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(duì)4種經(jīng)濟(jì)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(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3. 貴州民族大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，貴州 貴陽 550025）

土壤活性碳氮含量與CO2，CH4通量對(duì)研究經(jīng)濟(jì)林土壤養(yǎng)分狀況和碳氮循環(huán)有重要意義。以貴陽黃壤上4種經(jīng)濟(jì)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(duì)象，比較了植被類型和管理方式對(duì)土壤溶解性碳氮養(yǎng)分、微生物量碳氮和CO2，CH4通量的影響。結(jié)果表明：（1）4種經(jīng)濟(jì)林土壤溶解性有機(jī)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(jīng)濟(jì)林間均沒有顯著性差異，但植被類型和樹齡對(duì)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(jī)氮含量變化趨勢(shì)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(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)林顯著高于人工管理的經(jīng)濟(jì)林（<0.05）；（4）研究區(qū)表現(xiàn)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(duì)CO2通量沒有顯著性影響，施硝態(tài)氮肥、長(zhǎng)期連作等人工管理方式都會(huì)導(dǎo)致CH4通量增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)土壤水分條件和pH值，改進(jìn)管理方式有助于減少經(jīng)濟(jì)林土壤溫室氣體的釋放。

植被類型；土壤溶解性有機(jī)碳；土壤無機(jī)氮；微生物量碳氮；碳通量

土壤溶解性有機(jī)碳（dissolved organic carbon，DOC）是土壤活性有機(jī)質(zhì)的組成部分[1]，容易被土壤微生物分解，在提供森林土壤養(yǎng)分方面有重要作用。有機(jī)質(zhì)的形成需要一定數(shù)量的氮，氮能部分地調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的改變[2]，溶解性有機(jī)氮（dissolved organic nitrogen，DON）是土壤有機(jī)氮的組成部分，在土壤氮素轉(zhuǎn)化和氮的植物吸收中有重要作用，現(xiàn)有方法不能直接測(cè)出DON含量，通常采用溶解性氮（dissolved nitrogen，DN）與無機(jī)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(dòng)導(dǎo)致氣態(tài)碳氮排放和養(yǎng)分有效性變化的關(guān)鍵因素[3]。

生態(tài)系統(tǒng)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(jù)2014年IPCC第五次氣候評(píng)估報(bào)告，目前大氣中CO2和CH4的氣體濃度相對(duì)于工業(yè)化前水平分別升高了40%和150%，土地利用變化是CO2濃度增長(zhǎng)的主要來源之一。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)與大氣溫室氣體濃度變化有密切關(guān)系。研究顯示，溫帶森林是CO2重要的源、CH4重要的匯[5]，宋長(zhǎng)青等人[6]指出，研究溫室氣體在土壤和生物圈的發(fā)生和消解機(jī)制是目前土壤學(xué)、地學(xué)和全球變化領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)和前沿方向。但前人的研究主要關(guān)注CO2和CH4在自然生長(zhǎng)的森林生態(tài)系統(tǒng)中的產(chǎn)生和變化，對(duì)受人為活動(dòng)影響較大的經(jīng)濟(jì)林方面的研究不多，系統(tǒng)地研究經(jīng)濟(jì)林土壤活性碳氮-微生物-氣體釋放關(guān)聯(lián)的文獻(xiàn)更少。經(jīng)濟(jì)林亦稱“特用林”，以生產(chǎn)木料或其他林產(chǎn)品直接獲得經(jīng)濟(jì)效益為主要目的，是森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，施肥、植被管理等是其非常重要的經(jīng)營(yíng)措施，對(duì)森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)及全球氣候變化有重大影響[7]。

本研究以4種經(jīng)濟(jì)林為研究對(duì)象，比較不同用途、管理方式和植被類型等對(duì)經(jīng)濟(jì)林土壤溶解性碳氮養(yǎng)分，SMBC，SMBN含量和CO2，CH4通量的影響，以期為森林生態(tài)系統(tǒng)土壤-大氣界面碳氮元素循環(huán)研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，106.53° E，26.43° N，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷熱，無霜期長(zhǎng)，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(dá)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(jīng)濟(jì)林用途、管理方式、植被類型等為指標(biāo)，選取同一母質(zhì)層上發(fā)育的黃壤作為研究對(duì)象，2018年5月在貴陽市花溪區(qū)湖潮鄉(xiāng)設(shè)置4種經(jīng)濟(jì)林土壤采樣點(diǎn)（表1），采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離林緣且林地的生境因子基本一致，每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)樣方，每個(gè)樣方5 m×10 m，刮去浮土后按S形法采集樣方內(nèi)0 ~ 20 cm的表層土壤，分別混合成一個(gè)土壤樣品。土壤裝入自封袋保存帶回實(shí)驗(yàn)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(jī)肥（云南興農(nóng)，有機(jī)質(zhì)≥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(jī)肥和尿素（貴州赤天化，總氮≥46.4%），每年冬季落葉時(shí)、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(zhǎng)，林下主要堆積松針和枯落物。

表1 采樣點(diǎn)概況

1.3 分析方法

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010計(jì)算處理。采用SPSS 17.0數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件（Chicago，IL，USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Pearson相關(guān)分析法完成相關(guān)分析。采用Sigmaplot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種經(jīng)濟(jì)林土壤溶解性碳氮養(yǎng)分比較

4種經(jīng)濟(jì)林土壤pH在4.2 ~ 7.1。土壤DOC含量在5.7 ~ 77.5 mg·kg-1，表現(xiàn)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(diǎn)的變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/均值）分別達(dá)1.0，1.1，均出現(xiàn)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(shì)與土壤DOC含量變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)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(diǎn)的變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/均值）分別達(dá)1.0，1.3，均出現(xiàn)了極大值（分別為71.9 mg·kg-1，29.9 mg·kg-1）。方差分析結(jié)果顯示，4種經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)林土壤無機(jī)氮含量比較

4種經(jīng)濟(jì)林土壤NH4+-N含量在1.4 ~ 15.8 mg·kg-1，其均值（圖2）表現(xiàn)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(jīng)濟(jì)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(xiàn)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(jīng)濟(jì)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(jī)氮含量（NH4+-N+NO3--N）高低趨勢(shì)與土壤pH值相同、與樹齡相反，表現(xiàn)為女貞林>油桃林>茶園>松林，女貞林顯著高于其他3種經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)林土壤無機(jī)氮含量比較

Figure 2 Comparison of inorganic nitrogen contentin four economic stand soil

2.3 4種經(jīng)濟(jì)林土壤微生物生物量比較

土壤微生物是自然界碳、氮循環(huán)的核心生物[11]。4種經(jīng)濟(jì)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(xiàn)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)林之間均差異顯著（<0.05）。

2.4 4種經(jīng)濟(jì)林土壤CO2，CH4通量比較

4種經(jīng)濟(jì)林土壤CO2通量在－131.6 ~ 605.5 mg·m-2·h-1，表現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(cè)到CH4排放量，自然生長(zhǎng)的松林顯著高于（<0.05）其他2種人工管理的經(jīng)濟(jì)林，茶園和油桃林之間沒有顯著差異。

圖3 4種經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(guān)分析

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

表2 4種經(jīng)濟(jì)林土壤相關(guān)指標(biāo)間的相關(guān)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(jié)論與討論

3.1 植被類型和管理方式對(duì)土壤可溶性碳氮養(yǎng)分的影響

土壤溶解性有機(jī)質(zhì)主要來自施有機(jī)肥、枯落物、根系分泌物和土壤有機(jī)質(zhì)，本研究4種經(jīng)濟(jì)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(chǔ)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(jīng)濟(jì)林間土壤DOC，DN含量均表現(xiàn)為闊葉林高于針葉林，其變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果一致，樣點(diǎn)間沒有顯著性差異，其可能影響因素為：（1）凋落物的數(shù)量和質(zhì)量。凋落物還田有助于土壤原有有機(jī)碳的分解[8]和土壤有機(jī)質(zhì)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(zhì)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(dòng)，其DOC，DN含量明顯高于其他樣地。（2）經(jīng)濟(jì)林管理方式。人工管理的經(jīng)濟(jì)林（油桃林、茶園）土壤溶解性碳氮養(yǎng)分高于自然生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)林（女貞林、松林），且其變異系數(shù)較大，我們認(rèn)為施肥是其重要的影響因素，有機(jī)肥與尿素配施高于單施有機(jī)肥，施肥高于不施肥，人工施肥的不均勻?qū)е聰?shù)據(jù)出現(xiàn)高峰值和高變異系數(shù)。從不施肥、自然生長(zhǎng)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(zhǎng)的馬尾松純林。（3）經(jīng)濟(jì)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(gè)闊葉林樣方中的DOC含量波動(dòng)較大，施肥、秸稈和修剪枝堆覆、間種、定期管理等人為活動(dòng)有重要影響，而松林是用材林，以自然生長(zhǎng)為主，DOC含量變幅不大。（4）林木所處生長(zhǎng)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(fā)、金森女貞及海桐開花期，可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)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(duì)土壤微生物生物量的影響

4種經(jīng)濟(jì)林的SMBC，SMBN與土壤pH值、無機(jī)氮含量的高低趨勢(shì)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(jìn)微生物群落的生長(zhǎng)。

4種經(jīng)濟(jì)林間土壤DOC和DN養(yǎng)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(zhǎng)的松林（30 a）、茶園（15 a）均顯著高于樹齡10a以下的經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)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(dǎo)致高SMBC/SMBN（=0.78，<0.01），因進(jìn)入土壤的大多數(shù)有機(jī)殘?bào)w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(jī)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?fù)p失較高[12]。

3.3 植被類型和管理方式對(duì)土壤碳通量的影響

經(jīng)濟(jì)林土壤是CO2的源和CH4的匯。相關(guān)研究表明，凋落物對(duì)土壤CO2排放總量的貢獻(xiàn)約占17%[13]，本研究中人工管理的經(jīng)濟(jì)林（油桃林、茶園）CO2通量高于自然生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)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(biāo)相關(guān)性也不強(qiáng)，部分學(xué)者認(rèn)為溫度是影響土壤CO2排放的唯一因素[14]。

經(jīng)濟(jì)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(huán)境養(yǎng)分如NO3--N，將會(huì)增加土壤CH4通量；此外，長(zhǎng)期連作等管理方式會(huì)導(dǎo)致土壤pH值降低，土壤的酸化會(huì)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41563013）；貴州省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)﹝2018）1074號(hào)）；貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字﹝2016﹞161號(hào)）

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