景航,刘国彬,†,王国梁,,薛萐,,姚旭,梁楚涛

(1.西北农林科技大学水土保持研究所,712100,陕西杨凌;2.中国科学院水土保持与生态环境研究中心,712100,陕西杨凌)

恢复措施对皆伐油松林团聚体活性有机碳含量的影响
——以黄土丘陵区松峪沟流域为例

景航1,刘国彬1,2†,王国梁1,2,薛萐1,2,姚旭1,梁楚涛2

(1.西北农林科技大学水土保持研究所,712100,陕西杨凌;2.中国科学院水土保持与生态环境研究中心,712100,陕西杨凌)

团聚体中的活性有机碳对土壤质量改善以及碳库动态平衡具有重要意义。为了研究皆伐后土壤团聚体活性有机碳的分布状况,本实验选取黄土高原典型油松林为对象,以未皆伐人工油松林为对照,采用高锰酸钾氧化法研究皆伐后不同恢复植被群落(幼林、撂荒、灌木)地表0～20 cm层土壤团聚体中活性有机碳变化特征。结果表明: 1)研究区土壤以大团聚体(＞250 μm)为主,自然恢复的灌木地以及撂荒地大团聚体质量分数显著增加(P＜0.05)。2)有机碳质量分数随团聚体粒径的增大而增加,大团聚体是有机碳积累的主要场所,并且自然恢复的灌木地团聚体有机碳质量分数最高。3)研究区油松林团聚体低活性有机碳质量分数＞中活性有机碳质量分数＞高活性有机碳质量分数,大团聚体活性有机碳质量分数大于微团聚体。研究表明,皆伐会造成团聚体有机碳趋于活化,其中自然恢复的灌木地活性有机碳质量分数显著增加。本研究还进一步发现大团聚体中的高活性有机碳能更好地预测土壤碳库变化。

土壤团聚体;活性有机碳;油松人工林;皆伐;土壤有机碳

团聚体是土壤结构的重要组成部分[1],是评价土壤质量的一个重要指标[2]。有机碳能黏合矿物颗粒形成稳定的土壤团聚结构,是团聚体形成过程中的主要胶结物质[3]。团聚体和有机碳是土壤肥力的基础,二者之间关系密切[4]。目前关于团聚体有机碳的研究报道已有很多。陈建国等[5]研究指出土壤的固碳过程伴随着团聚体的形成、稳定和周转,而有机碳中的活性组分在这个过程中最为活跃。W.Logninow等[6]根据土壤有机碳被浓度为333、167和33 mmol/L的高锰酸钾氧化的数量将活性有机碳分为高、中和低3个活性级别。虽然活性有机碳只占土壤有机碳很少的一部分,但是它在土壤碳库源、汇的状态转换及反映和预测土壤质量变化方面具有重要意义[7]。以往研究主要针对全土活性碳变化进行分析[8],而团聚体中的活性有机碳由于其特殊的结构以及团聚体的保护作用可能会对土壤的碳汇功能产生深刻影响[9];因此开展团聚体及其活性有机碳的研究是揭示土壤碳库动态变化的重要途径[10]。

森林生态系统是全球碳循环的重要组成部分,全球土壤有机碳库的70%～73%是森林土壤有机碳[11]。森林土壤碳库的微弱变化都会导致大气CO2的显著变化[12]。研究森林土壤团聚体和活性有机碳可以揭示森林土壤碳库动态过程,为探索全球碳循环提供参考[10]。当前森林土壤活性有机碳研究中,存在的问题主要是影响因子和变化过程不清楚,这也是不能预测气候变化的主要原因[13]。已有的研究表明,森林皆伐后土壤有机碳变化各异[14],并且皆伐后恢复的不同植被群落对土壤有机碳组分和团聚体含量的影响目前还不清楚;因此探索皆伐后恢复的不同植被群落对土壤团聚体和活性有机碳分布的影响,评价不同恢复群落的固碳效益,对黄土高原地区水土保持工作具有指导意义,可为林业经营管理和生态安全建设提供参考依据。

1 研究区概况

实验在陕西省延安东南部宜川县铁龙湾林场松峪沟半阳坡进行(E 110°06＇,N 35°39＇),坡度25°,土壤类型为灰褐色森林土,样地为典型的黄土丘陵区油松(Pinus tabuliformisCarrière)林。实验区地质、土壤、植被条件基本一致,具有开展研究森林水土保持效益实验的条件。实验区属黄龙山系,海拔1 000～1 200 m,年平均气温9.8℃,年平均降水量574.4 mm,多集中在7—9月。土壤表层有机质含量丰富,达13.6 mg/g。林下土壤属碱性土,pH值约8.6,每100 g干土阳离子交换量为13.01 mg,全氮、全磷质量分数分别为0.39 mg/g和0.63 mg/g。

供实验用油松人工林为1963年植造,现保存1 400～1 800株/hm2,树高9.5～12.5 m,胸径10～12 cm,郁闭度0.7。森林群落组成特征为:乔木层油松,零星伴生有杜梨(Pyrus betulifoliaBunge)、山杏(Armeniaca sibirica(L.)Lam);灌木层有黄刺梅(Rosa xanthinaL.)、绣线菊(Spiraea salicifoliaL.)、胡枝子(Lespedeza bicolorTurcz)等,覆盖度10%～20%;草本层优势种有大披针苔草(Carex lanceolataBoott),盖度约40%。

2 试验设计与方法

1999年皆伐后,在油松人工林地,用铁丝围封12块面积为50 m2实验用小区,保证不同小区之间环境条件基本一致。参考前人对皆伐后不同恢复群落类型的相关研究结果[14-15]并结合当地常见植被种群以及坡耕地特征。设置3种常见皆伐后恢复的植被群落:皆伐后更新为油松幼林、皆伐后自然更新为灌木、皆伐后翻耕并撂荒形成草地共3种恢复林地,并以未皆伐林地为对照(CK)进行实验,每种措施设置4个重复。共16块实验小区用铁丝围封管理。灌木地以胡枝子群落为主,而撂荒地以披针苔草群落为主。

2015年10月采集不同处理原状土壤样品,土壤质地为中壤土,结构较疏松,平均土壤密度2.635 g/cm3,表层土壤密度1.1 g/cm3左右。样品采集时要去除地表植被与枯枝落叶,取样深度为0～20 cm,每个样地采3个原状土样装入方形塑料盒运回实验室。将同一样地内的3个原状土混合均匀,立刻将土样过8 mm土筛,较大的土块沿着自然裂隙轻轻破碎最后风干土样,以便进行土壤团聚体及活性有机碳的测定。

采用湿筛法[16]测定土壤水稳性团聚体质量分数:取100 g过8 mm筛的土样在去离子水中静置5 min,撇去水面上漂浮的杂质,在250 μm样品筛内湿筛2 min,频率控制在50次/min,振幅约3 cm;通过250 μm筛的土样在53 μm筛上湿筛2 min;＞250 μm的土粒为大团聚体,250～53 μm为微团聚体,冲出来的土壤黏粉结构通过离心处理,在270g下离心3 min得到黏粒,加入凝絮剂在2 000g下离心10 min得到粉粒。所有样品测定土壤质量后用于活性有机碳的测定。

活性有机碳含量测定采用Logninow提出的KMnO4氧化法测定[6]:根据KMnO4浓度的变化得出活性有机碳的质量分数。称取3 g土壤样品于50 mL离心管,根据所要测定有机碳的活性加入不同浓度(333、167和33 mmol/L)的KMnO4溶液25 mL,放入震荡器震荡1 h后以2 000 r·min-1离心5 min。用去离子水稀释上清液250倍,然后在565 nm光下比色得出不同活性有机碳质量分数。总有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定。

数据统计整理以及做图基于Excel 2010;不同恢复群落之间各指标的差异性检验采用SPSS中的LSD和Duncan方法(P＜0.05)。

3 结果与分析

3.1 不同恢复群落团聚体分布

土壤结构以大团聚体为主,皆伐后不同恢复群落会造成水稳性团聚体分布的显著变化(表1)。与不采取任何干扰的对照处理相比,撂荒地和灌木地的大团聚体比例显著增加而幼林地大团聚体比例下降但变化不显著。另外,撂荒地和灌木地的微团聚体比例有显著降低的趋势而幼林地微团聚体比例增加不显著。不同恢复群落土壤黏粒、粉粒团聚体比例很少,并且不同处理变化不明显。

3.2 不同恢复群落团聚体有机碳质量分数

团聚体有机碳质量分数:大团聚体＞微团聚体＞黏粉粒。灌木地团聚体有机碳质量分数与对照相比显著增加(表2),其他处理下变化不显著。如表2所示,不同处理下林地全土的有机碳质量分数没有显著变化,而团聚体中的有机碳质量分数变化显著。

表1 不同恢复群落土壤水稳性团聚体组成Tab.1 Composition of soil water-stable aggregate at different restoration communities%

表2 不同恢复群落水稳性团聚体有机碳质量分数Tab.2 Soil organic carbon concentration of water-stable aggregates at different restoration communitiesmg/g

3.3 不同恢复群落团聚体活性有机碳质量分数

如图1所示,团聚体活性有机碳质量分数随其活性的提高而降低,大团聚体中的活性碳质量分数普遍高于微团聚体。与对照相比,皆伐后不同恢复群落团聚体活性有机碳呈增加趋势,皆伐后自然恢复的灌木地团聚体中活性碳的质量分数最高,大团聚体中的活性有机碳对群落的变化响应最显著。

图1 不同恢复群落水稳性团聚体活性有机碳质量分数Fig.1 Labile organic carbon contents in soil water-stable aggregates of different restoration community

3.4 团聚体活性有机碳与土壤总有机碳的相关性

团聚体中的中、高活性有机碳与全土有机碳均极显著相关(表3),大团聚体活性有机碳与全土有机碳相关性较微团聚体更为显著,而活性越高相关性越显著。

表3 土壤总有机碳与水稳性团聚体活性有机碳的相关系数RTab.3 Correlation between total soil organic carbon and aggregate labile organic carbon in soil water-stable_________

4 讨论

4.1 不同恢复群落团聚体分布

不同的土壤利用方式会改变土壤结构,导致团聚体的重新分布[17]。研究发现,大团聚体是研究区土壤的主要组成结构,这与李娟等[17]、孙天聪等[18]和魏亚伟等[19]的研究结果基本一致。土壤肥力与大团聚体含量的多少直接相关,而且大团聚体含量越高土壤稳定性也越高[16],可见,研究区人工油松林土壤质量有所改善。与对照相比,撂荒地和灌木地的大团聚体含量显著增加,而微团聚体含量显著降低,幼林地土壤大团聚体的减小和微团聚体增加趋势均不显著。由等级发育模型[20]可知,大团聚体是由微团聚体在各类胶结物质的作用下形成的,而各种有机碳就是最重要的胶结物质。皆伐后自然恢复的灌木地能促进微团聚体向大团聚体转化可能是由于形成灌木地后自然恢复提高土壤各种有机碳的输入造成的,撂荒地大团聚体含量增加可能主要是由于草本植物根系影响表层土壤团聚体组成导致的,而皆伐后恢复的油松幼林地因地表枯落物的减少而导致土壤有机碳含量降低,但是短期内不会显著改变团聚体组成。

4.2 不同恢复群落团聚体有机碳分布

团聚体的形成过程需要有机碳的胶结作用,而形成的团聚结构也是有机碳稳定存在的主要场所,两者之间相互依存[21]。有机碳质量分数随着团聚体粒径的增大而增加,与安韶山等[22]和赵世伟等[23]的研究结果相似。这主要是由于有机碳可以将微团聚体胶结成大团聚体[24],并且大团聚体中处于分解状态的枯落物可以增加有机碳含量[25]。大团聚体是有机碳积累的主要场所,因此大团聚体中有机碳成为研究区土壤总有机碳的主要贡献部分。皆伐后自然恢复的灌木地处理团聚体有机碳质量分数显著增加(P＜0.05),而其他处理没有显著变化。胡枝子灌木群落土壤团聚体有机碳含量相比于对照有所增加,结合不同处理间团聚体的分布特征可表明灌木地土壤有机碳积累较对照有所增加。其主要原因可能是胡枝子属豆科植物,而栽植豆科植物后土壤氮、有机碳以及微生物量均能显著增加[26]。其他群落团聚体有机碳质量分数没有显著变化可能与有机碳含量指标受多种组分影响变化迟缓有关。另外,从表2中可以看出不同恢复群落全土有机碳质量分数相比团聚体有机碳质量分数变化更小,与毛霞丽等[27]在浙江稻田中取得的研究结果一致,而这与全土有机碳组成成分复杂有很大关系。

4.3 不同恢复群落团聚体活性有机碳分布

团聚体中的活性有机碳由于受到物理保护的作用而隔离微生物的分解作用可能会造成土壤碳汇功能的转变,因此团聚体中活性有机碳对土壤碳库稳定和碳汇具有重要意义[8]。团聚体中低活性有机碳质量分数＞中活性有机碳质量分数＞高活性有机碳质量分数;大团聚体活性有机碳质量分数大于微团聚体(图1),与安娟娟等[28]、Blair等[29]得出的结论一致。团聚体活性有机碳对外界变化有很强的敏感性,研究皆伐后不同恢复群落团聚体活性碳分布的变化可以用来预测土壤碳库对人为干扰与自然恢复响应的动态过程。研究表明油松林皆伐后恢复的群落团聚体活性碳质量分数均不同程度增加,土壤碳库活性组分积累加快。其中,皆伐后自然恢复的灌木地团聚体活性有机碳质量分数最高,相比于其他恢复群落而言,其土壤活性有机碳积累量最大且土壤质量相对明显提高。大团聚体活性有机碳对恢复群落改变的响应最显著,这主要是由于大团聚体中累积了土壤活性碳组分的绝大部分。类似的研究表明不同土地利用方式下土壤活性有机碳会有显著变化,但也有研究指出土地利用方式对土壤活性有机碳含量没有显著影响。这些不同的结果说明土地利用方式对土壤活性碳的影响过程十分复杂,不同区域环境会有不同的响应结果[30]。本研究显示皆伐会扰动森林土壤团聚体活性有机碳动态过程,其中大团聚体活性有机碳对皆伐的响应最明显;不同恢复群落团聚体有机碳不同程度的活化,其中皆伐后自然恢复的灌木地团聚体有机碳活化最显著。这可能与胡枝子群落改变土壤表层有机碳输入和输出动态平衡以及土壤中不同活性有机碳相互转化有关,还需进一步的研究来揭示这其中的机理。

4.4 团聚体活性有机碳与土壤总有机碳的相关性

活性有机碳含量可以作为预测和评价土壤质量的敏感指标[31]。相关研究也证实即使在不同区域环境下活性有机碳都可以作为评价土壤碳库变化的敏感指标[8,17],本研究的结果也对此进行了证实

(图3)。另外,通过对不同粒径团聚体3种活性有机碳与土壤总碳的相关分析发现,团聚体活性有机碳与土壤总有机碳之间的相关性随着团聚体粒径的增大和有机碳活性的提高而增大,大团聚体中的高活性有机碳与土壤总有机碳的相关性最为显著。因此,大团聚体中的高活性有机碳可以更好的作为预测和评价土壤碳库动态变化的敏感指标。

5 结论

黄土高原油松林土壤以大团聚体(＞250 μm)为主,皆伐会造成团聚体分布显著变化,自然恢复的灌木地以及撂荒地大团聚体含量显著增加说明自然恢复过程有助于土壤质量的提高。团聚体中的有机碳是土壤碳库的重要组成部分,黄土高原油松林土壤团聚体有机碳质量分数随团聚体粒径的增大而增加,表明大团聚体是有机碳积累的主要部分。相比于对照和其他恢复群落而言,自然恢复的灌木地团聚体有机碳质量分数显著增加。人工油松林团聚体活性有机碳组分中,低活性有机碳质量分数＞中活性有机碳质量分数＞高活性有机碳质量分数,并且大团聚体中的活性有机碳质量分数大于微团聚体。皆伐会造成团聚体有机碳库趋于活化,其中皆伐后自然恢复的灌木地活性有机碳质量分数显著增加,土壤有机碳活性成分积累量提高,土壤碳库变化波动最大,不过其中的机理有待于进一步探索。另外,在活性有机碳可以用来预测土壤碳库变化的基础上,证实土壤大团聚体中的高活性有机碳可以作为未来预测土壤碳库变化的更佳指标。

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Effects of restoration measure on labile organic carbon in aggregates after clear-cutting Chinese pine forest: A case study of Songyugou Watershed of the Loess Plateau

JING Hang1,LIU Guobin1,2,WANG Guoliang1,2,XUE Sha1,2,YAO Xu1,LIANG Chutao2
(1.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China)

[Background]Labile organic carbon(LOC)is an important factor of soil organic carbon pool,and it can be more sensitive to environment change than any other factor.LOC in aggregate significantly influences soil quality and protection of carbon pool.In order to achieve the scientific management of restoration communities after clear-cutting,it is of great significance to investigate the relationship between soil aggregates and LOC in the area.[Methods]Concentrations of soil aggregates and LOC of restoration communities in Chinese pine plantations of the Loess Plateau after clear-cutting were investigated.There were 3 types of restoration community(shrub land,abandoned forestland and young plantation land.)and no clear-cutting forest as control(CK).Undisturbed soil samples were collected at 0-20 cm soil layer,the volume fraction of aggregate were tested using wet screening,theconcentrations of soil total organic carbon were determined using H2SO4-K2Cr2O7oxidation,and the concentrations of soil LOC were measured using KMnO4oxidation.Analysis of variance and linear regression analyses were done using SPSS(12.0).[Results]1)Macro-aggregate(＞250 μm)was dominant in aggregate composition.Compared with CK,the types of restoration community after clearcutting presented significant effects on the distribution of aggregates.The percentage of micro-aggregate significantly decreased(P＜0.05)while that of macro-aggregate significantly increased(P＜0.05)in shrub land and abandoned forestland.Aggregate composition in young plantation land showed no significant changes.2)The concentration of aggregate organic carbon increased with aggregate size increasing.There was the highest concentration of organic carbon in shrub land.The concentration of aggregate organic carbon was more sensitive than that of bulk soil organic carbons to different type of restoration community.3)The concentration of LOC in soil aggregate decreased with the improvement of labile state,and LOC concentration of macro aggregate was greater than micro aggregates.Compared with CK,the organic carbon of soil aggregate became more highly labile under different restoration communities.The concentration of aggregate LOC significantly increased in shrub land,and the concentration of LOC in macro-aggregate was more sensitive to different type of restoration community than that in any other aggregate size.4)Results of correlation analysis showed that LOC in aggregates presented a significant correlation with organic carbon in bulk soil.The correlation of LOC in macroaggregate with organic carbon in bulk soil was better than micro-aggregate.Highly LOC showed better correlation with organic carbon in bulk soil than lowly LOC.Therefore,highly LOC in macro-aggregate correlated best with organic carbon in bulk soil.[Conclusions]These results proved that different type of restoration community resulted in soil organic carbon unstable,and aggregate LOC in shrub land significantly increased.To some degree,our results uncovered the distribution characteristics of soil aggregate LOC in the Loess Plateau and indicated the effect of clear-cutting on aggregate labile organic carbon.According to these results,shrub land in restoration community can be a considerable management measure after clear-cutting Chinese pine forest in the Loess Plateau.Based on previous researches,our findings indicate that highly LOC in macro-aggregate can be a better index for measuring the dynamic of soil organic carbon than LOC in bulk soil.

soil aggregate;labile organic carbon;Chinese pine forest;clear-cutting;soil organic carbon

S714.2

:A

:2096-2673(2017)01-0113-08

10.16843/j.sswc.2017.01.014

2016- 07- 11

2016- 09- 13

项目名称:国家科技支撑课题“陕北水蚀区植被功能调控技术与示范”(2015BAC01B03);中国科学院重点部署项目“黄土丘陵区集约经营型流域生态经济协同发展技术研究与示范”(KFZD-SW-306-2)

景航(1991—),男,硕士研究生。主要研究方向:土壤生态学研究。E-mail:h8170166069@163.com

†通信作者简介:刘国彬(1958—),男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:流域管理。E-mail:gbliu@ms.iswc.ac.cn