黃河三角洲鹽堿地不同混交林土壤可溶性有機碳氮的研究

陳印平，夏江寶，曹建波，王進闖

（1.濱州學院 山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室，山東 濱州256603；2.濱州學院，山東 濱州256603；3.中國科學院 成都生物研究所，四川 成都610041）

森林土壤有機碳庫儲量的微小變化，可顯著地引起大氣CO2濃度的改變，土壤可溶性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）的生物有效性極高，是土壤有機質的重要組分，也是陸地生態系統中極為活躍的有機碳組分及物質交換的重要形式［1］，對生態系統土壤養分的有效性和流動性等有直接的影響。土壤可溶性有機碳占土壤有機碳總量的比例較小，但可直接參與土壤生物化學轉化過程，也是土壤微生物活動能源和土壤養分的驅動力［2］，因此，可與土壤微生物生物量和土壤酶活性等一起作為土壤健康的生態指標，評價退化生態系統的恢復進程，從而指導生態系統管理［3］。近年來，擁有中國人工刺槐林面積最大的黃河三角洲地區，刺槐人工林出現了大面積枯梢，甚至成片死亡的退化現象，嚴重影響了黃河三角洲鹽堿地土壤的改良和人工林的生態功能。目前，大多數研究集中在黃河三角洲人工林的土壤可溶性氮含量、造林模式、林分配置、林冠健康及其土壤水鹽動態、土壤理化性狀等方面［4－7］。研究發現，黃河三角洲不同林地改造模式下，刺槐人工林土壤可溶性氮含量高于楊樹和白蠟林，而刺槐混交林土壤酶活性及養分等土壤性狀優于刺槐純林。土壤可溶性有機碳可反映林地土壤中潛在活性養分含量和周轉速率、表征土壤碳平衡和生物學肥力，那么在不同造林模式下土壤可溶性有機碳含量是否發生變化？其變化是否影響林分的配置模式及土壤其他理化性狀？相關研究還未見報道。

因此，本研究以黃河三角洲鹽堿地刺槐純林、刺槐＋白蠟、刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林四種人工林為對象，通過比較不同人工刺槐純林與混交林土壤DOC含量的變化特征和差異性，分析土壤理化指標與DOC的相關關系以及不同植被類型對DOC的影響，以期為完善刺槐人工林可持續經營的理論體系及鹽堿地土壤的改良提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于山東省東營市河口區，該區位于山東省北部黃河三角洲地區，屬于暖溫帶半濕潤地區，大陸性季風氣候，年均氣溫12.1℃，無霜期長達201d，≥10℃的積溫約4 200℃，年降水量500～600mm。試驗區土壤為沖積性黃土母質在海浸母質上沉淀而成，機械組成以粉沙為主，沙黏相間，層次變化復雜。試驗區主要造林模式有刺槐（Robinia pseudoacacia）林、白蠟（Fraxinus chinensis）林、楊樹（Populus euramericana）林、檉柳（Tamarix chinensis）林、刺槐＋白蠟（Robinia pseudoacacia＋Fraxinus chinensis）混交林、刺槐＋白榆（Robinia pseudoacacia＋Ulmus pumila）混交林、刺槐＋臭椿（Robinia pseudoacacia ＋Ailanthus altissima）混交林等，天然植被以鹽生、濕生的禾本科蘆葦（Phragmites australis）、白茅（Imperata cylindrica）以及翅堿蓬（Suaeda heteroptera）為主。

1.2 樣品采集

2008年7月中旬，在試驗區內選擇造林時間及管理措施相同，株行距3m×3m的26年生人工刺槐純林（CHL）、刺槐＋白蠟混交林（CBL）、刺槐＋白榆混交林（CBY）、刺槐＋臭椿混交林（CCC）4種林分類型。4種林地的土壤理化性質見表1，植被狀況見表2。在每個林分類型內分別設置3個30m×30m的樣地，按“S”型設5個取樣點，分表層0—5cm的腐殖質層、除去腐殖質層在土壤0—20，20—40cm兩層進行采樣，將相同土層樣品混合，低溫保鮮帶回實驗室。部分土壤樣品過2mm篩后在4℃下保存，用于測定pH值、全鹽量、有效磷、速效鉀和可溶性全氮（TSN）；另一部分風干過0.25mm篩用于分析測試土壤的全氮（TN）和土壤總有機碳（TOC）。

表1 4種人工林土壤肥力狀況

表2 樣地植被基本概況

1.3 測定方法

pH值采用電位法測定，可溶性鹽采用質量法測定，土壤總有機碳用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法，可溶性總氮（TSN）和可溶性有機碳（DOC）采用水浸提法（水土比10∶1）用儀器Liqui TOC II測定浸提液，全氮和碳用元素分析儀（VARIO EL III），有效磷用鉬銻抗比色法測定，速效鉀用火焰光度計測定。

1.4 數據處理

采用SPSS 11.5和Excel對數據進行統計及單因素方差分析（ANOVA）和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 各林分DOC含量

由圖1可知，4種林型的腐殖質層DOC的平均含量為219.67mg／kg，顯著大于0—20和20—40cm層土壤（p＜0.05），其中刺槐＋臭椿混交林腐殖質層的DOC含量最高，為257.70mg／kg，是刺槐＋白蠟混交林的1.3倍，而0—40cm層土壤DOC含量在92.62～158.78mg／kg，其中最高的是刺槐＋白蠟混交林0—20cm的土壤，為158.78mg／kg。這可能是因為該層土壤有機質含量（3.47%）高（表1），腐殖質層DOC向下層移動，使0—20cm層土壤的DOC含量高于其他林型，而20—40cm的土壤孔隙度較高（表1），土壤DOC易向下層遷移，致使20—40cm層土壤的DOC含量較其他林型同層土壤的含量低。

圖1 各林型土壤可溶性有機碳（DOC）

土壤DOC主要來自于土壤的腐殖質、植物殘體、根系分泌物及微生物的代謝產物等［8］。綜合分析，4種林型土壤各層土壤DOC含量由高到底依次為刺槐＋臭椿混交林＞刺槐＋白榆混交林＞刺槐純林＞刺槐＋白蠟混交林，表明刺槐＋臭椿混交林土壤的性質優于其他林地。

2.2 各林分土壤氮和可溶性總氮

由圖2可知，刺槐＋臭椿混交林腐殖質層TSN含量較其他三種林型高，為55.80mg／kg。而在0—20和20—40cm土層刺槐＋白蠟混交林的TSN含量最低，分別為23.58和19.21mg／kg，最高的為刺槐＋臭椿混交林為35.07和34.38mg／kg，其次為刺槐＋白榆混交林，刺槐純林土壤TSN含量比刺槐＋白蠟混交林高，而低于臭椿、白榆與刺槐的混交林。由此可見，刺槐＋臭椿和刺槐白榆混交林土壤TSN含量較其他兩種林型高。

圖2 各林型土壤可溶性總氮（TSN）

各林型土壤總氮的含量在0.02%～0.11%（表1，圖3），其含量較其他林地土壤含量低［9－10］，可能因為該區域為鹽堿地土壤，相對比較貧瘠。在腐殖質層，刺槐＋臭椿混交林土壤TN含量最高，最低的為刺槐＋白蠟混交林，而0—20和20—40cmTN含量最高，TSN含量則最低，TN由可溶性和不溶性的兩部分組成，土壤的物理性狀和腐殖質層的分解速率影響氮的遷移和轉化，刺槐＋白蠟混交林土壤的容重大，孔隙度低，腐殖質層TN含量在4種林型中最低，這些因素可能限制了土壤氮的轉化和遷移。

綜合分析比較4種林型各層土壤TN和TSN含量，腐殖質層顯著高于其他兩層（p＜0.05），并隨著土層的加深而降低（圖2—3），因此，在人工林管理過程中，應該重視腐殖質在人工林生態系統中的作用，特別注意保護刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林土壤的表層，防止腐殖質流失。

圖3 各林型土壤全氮（TN）

2.3 不同元素的比例關系

土壤中的C，N，P組成決定了能量流動和物質循環，土壤C／N比值與有機質分解、土壤呼吸等密切相關［11］，土壤及植物的N和P共同決定著生態系統的生產力，因此土壤營養元素間的比例關系是土壤有機質組成和土壤質量的一個重要指標。分析黃河三角洲不同林型土壤的C／N比以及可溶性總氮與有效磷的比值關系發現，4林型土壤的C／N比范圍在19.52～54.61（表3），平均為34.08，較中國土壤（250cm深）C／N 比平均比11.9高186%［12］，可能是因為本研究分析的土壤深為40cm，而11.9的比值是土壤250cm深層次的平均值，隨著土層的加深，其比值隨之下降。刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林0—40cm層土壤有較高的C／N比（表3），表明兩林地可能擁有豐富的潛在碳源。

土壤TSN與有效磷的平均比值為1.94（表3），較中國土壤的平均比值5.2低［12］。本研究分析了植物易于吸收的可溶性氮和有效磷的比值，而中國土壤的研究是基于全氮及全磷的分析，因此所得比例小于全國土壤的比值。土壤中的氮磷是植物生長所必需的礦質營養元素和生態系統中最常見的限制性元素，二者之間具有重要的相互作用，并在植物體內存在功能上的聯系。黃河三角洲人工林土壤可溶性氮和有效磷的比值低，可供植物吸收利用的營養元素受到限制，因此人工林可能因土壤營養元素的供給不足而使其生長發育受到限制。人工林地退化的具體原因還需進一步研究。

表3 不同元素間的比例關系

分析4種林型各層土壤TSN／N和DOC／TOC的百分比隨土壤深度無明顯的變化規律。刺槐＋白蠟混交林0—20cm層土壤TSN占N的百分含量較低為3.92%；而其他三種林型0—20cm層土壤的百分含量較同林型腐殖質層和0—40cm層高，表明刺槐＋白蠟混交林上層土壤可供植被吸收利用的可溶性氮較低。土壤DOC含量一般不超過土壤有機碳總量的2%［13］，本研究的結果顯示，不同林型和土層內DOC占TOC的百分含量在0.33%～1.01%，其平均百分含量為0.72%，比不同栽植代數杉木人工林土壤（平均百分含量為0.58%）［9］和紅松闊葉混交林土壤DOC／TOC（平均百分含量為（0.10%）高。在刺槐＋白榆混交林和刺槐＋臭椿混交林中，0—20和20—40cm層土壤DOC／TOC含量顯著高于腐殖質層（p＜0.05），而刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林則相反。

3 結論與討論

（1）不同林型土壤可溶性有機碳分析。可溶性有機碳是有機碳的活性組分，具有易流動、易分解、生物活性較高等特點，在提供土壤養分方面起著重要的作用。森林土壤的可溶性有機碳的含量一般不超過200mg／kg［14］，本研究的結果也表明，4種人工林土壤的DOC含量范圍在92.62～178.54mg／kg，與王清奎等［9］對人工林的研究結果較接近。土壤TSN和DOC含量由高到低依次為：刺槐＋臭椿和刺槐＋白榆混交林＞刺槐純林＞刺槐＋白蠟混交林，從0—40cm層土壤可溶性有機碳和氮來看，以刺槐純林為對照，白榆和臭椿的植入均有利于刺槐林土壤性狀的改善，其土壤含鹽量與pH值有不同程度的下降，土壤孔隙度略有增加，土壤容重下降（表1），有利于植物根系的伸展和生長。此外，土壤碳氮儲存能力與凋落物的量與分解速率也密切相關［15］，凋落物質量影響凋落物的分解及營養元素的歸還。在刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林內，林下植被相對豐富，凋落物較刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林多。刺槐＋白榆混交林中土壤呼吸速率較高，微生物活性強［16］，并且葉中氮含量高［17］，凋落物具較低的C／N比，有利于微生物對凋落物的分解，使土壤中的碳氮及時得到補充，DOC和TSN的含量高。而白蠟葉片表面有蠟質，分解緩慢，使刺槐＋白蠟混交林土壤中的可溶性碳含量低，因此刺槐與白榆和臭椿混交有利于土壤的改良。

（2）可溶性有機碳與土壤理化指標的關系。混交林土壤性狀較純林土壤有所改善，分析土壤DOC與其他理化指標的相關關系發現，土壤DOC與TSN及速效鉀呈極顯著正相關（p＜0.01，表4），這與王清奎等［9］和張文義等［18］對林地土壤的研究結果是一致的。與全氮和有效磷呈顯著正相關（p＜0.05），與含鹽量呈負相關（p＞0.05），TSN與有效磷和速效鉀呈極顯著正相關（p＜0.01）；土壤含鹽量隨TSN的增加而下降，呈極顯著負相關（p＜0.01）（表4）。這表明土壤DOC與TSN可降低土壤中的鹽含量，而有機質與含鹽量呈極顯著正相關，與pH值呈顯著負相關，因此有機質的增加可降低土壤的酸堿性。本研究中DOC與pH值的相關性不強，這與土壤活性有機碳與pH值呈顯著或極顯著負相關的研究結果不一致［10］，可能和研究對象以及林地的樹齡有關。本研究選擇的研究對象為26年生的人工林，而劉振花等［10］研究的紅松闊葉混交林分別是30，50，70年的自然林，植被對土壤的作用時間較長，對土壤性質的影響明顯。

表4 可溶性有機碳與土壤理化指標的相關關系

綜上所述，刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林土壤DOC，TSN含量以及TSN／N和DOC／TOC的百分含量較刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林高，對提高兩林地的土壤質量起到了重要的作用，針對黃河三角洲鹽堿地改良，可種植白榆、臭椿與刺槐的混交林。作為土壤碳氮主要來源之一的腐殖質層，其DOC，TSN和TN含量均顯著高于0—20和20—40cm土層含量，因此在人工林的管理過程中應防止土壤腐殖質層的流失。由相關性分析得出，土壤DOC，TSN與土壤全氮、有效磷、速效鉀和含鹽量相關性顯著。土壤中DOC含量的大小可反映土壤中潛在活性養分含量和周轉速率，從而反映出土壤養分循環和供應狀況［19］，而作為衡量土壤碳氮營養平衡狀況的土壤C／N比和土壤全碳和全氮呈極顯著相關性（p＜0.01），與其他營養元素和物理指標的相關性不顯著。因此土壤C／N比作為衡量土壤碳氮平衡是較好的指標，而土壤DOC和TSN含量用于判斷土壤的綜合營養狀況可能更合適。采取措施增強土壤有機質或腐殖質層向可溶性碳氮的轉化，對黃河三角洲人工純林和混交林生態系統的維持和改良具有重要的現實意義。

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