張日升賈樹海王薇薇

(1.遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,遼寧 阜新 123000; 2.遼寧省沙地治理與利用研究所,遼寧 阜新 123000; 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽 110000)

碳是生命組成的重要物質(zhì),也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要元素。 有機碳是土壤有機質(zhì)的重要組成成分,土壤中的各種動植物殘體、微生物體及其代謝過程中合成的各種有機物質(zhì)是有機碳主要的存在場所[1]。 土壤有機碳含量是反映土壤質(zhì)量的一個重要指標(biāo),影響著土壤肥力和土地生產(chǎn)力的高低。 土壤腐殖質(zhì)是土壤有機碳的重要組成部分,對改善土壤團粒結(jié)構(gòu),維持和提高土壤肥力,以及增加環(huán)境效益等有顯著的影響[2],因此,研究林地土壤有機碳和腐殖質(zhì),對林分經(jīng)營管理十分重要。 李哲等研究秦嶺山地不同齡組銳齒櫟林的土壤和枯落物有機碳、全氮特征時認為土壤表層有機碳含量受林齡影響明顯[3];段海俠在研究樟子松固沙林地表環(huán)境要素變化規(guī)律時指出風(fēng)沙土的成土過程易受到風(fēng)蝕沙壓的影響,但沙地實施生物措施后,土壤有機質(zhì)含量逐漸增加,土壤的肥力與水分得到改善,為一些植被能夠穩(wěn)定生長提供了條件,使風(fēng)沙地成為農(nóng)林牧用地[4]。 賈樹海等研究認為樟子松混交林更有利于表層土壤有機碳含量的積累,也有利于土壤腐殖質(zhì)的腐殖化度和聚合度的提高[5]。

林齡是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要預(yù)測指標(biāo),不僅影響生物體對碳的吸收與排放,還對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳封存具有重要影響,是影響土壤有機碳積累的重要因素[6～8]。 樟子松(Pinussylvestrisvar. mongolica)原產(chǎn)于大興安嶺山地和呼倫貝爾沙地,具有較高的抗逆性,耐干旱、寒冷、瘠薄,且生長較快的特點。 1955 年引種到科爾沁沙地南部章古臺地區(qū)成功后,推廣到我國北方10 多個省區(qū),目前,已成為我國三北地區(qū)主要的防護林造林針葉樹種。 自20 世紀(jì)90 年代初,遼寧章古臺地區(qū)部分較大林齡的樟子松人工林出現(xiàn)了退化現(xiàn)象,后來這種退化現(xiàn)象蔓延到遼寧全省,吉林、內(nèi)蒙古等地[9～11]。 這種退化現(xiàn)象引起了國內(nèi)大量學(xué)者的注意,對樟子松人工林生長規(guī)律以及氣候和土壤水熱狀況相關(guān)研究很多[12～18],而對樟子松人工林的土壤有機碳的研究報道較少。 因此,本文選取4 種林齡(7 年、16 年、34 年和55 年)樟子松人工林的土壤剖面理化參數(shù),研究了土壤有機碳含量及組成特征,為樟子松人工林的生產(chǎn)經(jīng)營和科學(xué)管理提供參考資料。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地南部的章古臺地區(qū)42°43′～42°51′N, 121°53′～122°22′E,屬暖溫帶半濕潤干旱區(qū),隸屬遼寧省阜新市彰武縣。 主要氣候特點是干旱多風(fēng),1984～2019 年章古臺地區(qū)的年均氣溫為6.64 ℃;年均降水量為481.7 mm,且多集中于6 ～8 月份;年均蒸發(fā)量為1 493.2 mm;年均風(fēng)速為2.54 m/s。 當(dāng)?shù)赝寥酪燥L(fēng)沙土為主,約占89.4%,土壤養(yǎng)分含量比較低。 該地區(qū)1955 年開始營建樟子松人工林,目前已形成了獨特的沙地林海景觀。 當(dāng)?shù)氐恼磷铀扇斯ち殖隣I林干擾外,還有來自于樵采和放牧的干擾。 樟子松人工林林下植被多為馬唐Digitariasanguinalis、虎尾草ChlorisvirgataSwartz、狗尾草Setariaviridis、茵陳蒿Artemisiascoparia、軸藜Axyrismaranthoides等組成的群落為主。

1.2 采樣與分析

選取4 種林齡(7 年、16 年、34 年、55 年)樟子松林分中有代表性的區(qū)域,設(shè)置100 m×100 m 的樣地,開展地上植被調(diào)查,測量地表枯枝落葉,樹木樹高、胸徑等相關(guān)指標(biāo)(表1);在樣地中按“S”形布設(shè)9 個土壤采樣點,清除地表枯落物后,用土鉆分別采集0 ～5 cm、5 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～40 cm 土層的土壤樣品,相同土層土壤每3 個采樣點混合均勻為1 個樣本,存放于袋中帶回實驗室,陰干、研磨、過篩后開展相關(guān)分析,每個樣本3 次重復(fù)。

土壤樣品理化分析方法參照《土壤調(diào)查實驗室分析方法》:土壤容重采用環(huán)刀法測量;土壤腐殖質(zhì)組分采用重鉻酸鉀氧化法測定;樣品經(jīng)元素分析儀(Element high TOCⅡ,德國)測定土壤有機碳含量。

1.3 土壤有機碳儲量計算

有機碳儲量又稱土壤有機碳密度,是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳儲量,它以土地體積為基礎(chǔ),排除面積和深度的影響,所以是評價和衡量有機碳(氮)儲量的重要指標(biāo)[5,19]。 土壤有機碳儲量為有機碳密度與其面積的乘積。

式中:i為土層代號;Ci為i層有機碳(氮)含量(g/kg);Di為該層土壤容重(g/cm3);Ei為該層土層厚度;Gi為直徑大于2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)。 本研究區(qū)土壤樣本以沙土為主,沒有粒徑>2 mm 的石礫,所以Gi=0。

1.4 統(tǒng)計分析

用SPSS 14.0 對不同林齡、不同土層各指標(biāo)進行單因素方差分析,Duncan 法進行多重比較差異(P<0.05);用Pearson 相關(guān)性分析法分析有機碳和腐殖質(zhì)組分相關(guān)關(guān)系。 圖表中的結(jié)果均為3 次重復(fù)的平均值;用WPS 2010制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳含量的變化

在0 ～5 cm 土層中,樟子松林下土壤有機碳含量隨著林齡的增長而增加,有機碳含量從7 年生的2.63 g/kg 逐漸上升到55 年生時的7.70 g/kg。 其中樟子松人工林幼林期(7 ～16 年)土壤有機碳含量變化幅度稍小,年均增幅為0.0956 g/kg; 16 ～34 年 生, 林 下 土 壤 有 機 碳 從3.49 g/kg 增加到6.35 g/kg,年均增幅為0.1591 g/kg;34～55 年生階段土壤有機碳含量積累速率減緩,年均增幅為0.0639 g/kg;55 年 時達到最大 值7.70 g/kg。 在5 ～10 cm 土層,樟子松林下土壤有機碳含量隨著林齡增長先增加后降低,7 ～34 年生由1.85 g/kg 增加到5.69 g/kg,年均增幅0.1422 g/kg,34 年土壤有機碳含量最高為5.69 g/kg,55 年時顯著下降為4.44 g/kg,年均降幅約0.0643%。 在10 ～20 cm 土層,16 年生之后的林下土壤有機碳含量積累速度明顯減慢。 經(jīng)39 年生長,林下10 ～20 cm 土 層 土 壤 有 機 碳 含 量 僅 從 3.20 g/kg 達 到3.73 g/kg ,年均增幅僅為0.0136 g/kg。 在20 ～40 cm 土層,7 ～55 年土壤有機碳含量表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢,16 年 達 到 最 高 值 2.82 g/kg, 34 年 開 始 下 降 為2.33 g/kg,55 年為2.73 g/kg 又有所回升。 可以看出0 ～10 cm 土層有機碳含量在16 ～34 年生階段積累最快,以后積累速率減緩,甚至含量下降。 各林齡段林下土壤有機碳含量隨著土層深度的增加而減少。

2.2 土壤有機碳儲量的變化

2.2.1 土壤容重

從表2 可以看出,章古臺地區(qū)樟子松人工林林下土壤容重介于1.47 ～1.61 g/cm3之間,每個林齡階段0 ～40 cm 土層的土壤容重都隨著深度的增加而增大。 同一土層土壤容重都隨著林齡增長先降低再增加,34 年樟子松林下各層土壤容重最小,這說明在林齡達到34 年之前,林下土壤容重隨著樟子松林齡增長而減小,34 年生以后樟子松對土壤容重的改善作用呈下降趨勢。

2.2.2 土壤有機碳儲量

不同林齡下的土壤有機碳儲量總體的趨勢是隨著林齡增長而增加。 從圖2 可以看出各林齡段的土壤有機碳儲量都隨著土層深度的增加而減少。 在0 ～10 cm 土層,7年林分的土壤有機碳儲量占整個剖面(0 ～40 cm 土層)的50.96%,16 年生占64.14%,34 年生林分占54.46%,55年生林分占55.48%。 可見樟子松人工林林下0 ～10 cm土層對0 ～40 cm 土層的土壤有機碳儲量貢獻最大。

表 1 土壤采樣地基本信息

表 2 不同林齡組林下土壤容重

2.3 不同林齡土壤腐殖質(zhì)碳含量及組成比較

土壤有機碳的主要組成成分是土壤腐殖質(zhì)碳,土壤腐殖質(zhì)碳含量的多少是衡量土壤肥力、土壤發(fā)育程度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。 土壤腐殖質(zhì)碳中胡敏酸比富里酸更為活躍,影響著土壤結(jié)構(gòu)的形成和土壤養(yǎng)分儲存的能力[20]。

同一林分土壤腐殖質(zhì)碳含量隨著土層的增加而降低。 不同林齡樟子松人工林林下0 ～5 cm 土層土壤腐殖酸碳含量隨著樟子松林齡的增長而增加,各林齡間有著顯著的差異(P<0.05)。 5 ～10 cm 土層土壤腐殖酸碳含量變化趨勢是隨林齡增長先增加后降低,34 年生時5 ～10 cm 土層土壤腐殖酸碳含量最高為1.68 g/kg。 10 ～20 cm 土層土壤腐殖酸碳含量變化趨勢是6 ～34 年階段隨著林齡增長而增加,34 年生以后,增加不顯著;20 ～40 cm土層土壤腐殖酸碳含量變化趨勢呈“M”形,先增加后降低,再增加。 與土壤有機碳含量變化規(guī)律相似,0 ～10 cm土層腐殖質(zhì)碳含量在16 ～34 年生階段積累最快,以后積累速率減緩,甚至含量下降。

胡敏酸碳和腐殖酸碳的比值(PQ)以及胡敏酸碳和富里酸碳的比值(CHA/CFA)能反映有機碳的品質(zhì)。 從圖3 中可以看出,樟子松人工林林下土壤腐殖質(zhì)組分中富里酸碳含量大于胡敏酸碳含量。

同一林分PQ 值隨著土層深度的增加而減小。 0 ～5 cm 土層PQ 值隨著林齡的增長先增加后減小,34 年樟子松土壤腐殖質(zhì)PQ 值最大為0.354,其次是55 年為0.352。 5 ～40 cm 土層PQ 值隨著林齡的增長而增加,55年達到最大值。 CHA/CFA 比范圍在0.462 ～0.57 之間,具體表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而減小。 在0 ～10 cm 土層CHA/CFA 比隨著林齡增長先增加后減小,34 年樟子松土壤腐殖質(zhì)CHA/CFA 比最大為0.57 和0.54,其次是55 年為0.56 和0.537。 10 ～20 cm 土層CHA/CFA 比隨著林齡增長而增加,最大值和最小值分別出現(xiàn)在對照7 年和55 年。 可見7 ～34 年生樟子松人工林林下土壤PQ 值隨著林齡增長而增加,說明這一時期,樟子松人工林林下土壤有機碳的品質(zhì)越來越好,也就是說這一時期,樟子松人工林有利于林下沙土的養(yǎng)分積累。

表 3 林下土壤腐殖質(zhì)組分結(jié)構(gòu)比

3 討論

土壤有機碳含量和儲量取決于各自的輸入與輸出總量,輸入主要來源于動植物殘體的分解,輸出主要取決于土壤有機碳、氮素的分解和淋溶[21],在人工林生態(tài)系統(tǒng)中,喬灌木的枯枝落葉、地表草本枯落物、微生物的活動是植物殘體的形成和分解的主要來源,因此,林木的生長旺盛程度和林下草本植被生長情況決定了林下動植物殘體的形成和分解。 研究結(jié)果可以得出,樟子松人工林的土壤有機碳含量和儲量都隨著土層深度增加而逐漸降低,土壤有機碳表層富集現(xiàn)象十分明顯,這一研究結(jié)果與2016 年杜振宇等的研究結(jié)果類似[22]。

總的來說,各土層土壤有機碳儲量隨著樟子松種植年限的推移逐漸增加,特別是0 ～10 cm 的表層土壤。 樟子松人工林造林初期對土壤養(yǎng)分的改善貢獻不大。 7 ～16年生樟子松人工林土壤有機碳明顯增加,這一時期樟子松人工林也進入了快速生長期;16 ～34 年生樟子松林下的土壤有機碳增量顯著增加,這一時段樟子松人工林進入了生長旺盛期,林分歸還給土壤的枯枝落葉多,有利于土壤有機碳的積累。 34 年生以后樟子松人工林下土壤有機碳的積累速度逐漸降低,這與范志平等研究半干旱區(qū)人工樟子松林的生長時得出的結(jié)果相似[23]。 根據(jù)多名專家的研究結(jié)果樟子松人工林到40 年生左右時植株的生長速度普遍降低,生長不良,樹勢衰弱,有退化的現(xiàn)象發(fā)生[24～25],可能與土壤中有機碳增長緩慢有關(guān)。 本次研究總土壤有機碳含量與儲量較小,這是因為研究區(qū)在半干旱的科爾沁沙地南部,當(dāng)?shù)匾燥L(fēng)沙土為主,土壤有機質(zhì)含量較少。

同一土層土壤腐殖質(zhì)碳含量隨著樟子松人工林林齡增長而增加。 7 ～16 年間各層土壤腐殖質(zhì)碳的積累比較平穩(wěn),16 ～34 年階段積累幅度最快,34 年以后積累速度降低。 除了55 年在5 ～10 cm 土層低 于34 年外,隨 著林齡增長各層的土壤腐殖酸碳含量增加。 土壤中胡敏酸碳占腐殖質(zhì)碳的比例決定著腐殖質(zhì)品質(zhì)的優(yōu)劣,一般認為,胡敏酸碳比例越高,腐殖酸的品質(zhì)就越好,土壤腐化程度越好。 本次的研究結(jié)果胡敏酸與富里酸兩者的比值小于1,與安紅艷研究認為風(fēng)沙土的腐殖質(zhì)組成基本都是富里酸含量稍高類似[26]。 本研究PQ 值也隨著林齡的不同表現(xiàn)出不同的差異,林齡組的腐殖質(zhì)組分結(jié)構(gòu)比例表顯示0 ～5 cm 土層的PQ 值隨林齡增長先增加后減小,最大值出現(xiàn)在34 年,說明樟子松在34 年生時表層土壤的腐殖化程度最高,34 ～55 年生時腐殖化程度下降;5 ～40 cm 土層PQ值隨著林齡增長而增加,55 年達到最大值,說明樟子松林齡越大5 ～40 cm 土層的腐殖化程度越高。 CHA/CFA 比越大,表明土壤腐殖質(zhì)的聚合程度越高,質(zhì)量越好,從研究結(jié)果看土壤CHA/CFA 比隨著土層深度的增加而減小,同一土層隨著林齡增長CHA/CFA 比表現(xiàn)不同。 在0 ～10 cm 土層CHA/CFA 比隨著林齡增長先增加后減小,4個不同林齡的樟子松土壤腐殖質(zhì)CHA/CFA 比34 年生林分最大。 10 ～40 cm 土層CHA/CFA 比隨著林齡增長而增加,最小值和最大值分別出現(xiàn)在對照7 年和55 年,可見34 年生以前樟子松人工林對0 ～10 cm 土層的腐殖質(zhì)的聚合度改善較為明顯,34 年生以后對10 ～40 cm 土層的聚合度改善效果較好,可能是因為樟子松隨林齡增長,根系土壤對其土壤性質(zhì)改善能力增加。 總的來說在16 ～34 年生時樟子松人工林土壤有機碳含量與儲量和腐殖質(zhì)碳含量快速增加,表層土壤腐殖化程度最高,腐殖質(zhì)的聚合度改善較為明顯;34 年生以后土壤有機碳和腐殖質(zhì)碳含量增速減慢,甚至下降,表層土壤腐殖化程度降低。 根據(jù)相關(guān)的研究成果,營建混交林[5,12]、調(diào)控密度有利于改善土壤養(yǎng)分[17],因此,建議對30 年生以上的樟子松人工純林要及時的調(diào)控密度,并逐漸將純林改造成混交林。

4 結(jié)論

4.1 樟子松人工林林下土壤有機碳含量隨土層深度增加呈下降趨勢,同時表層土壤(0 ～10 cm)有比較明顯的富集現(xiàn)象。

4.2 同一土層樟子松人工林土壤有機碳含量與儲量隨林齡增長而增加,樟子松人工林土壤有機碳在7 ～16 年階段積累較平緩,16 ～34 年階段積累最快,34 年生之后積累速度再次緩慢。 因此,樟子松人工林林齡過幼、過大都不利于土壤有機碳的積累。

4.3 樟子松人工林林下土壤腐殖酸碳含量隨著林齡增長呈逐漸增加的趨勢,4 個不同林齡的樟子松林土壤腐殖酸碳含量最高是55 年生林分,但16 ～34 年階段是土壤腐殖酸碳積累速度最快的時期,隨后積累速度下降。 樟子松人工林林下土壤0 ～5 cm 土層的PQ 值隨林齡增長先增加后減小,最大值出現(xiàn)在34 年,土壤腐殖化程度最高,34～55 年生時腐殖化程度下降;5 ～40 cm 土層PQ 值隨著林齡增長而增加。 樟子松人工林0 ～10 cm 土層CHA/CFA比隨著林齡增長先增加后減小,10 ～40 cm 土層CHA/CFA比隨著林齡增長而增加。