山西太岳山不同針葉純林及混交林土壤有機碳庫的變異性1)

賈匡迪 王勇強 高雨 周志勇

(北京林業大學，北京，100083) (山西靈空山國家自然保護區管理局) (北京林業大學)

“碳達峰,碳中和”已成為本世紀中葉我國生態環境建設的重要戰略目標。森林因其較高的物質生產能力和巨大的碳儲存能力,在“碳中和”目標實現過程中被寄予了厚望。有研究顯示,在適當的經營管理措施下,我國森林可在2050年之前一直發揮著“碳匯”的功能[1]。土壤有機質是表征土壤質量的重要指標,有機質分解產物的性狀間差異及其與礦物質顆粒的互作能夠調控土壤有機碳組分,影響土壤碳庫的穩定性[2-4]?；钚杂袡C碳一般是指易被土壤微生物分解利用的碳組分,能夠靈敏地反應土壤碳庫變化[5]。非活性有機碳通常由大分子量、化學結構更為穩定的分解產物構成,有些會與礦物質顆粒結合,形成具有較長周轉周期的穩定有機碳[6]。Blair et al.[7]根據有機碳的抗氧化性強弱,把土壤有機碳分為活性有機碳和非活性有機碳,并在碳庫指數(CPI)和碳庫活度指數(AI)的基礎上提出了碳庫管理指數(CPMI)的概念[8]。碳庫管理指數反映不同林型下土壤有機碳(SOC)數量和質量的變化,數值升高代表碳庫向良性方向發展,數值降低則表示碳庫質量下降。近年來,碳庫管理指數常被用于評價不同土壤環境時土壤有機碳質量變化[9]。

土壤有機碳及其組分質量分數會受林分類型的影響[10]。研究發現,相比針葉林,針闊混交林具有更高的活性有機碳質量分數[11]。也有研究證實,相比針闊混交林,闊葉混交林更助于積累惰性碳和增強碳庫穩定性[12]。此外,土壤養分元素和酶活性對土壤有機碳及其組分的分布也會產生影響。土壤中氮素的可獲得性可以改變土壤微生物群落組成,抑制深層土壤有機碳礦化,促進土壤有機碳貯存[13]。在土壤有機碳的轉化過程中,胞外酶活性調控土壤有機碳礦化,水解酶(β-葡萄糖苷酶,纖維二糖水解酶)參與活性碳轉化,氧化酶(過氧化物酶,多酚氧化酶)則主要參與惰性碳轉化[14]。綜上所述,各種生態因子直接或間接調控土壤中有機碳質量分數及其組分的分布和穩定性。

油松(Pinustabuliformis)和華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)作為華北地區的主要造林樹種,在水土保持、氣候調節等方面發揮重要作用[15]。近年來,相關研究人員主要針對不同發育階段油松林土壤碳組分及土壤碳穩定性等開展研究[16-17],不同林分類型間土壤碳庫質量呈現何種變化趨勢還亟待研究。因此,本研究以山西太岳山林區油松林、華北落葉松林、油松落葉松混交林3種人工林為研究對象,依據野外調查和室內分析,探究了不同林分類型對土壤有機碳及碳庫管理指數的影響及影響土壤碳庫管理指數的因子,以期為山西太岳山林區土壤碳庫未來管理提供參考。

1 研究區概況

研究區位于山西省長治市太岳山林區(地理中心坐標為：36°40′1″N,112°4′28″E),當地的森林覆蓋率達60%,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年均氣溫8.6 ℃,年均降水量650 mm,降雨主要發生在7—9月。土壤主要為棕壤土,山體基巖以石灰巖和花崗巖為主。區內代表樹種有油松、華北落葉松、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等;常見灌木樹種有黃刺玫(Rosaxanthina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、胡枝子(Lespedezabicolor)等,常見草本植物有莎草(Cyperaceae)及苔草(Carextristachya)等。

2 研究方法

2.1 試驗設計與土樣采集

2019年7月,在山西太岳山森林生態系統國家定位觀測研究站西南向10 km的水洞川,分別選取相同林齡的油松、華北落葉松、油松落葉松混交林為研究對象,在各人工林內分別布設4塊30 m×30 m的樣地,共12塊。各樣地情況如表1所示。每塊樣地采用“V”字形法隨機設置3個采樣點,去除地表凋落物,用土鉆在每個樣點分別采集土層深度(h)為0

表1 樣地基本信息

2.2 土壤理化指標測定

帶回實驗室的土壤樣品一部分在室內自然風干,風干土壤經過研磨后過0.18 mm篩,采用重絡酸鉀氧化法測定土壤有機碳;凱氏定氮法測定土壤全氮。土壤易氧化碳采用Chan et al.[18]提出的濕氧化法測定：向500 mL錐形瓶中加入1.0 g土壤,然后添加適量重鉻酸鉀(0.167 mol·L-1),用移液槍對不同土壤中分別加入5、10、20 mL質量分數為98%的濃硫酸,分別對應濃度為6、9、12 mol·L-1硫酸氧化條件下所對應的土壤有機碳質量分數,使用濃度為1 mol·L-1的FeSO4溶液進行滴定,高氧化活性有機碳(F1)是濃度為6 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機碳質量分數;中氧化活性有機碳(F2)是濃度為9 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機碳質量分數減去濃度為6 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機碳質量分數;低氧化活性有機碳(F3)是濃度為12 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機碳質量分數減去濃度為9 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機碳質量分數;穩定有機碳(F4)是土壤有機碳質量分數減去濃度為12 mol·L-1硫酸氧化的土壤有機碳質量分數。另一部分冷藏保存的新鮮土壤用于酶的測定,土壤酶α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶活性采用微孔板熒光分析法測定。

2.3 數據處理

碳庫管理指數用于反映不同林型土壤質量變化,本研究以該地區林分特征較為一致的40年生油松林[16]為參考,計算各林型的碳庫管理指數。公式如下：

活性碳質量分數=高氧化活性有機碳質量分數+中氧化活性有機碳質量分數+低氧化活性有機碳質量分數。

碳庫活度=活性碳質量分數÷(總碳質量分數-活性碳質量分數)。

碳庫活度指數=各林型土壤碳庫活度÷參考碳庫活度。

碳庫指數=各林型土壤有機碳質量分數÷參考土壤有機碳質量分數。

碳庫管理指數=碳庫指數×碳庫活度指數×100。

碳庫活度指數、碳庫指數、碳庫管理指數均反應了土壤有機碳庫的質量。碳庫活度指數增加表明有機碳更容易被微生物降解并被植物吸收利用;碳庫指數增加表明該林地土壤在碳積累方面有所提升;碳庫管理指數增加表明該林地土壤在碳庫穩定性方面有所改善。

使用Excel 2016進行數據整理,應用SPSS22.0對數據進行統計分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法對不同林型及土層的土壤酶活性及其理化性質進行多重比較,差異顯著性水平為α=0.05。采用Pearson相關系數探究土壤碳庫管理指數與土壤理化性質及生物性質的相關性。采用AMOS26.0構建結構方程模型,通過Pearson相關系數檢驗,篩選顯著影響土壤碳庫管理指數的因子作為構建結構方程模型的基本變量,分析變量間的路徑系數和相關系數。通過卡方和自由度的比值、比較擬合指數(CFI)、均方根誤差(RMSEA)檢驗模型優良度。

3 結果與分析

3.1 不同林型間土壤理化性質的變化特征

如表2所示,在3種不同森林類型的土壤中,土壤有機碳質量分數(SOC)、土壤含水率(SMC)及全氮質量分數(TN)在0

在0

表2 不同林型間土壤理化性質

3.2 不同林型間細根生物量及土壤酶活性的變化特征

細根生物量在不同林型間表現出顯著差異(表3)。3種森林類型的上、下2個土層中,細根生物量(FRB)的變化規律均為華北落葉松林最高,混交林次之,油松林最低。在0

如表3所示,在0

表3 不同林型間細根生物量及土壤酶活性

林型β-木糖苷酶活性/nmol·g-1·h-10

3.3 不同林型間土壤有機碳組分質量分數及碳庫管理指數的變化特征

如表4所示,土壤穩定有機碳占土壤有機碳的比例最大,為84.43%～88.06%。華北落葉松林各土層中穩定有機碳分配比例均低于油松林和混交林。在0

3種不同林型的土壤碳庫管理指數如表5所示。華北落葉松林各土層土壤碳庫活度和碳庫活度指數均高于油松林及混交林,但不同林型間差異不顯著。3種林分類型碳庫指數由大到小依次為混交林、華北落葉松林、油松林,其中,10 cm

表4 不同林型土壤氧化活性碳組分占有機碳的比例

表5 不同林型間土壤碳庫管理指數

3.4 土壤碳庫質量影響因子分析

將0

選取土壤碳庫管理指數的影響因子建立碳庫管理指數與土壤理化性質、生物性質的結構方程模型(卡方自由度為1.037,擬合指數為0.995,均方根誤差為0.04;圖1)。結構方程模型顯示,森林類型的轉變對土壤含水率和土壤酶活性產生直接顯著正效應(P<0.05),對根系生物量產生直接正作用,但無顯著性。根系生物量對土壤養分、土壤酶活性有直接顯著正作用(P<0.05)。土壤養分、根系生物量對碳庫管理指數產生直接顯著正效應(P<0.05)。綜合來看,結構方程模型適配良好。

總體而言,森林類型的轉變通過影響土壤含水率、根系生物量、土壤酶活性間接影響土壤養分和碳庫管理指數。

表6 土壤環境因子與碳庫管理指數的相關關系

SOC為土壤有機碳質量分數;TN為全氮質量分數;AG為α-葡萄糖苷酶;BG為β-葡萄糖苷酶;BX為β-木糖苷酶;AP為酸性磷酸酶,實線箭頭為顯著路徑(P<0.05);虛線箭頭為不顯著路徑;擬合指數為0.995,大于0.900;均方根誤差為0.040,小于0.050;卡方自由度為1.037,小于3.000。

4 結論與討論

森林類型不同,地表凋落物儲量及構成、樹木根系的生長發育、凋落物分解速率等方面都有一定差異,這會造成不同林分土壤理化性質出現差異[19]。本研究結果顯示,不同林分類型土壤有機碳質量分數由大到小依次為混交林、華北落葉松林、油松林。土壤有機碳反映了以植物殘體為主的有機物輸入與土壤微生物分解為主的有機物輸出之間的動態平衡。一般而言,土壤有機碳受林分類型、凋落物、土壤環境影響。林分混交后,林內環境條件和植被覆蓋的改善能夠增強微生物活度,加速凋落物分解速率,使營養元素更容易釋放,促進有機碳積累[20]。同時,林分混交使森林土壤的持水能力得到明顯改善。本研究中,混交林中上、下兩個土層的土壤含水率均顯著高于油松林。較高的林冠郁閉度及地表凋落物有效減緩森林內的水分蒸發,提高土壤的水分含量[21]。3種林分類型0

土壤酶主要來源于凋落物、根系分泌物及微生物活動,受底物供應的強烈影響[23]。本研究顯示,混交林中β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性均高于華北落葉松林及油松林?；旖涣种休^多的地表凋落物在土壤表面累積,這有利于提高土壤養分[24]。氮元素往往與碳元素一起,為微生物提供底物,底物增加時,微生物代謝活動增強,因此提高了土壤酶活性[25-26]。不同的樹種組成具有不同的酶活性和獨特的微生物群落,這也是影響土壤養分動態和有效性的因素之一[27]。落葉松林中α-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶活性顯著低于油松林和混交林,這與落葉松凋落物單寧、樹脂等酸性物質質量分數高,導致土壤酸化有關,且落葉松林地土壤pH較低,會抑制相關微生物的活性[28]。α-葡萄糖苷酶及β-木糖苷酶主要促進可溶性糖類和纖維素分解,而油松凋落物中粗纖維含量最高,屬于較難分解的有機物質[29],所以這兩種酶活性較高。

土壤活性有機碳占有機碳庫的比例較小,是土壤碳庫中最活躍的部分。華北落葉松林中高氧化活性有機碳所占比例高于油松林和混交林,穩定有機碳占土壤有機碳的比例低于油松林和混交林。華北落葉松林高氧化活性有機碳所占比例與土壤碳庫活度指數變化一致,說明其土壤碳庫活度較好。有研究顯示,土壤完全分解層中油松凋落物的可溶性糖質量分數顯著低于落葉松,油松林中有機質質量分數也低于落葉松林[30]。不同樹種凋落物輸入的數量和質量差別較大,不同樹種根系及微生物區系也有差異[31]。本研究中,華北落葉松林的根系生物量遠高于油松林,進而導致土壤有機碳及其組分出現差異。不同林型間穩定有機碳占比均顯著高于其他組分占比,說明該地區土壤性質較穩定,不同森林類型的有機碳主要以穩定形式存在。

土壤碳庫管理指數不僅反映土壤有機碳組分的變化,還反映外界環境變化對有機碳總量的影響,可以表征土壤有機碳的質量和碳庫穩定程度[32]。有研究以南亞熱帶紅錐人工純林為參考,計算不同紅錐混交林的碳庫管理指數。該研究發現,在0

探討土壤中生物因子及非生物因子與有機碳質量分數的關系一直是生態學研究領域的熱點問題,明確影響土壤碳庫變異的主導因素對森林可持續經營具有重要意義[33]。結構方程模型在模擬驗證多因素間復雜關系時具有強大優勢,目前已被廣泛應用于生態學研究領域。本研究采用根系生物量、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶表征生物因子,土壤含水率、有機碳質量分數、全氮質量分數表征非生物因子,構建結構方程模型以探討各因子對土壤碳庫管理指數直接及間接影響。結果表明,不同森林類型對碳庫管理指數的影響有3條途徑。首先,不同森林類型通過影響土壤含水率和土壤養分質量分數間接影響碳庫管理指數;其次,不同森林類型對碳庫管理指數的影響是通過其對根系生物量的影響來中介的,而根系生物量直接影響碳庫管理指數;最后,土壤酶活性受不同森林類型及根系生物量的直接影響,進而影響碳庫管理指數。林分類型的轉變提高了土壤的水分含量,改善了森林土壤的孔隙度和持水能力。土壤水分通過改變土壤氧化還原電位和微生物活性來減少土壤有機物礦化,促進有機物在土壤中積累[34]。土壤養分質量分數的提高改善了土壤質量,碳庫管理指數也得以提高。根系的儲量及分解是森林生態系統物質循環過程中不可忽視的一部分。與地上部分凋落物相比,根系的死亡在一年四季中隨時發生,其不斷向土壤中輸送養分,這對于森林土壤碳循環具有更為特殊的意義。相關研究表明,植物死根及根系分泌物會促進土壤中碳的積累[35],這是因為較高的根系凋落物輸入量能顯著影響土壤有機碳的礦化速率,提高土壤有機碳質量分數[36]。同時,較高的根系生物量為土壤中微生物的生長繁殖提供了能量保障,進而導致土壤微生物分解更多的胞外酶來獲取外界土壤養分,調控土壤碳周轉。土壤碳庫受理化因子和生物因子多方面因素的綜合影響。綜合3種林分類型的土壤養分、土壤含水率及酶活性的變化可以看出,油松林和華北落葉松林混交模式時土壤碳庫質量最高,更有利于土壤碳循環及碳平衡。

太岳山林區相同林齡的不同針葉林土壤中,油松林和華北落葉松林混交改善了土壤環境,提高了土壤養分,土壤含水率及酶活性也呈增加趨勢。結構方程模型結果表明,土壤養分、根系生物量、土壤酶活性共同促進了土壤碳庫管理指數提高。林分混交提高了土壤碳庫質量,有利于天然林的生長發育及生產力的提高。