土壤碳礦化對西雙版納熱帶森林恢復演替的響應

左倩倩，王邵軍，陳閩昆，曹潤，王平，曹乾斌，趙爽，楊波

西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650224

陸地生態(tài)系統(tǒng)大約有 60%的碳儲存在森林土壤中（Davidson et al.，2006），森林土壤有機碳礦化過程中碳釋放的微小變化能夠顯著影響大氣CO2濃度及全球碳平衡（Lefevre et al.，2014）。因此，森林土壤有機碳礦化是全球變化研究中的重要組成部分。土壤有機碳礦化是一個由碳/氮含量、溫度與水分、動物及微生物等土壤生物和非生物因素共同作用的微生物生態(tài)學過程。土壤有機碳礦化對森林類型、土壤養(yǎng)分、植被類型等因素改變的響應極其敏感，在不同森林群落類型間存在較大的時空差異。目前有關(guān)土壤有機碳礦化的研究，主要集中于亞熱帶及溫帶森林、不同土地利用方式、不同外源碳添加、不同溫度及含水量培養(yǎng)條件的影響研究（Tian et al.，2015；El-naggar et al.，2015）。然而，關(guān)于熱帶森林恢復演替對土壤碳礦化時空動態(tài)影響的研究，卻十分缺乏（Milcu et al.，2011）。森林恢復演替是一個由植被與土壤協(xié)同作用的過程，不同森林恢復階段必然形成不同的土壤物理環(huán)境（如溫度、濕度）與化學環(huán)境（pH及碳、氮等養(yǎng)分），可能顯著影響到土壤有機碳的積累與礦化的生物生態(tài)學過程（王紅等，2017），導致不同森林樣地土壤有機碳礦化存在差異。因此，研究森林恢復演替進程中土壤有機碳礦化的時空動態(tài)特征，具有重要的科學意義。

西雙版納是中國熱帶雨林集中分布的重要區(qū)域，由于地處熱帶生物區(qū)系向亞熱帶生物區(qū)系過渡的生物地理群落交錯帶上（朱華等，2015），生態(tài)系統(tǒng)脆弱。同時由于刀耕火種等農(nóng)業(yè)活動對熱帶雨林的破壞，形成了大面積處于不同恢復階段的次生熱帶森林類型，必然影響到土壤有機碳礦化的時空變化。本研究以西雙版納3種不同恢復階段熱帶森林群落為研究對象，研究熱帶森林恢復過程中土壤碳礦化速率的時空變化，揭示熱帶森林恢復過程中土壤微生物及理化性質(zhì)變化對土壤碳礦化動態(tài)的影響，試圖探明土壤碳礦化對熱帶森林恢復演替響應的方向與程度，有助于正確理解熱帶森林恢復對土壤碳循環(huán)影響的過程與機制。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)位于西雙版納中國科學院熱帶植物園（21°55′N、101°16′E），屬于季風氣候，年均氣溫21.5 ℃，年均降雨量1557 mm。一年中分干、濕兩季，濕季為每年的5—10月，降水量為1335 mm；干季為每年的11—4月，降水量僅有202 mm，只占年降雨量的13%。植被類型為熱帶雨林和季雨林。

在西雙版納中國科學院熱帶森林植物園實驗區(qū)內(nèi)，選擇有代表性的3個處于不同次生恢復階段熱帶森林群落為研究樣地，樣地間隔 100—800 m左右。樣地基本情況如下：

白背桐（Mallotus paniculatus，MP）群落，恢復年限約12年，海拔600 m，蓋度60%左右，覆蓋枯枝落葉 1—2 cm；樣地主要樹種為白背桐（M.paniculatus）、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、粉被金合歡（Acacia pruinescens）、豐花草（Borreria stricta）、椴葉山麻稈（Alchornea tiliifolia）等。

崖豆藤（Mellettia leptobotrya，ML）群落，恢復年限約42年，海拔568 m，蓋度90%左右，覆蓋枯枝落葉4—5 cm；樣地主要樹種為思茅崖豆（M.leptobotrya）、滇南九節(jié)（Psychotria henryi）、豬肚木（Canthium horridum）、銹毛魚藤（Derris ferruginea）、椴葉山麻稈（A.tiliifolia）、剛莠竹（Microstegium ciliatum）、鈍葉金合歡（Acacia megaladena）等。

高檐蒲桃（Syzygium oblatum，SO）群落，恢復年限約53年，海拔619 m，蓋度95%左右，覆蓋枯枝落葉 6—7 cm；樣地主要樹種為高檐蒲桃（S.oblatum）、崖豆藤（M.leptobotrya）、印度栲（Castanopsis indica）、雞嗉子榕（Ficus semicordata）、南山花（Prismatomeris connata）、云南黃杞（Engelhardia spicata）、紅豆蔻（Alpinia galanga）、黑風藤（Fissistigma polyanthum）等。

1.2 土壤取樣

于2017年3、6、9、12月，在不同恢復階段的3個實驗樣地中，按3點法分別隨機選取3個樣方（40 m×40 m，相距25 m），在每個樣方內(nèi)隨機選擇布設3個樣點，小心除去地表凋落物后，按0—5、5—10、10—15 cm分層破壞性采集土壤，將每個樣方相同土層土壤混合均勻，采用四分法取1 kg左右土樣，土樣裝入做好標記的自封袋帶回實驗室過2 mm篩后剔除殘體和植物根系，用于室內(nèi)培養(yǎng)實驗和土壤理化性質(zhì)測定。

1.3 土壤有機碳礦化速率測定

把每個恢復樣地內(nèi)的土樣按0—5、5—10、10—15 cm分層混勻后形成土壤樣品，每個樣品稱取過2 mm篩的新鮮土樣50 g于1000 mL廣口瓶中，每個樣品3次重復，廣口瓶放入裝有20 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液的小瓶吸收釋放的CO2，在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)7 d后，取出廣口瓶中的堿液加入2 mL 1·mol·L-1的 BaCl2，滴 2—3 滴酚酞指示劑，用 0.05 mol·L-1的HCL濃度滴定至紅色消失，計算7 d土壤有機碳礦化的總量然后換算成日均土壤碳礦化速率（He et al.，2013；吳建國等，2004）。

1.4 土壤基本理化性質(zhì)測定

土壤pH采用電位法，土壤有機質(zhì)采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化法，土壤微生物生物量碳采用氯仿水浴法（李少輝等，2019），易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化法，全氮采用擴散法，水解性氮采用堿解擴散法，銨氮采用氧化鎂浸提擴散法，硝氮采用酚二磺酸比色法（張哲等，2019a）。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 23.0進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)分析前進行正態(tài)性及方差齊性檢驗，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同數(shù)據(jù)之間的差異性；采用三因素方差分析比較不同土層、不同月份、不同恢復階段（白背桐群落、崖豆藤群落、高檐蒲桃群落）土壤有機碳礦化速率間的差異；相關(guān)性分析運用Pearson法；土壤理化指標與土壤有機碳礦化速率的關(guān)系用Canoco 4.5 for Windows多元統(tǒng)計分析。使用Excel制表和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率比較

不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率（4個月3個土層均值）差異顯著（圖1，P＜0.05）。從圖1可以看出，不同次生恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率表現(xiàn)為高檐蒲桃群落（19.09 mg·kg-1·d-1）＞崖豆藤群落（16.93 mg·kg-1·d-1）＞白背桐群落（15.35 mg·kg-1·d-1），這表明相對于恢復初期（白背桐群落），崖豆藤群落和高檐蒲桃群落分別提高了10.3%和24.4%。因此，西雙版納熱帶森林恢復演替能夠提高土壤有機碳礦化速率。

2.2 不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率的時空動態(tài)

圖1 不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率的均值比較Fig. 1 Comparison for mean values of soil organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

圖2 不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率時間動態(tài)Fig. 2 Temporal dynamics of soil organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

對不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率（3個土層均值）隨月份的變化進行觀測（圖2），3種熱帶森林土壤有機碳礦化速率的月動態(tài)均呈“單峰型”變化趨勢，即 6月土壤有機碳礦化速率最高，高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率(20.81±0.35) mg·kg-1·d-1顯著高于白背桐群落(17.36±0.48) mg·kg-1·d-1和崖豆藤群落(19.04±0.35) mg·kg-1·d-1；12 月土壤有機碳礦化速率最低，高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率(17.96±0.31) mg·kg-1·d-1顯著高于白背桐群落(14.15±0.30) mg·kg-1·d-1和崖豆藤群落(15.50±0.24) mg·kg-1·d-1。不同月份土壤有機碳礦化速率均表現(xiàn)為隨恢復演替進程有逐漸增大的趨勢。

研究區(qū)白背桐群落、崖豆藤群落和高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率（4個月均值）隨土層的加深呈現(xiàn)出不同幅度的降低（圖 3），具有明顯的表聚特征，取樣土層對土壤有機碳礦化速率變化均有顯著影響（圖 3，P＜0.05）。在同一土層，不同恢復階段森林土壤有機碳礦化速率均為高檐蒲桃群落＞崖豆藤群落＞白背桐群落。其中0—5 cm土層，高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率分別是白背桐群落和崖豆藤群落的1.23倍和1.13倍；5—10 cm土層，高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率分別是白背桐群落和崖豆藤群落的1.22倍和1.11倍；10—15 cm土層，高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率分別是白背桐群落和崖豆藤群落的1.29倍和1.15倍。三因素方差分析表明（表 1），恢復階段、月份及土層均對土壤有機碳礦化速率呈極顯著的影響（P＜0.01），且三者間還存在著兩兩交互及三因素交互影響（P＜0.05）。

圖3 不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率垂直變化Fig. 3 Vertical variations of soil organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

表1 土壤有機碳礦化速率三因素（恢復階段、月份和土層）的方差分析Table 1 Three-way (restoration stage, month and soil layers) analysis for the variance in soil organic carbon mineralization rate

2.3 土壤有機碳礦化與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

研究區(qū)不同恢復年限對熱帶森林群落土壤理化性質(zhì)存在影響，但對不同理化性質(zhì)的影響存在一定的差異（表 2）。相比于恢復時間較短的白背桐群落來說，恢復年限顯著增加崖豆藤群落和高檐蒲桃群落的土壤微生物生物量碳、土壤有機質(zhì)、易氧化有機碳、全氮、水解氮、硝氮含量和銨氮含量，降低土壤pH值；但是pH、銨氮在白背桐群落與崖豆藤群落之間的差異不顯著（P＞0.05）。

對土壤有機碳礦化速率與土壤環(huán)境因子進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化速率與微生物生物量碳、土壤有機質(zhì)、易氧化有機碳、水解氮、全氮及硝氮均呈極顯著正相關(guān)（表 3，P＜0.01），白背桐群落、高檐蒲桃群落土壤有機碳礦化速率與pH均呈負相關(guān)，崖豆藤群落土壤有機碳礦化速率與pH呈正相關(guān)，總的來說，3種不同恢復階段森林土壤有機碳礦化速率與土壤pH相關(guān)性不顯著。

主成分分析結(jié)果表明，第一坐標軸對土壤有機碳礦化速率貢獻率最大（96.3%），第二坐標軸的貢獻率（3.3%）較小。同時從箭頭夾角來看，土壤微生物生物量碳、土壤易氧化有機碳與土壤有機碳礦化速率間夾角較小（圖 4），說明土壤微生物生物量碳與易氧化有機碳是土壤有機碳礦化的主控因子，土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、硝氮、銨氮對土壤有機碳礦化速率的貢獻率次之（圖 4）。按箭頭夾角來看，森林土壤理化性質(zhì)對碳礦化影響存在樣地差異性。在白背桐群落中，土壤pH對土壤有機碳礦化有負作用；崖豆藤群落中，易氧化有機碳、水解氮、銨氮與硝氮是土壤碳礦化的主要影響因素；高檐蒲桃群落中，土壤有機質(zhì)、微生物生物量碳、易氧化有機碳與全氮是土壤有機碳礦化最主要的決定因素。

圖4 不同恢復階段熱帶森林土壤理化性質(zhì)對土壤有機碳礦化速率影響的主成分分析（PCA）Fig. 4 Principal component analysis (PCA) for the effect of soil physicochemical properties on organic carbon mineralization rate across the different recovery stages of tropical forests

3 討論

3.1 熱帶森林恢復演替對有機碳礦化速率時空變化的影響

熱帶森林恢復進程顯著影響土壤有機碳礦化。土壤有機碳礦化速率隨熱帶森林恢復演替逐漸增大，這主要是由于土壤有機碳礦化量易受植被覆蓋、地上與地下物質(zhì)輸入及土壤理化環(huán)境的影響（張玲等，2017）。土壤有機碳礦化能夠敏感反映環(huán)境變化，作為恢復初期的白背桐群落，群落結(jié)構(gòu)簡單，根系及凋落物輸入較少，土壤養(yǎng)分缺乏，微生物供應能源不足，導致土壤碳礦化累積量較低；處于恢復后期的高檐蒲桃群落，其生態(tài)結(jié)構(gòu)復雜、地表植被多樣、土壤養(yǎng)分豐富，促進土壤微生物對土壤有機碳的礦化。目前關(guān)于森林恢復對土壤有機碳礦化的影響存在一定的不確定性。一些研究發(fā)現(xiàn)森林恢復演替過程中土壤有機碳礦化表現(xiàn)為先降低而后增加（Thuille et al.，2006）、先增加后降低（Pastor et al.，1986）或隨演替進程無顯著變化（Taylor et al.，2007）。另外，不同研究中森林土壤碳礦化速率變幅也有不同，本研究中熱帶森林土壤碳礦化速率變幅為 12.87—22.97 mg·kg-1·d-1，高于中亞熱帶森林土壤碳礦化速率（4.8—13.2 mg·kg-1·d-1）的變幅（趙本嘉等，2015）。這可能與本研究區(qū)高溫高濕的熱帶環(huán)境密切相關(guān)。

表2 不同恢復階段熱帶森林土壤理化性質(zhì)比較Table 2 Comparison of soil physicochemical properties across the different recovery stages of tropical forests

表3 土壤有機碳礦化速率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between soil organic carbon mineralization rate and soil physicochemical properties

不同恢復階段熱帶森林土壤有機碳礦化具有類似的時間變化。3種熱帶森林土壤碳礦化速率均表現(xiàn)為6月最高，12月最低，這與微生物生物量碳、有機質(zhì)、易氧化有機碳等土壤養(yǎng)分含量的時間變化一致，說明這些土壤因素隨月份變動對土壤有機碳礦化產(chǎn)生顯著影響。本研究區(qū)6月降雨量較大、氣溫較高，土壤環(huán)境有利于碳、氮養(yǎng)分含量的增加，為土壤微生物的增長提供充足的營養(yǎng)，從而促進土壤有機碳的礦化。12月干旱低溫的微生境導致土壤有機碳礦化速率的急劇降低。這種變化規(guī)律與王清奎等（2007）在常綠闊葉林與杉木林中的研究結(jié)果一致，即夏季較高，冬季較低。但也有研究得出不同結(jié)論，小興安嶺兩種森林土壤有機碳礦化速率表現(xiàn)為春季土壤碳礦化速率最高，隨季節(jié)的進行，土壤碳礦化速率逐漸減小（高菲等，2016）。這可能與土壤有機碳及微生境等因素的差異密切相關(guān)。但3種不同恢復階段土壤有機碳礦化速率月份最大值和最小值之間的變異程度存在差異，其中恢復初期和中期土壤有機碳礦化速率變異程度較大，而處于恢復后期的高檐蒲桃群落變化較小。這說明不同恢復階段植物與土壤性質(zhì)的差異顯著影響土壤有機碳礦化，馬少杰等（2010）的研究也得出了類似結(jié)論。

熱帶森林不同恢復演替階段土壤有機碳礦化速率的垂直變化，均表現(xiàn)為隨土層的加深逐漸減小，主要是由于土壤表層微生物易于存活且數(shù)量較多，利于土壤有機碳的礦化（朱麗琴等，2017；陳仕奇等，2019）。3種恢復階段土壤有機碳礦化速率的垂直變化幅度隨演替年限的增加大致呈減小趨勢，造成這種變化趨勢的原因可能是不同恢復階段熱帶森林具有不同的植被覆蓋度及多樣性，顯著影響植被對土壤有機質(zhì)的輸入（Wang et al.，2016）和微生物的活動，且恢復后期生態(tài)系統(tǒng)趨于復雜與穩(wěn)定，土層變化對土壤有機碳礦化影響減弱（張俊華，2004）。這表明熱帶森林恢復演替對土壤有機碳礦化的垂直變化具有一定的影響。

3.2 熱帶森林恢復過程土壤微生物生物量碳的變化對有機碳礦化速率的影響

土壤微生物生物量碳含量隨熱帶森林恢復的進程逐漸增大，且土壤有機碳礦化速率隨微生物生物量碳的增加而增大。這與Anderson et al.（1989）、Dimsaai et al.（2014）的研究結(jié)果一致，說明土壤有機碳礦化受土壤微生物生物量碳的顯著影響。土壤有機碳礦化是一個由微生物參與的有機碳分解與轉(zhuǎn)化過程，土壤微生物生物量碳作為表征土壤微生物群落組成與數(shù)量大小的重要指標，在很大程度上決定了土壤有機碳的礦化速率。而不同種類群落的地面覆蓋物、微環(huán)境、根系分布狀況及動植物殘體都會影響土壤微生物生物量碳含量，進而顯著影響微生物的活性狀況（曹潤等，2019；劉振花等，2009），從而導致土壤有機碳礦化速率的變化。本研究中處于熱帶森林演替后期的高檐蒲桃群落，群落結(jié)構(gòu)趨于復雜，物種多樣，凋落物的類型、數(shù)量豐富，植物根系的可分解底物較多，營養(yǎng)歸還土壤的能力強，利于微生物的生長與活動，最終促進土壤有機碳礦化。相對而言，演替年限較短的白背桐群落和崖豆藤群落，結(jié)構(gòu)相對較簡單、地上與地下凋落物輸入數(shù)量較少、有機質(zhì)含量較低、土壤養(yǎng)分不足，不利于微生物生物量碳含量的累積，限制土壤微生物的生命活動，從而導致較低的土壤有機碳礦化速率。

3.3 熱帶森林恢復過程土壤理化性質(zhì)的變化對有機碳礦化速率的影響

本研究表明，西雙版納熱帶森林恢復演替進程中，土壤C、N養(yǎng)分含量逐漸增加。隨著恢復演替年限的增加，植被覆蓋度與地上部分生物量增加，引起地上枯枝落葉和地下腐根輸入增加、腐殖質(zhì)含量提高。這不僅提高了土壤C、N養(yǎng)分含量，而且能夠刺激土壤微生物的生長和發(fā)育，促進土壤有機碳循環(huán)（梁月明等，2010）。另外，隨著熱帶森林土壤恢復年限的增加，土壤 pH有所降低但差異不明顯，pH降低可能促進土壤微生物活動及其參與的養(yǎng)分循環(huán)過程。有學者對喀斯特地區(qū)植被恢復的研究也得出了相同結(jié)論（司彬等，2008）。因此，熱帶森林恢復演替顯著影響土壤理化性質(zhì)，進而可能直接或間接導致土壤有機碳礦化速率的顯著變化。

西雙版納熱帶森林不同恢復演替土壤有機碳礦化速率均與土壤有機質(zhì)、全氮、銨氮、硝氮、水解氮有顯著正相關(guān)關(guān)系。熱帶森林恢復顯著提高C、N養(yǎng)分含量，從而對土壤有機碳礦化產(chǎn)生顯著影響（Fang et al.，2005），其影響存在樣地差異性。恢復后期的高檐蒲桃群落土壤C、N養(yǎng)分含量高于崖豆藤群落和白背桐群落，與土壤有機碳礦化的變化一致（王丹等，2013；高菲等，2016；Khamzina et al.，2016）。一方面是植物能充分利用氮素形成生物量造成可礦化碳的累積量增加，同時這也表明氮素可能影響土壤有機碳的含量（Iqbal et al.，2009）；另一方面不同熱帶森林群落具有不同種類和數(shù)量的凋落物，顯著影響微生物的活性和數(shù)量，影響其分解能力和循環(huán)過程（Thiessen et al.，2013），進而影響土壤有機碳礦化速率。Wei et al.（2013）認為，土壤C、N養(yǎng)分含量的增加能夠?qū)ν寥烂富钚浴⑽⑸锓N類及活性、代謝速率等產(chǎn)生影響，促進土壤有機碳的礦化。因此，不同恢復階段C、N養(yǎng)分含量的差異，導致不同群落土壤碳礦化的差異性，也正符合這一結(jié)論。

土壤易氧化有機碳含量隨熱帶森林恢復演替進程而逐漸增加，進而提高土壤有機碳礦化速率。森林土壤易氧化有機碳在一定程度上反映了土壤有機碳庫的組成與大小，土壤易氧化有機碳是一種具有生物活性的穩(wěn)定碳組分，極易被土壤微生物分解與轉(zhuǎn)化，因此，土壤易氧化有機碳含量能夠間接影響土壤有機碳的礦化速率（董揚紅等，2015）。隨著恢復演替的進行，植被群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，地表凋落物和地下根系周轉(zhuǎn)加快，同時根系分泌物增加，提高了可礦化有機碳底物數(shù)量，從而導致土壤易氧化有機碳含量的增加，最終加快土壤微生物對土壤有機碳的礦化（張哲等，2019b；朱小葉等，2019）。

隨著熱帶森林群落恢復演替的進行，土壤 pH不斷下降，且與土壤有機碳礦化速率呈負相關(guān)，土壤pH主要通過影響土壤微生物活性來影響有機碳的礦化，從而加快或減弱土壤有機碳礦化速率。本研究中pH未能對土壤有機碳礦化速率產(chǎn)生顯著影響，這與李春哲（2018）的研究結(jié)果類似。但也有研究表明，pH與土壤有機碳礦化呈顯著負相關(guān)，能夠嚴重制約土壤有機碳礦化速率（杜滿義等，2017）。表明pH對土壤有機碳礦化速率的影響存在一定的不確定性，可能與不同研究區(qū)域的氣候類型、樣地類型、微生物數(shù)量及土壤養(yǎng)分狀況等因素的異質(zhì)性密切相關(guān)。

4 結(jié)論

西雙版納熱帶森林群落恢復過程中土壤有機碳礦化速率具有顯著的時空變化，它能夠敏感地反映熱帶森林群落恢復過程中植被與土壤環(huán)境的微小變化。土壤微生物生物量碳與易氧化有機碳含量隨熱帶森林恢復進程的變化逐漸增大，是影響土壤有機碳礦化時空變化的主控因子，而土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、銨氮及硝氮的變化對土壤碳礦化速率的影響次之。西雙版納熱帶森林恢復演替主要通過影響土壤微生物及土壤養(yǎng)分狀況進而調(diào)控土壤有機碳礦化的時空變化。研究結(jié)果有助于理解熱帶森林恢復演替過程中土壤碳循環(huán)特征及其影響機制，能夠為準確評估熱帶森林恢復對全球氣候變化響應的性質(zhì)、強度及過程提供數(shù)據(jù)與理論參考。