去除根系和凋落物對濱海沙地3種防護林土壤碳氮庫的短期影響

林寶平, 何宗明,*, 郜士壘, 桑昌鵬, 溫秀萍, 林 宇, 黃志群,林思祖

1 福建農林大學林學院,福州 350002 2 國家林業局杉木工程技術研究中心,福州 350002 3 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 4 濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州 350007 5 福建農林大學園藝學院,福州 350002 6 福建省長樂大鶴國有防護林場, 長樂 350212

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去除根系和凋落物對濱海沙地3種防護林土壤碳氮庫的短期影響

林寶平1,2, 何宗明1,2,*, 郜士壘1,2, 桑昌鵬3,4, 溫秀萍5, 林 宇6, 黃志群3,4,林思祖1,2

1 福建農林大學林學院,福州 350002 2 國家林業局杉木工程技術研究中心,福州 350002 3 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 4 濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州 350007 5 福建農林大學園藝學院,福州 350002 6 福建省長樂大鶴國有防護林場, 長樂 350212

以福建長樂濱海沙地上3種人工林(尾巨桉、紋莢相思、木麻黃)土壤為研究對象,設置去除凋落物、去除根系和對照3種處理,觀測1年后分析改變地上、地下有機質輸入對沙地土壤碳氮儲量、可溶性有機碳(DOC)氮(DON)和微生物量碳(MBC)氮(MBN)的影響。結果表明：不同樹種人工林間土壤碳氮儲量無顯著差異；不同樹種人工林間土壤活性碳氮組分差異顯著,木麻黃土壤DOC含量顯著高于紋莢相思,紋莢相思土壤DON顯著高于木麻黃和尾巨桉,尾巨桉土壤MBN顯著高于木麻黃和紋莢相思。改變地上地下有機質輸入對濱海沙地土壤碳氮庫有顯著影響且這種影響隨樹種而異。去除凋落物后紋莢相思、木麻黃土壤碳儲量分別下降38.0%、25.1%,氮儲量分別下降12.9%、12.5%；去除凋落物后尾巨桉、紋莢相思、木麻黃土壤DOC分別下降37.5%、30.6%、52.9%,MBC分別下降31.0%、56.9%、29.7%,MBN分別下降50.7%、34.9%、42.2%；去除根系后尾巨桉、紋莢相思土壤MBC分別下降57.7%、15.4%。回歸分析顯示,濱海沙地土壤DOC、MBC與土壤碳儲量呈顯著正相關,土壤DOC和MBC分別能夠解釋土壤碳儲量變化的47.7%和57.7%。研究表明：樹種通過調控地上、地下輸入影響可溶性有機碳氮和微生物量碳氮,進而影響土壤碳氮庫。

土壤碳氮儲量； 土壤可溶性有機碳氮；土壤微生物量碳氮；去除根系；去除凋落物；濱海沙地

森林是陸地生態系統最主要的碳庫,儲存著陸地生態系統碳儲量的60%[1- 2],生態系統中碳氮的循環過程相互耦合[3],氮元素的供應量是控制生態系統碳儲量的重要因素之一[4]。森林土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的39%[5],氮儲量占森林生態系統氮儲量的90%以上[6],其微小變化都可能改變森林生態系統的碳氮平衡。近十幾年來,國內外對森林土壤碳氮庫及碳氮過程的研究極為關注,在全球范圍內開展了大量針對不同區域、不同森林生態系統的土壤碳氮儲量、源匯功能、碳氮循環過程的研究,認為土壤亞系統在調節整個森林生態系統碳氮循環中起重要作用[7-8],森林土壤碳氮循環過程的微小變化都會對溫室氣體、全球氣候變化產生重大影響[9]。但由于森林生態系統的復雜性、森林對環境響應的時空動態變化,導致對森林土壤碳氮儲量和變率的估算存在很大的不確定性[10],因此迫切需要開展各類森林生態系統碳氮循環機制、土壤碳氮關鍵過程的深入研究。

濱海沙地人工林生態系統受海、陸、氣的相互作用,生態環境脆弱,其碳氮循環特征與內陸森林生態系統存在很大差異,李欽祿等[11]對濱海沙地木麻黃人工林生態系統養分利用特征的研究表明,其土壤碳氮水平僅為同地帶正常土壤的10%,林宇等[12]對閩東南沿海沙地厚莢相思和木麻黃人工林的研究表明,濱海沙地土壤碳氮比低于全國平均水平,土壤有機碳和全氮含量與細根生物量密切相關。對于濱海沙地人工林而言,凋落物和植物根系是該生態系統土壤養分輸入的最主要來源,凋落物分解和根系周轉是影響土壤碳氮循環的重要環節,但目前關于濱海沙地上樹種是如何通過凋落物和根系來影響土壤碳氮庫的研究還未見報道,因此急需探究凋落物和植物根系在濱海沙地人工林土壤生態系統碳氮循環中所扮演的角色。Smolander等[13]的研究結果表明,植被類型是引起土壤特性差異的關鍵因子,樹種主要通過控制有機物質輸入的數量和質量,即地上凋落物、地下根系分泌物和根系周轉來影響土壤碳氮循環[14]。通過改變地上、地下有機物質的輸入是探究植物和土壤碳氮循環反饋作用的有效方法[15-16]。土壤微生物量碳氮(MBC, MBN)和可溶性有機碳氮(DOC, DON)是土壤碳氮庫中易變組分,對土壤的立地管理具有十分敏感的響應[17- 18],可將其作為改變碳輸入方式下土壤質量和土壤碳氮儲量變化的早期預測指標。為此,選取南方濱海沙地3種典型沿海防護林樹種為研究對象,通過設置去除凋落物、去除根系、對照處理來探究濱海沙地不同人工林生態系統土壤碳氮儲量、可溶性有機碳氮、微生物量碳氮對凋落物和根系輸入的響應,以期為我國濱海沙地人工林生態系統的碳氮循環研究提供科學參考。

1 試驗地概況

試驗地位于福建省長樂大鶴國有防護林場(119°68′E,25°96′N),東臨東海,屬南亞熱帶海洋性季風氣候,溫和多雨,年平均氣溫19.2℃,最高氣溫35℃,最低氣溫0℃,平均濕度72.3%,年均降水量1200—1800 mm,年日照2000—2300 h。海拔高度為5—13 m,地勢平坦,土壤為濱海風積沙土,土壤肥力差,保水能力低。林下天然植被稀少,林下常見零星植物有馬纓丹(LantanacamaraLinn.)、白茅(ImperatacylindricalLinn.)、茅莓(RubusparvifoliusL.)、大薊(CirsiumjaponicumFisch. ex DC.)、碩苞薔薇(RosabracteataWendl.)等。

2 研究方法

2.1 樣品采集

以濱海沙地上尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis,Euc)、紋莢相思(AcaciaaulacocarpaBenth.,Aca)、木麻黃(CasuarinaequisetifoliaJ R Forst & G. Forst.,Cas)人工林為研究對象,各林分基本概況見表1。于2014年7月,在每種人工林內分別設置4個20 m×20 m樣地,在每個樣地中隨機設置3個2 m×2 m小區,小區邊緣離樹距離0.5 m左右,按照隨機區組方法在小區內設計如下3種處理,每種處理重復4次：(1)去除地上凋落物,將小區內凋落物全部去除,并在小區上方1 m處放置孔徑為1 mm的尼龍網隔絕凋落物；(2)去除根系,沿小區四周挖1 m深壕溝,并在壕溝內埋入3層孔徑為1 mm的尼龍網阻斷周圍根系向小區內生長；(3)對照,保持自然狀態,不作人為干擾。

2015年7月在每個小區內隨機選取3個點,采用200 cm3環刀取0—10 cm土層原狀土,用于土壤容重的測定；同時,用直徑3.8 cm土鉆在各小區內沿對角線等距離鉆取3個點,采集0—10 cm土層樣品,將土樣混勻后低溫冷藏帶回室內。在室內取部分樣品用于測定含水率,其余樣品過2 mm篩,將過篩的樣品分成4份,一部分置于4℃冰箱恒溫保存,用于土壤微生物量,一部分樣品用于測定土壤pH值,一部分樣品在室溫下自然風干,用于測定土壤可溶性有機碳、氮含量,另一部分土樣自然風干后研磨過0.149 mm篩,用于測定土壤全量碳氮。

表1 3種人工林基本概況(平均值±標準誤)

2.2 土壤理化性質的測定

土壤pH值采用pH計測定,土壤全碳、全氮含量采用碳氮元素分析儀(Elemental EL MAX CNS analyzer,德國)測定,土壤碳儲量(SCM, Mg/hm2)和氮儲量(SNM, Mg/hm2)的計算公式為：

(1)

(2)

式中,n為土壤剖面分割的層數；SCi和SNi分別為第i層土壤全碳含量(%)、全氮含量(%)；Bi和Hi分別為第i層土壤容重(g/cm3)和土層厚度(cm)。

土壤可溶性有機碳、氮的測定采用冷水浸提方法[19],用總有機碳分析儀(SHIMADZU TOC-VCPH/CPN Analyzer,日本島津)測定DOC濃度,用連續流動分析儀(Skala San++,荷蘭)測定DON濃度。

2.3 土壤微生物性質的測定

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸法浸提,所得待測液用總有機碳分析儀(SHIMADZU TOC-VCPH/CPN Analyzer,日本島津)(加入TN單元)測定。土壤微生物量碳計算公式為：

MBC=(CF-CNF) /KEC

(3)

式中,MBC為土壤微生物量碳含量(mg/kg),CF為熏蒸樣品的有機碳含量(mg/kg),CNF為未熏蒸樣品的有機碳含量(mg/kg)；KEC為微生物量碳的浸提系數(0.45)。

土壤微生物量氮計算公式為：

MBN=(NF-NNF) /KEN

(4)

式中,MBN為土壤微生物量氮含量(mg/kg),NF為熏蒸樣品的有機氮含量(mg/kg),NNF為未熏蒸樣品的有機氮含量(mg/kg)；KEN為微生物量氮的浸提系數(0.45)。

2.4 數據處理與分析

采用Excel 2003和SPSS statistics 17.0 對數據進行處理和統計分析,OriginPro 9.0繪圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較同一林分、不同處理間土壤各指標之間的差異,均值間的多重比較分析采用最小顯著差異法(Least-Significant Difference, LSD)檢驗,采用Pearson相關系數分析土壤碳氮各指標與理化性質之間的相關性。

3 結果與分析

3.1 各人工林不同處理下土壤碳氮儲量

3種人工林土壤碳氮差異不顯著,土壤碳儲量大小表現為紋莢相思>木麻黃>尾巨桉,氮儲量大小表現為木麻黃>紋莢相思>尾巨桉。去除根系和凋落物對不同樹種土壤碳氮儲量和碳氮比的影響不一致,去除凋落物后紋莢相思、木麻黃的土壤碳儲量與對照樣地相比分別降低了38.0%、25.1%,土壤氮儲量與對照樣地相比分別降低了12.9%、12.5%,其中,去除凋落物對紋莢相思土壤碳儲量和碳氮比的影響達顯著水平(P<0.05)。去除凋落物和去除根系對尾巨桉土壤碳氮儲量的影響均不顯著。3種人工林土壤碳氮比在7.41—10.63之間變動,去除凋落物降低了3種人工林土壤碳氮比(圖1)。

圖1 3種人工林不同處理下土壤碳氮儲量Fig.1 Soil carbon and nitrogen stocks under different treatments of three plantationsEuc：尾巨桉 Eucalyptus urophylla × E. grandis；Aca：紋莢相思 Acacia aulacocarpa； Cas：木麻黃 Casuarina equisetifolia；未出現相同大寫字母表示同一樹種不同處理間差異顯著(P<0.05),未出現相同小寫字母表示相同處理不同樹種間差異顯著(P<0.05)； 橫條表示標準誤(N=4)

3.2 各人工林不同處理下土壤可溶性有機碳氮的變化

不同人工林土壤DOC含量差異顯著(P<0.05),去除根系和凋落物后3種人工林土壤DOC分別減少了3.4%—37.4%、30.6%—52.9%。其中,去除凋落物對3個樹種土壤DOC含量的影響均達到顯著水平(P<0.05)。不同處理下,紋莢相思人工林土壤DOC含量大小表現為對照>去除凋落物>去根,其余2個樹種均表現為對照>去除根系>去除凋落物(圖2) 。

3種人工林中,紋莢相思和木麻黃土壤DON含量均顯著高于尾巨桉,分別是其4.2倍、2.6倍。去除根系對紋莢相思和木麻黃土壤DON含量的影響大于去除凋落物對其的影響,其中去除根系顯著提高了紋莢相思的土壤DON含量(P<0.05),2種處理對尾巨桉土壤可溶性有機氮影響不顯著(圖2) 。

圖2 3種人工林不同處理下土壤可溶性有機碳、氮含量Fig.2 DOC and DON contents in different plantation soilsEuc：尾巨桉 Eucalyptus urophylla × E. grandis；Aca：紋莢相思 Acacia aulacocarpa； Cas：木麻黃 Casuarina equisetifolia；未出現相同大寫字母表示同一樹種不同處理間差異顯著(P<0.05),未出現相同小寫字母表示相同處理不同樹種間差異顯著(P<0.05)；橫條表示標準誤(N=4)

3.3 各人工林不同處理下土壤微生物量碳氮的變化

不同人工林MBC含量差異不顯著,去除凋落物和去除根系均降低了土壤MBC含量,其中,去除凋落物顯著降低了3個樹種土壤MBC含量,去除根系顯著降低了尾巨桉和紋莢相思土壤MBC含量(圖3)。

尾巨桉土壤MBN含量顯著高于紋莢相思和木麻黃(P<0.05),分別是其3.81倍、2.25倍。處理對不同樹種的影響不一致,去除根系和凋落物均降低尾巨桉和紋莢相思土壤MBN含量,其中,對尾巨桉的影響達到顯著水平(P<0.05)。不同于尾巨桉和紋莢相思, 去除根系后木麻黃土壤MBN含量有所提高,但并不顯著,去除凋落物顯著降低了木麻黃土壤MBN含量(P<0.05)(圖3)。方差分析表明,樹種和處理對土壤DOC、DON、MBC、MBN含量均產生極顯著影響(P<0.01)。

圖3 3種人工林不同處理下土壤微生物量碳、氮含量Fig.3 MBC and MBN contents in different plantation soilsEuc：尾巨桉 Eucalyptus urophylla × E. grandis；Aca：紋莢相思 Acacia aulacocarpa； Cas：木麻黃 Casuarina equisetifolia；未出現相同大寫字母表示同一樹種不同處理間的差異顯著(P<0.05),未出現相同小寫字母表示同種處理不同樹種之間差異顯著(P<0.05)；橫條表示標準誤(N=4)

3.4 土壤pH值、土壤碳氮和微生物量碳氮之間的關系

相關分析表明(表2),土壤pH與可溶性有機氮、微生物量氮分別呈極顯著負相關(P<0.01)和極顯著正相關(P<0.01),土壤DOC和MBC均與土壤碳儲量呈顯著正相關(P<0.05),但土壤氮儲量與其余含氮素成分之間均無顯著的相關性。回歸分析表明(圖4),土壤DOC和MBC分別能夠解釋土壤碳儲量變化的47.7%和57.7%。

表2 土壤pH值、土壤碳氮和微生物量碳氮之間的相關性分析

CS：碳儲量 Carbon stock；NS：氮儲量 Nitrogen stock；DOC：可溶性有機碳 Dissolved organic carbon；DON：可溶性有機氮 Dissolved organic nitrogen；MBC：微生物量碳Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮 Microbial biomass nitrogen；*在0.05水平(雙側)上顯著相關

圖4 土壤碳儲量與土壤可溶性有機碳和微生物量碳的關系Fig.4 Relationships between soil carbon stock and soil dissolved organic carbon and microbial biomass carbon

4 討論

4.1 樹種和處理對濱海沙地土壤碳氮儲量的影響

本研究中,濱海沙地土壤碳氮儲量范圍分別為5.30—6.08 Mg/hm2和0.52—0.62 Mg/hm2,與榮俊冬等[20]、李欽祿等[11]、莫小香等[21]對我國南部沿海防護林區土壤的研究結果一致,但遠低于內陸森林土壤碳氮儲量(山地紅壤[22-23]、褐土[24]、山地棕壤[25])。這一差異主要由濱海沙地土壤的性質決定,沙地土壤中物理性沙粒占92.1%—93.3%,難以形成團粒結構[26],沙地疏松,滲透性大,保水保肥能力弱,土壤中的養分容易被淋溶而流失,造成有機質含量低。

3種人工林均是在濕地松人工林采伐跡地上營造,土壤的立地條件、種植歷史、氣候、林齡等因子均一致,不同樹種間土壤特性的差異主要由樹種引起[13]。樹種對土壤的影響主要通過地上凋落物的數量和質量,以及對根呼吸和根分泌物量的控制來實現[27],本研究中,樹種間土壤碳氮儲量差異不顯著,試驗地已有研究表明,細根生物量是影響土壤有機碳和全氮的主要因素[12],對試驗小區做去根系處理時亦發現3種人工林根系生物量差異不明顯,樹種間植物根系生物量差異不明顯可能是導致土壤碳氮儲量差異不顯著的原因,但對根系生物量的估計并未基于試驗量化的基礎上,因此不同樹種土壤碳氮儲量差異不顯著的具體原因還有待進一步探究。國內外關于改變碳輸入方式對土壤性質的影響方面的研究有很多,所得出的土壤碳氮對去除凋落物和去除根系的響應結果不一[28-31]。Park和Matzner[28]在德國Bavaria森林研究結果表明,去除凋落物2年后,土壤弱分解有機層基本消失,半分解+高分解有機層土壤碳、氮儲量分別降低了8.9%和13.9%；Wang等[30]對中國南方亞熱帶森林研究發現,去除根系和凋落物1年后,土壤有機碳分別降低了8.5%和0.5%,全氮分別降低9.2%和3.7%；Wan等[31]對亞熱帶杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)和米老排(MytilarialaosensisLec.)的研究結果表明去除杉木和米老排的凋落物和去除其根系10個月后,土壤全量碳氮均有所上升。可以看出,改變碳輸入方式對土壤碳氮儲量的影響因不同類型森林生態系統而異,樹種、處理的時間、土壤原有狀態等都會影響處理后的結果。本研究中,改變碳輸入方式1年后3種人工林土壤碳氮儲量的變化遠高于上述研究成果,表明在濱海沙地人工林生態系統中,凋落物和根系作為土壤有機質的主要來源,影響土壤碳氮的積累或流失,對維持土壤碳氮庫具有重要作用。同時,去除根系和凋落物對土壤碳氮儲量的影響因樹種不同而存在差異,本研究中,土壤原有狀態差異不顯著,處理時間相同,不同樹種養分周轉速率的差異可能導致3種人工林土壤碳氮儲量對不同碳輸入方式響應不一致,供試樹種凋落物分解速率表現為紋莢相思>尾巨桉>木麻黃[32-34],凋落物分解速率的差異可能是去除凋落物后紋莢相思土壤碳儲量顯著降低的原因。

4.2 樹種和處理對濱海沙地土壤可溶性有機質的影響

土壤碳庫周轉相對緩慢,改變碳輸入方式對生態系統的影響在短時間內變化不明顯,土壤可溶性有機質作為土壤碳氮庫中的活性組分,對土壤管理措施的響應較為敏感,可以用來觀測不同碳輸入方式對土壤碳氮庫的影響[18],回歸分析也表明土壤可溶性有機碳與碳儲量之間具有顯著的相關性。3種人工林土壤DOC和DON均存在顯著差異,木麻黃DOC含量顯著高于尾巨桉和紋莢相思,一般認為,新近凋落物和腐殖質土壤是DOC的主要來源[14],木麻黃人工林年凋落物量是尾巨桉和紋莢相思的1.7倍、2.0倍,因此可認為樹種對土壤DOC的影響主要通過對凋落物量的調控來實現。紋莢相思和木麻黃土壤DON含量顯著高于尾巨桉,紋莢相思和木麻黃均屬于固氮樹種,根部大量根瘤菌可以固定空氣中游離態氮,增加土壤氮素含量,這可能是其土壤DON含量高于尾巨桉的原因。

去除根系和凋落物顯著影響土壤可溶性有機質含量。去除凋落物后尾巨桉、紋莢相思、木麻黃土壤DOC分別下降37.5%、30.6%、52.9%,其降幅遠大于其他森林生態系統在相同試驗處理下的結果[35-37],說明濱海沙地人工林生態系統土壤易變性有機碳對去除凋落物的響應十分敏感,凋落物對土壤有機碳庫的歸還是維持濱海沙地人工林生態系統土壤碳氮循環的重要環節。去除根系提高了3種人工林土壤DON含量,其中,對紋莢相思的影響達顯著水平,去除凋落物對土壤DON含量影響不顯著。這與章憲等[38]、Lajtha等[36]的研究結果相反。原因可能是由于凋落物分解過程中,微生物必須從外界獲取氮源以滿足自身分解的需要,消耗了土壤中氮素成分[39]；去除根系后,土壤中被根系吸收的有效態氮減少可能是造成土壤DON含量上升的原因。同時,Paavolainen等[40]報道了歐洲云杉(Piceaabies(Linn.) Karst.)單萜物質對土壤硝化作用產生了抑制作用,改變了土壤氮循環過程,根系分泌化感物質對土壤氮循環的抑制也可能是導致該現象的原因。圖2中明顯看出樹木根系對土壤DON含量的影響大于凋落物對其的影響,Yano等[41]發現根系所產生的DON是其他枯落物類型的10倍,他認為根系可能是森林DON生產的主要貢獻者,本研究結果在一定程度上證明了其觀點。

4.3 樹種和處理對濱海沙地土壤微生物量碳、氮的影響

土壤微生物是土壤養分轉化與循環的動力[42],微生物是土壤穩定態養分轉變有效養分的催化劑,微生物量的微小變化都會影響土壤碳氮庫的有效性。3種人工林土壤MBN差異顯著,尾巨桉和木麻黃MBC含量高于紋莢相思。Garcia-Oliva等[43]研究發現,凋落物淋溶物質及其分解產物中含有的易變性有機碳能夠為微生物活動提供大量碳源,從而增加微生物量。此外,林木根系及其分泌物誘導形成的微生物區系不同也可能造成土壤微生物量的差異[44],如Phillips等[45]發現由于植物根系釋放分泌物到土壤中,使得根際周圍土壤微生物相對活躍；李嬌等[46]研究結果表明,根際土壤微生物生物量具有正根際效應,土壤微生物的積累有賴于根系分泌物的釋放。本研究發現,紋莢相思和木麻黃土壤微生物量碳氮比值(6.3—11.3)顯著高于尾巨桉土壤微生物量碳氮比值(3.3—4.8),有研究表明,土壤微生物量碳氮比值能夠反映土壤中微生物的種類和區系,細菌、真菌、放線菌碳氮比分別為5∶1、10∶1、6∶1[47],同時,本研究區域土壤pH值呈酸性,不利于放線菌的活動,而真菌適宜在酸性(pH值：3—6)條件下生活,說明尾巨桉土壤微生物以細菌為主,紋莢相思和木麻黃以真菌為主,放線菌較少。因此,樹種通過凋落物分解淋溶的產物和根系分泌物影響土壤的微生物量和微生物種類,從而影響土壤碳氮庫的有效性。

去除凋落物和根系對土壤微生物量碳氮的影響因樹種而異,兩種處理顯著降低了土壤MBC、MBN含量,且去除凋落物較去除根系效果更加顯著。許多研究表明,切斷有機質的輸入途徑會減少土壤MBC、MBN含量。例如,Li等[48]對熱帶次生林和加勒比松(PinuscaribaeaMorelet)人工林的研究發現,去除根系7年后,土壤MBC分別降低59%和31%；Sayer等[49]研究發現,去除凋落物使中美洲低地熱帶森林土壤0—100 cm土層的微生物量碳、氮含量降低。同時,也有研究表明去除根系和凋落物對土壤微生物性質影響并不顯著[28,39],萬曉華等[50]研究結果表明,去除凋落物、去除凋落物+根系后杉木林土壤MBC、MBN具有明顯增加的趨勢,可能與減少了杉木針葉分解過程中抑制微生物生長的毒性物質有關。本研究中改變碳輸入處理時間僅1a,但土壤MBC、MBN降幅與Li等[48]做相同處理7年后的結果相近,遠高于萬曉華等[51]對亞熱帶杉木和米老排人工林去除凋落物和根系后1a的結果,說明濱海沙地人工土壤微生物量對碳輸入的響應較內陸森林生態系統更為敏感,營林過程中對凋落物和根系的擾動將會劇烈影響土壤微生物量,同時也反映了濱海沙地人工林生態系統的脆弱性。

此外,控制有機質輸入對土壤可溶性有機質和微生物特性的影響因處理時間長短而異[16]。不同森林生態系統中,碳輸入方式對土壤碳氮庫的影響存在差異,土壤可溶性有機質和微生物量碳氮含量并未在短期內揭示土壤對不同碳輸入方式的統一響應,因此有必要進行不同碳源輸入對土壤碳氮庫和碳氮循環影響的長期研究,這也是森林生態系統碳氮循環研究的薄弱環節[36,52]。

5 結論

(1)不同樹種人工林土壤碳氮儲量無顯著差異,但不同樹種人工林土壤活性碳氮組分差異顯著。凋落物和根系處理對濱海沙地人工林土壤碳氮庫具有顯著影響且這種影響隨樹種而異,去除凋落物顯著降低了尾巨桉土壤DOC、MBN,紋莢相思土壤碳儲量、DOC、MBC、MBN和木麻黃土壤DOC；去除根系顯著降低尾巨桉土壤MBC、MBN,紋莢相思土壤DOC和木麻黃土壤MBN。

(2)濱海沙地人工林土壤碳氮庫對碳輸入方式的響應十分敏感,凋落物和植物根系是土壤碳氮周轉的關鍵,在沿海防護林經營過程中應加強對凋落物的管理,實現凋落物對土壤養分的自然歸還,保持濱海沙地人工林碳氮庫的良性循環。

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Short-term effects of root exclusion and litter removal on sandy soil carbon and nitrogen pools in three coastal plantation forests

LIN Baoping1,2, HE Zongming1,2,*, GAO Shilei1,2, SANG Changpeng3,4, WEN Xiuping5, LIN Yu6, HUANG Zhiqun3,4, LIN Sizu1,2

1ForestryCollegeofFujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China2ChineseFirEngineeringTechnologyResearchCenter,StateForestryAdministration,Fuzhou350002,China3CollegeofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China4CultivationBaseofStateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China5CollegeofHorticulture,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China6ChangleDaheState-OwnedProtectionForestFarmofFujianProvince,Changle350212,China

The aim of this study was to investigate the effects of manipulated organic matter input (root exclusion, litter removal, and control) on the soil carbon (C) and nitrogen (N) pools in three plantation forests growing on the coastal sandy soil in Changle City, Fujian Province, China. Three plantations includedEucalyptusurophylla×E.grandishybrid,Acaciaaulacocarpa, andCasuarinaequisetifolia. The soil C and N stocks, dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON) concentrations, and microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) concentrations were measured after one year of organic matter treatment. The results showed no significant difference in the soil C and N stocks among the three plantations. However, significant difference was observed in the labile carbon and nitrogen components,C.equisetifoliasoil showing significantly higher DOC thanA.aulacocarpasoil,A.aulacocarpasoil showing significantly higher DON thanE.urophylla×E.grandishybrid andC.equisetifoliasoil, andE.urophylla×E.grandishybrid soil showing significantly higher MBN thanA.aulacocarpaandC.equisetifoliasoil. Changes in the above- and below-ground C input significantly affected the soil C and N pools, depending on the tree species. Litter removal decreased soil C stocks ofA.aulacocarpaandC.equisetifoliaby 38.0 and 25.1%, respectively, and the soil N stocks ofA.aulacocarpaandC.equisetifoliaby 12.9 and 12.5%, respectively. Furthermore, litter removal significantly decreased the soil DOC by 37.5, 30.6, and 52.9; MBC by 31.0, 56.9, and 29.7; and MBN by 50.7, 34.9, 42.2 ofE.urophylla×E.grandishybrids,A.aulacocarpa, andC.equisetifolia, respectively. However, the root exclusion decreased only the soil MBC ofE.urophylla×E.grandishybrids andA.aulacocarpaby 57.7 and 15.4%, respectively. Regression analysis indicated that the soil DOC and MBC were positively correlated with the soil C stocks, while accounting for 47.7% and 57.7% of the variations in soil C stocks. In conclusion, our study suggested that the tree species regulate their soil C and N pools through the effects of the above- and below-ground inputs on soil DOC, DON, MBC and MBN.

soil carbon and nitrogen stocks; soil dissolved organic carbon and nitrogen; soil microbial biomass carbon and nitrogen; root exclusion; litter removal; sandy coastal area

國家自然科學基金項目(31570604, 41371269);福建省林業科技項目(閩林科[2012]3號);福建農林大學部級創新平臺資助

2016- 03- 13;

2017- 02- 17

10.5846/stxb201603130449

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hezm2@126.com

林寶平, 何宗明, 郜士壘, 桑昌鵬, 溫秀萍, 林宇, 黃志群,林思祖.去除根系和凋落物對濱海沙地3種防護林土壤碳氮庫的短期影響.生態學報,2017,37(12):4061- 4071.

Lin B P, He Z M, Gao S L, Sang C P, Wen X P, Lin Y, Huang Z Q, Lin S Z.Short-term effects of root exclusion and litter removal on sandy soil carbon and nitrogen pools in three coastal plantation forests.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4061- 4071.