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土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,在全球碳循环中起着重要作用,土壤有机碳库的微小变化都极有可能显著影响全球的碳平衡[1-2]。土壤有机碳(SOC)由多种活性、功能和周转速率不同的组分构成[3]。SOC很难准确及时反映环境变化对土壤碳汇功能的影响,因而土壤有机碳组分变化是认识SOC库动态变化的关键[4]。土壤活性有机碳组分具有较强的环境变化敏感性,它的动态响应变化能够准确反映土壤碳库的细微变化[5]。土壤颗粒态有机碳(POC)是活性有机碳库的重要组成部分,其在有机碳库中所占比例(POC/SOC)及其养分含量和化学计量特征在一定程度上能够指示土壤有机碳的稳定性[6]。具有较高POC/SOC值的土壤有机碳比较容易被矿化,而具有较低POC/SOC值的土壤有机碳相对较稳定[7]。土壤颗粒态有机氮(PON)属于土壤有机氮中的活性部分,容易转化分解为无机态氮素,直接用于植物氮源补给,维持土壤氮素的平衡,在土壤氮循环过程中起着非常重要的作用[8]。PON主要由部分分解的植物残留物和微生物副产物组成,是微生物氮的主要来源[9]。它通常与净氮矿化相关[10],增加土壤PON含量会提高土壤有机氮循环速率和有效性[11]。PON的敏感性变化可以指示土壤有机氮动态,因此,研究颗粒态碳氮变化对土壤碳氮动态及其稳定性具有重要作用[11]。
干热河谷地区植被是我国西南地区较为脆弱的典型生态系统[12]。新银合欢(Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit)根系发达且具有根瘤,固氮作用良好,生长迅速且耐旱和耐瘠能力强,对干热生境具有较强的适应性,在金沙江干热河谷地区的植被恢复中被大量引进,形成了该区域典型的新银合欢人工林[13]。研究表明,种植新银合欢会降低土壤C/N,影响颗粒态有机物质的储存[14]。目前,干热河谷地区新银合欢林地的相关研究主要集中在地表植物物种组成和多样性的环境负效应[15]、土壤碳储量[16]以及土壤水分变化特征[17]等方面,而对新银合欢林地土壤有机碳稳定性及其碳氮动态研究较少涉及。活性组分碳氮动态变化在土壤碳氮循环过程中起着重要作用,探究新银合欢林地恢复过程中的土壤颗粒态碳氮含量及其分配特征有助于揭示干热河谷典型固氮人工植被对土壤碳氮动态的影响机制。因此,在金沙江元谋干热河谷地区,选择天然灌草丛为对照,以不同林龄阶段的新银合欢林地土壤为研究对象,研究新银合欢入侵过程全土和土壤颗粒态有机碳氮含量及其分配比例变化特征,以期阐明干热河谷新银合欢人工林的土壤固碳能力及其稳定机制,为科学客观评估区域植被恢复提升土壤生态功能效应方面提供理论依据。
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本研究以元谋干热河谷生态定位站内海拔1 550 m处的天然灌草丛(对照样地)和不同林龄阶段的新银合欢林地作为研究对象。在土壤背景一致的前提下,通过查阅国有林场资料并结合林分结构特征(密度、郁闭度和胸径)选取研究样地(20 m × 20 m),依据林龄将新银合欢林分划分为3个不同的林龄阶段:幼龄林阶段(SL, 3 a)、中龄林阶段(ML, 10 a)和成龄林阶段(LL, 20 a),并选择各个龄级样地临近的天然灌草丛作为对照样地(5 m × 5 m, CK),每种处理4个重复,从而形成新银合欢入侵(SL、ML、LL)干热河谷天然灌草丛(CK)的系列样地。样地具体信息见表1。
表 1 新银合欢样地基本情况
Table 1. General information of Leucaena leucocephala plantations
阶段
Stages物种组成
Species omposition平均高度
Average height/m平均密度
Average density/(株·m−2)平均胸径
Average DBH/cm最大胸径
Maximum DBH/cmCK 车桑子、滇榄仁、扭黄茅、橘草、孔颖草 1.2 — — — SL 新银合欢、扭黄茅 1.7 44.00 0.90 2.67 ML 新银合欢、滇榄仁 5.6 3.76 3.16 17.97 LL 新银合欢、滇榄仁、华西小石积、扭黄茅 7.4 0.64 6.05 31.00 -
在选择好的灌草丛和新银合欢样地中,调查物种组成和高度,每个样地内设置4个1 m × 1 m的小样方,在每个小样方内去除凋落物后使用内径为5 cm的土钻按照“S”形选择4个点采取0~10 cm的土壤样品,将各个样地内的土壤挑出砾石和根系后混合土壤样品带回实验室用于测定土壤有机碳、全氮和土壤颗粒态有机碳氮。
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SOC含量采用重铬酸钾氧化-容量法测定[20];全氮(TN)采用全自动间断化学分析仪(CleverChem Anna, 德国)测定;POC和PON含量参照湿筛法测定[21],取过2 mm筛的风干土样10.00 g,放入250 mL三角瓶内,加入100 mL浓度为5 g·L−1六偏磷酸钠溶液,手摇3 min后,在震荡机上振荡18 h (18℃,90 r·min−1)。土壤悬液过53 µm筛,反复用蒸馏水冲洗直到过滤后水为无色,收集筛上剩余土样到已称质量的铝盒中,在60℃下烘干48 h后称其质量。将铝盒内土壤研磨后,过100目筛,分析土壤颗粒态的全碳(全氮)含量(g·kg−1)。计算公式为:
$ {\text{颗粒有机碳(氮)含量}}= \dfrac{{\text{全碳(全氮)浓度}}\times{\text{烘干土样}}}{{\text{风干土质量}}\times k}$
式中:k为风干土与烘干土的换算系数[21]。
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试验数据利用Excel 2016软件整理。采用单因素方差(One-way ANOVA)分析和多重比较(最小显著差异法 LSD)分析各项土壤指标(SOC、TN、POC、PON、C/N、POC/PON)在灌草丛和新银合欢林地之间以及4个不同阶段间的差异显著性(p<0.05),采用线性回归分析各土壤指标间关系。在SPSS Statistcs 19.0上实现统计分析,利用OriginPro9.0绘图。
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单因素方差分析结果 (图1) 显示:新银合欢入侵样地与灌草丛样地之间的SOC、POC、PON、POC/SOC、C/N和POC/PON差异不显著(df=1,p>0.05),而TN、PON/TN差异显著(p<0.05)。表2表明:全土SOC、TN和C/N平均值分别为11.87~61.06 g·kg−1、0.78~3.59 g·kg−1和9.20~19.99,新银合欢林分生长阶段显著影响全土的SOC(p=0.004)和TN(p=0.024)含量,而对C/N影响不显著(p=0.334)。与对照灌草丛相比,新银合欢入侵早期阶段的SOC并无显著变化,而随着林龄增加,SOC含量显著增加。土壤TN含量随林龄增大呈逐渐增加的变化趋势。图2表明:颗粒态质量比例平均值为41.15%~63.30%,受到新银合欢入侵年限的显著影响(p=0.003),幼龄林和中龄林段阶的颗粒态质量比例显著高于灌草丛和成龄林阶段,且中龄林阶段的土壤颗粒态质量比例最高。
图 1 新银合欢林地与灌草丛土壤间碳氮含量特征的差异性
Figure 1. Differences of carbon and nitrogen content characteristics between Leucaena leucocephala plantation and shrub-grass
表 2 土壤有机碳氮及颗粒态碳氮分配比例在不同林分阶段间的差异性
Table 2. Differences in the distribution ratio of soil organic carbon and nitrogen and particulate carbon and nitrogen at different stages
阶段
Stages土壤有机碳
SOC/(g·kg−1)总氮
TN/(g·kg−1)碳/氮
C/N颗粒态有机碳
POC/(g·kg−1)颗粒态有机氮
PON/(g·kg−1)颗粒态有机碳分配比例
POC/SOC颗粒态有机氮分配比例
PON/TN颗粒态碳氮比
POC/PONCK 13.42±2.42 c 0.78±0.14 b 19.99±5.95 2.93±0.57 b 0.33±0.02 b 0.22±0.01 b 0.50±0.16 8.96±1.90 b SL 11.87±1.16 c 2.03±0.79 ab 9.20±3.36 1.18±0.30 b 0.43±0.03 a 0.09±0.02 b 0.30±0.09 2.78±0.75 b ML 28.10±5.55 b 1.77±0.24 b 16.86±3.79 12.09±2.91 a 0.50±0.04 a 0.49±0.14 a 0.30±0.06 23.34±3.63 a LL 61.06±15.31 a 3.59±0.71 a 17.13±2.64 7.32±0.53 bc 0.33±0.02 b 0.14±0.04 b 0.11±0.03 22.32±2.50 a F 7.656 4.514 1.253 10.388 7.615 5.868 2.794 18.984 p 0.004 0.024 0.334 0.001 0.004 0.010 0.086 0.001 注:表中数据为平均值±标准误差(n=4), 同列不同字母代表不同林龄阶段差异显著(p<0.05)。
Notes:Values shown are means and standard deviation (n=3). Different letters indicate significant differences between different stand ages (p<0.05). -
表2表明:土壤POC平均值为1.18~12.09 g·kg−1,其值在不同阶段新银合欢林地间差异显著 (p=0.001),与对照灌草丛样地相比,土壤POC含量在幼龄林和成龄林阶段样地上没有发生显著变化,而在中龄林阶段样地中显著高于其他样地阶段。POC占全土SOC的比例(POC/SOC)平均值为0.09~0.49,且该值在新银合欢不同林龄阶段间差异显著(p=0.010),表现为中龄林阶段样地中POC/SOC显著高于其他3类样地(表2)。土壤PON含量平均值为0.33~0.50 g·kg−1,新银合欢入侵过程导致PON发生显著变化(p=0.004),其值随着新银合欢入侵年限的增加出现先增加后减小的趋势,在新银合欢幼龄林和中龄林阶段林地的土壤PON含量显著高于灌草丛和成龄林阶段。PON占全土TN的比例(PON/TN)平均值为0.11~0.50,随新银合欢入侵呈降低趋势,但其影响不显著,表现为新银合欢入侵成龄林样地的PON/TN最低(表2)。土壤颗粒态碳氮比(POC/PON)的平均值为2.78~23.34,也受到新银合欢入侵林分阶段的显著影响(p=0.001),具体表现为POC/PON随着林龄增加而显著增大,中龄林和成龄林阶段的POC/PON要显著高于其他阶段(表2)。
-
从天然灌草丛阶段到新银合欢林地不断发展过程中,全土和颗粒态碳氮含量间存在紧密关联,其中,全土的碳氮含量间存在更为显著的非线性幂函数变化关系(图3)。图4表明:POC/SOC和PON/TN比例均与土壤颗粒态质量比例显著正相关,POC含量和POC/SOC均随着土壤中颗粒态碳含量增加而极显著增加(p<0.05) ;土壤颗粒态碳氮比(POC/PON)显著受到POC含量的影响。
干热河谷新银合欢人工林土壤颗粒态有机碳氮特征
Characteristics of Particulate Organic Carbon and Nitrogen in Soil of Leucaena leucocephala Plantation in the Dry-hot Valley
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摘要:
目的 探究人工林恢复过程中的土壤颗粒态碳氮含量变化特征,为研究土壤碳氮动态对人工林恢复的响应机制提供依据。 方法 选择金沙江元谋干热河谷天然灌草丛(对照样地,CK)和不同林龄阶段的新银合欢林地(新银合欢幼龄林(SL)、中龄林(ML)和成龄林(LL))为研究对象,研究天然灌草丛和不同阶段新银合欢林地土壤颗粒态碳氮含量的变化特征。 结果 与天然灌草丛相比,新银合欢林分显著影响土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、颗粒态有机碳(POC)、颗粒态有机氮(PON)、POC/SOC、POC/PON和颗粒态质量比例;SOC和TN含量在成龄林阶段最高,而POC、PON、POC/SOC、POC/PON均在中龄林阶段最高。 结论 新银合欢入侵干热河谷灌草丛会显著改变土壤碳氮动态及其稳定性,成龄林阶段的土壤养分含量最高,而中龄林阶段土壤稳定性最低。该研究为综合评价新银合欢人工林在提升干热河谷土壤生态功能方面提供科学依据和数据支撑。 Abstract:Objective To investigate the change characteristics of soil particulate carbon and nitrogen content in the process of plantation restoration and to provide references for studying the response mechanism of soil carbon and nitrogen dynamics to plantation restoration. Method Leucaena leucocephala plantations at young age, middle age and matured age in Yuanmou dry-hot valley were selected and the natural shrub-grass plot as the control, the change characteristics of the soil particulate carbon and nitrogen content of natural shrub-grass plot and L. leucocephala plantations with different ages were studied. Result Compared with the natural shrub-grass plot, the age stage of L. leucocephala plantations significantly affected the soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), particulate organic carbon (POC), particulate organic nitrogen (PON), POC/SOC, POC/PON. The proportion of mass of soil particle, SOC and TN contents were the highest in the matured plantation, while the POC, PON, POC/SOC, and POC/PON were the highest in the middle aged plantation. Conclusion The invasion of L. leucocephala into shrubs in dry-hot valley will significantly change the dynamics of soil carbon and nitrogen and its stability. The soil nutrient content in the matured plantation is the highest, while the soil stability in the middle-aged plantation is the lowest. This study could provide data support for the comprehensive evaluation of the effect of L. leucocephala on improving the soil ecological function in dry-hot valley. -
Key words:
- dry-hot valley
- / vegetation restoration
- / activated carbon
- / organic stability
- / C/N ratio
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表 1 新银合欢样地基本情况
Table 1. General information of Leucaena leucocephala plantations
阶段
Stages物种组成
Species omposition平均高度
Average height/m平均密度
Average density/(株·m−2)平均胸径
Average DBH/cm最大胸径
Maximum DBH/cmCK 车桑子、滇榄仁、扭黄茅、橘草、孔颖草 1.2 — — — SL 新银合欢、扭黄茅 1.7 44.00 0.90 2.67 ML 新银合欢、滇榄仁 5.6 3.76 3.16 17.97 LL 新银合欢、滇榄仁、华西小石积、扭黄茅 7.4 0.64 6.05 31.00 表 2 土壤有机碳氮及颗粒态碳氮分配比例在不同林分阶段间的差异性
Table 2. Differences in the distribution ratio of soil organic carbon and nitrogen and particulate carbon and nitrogen at different stages
阶段
Stages土壤有机碳
SOC/(g·kg−1)总氮
TN/(g·kg−1)碳/氮
C/N颗粒态有机碳
POC/(g·kg−1)颗粒态有机氮
PON/(g·kg−1)颗粒态有机碳分配比例
POC/SOC颗粒态有机氮分配比例
PON/TN颗粒态碳氮比
POC/PONCK 13.42±2.42 c 0.78±0.14 b 19.99±5.95 2.93±0.57 b 0.33±0.02 b 0.22±0.01 b 0.50±0.16 8.96±1.90 b SL 11.87±1.16 c 2.03±0.79 ab 9.20±3.36 1.18±0.30 b 0.43±0.03 a 0.09±0.02 b 0.30±0.09 2.78±0.75 b ML 28.10±5.55 b 1.77±0.24 b 16.86±3.79 12.09±2.91 a 0.50±0.04 a 0.49±0.14 a 0.30±0.06 23.34±3.63 a LL 61.06±15.31 a 3.59±0.71 a 17.13±2.64 7.32±0.53 bc 0.33±0.02 b 0.14±0.04 b 0.11±0.03 22.32±2.50 a F 7.656 4.514 1.253 10.388 7.615 5.868 2.794 18.984 p 0.004 0.024 0.334 0.001 0.004 0.010 0.086 0.001 注:表中数据为平均值±标准误差(n=4), 同列不同字母代表不同林龄阶段差异显著(p<0.05)。
Notes:Values shown are means and standard deviation (n=3). Different letters indicate significant differences between different stand ages (p<0.05). -
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