 m的標準樣地進行調查。在每一種林分內的典型地段挖土壤剖面，分0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm兩個層次采集土壤樣品進行室內試驗。

2.2 樣品分析

土壤有機碳礦化量的測定采用室內恒溫 、堿液吸收法[7]進行測定。將30 g新鮮土壤放在50 mL的密封廣口瓶中，調節土壤含水率至45%左右，然后在廣口瓶中放置一個盛有1 mol/L NaOH溶液15 mL的小瓶，并在廣口瓶底部加入15 mL蒸餾水以保持瓶內濕度，在25℃的恒溫箱中密封培養。在培養的第7、第14、第21、第28、第35 天取出NaOH溶液，從中吸取5 mL于小燒瓶中，加入1 mol/L的BaCl2溶液2.5 mL，加2滴酚酞指示劑，用1 mol/L的HCl滴定至紅色消失。根據CO2的釋放量計算培養期內土壤有機碳礦化量。土壤有機碳的礦化量用CO2g/kg干土表示。用稱重法校正水分含量，每次處理設3次重復和空白對照。

3 結果與分析

3.1 不同林分類型土壤有機碳礦化速率

土壤有機碳礦化速率為每天每 kg干土釋放的CO2-C的質量，單位g/（kg·d）[8]。不同類型土壤由于其有機碳含量、有機質穩定性和質量等的差異，有機碳礦化速率不同。在培養初期，林分類型不同土壤有機碳礦化速率有顯著影響，但隨著培養時間的增加，差異逐漸變小，礦化速率基本穩定。

圖1 不同林分類型土壤有機碳礦化速率動態Figure 1 Dynamics of SOC mineralization under different forests

由圖1可看出，土層0 ~ 20 cm處4種林分類型土壤0 ~ 7 d時的礦化速率最

3.2 不同林分類型土壤有機碳礦化動態高，其中楓香+濕地松混交林土壤有機碳礦化速率達到0.19 g/（kg·d），顯著高于其他3種林分類型土壤；楓香純林土壤有機碳礦化速率次之，為0.15 g/（kg·d），濕地松純林土壤有機碳礦化速率第3，為0.14 g/（kg·d），無林地最低，為0.12 g/（kg·d），約為楓香+濕地松混交林的63%。至第14天時，4種林分類型土壤有機碳礦化速率均值為0.1 g/（kg·d），是第7天時均值的71%。28 d后，土壤有機碳礦化速率趨于基本穩定，保持在開始時的38%左右。對于不同土層而言，在0 ~ 7 d 4種不同林分類型土壤有機碳礦化速率20 ~ 40 cm比0 ~ 20 cm低，均值低15%，在整個35 d培養過程中，土壤20 ~ 40 cm礦化速率均值比0 ~ 20 cm低28%。

土壤有機碳礦化動態是土壤有機碳日均礦化量隨著培養時間的變化關系，用釋放出CO2的量表示，可以表征在培養過程中不同時間有機碳礦化快慢的高低[9]。

4種林分類型由于植被類型不同，在枯落物、植物根系等方面就不同，導致土壤有機碳、微生物以及酶活性等方面出現差異，土壤有機碳礦化規律也不同。

從不同林分類型土壤培養35 d，有機碳礦化隨培養時間的動態變化（圖 1）可以看出，培養過程中，同林分類型土壤有機碳礦化動態變化有類似規律，隨著培養時間的延長，有機碳的日均礦化量前期（7 ~ 14 d）較大但不穩定，有大幅度的下降；隨著時間的延長（14 ~ 21 d）日均礦化量均有一定程度的減少，但減少幅度較小；培養后期，有機碳礦化保持相對穩定狀態。整個培養過程，土壤有機碳礦化可分為快速下降期，緩慢下降期和相對穩定期3個階段。總體來看，培養期間不同林分類型土壤有機碳日均礦化量的變化符合對數函數見表1。

表1 不同林分類型土壤有機碳礦化動態的擬合方程Table 1 Fitting equation for SOC mineralization under different forests

3.3 不同林分類型土壤有機碳礦化速率綜合評價

為了對不同林分類型不同土層土壤有機碳礦化速率進行綜合評價，對不同林分類型0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm兩個土層第7、第14、第21、第28、第35 d土壤有機碳累計礦化速率運用 SAS軟件進行聚類分析，結果見表圖2。

由聚類分析可以看出，4種不同的植被類型2個土壤層次土壤有機碳礦化速率可以分為4類，其中，楓香+濕地松混交林0 ~ 20 cm歸為一類，土壤有機碳礦化速率最高；楓香純林0 ~ 20cm、濕地松純林0 ~ 20 cm歸為一類，土壤有機碳礦化速率較高；楓香純林20 ~ 40 cm、濕地松純林20 ~ 40 cm、楓香+濕地松混交林20 ~ 40 cm歸為一類，土壤有機碳礦化速率一般；無林地0 ~ 20 cm和無林地20 ~ 40 cm歸為一類，土壤有機碳礦化速率最低。

圖2 不同林分類型不同土層土壤有機碳礦化速率聚類圖Figure 1 Dendrogram of SOC mineralization rate at different soil layer under different forests

4 結論與討論

（1）土壤有機碳的去向有兩個方面，一方面通過礦化或呼吸作用分解形成CO2，釋放到大氣中或在水循環的參與下通過碳酸鹽的溶蝕作用被消耗，另一方面是經過腐殖質化作用轉化為與鈣緊密結合的穩定胡敏酸鈣[10]，或者形成穩定的團聚體變成更穩定的部分，降低土壤的淋溶強度，增加土壤有機碳的穩固性，有利于土壤有機質的累積，從而減少土壤有機碳因為分解向大氣中釋放CO2的數量。其中，經過礦化分解釋放的有機碳一般是易分解的有機碳或活性有機碳。測定土壤有機碳礦化釋放CO2-C的主要方法是室內土壤需氧培養法，這種方法培養土壤，溫度和濕度得到有效控制，并且沒有有機碳的輸入和淋溶輸出，所以培養過程中CO2的釋放趨勢和強度可以反映在一定溫度和濕度條件下不同類型土壤有機碳的穩定性和周轉速率的差異[11]。

（2）4種林分類型土壤有機碳礦化動態隨著培養時間的延長，前期（7 ~ 14 d）較大但不穩定，有大幅度的迅速下降；隨著時間的延長（14 ~ 21 d）日均礦化量有一定程度的減少，但減少幅度較小；培養后期，有機碳礦化保持相對穩定的狀態。對整個培養過程中不同林分類型土壤有機碳日均礦化量進行擬合，其變化趨勢符合對數函數。原因可以解釋為，在培養過程中，微生物優先利用結構簡單、活性高的有機組分，這表現為培育初期土壤有機碳礦化速率相對較高；隨著培育時間的延長，活性底物消耗，微生物呼吸強度減弱，表現為土壤有機碳礦化速率緩慢下降；在培育后期，微生物以土壤中結構復雜的有機物質作為代謝底物，表現為有機碳礦化速率保持相對穩定趨勢[11]。也有研究表明，土壤中有機碳根據其穩定性高低，可分為活性碳庫、緩效性碳庫和惰性碳庫[12]。在不同培養階段，微生物依次利用活性有機碳、緩效性有機碳和惰性有機碳為底物進行代謝活動，這與土壤有機碳礦化不同階段相對應。

（3）土壤有機碳礦化速率是土壤碳分解速率的重要表征指標，在相同條件培養下，4種林分類型土壤礦化速率各不相同。影響土壤有機碳礦化的因子較多，如土壤有機質質量、土壤微生物、溫度、濕度和土地利用方式等。本研究中楓香+濕地松混交林0 ~ 20 cm土壤有機碳礦化速率最高；楓香純林0 ~ 20 cm、濕地松純林0 ~ 20 cm土壤有機碳礦化速率次之；楓香純林20 ~ 40cm、濕地松純林20 ~ 40 cm、楓香+濕地松混交林20 ~ 40 cm土壤有機碳礦化速率一般。從這個分類可以看出，對于不同土層而言，3種防護林類型0 ~ 20 cm土層有機碳礦化率大于20 ~ 40 cm土層。這是由于表層土壤受土壤微生物、土壤溫度、土壤濕度等因子的影響相對較大，導致其礦化速率較高。說明在受到氣候影響和人類活動的干擾下，表層土壤敏感性最強。因此在基巖質海岸區建設針闊混交的防護林，可以提高土壤表層有機質的輸入，加強腐殖質的積累，提高有機質的含量，這對增加土壤肥力，減少土壤向大氣釋放CO2是有利的。

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Study on Soil Organic Carbon Mineralization under Different Rocky Coastal Protective Forests

GAO Zhi-hui1，ZHANG Xiao-mian2,3，YUE Chun-lei3，ZHANG Yong4，CHEN Xian-tian5，LIN Yin2，WANG Yong3，GUO Xiao-ping2，WANG Jun3，ZHANG Jin-chi2*
（1. Zhejiang Forestry Extension Station, Hangzhou 310020, China; 2. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 4. Zhejiang Forestry Ecological Engineering Administration, Hangzhou 310020, China; 5. Sanmen Forestry Specialty Bureau of Zhejiang, Sanmen 317100, China）

Investigations were implemented on soil organic carbon(SOC) mineralization under 3 types of coastal protective forest in Zhejiang province. The result demonstrated that SOC mineralization process of tested forest types was similar and could be divided into three stages: rapid decomposition phase, slow decomposition phase and relatively stable stage, fitting a logarithmic function. Cluster analysis on mineralization rate of tested forests indicated that SOC mineralization rate was ordered by mixed forest of Pinus elliottii and Liquidambar formosana (0-20cm), pure L. formosana (0-20cm) and pure P. elliottii plantation(0-20cm), pure L. formosana and P. elliottii plantation(20-40cm), mixed forest of P. elliottii and L.formosana (20-40cm), and the last, the control, non-stocked land(0-20cm) and (20-40cm). The investigation resulted that SOC mineralization rate decreased with soil depth.

coastal protective forest; rocky coast; SOC mineralization; SOC mineralization rate

S714.6

A

1001-3776（2013）05-0006-04

2013-05-11；

2013-07-25

防海岸帶侵蝕沿海基巖質海岸防護林體系研究與示范（2009BADB2B0603）；浙江省重點科技創新團隊“森林生態科技創新團隊”資助項目（2011R50027）；城市濕地植被修復關鍵技術研究與示范（2013F50G5010018）；浙江省林業廳推廣項目“基于地理信息系統的海島困難立地造林技術綜合集成與推廣”（2013TG28）

高智慧（1960-），男，浙江紹興人，研究員，從事森林生態研究；*通訊作者。