不同植被群落土壤水溶性有機碳的變化特征

曾天慧, 胡海波, 張 勇, 盧雪萍

(1.南京林業大學 森林資源與環境學院, 南京 江蘇 210037; 2.浙江省林業生態工程管理中心, 杭州 浙江 310058)

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不同植被群落土壤水溶性有機碳的變化特征

曾天慧1, 胡海波1, 張 勇2, 盧雪萍1

(1.南京林業大學 森林資源與環境學院, 南京 江蘇 210037; 2.浙江省林業生態工程管理中心, 杭州 浙江 310058)

摘要：[目的] 對比天然次生林和人工林土壤水溶性有機碳的含量、季節變化特征及與土壤理化性質的相關性，評估不同植被恢復模式對土壤碳庫的影響。 [方法] 以浙江省鳳陽山不同植被群落為對象,在野外調查和實驗測定的基礎上,通過相鄰樣地比較法進行研究。 [結果] 不同植被群落0—60 cm土層平均水溶性有機碳含量的大小關系為：35 a杉木人工林(0.299 7 g/kg)>40 a常綠闊葉次生林(0.271 7 g/kg)>35 a針闊混交次生林(0.258 6 g/kg)>40 a杉木人工林(0.252 9 g/kg)>30 a柳杉人工林(0.252 8 g/kg)>30 a針闊混交次生林(0.248 0 g/kg),相鄰樣地基本表現為人工林大于天然次生林;不同植被群落土壤水溶性有機碳含量的最小值均出現在夏季。 [結論] 土壤水溶性有機碳含量與土壤總有機碳、全氮、有效磷、速效鉀呈極顯著或顯著正相關,與土壤pH值及容重呈極顯著或顯著負相關。

關鍵詞：植被群落; 天然次生林; 人工林; 水溶性有機碳; 季節變化

土壤碳庫是陸地碳庫的重要組成部分，它在維持全球碳平衡中具有重要作用。水溶性有機碳(WSOC)是聯系陸地生態系統和水生生態系統的一種重要的、活躍的環境化學物質，對于調節土壤陽離子淋失、礦物風化、土壤微生物活動以及其他土壤化學、物理和生物學過程具有重要意義，是常被用來表征土壤活性碳庫變化的因子之一[1]。作為土壤有機碳最活躍的組成部分，水溶性有機碳易被土壤微生物分解，能為森林土壤提供養分，對森林土壤生態系統中元素的生物地球化學循環及重金屬元素毒性和遷移都有深刻的影響[2]。受土地利用方式、氣候特點及土壤性質的影響，不同生態系統土壤水溶性有機碳存在較大的差異[3]。近年來，國內外有關森林土壤和農田土壤水溶性有機碳的研究較多[4-6]，但數據來源、測定方法和測定結果都存在較大差異[7-8]。通過固定樣地實測，對比研究不同森林群落土壤水溶性有機碳的含量和分布，探討土壤水溶性有機碳的淋溶作用對研究區域碳循環和環境變化具有重要意義[9-10]。

鳳陽山自然保護區是江浙地區的主要林區，在長江三角洲的碳匯管理和生態環境建設中起著重要作用。目前許多學者已對與鳳陽山處于同緯度、氣候、土壤等自然條件類似的武夷山、大崗山等土壤水溶性有機碳進行了大量深入的研究，但是對鳳陽山相關內容的研究還鮮見報道。本文通過對比研究鳳陽山不同植被群落土壤水溶性有機碳的含量極其季節變化特征，可以評估鳳陽山不同植被恢復模式(天然次生林與人工林)對土壤活性碳庫的影響，為鳳陽山自然保護區森林的可持續經營和管理提供參考依據。

1研究區概況

研究區設在鳳陽山自然保護區，保護區位于浙江省龍泉市南部，由福建武夷山脈向東伸展而成，地處東經119°06′—119°15′，北緯27°46′—27°58′之間，屬亞熱帶濕潤季風氣候。年平均氣溫12.3 ℃，年降雨量2 438.2 mm，雨季集中在5—6月份。氣候溫暖濕潤，雨量充沛，濕度大，霧多。區內主要土壤類型為黃壤土，土壤質地為中壤土，土層厚度一般在60 cm左右。

保護區自然植被保存較好，植物種類豐富，闊葉林多為人工林，主要由殼斗科(Fagaceae)、山茶科(Theaceae)、木蘭科(Magnoliaceae)等常綠闊葉樹種組成，灌木層多為杜鵑屬(Rhododendron)、山茶屬(Camellia)等，草本層一般以蕨類植物(Pteridophyta)為主。針葉林多為殘存的自然植被，也有人工林混于其中。主要有黃山松林(Pinustaiwanensis)、杉木林(Cunninghamialanceolata)、柳杉林(Cryptomeriafortunei)等，常混入常綠或落葉闊葉樹種，如樟(Cinnamomum)、栲(Fagaceae)、山茶(Camellia)等科屬；灌木層常見種類有杜鵑(Rhododendronsimsii)、冬青(Ilexchinensis)等；林內草本有蕨(Pteridophyta)等植物。

2材料與方法

2.1　樣地設置與土樣采集

在實地踏查的基礎上，通過相鄰樣地比較法，選擇鄰近、相同海拔、坡向、成土母質、土壤條件和環境因子基本一致，且恢復過程中基本沒有人為干擾的3個地點的天然次生林與人工林為研究對象。樣地分別為石梁岙(小地名)常綠闊葉次生林與杉木人工林；上于橋(小地名)針闊混交次生林(主要針葉樹種為黃山松)與杉木人工林；鳳陽湖(小地名)針闊混交次生林(主要針葉樹種為黃山松)與柳杉人工林，共6個植被群落。于2013年4，7，10，12月下旬進行樣地植被本底調查及采樣。在每個林分的典型地段設3個10 m×10 m的土壤樣方，每個樣方內按S型挖3個土壤剖面，分別在0—20 cm, 20—40cm, 40—60cm土層取樣，每個樣地3個剖面同一層混合帶回實驗室。土樣從野外采回后，立即除去植物殘體等雜物，取一部分新鮮土過2 mm篩，并置于冰箱中4 ℃冷藏，供水溶性有機碳分析；另外部分土樣風干、磨碎，過0.25 mm篩，用于測定土壤有機碳及土壤養分(表1)。

表1　調查樣地的基本情況

2.2　測定方法

土壤基本理化性質的測定采用常規分析方法[11]，土壤容重采用環刀法；土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱氧化—硫酸亞鐵滴定法；全氮采用半微量凱氏定氮法；pH值采用電位法(pH計)；有效磷采用雙酸浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4Ac浸提火焰光度法；水溶性有機碳(WSOC)用去離子水提取(水與土質量比為2∶1)，震蕩、離心，上清液用0.45 μm 微孔濾膜抽濾，濾液在島津TOC-VCPH自動分析儀上測定[7]。

數據采用SPSS 19.0軟件，通過單因素方差分析(ANOVA)研究不同植被群落不同土壤深度不同季節對水溶性有機碳的影響，并在差異顯著時進行多重比較(LSD)，水溶性有機碳與土壤養分的關系運用相關分析。

3結果與分析

3.1　不同植被群落土壤水溶性有機碳的變化

植被群落不同，土壤水溶性有機碳含量各異(表2)。鳳陽山不同植被群落0—60 cm土層水溶性有機碳研究結果顯示：土壤平均水溶性有機碳含量大小依次為35 a杉木人工林>40 a常綠闊葉次生林>35 a針闊混交次生林>40 a杉木人工林>30 a柳杉人工林>30 a針闊混交次生林，變化范圍為0.248 0~0.299 7 g/kg，變異系數為28.53%～38.22%，不同群落差異不明顯(p>0.05)。6個植被群落中土壤水溶性有機碳含量最大為35 a杉木人工林，其相鄰針闊混交次生林為0.258 6 g/kg；最小的為30 a針闊混交次生林，其相鄰柳杉人工林為0.252 8 g/kg；40 a常綠闊葉次生林和杉木人工林分別為0.271 7 g/kg和0.252 9 g/kg。35 a杉木人工林與40 a常綠闊葉次生林水溶性有機碳含量較高與其土壤總有機碳含量高密切相關，土壤水溶性有機碳主要來源于枯枝落葉和根系分泌、土壤有機質的水解以及微生物的代謝，土壤總有機碳和土壤水溶性有機碳常處于動態平衡中，總有機碳中的其他組分碳與水溶性有機碳在一定條件下可以相互轉化，因此，土壤總有機碳高，水溶性有機碳也常常較高[6]。

表2　不同植被群落土壤總有機碳(TOC)、水溶性有機碳(WSOC)含量隨土層深度的變化

注：表中數據為平均值±標準差；不同上角標大寫字母表示同一植被群落不同土層間差異顯著，不同上角標小寫字母表示同一土層不同植被群落間差異顯著(p<0.05)。

不同植被群落水溶性有機碳在剖面上的垂直分布與有機碳的分布規律一致，均以表層(0—20 cm)最高，0—60 cm水溶性有機碳含量介于0.168 9～0.411 4 g/kg。40 a常綠闊葉次生林和杉木人工林水溶性有機碳含量變化范圍分別為0.169 1～0.4031 g/kg和0.194 0～0.349 9 g/kg；35 a針闊混交次生林和杉木人工林分別為0.168 9～0.372 4 g/kg和0.224 3～0.411 4 g/kg；30 a針闊混交次生林和柳杉人工林分別為0.171 1～0.350 2 g/kg和0.177 9～0.372 4 g/kg，變化幅度達到44.56%以上。同一群落中，土壤水溶性有機碳隨土層的增加而極顯著減少(p<0.01)，可見土壤深度對水溶性有機碳含量的影響非常顯著。不同植被群落相同土層水溶性有機碳含量差異并未均達到顯著水平，但相鄰人工林和天然林0—20 cm和20—40 cm土層水溶性有機碳含量差異極顯著(p<0.01)，40—60 cm土層差異較小。地被物、養分質量、pH值、地表徑流、黏土礦物、微生物及真菌活動、微環境等都將影響土壤水溶性有機碳的含量[5]，研究中水溶性有機碳含量在各土層之間的差異是多種因素共同作用的結果。

相對活性有機碳的含量而言，活性有機碳占土壤總有機碳的比例不僅能在更大程度上體現土壤活性有機碳庫的狀況，也更能反映森林植被對土壤碳行為的影響結果[12]。鳳陽山不同植被群落中，水溶性有機碳占總有機碳的比例介于2.35%～2.99%，40 a常綠闊葉次生林最高，30 a柳杉人工林最低，不同群落相同土層差異不明顯(p>0.05)。40 a林齡的相鄰2群落不同土層土壤水溶性有機碳占總有機碳的比例均隨著土層的加深而遞減，35 a林齡的相鄰2群落不同土層土壤水溶性有機碳占總有機碳的比例均隨著土層的加深而增加，其余2群落沒有一致的變化規律。相鄰樣地中，水溶性有機碳占總有機碳的比例基本表現出天然林大于人工林的趨勢，說明研究地天然林的土壤碳庫穩定性較人工林差。

3.2　土壤水溶性有機碳的季節變化

大量研究發現，土壤總有機碳隨季節的動態波動不明顯，同一地區的同一植被群落下土壤總有機碳的年增量很少，檢測其變化相對而言比較困難，但是土壤活性有機碳的季節變異卻十分強烈[13](圖1)。水溶性有機碳含量均具有明顯的季節動態變化，且6種植被群落土壤水溶性有機碳含量最小值均出現在夏季，杉木人工林和柳杉人工林的變化規律一致，土壤水溶性有機碳的含量變化規律為春季>秋季>冬季>夏季；常綠闊葉次生林為冬季>秋季>春季>夏季；針闊混交次生林的變化規律為秋季>冬季>春季>夏季。

注：不同小寫字母表示同一植被群落不同季節表層差異顯著(p<0.05)。

在0—20 cm 土層，35 a杉木人工林四季水溶性有機碳含量分別是0.480 2，0.347 5，0.424 5，0.393 5 g/kg，其相鄰針闊混交次生林分別為0.366 5，0.324 0，0.417 0，0.382 1 g/kg；30 a柳杉人工林分別為0.442 1，0.311 2，0.390 7，0.3457 g/kg ，其相鄰針闊混交次生林分別為0.323 2，0.305 0，0.422 5，0.350 2 g/kg；4個群落水溶性有機碳含量隨季節變化明顯(p<0.05)。40 a常綠闊葉次生林四季水溶性有機碳含量分別為0.423 8，0.307 5，0.424 8，0.456 1 g/kg，春、秋兩季含量差異不顯著(p>0.05)，其他季節差異顯著(p<0.05)；40 a杉木人工林四季水溶性有機碳含量分別為0.381 6，0.308 4，0.359 0，0.350 7 g/kg，秋、冬兩季含量差異不顯著(p>0.05)。人工林水溶性有機碳含量在春季最高可能跟植物生長期為土壤微生物提供了足夠的易分解的新鮮有機質有關，同時由于水熱條件適宜，微生物活性增加、植物新陳代謝速率加快、根系的分泌物增多，水溶性有機碳含量得到極大的提高。天然次生林水溶性有機碳含量在秋冬較高跟地表枯落物增加，有機質大量積累有關，進入冬季后，由于氣溫降低，微生物活動減弱，水溶性有機碳略有下降。夏季降水量增加，長時間的降雨使可溶解的有機碳部分淋溶作用加強，因而土壤水溶性有機碳含量最低。同一植被群落，隨著土層的加深，微生物活動減弱，土壤水溶性有機碳的季節波動逐漸減緩，差異減小。

3.3　土壤水溶性有機碳與土壤理化性質間的關系

植被類型、土壤性質、土壤養分可利用性等要素的變化，會影響土壤水溶性有機碳的含量[14](表3)。對土壤水溶性有機碳含量與土壤基本理化性質相關分析表明：土壤水溶性有機碳與土壤總有機碳的相關性達到了極顯著水平(p<0.01)，說明土壤水溶性有機碳含量與土壤總有機碳含量關系密切，而土壤全氮含量很大程度上取決于土壤總有機碳的含量，因此，水溶性有機碳與土壤全氮含量相關性也達到了極顯著水平(p<0.01)，可見土壤全氮和總有機碳含量的提高有助于增加土壤水溶性有機碳含量；水溶性有機碳與土壤有效磷和速效鉀都顯著相關(p<0.05)，說明土壤有效磷、鉀含量也是影響其含量的重要因子；水溶性有機碳與土壤pH值表現出極強的負相關性(p<0.01)；水溶性有機碳與土壤容重顯著負相關(p<0.05)，說明隨著容重的增大，水溶性有機碳含量顯著減少。

表3　土壤水溶性有機碳與土壤基本理化性質的相關系數

注：**表示在0.01水平相關性顯著； *表示在0.05 水平相關性顯著。

4討論與結論

土壤水溶性有機碳主要來源于植物凋落物、土壤腐殖質、微生物和根系及其分泌物等,植被的物種組成不同、凋落物的累積量和分解不同，土壤中有機碳的質量、數量和周轉各異[15-16]，水溶性有機碳也就不同。天然次生林和人工林的植被類型不同，土壤有機碳的歸還量也隨之改變，水溶性有機碳也就存在差異。本研究中不同植被群落0—60 cm土層平均水溶性有機碳含量的大小關系為35 a杉木人工林(0.299 7 g/kg)>40 a常綠闊葉次生林(0.2717 g/kg)>35 a針闊混交次生林(0.258 6 g/kg)>40 a杉木人工林(0.252 9 g/kg)>30 a柳杉人工林(0.252 8 g/kg)>30 a針闊混交次生林(0.248 0 g/kg)，相鄰樣地中，水溶性有機碳含量基本表現出人工林大于天然次生林的趨勢，這與許多研究結果不盡一致[16-18]。張劍[16]等研究發現，常綠闊葉林、杉木人工純林、火力楠人工純林以及杉木火力楠人工混交林4種林分中，土壤微生物量碳、水溶性有機碳、熱水浸提有機碳和熱水浸提碳水化合物含量均以常綠闊葉林最高，杉木人工林最低；姜培坤[17]，王清奎[18]等研究也提出，與闊葉林相比，杉木人工林水溶性有機碳有不同程度的降低。引起不同結果的主要原因可能跟鳳陽山人工林營造初期人為大量施肥有關，儀明媛[8]等學者發現，施用有機肥可提高土壤有機碳和活性有機碳的含量，有機肥腐解過程能放出大量水溶性有機化合物，因而水溶性有機碳含量能顯著提高。本研究中不同植被群落土壤水溶性有機碳含量都以表層(0—20 cm)最高，這與姜培坤等人研究結果一致,跟表層枯枝落葉積累多、根系分布多、生物活動頻繁使得表層總有機碳含量較高有關，水溶性有機碳含量在很大程度上取決于土壤總有機碳的含量[11,17]。土壤活性有機碳占總有機碳的比例越高，土壤碳的活性就越大，穩定性就越差[19]。本研究中不同植被群落水溶性有機碳占總有機碳的比例并未表現出一致的變化規律，就相鄰樣地而言，天然林水溶性有機碳占總有機碳的比例基本要大于人工林，說明研究地人工林的土壤碳庫穩定性較天然林好，這可能是不同營林措施造成的結果。本研究中不同植被群落土壤水溶性有機碳含量最小值均出現在夏季，這與Zhang[20]等對杉木和格氏栲人工林水溶性有機碳季節變化研究結果一致，分析原因可能主要是夏季降雨較多，土壤水溶性有機碳的淋溶增強。

相關性分析得出，土壤水溶性有機碳含量與土壤總有機碳、全氮、有效磷速效鉀極顯著或顯著正相關，這與許多研究結果一致[14,21]。徐秋芳[15]認為土壤有機碳是土壤水溶性有機碳的主要來源，戴全厚[21]等指出土壤活性有機碳與土壤主要肥力因子相關性及其密切，可以作為反映生態恢復過程土壤質量演變的指標。pH值對活性有機碳的影響較復雜，Kaiser[22]等認為大部分天然土壤的pH值(一般介于3.5～6.0)對溶解性有機物質的吸附能力影響不顯著，因為只有當pH值大于6.0或小于3.5時，倍半氧化物吸附能力才明顯減弱，這與本研究的結果有所不同。土壤pH值通常被認為是調節土壤微生物群體結構和活性的主要因子，同時也是調控有機質的微生物周轉的一個重要因子。本研究中pH值的差異對研究地土壤水溶性有機碳的含量造成了極顯著影響，這可能跟研究地的氣候、土壤類型等因素有關。土壤容重是衡量土壤透氣性及孔隙度的定性指標[23]，土壤容重的大小可以影響土壤結構、性質及土壤微生物的組成，進而影響土壤水溶性有機碳的含量。

總之，影響土壤水溶性有機碳含量和季節變化的因素十分復雜，植被、氣候、生物、人類活動等因素還可能同時起作用，因此對造成土壤水溶性有機碳時空差異的主要因素還待進一步探討。

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Variations of Water-soluble Organic Carbon in Different Vegetation Communities

ZENG Tianhui1, HU Haibo1, ZHANG Yong2, LU Xueping1

(1.CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;

2.ManagementCenterofForestryEcologicalEngineering,Hangzhou,Zhejiang310058,China)

Abstract：[Objective] To compare soil water-soluble organic carbon(WSOC) content, seasonal variation and its correlation of soil properties between the adjacent natural secondary forest and plantation, for estimating the effect of different vegetation restoration patterns on soil carbon pool. [Methods] Taking different vegetation communities of Fengyang Mountain in Zhejiang Province as object, based on the field investigation and experimental measurement, the adjacent sample comparison method was adopt. [Results] The average content of WSOC under different vegetation communities followed the order ofCunninghamialanceolataplantation of 35 years old(0.299 7 g/kg)>evergreen broad-leaved secondary forest of 40 years old(0.271 7 g/kg)>coniferous and broad-leaved mixed secondary forest of 35 years old(0.258 6 g/kg)>Cunninghamialanceolataplantation of 40 years old(0.252 9 g/kg)>Cryptomeriafortuneiplantation of 30 years old(0.252 8 g/kg)>coniferous and broad-leaved mixed secondary forest of 30 years old(0.248 0 g/kg)at 0—60 cm depth. WSOC content of plantation were greater than natural secondary forest in adjacent plots. The minimum value of WSOC in different vegetation communities always appeared in summer. [Conclusion] The WSOC content has significant or extremely significant positive correlation with soil total organic carbon, total nitrogen, available phosphorus and available potassium, but has significant or extremely significant negative correlation with soil pH value and bulk density.

Keywords:vegetation communities; natural secondary forest; plantation; soil water-soluble organic carbon (WSOC); seasonal variations

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0049-06

中圖分類號：S714.2

通信作者：胡海波(1964—),男(漢族),江蘇省寶應市人, 博士,教授,主要從事水土保持學、林業生態工程等研究。E-mail:huhb2000@yahoo.com。

收稿日期：2014-04-20修回日期：2014-05-07

資助項目：浙江省公益林公共管護支出資助項目(浙林生〔2013〕10號); 江蘇省高等學校林學優勢學科建設資助項目 (蘇政辦發〔2011〕6號,164010641)

第一作者：曾天慧(1988—),女(漢族),江蘇省丹陽市人,碩士,研究方向為水土保持與荒漠化防治,林業生態工程。E-mail:790215990@qq.com。