3種人工林表層土壤溶解性有機質含量的季節變化

孔玉華，韓夢娟，張志華，徐星凱，賴 勇，2，楊喜田?

(1.河南農業大學林學院，450002，鄭州；2.青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，810016，西寧；3.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，100029，北京；4.中國科學院大學地球科學學院，100049，北京)

土壤活性碳、氮的形成與轉化過程受生物、物理化學因素及水文條件的影響，例如，土壤有機質的分解[9]、枯枝落葉層的淋溶與歸還[5]以及降水過程等[6,10]。B. Michalzik等[6]研究表明降水是土壤溶解性有機質的一個重要來源，其為土壤提供較大比例的DON，而非DOC。B. Werner等[11]報道在未來幾十年干濕交替現象仍會呈增加的趨勢，而這會造成高濃度DOC的季節性淋溶。趙佳寶等[12]研究發現胸高斷面積顯著影響馬尾松-麻櫟混交林土壤DOC儲量。羅獻寶等[3]研究表明水分條件和植物根系活動是影響長白山溫帶闊葉紅松林表層土壤活性碳、氮庫動態變化的主要因素。陳春蘭等[13]研究表明長期化肥配施紫云英及秸稈還田能顯著提高紅壤雙季稻田土壤中的活性碳、氮質量分數。此外，已有許多研究表明，土壤活性碳、氮質量分數與土壤溫室氣體CO2和N2O的排放具有顯著的正相關關系[14-15]。

1 研究區概況

研究區位于河南省西北部的濟源市境內，隸屬于中國森林生態系統定位研究網絡(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN)的黃河小浪底森林生態系統定位研究站(E 112°28′, N 35°01′)。該地區平均海拔為410 m，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春秋季較短，3、6、9、和12月可代表當地春、夏、秋、冬四季；雨熱同期，降水季節分布不均勻，全年降水約68.3%集中在6—9月，年均降水量約641.7 mm，年均氣溫14.1 ℃。研究區土壤主要為棕壤和在花崗片麻巖等風化母質上發育而來的山地褐土，土層淺且保肥保水能力差。試驗區植被主要由酸棗(Ziziphusjujube)、荊條(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)等組成的耐旱次生灌草叢以及原始植被破壞后栽植的人工林。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

2016年3月選擇立地條件、坡向坡位基本一致的32年側柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和栓皮櫟(Quercusvariabilis)3種典型人工林樣地。以自然枯落物歸還為對照，設置無枯落物處理(清除表面枯落物后，布置3 m×3 m枯落物收集框以阻止枯落物歸還地表)，每種人工林共設置6個樣地(3個為有枯落物，3個為無枯落物處理，分別用Y和W表示)，共18個樣地，后采集土壤樣品，樣地基本概況與土壤理化性質見表1和表2。

表1 研究區3種人工林樣地基本概況Tab.1 Basic information of 3 artificial forest types in the study area

表2 不同人工林樣地土壤物理化學性質Tab.2 Soil physic-chemical properties of different artificial forest types (n=9)

注：表中數值為平均值±標準差。Notes: The format of data in the table is mean±SD.

2.2 樣品采集與處理

CB、CH和S分別代表側柏、刺槐和栓皮櫟林下土壤，Y和W表示有枯落物和無枯落物處理。下同。 CB, CH, and S refers to understory soil inPlatycladus orientalis,Robinia pseudoacaciaandQuercus variabilisforest, respectively. Y and W refers to the plot with and without litter treatment. DOC stands for dissolved organic carbon, and DON stands for dissolved organic nitrogen. The same below.圖1 3種人工林土壤溶解性有機碳與溶解性有機氮質量分數的季節變化(n=63)Fig.1 Seasonal dynamics of soil DOC and DON contents in 3 artificial forest types(n=63)

2.3 樣品測定方法

2.4 數據處理

采用多因素方差分析法(MNOVA)分析季節、人工林類型和有無枯落物對土壤DOC、DON和SIN的影響，顯著性水平P為0.05。對各土壤因子進行相關性分析(Pearson 法)，并采用逐步回歸法分析溶解性有機碳氮的主要影響因素。所有統計分析均采用SPSS 20.0軟件(IBM，紐約，美國)，并采用Microsoft Excel 2010進行圖表繪制。

3 結果與分析

3.1 表層土壤活性碳和氮季節變化特征

3種人工林有枯落物時土壤DOC質量分數呈明顯的季節變化規律，且均在夏季6月達最高(P<0.05)，3月或9月最低(圖1a)。不同人工林類型顯著影響了林下土壤DOC質量分數(P<0.05)，其中側柏林年平均土壤DOC質量分數(327.71 mg/kg)高于栓皮櫟林(210.52 mg/kg)和刺槐林(192.80 mg/kg)。無枯落物時土壤DOC質量分數季節變化規律與有枯落物處理相似，表現為6月>12月>9月。除9月(刺槐林)和12月(栓皮櫟林)外，土壤DOC質量分數大多表現為有枯落物>無枯落物。

3種人工林有枯落物時土壤DON質量分數季節變化大多表現為倒“V”形動態趨勢，6月最高(P<0.05)，12月最低，僅側柏林9月最低，9—12月略微升高(圖1b)。不同人工林類型土壤DON質量分數略有高低，但并未達到顯著差別，呈刺槐林(14.88 mg/kg)<栓皮櫟林(18.29 mg/kg)<側柏林(23.66 mg/kg)的趨勢。無枯落物時土壤DON質量分數季節變化規律與有枯落物時處理相同，土壤DON質量分數大多表現為有枯落物>無枯落物，刺槐6月和栓皮櫟12月除外。

SIN表示土壤無機氮，下同。SIN stands for soil inorganic nitrogen, the same below.圖2 3種人工林土壤硝態氮、銨態氮和土壤無機氮質量分數的季節變化(n=63)Fig.2 Seasonal dynamics of soil and SIN contents in 3 artificial forest types(n=63)

3.2 DOC、DON及SIN與其他土壤因子間的相關性及回歸分析

為分析有無枯落物歸還條件下土壤DOC與DON的主要影響因素，本研究進行逐步回歸分析，結果(表5)表明土壤TN是有枯落物歸還、無枯落物處理及兩者耦合分析下土壤DOC的主要影響因子，貢獻率分別為88.5%，30.2%和74.6%。土壤DON在有枯落物歸還、無枯落物處理及兩者耦合分析下也主要受土壤TN質量分數的影響，貢獻率分別是90.8%，48.3%和82.5%。

表3 季節、人工林類型及枯落物對土壤溶解性有機碳與溶解性有機氮的質量分數影響的方差分析(n=63)Tab.3 Variance analysis for the effects of season, stand types, and litter on soil dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen contents(n=63)

表4 土壤溶解性有機碳與溶解性有機氮的質量分數及其他因子之間的Pearson相關系數Tab.4 Pearson correlation coefficients between soil dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen contents as well as other properties

注：*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平下顯著相關；MC和AT分別代表土壤含水率和氣溫。Notes: * and ** indicate significant correlated atP<0.05 andP<0.01, respectively. MC and AT represent soil moisture content and air temperature, respectively.

表5 土壤溶解性有機碳與溶解性有機氮的質量分數及其他因子的相關性及逐步回歸分析模型Tab.5 Correlation and stepwise regression models of soil dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen contents against other properties

4 討論

不同的季節，由于太陽輻射強度、降水量等氣候條件的差異，造成了人工林內水熱條件的差異。土壤DOC和DON作為溶解性有機質的重要組分，是土壤潛在生產力和生態系統變化的敏感及早期預警指標[18]，其循環過程較為復雜，受到生物、理化等因素的共同影響[4,8]。本研究中3種人工林下土壤DOC和DON質量分數均呈顯著的季節性變化規律(P<0.01，表3)。氣溫、降水、土壤水分和底物條件[3-4,6,10-11]是影響溶解性有機質周轉的主要因素。Michalzik等[6]研究表明溫度升高增加了林冠層微生物和昆蟲的活動，林冠層淋溶物中包含大量的易分解組分，這些物質會促進枯落物層有機質的分解和礦化過程，從而增加枯落物層DOC和DON向土壤中淋溶。M. H. Lee等[7]研究表明溫度是大分子解聚作用及土壤有機質的理化溶解過程的決定性因素。故而，氣溫的升高是本研究中3—6月DOC和DON質量分數增加的主要原因。由于研究區全年68.3%的降水集中在6—9月，大量集中的降水易造成表土溶解性有機質的淋溶遷移[4]，植物快速茂盛生長吸收利用土壤中較多養分，是該時期土壤DOC與DON質量分數迅速下降的主要原因。本研究中土壤DOC質量分數在9—12月又有緩慢回升的變化趨勢，這主要是由于這一時期新鮮凋落物的大量輸入為土壤DOC的生產提供了豐富的底物[7-8]。僅側柏除外，土壤DON質量分數在9—12月則呈再降低的趨勢，除氣溫較低的影響[6-7]，主要和土壤水分條件有關[4,6,10]，12月刺槐和栓皮櫟土壤含水率均低于其他月份，而側柏土壤含水率仍然較高，且相關性分析也表明土壤DON質量分數與土壤含水率存在極顯著的正相關關系(表4)，這與M. H. Lee等[7]研究結果相一致。因此，在華北石質山區氣溫是土壤溶解性有機質周轉的主要驅動因子，而DOC和DON又分別受到分解底物和土壤水分的調控。

5 結論

華北石質山區人工林下土壤活性碳、氮質量分數有明顯的季節性變化規律，夏季6月具有較高的質量分數，氣溫是該區土壤活性碳、氮周轉的主要驅動因子。人工林類型顯著影響了土壤活性碳、氮的質量分數，其中，側柏人工林具有較高的土壤DOC、DON和SIN質量分數。枯落物的歸還提高并促進了人工林下土壤碳、氮質量分數和周轉。