武夷山西坡退耕還林對土壤溶解性有機質含量和生物降解性的影響

魏志聰,羅曉敏,石福習,2,曹俊林,毛瑢,2

(1.江西農業大學林學院國家林業和草原局鄱陽湖流域森林生態系統保護與修復實驗室,南昌 330045;2.江西馬頭山森林生態系統定位觀測研究站,江西資溪 335300;3.江西馬頭山國家級自然保護區管理局,江西資溪 335300)

在森林生態系統中,土壤有機質在土壤結構改良、有機碳固定和養分循環等關鍵土壤過程中發揮著極為重要的作用,調控著森林生態系統的結構和功能[1]。在森林土壤中,溶解性有機質(dissolved organic matter,DOM)盡管占土壤有機質的比例相對較小,但具有較高的生物活性,是土壤微生物主要的能量與養分來源,驅動著森林生態系統的碳和養分循環過程[2-3]。同時,由于其較高的移動性和較強的吸附能力,土壤DOM 不僅可以與土壤重金屬絡合,決定土壤重金屬活性,而且容易通過地表徑流、壤中流或地下水進入內陸水體,對區域水生態安全產生深遠的影響[2,4]。因此,明確土壤DOM 數量和生物降解性,不僅有助于理解森林生態系統的碳和養分循環,也可為維持森林生態服務功能提供理論基礎。

農田造林能有效提高生態系統固碳能力,被作為緩解大氣溫室氣體濃度升高的一項重要措施在全球范圍內得到廣泛應用[5-6]。已有的研究發現,農田造林能提高植物初級生產力,改變植物凋落物輸入數量和質量以及土壤微生物活性,進而影響土壤有機質及其穩定性[6-7]。在森林土壤中,土壤DOM 主要來源于植物凋落物、根系分泌物、土壤有機質以及微生物代謝產物[2-3]。因此,農田造林必然將對土壤DOM數量和生物降解性產生顯著的影響。已有的研究發現,農田造林會顯著改變土壤DOM 的數量和化學結構組成,但變化趨勢并不一致[8-10]。由于土壤DOM生物降解性主要受其初始質量的影響[11],農田造林后土壤DOM 生物降解性的變化規律也必然會存在較大的差異,而且其主要調控機制尚不清楚。由于樹種間生長速率和凋落物化學組成的差異,樹種可能是導致農田造林后土壤DOM 數量和生物降解性變化趨勢不一致的主要因素之一[10],但目前缺乏相關的研究來揭示造林樹種之間土壤DOM 屬性的變化規律。因此,開展不同造林樹種對土壤DOM 數量和生物降解性的影響的研究,對于評估和預測農田造林的生態服務效益具有極為重要的科學意義。

為控制水土流失和提高生態服務功能,我國亞熱帶地區從1999年開始啟動了大規模的退耕還林工程。然而,退耕還林后土壤DOM 含量和生物降解性的變化趨勢是否隨著樹種而變化,目前仍不清楚。為此,本研究在江西省武夷山西坡選取杉木(Cunninghamia lanceolata)林、楓香(Liquidambarformosana)林和楓香-木荷(Schimasuperba)混交林作為研究對象,以棄耕地作為對照,通過野外取樣和室內培養試驗調查土壤DOM 含量、光譜學特性和生物降解性,試圖揭示造林樹種對土壤DOM 數量和生物降解性的影響,為準確評估亞熱帶地區退耕還林工程的土壤固碳功能和生態服務價值提供理論依據和數據支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于江西馬頭山國家級自然保護區(117°09′11″E,27°40′50″N)的試驗區和緩沖區。馬頭山國家級自然保護區位于江西省資溪縣東北部,地處武夷山脈中段西麓,屬亞熱帶濕潤季風氣候,年平均氣溫16～18℃,年平均降水量為1 929 mm,但季節分配不均,主要集中在春夏兩季。土壤主要為花崗巖風化形成的山地紅壤、山地黃紅壤和山地黃壤。自2000年起,馬頭山保護區內試驗區和緩沖區開展了大規模的退耕還林工程,主要造林模式為杉木和楓香人工純林,并伴有部分楓香和木荷的混交林。

1.2 試驗設計和樣品采集

2020年10月份,在研究區內選取地形、土地利用歷史等基本一致的8塊樣地作為重復,在每塊樣地內選取20 a生杉木純林、楓香純林和楓香-木荷混交林,以毗鄰的棄耕地作為對照。棄耕地植被均為草本植物,優勢物種包括千金子(Euphorbialathyris)、稗(Echinochloacrus-galli)、莎草(Cyperusrotundus)、節節草(Equisetumramosissimum)等。在每個樣地內,每種植被類型設置1個10 m×10 m 的樣方,對樣方內所有樹木進行每木檢尺,樣方的基本信息見表1。每個樣方內隨機選擇5個采樣點,采用土鉆(直徑5 cm)分別采集0—10 cm 和10—30 cm 土壤,然后將同一樣方內同一土層的土芯混合裝入同一自封袋,共計64個土樣。樣品帶回實驗室,將石礫、植物根系和動植物殘體等去除后過2 mm 篩,用于提取土壤DOM。

表1 樣方基本信息概況Table 1 Basic information about the forest plots

土壤DOM 采用浸提法提取[11]。每個土壤樣品稱取10 g鮮土于聚氯乙烯塑料瓶中,按照土水比1∶25加入超純水,充分搖勻后置于搖床,在20℃以180 r/min持續震蕩1 h后離心,將瓶中的上清液抽濾過0.70μm 孔徑的玻璃微纖維濾膜(What-man GF/F Glass Microfiber Filters)后分為兩部分,其中第一部分濾液用于測定溶解性有機碳(DOC)、溶解性總氮(DTN)、溶解性總磷(DTP)以及DOM 的光譜學特征,第二部分濾液用于測定DOM 的生物降解性。

土壤DOC和DTN 濃度使用干燒法在總有機碳分析儀(multi N/C2100S,Analytic Jena,Germany)上進行測定,DTP采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法(GB11893—89)進行測定,DOM 光譜學特性采用紫外可見光光度計(UV600SC,上海菁華科技儀器)測定。本研究選取SUVA254,SUVA280,SUVA350值指示DOM 的芳香化程度,分別通過254,280,350 nm 處的吸光度除以DOC 濃度得到[12]。一般說來,SUVA254,SUVA280,SUVA350值越大,DOM 中芳香族化合物的含量越高,分子結構更為復雜[12]。DOM的生物降解性(%)采用14 d恒溫(20℃)好氧培養法測定[11],通過初始和培養14 d的DOC 濃度的差異除以初始DOC濃度得到。

1.3 數據處理

所有數據均使用SPSS 19.0 for Windows進行統計分析,顯著性水平設置為p＜0.05,使用Origin 2018軟件作圖。所有數據分析前先進行正態分布和方差齊性檢驗,不服從正態分布的數據在統計分析之前進行自然對數轉換。首先,采用雙因素方差分析比較造林模式、土層深度及其交互作用對土壤DOM 數量和特性的影響。然后,在每一土層深度,采用單因素方差分析和Tukey HSD 多重比較分析不同造林模式之間土壤DOM 數量和特性的差異。最后,采用簡單線性回歸分析土壤DOM 生物降解性與其初始屬性之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 造林模式對土壤DOC,DTN 和DTP 濃度及其化學計量比的影響

從圖1可以看出,土壤DOC 和DTN 濃度均受到造林模式和土層深度的顯著影響,而土壤DTP 濃度則只受造林模式的影響(p＜0.05)。在0—10 cm土層深度,杉木林DOC 濃度均高于其他3 種類型,而楓香林土壤DTN 數量則顯著低于其他3種土地利用類型;在10—30 cm 土層深度,混交林DOC 濃度顯著低于其他3種土地利用類型,而DTN 濃度則高于其他3 種土地利用類型(p＜0.05)。在0—10 cm 和10—30 cm 土層深度,棄耕地和杉木林DTP濃度均顯著高于楓香林和混交林(p＜0.05)。

圖1 造林模式對土壤溶解性有機碳、溶解性全氮和溶解性全磷濃度的影響Fig.1 Effect of afforestation models on soil dissolved organic carbon,dissolved total nitrogen,and dissolved total phosphorus concentrations

如圖2所示,土壤DOC∶DTN 和DTN∶DTP顯著受造林模式和土層深度的影響(p＜0.01)。在0—10 cm 土層深度,杉木林和楓香林DOC∶DTN顯著高于棄耕地和混交林,而混交林DOC∶DTP則顯著高于棄耕地(p＜0.05)。在10—30 cm 土層深度,杉木林DOC∶DTN 顯著高于棄耕地,而混交林DOC∶DTN 則低于棄耕地(p＜0.05)。此外,杉木林、楓香林和混交林10—30 cm 深度土壤DTN∶DTP均高于棄耕地(p＜0.05)。

圖2 造林模式對土壤DOC∶DTN∶DTP化學計量比的影響Fig.2 Effect of afforestation models on soil DOC∶DTN∶DTP stoichiometry

2.2 造林模式對土壤DOM 光譜學特性的影響

由圖3可知,造林模式與土層深度均對SUVA254,SUVA280和SUVA350值產生顯著影響(p＜0.001)。在0—10 cm 土層深度,楓香林SUVA254,SUVA280和SUVA350值均顯著高于其他3種土地利用類型(p＜0.05)。在10—30 cm 土層深度,杉木林土壤SUVA254,SUVA280和SUVA350值均顯著低于其他3種土地利用類型(p＜0.05)。

圖3 造林模式對土壤DOM 光譜學特性的影響Fig.3 Effect of afforestation models on soil DOM spectral properties

2.3 造林模式對土壤DOM 生物降解性的影響

如圖4所示,造林模式顯著影響土壤DOM 生物降解性(p＜0.001)。在0—10cm 土層深度,杉木林DOM 生物降解性在4種土地利用類型中最高,棄耕地和混交林居中,而楓香林最低(p＜0.05)。在10—30 cm 土層深度,杉木林DOM 生物降解性均顯著高于其他3 種土地利用類型(p＜0.05)。此外,土壤DOM 生物降解性與SUVA254,SUVA280和SUVA350值顯著負相關,但與DOC∶DTN,DOC∶DTP 和DTN∶DTP則無顯著相關性(圖5)。

圖4 造林模式對土壤DOM 生物降解性的影響Fig.4 Effect of afforestation models on soil DOM biodegradability

圖5 土壤DOM 生物降解性與其初始屬性的相關性分析Fig.5 Correlation analyses between soil DOM biodegradability and its initial properties

3 討論

在森林生態系統中,土壤DOM 主要來源于植物凋落物、根系分泌物、土壤有機質以及微生物代謝產物[2-3]。在本研究中,與棄耕地相比,退耕還林地土壤DOC,DTN 和DTP濃度沒有明顯的變化趨勢,隨著造林模式和土層深度而發生變化。一般而言,退耕還林將顯著增加植物初級生產力,提高植物凋落物輸入量,增加植物源DOM 輸入量[6-7]。因此,退耕還林后土壤DOC,DTN 和DTP 濃度變化趨勢不一致的原因可能是由于不同樹種間土壤微生物活性和有機質分解的差異所引起的。相對于楓香、木荷和草本植物而言,杉木凋落物具有較低的養分含量和較高的木質素和次生代謝產物,難以被微生物分解利用,導致杉木凋落物淋溶產生的DOC 在土壤表層大量積累[13-14]。而且,與其他3種土地利用類型相比,杉木林具有較高的生產力,能夠產生更多的凋落物量,導致凋落物源輸入的DOC數量較高[2,6]。因此,在0—10 cm 土層深度中,杉木林土壤DOC 濃度均顯著高于棄耕地、楓香林和混交林,DTN 和DTP 濃度則顯著高于楓香林和混交林。相反地,楓香凋落物源DOM 由于較高的養分濃度,極易被微生物利用[15],難以在土壤中實現持續積累,導致楓香林土壤DOC濃度在4種土地利用類型中最低。在10—30 cm 土層深度,退耕還林后DOC 和DTP 濃度均呈現不同程度的降低趨勢。在亞熱帶地區,樹木生長的主要限制性養分為磷素[16]。相對于草本植物,樹木的根系分布更深[17]。因此,退耕還林后樹木快速生長使得植物對磷素的需求量增加,植物根際分泌更多的磷酸酶分解土壤有機物質以獲取磷素[16],導致土壤DOC和DTP濃度呈現降低的趨勢。由于氮素不是亞熱帶森林的主要限制性養分[18],退耕還林對10—30 cm土壤DTN 濃度沒有明顯的影響。

這些研究結果表明,亞熱帶地區退耕還林將改變土壤DOM 的數量,但具體的變化趨勢取決于造林樹種。由于亞熱帶地區降雨量大,森林土壤DOM 容易通過地表徑流或淋溶等途徑進入內陸水體,導致水體出現污染的現象[2-3]。因此,為了維持區域水體質量,在亞熱帶地區實施退耕還林時造林樹種應優先考慮闊葉樹種。

在本研究中,退耕還林后土壤DOC∶DTN∶DTP化學計量比沒有一致性的變化規律,升高、降低和無顯著變化3種趨勢并存。土壤DOM 中碳氮磷之間的化學計量關系主要受凋落物輸入化學組成、植物生長的養分需求以及土壤微生物群落組成等因素的影響[2-3]。與棄耕地相比,退耕還林地植物生物量更大,因此植物根系對養分的需求量更大,使得土壤溶解性養分出現降低趨勢[16]。而且,樹木的凋落物養分濃度通常都低于草本植物[19],導致表層土壤輸入的有機物質具有較高的C∶N 和C∶P。因此,退耕還林增加了0—10 cm 土壤DOC∶DTN 和DOC∶DTP。相對于表層土壤,深層土壤DOC∶DTN∶DTP化學計量比受樹木凋落物質量和根系的影響可能較小[20]。因此,退耕還林對10—30 cm 土壤DOC∶DTP 和DTN∶DTP基本無顯著影響。土壤DOM 由于其較高的生物可利用性,是植物和土壤微生物養分的主要來源[2]。這意味著,亞熱帶地區退耕還林將降低土壤養分的有效性,加劇土壤養分的限制作用。

土壤DOM 的SUVA254,SUVA280和SUVA350值可以指示DOM 的芳香化程度,SUVA 值越高,DOM的芳香化程度更高[12]。在森林生態系統中,植物凋落物的化學組成,尤其是木質素、酚類等惰性碳組分,決定了土壤DOM 的芳香化程度[14-15]。本研究中,退耕還林對土壤DOM 的SUVA 值的影響趨勢隨著造林樹種而發生變化,這可能是由于樹種間凋落物化學組成的差異造成的。在亞熱帶森林中,落葉闊葉樹種凋落物比常綠闊葉樹種和針葉樹種具有更高的多酚類物質,凋落物源DOM 芳香化程度更高;同樣地,針葉林樹種凋落物源DOM 的芳香化程度顯著低于闊葉樹種[14-15]。植物凋落物是森林土壤DOM 的主要來源之一[2-3]。因此,在4種土地利用類型中,楓香林0—10 cm 土壤DOM 芳香化程度最高,而杉木林10—30 cm 土壤DOM 芳香化程度最低。

土壤DOM 生物降解性影響土壤溫室氣體排放和有機質積累等關鍵過程,在土壤碳和養分循環中有重要意義[2,21]。在0—10 cm 和10—30 cm 深度,杉木林土壤DOM 生物降解性在4種土地利用類型中最高,而楓香林土壤DOM 生物降解性最低。然而,在亞熱帶地區,落葉闊葉樹種凋落物源DOM 生物降解性則顯著高于常綠針葉樹種[15,22],這表明,樹種對土壤與凋落物源DOM 生物降解性的影響并不一致。一般而言,DOM 生物降解性主要受養分有效性和DOC化學結構的影響[11,21-22]。在本研究中,土壤DOC∶DTN∶DTP 化學計量比與土壤微生物生物量C∶N∶P比值(60∶7∶1)極為接近[23],這意味著退耕還林后養分有效性可能不是限制土壤DOM 生物降解性的主要因素,因此土壤DOM 生物降解性與DOC∶DTN,DOC∶DTP 和DTN∶DTP 沒有顯著相關性。然而,土壤DOM 生物降解性與SUVA254,SUVA280和SUVA350值呈顯著負相關關系,這表明,退耕還林后土壤DOM 芳香化程度變化趨勢是決定其生物降解性變化的主要因素。孫穎等[24]在亞熱帶米櫧林的研究也發現,土壤DOM 化學結構復雜性程度越高,生物降解性越低。而且,Chen等[11]也發現,在亞熱帶次生林中,土壤DOM 生物降解性隨著芳香化程度和分子質量的增加而呈現降低的趨勢。這些研究結果表明,碳質量是決定亞熱帶森林土壤DOM生物降解性的主要因素。同時,本研究也指出,在亞熱帶地區,農田造林樹種主要通過改變DOC 化學結構影響土壤DOM 的生物降解性。

4 結論

在武夷山西坡地區,退耕還林改變土壤DOM 的含量、C∶N∶P生態化學計量比和芳香化程度,但變化的趨勢和幅度取決于造林樹種。而且,營造楓香林和楓香-木荷混交林降低了土壤DOM 生物降解性,而營造杉木林則增加了土壤DOM 生物降解性。此外,土壤DOM 生物降解性與其初始芳香化程度呈顯著負相關關系,而與C∶N∶P化學計量比無顯著相關關系。這些研究結果表明,在亞熱帶地區,退耕還林工程中造林樹種的選擇是影響土壤DOM 數量及質量的主要因素,而且碳化學組成是決定退耕還林后土壤DOM 生物降解性格局形成的主要因素。這些研究結果為準確理解和評價亞熱帶地區退耕還林工程土壤有機質動態和生態服務功能提供了理論基礎。