王仁杰，蔣 燚，王 勇＊，劉庭薇，唐靚茹，劉雄盛，黃榮林

(1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院森林經(jīng)營(yíng)研究所，廣西 南寧 530002；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

土壤碳庫(kù)主要分為有機(jī)碳庫(kù)和無(wú)機(jī)碳庫(kù)，其中，前者所占比重較大，在森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中占有重要地位，對(duì)土壤碳庫(kù)具有深遠(yuǎn)影響[1]。土壤有機(jī)碳（SOC）是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)，但其含量變化緩慢，短期內(nèi)不能快速靈敏的指示土壤碳庫(kù)變化，而土壤活性有機(jī)碳組分易被分解利用，能夠更靈敏地反映土壤管理措施和林分類型變化所引起的土壤碳庫(kù)變化[2]。土壤活性有機(jī)碳通常用易氧化有機(jī)碳（EOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、溶解性有機(jī)碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行表征[3]。Lefroy 等[4]在土壤碳庫(kù)研究的過程中結(jié)合土壤碳庫(kù)指標(biāo)和土壤中碳庫(kù)活度兩方面的內(nèi)容，提出了碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）概念，比較全面和動(dòng)態(tài)地反映外界條件對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響[4]，被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)中土壤質(zhì)量和碳庫(kù)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)[5]。人工林生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，研究表明，林型對(duì)人工林的碳庫(kù)穩(wěn)定性有顯著影響[6]。我國(guó)南亞熱帶地區(qū)造林過程中，人工純林所占比重較大，導(dǎo)致生態(tài)穩(wěn)定性較差，土壤碳固存能力下降[7]。目前，人工混交林造林模式已逐漸成為趨勢(shì)，研究不同林型人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳組分特征對(duì)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和碳庫(kù)穩(wěn)定性，對(duì)篩選具有較強(qiáng)碳固存能力的優(yōu)良造林模式，推進(jìn)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

紅錐（Castanopsis hystrixMiq.）作為南亞熱帶地區(qū)典型的珍貴鄉(xiāng)土闊葉樹種之一，其適應(yīng)性強(qiáng)，材質(zhì)優(yōu)良、用途廣泛，可作為用材林進(jìn)行純林種植，提高經(jīng)濟(jì)效益，亦可作為生態(tài)公益林混交造林樹種，增加生態(tài)效益[8]。研究表明，與純林相比，闊葉混交及針闊混交等混交模式通過充分的利用林地空間，改變林內(nèi)小氣候等方式，增加植被多樣性，加強(qiáng)林地的土壤肥力[9]，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，增加其總蓄積量與生物量[10]。目前，對(duì)紅錐人工純林和混交林的研究多集中在幼林生長(zhǎng)狀況[11]、植被多樣性[12]以及林分碳儲(chǔ)量[13]等方面，對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的研究鮮有報(bào)道。因此，本文以15 年生紅錐人工純林、紅錐+濕地松（Pinus elliottiiEngelm.）人工混交林、紅錐+火力楠（Michelia macclureiDandy）人工混交林、紅錐+米老排（Mytilaria laosensisLec.）人工混交林為研究對(duì)象，探討不同類型紅錐混交林土壤有機(jī)碳組分及碳庫(kù)穩(wěn)定性的變化，以期為南亞熱帶不同紅錐混交林碳平衡過程的評(píng)估和混交模式的篩選提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究區(qū)為廣西國(guó)有高峰林場(chǎng)界牌分場(chǎng)，地處南寧市興寧區(qū)（108°07′～109°21′ E，22°50′～23°33′ N），地貌為低丘陵山地地帶，平均海拔350 m，坡度18°左右；雨熱同季，干濕分明；據(jù)武鳴氣象站資料，年平均氣溫21℃左右，全年雨水充沛，年均降水量1 200～1 500 mm，主要集中于4－9 月，年均相對(duì)濕度81%；日照充沛，年日照總時(shí)數(shù)1 600 h左右，是典型的南亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候[14]。該地區(qū)土壤類型主要為沉積巖風(fēng)化發(fā)育的赤紅壤[15]。土壤厚度多為40～60 cm，土壤pH 為4.10，土壤容重為1.20 g·cm-3。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以立地條件基本一致的15 年生紅錐人工純林(HC)、紅錐+濕地松人工混交林(HS)、紅錐+火力楠人工混交林(HH)、紅錐+米老排人工混交林(HM)4 種林型為研究對(duì)象(表1)，于2018 年9 月分別在4 種林型中選擇3 個(gè)面積為20 m×30 m 的固定樣地，其林分密度為1 000 株·hm-2，混交比例為1:1，在每個(gè)樣地坡上、坡中、坡下沿對(duì)角線選取3 個(gè)土壤剖面，將0～40 cm 土層按照0～20、20～40 cm 進(jìn)行分層，用自封袋采集土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，12 個(gè)樣地共72 個(gè)樣品。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室去除根系等雜物，過2 mm 篩后將土壤分成2 份，1 份風(fēng)干保存，用于土壤有機(jī)碳、活性碳的測(cè)定；另1 份放置4℃冰箱保存，用于土壤微生物量碳含量的測(cè)定，并以0～40 cm 土層的含量表示整體林分的含量。

表1 不同樣地的基本概況Table 1 Basic situation of different sampling plots

2.2 測(cè)定及計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳（SOC）采用濃硫酸重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[16]，土壤易氧化有機(jī)碳（EOC）采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法測(cè)定[17]，土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定 ，土壤顆粒有機(jī)碳（POC）參考馬和平等[19]提供的方法測(cè)定，土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）用K2SO4溶液提取，紅外監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定[20]。本文以紅錐純林土壤作為對(duì)照，采用Blair 等[21]提出的方法計(jì)算下列指標(biāo)：

碳庫(kù)活度（L）= 土壤活性有機(jī)碳含量/土壤非活性有機(jī)碳含量

碳庫(kù)活度指數(shù)（LI）= 樣品的碳庫(kù)活度/參考土壤的碳庫(kù)活度

碳庫(kù)指數(shù)（CPI）= 樣品總碳含量/參考土壤總碳含量

碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）=CPI×LI× 100

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 19.0 對(duì)土壤碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)進(jìn)行方差分析（P＜ 0.05）和多重比較（采用鄧肯氏新復(fù)極差法），對(duì)土壤活性有機(jī)碳與有機(jī)碳進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，采用SigmaPlot 14.0 作圖。

3 結(jié)果分析

3.1 不同紅錐混交林土壤有機(jī)碳含量

圖1 表明：不同紅錐混交林土壤有機(jī)碳（SOC）含量均隨著土層深度的增加而顯著降低（P＜ 0.05），而同一土層內(nèi)不同林分土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為：HM ＞ HH ＞ HS ＞ HC。4 種林分類型中，0～40 cm 土層與0～20 cm 土層的變化趨勢(shì)一致，在HS 和HC 間無(wú)顯著差異（P＞ 0.05），其他林分間差異顯著（P＜ 0.05）；20～40 cm 土層，HS 的SOC 含量顯著大于HC（P＜ 0.05），HM 和HH 間無(wú)顯著差異（P＞ 0.05）。在不同土層和不同林分類型中，HM 的SOC 含量均最高；0～20 cm 土層內(nèi)HM 的SOC 比20～40 cm 土層內(nèi)的增加了40%；0～20 cm 土層內(nèi)HM 的SOC 含量比HC增加了53%，20～40 cm 土層內(nèi)HM 的SOC 含量比HC 的增加了62%，0～40 cm 土層內(nèi)HM 的SOC含量比HC 的增加了56%。

3.2 不同紅錐混交林土壤活性有機(jī)碳含量

圖2 表明：不同紅錐混交林的4 種活性有機(jī)碳含量整體隨著土層深度的增加而降低，在同一林分類型中土壤顆粒有機(jī)碳（POC）＞ 土壤易氧化有機(jī)碳（EOC）＞ 土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）＞ 土壤微生物量碳（MBC）；同一土層不同林分類型中，除20～40 cm 土層的EOC 和DOC 外，其他均表現(xiàn)為：HM ＞ HH ＞ HS ＞ HC。同一林分類型中，0～20 cm 土層和20～40 cm 土層的EOC 差異不顯著（P＞ 0.05），0～40 cm 土層的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為：HM 和HH 顯著大于HC 和HS（P＜ 0.05）。不同林分類型的POC 在不同土層的變化均與0～40 cm 土層的POC 含量變化趨勢(shì)基本相似；20～40 cm 土層的DOC 變化趨勢(shì)表現(xiàn)為：HS ＞HH ＞ HC ＞ HM，且HS 顯著大于其他3 種林分類型（P＜ 0.05），0 ～40 cm 土層的DOC 表現(xiàn)為HC 顯著小于其他3 種林分類型（P＜ 0.05）；除0～20 cm 土 層HS 和HH 的MBC 差異不無(wú)顯著（P＞ 0.05）外，不同林分類型間、不同土層間的MBC 均差異顯著（P＜ 0.05）。

圖1 不同紅錐混交林土壤有機(jī)碳含量Fig. 1 The content of soil organic carbon of different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

3.3 不同紅錐混交林土壤活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的相關(guān)性分析

表2 表明：土壤SOC 與土壤EOC、POC、MBC間呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01），與DOC 呈顯著正相關(guān)（P＜ 0.05）；土壤EOC 與土壤POC、DOC、MBC 呈顯著正相關(guān)（P＜ 0.05）；土壤POC 與土壤DOC 相關(guān)性不顯著（P＞ 0.05），與土壤MBC呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01）；土壤DOC 與MBC呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01）。

圖2 不同紅錐混交林土壤活性有機(jī)碳含量Fig. 2 The content of soil active organic carbon in different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

表2 不同紅錐混交林土壤活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的相關(guān)性Table 2 The relationship between soil active organic carbon and soil organic carbon of different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

表3 不同紅錐混交林碳庫(kù)管理指數(shù)的變化Table 3 The changes of carbon management index in different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.

3.4 不同紅錐混交林碳庫(kù)管理指數(shù)的變化

以HC 土壤作為參照，對(duì)其他3 種紅錐混交林的碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果（表3）表明：與對(duì)照相比，4 種林分類型碳庫(kù)活度（L）、碳庫(kù)指數(shù)（CPI）和碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）在0～20 cm 土層內(nèi)均表現(xiàn)為：HM ＞ HH ＞ HS ＞ HC，其中，4 種林分類型的L值差異不顯著（P＞ 0.05），HS 和HC 間的CPI差異不顯著（P＞ 0.05），其他林分間均差異顯著（P＜ 0.05），HM 和HH 的CPI分別比HC 增加了53% 和29%，HM 的CMI顯著大于其他3 種林分，比HC 增加了60.59%；在20～40 cm 土層內(nèi)HC 的L值大于其他3 種林分，且HS 顯著小于HC（P＜ 0.05），HM 和HH 的CPI顯著大于其他2 種林分，HS 的CMI顯著小于其他3 種林分，比HM降低了36.49%，比HC 降低了25.77%；在0～40 cm 土層內(nèi)，4 種林分類型L值差異不顯著性（P＞ 0.05），HM 的CPI和CMI顯著大于對(duì)HS 和HC（P＜ 0.05），與HC 相比，分別高出了57.00%和40.20%。

4 討論

4.1 不同紅錐混交林土壤有機(jī)碳含量變化特征

森林生態(tài)系統(tǒng)中植被凋落物、根系分布及外界耕作措施等因素直接作用于表土，其分解產(chǎn)物不斷被土壤固持和稀釋，最終導(dǎo)致土壤表層有機(jī)碳（SOC）含量較高[22]。本研究表明，紅錐純林和3 種紅錐混交林的SOC 含量隨著土層深度的加深而逐漸減少，與楊-榿短期混交林地土壤養(yǎng)分的變化一致[23]。本研究中，0～40 cm 土層SOC 的含量代表了整個(gè)林分有機(jī)碳的水平，其結(jié)果表明：HM和HH 的闊葉混交模式其SOC 含量顯著大于HS的針闊混交模式和HC，且紅錐+米老排混交林（HM）的SOC 含量顯著大于其他林分。森林中SOC 含量受到植被凋落物的輸入量和分解速率等因素的影響[24]。紅錐+濕地松的針闊混交模式(HS)中，SOC含量較低可能是由于針葉質(zhì)地粗硬，纖維素含量高，表皮富被蠟質(zhì)層，透水性能差[25]，導(dǎo)致其林分凋落物分解緩慢，減少了有機(jī)碳在土壤中的積累。研究表明，北亞熱帶地區(qū)木荷-青岡櫟混交林土壤活性碳庫(kù)高于杜英純林[26]；中亞熱帶典型林研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為：人工闊葉混交林 ＞ 人工針闊混交林 ＞ 人工闊葉純林[27]；南亞熱帶地區(qū)人工純林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為：火力楠純林 ＞ 米老排純林 ＞ 紅錐純林 ＞ 馬尾松純林 ＞ 鐵力木純林，其中，紅錐純林碳儲(chǔ)量處于中等水平，且米老排純林、紅錐純林、馬尾松純林和鐵力木純林的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異較小[28]。本研究中，土壤SOC 含量表現(xiàn)為：紅錐人工闊葉混交林 ＞ 紅錐人工針闊混交林 ＞ 紅錐人工純林，說(shuō)明南亞熱帶地區(qū)紅錐混交林，尤其是紅錐人工闊葉混交林具有較強(qiáng)的土壤碳固存能力。

4.2 不同紅錐混交林土壤活性有機(jī)碳含量變化特征

土壤活性有機(jī)碳主要來(lái)源于凋落物分解、土壤有機(jī)質(zhì)水解、植物根系以及微生物群系的代謝產(chǎn)物[29]，對(duì)外部環(huán)境敏感性較強(qiáng)，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)具有重要作用 。本研究結(jié)果表明：4 種不同組分活性有機(jī)碳隨著土層深度的增加逐漸減少，不同林分活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的趨勢(shì)也基本相似，與其有很好的正相關(guān)性，該結(jié)果表明土壤活性有機(jī)碳含量在很大程度上是由SOC 含量決定的，不同林分類型決定了有機(jī)質(zhì)的輸入量，從而影響到了土壤中SOC 的含量，而SOC 含量的高低決定了活性有機(jī)碳的含量[31]。前期研究表明，HM 和HH 的闊葉混交模式土壤有機(jī)碳、全氮含量、全磷含量和土壤微生物量碳、氮含量顯著高于HS 和HC[32]，4 種不同活性有機(jī)碳的變化趨勢(shì)與前期研究基本一致，表明不同林分內(nèi)植物凋落物、土壤腐殖質(zhì)及微生物群系的差異造成土壤肥力和土壤微生物量的不同，從而間接影響了土壤活性有機(jī)碳的含量。

在亞熱帶土壤中，由333 mmol·L-1KMnO4氧化而得的EOC 值可以作為土壤活性有機(jī)碳一個(gè)很好的評(píng)價(jià)指標(biāo)[33]，但Vieira 等[34]指出，該指標(biāo)在部分熱帶地區(qū)土壤中的響應(yīng)并不敏感。本研究中，EOC 與SOC 及其他活性有機(jī)碳都呈顯著或極顯著相關(guān)，綜合表明，在南亞熱帶紅錐混交林中，EOC 值可以作為土壤活性有機(jī)碳很好的評(píng)價(jià)指標(biāo)。土壤顆粒有機(jī)碳（POC）由與沙礫結(jié)合的植物殘?bào)w和微生物體組成，該指標(biāo)對(duì)SOC 的變化非常敏感[35-36]，Skjemstad 等[37]曾用POC 替代EOC 計(jì)算碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）。在本研究中POC 與SOC 呈極顯著正相關(guān)且相關(guān)系數(shù)達(dá)0.951，大于EOC 與SOC 的相關(guān)性，但與DOC 無(wú)顯著相關(guān)，該結(jié)果表明POC比EOC 更敏感地反應(yīng)了土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，但能否用于計(jì)算CMI仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）是地表植被及覆蓋物淋溶，土壤根系分泌及微生物新陳代謝產(chǎn)物，對(duì)土壤有機(jī)碳濃度及土壤物理化學(xué)循環(huán)過程產(chǎn)生重要的影響[38]。研究表明，水土流失過程的差異性將影響土-水界面的物質(zhì)交換過程[39]。本研究中，HS 內(nèi)20～40 cm 土層中DOC 的含量顯著大于其他3 種林分，最終對(duì)整個(gè)林分DOC 的含量產(chǎn)生重要影響，其原因可能是針闊混交林中針葉保水效果差，DOC 隨徑流、壤中流下滲速度快，從而導(dǎo)致林分下層土壤DOC 含量高于其他林分，其具體原因仍待進(jìn)一步研究。土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳庫(kù)中較為活躍的部分之一，在土壤碳循環(huán)中起重要作用，也是表征土壤生物肥力的重要指標(biāo)[40]。本研究中，0～40 cm 土層，不同林分類型MBC 之間均呈顯著差異且HM 的MBC 最高，MBC與SOC 的相關(guān)性僅次于POC 與SOC，且與POC、DOC、EOC 均呈顯著或極顯著正相關(guān)，表明MBC對(duì)其他組分活性有機(jī)碳密切相關(guān)，其活躍性大，HM 的土壤生物肥力最高。

4.3 不同紅錐混交林土壤碳庫(kù)管理指數(shù)特征

土壤有機(jī)碳庫(kù)與全球碳循環(huán)密切相關(guān), 其積累和分解直接影響全球的碳平衡[41]。土壤碳庫(kù)活度（L）、碳庫(kù)指數(shù)（CPI）和碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）均反映了土壤有機(jī)碳庫(kù)的質(zhì)量，其值越大，碳庫(kù)質(zhì)量越高[42]，其中，L增加表示有機(jī)碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用，CPI和CMI的增加分別表示該林地土壤碳積累能力和碳庫(kù)穩(wěn)定性比參考土壤有所提升[43]。本研究結(jié)果表明，整個(gè)林分內(nèi)，L無(wú)顯著差異，CPI表現(xiàn)為混交林大于HC，闊葉混交顯著大于針闊混交；整個(gè)林分內(nèi)CMI表現(xiàn)為闊葉混交大于HC，針闊混交小于HC，但在0～20 cm土層中，混交林CMI都大于HC。該結(jié)果表明，紅錐混交林同時(shí)提高了土壤活性碳含量和非活性碳的含量，而不同紅錐混交林中土壤有機(jī)碳提升比例較大，導(dǎo)致土壤碳積累能力比紅錐純林高，但HS 的針闊混交模式碳庫(kù)穩(wěn)定性比紅錐純林有所下降，主要是由于其20～40 cm 土層內(nèi)土壤活性有機(jī)碳嚴(yán)重下降造成的。綜合三者的變化表明：與HC 相比，HM 的闊葉混交模式土壤碳庫(kù)質(zhì)量最高，更有利于碳循環(huán)和碳平衡。

5 結(jié)論

4 種林分類型土壤有機(jī)碳（SOC）及活性有機(jī)碳（EOC、POC、DOC、MBC）含量隨著土層深度的增加而降低，有機(jī)碳與各組分活性有機(jī)碳密切相關(guān)，但與顆粒有機(jī)碳（POC）關(guān)系最密切；紅錐闊葉混交林較紅錐針闊混交林更有利于土壤有機(jī)碳積累，改善土壤質(zhì)地，其有機(jī)碳含量和碳庫(kù)活度（L）主要受表層（0～20 cm）土壤的影響，而碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）主要受下層（20～40 cm）土壤的影響，且紅錐+米老排（HM）的闊葉混交模式土壤碳庫(kù)質(zhì)量最高，在SOC 和EOC、POC、DOC、MBC 增加的同時(shí)，更有利于惰性碳的固存及碳庫(kù)的穩(wěn)定性。