植被類型和管理方式對4種經濟林土壤活性碳氮及碳通量的影響

彭 艷，劉佳佳，王林均，楊 成，潘貴英，孫 鑫

植被類型和管理方式對4種經濟林土壤活性碳氮及碳通量的影響

彭 艷1，劉佳佳1，王林均2，楊 成1，潘貴英3，孫 鑫1

（1. 貴州民族大學 生態環境工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州民族大學 建筑工程學院，貴州 貴陽 550025；3. 貴州民族大學 工程實訓中心，貴州 貴陽 550025）

土壤活性碳氮含量與CO2，CH4通量對研究經濟林土壤養分狀況和碳氮循環有重要意義。以貴陽黃壤上4種經濟林——松林（馬尾松林）、茶（‘福鼎大白茶’‘Fuding-dabaicha’）園、油桃（var.）林和女貞（‘金森女貞’‘Howardii’ 闊葉人工混交）林0 ~ 20 cm的表層土壤為研究對象，比較了植被類型和管理方式對土壤溶解性碳氮養分、微生物量碳氮和CO2，CH4通量的影響。結果表明：（1）4種經濟林土壤溶解性有機碳含量在5.7 ~ 77.5 mg·kg-1，溶解性全氮含量在2.2 ~ 71.9 mg·kg-1，各經濟林間均沒有顯著性差異，但植被類型和樹齡對其碳氮比有重要影響；（2）土壤NH4+-N含量在1.4 ~ 15.8 mg·kg-1，NO3--N含量在0.2 ~ 4.2 mg·kg-1，無機氮含量變化趨勢與pH值相同，與樹齡相反；（3）微生物量碳、微生物量氮分別介于221.1 ~ 601.4 mg·kg-1，41.1 ~ 110.2 mg·kg-1之間，其比值受土壤碳氮比和含水量顯著影響，且自然生長的經濟林顯著高于人工管理的經濟林（<0.05）；（4）研究區表現為CO2的源和CH4的匯，其通量分別為－131.6 ~ 605.5 mg·m-2·h-1，－583.1 ~ 0 mg·m-2·h-1，植被類型對CO2通量沒有顯著性影響，施硝態氮肥、長期連作等人工管理方式都會導致CH4通量增加。試驗結果表明，調節土壤水分條件和pH值，改進管理方式有助于減少經濟林土壤溫室氣體的釋放。

植被類型；土壤溶解性有機碳；土壤無機氮；微生物量碳氮；碳通量

土壤溶解性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）是土壤活性有機質的組成部分[1]，容易被土壤微生物分解，在提供森林土壤養分方面有重要作用。有機質的形成需要一定數量的氮，氮能部分地調節生態系統碳庫的改變[2]，溶解性有機氮（dissolved organic nitrogen，DON）是土壤有機氮的組成部分，在土壤氮素轉化和氮的植物吸收中有重要作用，現有方法不能直接測出DON含量，通常采用溶解性氮（dissolved nitrogen，DN）與無機氮的差值表示。土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）和微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMBN）與DOC，DON一樣，是土壤活性碳氮的重要組成成分，研究表明土壤碳氮比（C/N）是影響土壤微生物活動導致氣態碳氮排放和養分有效性變化的關鍵因素[3]。

生態系統中溫室氣體排放的主要途徑包括土壤反硝化及土地利用變化等過程[4]，根據2014年IPCC第五次氣候評估報告，目前大氣中CO2和CH4的氣體濃度相對于工業化前水平分別升高了40%和150%，土地利用變化是CO2濃度增長的主要來源之一。森林生態系統土壤碳氮循環與大氣溫室氣體濃度變化有密切關系。研究顯示，溫帶森林是CO2重要的源、CH4重要的匯[5]，宋長青等人[6]指出，研究溫室氣體在土壤和生物圈的發生和消解機制是目前土壤學、地學和全球變化領域面臨的重要挑戰和前沿方向。但前人的研究主要關注CO2和CH4在自然生長的森林生態系統中的產生和變化，對受人為活動影響較大的經濟林方面的研究不多，系統地研究經濟林土壤活性碳氮-微生物-氣體釋放關聯的文獻更少。經濟林亦稱“特用林”，以生產木料或其他林產品直接獲得經濟效益為主要目的，是森林生態系統的組成部分，施肥、植被管理等是其非常重要的經營措施，對森林土壤生態系統的碳氮循環及全球氣候變化有重大影響[7]。

本研究以4種經濟林為研究對象，比較不同用途、管理方式和植被類型等對經濟林土壤溶解性碳氮養分，SMBC，SMBN含量和CO2，CH4通量的影響，以期為森林生態系統土壤-大氣界面碳氮元素循環研究提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于貴州省貴陽市花溪區，106.53° E，26.43° N，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，冬無嚴寒，夏無酷熱，無霜期長，雨量充沛，濕度較大。年平均氣溫為14.9℃，無霜期平均246 d，年降水量1 178.3 mm，森林覆蓋率達到41.53%。地貌以山地和丘陵為主，土壤類型主要為石灰土、黃壤和黃棕壤。

1.2 樣品采集

以經濟林用途、管理方式、植被類型等為指標，選取同一母質層上發育的黃壤作為研究對象，2018年5月在貴陽市花溪區湖潮鄉設置4種經濟林土壤采樣點（表1），采樣點遠離林緣且林地的生境因子基本一致，每個采樣點隨機設置3個樣方，每個樣方5 m×10 m，刮去浮土后按S形法采集樣方內0 ~ 20 cm的表層土壤，分別混合成一個土壤樣品。土壤裝入自封袋保存帶回實驗室后揀出樹根、石塊等，立即過篩，充分混勻后于4℃保存。茶園每年3月左右施有機肥（云南興農，有機質≥45%、N+P2O5+K2O≥5.0%）750 kg·hm-2，垅間堆覆秸稈和茶樹修剪枝；油桃林主要施有機肥和尿素（貴州赤天化，總氮≥46.4%），每年冬季落葉時、次年花期按1:1配比施入750 kg·hm-2；松林和女貞林屬于粗放式人工管理，林木自然生長，林下主要堆積松針和枯落物。

表1 采樣點概況

1.3 分析方法

用pH酸度計（PXS-450）測定土壤pH值，水土比為2.5:1；環刀法測定土壤含水率。用總有機碳分析儀（德國，ElementarVario TOC）測定土壤DOC，DN含量[8]；用全自動間斷化學分析儀（德國，Clever Chem200）測定土壤NH4+-N，NO3--N含量。用土壤碳通量測量系統（意大利，West）測定土壤CO2和CH4通量。采用氯仿熏蒸提取-UV280nm法[9]測定土壤微生物量，基于UV的回歸方程用DOC和DN含量數據將UV280nm吸光度換算成SMBC，SMBN[10]。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2010計算處理。采用SPSS 17.0數理統計軟件（Chicago，IL，USA）進行數據統計分析，Pearson相關分析法完成相關分析。采用Sigmaplot 12.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 4種經濟林土壤溶解性碳氮養分比較

4種經濟林土壤pH在4.2 ~ 7.1。土壤DOC含量在5.7 ~ 77.5 mg·kg-1，表現為油桃林（37.6±36.1 mg·kg-1）>茶園（16.9±18.0 mg·kg-1）>女貞林（14.0±7.8 mg·kg-1）>松林（7.6±0.5 mg·kg-1）；其中，油桃林、茶園樣點的變異系數（標準差/均值）分別達1.0，1.1，均出現了極大值（分別為77.5 mg·kg-1，37.62 mg·kg-1）。土壤DN含量在2.2 ~ 71.9 mg·kg-1之間，其均值高低趨勢與土壤DOC含量變化趨勢一致，表現為油桃林（34.2±33.8 mg·kg-1）>茶園（11.8±11.6 mg·kg-1）>女貞林（10.7±5.6 mg·kg-1）>松林（2.4±0.2 mg·kg-1）；其中，油桃林、茶園樣點的變異系數（標準差/均值）分別達1.0，1.3，均出現了極大值（分別為71.9 mg·kg-1，29.9 mg·kg-1）。方差分析結果顯示，4種經濟林土壤DOC和DN含量沒有顯著性差異，但DOC/DN比值在1.11 ~ 3.16，松林顯著高于其他3種經濟林（<0.05），茶園次之，女貞林和油桃林最低且二者之間沒有顯著性差異，但顯著低于松林和茶園（圖1）。

2.2 4種經濟林土壤無機氮含量比較

4種經濟林土壤NH4+-N含量在1.4 ~ 15.8 mg·kg-1，其均值（圖2）表現為女貞林（12.8±4.8 mg·kg-1）>油桃（7.0±2.1 mg·kg-1）>松林（2.8±0.1 mg·kg-1）>茶園（1.8±0.4 mg·kg-1），女貞林顯著高于其他3種經濟林（<0.05），油桃林與女貞林、茶園間差異顯著（<0.05），茶園和松林之間、松林和油桃林之間均沒有顯著性差異；土壤NO3--N含量在0.2 ~ 4.2 mg·kg-1，其均值表現為茶園（4.0±0.2 mg·kg-1）>女貞林（0.6±0.1 mg·kg-1）>松林（0.4±0.0 mg·kg-1）>油桃林（0.2±0.0 mg·kg-1），茶園顯著高于其他3種經濟林，女貞林和油桃林間差異顯著（<0.05），松林與油桃林、女貞林之間沒有顯著差異；土壤無機氮含量（NH4+-N+NO3--N）高低趨勢與土壤pH值相同、與樹齡相反，表現為女貞林>油桃林>茶園>松林，女貞林顯著高于其他3種經濟林。

不同小寫字字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Figure 1 Comparison of dissolved organic carbon and nitrogen and their ratio in four economic standsoil

圖2 4種經濟林土壤無機氮含量比較

Figure 2 Comparison of inorganic nitrogen contentin four economic stand soil

2.3 4種經濟林土壤微生物生物量比較

土壤微生物是自然界碳、氮循環的核心生物[11]。4種經濟林的SMBC，SMBN分別介于221.1 ~ 601.4 mg·kg-1，41.1 ~ 110.2 mg·kg-1之間，其均值（圖3）分別表現為女貞林（599.6±1.7 mg·kg-1，109.9±0.3 mg·kg-1）>油桃林（391.7±0.7 mg·kg-1，94.2±0.1 mg·kg-1）>茶園（288.9±2.4 mg·kg-1，57.9±0.4 mg·kg-1）>松林（263.6±1.5 mg·kg-1，45.8±0.3 mg·kg-1），4種經濟林之間土壤微生物生物量均差異顯著（<0.05）；SMBC/SMBN比值在4.16 ~ 5.76之間，不同經濟林之間均差異顯著（<0.05）。

2.4 4種經濟林土壤CO2，CH4通量比較

4種經濟林土壤CO2通量在－131.6 ~ 605.5 mg·m-2·h-1，表現為油桃林（310.9±390.2 mg·m-2·h-1）>茶園（253.3±135.6 mg·m-2·h-1）>女貞林（241.8±0.0 mg·m-2·h-1）>松林（234.7±7.0 mg·m-2·h-1），方差分析結果顯示樣地間差異均不顯著；土壤CH4通量在－583.1 ~ 0 mg·m-2·h-1之間，表現為碳吸收，其吸收能力的均值大小依次為松林（－418.7±145.1 mg·m-2·h-1）>油桃林（－178.5±70.1 mg·m-2·h-1）>茶園（－43.7±38.3 mg·m-2·h-1），女貞林未檢測到CH4排放量，自然生長的松林顯著高于（<0.05）其他2種人工管理的經濟林，茶園和油桃林之間沒有顯著差異。

圖3 4種經濟林微生物生物量比較

Figure 3 Comparison of soil microbial biomass in four economic forest soil

圖4 4種經濟林土壤CO2和CH4通量比較

Figure 4 Comparison of CO2and CH4emission in four economic forest soil

2.5 Pearson相關分析

由表2可知，4種經濟林土壤pH值與土壤含水量、NO3--N含量均呈極顯著負相關（<0.01），與CH4通量呈顯著負相關（<0.05），與SMBN呈極顯著正相關（<0.01）；DOC/DN與SMBC，SMBC/SMBN呈極顯著正相關（<0.01）；SMBN與NO3--N含量、CH4通量呈極顯著負相關（<0.01）；CO2通量與土壤相關指標間沒有顯著相關性，CH4通量與NO3--N含量呈極顯著正相關（<0.01）。

表2 4種經濟林土壤相關指標間的相關性

注：**表示在0.01水平上差異極顯著，*表示在0.05水平上差異顯著。

3 結論與討論

3.1 植被類型和管理方式對土壤可溶性碳氮養分的影響

土壤溶解性有機質主要來自施有機肥、枯落物、根系分泌物和土壤有機質，本研究4種經濟林土壤DOC含量在5.7 ~ 77.5 mg·kg-1之間，低于杉木人工林（113.9 ~ 135.8 mg·kg-1），低于造林5 a的米儲和火力楠闊葉林、馬尾松和杉木針葉林（25.2 ~ 102.0 mg·kg-1）[8]。總體上，4種經濟林間土壤DOC，DN含量均表現為闊葉林高于針葉林，其變化趨勢與文獻[8]的研究結果一致，樣點間沒有顯著性差異，其可能影響因素為：（1）凋落物的數量和質量。凋落物還田有助于土壤原有有機碳的分解[8]和土壤有機質的積累。馬尾松林下凋落物主要為松針，與油桃、茶樹、女貞等闊葉樹種相比其凋落物品質較低，難以分解[8]；茶園因明前茶采摘后修枝、枯枝落葉堆覆垅間等管理活動，其DOC，DN含量明顯高于其他樣地。（2）經濟林管理方式。人工管理的經濟林（油桃林、茶園）土壤溶解性碳氮養分高于自然生長的經濟林（女貞林、松林），且其變異系數較大，我們認為施肥是其重要的影響因素，有機肥與尿素配施高于單施有機肥，施肥高于不施肥，人工施肥的不均勻導致數據出現高峰值和高變異系數。從不施肥、自然生長的角度來看，人工混交的管理模式（女貞林）高于完全自然生長的馬尾松純林。（3）經濟林用途。本研究中的闊葉林為用葉林、木果林和景觀樹種，3個闊葉林樣方中的DOC含量波動較大，施肥、秸稈和修剪枝堆覆、間種、定期管理等人為活動有重要影響，而松林是用材林，以自然生長為主，DOC含量變幅不大。（4）林木所處生長階段。采樣期5月正值油桃掛果成熟、明前茶采摘后新芽生發、金森女貞及海桐開花期，可能導致經濟林土壤DOC含量低于其他次生林地。

3.2 植被類型和管理方式對土壤微生物生物量的影響

4種經濟林的SMBC，SMBN與土壤pH值、無機氮含量的高低趨勢一致，即女貞林高于油桃林，茶園次之，松林最低，pH<5.0的茶園、松林SMBC均低于300 mg·kg-1，6.07.0的女貞林約為600 mg·kg-1。高pH有利于土壤微生物同化NO3--N（=－0.93，<0.01）為自身生物體氮（=0.93，<0.01），從而促進微生物群落的生長。

4種經濟林間土壤DOC和DN養分含量無顯著差異，但其DOC/DN存在顯著差異性（<0.05），樹齡較長的松林（30 a）、茶園（15 a）均顯著高于樹齡10a以下的經濟林（油桃林、女貞林）（<0.05）。微生物體C/N通常低于土壤和植物的C/N，在（4:1）~（9:1），本研究中SMBC/SMBN在（4:1）~（6:1）。SMBC/SMBN能反映土壤氮素的微生物活性[12]，本研究中自然生長的松林和女貞林的SMBC/SMBN均顯著高于人工管理的茶園和油茶林（<0.05），土壤高DOC/DN導致高SMBC/SMBN（=0.78，<0.01），因進入土壤的大多數有機殘體含碳量大而全氮含量較小，土壤微生物傾向于同化含碳有機物為自身生物體碳，極顯著增加SMBC（=0.77，<0.01），而微生物氮素活性較低，氮素損失較高[12]。

3.3 植被類型和管理方式對土壤碳通量的影響

經濟林土壤是CO2的源和CH4的匯。相關研究表明，凋落物對土壤CO2排放總量的貢獻約占17%[13]，本研究中人工管理的經濟林（油桃林、茶園）CO2通量高于自然生長的經濟林（女貞林、松林），闊葉林土壤CO2通量均值在241.8 ~ 310.9 mg·m-2·h-1之間，高于貴陽市黃壤上的其他闊葉林（187.4 mg·m-2·h-1）[14]，但闊葉樹種和針葉樹種間差異不顯著，與土壤指標相關性也不強，部分學者認為溫度是影響土壤CO2排放的唯一因素[14]。

經濟林土壤CH4通量受土壤NO3--N含量和SMBN極顯著影響（分別為0.84，－0.78，<0.01）而非DOC，DN含量或DOC/DN。即人工管理施入NO3--N肥料或微生物異化生物體氮為環境養分如NO3--N，將會增加土壤CH4通量；此外，長期連作等管理方式會導致土壤pH值降低，土壤的酸化會增加CH4排放通量（=－0.65，<0.05），而土壤含水量則通過影響SMBN（=－0.84，<0.01）間接影響CH4通量。

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Effect of Different Vegetation and Management on Soil Dissolved Organic Carbon and Inorganic Nitrogen and Carbon Flux under Four Vegetation

PENG Yan1，LIU Jia-jia1，WANG Lin-jun2，YANG Cheng1，PAN Gui-ying3，SUN Xin1

（1. College of Eco-Environment Engineering, GuizhouMinzu University, Guiyang 550025, China; 2. College of Architecture & Engineering, GuizhouMinzu University, Guiyang 550025, China; 3. Engineering Training Center, GuizhouMinzu University, Guiyang 550025, China）

In May 2018, soil samples of 0-20 cm was collected undergarden,‘Fuding Dabaicha’stand,st and‘Howarii’stand in Guiyang, Guizhou province. Determinations were implemented on dissolved carbon (DC) and nitrogen (DN) content, microbial biomass carbon (SMBC) and nitrogen(SMBN), CO2and CH4flux. The results showed that soil dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON) content in the sampled vegetation ranged 5.7- 77.5 mg/kg, 2.2 - 71.9 mg/kg respectively. There was no significant difference of DOC and DON content among different vegetation, but C/N was significantly affected by vegetation type and tree age. Soil content of NH4+-N ranged from 1.4 to 15.8mg/kg and content of NO3--N ranged from 0.2 and 4.2 mg/kg.The inorganic nitrogen content had same trend with soil pH, but opposite with tree age. SMBC and SMBN ranged from 221.1 to 601.4 mg/kg,41.1 to 110.2 mg/kg respectively. SMBC/SMBN was significantly affected by soilC/N and water content. And that inand‘Howarii’ forest was significantly higher than that in the left two stands.CO2sources and CH4sinks in the investigated stands were respectively varied from -131.6 to 605.5mg/m2/h, 21.6 to 195.1 mg/m2/h. Vegetation types had no significant effect on CO2flux, but fertilization of nitrogen and long-term continuous cropping could increase CH4flux.

vegetation type; soil dissolved organic carbon; inorganic nitrogen; microbial biomass carbon and nitrogen; carbon flux

S714

A

1001-3776（2019）06-0012-07

10.3969/j.issn.1001-3776.2019.06.003

2019-04-27；

2019-09-16

國家自然科學基金項目（41563013）；貴州省科技廳科技計劃項目（黔科合基礎﹝2018）1074號）；貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字﹝2016﹞161號）

彭艷，副教授，從事環境地球化學工作；E-mail:yan.jane.peng@gmail.com。