不同松櫟混交林土壤溶解性有機碳氮的差異分析

楊果果, 孔玉華, 趙佳寶, 馮志培, 范貝貝, 楊喜田

(河南農業大學 林學院, 鄭州 450002)

不同松櫟混交林土壤溶解性有機碳氮的差異分析

楊果果, 孔玉華, 趙佳寶, 馮志培, 范貝貝, 楊喜田

(河南農業大學 林學院, 鄭州 450002)

為揭示北亞熱帶地區不同林分類型的土壤活性碳氮分布特征，在駐馬店市南部山區選取4處具有代表性的松櫟人工混交林為研究對象，對其0—20 cm土壤的溶解性有機碳(DOC)，溶解性有機氮(DON)等組分進行研究。結果表明：4種林型土壤DOC的含量為麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林>馬尾松麻櫟混交林，DON的含量為馬尾松麻櫟混交林>麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林，不同林分類型間整體上差異性顯著(p<0.05)；在垂直剖面上，4種林型土壤DOC和DON均隨土層深度的增加而顯著性下降(p<0.05)。4種林分類型DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON分別以麻櫟純林、馬尾松麻櫟混交林、麻櫟純林最高，在垂直空間分布上，差異性整體上不顯著。土壤DOC和DON與土壤含水率、土壤硬度、速效鉀、全氮均呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)相關性。

麻櫟; 溶解性有機碳; 溶解性有機氮; 混交林

溶解性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)是非常活躍的有機碳組分[1]，占土壤有機碳的比例很少[2]，具有周轉速率快、易分解、生物活性高等特征[3]。溶解性有機氮(dissolved organic nitrogen，DON)是重要的土壤營養庫，礦化和硝化速率較快[4]。土壤DOC和DON含量易受到土壤養分、土壤質量、地形、氣候、植被類型等因素的影響[5-6]，其微弱的變化都可能會影響土壤DOC和DON的轉化過程。Cookson[7]、Kemmitt[8]等研究發現土壤溫度、水分、pH值等均對土壤DOC和DON的轉化和消耗有影響。Qualls等[9]提出土壤DOC和DON主要來源于新進的凋落物，由此可見，林木的組成對土壤DOC和DON的來源和轉化尤為重要，國內外關于林分類型和垂直剖面上土壤DOC和DON的分布、轉化和積累等方面已經做了大量的研究工作，曾全超等[10]研究發現不同喬木林下土壤DOC和DON有不同程度的差異性，趙佳寶等[11]研究馬尾松麻櫟混交林時發現土壤養分、坡向、土層深度和胸高斷面積對土壤DOC和DON含量有影響。但是關于北亞熱帶地區不同松櫟混交林的土壤DOC和DON分布的差異研究還未見報道。

麻櫟(Quercusacutissima)，殼斗科櫟屬，是優良的硬闊葉用材樹種，具有生長迅速、耐干旱瘠薄和水土保持功能，是一種具有廣闊的開發前景的能源樹種[12]，麻櫟在北亞熱帶地區分布廣泛，是重要的森林資源，這一地區屬于亞熱帶和暖溫帶的過渡區，對氣候變化具有敏感性，關于北亞熱帶的麻櫟混交林土壤DOC和DON積累和轉化的研究變得尤為重要。本研究選擇了駐馬店南部低山丘陵區3處具有代表性的馬尾松、濕地松、火炬松和麻櫟的松櫟人工混交林，以麻櫟純林為對照，進行研究4種林分類型土壤溶解性有機碳氮的差異，探討人工林生態系統的土壤DOC和DON的轉化和周轉機理，以期為北亞熱帶地區松櫟人工混交林地的土壤有機碳氮積累和土壤質量改善提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究地區概況

研究區位于河南省駐馬店市確山縣薄山林場和泌陽縣馬道林場，是桐柏山系余脈，地處東經113°23′—114°30′，北緯32°24′—32°45′。該區位于亞熱帶和暖溫帶的過渡區，屬于大陸性季節氣候，年平均降雨量約為850～960 mm，年平均氣溫約為15.1℃，日照時長約2 140 h，無霜期約為220 d。土壤以黃棕壤和黃褐土為主。主要植被為馬尾松(Pinusmassoniana)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，麻櫟(Quercusacutissima)，栓皮櫟(Quercusvariabilis)，側柏(Platycladusorientalis)，楊樹(Populusspp)等，以及稀有樹種濕地松(Pinuselliottii)，火炬松(Pinustaeda)等。

表1 研究區樣地的基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取 于2014年7月先后在研究區薄山林場和馬道林場進行調查采樣，為盡可能減少對森林資源的破壞，選取4處具有代表性的人工林樣地作為研究對象，分別為馬尾松麻櫟混交林(馬×麻)，濕地松麻櫟混交林(濕×麻)，火炬松麻櫟混交林(火×麻)以及麻櫟純林。樣地選擇坡面相對均勻、人為干擾較少、胸徑處的年輪變化大致相同的區域，設置面積為20 m×20 m的樣方。采用羅盤儀對選取過的樣地進行測量，用每木檢尺法逐一測定樣方內林木(胸徑≥2 cm)的胸徑和樹高，并記錄調查樣地的名稱、海拔、經緯度、樹高、坡度、坡向、胸徑等信息(表1)。

1.2.2 土壤取樣 在每1個人工林樣地中所選擇的20 m×20 m的樣方內按照對角線設定3個取樣點，樣點間隔≥1 m，清理土壤表面的枯落物等雜質后，使用環刀取樣法分別取0—10 cm，10—20 cm的土層，裝入已記錄好對應的采樣編號、地點和深度的密封袋中，留測土壤中根系生物量；在環刀所取位置挖取剖面，每個剖面分為0—10 cm，10—20 cm的土層，每個土層取約1 kg的混合樣品(四分法)另放入同上已記錄好的密封袋中，帶回實驗室進行測定和分析。

1.2.3 分析方法 采用烘干法測定土壤含水量和根系密度，采用山中式土壤硬度計測定土壤硬度，采用環刀法測定土壤容重，用土壤粒徑粒型測量系統測量(Mastersizer 2000，Malvern，英國)測定土壤顆粒組成，將土壤顆粒按粒徑分為黏粒(0～0.002 mm)，粉粒(0.002～0.02 mm)，砂粒(0.02～2 mm)。土壤pH值采用酸度計進行測定，采用連續流動分析儀測量銨態氮、硝態氮、DOC和DON，土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮測定采用半微量開氏法，采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定土壤中速效鉀含量，采用鹽酸—氟化銨提取鉬銻抗比色法測定土壤中速效磷含量，采用堿解擴散法測定樣品中堿解氮。

表2 研究區供試土壤的物理性質(平均值±標準差)

表3 研究區供試土壤的化學性質(平均值±標準差)

1.2.4 數據處理和分析 采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)和檢驗不同松櫟林分類型DOC，DON，DON/TN，DOC/SOC，DOC/DON的差異性，并用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較和對土壤溶解性有機碳氮與理化性質進行了相關性分析，采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤溶解性有機碳氮的分布

4種林型土壤DOC含量在77.09～131.89 mg/kg范圍波動，常晨暉等[13]研究發現川西高山森林土壤DOC含量為33.1～448.2 mg/kg，和其他研究者結論一致。土壤DOC含量從大到小的順序為麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林>馬尾松麻櫟混交林，在0—10 cm和10—20 cm混交林土壤中的DOC含量均顯著(p<0.05)低于麻櫟純林，0—10 cm土層中濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林分別是麻櫟純林土壤DOC含量的79.85%，57.61%，63.72%；10—20 cm土層中濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林分別是麻櫟純林土壤DOC含量的82.51%，61.88%，58.45%。隨著土層深度的增加，不同林型中DOC含量均呈顯著下降趨勢(p<0.05)，在濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林、麻櫟純林0—10 cm土層DOC含量分別比10—20 cm高出10.53%，6.34%，24.52%，14.22%。

土壤DON含量以馬尾松麻櫟混交林最高，高達11.36 mg/kg，在0—10 cm土層，以麻櫟純林最高，為12.9 mg/kg，在10—20 cm土層，以馬尾松麻櫟混交林最高，為11.09 mg/kg，濕地松麻櫟混交林次之，為8.59 mg/kg。在0—10 cm和10—20 cm土層，火炬松麻櫟混交林中土壤DON含量均是最低的。在Chen等[14]發現土壤溶解性有機氮含量的范圍為5～45 mg /kg。隨著土層深度的增加，不同林型中DON含量均呈顯著下降趨勢(p<0.05)，在濕地松麻櫟混交林、馬尾松麻櫟混交林、火炬松麻櫟混交林、麻櫟純林0—10 cm的DON含量分別比10—20 cm高出10.36%，4.99%，13.35%，63.64%，其中以麻櫟純林中土壤DON含量變化最為顯著。

2.2 DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON的變化特征

4種林型土壤DOC/SOC以麻櫟純林土壤最高，為2.11‰，均高于松櫟混交林，與火炬松麻櫟混交林的差異性不顯著。在不同林型中不同土層深度土壤DOC/SOC，除了火炬松麻櫟混交林10—20 cm顯著(p<0.05)高于0—10 cm，整體上以0—10 cm低于10—20 cm，其中麻櫟混交林0—10 cm顯著低于10—20 cm。土壤DON占TN的比例大小為38.18%～53.39%，其由大到小的順序為馬尾松麻櫟混交林>麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林，其中，馬尾松麻櫟混交林DON/TN顯著(p<0.05)高于其他林型，但不同土層深度土壤DON/TN的比值差異性均不顯著。土壤溶解性有機碳氮比以馬尾松麻櫟混交林最低，其他林型整體上差異性不顯著，不同土層深度以麻櫟純林差異最為顯著，3種混交林的垂直分布上的DOC/DON差異性均不顯著。

表4 4種林型DOC和DON的含量

注：字母區分不同處理的比較，不同大寫字母表示同種林分類型不同土層深度數據的差異顯著性(p<0.05)；不同小寫字母表示同一土層深度不同林分類型數據的差異顯著性(p<0.05)。

2.3 土壤溶解性有機碳氮與理化性質的相關性

通過分析研究區土壤溶解性有機碳氮與土壤理化性質之間的相關關系，可以看出：土壤DOC與土壤含水率、速效鉀、全氮、有機碳、銨態氮均達成極顯著水平(p<0.01)的正相關關系，與土壤硬度呈極顯著水平(p<0.01)的負相關關系，與速效磷存在顯著(p<0.05)的負相關性，姜培坤[15]，張彪[16]等研究發現：土壤DOC與土壤SOC、全氮、速效磷、速效鉀、銨態氮含量有顯著或極顯著相關性。土壤DON與速效鉀、全氮存在極顯著水平(p<0.01)的正相關，與土壤含水率存在顯著(p<0.05)正相關關系，和土壤硬度呈顯著(p<0.05)負相關關系。王清奎[17]，李淑芬[18]等研究發現土壤DON與速效鉀、全氮等存在顯著或極顯著的相關關系。

表5 土壤溶解性有機碳氮與理化性質的相關系數 (自由度n=23)

3 討 論

不同的林分類型受到不同樹種的自身生物學特征的影響，導致了林內的水分、溫度、光照等環境和凋落物種類和數量的差異。本研究發現不同林型中的DOC含量差異性顯著(p<0.05)，麻櫟純林和濕地松麻櫟混交林的土壤DOC含量較高，造成這種差異原因有植被類型、土壤養分等因素，不同的林分類型中凋落物分解速率有差異[19]，從而影響到土壤DOC含量，一方面可能由于其土壤含水率較高(表2)，更有利于植物凋落物的分解，進而增加土壤DOC的含量；另一方面可能是其土壤SOC含量較高，為微生物提供了必需物質，促進微生物的生長[20]，加速土壤有機物的分解，進而影響土壤DOC的轉化，研究也發現4種林型土壤DOC的含量變化和DOC/SOC變化規律基本一致(表4)，表明較高的土壤SOC，能促進土壤DOC的增加。相關性分析也表明了土壤DOC與土壤含水率、速效鉀、全氮、有機碳、銨態氮均達成極顯著水平(p<0.01)的正相關關系。本研究發現，不同林型中的DON含量差異性顯著(p<0.05)，麻櫟純林和馬尾松麻櫟混交林的土壤DON含量較高，分析其原因首先可能是土壤DON受到土壤TN的影響，研究也發現4種林分類型DON/TN的變化和土壤DON的含量變化規律基本一致(表4)，表明較高的土壤TN，能促進土壤DON的轉化。相關性分析也表明了土壤DON與TN、速效鉀存在極顯著水平(p<0.01)的正相關關系。其次土壤DON是植物和微生物直接利用的氮源，在氮循環過程中扮演著重要角色，說明土壤DON含量的變化與林木的生長關系密切。另外，4種林型土壤DOC/DON以馬尾松麻櫟混交林的比值最低，File[6]等提出土壤DOC/DON與有機質有關，土壤有機質較低，其DOC/DON也會降低，本研究中4種林型的土壤DOC/DON的比值與土壤有機質關系符合File的研究結果，而凋落物的質量和數量影響著土壤有機質的積累，從而可以推斷不同林分類型的植被種類對土壤DOC和DON含量有影響。

本研究中在4種林型均出現表層的土壤DOC和DON含量顯著(p<0.05)大于下層，汪偉等[21]在研究羅浮栲天然林土壤可溶性有機碳的剖面分布及季節變化時發現土壤DOC隨著土層深度的增加而減少；沈玉芳等[22]研究黃土高原水蝕風蝕交錯區施肥對黑麥草農田土壤水溶性有機碳、氮的影響時發現在0—20 cm土層的土壤DOC和DON含量均大于20—40 cm土層。主要原因：一是表層大量凋落物輸入形成了枯枝落葉層，為土壤微生物生長提供了豐富的碳源和氮源,促進了土壤有機質的分解和轉化[23]，增加土壤DOC和DON的來源[24]。二是由于表層土壤的水分充足、有機碳、全氮的含量均較高，通氣性好，微生物活性比下層劇烈，從而有利于表層土壤DOC和DON的積累。以上進一步證明了凋落物層是土壤DOC和DON的重要來源。

4 結 論

通過不同松櫟人工混交林0—20 cm土壤DOC和DON的分布特征的研究發現：4種林型土壤DOC和DON的含量大小順序分別為麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林>馬尾松麻櫟混交林、麻櫟混交林>麻櫟純林>濕地松麻櫟混交林>火炬松麻櫟混交林，且均隨土層深度的增加而呈顯著性下降趨勢。土壤中DOC/SOC，DON/TN，DOC/DON分別以麻櫟純林、馬尾松麻櫟混交林、麻櫟純林最高。土壤DOC和DON均土壤含水率、土壤硬度、速效鉀、全氮等土壤理化性質均呈現不同程度的相關性，進一步證明了土壤DON和DOC變化與植被類型、土層深度及土壤理化性質關系密切。

[1] 劉艷,周國逸,劉菊秀.陸地生態系統可溶性有機氮研究進展[J].生態學雜志,2005,24(5):573-577.

[2] 汪景寬,李叢,于樹,等.不同肥力棕壤溶解性有機碳、氮生物降解特性[J].生態學報,2008,28(12):6165-6171.

[3] 李玲,仇少君,劉京濤,等.土壤溶解性有機碳在陸地生態系統碳循環中的作用[J].應用生態學報,2012,23(5):1407-1414.

[4] Mariano E, Jones D L, Hill P W, et al. Mineralisation and sorption of dissolved organic nitrogen compounds in litter and soil from sugarcane fields[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2016,103(12):522-532.

[5] 萬曉華,黃志群,何宗明,等.杉木采伐跡地造林樹種轉變對土壤可溶性有機質的影響[J].應用生態學報,2014,25(1):12-18.

[6] File T, Rék si M. Factors controlling dissolved organic carbon(DOC), dissolved organic nitrogen(DON)and DOC/DON ratio in arable soils based on a dataset from Hungary[J]. Geooderma, 2011,162(3):312-318.

[7] Cookson W R, Osman M, Marschner P, et al. Controls on soil nitrogen cycling and microbial community composition across land use and incubation temperature[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007,39(3):744-756.

[8] Kemmitt S J, Wright D, Goulding K W T, et al. pH regulation of carbon and nitrogen dynamics in two agricultural soils[J]. Soil Biology and Biochemistry,2006,38(5):898-911.

[9] Qualls R G, Haines B L. Geochemistry of dissolved organic nutrients in water percolating through a forest ecosystem[J]. Soil Science Society of America Journal, 1991,55(4):1112-1123.

[10] 曾全超,李鑫,董揚紅,等.黃土高原不同喬木林土壤微生物量碳氮和溶解性碳氮的特征[J].生態學報,2015,35(11):3598-3605.

[11] 趙佳寶,楊喜田,徐星凱,等.馬尾松—麻櫟混交林土壤溶解性有機碳氮空間分布特征[J].水土保持學報,2016,30(3):213-219.

[12] 劉志龍,虞木奎,唐羅忠,等.麻櫟資源研究進展及開發利用對策[J].中國林副特產,2009,12(6):93-96.

[13] 常晨暉,茍小林,吳福忠,等.利用海拔差異模擬增溫對高山森林土壤溶解性有機碳和有機氮含量的影響[J].應用生態學報,2016,27(3):663-671.

[14] Chen C R, Xu Z H, Zhang S L, et al. Soluble organic nitrogen pools in forest soils of subtropical Australia[J]. Plant and Soil, 2005,277(1/2):285-297.

[15] 姜培坤,徐秋芳,楊芳.雷竹土壤水溶性有機碳及其與重金屬的關系[J].浙江林學院學報,2003,20(1):8-11.

[16] 張彪,高人,楊玉盛,等.萬木林自然保護區不同林分土壤可溶性有機氮含量[J].應用生態學報,2010,21(7):1635-1640.

[17] 王清奎,汪思龍,馮宗煒,等.杉木人工林土壤可溶性有機質及其與土壤養分的關系[J].生態學報,2005,25(6):1299-1305.

[18] 李淑芬,俞元春,何晟.南方森林土壤溶解有機碳與土壤因子的關系[J].浙江林學院學報,2003,20(2):119-123.

[19] 丁新景,解國磊,敬如巖,等.黃河三角洲不同人工刺槐混交林凋落物分解特性[J].水土保持學報,2016,30(4):249-252,307.

[20] 羅達,史作民,唐敬超,等.南亞熱帶鄉土樹種人工純林及混交林土壤微生物群落結構[J].應用生態學報,2014,25(9):2543-2550.

[21] 汪偉,楊玉盛,陳光水,等.羅浮栲天然林土壤可溶性有機碳的剖面分布及季節變化[J].生態學雜志,2008,27(6):924-928.

[22] 沈玉芳,陶武輝,李世清.黃土高原水蝕風蝕交錯區施肥對黑麥草農田土壤水溶性有機碳、氮的影響[J].自然資源學報,2011,26(8):1387-1393.

[23] 高忠霞,周建斌,王祥,等.不同培肥處理對土壤溶解性有機碳含量及特性的影響[J].土壤學報,2010,47(1):115-121.

[24] Qualls R G, Swank W T. Fluxes of dissolved organic nutrients and humic substances in a deciduous forest[J]. Ecology, 1991,72(1):254-226.

DifferencesofDissolvedOrganicCarbonandNitrogeninSoilsofFourMixedPine-OakPlantations

YANG Guoguo, KONG Yuhua, ZHAO Jiabao, FENG Zhipei, FAN Beibei, YANG Xitian

(CollegeofForestry,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

In order to reveal the distribution characteristics of soil active carbon and nitrogen in different forest types in the north subtropics, four typical representative mixed plantations of Pine andQuercusacutissimain the southern mountainous area of Zhumadian were selected, and the components of 0—20 cm soil layer such as dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON), and so on were studied. The experimental results showed that the detail contents of soil DOC in four forest sites decreased in the order: pureQuercusacutissima> mixedQuercusacutissimaand mongolica>mixedPinustaedaandQuercusacutissima>mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima, the contents of soil DOC decreased in the order: mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima>pureQuercusacutissima>mixedQuercusacutissimaand mongolica >mixedPinustaedaandQuercusacutissima, and the statistics differences between different forest types are significantly(p<0.05). In the vertical profile, the contents of soil DOC and DON for the four forest types decreased significantly with increase of soil depth (p<0.05). The max proportion of DOC/SOC, DON/TN, DOC/DON was found in pureQuercusacutissima, mixedPinusmassonianaandQuercusacutissima, pureQuercusacutissima, respectively. There were no significant differences in the vertical spatial distribution, soil DOC and DON are significantly (p<0.05) or extremely significantly (p<0.01) related with soil water content, soil hardness, available potassium and total nitrogen.

Quercusacutissima; dissolved organic carbon; dissolved organic nitrogen; mixed forest

S714.2

A

1005-3409(2017)06-0079-05

2017-01-13

2017-02-10

國家自然科學基金面上項目“林木幼苗對切根的生理生態響應及根-冠互作機制”(31570613)

楊果果(1989—),女,河南永城人,碩士研究生,主要從事生態恢復的研究。E-mail:yangggeco@163.com

楊喜田(1965—),男,河南長垣人,博士,教授,主要從事生態恢復的研究。E-mail:xitianyang@aliyun.com