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土壤碳库主要分为有机碳库和无机碳库,其中,前者所占比重较大,在森林生态系统碳库中占有重要地位,对土壤碳库具有深远影响[1]。土壤有机碳(SOC)是评价土壤质量状况的重要指标,但其含量变化缓慢,短期内不能快速灵敏的指示土壤碳库变化,而土壤活性有机碳组分易被分解利用,能够更灵敏地反映土壤管理措施和林分类型变化所引起的土壤碳库变化[2]。土壤活性有机碳通常用易氧化有机碳(EOC)、颗粒有机碳(POC)、溶解性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)4个指标进行表征[3]。Lefroy等[4]在土壤碳库研究的过程中结合土壤碳库指标和土壤中碳库活度两方面的内容,提出了碳库管理指数(CMI)概念,比较全面和动态地反映外界条件对土壤有机质的影响[4],被广泛用于生态系统中土壤质量和碳库稳定性的评价[5]。人工林生态系统是全球碳循环的重要组成部分,研究表明,林型对人工林的碳库稳定性有显著影响[6]。我国南亚热带地区造林过程中,人工纯林所占比重较大,导致生态稳定性较差,土壤碳固存能力下降[7]。目前,人工混交林造林模式已逐渐成为趋势,研究不同林型人工林生态系统土壤有机碳组分特征对评价土壤质量和碳库稳定性,对筛选具有较强碳固存能力的优良造林模式,推进当地林业的可持续发展具有重要意义。 红锥(Castanopsis hystrix Miq.)作为南亚热带地区典型的珍贵乡土阔叶树种之一,其适应性强,材质优良、用途广泛,可作为用材林进行纯林种植,提高经济效益,亦可作为生态公益林混交造林树种,增加生态效益[8]。研究表明,与纯林相比,阔叶混交及针阔混交等混交模式通过充分的利用林地空间,改变林内小气候等方式,增加植被多样性,加强林地的土壤肥力[9],促进林木生长,增加其总蓄积量与生物量[10]。目前,对红锥人工纯林和混交林的研究多集中在幼林生长状况[11]、植被多样性[12]以及林分碳储量[13]等方面,对土壤活性有机碳组分和碳库管理指数的研究鲜有报道。因此,本文以15年生红锥人工纯林、红锥+湿地松(Pinus elliottii Engelm.)人工混交林、红锥+火力楠(Michelia macclurei Dandy)人工混交林、红锥+米老排(Mytilaria laosensis Lec.)人工混交林为研究对象,探讨不同类型红锥混交林土壤有机碳组分及碳库稳定性的变化,以期为南亚热带不同红锥混交林碳平衡过程的评估和混交模式的筛选提供理论依据。
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本研究以立地条件基本一致的15年生红锥人工纯林(HC)、红锥+湿地松人工混交林(HS)、红锥+火力楠人工混交林(HH)、红锥+米老排人工混交林(HM)4种林型为研究对象(表1),于2018年9月分别在4种林型中选择3个面积为20 m×30 m的固定样地,其林分密度为1 000株·hm−2,混交比例为1:1,在每个样地坡上、坡中、坡下沿对角线选取3个土壤剖面,将0~40 cm土层按照0~20、20~40 cm进行分层,用自封袋采集土样带回实验室测定,12个样地共72个样品。土样带回实验室去除根系等杂物,过2 mm筛后将土壤分成2份,1份风干保存,用于土壤有机碳、活性碳的测定;另1份放置4℃冰箱保存,用于土壤微生物量碳含量的测定,并以0~40 cm土层的含量表示整体林分的含量。
林分类型
Forest types平均树高
Mean height/m平均胸径
Mean DBH/cm林下灌木
Understory shrubs林下草本
Understory herbsHC 红锥
Castanopsis hystrix14.40 17.2 鹅掌柴(Schefflera octophylla (Lour.)
Harms) 、杜茎山(Maesa japonica
(Thunb.) Moritzi.) 、厚壳树
(Ehretia thyrsiflora (Sieb. et Zucc.) Nakai)等玉叶金花(Mussaenda pubescensAit. f.) 、
半边旗(Pteris dissitifolia L.) 、草珊瑚
(Sarcandra glabra (Thunb.)Nakai)等HS 红锥
Castanopsis hystrix15.60 18.6 鹅掌柴、杜茎山、三叉苦(Evodia lepta (Spreng.) Merr.)等 鸭跖草(Commelina communis L.) 、铁线蕨(Adiantum capillus-veneris L.) 、半边旗等 湿地松
Pinus elliottii15.20 21.1 HM 红锥
Castanopsis hystrix15.20 12.4 鹅掌柴、厚壳树、粗叶榕(Ficus hirtaVahl)等 鸭跖草、半边旗、铁线蕨等 米老排
Mytilaria laosensis17.90 15.6 HH 红锥
Castanopsis hystrix15.60 14.7 鹅掌柴、厚壳树、粗叶榕等 玉叶金花、鸭跖草、半边旗等 火力楠
Michelia macclurei14.30 14.8 Table 1. Basic situation of different sampling plots
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土壤有机碳(SOC)采用浓硫酸重铬酸钾外加热法测定[16],土壤易氧化有机碳(EOC)采用333 mmol·L−1 KMnO4氧化法测定[17],土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸提法测定[18],土壤颗粒有机碳(POC)参考马和平等[19]提供的方法测定,土壤溶解性有机碳(DOC)用K2SO4溶液提取,红外监测仪器测定[20]。本文以红锥纯林土壤作为对照,采用Blair等[21]提出的方法计算下列指标:
碳库活度(L)= 土壤活性有机碳含量/土壤非活性有机碳含量
碳库活度指数(LI)= 样品的碳库活度/参考土壤的碳库活度
碳库指数(CPI)= 样品总碳含量/参考土壤总碳含量
碳库管理指数(CMI)= CPI × LI × 100
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采用Excel 2016进行试验数据统计,采用SPSS 19.0对土壤碳组分和碳库管理指数进行方差分析(P < 0.05)和多重比较(采用邓肯氏新复极差法),对土壤活性有机碳与有机碳进行Pearson相关分析,采用SigmaPlot 14.0作图。
2.1. 试验设计
2.2. 测定及计算方法
2.3. 数据处理
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图1表明:不同红锥混交林土壤有机碳(SOC)含量均随着土层深度的增加而显著降低(P < 0.05),而同一土层内不同林分土壤有机碳含量均表现为:HM > HH > HS > HC。4种林分类型中,0~40 cm土层与0~20 cm土层的变化趋势一致,在HS和HC间无显著差异(P > 0.05),其他林分间差异显著(P < 0.05);20~40 cm土层,HS的SOC含量显著大于HC(P < 0.05),HM和HH间无显著差异(P > 0.05)。在不同土层和不同林分类型中,HM的SOC含量均最高;0~20 cm土层内HM的SOC比20~40 cm土层内的增加了40%;0~20 cm土层内HM的SOC含量比HC增加了53%,20~40 cm土层内HM的SOC含量比HC的增加了62%,0~40 cm土层内HM的SOC含量比HC的增加了56%。
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图2表明:不同红锥混交林的4种活性有机碳含量整体随着土层深度的增加而降低,在同一林分类型中土壤颗粒有机碳(POC)> 土壤易氧化有机碳(EOC)> 土壤溶解性有机碳(DOC)> 土壤微生物量碳(MBC);同一土层不同林分类型中,除20~40 cm土层的EOC和DOC外,其他均表现为:HM > HH > HS > HC。同一林分类型中,0~20 cm土层和20~40 cm土层的EOC差异不显著(P > 0.05),0~40 cm土层的变化趋势表现为:HM和HH显著大于HC和HS(P < 0.05)。不同林分类型的POC在不同土层的变化均与0~40 cm土层的POC含量变化趋势基本相似;20~40 cm土层的DOC变化趋势表现为:HS > HH > HC > HM,且HS显著大于其他3种林分类型(P < 0.05),0~40 cm土层的DOC表现为HC显著小于其他3种林分类型(P < 0.05);除0~20 cm土层HS和HH的MBC差异不无显著(P > 0.05)外,不同林分类型间、不同土层间的MBC均差异显著(P < 0.05)。
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表2表明:土壤SOC与土壤EOC、POC、MBC间呈极显著正相关(P < 0.01),与DOC呈显著正相关(P < 0.05);土壤EOC与土壤POC、DOC、MBC呈显著正相关(P < 0.05);土壤POC与土壤DOC相关性不显著(P > 0.05),与土壤MBC呈极显著正相关(P < 0.01);土壤DOC与MBC呈极显著正相关(P < 0.01)。
指标 Index SOC EOC POC DOC MBC SOC 1 EOC 0.722** 1 POC 0.951** 0.625* 1 DOC 0.603* 0.609* 0.498 1 MBC 0.934** 0.588* 0.875** 0.734** 1 注:*表示显著相关(P < 0.05),**表示极显著相关(P < 0.01)。
Notes: * means significant correlation at 0.05 level, and * * means extremely significant correlation at 0.01 level.Table 2. The relationship between soil active organic carbon and soil organic carbon of different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.
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以HC土壤作为参照,对其他3种红锥混交林的碳库管理指数(CMI)进行计算,结果(表3)表明:与对照相比,4种林分类型碳库活度(L)、碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CMI)在0~20 cm 土层内均表现为:HM > HH > HS > HC,其中,4种林分类型的L值差异不显著(P > 0.05),HS和HC间的CPI差异不显著(P > 0.05),其他林分间均差异显著(P < 0.05),HM和HH的CPI分别比HC增加了53%和29%,HM的CMI显著大于其他3种林分,比HC增加了60.59%;在20~40 cm土层内HC的L值大于其他3种林分,且HS显著小于HC(P < 0.05),HM和HH的CPI显著大于其他2种林分,HS的CMI显著小于其他3种林分,比HM降低了36.49%,比HC降低了25.77%;在0~40 cm土层内,4种林分类型L值差异不显著性(P > 0.05),HM的CPI和CMI显著大于对HS和HC(P < 0.05),与HC相比,分别高出了57.00%和40.20%。
林型
Forest type0~20 cm 土层
Soil layer20~40 cm 土层
Soil layer0~40 cm 土层
Soil layerL CPI CMI L CPI CMI L CPI CMI HC 0.25 a 1.00 a 100.00 a 0.53 a 1.00 a 100.00 a 0.34 a 1.00 a 100.00 a HS 0.26 a 1.06 a 114.37 a 0.32 b 1.25 b 74.23 b 0.29 a 1.13 a 95.04 a HH 0.27 a 1.29 b 138.19 a 0.37 ab 1.49 c 107.18 a 0.31 a 1.37 b 124.41 ab HM 0.27 a 1.53 c 160.59 b 0.38 ab 1.63 c 116.88 a 0.31 a 1.57 c 140.20 b Table 3. The changes of carbon management index in different mixed plantation of Castanopsis hystrix Miq.