陳 剛, 涂利華, 彭 勇, 胡紅玲, 胡庭興

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 雅安 625014

瓦屋山扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林土壤有機(jī)碳組分特征

陳 剛, 涂利華*, 彭 勇, 胡紅玲, 胡庭興

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 雅安 625014

次生林在全球碳循環(huán)中占有重要地位，為了研究中國中亞熱帶次生林土壤有機(jī)碳組分特征，以四川瓦屋山中山段扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林為對(duì)象，通過挖取土壤剖面分層(0—10、10—40、40—70 cm和70—100 cm)取樣方式，研究土壤各有機(jī)碳組分特征。結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳、微生物生物量碳、可浸提溶解性有機(jī)碳和易氧化碳含量均隨土層深度增加而減小，0—10 cm土層有機(jī)碳含量為121.89 g/kg，高于已報(bào)道的亞熱帶其他常綠闊葉林和四川各類森林；0—10 cm層微生物生物量碳含量為1931.82 mg/kg，可浸提溶解性有機(jī)碳含量為697.42 mg/kg，易氧化碳含量為20.98 g/kg，高于已報(bào)道的許多相似天然林和人工林活性碳含量。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為154.87 t/hm2，在四川省各類森林中處于中等水平。研究表明瓦屋山扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林活性碳含量較大，微生物活動(dòng)和養(yǎng)分流動(dòng)較為活躍，凋落物層轉(zhuǎn)化為土壤碳的潛力較大，這類生態(tài)系統(tǒng)可能會(huì)在區(qū)域碳循環(huán)過程中扮演更為重要的角色。

次生林; 土壤有機(jī)碳; 亞熱帶; 瓦屋山

次生林是原始森林由于人類活動(dòng)被完全清除后，自然狀態(tài)下自主生長(zhǎng)的植物群落[1-2]。我國現(xiàn)有森林面積為2.07億hm2，其中原生林面積為0.12億hm2，次生林面積為1.18億hm2，分別占森林總面積的6%和57%[3]，次生林已成為我國現(xiàn)今森林資源的主體。次生林是全球重要碳匯，約為0.35—0.6 Gt C/a[4](1 Gt = 1015g)，并且是陸地生物圈近幾十年來凈碳匯增加的重要原因[5]。常綠闊葉林作為我國亞熱帶地區(qū)的頂級(jí)群落，其森林結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)力高、生物多樣性豐富，但由于人類活動(dòng)的干擾和破壞，目前我國亞熱帶天然常綠闊葉林已接近消失，取而代之的是大面積的次生林[6]。常綠闊葉次生林植物物種豐富，在生物多樣性保護(hù)，水土保持和碳固定方面具有重要作用，并且，我國絕大多數(shù)亞熱帶次生林尚處于較年輕的階段，具有很大的生長(zhǎng)和固碳潛力[6]。

土壤是全球最大的有機(jī)碳庫，最新研究結(jié)果顯示全球土壤有機(jī)碳庫大于3300 Gt，其微小的變化可能引起大氣CO2濃度的較大波動(dòng)，進(jìn)而影響溫室效應(yīng)和全球氣候變化[7-8]。因此，近年來，許多生態(tài)學(xué)家都致力于各類陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳貯存和分配的研究[9-12]，以期為區(qū)域性土壤有機(jī)碳庫的估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。盡管如此，由于地域性研究對(duì)象復(fù)雜而多樣，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并不全面、詳細(xì)、可靠，為我國乃至全球范圍內(nèi)的有機(jī)碳庫估算帶來很大局限性[13]。

由于土壤碳庫基數(shù)和自然變異大，碳庫微小的變化很難被發(fā)現(xiàn)[14]。Biederbeck等[15]研究指出，土壤有機(jī)碳的短暫波動(dòng)主要來源于易氧化、易分解部分的變化，并選擇了易氧化碳、微生物生物量碳和可礦化碳作為土壤活性有機(jī)碳的指示因子。雖然在土壤有機(jī)碳含量中土壤活性有機(jī)碳只占很小比例, 但它作為土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)換的直接碳源，并且能夠在土壤全碳變化之前反映土壤的微小變化[14,16]。因此，活性碳組分研究在土壤有機(jī)碳研究中具有重要意義。針對(duì)各地域性土壤開展詳盡的有機(jī)碳貯存及活性有機(jī)碳分配特征的研究意義重大。

本研究以瓦屋山中山段典型扁刺栲(扁刺錐)(Castanopsisplatyacantha)-中華木荷(Schimasinensis)常綠闊葉次生林地為對(duì)象，探討土壤有機(jī)碳及其活性組分的含量、儲(chǔ)量和在土層中的垂直分布，為區(qū)域碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

位于四川盆地向川西高原過渡的四川盆地西部邊緣地區(qū)，由于其高降水量和中亞熱帶濕潤氣候，被稱為“華西雨屏”，東西寬 50—70 km，南北長(zhǎng) 400—450 km，總面積約2.5萬km2[17]。試驗(yàn)地位于“華西雨屏”中心地帶的四川洪雅縣瓦屋山國家森林公園，廣泛分布著中亞熱帶常綠闊葉樹種，其中山段的次生林是1956年由原生的扁刺栲-中華木荷群落遭砍伐后自然恢復(fù)而成[18-19]。試驗(yàn)地設(shè)置在瓦屋山中山區(qū)的木姜杠林班(29°32′35″N，103°15′41″E)，海拔約1600 m。該地段屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，溫和濕潤，日照短，雨水多，云霧多、濕度大。年均溫10—14 ℃，年日照不足800 h，年降水日199—226 d，降水量達(dá)2398 mm，年均相對(duì)空氣濕度達(dá)85%—90%[19]。土壤類型為山地黃壤。該中山地段在破壞前均為頂極地帶性常綠闊葉林扁刺栲-中華木荷群落。1956年遭到砍伐破壞，遺留下一些幼樹幼苗，后基本上無進(jìn)一步的干擾破壞而得以自然恢復(fù)，因此該林分樹種林齡約為56a。目前已形成次生常綠闊葉成林，優(yōu)勢(shì)種為扁刺栲和中華木荷[18]，草本層十分稀疏。

1.2 研究方法

1.2.1 凋落物及土壤樣品的采集、處理和測(cè)定

2012年9月，根據(jù)典型性和代表性原則在木姜杠林班設(shè)置10塊樣方(20 m×20 m)。各樣地調(diào)查基本情況如表1所示。同年11月28日，采集凋落物和土壤樣品。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，量取 50 cm×50cm的采樣點(diǎn)，共計(jì)36個(gè)采樣點(diǎn)，分別收集采樣點(diǎn)內(nèi)所有凋落物。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面，共計(jì)36個(gè)土壤剖面。由于土壤腐殖質(zhì)厚度約為10 cm，故按0—10 cm，10—40 cm，40—70 cm，70—100 cm等4個(gè)層次采集各土層土壤樣品，同時(shí)用環(huán)刀分層采樣，每個(gè)剖面每個(gè)土層取3個(gè)環(huán)刀土樣。

表1 各樣方基本情況

收集的凋落物樣品，去除可見石礫及表面泥土，于65 ℃烘干至恒重并稱量記錄。各凋落物烘干樣品按四分法分取一部分，粉碎過2 mm篩后裝袋，供化學(xué)分析使用。土樣取小部分用于測(cè)量自然含水率，其余用四分法分出一半挑出可見根及石礫，過2 mm篩，于4 ℃條件下保存待測(cè)，另一半土樣自然風(fēng)干，去除可見根系和石礫后研磨粉碎，分別過2 mm和0.25 mm篩，裝袋待測(cè)。

測(cè)定項(xiàng)目有土壤pH值、土壤田間持水量、土壤總孔隙度、土壤容重、凋落物有機(jī)碳(LOC)、土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤可浸提溶解性有機(jī)碳(EDOC)和土壤易氧化碳(ROC)。土壤pH值采用氯化鉀溶液浸提法進(jìn)行測(cè)定(LY/T 1239—1999)。土壤田間持水量、總孔隙度和容重采用環(huán)刀法測(cè)定(LY/T 1215—1999)。凋落物和土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法(LY/T 1237—1999)測(cè)定。土壤MBC采用氯仿熏蒸、0.5 mol/L硫酸鉀溶液浸提[20](做氯仿熏蒸和未熏蒸2種處理)，總有機(jī)碳分析儀(TOC-VcPH+TNM-1，Shimazu Inc，Japan)測(cè)定總碳和無機(jī)碳，根據(jù)所測(cè)得的指標(biāo)計(jì)算MBC，計(jì)算方公式為：

式中，MBC為微生物生物量碳，TC1為熏蒸樣品總碳，IC1為熏蒸樣品無機(jī)碳，TC0為未熏蒸樣品總碳，IC0為未熏蒸樣品無機(jī)碳，KC為微生物生物量碳轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.45[20])。

EDOC采用0.5 mol/L硫酸鉀[21]浸提，浸提液過0.45 μm微孔濾膜后用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定。ROC采用0.333 mol/L高錳酸鉀氧化法測(cè)定[14]。

1.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

對(duì)土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行分層計(jì)算的方法：

Tj=(1-αj)bjcj

式中，Tj為第j層土壤有機(jī)碳密度(kg/m3)；αj為第j層礫石(粒徑>2 mm)體積百分?jǐn)?shù)，本研究中各土層礫石含量小于1%，以0%進(jìn)行計(jì)算；bj為第j層平均土壤容重(g/cm3)；cj為第j層總有機(jī)碳平均含量(g/kg)。

對(duì)0—100 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算的方法：

式中，S為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；dj為第j層土壤厚度(cm)；10為單位換算系數(shù)；k為土壤層數(shù)。

為了比較各土層各指標(biāo)之間的差異，利用 SPSS16. 0(SPSS Inc.，USA)對(duì)土層各指標(biāo)進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA)，并進(jìn)行LSD多重比較(α=0.05)，統(tǒng)計(jì)顯著水平為α=0.05。用Sigmaplot 10.0(Systat software Inc.，USA)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層深度土壤pH值和物理性質(zhì)

本研究結(jié)果表明，各土層土壤均呈酸性，潛在酸度3.2—4.0，田間持水量為63%—190%，總孔隙度和容重分別為63.0%—83.3%和0.41—0.99 g/cm3，土壤pH值和容重隨土層深度的增加而升高，而土壤田間持水量和總孔隙度隨土層的加深而降低(表2)。各個(gè)土層pH值、總孔隙度和容重的變異數(shù)均較小，只有70—100 cm土層田間持水量的變異系數(shù)略大(CV=35%)，表明調(diào)查群落內(nèi)土壤pH值和物理性質(zhì)在水平方向上較為均一。4個(gè)土層間的pH值、總孔隙度和容重均存在顯著差異，而土壤田間持水量除40—70 cm和70—100 cm兩個(gè)土層間無顯著差異外，其余各土層間均有顯著差異，表明該林地內(nèi)土壤pH值和物理性質(zhì)在垂直方向上具有較大變異。其中0—10 cm層的田間持水量均值是70—100 cm層的3倍，而70—100 cm層土壤容重為0—10 cm層的2.4倍。

表2 瓦屋山常綠闊葉次生林不同土層深度土壤pH和物理性質(zhì)

2.2 不同土層深度土壤碳組分含量、密度及各碳組分儲(chǔ)量

0—10 cm土層的SOC、MBC、EDOC和ROC含量分別為：(121.9±40.4)、(1.93±0.6)、(0.7±0.2)和(21.0±11.8) g/kg，土壤有機(jī)碳和3個(gè)碳組分含量均隨土層深度的增加而降低(圖1)，且0—10 cm土層各碳組分含量均顯著高于下面3層。其中0—10 cm土層SOC含量為10—40 cm、40—70 cm和70—100 cm 3個(gè)土層的3.6、8.6和14.6倍，0—10 cm土層MBC含量也比下面3土層分別高出2.6、5.7和7.8倍。而40—70與70—100 cm兩土層中4個(gè)碳組分的含量均不存在顯著性差異。凋落物層有機(jī)碳含量為(443±25) g/kg，且各樣點(diǎn)測(cè)定結(jié)果差異不大，變異系數(shù)僅為6.2%。

圖1 瓦屋山常綠闊葉次生林不同土層深度有機(jī)碳、微生物生物量碳、可浸提性有機(jī)碳和易氧化碳含量Fig.1 Content of SOC、MBC、EDOC and ROC in deferent soil depth of evergreen broad-leaved secondary forest in Wawushan MountainSOC: 土壤有機(jī)碳soil organic carbon; MBC: 微生物生物量碳microbial biomass carbon; EDOC: 可浸提溶解性有機(jī)碳extractable dissolved organic carbon; ROC: 易氧化碳readily oxidizable carbon; 圖中矩形盒表示25%—75%的數(shù)據(jù)，矩形盒內(nèi)橫線代表該組數(shù)據(jù)的中位數(shù)，上下頸須代表該組數(shù)據(jù)中的10%—90%的數(shù)據(jù)

不同土層各碳組分碳密度值由各土層各碳組分含量和相應(yīng)的土壤容重計(jì)算(表3)。結(jié)果表明該森林群落土壤SOC、MBC、EDOC和ROC密度分別為7.5—48.9、0.20-0.81、0.25-0.37和0.8—8.4 kg/m3。SOC、MBC和ROC密度均隨土層深度的增加而降低，且0—10 cm層的密度均顯著高于其下面3層，但40—70與70—100 cm兩土層中這3個(gè)碳組分含量差異均不顯著。EDOC密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在10—40 cm土層含量最高(0.37 kg/m3)，40—70 cm土層的EDOC密度高于0—10 cm土層，但差異未達(dá)顯著水平。SOC、MBC、ROC密度隨土層深度增加而下降趨勢(shì)不如其含量明顯，且EDOC密度在垂直剖面上的變化規(guī)律與其含量存在差異也表明各組分碳密度明顯受土層物理特性的影響。

土壤0—100 cm層SOC儲(chǔ)量為156 t/hm2，ROC儲(chǔ)量(21.00 t/hm2)顯著高于MBC(3.20 t/hm2)和EDOC(3.03 t/hm2)，同時(shí)ROC儲(chǔ)量占SOC儲(chǔ)量的比例也顯著高于MBC和EDOC儲(chǔ)量占SOC含量的比例，而EDOC與MBC儲(chǔ)量之間不存在顯著差異(圖2)。凋落物層凋落物儲(chǔ)量和凋落物層有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為10.4 t/hm2和4.5 t/hm2。

表3 瓦屋山常綠闊葉次生林不同土層深度土壤碳組分密度

圖2 瓦屋山常綠闊葉次生林土壤(0—100 cm)各碳組分儲(chǔ)量Fig.2 Stock of each carbon fraction (0—100 cm) in an evergreen broad-leaved secondary forest, Wawushan MountainSOC: 土壤有機(jī)碳soil organic carbon; MBC: 微生物生物量碳microbial biomass carbon; EDOC: 可浸提溶解性有機(jī)碳extractable dissolved organic carbon; ROC: 易氧化碳readily oxidizable carbon; 不同字母表示處理間差異顯著(單因素方差分析，LSD多重比較法，α = 0.05)

3 討論

3.1 扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林土壤物理性質(zhì)

本研究發(fā)現(xiàn)，瓦屋山中山區(qū)扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林土壤為酸性，且隨土層深度的增加pH值升高，0—10 cm土層潛在酸度(氯化鉀浸提液測(cè)定)為3.2。森林土壤有機(jī)質(zhì)主要由胡敏酸和富里酸等有機(jī)酸類腐殖質(zhì)組成，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)土壤酸度增加。田間持水量是土壤中所能保持的毛管懸著水的最大量，被認(rèn)為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高含水量[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)地田間持水量隨土層深度的增加而降低，這與李靈等[24]對(duì)位于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候的武夷山0—60 cm土層的研究結(jié)果相似。土壤總孔隙度和容重相互聯(lián)系，反映土壤的透水性、通氣性和根系生長(zhǎng)阻力狀況等[25]。本研究中土壤容重隨土層深度的增加而增大，總孔隙度隨土層深度的增加而減小，與李靈等[24]和王燕等[26]對(duì)亞熱帶常綠闊葉林地的研究結(jié)果相似。

3.2 扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林土壤碳組分特征

土壤有機(jī)碳水平在特定森林生態(tài)系統(tǒng)一定時(shí)期內(nèi)處于平衡狀態(tài)，主要取決于森林凋落物和植物根系狀況[27-29]。目前，該次生林凋落物層有機(jī)碳儲(chǔ)量較高(4.5 t/hm2)，表層土壤腐殖質(zhì)較豐富。因此，本研究中表層土壤有機(jī)碳含量較高的一個(gè)重要原因可能在于植被的快速生長(zhǎng)帶來的大量根際沉降物、死亡細(xì)根和地表凋落物輸入。其另一重要原因可能與海拔有關(guān)，本試驗(yàn)地海拔為1600 m，比處于中亞熱帶的浙江天童山(表4)常綠闊葉林高出1400多m[27]，年平均溫度低于其他試驗(yàn)地，再加之該地位于華西雨屏區(qū)的中心，雨量充沛，且表層土壤較疏松，凋落物層有機(jī)碳能大量淋溶到土壤表層，但由于溫度相對(duì)較低，有機(jī)碳的分解相對(duì)較慢，表層土壤有機(jī)碳的積累就較高。黃從德等[30]對(duì)四川省森林土壤(表5)進(jìn)行的大范圍研究表明，處于高海拔的冷、云杉表層土壤有機(jī)碳含量是所有森林類型中最高的。

土壤微生物生物量碳在土壤碳庫中所占比例很小，一般只占有機(jī)碳的1%—4%[34]，但它與全量養(yǎng)分存在一定的相關(guān)性，其含量越高，其土壤肥力往往越高，因此，被視為土壤肥力變化的重要指標(biāo)之一[35-36]。本研究結(jié)果0—10 cm土層MBC含量為1931.82 mg/kg，高于劉爽等[37]報(bào)道的溫帶硬闊葉林(1302 mg/kg)，楊樺林(1074 mg/kg)和蒙古櫟林(721 mg/kg)；也高于李靈等[38]報(bào)道的福建三明格氏栲人工林[(1035±103) mg/kg]和杉木人工林[(820±76) mg/kg]。本研究結(jié)果高于溫帶硬闊林和櫟林的一個(gè)重要原因可能是本研究地所處中亞熱帶，水熱條件均優(yōu)于黑龍江帽兒山；而高于同一氣候帶且林分年齡差不多(約50a)的栲和杉木人工林的重要原因可能是人工林地中樹種過于單一，使得微生物群落不如本研究地的豐富多樣。本研究中，土壤MBC含量隨土層的加深而降低(圖1)，這與尉海東等[39]對(duì)楊樹人工林的研究，李靈等[38]對(duì)格氏栲和杉木人工林的研究和劉爽等[37]對(duì)溫帶森林的研究結(jié)果一致。土壤微生物多分布在表層土中[39]，原因有兩點(diǎn)，一方面，地表大量的枯枝落葉提供充分的營養(yǎng)源，通氣和水熱狀況也較好，利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖；另一方面，表層土壤中細(xì)根相對(duì)密集，土壤有機(jī)質(zhì)也較多、土壤通氣狀況較好，但隨著土層的加深, 生境條件變差，從而影響微生物的分布。

表4 亞熱帶常綠闊葉林地表層(0—10 cm)土壤有機(jī)碳特征

表5 四川省主要人工林和天然林土壤有機(jī)碳特征

土壤可浸提溶解性碳是有機(jī)碳中具有一定溶解性、易分解、移動(dòng)快、可以被土壤微生物直接利用的有機(jī)碳源[40-42]，對(duì)森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中元素的生物地球化學(xué)循環(huán)及鋁、重金屬、水和養(yǎng)分循環(huán)及有效性等影響較大[43]。李淑芬等[44]的研究結(jié)果表明，南方酸性森林土壤中溶解性有機(jī)碳與一些全量和速效養(yǎng)分、有機(jī)絡(luò)合態(tài)鐵和有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁之間呈極顯著或顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此可以作為土壤肥力性狀及調(diào)整土壤中鋁和鐵的溶出和遷移生物學(xué)指標(biāo)。本研究中0—10 cm土層EDOC含量697.42 mg/kg，0—100 cm土層儲(chǔ)量為302.59 g/cm2，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于福建省萬木林省級(jí)自然保護(hù)區(qū)羅浮栲天然林土壤表層可溶性有機(jī)碳含量(74.84 mg/kg)與0—100 cm土層儲(chǔ)量(28.40 g/cm2)[45]。這表明本研究地由土壤總有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的可溶性有機(jī)碳較為豐富，為整個(gè)扁刺栲-中華木荷次生林養(yǎng)分元素循環(huán)和微生物分布提供保證，該次生林的整個(gè)養(yǎng)分流動(dòng)較為活躍。

土壤易氧化碳含量及其與土壤總有機(jī)碳的比值反映了土壤碳的穩(wěn)定性，土壤總有機(jī)碳中ROC所占比例越高，說明土壤碳的活性越大，穩(wěn)定性越差[35]，同時(shí)作為有機(jī)碳中的活性組分，ROC直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，為微生物活動(dòng)提供能源并驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分循環(huán), 對(duì)土壤碳及其質(zhì)量變化具有更高的靈敏性[46]，因此，ROC對(duì)土壤碳庫平衡和土壤化學(xué)、生物學(xué)穩(wěn)定性維持具有重要的意義，土壤ROC多少往往表征著土壤能釋放的有效肥力的多少[47]。本研究中0—10 cm土層ROC含量為20.98 g/kg，占SOC含量的17.21%，0—100 cm層ROC儲(chǔ)量占SOC儲(chǔ)量的比例也達(dá)到13.50%，高于江蘇省瓦屋山林場(chǎng)杉木、毛竹、麻櫟和濕地松人林0—10 cm層ROC含量[48]；也高于浙江山塢殼斗科樟科為主的常綠闊葉天然次生林[(15.58±3.15) g/kg)和杉木人工林[(13.30±1.20) g/kg][49]。黃宗勝等[47]在貴州茂蘭所做的關(guān)于喀斯特森林植被自然恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳庫特征演化結(jié)果表明ROC含量在早期階段(草本和草灌階段)最低，中期階段(灌叢灌木和灌喬過渡階段)次之，后期階段(喬木和頂極階段)最高。本研究地處于該區(qū)域植被恢復(fù)的后期階段，ROC含量也高于大多人工林和天然次生林地，表明本研究地土壤能為微生物生存提供充足能源，凋落物層和土壤中有效肥力釋放的潛力較大。

試驗(yàn)地0—100 cm土壤SOC、MBC、EDOC和ROC儲(chǔ)量分別為154.9、3.1、3.0、21.0 t/hm2，其中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在四川省各類森林中處于中等水平，高于四川省杉木(Cunninghamialanceolata)、云南松(Pinusyunnanensis)、馬尾松(Pinusmassoniana)等部分天然林和桉(Eucalyptus)、柏木(Cupressusfunebris)、楊(Populus)等大部分人工林[29-30]，且高于我國亞熱帶地區(qū)大部分人工林(71.5—147.0 t/hm2)[50-52]與四川西北部亞高山云杉天然林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(156.1 t/hm2)[53]非常接近(表5, 表6)。瓦屋山常綠闊葉次生林有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量較高的一個(gè)重要原因可能是表層中有機(jī)碳含量非常高。黃從德等[30]研究的四川省各類森林中，0—10 cm層SOC含量介于19.2—72.4 g/kg，均明顯小于本試驗(yàn)地該土層SOC含量(121.9 g/kg)，而本研究中10—100 cm各土層SOC含量與四川省其他各類森林差異不大。

綜上所述，位于華西雨屏區(qū)中心地帶的瓦屋山扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量高于同一氣候帶人工林和天然林，在四川省各類森林中處于中等水平，而凋落物層有機(jī)碳儲(chǔ)量和土壤表層有機(jī)碳含量均明顯高于四川省各類人工林和天然林，微生物生物量碳、可浸提溶解性有機(jī)碳和易氧化碳高于許多已報(bào)道的天然次生林和人工林，說明該生態(tài)系統(tǒng)活性碳含量較大，微生物活動(dòng)和養(yǎng)分流動(dòng)較為活躍，凋落物轉(zhuǎn)化為土壤碳的潛力較大，碳儲(chǔ)量仍處在不斷積累的過程。因此可以預(yù)見這類生態(tài)系統(tǒng)將在區(qū)域碳循環(huán)過程中扮演更為重要的角色。

[1] Chokkalingam U, Jong W D. Secondary forest: a working definition and typology. International Forestry Review, 2001, 3(1): 19-26.

[2] Guariguata M R, Ostertag R. Neotropical secondary forest succession: changes in structural and functional characteristics. Forest Ecology Management, 2001, 148(1/3): 185-206.

[3] FAO. 2011. Global forest resource assessment 2010. United Nations Food and Agriculture Organization (UN FAO), Rome, Italy.

[4] Shevliakova E, Pacala SW, Malyshev S, Jurtt C C, Milly P C D, Caspersen J P, Sentman L T, Fisk J P, Wirth C, Crevoisier C. Carbon cycling under 300 years of land use change: Importance of the secondary vegetation sink. Global Biogeochemical Cycles, 2009, 23(2), doi: 10.1029/2007 GB003176.

[5] Yang X, Richardson T K, Jain A K. Contributions of secondary forest and nitrogen dynamics to terrestrial carbon uptake. Biogeosciences, 2010, 7(10): 3041-3050.

[6] Xiang W H, Liu S H, Lei X D, Frank S C, Tian D L, Wang G J, Deng X W. Secondary forest floristic composition, structure, and spatial pattern in subtropical China. Journal of Forest Research, 2013, 18(1): 111-120.

[7] LAL R. Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security. Science, 2004, 304(5677): 1623-1627.

[8] Tarnocai C, Canadell J G, Schuur E A G, Kuhry P, Mazhitova G, Zimov S. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region. Global Biogeochemical Cycles, 2009, 23(2), doi: 10.1029/2008GB003327.

[9] Nair P K R, Nair V D, Kumar B M, Haile S G. Soil carbon sequestration in tropical agroforestry systems: a feasibility appraisal. Environmental Science and Policy, 2009, 12(8): 1099-1011.

[10] Mishra U, Ussiri D A D, Lal R. Tillage effects on soil organic carbon storage and dynamics in Corn Belt of Ohio USA. Soil and Tillage Research, 2010, 107(2): 88-96.

[11] Xi X H, Yang Z F, Cui Y J, Sun S M, Yu C G, Li M. A study of soil organic carbon distribution and storage in the Northeast Plain of China. Geoscience Frontiers, 2011, 2(2): 115-123.

[12] Li M M, Zhang X C, Pang G W, Han F P. The estimation of soil organic carbon distribution and storage in a small catchment area of the Loess Plateau. Catena, 2013, 101: 11-16.

[13] 王紹強(qiáng), 周成虎, 李克讓, 朱松麗, 黃方紅. 中國土壤有機(jī)碳庫及空間分布特征分析. 地理學(xué)報(bào), 2000, 55(5): 533-544.

[14] Blair G J, Rod D B L, Leanne L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Australian Journal of Agricultural Research, 1995, 46(7): 1459-1466.

[15] Biederbeck V O, Janzen H H, Campbell C A, Zentner R P. Labile soil organic matter as influenced by cropping practices in an arid environment. Soil Biology and Biochemistry, 1994, 26(12): 1647-1656.

[16] Whitbread A M, Lefroy R D B, Blair G J. A survey of the impact of cropping on soil physical and chemical properties in north-western New South Wales. Australian Journal of Soil Research, 1998, 36(4): 669-682.

[17] 莊平, 高賢明. 華西雨屏帶及其對(duì)我國生物多樣性保育的意義. 生物多樣性, 2002, 10(3): 339-344.

[18] 包維楷, 劉照光, 劉朝祿, 袁亞夫, 劉仁東. 中亞熱帶濕性常綠闊葉次生林自然恢復(fù)15年來群落喬木層的動(dòng)態(tài)變化. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 24(6): 702-709.

[19] 包維楷, 劉照光, 劉朝祿, 袁亞夫, 劉仁東. 亞熱帶次生常綠闊葉林主要喬木種群自然恢復(fù)15年來的變化. 林業(yè)科學(xué), 2001, 37(1): 7-14.

[20] Wu J, Joergensen R G, Pommerening B, Chaussod R, Brookes P C. Measurement of soil microbial biomass C by fumigation-extraction-an automated procedure. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22(8): 1167-1169.

[21] Murphy D V, Macdonald A J, Stockdale E A, Goulding K W T, Fortune S, Gaunt J L, Poulton P R, Wakefield J A, Webster C P, Wilmer W S. Soluble organic nitrogen in agricultural soils. Biology and Fertility of Soils, 2000, 30(5/6): 374-387.

[22] 楊紹鍔, 吳炳方, 閆娜娜. 基于AMSR-E數(shù)據(jù)估測(cè)華北平原及東北地區(qū)土壤田間持水量. 土壤通報(bào), 2012, 43(2): 301-305.

[23] 王丹丹, 鄭紀(jì)勇, 顏永毫, 張興昌. 生物炭對(duì)寧南山區(qū)土壤持水性能影響的定位研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(2): 101-109.

[24] 李靈, 張玉, 孔麗娜, 江慧華, 陳家暉, 周艷. 武夷山風(fēng)景區(qū)不同林地類型土壤水分物理性質(zhì)及土壤水庫特性. 水土保持通報(bào), 2011, 31(3): 60-65.

[25] 龐學(xué)勇, 劉世全, 劉慶, 吳彥, 林波, 何海, 張宗錦. 川西亞高山針葉林植物群落演替對(duì)土壤性質(zhì)的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2003, 17(4): 42-45, 50-50.

[26] 王燕, 王兵, 趙廣東, 郭浩, 馬向前, 鄧宗富. 江西大崗山3種林型土壤水分物理性質(zhì)研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2008, 22(1): 151-153.

[27] 張慶費(fèi), 由文輝, 宋永昌. 浙江天童植物群落演替對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1999, 10(1): 19-22.

[28] Cui X Y, Wang Y F, Niu H S, Wu J, Wang S P, Schnug E, Rogasik J, Fleckenstein J, Tang Y H. Effect of long-term grazing on soil organic carbon content in semiarid steppes in Inner Mongolia. Ecological Research, 2005, 20(5): 519-527.

[29] 馬秀枝, 王艷芬, 汪詩平, 王金枝, 李長(zhǎng)生. 放牧對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域草原土壤碳組分的影響. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 29(4): 569-576.

[30] 黃從德, 張健, 楊萬勤, 張國慶, 王永軍. 四川森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間分布特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(3): 1217-1225.

[31] 馬少杰, 李正才, 周本智. 北亞熱帶天然次生林群落演替對(duì)土壤有機(jī)碳的影響. 林學(xué)科學(xué)研究, 2010, 23(6): 845-849.

[32] 歐陽學(xué)軍, 周國逸, 魏識(shí)廣, 黃忠良, 李炯, 張德強(qiáng). 南亞熱帶森林植被恢復(fù)演替序列的土壤有機(jī)碳氮礦化. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18(8): 1688-1694.

[33] 黃從德, 張健, 楊萬勤, 張國慶. 四川人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(8): 1644-1650.

[34] Jenkinson D S, Ladd J N. Microbial biomass in soil, measurement and turnover. Soil Biochemistry, 1981, 5: 415-471.

[35] 朱志建, 姜培坤, 徐秋芳. 不同森林植被下土壤微生物量碳和易氧化態(tài)碳的比較. 林業(yè)科學(xué)研究, 2006, 19(4): 523-526.

[36] Powlson D S, Jenkinson D S. A comparison of the organic matter, biomass, adenosine triphosphate and mineralizable nitrogen contents of ploughed and direct-drilled soils. Journal of Agricultural Science, 1981, 97(3): 713-721.

[37] 劉爽, 王傳寬. 五種溫帶森林土壤微生物微生物量碳氮的時(shí)空格局. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(12): 3135-3143.

[38] 李靈, 張玉, 王利寶, 王麗梅. 不同林地土壤微生物生物量垂直分布及相關(guān)性分析. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(2): 52-56, 60-60.

[39] 尉海東, 董彬. 魯東南楊樹人工林土壤微生物生物量碳的時(shí)空動(dòng)態(tài). 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 22(2): 233-238.

[40] 劉淑霞, 劉景雙, 趙明東, 王金達(dá), 于君寶, 叢曉明. 土壤活性有機(jī)碳與養(yǎng)分有效性及作物產(chǎn)量的關(guān)系. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 25(5): 539-543.

[41] 李忠佩, 張?zhí)伊? 陳碧云. 可溶性有機(jī)碳的含量動(dòng)態(tài)及其與土壤有機(jī)碳礦化的關(guān)系研究. 土壤學(xué)報(bào), 2004, 41(4): 544-552.

[42] Liang B C, MacKenzie A F, Schnitzer M, Monreal C M, Voroney P R, Beyaert R P. Management-induced change in labile soil organic matter under continuous corn in eastern Canadian soils. Biology and Fertility of Soils, 1997, 26(2): 88-94.

[43] Zsolnay A. Dissolved organic matter: artifacts, definitions, and functions. Geoderma, 2003, 113(3/4): 187-209.

[44] 李淑芬, 俞元春, 何晟. 南方森林土壤溶解有機(jī)碳與土壤因子的關(guān)系. 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 20(2): 119-123.

[45] 汪偉, 楊玉盛, 陳光水, 郭劍芬, 錢偉. 羅浮栲天然林土壤可溶性有機(jī)碳的剖面分布及季節(jié)變化. 生態(tài)學(xué)雜志, 2008, 27(6): 924-928.

[46] 楊麗霞, 潘劍君. 土壤活性有機(jī)碳庫測(cè)定方法研究進(jìn)展. 土壤通報(bào), 2004, 35(4): 502-506.

[47] 黃宗勝, 符裕紅, 喻理飛. 喀斯特森林植被自然恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳庫特征演化. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(2): 306-314.

[48] 李平, 王國兵, 鄭阿寶, 沈玉娟, 趙琦齊, 王琳飛, 蔣如生, 李莉, 阮宏華. 蘇南丘陵區(qū)4種典型人工林土壤活性有機(jī)碳分布特征. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 36(4): 79-83.

[49] 劉榮杰, 吳亞叢, 張英, 李正才, 馬少杰, 王斌, 格日樂圖. 中國北亞熱帶天然次生林與杉木人工林土壤活性有機(jī)碳庫的比較. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 36(5): 431-437.

[50] 雷丕鋒, 項(xiàng)文化, 田大倫, 方晰. 樟樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素貯量與分布研究. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(4): 25-30.

[51] 李躍林, 胡成志, 張?jiān)? 文錦柱. 幾種人工林土壤碳儲(chǔ)量研究. 福建林業(yè)科技, 2004, 31(4): 4-7.

[52] 楊玉盛, 謝錦升, 盛浩, 陳光水, 李旭. 中亞熱帶山區(qū)土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和質(zhì)量的影響. 地理學(xué)報(bào), 2007, 62(11): 1123-1131.

[53] 馬東明, 江洪, 羅承德, 劉躍建. 四川西北部亞高山云杉天然林生態(tài)系統(tǒng)碳密度、凈生產(chǎn)量和碳貯量的初步研究. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 31(2): 305-312.

Characteristics of soil organic carbon components in a secondaryCastanopsisplatyacantha-Schimasinensisevergreen broad-leaved forest,Wawushan Mountain

CHEN Gang, TU Lihua*, PENG Yong, HU Hongling, HU Tingxing

ForestryCollege,SichuanAgriculturalUniversity,Ya′an625014,China

Secondary forests are one of the most important fast-growth forest types, with a large distribution area and high potential carbon sequestration capacity. In order to investigate the component characteristics of soil organic carbon in a subtropical secondary evergreen broad-leaved forest, an experiment was conducted in a typical evergreen broad-leaved secondary forest (Castanopsisplatyacantha-Schimasinensis) in the middle section of Wawushan Mountain, southwest China. The physical soil properties and soil carbon fractions were studied, with the soil profile divided (0—10, 10—40, 40—70 cm and 70—100 cm) and sampled. Results showed that the soil at each level was acidic. Soil potential acidity was between 3.2 and 4.0, field moisture capacity was 63%—190%, and total porosity and bulk density were 63.0%—83.3% and 0.41—0.99 g/cm3respectively. Soil pH value and bulk density increased with increased soil depth, while the field moisture capacity and total porosity showed the opposite trend. The organic carbon content of litter was 443 g/kg, and the litter stock and litter carbon stock were 10.4 t/hm2and 4.5 t/hm2, respectively. Litter organic C stock in the studied forest was higher than in the majority of the plantations and natural forests in Sichuan Province. Soil organic carbon, microbial biomass carbon, extractable dissolved organic carbon, and readily oxidizable carbon decreased with an increase in soil depth. The soil organic carbon content in the 0—10 cm layer was 121.9 g/kg, which was higher than reported in other subtropical evergreen broad-leaved forests and in all types of forests in Sichuan (3.6, 8.6, and 14.6 times the soil organic content of the soil layers at 10—40 cm, 40—70 cm, and 70—100 cm respectively). The content of microbial biomass carbon in the 0—10 cm layer was 1931.82 mg/kg, which was 2.6, 5.7, and 7.8 times that in the following three layers. The contents of extractable dissolved organic carbon and readily oxidizable carbon in the 0—10 cm layer were 697.42 mg/kg and 20.98 g/kg, respectively. The contents of labile organic carbon in the 0—10 cm layer were higher than in many other reported similar natural forests and plantations. The density of soil organic carbon, microbial biomass carbon, extractable dissolved organic carbon, and readily oxidizable carbon were 7.5—48, 0.20—0.81, 0.25—0.37, and 0.8—8.4 kg/m3, respectively. The density of soil organic carbon, extractable dissolved carbon, and readily oxidizable carbon decreased with an increase in soil depth, while the microbial biomass carbon first increased and then decreased and peaked at the horizon, 10—40 cm. Soil organic carbon stock was 154.9 t/hm2, which was at the mid-level in Sichuan Province. The stocks of microbial biomass carbon, extractable dissolved organic carbon, and readily oxidizable carbon were 3.1, 3.0 and 21.0 t/hm2, respectively. This study suggests that (1) the content of the soil labile organic carbon was relatively high, (2) the activity of microorganisms and the flow of nutrients were relatively active, and (3) there is a huge amount of forest litter in theC.platyacantha-S.sinensisevergreen broad-leaved secondary forest that can be transformed into soil carbon in the future. These ecosystems will play a more important role in regional carbon cycles in the future.

secondary forest; soil organic carbon; subtropics; Wawushan Mountain

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300522); 教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20125103120018); 四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZA118, 13ZA0246)

2014-01-01;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401010005

*通訊作者Corresponding author.E-mail: iamtlh@163.com

陳剛, 涂利華, 彭勇, 胡紅玲, 胡庭興.瓦屋山扁刺栲-中華木荷常綠闊葉次生林土壤有機(jī)碳組分特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(18):6100-6109.

Chen G, Tu L H, Peng Y, Hu H L, Hu T X.Characteristics of soil organic carbon components in a secondaryCastanopsisplatyacantha-Schimasinensisevergreen broad-leaved forest, Wawushan Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6100-6109.