林型轉化對土壤pH、有機碳組分和交換性礦質元素的影響

曾婷婷，張玲玲，李意德，溫達志*

1.中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東 廣州 510520

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林型轉化對土壤pH、有機碳組分和交換性礦質元素的影響

曾婷婷1，2，張玲玲1，李意德3，溫達志1*

1.中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東 廣州 510520

摘要：人類活動干擾導致地帶性森林退化成次生林、人工林后，通常引起表層土壤有機質和營養元素的損失，尤其是土壤輕組有機碳的淋失。本研究以相對原生闊葉林和與其毗鄰的次生林和杉木人工林為對象，測定土壤（0～10、10～20和20～30 cm）pH值、總有機碳（TOC）、輕組有機碳（LFOC）和重組有機碳（HFOC）以及交換性K+、Ca2+的含量，旨在闡明林地轉化后土壤有機碳及K+、Ca2+養分的動態變化。研究表明：原生闊葉林向次生林轉變后，0～30 cm土層中土壤pH值升高（4.4%），交換性K+、Ca2+含量增加（22.5%、8.2%），其儲量增加尤其明顯（60.2%、55.1%）；而TOC、LFOC和HFOC含量明顯下降（26.7%、40.8%和11.3%），除LFOC儲量減少22.2%外TOC和HFOC儲量變化不顯著。次生林轉變成杉木林后，0-30 cm土層中交換性K+、Ca2+含量微弱增加（6.3%、2.9%），HFOC儲量減少（13.8%），其它指標的變化則均不顯著。原生林土壤pH值與TOC、LFOC、HFOC及交換性K+、Ca2+含量之間呈顯著負相關關系，但在次生林和杉木人工林中這種相關性的顯著水平被削弱，表明林型轉變對土壤pH值、有機碳和養分產生了不同程度的影響。綜合而言，原生闊葉林向次生林或次生林向杉木人工林轉變后導致土壤有機碳大幅下降，但土壤酸度得到改良和礦質養分有效性增加，為植被快速恢復提供了有利條件。因此，從森林碳匯的角度優先保護表層土壤，選擇速生、高效固碳的目標樹種對退化次生林進行更新改造，是提高森林生物量碳和土壤凈碳積累，扭轉因林地利用轉變而引起土壤碳流失的一個重要途徑。

關鍵詞：原生闊葉林；次生林；杉木林；林型轉化；土壤碳組分；交換性K+；交換性Ca2+

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近幾十年來，受人類活動強烈干擾我國常綠闊葉林面積日益減少，地帶性原生常綠闊葉林不同程度退化為次生林或人工林（Wang et al.，2007），導致林分樹種結構單一（Souza et al.，2013），生物生產力低，土壤中陽離子和營養元素流失（Ross et al.，1999；Geissen et al.，2009）以及土壤理化性質變差（Paul et al.，2010）等問題的出現。非洲戛納森林轉化為可可農地后土壤容重增大，交換性Ca2+、K+、Mg2+儲量增加，有機碳（organic carbon，SOC）、全氮以及有效磷濃度與儲量下降（Dawoe et al.，2014）。Berthrong et al.（2009）2233-2234研究發現，種植單一樹種馬尾松林后土壤pH值升高，有機質、全氮及交換性Ca2+、K+、Mg2+含量減少。Powers （2004）報道，原生林與次生林轉化為香蕉林后，表層土壤有機碳庫和全氮庫顯著減少，C/N下降。北亞熱帶天然次生林轉變成杉木人工林后，土壤活性有機碳如土壤總有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳和輕組有機碳含量降低（劉榮杰等，2012）。可見，林地利用的轉變可導致土壤有機碳及其他元素的顯著變化，成為植被恢復的重要限制因子（Fan et al.，2013）。

土壤SOC庫中不同組分響應土地利用方式的敏感度不同（張仕吉等，2012；張金波等，2003）。其中，活性碳組分對環境因子變化響應最為敏感，與土壤溫室氣體排放密切相關（萬忠梅等，2011），能維持土壤結構穩定性以及提供植物生長所需養分（王清奎等，2005）。在結構和功能上，輕組有機碳（light fraction organic carbon，LFOC）代表活性碳庫，是腐爛動植物殘體的一部分，在生態系統中周轉快；重組有機碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）代表惰性碳庫，是后續分解形成的碳產物，表現為周轉較慢且與土壤礦物質結合緊密，有較大的密度（Christensen，1992）。LFOC被認為是響應土地利用變化的敏感指標，在養分循環轉化、土壤肥力維持中發揮重要作用（Luo et al.，2015；趙鑫等，2006）。林地利用變化影響土壤SOC輸入與輸出及根系分布，六盤山林區典型天然次生林變成農田或草地后有機碳分別減少35%、14%（吳建國等，2004）。寧夏固原地區天然次生林被砍伐后形成農田、牧草地，土壤LFOC含量分別減少46%、14%，有機碳穩定性降低（吳建國等，2002）。福建三明莘口林場天然闊葉林轉化為人工林后，表層土壤LFOC淋失（Yang et al.，2009a）156。在脆弱的自然環境和不盡合理的人為管理下，中亞帶山區原生林轉化為人工林、次生林后，SOC儲量分別下降了25.6%、28.7%，原生林轉化為木本人工林、次生林后土壤LFOC儲量分別減少了52.2%、57.2%，尤其是儲存在0～20 cm的土層SOC和LFOC淋失最為嚴重（Yang et al.，2009b）。此外，Herold et al.（2014）435-436研究也表明LFOC儲量受林地利用與管理措施的影響，HFOC儲量則通常受區域土壤質地與礦質特性的影響。因此，評價林地利用轉變后土壤有機碳和養分狀況，無論對造林或再造林樹種的選擇還是林地肥力水平的調控管理都至關重要。

廣州市位于我國亞熱帶地區，森林資源豐富，在經歷數十年城市化后林地利用類型發生了巨大變化（楊國清等，2006；鄒斌等，2011），然而對于該地區林型轉變導致土壤有機碳和養分的改變仍然缺乏定量研究，給森林生態系統碳儲量估算和土壤肥力評價帶來不確定性。為此，本研究選取廣州市從化呂田鎮陳禾洞自然保護區內相對原生常綠闊葉林及其周邊毗鄰的退化次生林和人工杉木林為對象，測定土壤有機碳和交換性陽離子含量，旨在闡明原生闊葉林向次生林、人工林轉變后有機碳和養分的變化規律和程度，以期為次生林和人工林林分更新改造和林地肥力管理提供理論和實踐依據。

1　材料與方法

1.1研究地概況

廣州市從化區地處廣東省中部，北回歸線穿過市境南端的太平鎮。地理坐標東經113°17'～114°04'，北緯23°22'～23°56'，該區總面積1985.26 km2，屬南亞熱帶季風氣候，處丘陵半山區，東北部以山地丘陵為主，干濕季明顯，4─9月為雨季，10─3月為旱季（梁志嬌，2005），年均雨量1800～2200 mm。年均氣溫19.5～21.4 ℃，日極端最高氣溫和最低氣溫分別為38.1 ℃和-7 ℃（易綺斐等，2011）。丘陵地以由成土母質砂頁巖、花崗巖和變頁巖發育形成的山地赤紅壤為主，土層深度50～100 cm；中低山地以由花崗巖和砂頁巖發育形成的山地黃壤為主，土層多在100 cm左右（王瑞江等，2010）。據歷史資料，陳禾洞保護區內原生林在近50年內未受砍伐等人類活動的干擾，在1980s初，原生林大徑材被砍伐后自然演替形成次生林，次生林皆伐后種植杉木形成杉木人工林。3種森林均為該地區代表性森林類型，次生林和杉木林位于相同或相近的地理單元，空間上鄰近，成土母巖和土壤相同，西南坡向，坡度20°～30°，3種森林樣地林分特征見表1。

表1　3種森林樣地林分特征Table 1 Main site characteristics of three forest types

1.2采樣與測定方法

2014年4月，選取4組原生林-次生林-杉木林的調查樣地，樣地面積分別為1200、900和600 m2。沿樣地對角線隨機選取6個點，去除地表枯枝落葉后用內徑5.6 cm的土鉆分別采集0～10、11～20、21～30 cm土層的土壤樣品。每個樣地同一土層的樣品在野外進行匯總裝入樣品袋后帶回實驗室進行均勻混合。同時，挖掘土壤剖面，用環刀采集各土層的土壤測定土壤容重。每個森林類型3個重復樣地。混合均勻的土壤經風干去除根系和碎石后，研磨過2 mm篩和0.15 mm篩。

環刀法測定土壤容重，水土比2.5∶1電位法測定土壤pH值，重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定土壤有機碳，乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定交換性陽離子K+、Ca2+（劉光菘等，1996）。土壤有機碳組分采用1.7 g·cm-3碘化鈉提取分離（Song et al.，2012），獲得輕組有機碳和重組有機碳，重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其碳含量。

1.3數據分析

數據采用SAS 9.2進行方差分析（one-way ANOVA），用Duncan法比較顯著性差異，顯著性水平設定為α=0.05、α=0.01，并用Pearson相關系數評價土壤各因子間的相關關系。

2　結果與分析

2.1林型轉化后土壤pH值、交換性鉀、鈣含量的變化

在0～30 cm土層，原生林轉化為次生林后，土壤pH值升高了4.4%，尤其在0～20 cm極顯著升高了5.1%（P＜0.01，下同）。交換性K+、Ca2+含量分別增加了22.5%、8.2%，特別是在0～10 cm土層顯著增加了19.8%、21.2%（P＜0.05，下同）。其儲量分別增加了60.2%、55.1%，且在0～20 cm極顯著增加了61.7%和63.8%；次生林轉化為杉木林后，交換性K+含量增加了6.3%，尤其在0～10 cm極顯著增加了9.1%，交換性Ca2+含量增加了2.9%，尤其在0～10 cm極為顯著增加了10.1%，但土壤pH值、交換性K+、Ca2+儲量變化不顯著（P＞0.05，下同）。3種森林土壤pH值只在原生林中表現為0～10 cm層顯著低于20～30 cm土層，在其他林型中無顯著差異；交換性K+、Ca2+含量均表現為0～10 cm層顯著高于20～30 cm土層，其儲量只在杉木林中表現為0～10 cm土層顯著高于20～30 cm土層，其他林型土壤剖面內無顯著差異（表2、表3）。

2.2林型轉化后土壤有機碳組分含量與儲量的變化

表2　原生林、次生林、杉木林土壤化學性質（平均值±標準誤差）Table 2 Soil chemical properties of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）.（mean ± SE）

表3　原生林、次生林、杉木林土壤營養元素儲量（平均值±標準誤差）Table 3 Soil nutrient storage of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）.（mean ± SE） t·km-2

在0～30 cm土層，原生林轉化為次生林后，土壤總有機碳（TOC）、輕組有機碳（LFOC）含量分別極顯著減少了26.7%、40.8%。重組有機碳（HFOC）含量減少了11.3%，特別是在20～30 cm土層極顯著減少了34.5%。TOC、LFOC儲量分別減少了6%、22.2%，并且在20～30 cm分別顯著減少了16.8%、12.8%，但HFOC儲量變化不顯著；次生林轉化為杉木林后，TOC含量減少了3.1%，且在20～30 cm極顯著減少了21.1%。但是LFOC 和HFOC含量、TOC和LFOC儲量都沒有發生顯著變化。值得注意的是，HFOC儲量減少了13.8%，但其在10～20 cm顯著增加了19.6%；3種森林土壤TOC、LFOC、HFOC含量、儲量均表現為0～10 cm層顯著高于20～30 cm土層（表2、表3）。

2.3土壤化學性質間的相關性

3種森林土壤TOC、LFOC和HFOC含量均與pH值呈負相關關系，在原生林和杉木林林中TOC、LFOC含量與pH值的負相關性達到顯著水平，而在次生林中相關關系不顯著。TOC及其二個組分含量均與交換性K+、Ca2+含量呈正相關關系，尤其在次生林和杉木人工林中達到顯著水平（表4）。土壤pH值與交換性K+含量僅僅在原生闊葉林中表現出顯著負相關，而在次生林和杉木林中相關關系不顯著。

3　討論

3.1林型轉化對土壤pH值、交換性鉀、鈣含量的影響

林地利用的轉變會導致植被群落樹種組成、生物量和凋落物歸還量發生改變，從而引起土壤pH值的變化（梁國華等，2015；劉菊秀等，200141），同時也影響到土壤微生物組成和有機酸的分泌，導致森林土壤表層酸化程度的差異（夏漢平等，1997）。本研究中原生闊葉林轉化為次生林后，群落生物量減少36.5 t·hm-2（表1），輸入的有機質和土壤微生物活動可能減弱，pH值顯著升高。而次生林與杉木林在空間上鄰近，土壤pH值沒有顯著差異，可能與林型轉變前其相似立地條件有關。

3種森林土壤交換性K+、Ca2+含量最明顯的變化趨勢是杉木林＞次生林＞原生林，且隨土層深度增加而遞減，與鼎湖山自然保護區馬尾松林向混交林、季風林轉變過程中交換性Ca2+含量逐漸減少的趨勢一致（歐陽學軍等，2003）52。有研究表明，產生這種現象的原因主要有：（1）酸沉降、根際分泌和微生物分泌有機酸，導致土壤酸化，土壤中K+、Ca2+交換位點被H+代替，淋溶流失（Lu et al.，20149；劉菊秀等，200139）；（2）凋落物對于土壤元素的歸還作用（屠夢照等，1993）主要體現在凋落物的數量與質量、元素歸還速率（吳志東等，1990）259等的不同；（3）植物對交換性陽離子吸收少，故其在土壤中積累多（Berthrong et al.，2009）2228。在本研究中，原生闊葉林轉化為次生林后，由于輸入的有機酸顯著減少，土壤中K+、Ca2+釋放較少，淋失程度減小；而次生林轉化為杉木林后，凋落物中所含有的鉀、鈣等進入土壤中（吳志東等，1990）259，杉木對交換性陽離子吸收少而在土壤中積累的多。此外，杉木林和次生林的土壤交換性K+、Ca2+含量都高于原生林，可能與它們受到不同程度的人為干擾有關，不排除杉木林人工施加磷肥（磷酸鈣、磷酸鉀）的可能性。

3.2林型轉化對土壤有機碳組分含量及儲量的影響

表4　原生林、次生林、杉木林土壤各因子含量間的Pearson相關關系Table 4 Pearson correlation coefficients between the concentration of soil chemical variables of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）

本研究中原生闊葉林向次生林、杉木林轉化后土壤TOC含量及其儲量顯著下降，與鼎湖山地帶性常綠闊葉林向混交林、馬尾松林轉變的土壤TOC含量和儲量減少的趨勢基本一致，且都隨土層深度增加而逐漸遞減（歐陽學軍等，2003）52。在0～20 cm土層中，原生闊葉林土壤TOC含量為47.37 g·kg-1，是鼎湖山地帶常綠闊葉林對應土層TOC含量（周國逸等，2009；江遠清等，2007108）的2倍左右，體現出其極其強烈的土壤有機質富集累積作用。形成這種差異的原因可能與兩地地質年齡和植被發育時期有關（Xu et al.，2012），也可能與本研究樣地周邊大水庫常年蓄水形成的局部氣候條件有利于植被生長和土壤生物，尤其蚯蚓活動加速凋落物周轉導致腐殖質積累密切相關（張與真等，1981；黃初龍等，2005）。林地利用轉變尤其是次生林皆伐種植單一樹種的人工林后，土地擾動如復墾會加速土壤碳排放（Gamboa et al.，2011；Li et al.，2014）；群落生物量和凋落物歸還減少直接導致土壤TOC的顯著減少（Cienciala et al.，2008）；或凋落物、根系分解周轉慢（周莉等，2005）。此外，原生闊葉林向次生林、杉木人工林轉變后，土壤有機碳含量和儲量下降顯著，尤其在杉木林中LFOC流失嚴重，表明輕組有機碳對林地復墾敏感，干擾后容易從土壤中排放或淋失，另外由于輸入有機質殘體的量顯著下降，直接減少了LFOC的來源，重組組分有機碳儲量則主要受區域土壤質地與礦質特性的影響（Herold et al.，2014）435-436。

3.3林型轉化對土壤各化學性狀間相關性的影響

本研究結果顯示，土壤有機碳組分與交換性K+、Ca2+含量存在明顯的正相關關系，這與Yan et al.（2007）400-401研究結果一致，且在次生林和杉木林中這種關系較原生林明顯。原生林轉化為次生林后，土壤有機質尤其是腐殖質的土壤交換性能減弱，導致其與土壤顆粒形成穩定結構的能力減弱（Yan et al.，2007）403，故林型轉化后土壤有機碳組分與交換性K+、Ca2+含量的正相關性弱化。而次生林皆伐后種植杉木人工林后，林地管理如施磷酸鉀、磷酸鈣肥，會強化有機碳組分與交換性K+、Ca2+含量的正相關關系。有機碳組分通過與pH的相互作用，也可以影響陽離子的交換性能。有機碳作為陽離子交換劑和土壤表面電荷來源，所含的羧基基團通過解離釋放H+，降低土壤pH，并為交換性陽離子提供離子交換位點，進一步提高陽離子交換性（Lu et al.，2014）。

除次生林外，TOC、LFOC含量與pH值的負相關性在原生林和杉木林中具有顯著性。在原生闊葉林向次生林和人工林轉變后，林分密度減小后稍有增大（表1），這可能是因為植被凋落物和死根輸入量減少，土壤經腐爛分解產生的有機酸減少（羅歆等，2011），因此土壤pH值可能上升；土壤微生物活動增強，有機碳淋失（方晰等，2004），有機碳及其組分與土壤 pH值的相關關系較弱。總之，所有影響有機碳組分淋失的因素，都將通過改變pH值進而改變土壤表面電荷，最終影響土壤離子交換性和移動性（Sollins et al.，1988）。

森林類型不同，土壤交換性K+、Ca2+含量與酸度的相關程度不同。僅原生闊葉林土壤pH值與交換性K+含量顯著負相關，與江遠清等（2007）111-112的結果相一致，這表明原生林土壤酸度受到交換性K+含量的影響。但是，在次生林和杉木林中，這種負相關關系不顯著，表明原生林向次生林、人工林轉變大大減弱了土壤pH值與交換性K+、Ca2+含量之間的相關性。

3.4結論

（1）總體上，原生闊葉林向次生林、杉木人工林轉變后土壤pH值升高，交換性K+、Ca2+含量增加，但有機碳組分含量和儲量減少。這表明原生林受人為砍伐干擾后退化成次生林或次生林皆伐種植人工林后雖然導致土壤有機碳流失，但土壤礦質養分有效性增加，為植被快速恢復提供了有利條件。因此，從森林碳匯的角度出發，保護好表土層，選擇速生、高效固碳的樹種對退化次生林進行更新改造，是提高森林生物碳儲量和土壤凈碳積累的一個重要途徑。

（2）3種森林土壤pH值隨土層深度而增加，交換性K+、Ca2+含量則隨土層深度而下降，土壤TOC、LFOC、HFOC含量均表現為表土（0～10 cm）顯著高于下層土（20～30 cm）。

（3）3種森林土壤pH值與總有機碳及其組分以及交換性K+、Ca2+含量呈負相關關系，尤其在原生林中達到顯著水平。TOC、LFOC含量與pH值的負相關性僅在原生林和杉木林中顯著，林型轉化后，交換性K+含量與pH值的相關性的顯著水平被削弱，表明林型轉變對土壤pH值、有機碳和養分產生了不同程度的影響。在相同或近似的地理地質背景和氣候區內，森林土壤pH值的變化在一定程度上反映了人類活動，如林地利用轉化、施肥等等森林經營干擾的程度。

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Effect of Forest Conversion on Soil pH，Organic Carbon Fractions and Exchangeable Mineral Nutrients

ZENG Tingting1，2，ZHANG Lingling1，LI Yide3，WEN Dazhi1*
1.South China Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Chinese Academy of Forestry，Guangzhou 510520，China

Abstract：Human-induced land-use changes from primary climax forests to degraded secondary or plantation forests usually caused the leaching losses of surface soil organic carbon especially the light organic carbon fractions and associated nutrients.In this study，soil samples （0～10，10～20 and 20～30 cm depth） were collected from a Primary forest （PF），an adjacent Secondary forest （SF） and a Chinese fir plantation （CFP）.We determined soil pH value，concentrations of soil total organic carbon （TOC），light fraction organic carbon （LFOC） and heavy fraction organic carbon （HFOC），exchangeable K+and Ca2+，with the aim of understanding the impacts of this land-use change on these variables.After the conversion from PF to SF，in 0～30 cm depth，the soil pH value increased slightly by 4.4% while the concentrations of exchangeable K+，Ca2+increased by 22.5% and 8.2%，and their storage increased correspondingly by 60.2% and 55.1%，respectively.By contrast，the concentrations of TOC，LFOC and HFOC significantly decreased by 26.7%，40.8% and 11.3%，respectively.The storage of LFOC decreased by 22.2% while no significant changes were found for TOC and HFOC.After the conversion from SF to CFP，the concentrations of exchangeable K+，Ca2+increased slightly by 6.3% and 2.9%，respectively.All other variables did not show any significant changes except for the HFOC’s storage which decreased by 13.8%.Among the three types of forests，the PF showed significant negative correlations between soil pH value and the concentrations of TOC，LFOC and HFOC，as well as exchangeable K+，Ca2+.However，the significance of these correlations were generally weakened in SF and CFP，suggesting that forest conversion had posed disproportionate impact on soil pH，organic carbon and nutrients.In summary，this forest land conversion generally led to a dramatic reduction in soil organic carbon，while the acidity of the soil and the availability of soil mineral nutrients were improved，which was presumably favorite for the quick recovery of vegetation.From the perspective of carbon sequestration，we highlighted that priority protection of surface soils for the renewal of the degraded forests by planting target species with fast growth and high efficiency in carbon gain was crucial to increase the forest biomass carbon storage and soil carbon sequestration，and consequently reverse the loss of soil carbon resulted from forest land use change.

Key words：primary broad-leaved forest； Secondary forest； chinese fir plantation； forest conversion； soil carbon fraction；exchangeable K+； exchangeable Ca2+

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.005

中圖分類號：Q948； X17

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）04-0576-07

基金項目：廣州市林業和園林局“廣州市森林碳匯計量與監測研究項目”（QDZFCG-2013019）

作者簡介：曾婷婷（1991年生），女，碩士研究生，從事環境生態學研究。E-mail:tingtingzeng@scbg.ac.cn

*通信作者：溫達志，研究員，從事森林生態學、植物生理生態學和全球變化生態學研究。E-mail:dzwen@scbg.ac.cn

收稿日期：2016-03-21