碳是生命组成的重要物质,也是陆地生态系统的重要元素。有机碳是土壤有机质的重要组成成分,土壤中的各种动植物残体、微生物体及其代谢过程中合成的各种有机物质是有机碳主要的存在场所[1]。土壤有机碳含量是反映土壤质量的一个重要指标,影响着土壤肥力和土地生产力的高低。土壤腐殖质是土壤有机碳的重要组成部分,对改善土壤团粒结构,维持和提高土壤肥力,以及增加环境效益等有显著的影响[2],因此,研究林地土壤有机碳和腐殖质,对林分经营管理十分重要。李哲等研究秦岭山地不同龄组锐齿栎林的土壤和枯落物有机碳、全氮特征时认为土壤表层有机碳含量受林龄影响明显[3];段海侠在研究樟子松固沙林地表环境要素变化规律时指出风沙土的成土过程易受到风蚀沙压的影响,但沙地实施生物措施后,土壤有机质含量逐渐增加,土壤的肥力与水分得到改善,为一些植被能够稳定生长提供了条件,使风沙地成为农林牧用地[4]。贾树海等研究认为樟子松混交林更有利于表层土壤有机碳含量的积累,也有利于土壤腐殖质的腐殖化度和聚合度的提高[5]。

林龄是森林生态系统结构与功能的重要预测指标,不仅影响生物体对碳的吸收与排放,还对森林生态系统碳储量和碳封存具有重要影响,是影响土壤有机碳积累的重要因素[6,7,8]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)原产于大兴安岭山地和呼伦贝尔沙地,具有较高的抗逆性,耐干旱、寒冷、瘠薄,且生长较快的特点。1955年引种到科尔沁沙地南部章古台地区成功后,推广到我国北方10多个省区,目前,已成为我国三北地区主要的防护林造林针叶树种。自20世纪90年代初,辽宁章古台地区部分较大林龄的樟子松人工林出现了退化现象,后来这种退化现象蔓延到辽宁全省,吉林、内蒙古等地[9,10,11]。这种退化现象引起了国内大量学者的注意,对樟子松人工林生长规律以及气候和土壤水热状况相关研究很多[12,13,14,15,16,17,18],而对樟子松人工林的土壤有机碳的研究报道较少。因此,本文选取4种林龄(7年、16年、34年和55年)樟子松人工林的土壤剖面理化参数,研究了土壤有机碳含量及组成特征,为樟子松人工林的生产经营和科学管理提供参考资料。

1、研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地南部的章古台地区42°43′～42°51′N,121°53′～122°22′E,属暖温带半湿润干旱区,隶属辽宁省阜新市彰武县。主要气候特点是干旱多风,1984～2019年章古台地区的年均气温为6.64℃;年均降水量为481.7mm,且多集中于6～8月份;年均蒸发量为1493.2mm;年均风速为2.54m/s。当地土壤以风沙土为主,约占89.4%,土壤养分含量比较低。该地区1955年开始营建樟子松人工林,目前已形成了独特的沙地林海景观。当地的樟子松人工林除营林干扰外,还有来自于樵采和放牧的干扰。樟子松人工林林下植被多为马唐Digitariasanguinalis、虎尾草ChlorisvirgataSwartz、狗尾草Setariaviridis、茵陈蒿Artemisiascoparia、轴藜Axyrismaranthoides等组成的群落为主。

1.2 采样与分析

选取4种林龄(7年、16年、34年、55年)樟子松林分中有代表性的区域,设置100m×100m的样地,开展地上植被调查,测量地表枯枝落叶,树木树高、胸径等相关指标(表1);在样地中按“S”形布设9个土壤采样点,清除地表枯落物后,用土钻分别采集0～5cm、5～10cm、10～20cm、20～40cm土层的土壤样品,相同土层土壤每3个采样点混合均匀为1个样本,存放于袋中带回实验室,阴干、研磨、过筛后开展相关分析,每个样本3次重复。

土壤样品理化分析方法参照《土壤调查实验室分析方法》:土壤容重采用环刀法测量;土壤腐殖质组分采用重铬酸钾氧化法测定;样品经元素分析仪(ElementhighTOCⅡ,德国)测定土壤有机碳含量。

1.3 土壤有机碳储量计算

有机碳储量又称土壤有机碳密度,是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳储量,它以土地体积为基础,排除面积和深度的影响,所以是评价和衡量有机碳(氮)储量的重要指标[5,19]。土壤有机碳储量为有机碳密度与其面积的乘积。

SOCS=∑xiCi×Di×Ei×(1-G1)×10

式中:i为土层代号;Ci为i层有机碳(氮)含量(g/kg);Di为该层土壤容重(g/cm3);Ei为该层土层厚度;Gi为直径大于2mm的石砾所占的体积百分比(%)。本研究区土壤样本以沙土为主,没有粒径>2mm的石砾,所以Gi=0。

1.4 统计分析

用SPSS14.0对不同林龄、不同土层各指标进行单因素方差分析,Duncan法进行多重比较差异(P<0.05);用Pearson相关性分析法分析有机碳和腐殖质组分相关关系。图表中的结果均为3次重复的平均值;用WPS2010制作图表。

2、结果与分析

2.1 土壤有机碳含量的变化

在0～5cm土层中,樟子松林下土壤有机碳含量随着林龄的增长而增加,有机碳含量从7年生的2.63g/kg逐渐上升到55年生时的7.70g/kg。其中樟子松人工林幼林期(7～16年)土壤有机碳含量变化幅度稍小,年均增幅为0.0956g/kg;16～34年生,林下土壤有机碳从3.49g/kg增加到6.35g/kg,年均增幅为0.1591g/kg;34～55年生阶段土壤有机碳含量积累速率减缓,年均增幅为0.0639g/kg;55年时达到最大值7.70g/kg。在5～10cm土层,樟子松林下土壤有机碳含量随着林龄增长先增加后降低,7～34年生由1.85g/kg增加到5.69g/kg,年均增幅0.1422g/kg,34年土壤有机碳含量最高为5.69g/kg,55年时显著下降为4.44g/kg,年均降幅约0.0643%。在10～20cm土层,16年生之后的林下土壤有机碳含量积累速度明显减慢。经39年生长,林下10～20cm土层土壤有机碳含量仅从3.20g/kg达到3.73g/kg,年均增幅仅为0.0136g/kg。在20～40cm土层,7～55年土壤有机碳含量表现出先增加后下降的趋势,16年达到最高值2.82g/kg,34年开始下降为2.33g/kg,55年为2.73g/kg又有所回升。可以看出0～10cm土层有机碳含量在16～34年生阶段积累最快,以后积累速率减缓,甚至含量下降。各林龄段林下土壤有机碳含量随着土层深度的增加而减少。

2.2 土壤有机碳储量的变化

2.2.1 土壤容重

从表2可以看出,章古台地区樟子松人工林林下土壤容重介于1.47～1.61g/cm3之间,每个林龄阶段0～40cm土层的土壤容重都随着深度的增加而增大。同一土层土壤容重都随着林龄增长先降低再增加,34年樟子松林下各层土壤容重最小,这说明在林龄达到34年之前,林下土壤容重随着樟子松林龄增长而减小,34年生以后樟子松对土壤容重的改善作用呈下降趋势。

2.2.2 土壤有机碳储量

不同林龄下的土壤有机碳储量总体的趋势是随着林龄增长而增加。从图2可以看出各林龄段的土壤有机碳储量都随着土层深度的增加而减少。在0～10cm土层,7年林分的土壤有机碳储量占整个剖面(0～40cm土层)的50.96%,16年生占64.14%,34年生林分占54.46%,55年生林分占55.48%。可见樟子松人工林林下0～10cm土层对0～40cm土层的土壤有机碳储量贡献最大。

图1不同林龄林下土壤有机碳含量

图2不同林龄林下土壤有机碳储量

2.3 不同林龄土壤腐殖质碳含量及组成比较

土壤有机碳的主要组成成分是土壤腐殖质碳,土壤腐殖质碳含量的多少是衡量土壤肥力、土壤发育程度和结构稳定性的重要指标。土壤腐殖质碳中胡敏酸比富里酸更为活跃,影响着土壤结构的形成和土壤养分储存的能力[20]。

同一林分土壤腐殖质碳含量随着土层的增加而降低。不同林龄樟子松人工林林下0～5cm土层土壤腐殖酸碳含量随着樟子松林龄的增长而增加,各林龄间有着显著的差异(P<0.05)。5～10cm土层土壤腐殖酸碳含量变化趋势是随林龄增长先增加后降低,34年生时5～10cm土层土壤腐殖酸碳含量最高为1.68g/kg。10～20cm土层土壤腐殖酸碳含量变化趋势是6～34年阶段随着林龄增长而增加,34年生以后,增加不显著;20～40cm土层土壤腐殖酸碳含量变化趋势呈“M”形,先增加后降低,再增加。与土壤有机碳含量变化规律相似,0～10cm土层腐殖质碳含量在16～34年生阶段积累最快,以后积累速率减缓,甚至含量下降。

胡敏酸碳和腐殖酸碳的比值(PQ)以及胡敏酸碳和富里酸碳的比值(CHA/CFA)能反映有机碳的品质。从图3中可以看出,樟子松人工林林下土壤腐殖质组分中富里酸碳含量大于胡敏酸碳含量。

同一林分PQ值随着土层深度的增加而减小。0～5cm土层PQ值随着林龄的增长先增加后减小,34年樟子松土壤腐殖质PQ值最大为0.354,其次是55年为0.352。5～40cm土层PQ值随着林龄的增长而增加,55年达到最大值。CHA/CFA比范围在0.462～0.57之间,具体表现为随着土层深度的增加而减小。在0～10cm土层CHA/CFA比随着林龄增长先增加后减小,34年樟子松土壤腐殖质CHA/CFA比最大为0.57和0.54,其次是55年为0.56和0.537。10～20cm土层CHA/CFA比随着林龄增长而增加,最大值和最小值分别出现在对照7年和55年。可见7～34年生樟子松人工林林下土壤PQ值随着林龄增长而增加,说明这一时期,樟子松人工林林下土壤有机碳的品质越来越好,也就是说这一时期,樟子松人工林有利于林下沙土的养分积累。

图3不同林龄土壤腐殖质碳含量

3、讨论

土壤有机碳含量和储量取决于各自的输入与输出总量,输入主要来源于动植物残体的分解,输出主要取决于土壤有机碳、氮素的分解和淋溶[21],在人工林生态系统中,乔灌木的枯枝落叶、地表草本枯落物、微生物的活动是植物残体的形成和分解的主要来源,因此,林木的生长旺盛程度和林下草本植被生长情况决定了林下动植物残体的形成和分解。研究结果可以得出,樟子松人工林的土壤有机碳含量和储量都随着土层深度增加而逐渐降低,土壤有机碳表层富集现象十分明显,这一研究结果与2016年杜振宇等的研究结果类似[22]。

总的来说,各土层土壤有机碳储量随着樟子松种植年限的推移逐渐增加,特别是0～10cm的表层土壤。樟子松人工林造林初期对土壤养分的改善贡献不大。7～16年生樟子松人工林土壤有机碳明显增加,这一时期樟子松人工林也进入了快速生长期;16～34年生樟子松林下的土壤有机碳增量显著增加,这一时段樟子松人工林进入了生长旺盛期,林分归还给土壤的枯枝落叶多,有利于土壤有机碳的积累。34年生以后樟子松人工林下土壤有机碳的积累速度逐渐降低,这与范志平等研究半干旱区人工樟子松林的生长时得出的结果相似[23]。根据多名专家的研究结果樟子松人工林到40年生左右时植株的生长速度普遍降低,生长不良,树势衰弱,有退化的现象发生[24,25],可能与土壤中有机碳增长缓慢有关。本次研究总土壤有机碳含量与储量较小,这是因为研究区在半干旱的科尔沁沙地南部,当地以风沙土为主,土壤有机质含量较少。

同一土层土壤腐殖质碳含量随着樟子松人工林林龄增长而增加。7～16年间各层土壤腐殖质碳的积累比较平稳,16～34年阶段积累幅度最快,34年以后积累速度降低。除了55年在5～10cm土层低于34年外,随着林龄增长各层的土壤腐殖酸碳含量增加。土壤中胡敏酸碳占腐殖质碳的比例决定着腐殖质品质的优劣,一般认为,胡敏酸碳比例越高,腐殖酸的品质就越好,土壤腐化程度越好。本次的研究结果胡敏酸与富里酸两者的比值小于1,与安红艳研究认为风沙土的腐殖质组成基本都是富里酸含量稍高类似[26]。

本研究PQ值也随着林龄的不同表现出不同的差异,林龄组的腐殖质组分结构比例表显示0～5cm土层的PQ值随林龄增长先增加后减小,最大值出现在34年,说明樟子松在34年生时表层土壤的腐殖化程度最高,34～55年生时腐殖化程度下降;5～40cm土层PQ值随着林龄增长而增加,55年达到最大值,说明樟子松林龄越大5～40cm土层的腐殖化程度越高。CHA/CFA比越大,表明土壤腐殖质的聚合程度越高,质量越好,从研究结果看土壤CHA/CFA比随着土层深度的增加而减小,同一土层随着林龄增长CHA/CFA比表现不同。在0～10cm土层CHA/CFA比随着林龄增长先增加后减小,4个不同林龄的樟子松土壤腐殖质CHA/CFA比34年生林分最大。10～40cm土层CHA/CFA比随着林龄增长而增加,最小值和最大值分别出现在对照7年和55年,可见34年生以前樟子松人工林对0～10cm土层的腐殖质的聚合度改善较为明显,34年生以后对10～40cm土层的聚合度改善效果较好,可能是因为樟子松随林龄增长,根系土壤对其土壤性质改善能力增加。

总的来说在16～34年生时樟子松人工林土壤有机碳含量与储量和腐殖质碳含量快速增加,表层土壤腐殖化程度最高,腐殖质的聚合度改善较为明显;34年生以后土壤有机碳和腐殖质碳含量增速减慢,甚至下降,表层土壤腐殖化程度降低。根据相关的研究成果,营建混交林[5,12]、调控密度有利于改善土壤养分[17],因此,建议对30年生以上的樟子松人工纯林要及时的调控密度,并逐渐将纯林改造成混交林。

4、结论

4.1 樟子松人工林林下土壤有机碳含量随土层深度增加呈下降趋势,同时表层土壤(0～10cm)有比较明显的富集现象。

4.2 同一土层樟子松人工林土壤有机碳含量与储量随林龄增长而增加,樟子松人工林土壤有机碳在7～16年阶段积累较平缓,16～34年阶段积累最快,34年生之后积累速度再次缓慢。因此,樟子松人工林林龄过幼、过大都不利于土壤有机碳的积累。

4.3 樟子松人工林林下土壤腐殖酸碳含量随着林龄增长呈逐渐增加的趋势,4个不同林龄的樟子松林土壤腐殖酸碳含量最高是55年生林分,但16～34年阶段是土壤腐殖酸碳积累速度最快的时期,随后积累速度下降。樟子松人工林林下土壤0～5cm土层的PQ值随林龄增长先增加后减小,最大值出现在34年,土壤腐殖化程度最高,34～55年生时腐殖化程度下降;5～40cm土层PQ值随着林龄增长而增加。樟子松人工林0～10cm土层CHA/CFA比随着林龄增长先增加后减小,10～40cm土层CHA/CFA比随着林龄增长而增加。

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基金:国家重点研发计划课题(2016YFC0500803).