方海富 江亮波 张毅 NasirShad 陈煦 张强 马丽丽 贾婷 应钦 张令

摘 要：【目的】通过研究日本柳杉Cryptomeria japonica（L.f.）D.Don造林34年后与其山地草甸土壤碳氮特征和pH的比较，为武功山山地草甸脆弱生态系统恢复建设提供理论依据。【方法】以江西武功山山地草甸为研究对象，选择具有代表性样地，采用五点取样法，采集小区内0～20 cm土层的土样，收集草甸地上凋落物，对草甸与日本柳杉林土壤凋落物碳氮指标与pH进行测定。【结果】造林会显著增加土壤全氮、铵态氮、硝态氮、有效态氮、可溶性有机氮、可溶性有机碳、微生物量碳含量、凋落物有机态碳、凋落物全氮（P<0.05），但是却显著降低土壤pH（P<0.05）;土壤pH与土壤有机质碳、全氮、铵态氮、硝态氮、有效态氮、可溶性有机氮、可溶性有机碳、微生物量碳含量、凋落物有机态碳、凋落物全氮呈显著负相关（P<0.05）。【结论】日本柳杉造林对土壤微生物活性、土壤质量以及N矿化能力具有积极效应;造林可降低土壤pH值，土壤pH与有机物质分解存在紧密联系。

关键词：碳氮;造林;草甸;柳杉;土壤;酸碱度

中图分类号：S 152文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）06-705-06

Abstract： 【Objective】 Relationship between carbon （C）， nitrogen （N） and pH in meadow soil at the forests of Cryptomeria japonica（L. f.）D. Don after afforested 34 years previously in Mt. Wugong was studied to extract crucial information on the restoration and construction of the fragile ecosystem. 【Method】Samples from 0-20 cm soil layer and litter on the meadow ground were collected by 5-point sampling method at representative plots at the forests for the determinations of C- and N-indices and soil pH. 【Result】Planting of C. japonica significantly increased the total N， ammonium N， nitrate N， available N， soluble organic N， soluble organic C， and microbial biomass C in soil， as well as the organic C and total N in litter （P<0.05）， but significantly reduced soil pH （P<0.05）. Soil pH inversely correlated with the organic C， total N， ammonium N， nitrate N， available N， soluble organic N， soluble organic C， and microbial biomass C in soil， and the organic C in litter.【Conclusion】 C. japonica planting positively impacted the microbial activity as well as the quality and N mineralization capacity of the soil ，and decreased the svil pH，which was closely related with the organic matter decomposition.

Key words： carbon and nitrogen; afforest; meadow; Cryptomeria japonica; soil; pH

0 引言

【研究意義】日本柳杉Cryptomeria japonica（L.f.）D.Don原产日本，属高大乔木，温性针叶林，耐寒，畏高温炎热，为重要的造林树种，在我国山东、上海、江西、浙江、湖北等海拔800 m以上的中山山地均有引种栽培的记录，特别是在山地草甸的山顶以及两峰间的“风口”区域，日本柳杉相比于杉木Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.和黄山松Pinus taiwanenesis Hayata等具有较强的生长优势和抗逆能力。【前人研究进展】关于近几年武功山山地草甸退化修复的研究较多，多集中于草本植物修复研究，并取得了重要进展[1]。国内外对于土壤碳氮的研究主要集中于人工造林过程中土壤碳氮和微生物量碳氮的变化，有关人工造林过程中土壤碳氮变化的过程多集中于农田和退耕还林方面，关于武功山山地草甸人工造林对土壤碳氮的变化研究较少。有一些学者通过相关研究发现草地转换为针叶林40年后，土壤有机质碳（Soil organic matter carbon，SC）无变化，但却显著增加了SC∶土壤全氮（Soil total nitrogen，SN）（P<0.05）[2];林龄20年的樟子松和小叶杨人工林，较之科尔沁流动沙丘，表层土壤微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）显著增加23.76倍和33.34倍（P<0.05）[3];植被修复显著提高表层土壤（0～30 cm）可溶性氮（Dissolved organic nitrogen，DON）含量（P<0.05）[4]。造林会增加MBC、微生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）、SC、SC∶SN和NH+4-N，降低NO-3-N[5];草地造林40年后，发现SC、SN、可溶性碳（Dissolved organic carbon，DOC）有所下降[6];通过造林可降低土壤的pH值[4]。【本研究切入点】到目前为止，造林对山地草甸土壤生态学影响的研究鲜有报道。长期以来，人工造林通常被认为能够增加土壤C储量而具有减缓大气CO2浓度的能力[8-9]，但是其对土壤理化性质的影响仍具有很多的不确定性，尤其是造林对土壤碳氮动力学的影响还不够清楚。

而江西武功山山地草甸作为我国南方草地生态系统重要的组成部分，具有面积广和分布基准海拔低的特点[7]，在华东植被垂直带谱中具有典型性和特殊性，是气候变化的重要指示植被。【拟解决的关键问题】20世纪80年代，江西省萍乡市矿务局林场以培育煤矿矿柱用材林为目的，在武功山山地草甸核心区域大范围种植日本柳杉，但由于煤炭资源枯竭、企业体制变化和主营方向转型等原因，绝大部分人工柳杉用材林保留至今并与草甸形成林-草交错格局。

本课题组通过研究武功山日本柳杉造林与草甸土壤碳氮特征和pH的影响，旨在为武功山山地草甸脆弱生态系统恢复建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

武功山（27°24′～27°34′ N，114°05′～114°15′ E;最高海拔1 918.3 m）坐落于中国亚热带的江西省中西部，属罗霄山脉中、北段，山体呈东北-西南走向，是吉安市安福县、萍乡市芦溪县以及宜春市袁州区的界山。年平均温度14～16℃，年降水量1 350～1 750 mm[10]。

本试验位于武功山九龙山区域（27°26′N，114°08′E），岩石主要由花岗核杂岩构成。草甸区域优势种为芒Miscanthus sinensis、野古草Arundinella anomala等植被。日本柳杉林的造林时间是1982年，行间距为2 m × 2 m，平均胸径15.4 cm，平均树高913 cm，坡度10～15°，为单一的日本柳杉纯林，林内生物多样性极低，枯枝落叶物分解缓慢。

1.2 试验设计

在武功山林地选择具有代表性的地段，于林-草交错带设置3个100 m × 50 m的大样地（表1），每个大样地内包含50 m × 50 m草甸和50 m × 50 m日本柳杉林2个小样地;为缩小取样误差，针对每个样地，沿对角线分别划定3个1 m×1 m的平行小区。使用五点取样法采集小区内0～20 cm土层的土样，收集草甸地上凋落物，通过1 m×1 m的尼龙网收集日本柳杉林凋落物。土壤混合均匀后，放入冰盒中带回实验室。

1.3 指标测定及方法

仔细剔除鲜样中石子、植物残体（如根、茎、叶等）并过2 mm孔径筛。移出一部分土样进行风干处理，风干土一部分用于测定土壤pH，另一部分过0.149 mm孔径筛后用于测定土壤有机质碳（SC）和全氮（SN）。剩余的鲜样置于4℃冰箱并及时测定土壤有效态氮（Available nitrogen，AN = NH+4-N + NO-3-N）、可溶性碳（DOC）和可溶性氮（DON）、微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）等指标;pH使用电极法（水∶土=2.5∶1.0）（METTER TOLEDO， Shanghai）;SC和凋落物有机质碳（Litter organic matter carbon，LC）使用重铬酸钾容量法-外加热法（H2SO4-K2Cr2O7）测定[11];SN和凋落物全氮（Litter total nitrogen，LN）及NO-3-N和NH+4-N使用全自动智能化学分析仪测定，其中NO-3-N和NH+4-N浸提液为2 mol·L-1 KCl;DOC和DON使用总碳测定仪测定 （VarioTOC， Elementar， Germany），浸提液为0.5 mol·L-1 K2SO4（水土比4∶1），滤液用0.45 μm水性滤膜抽滤;MBC[11]和MBN[12]使用氯仿熏蒸法测定，浸提液为0.5 mol·L-1 K2SO4（水土比4∶1），转换系数取值为0.45。草甸和日本柳杉林凋落物在65℃條件下烘干称量并粉碎过0.149 mm孔径筛后测定LC和LN含量。

1.4 数据分析

使用SPSS 20.0软件进行统计分析，使用Duncan′s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 日本柳杉林与草甸土壤特征方差分析比较

方差分析结果表明：草甸和日本柳杉林在SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、pH、LC和LN指标存在显著差异（P<0.05）;在SC、SC∶SN、DOC∶DON、MBN、MBC∶MBN、LC∶LN等指标差异不显著（P>0.05）（表2）。

2.2 日本柳杉林与草甸土壤碳、氮和pH值比较

多重比较结果表明（表3）：在SN、NO-3-N、NH+4-N、DOC、DON、MBC、LC、LN方面，日本柳杉林显著高于草甸（P<0.05），在pH方面，日本柳杉造林显著低于草甸;而在SC、MBN方面，日本柳杉林与草甸差异不显著（P>0.05）。通过多年的营林造林使得养分含量有所提升，加剧土壤C、N的矿化能力，从而SN等含量增高了;但也降低了草甸土壤的酸度，造林会产生大量掉落物长时间沉积，加剧了土壤的酸化。

2.3 日本柳杉林和草甸各相关系数比较

由表4可以看出，SC与SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC和LN呈显著正相关;SN与NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、LC和LN呈显著或极显著正相关;NO-3-N与NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC和LC呈显著或极显著正相关;NH+4-N与AN和DOC呈显著或极显著正相关;AN与DOC、DON、MBC和LC呈显著或极显著正相关;DOC与DON、MBC和LN呈显著或极显著正相关;DON与MBC和LC呈显著或极显著正相关，MBC与LC和LN呈显著或极显著正相关;MBC与LC和LN呈显著或极显著正相关;LC与LN呈显著或极显著正相关;pH与SC、SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、LC和LN呈显著或极显著负相关。

3 讨论与结论

造林除影响土壤物理特性，如pH、容重等;还会通过根系分泌物以及凋落物归还改变土壤化学性质[7]，间接改变土壤微生物活性以及群落结构组成，从而影响土壤C、N矿化过程。研究表明，土壤有机质碳含量变化受土壤水分、温度、造林类型和时间等综合影响[13-14]。在本试验中，虽然日本柳杉造林与草甸SC和MBN含量没有显著差异（P>0.05），这与Carlos等[2]发现草地转换为针叶林40年后，SC无显著差异结果相似，但却显著增加了SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON和MBC含量（P<0.05）。赵路红等[5]研究表明，植被修复显著提高土壤表层土壤（0～30 cm）DON含量（P<0.05），与本研究结果相似，那么这可能与日本柳杉林较之草甸具有较高的LC和LN含量，加之日本柳杉林会通过林冠截留雾气形成林内降水，增加土壤含水率，间接促进土壤C、N矿化能力增强，从而导致土壤C、N有效性增加有关。MBC和MBN是微生物活性的重要指标，土壤C和N的转化与其息息相关，尤其是表征土壤退化的DOC、DON，N的矿化能力更是关系到植物生长的重要因素，说明日本柳杉造林对土壤微生物活性，土壤质量以及N矿化能力具有积极效应。一般来说，植物群落的改变可能会因为光合效率、根系深度、凋落物数量、凋落物质量、群落小气候以及地下C、N分配策略的改变而影响生态系统C、N循环[10，16-19]，因此，日本柳杉造林对武功山山地草甸土壤碳氮特征的影响是多方面因素造成的结果。

pH作为土壤的一个基本理化性质，直接影响土壤营养元素的有效性[20]、存在形式以及迁移状况，并且会对土壤微生物、凋落物分解以及植物的生长造成影响。土壤pH降低可能与日本柳杉林具有更多的酸性物质，或者吸收土壤中钙镁离子，导致钠离子和氢离子含量的增加。土壤pH的高低制约着土壤生物化学性质及营养物质的有效性、造林对营养元素的吸收、林木的生长发育等诸多方面，同时对区域生态环境有深刻的影响。造林通常会降低土壤pH值[4-5，8]，这与本试验所得结果一致，这可能一方面与日本柳杉林通过大量的凋落物归还，造成酸性有机物及碳酸类物质增加;在本试验中，LC与LN方面，日本柳杉林显著高于草甸，那么土壤中有机酸类物质的增加，pH值较草甸土壤相比有所下降;另一方面在生长過程中会吸收土壤钙镁离子从而导致土壤钠和氢离子含量增加[3，21-22];在本试验中，SN、NO-3-N、NH+4-N、DOC、DON、MBC、LC、LN方面，日本柳杉都高于草甸，且SC与SN呈极显著正相关，说明土壤有机质碳的积累也有利于土壤氮的储存与保持，土壤中这些形态的碳氮具有较好的相关关系，植物在增加碳的含量时，同时也增加氮的利用率，这样会使土壤氢离子浓度升高，pH值降低。土壤pH通常与表层土壤有机碳存在负相关[23]，在本试验中，pH与SC、SN、NO-3-N、NH+4-N、AN、DOC、DON、MBC、LC和LN呈显著或极显著负相关。

综上，武功山山地草甸进行日本柳杉造林后，对土壤微生物的群落结构产生重要影响，林草凋落物数量、质量以及小气候等的差异造成日本柳杉林土壤较草甸土壤具有较高的SN、AN、DOC、MBC含量，对增加土壤N库、N的有效性以及微生物活性具有重要意义，但是却加剧了武功山山地草甸土壤酸化。因此，在今后的研究中，应当对土壤其他指标（如土壤微生物群落结构、土壤酶等）加以测定，更加全面地揭示人工造林后，土壤养分及碳氮循环的变化规律;如何减缓土壤酸化应当成为武功山山地草甸脆弱生态系统恢复建设需要考虑的重要因素，此外，如果进行野外碳氮气体（如CO2、CH4、N2O）长期检测，将能更全面地揭示日本柳杉造林对武功山山地草甸碳氮循环的影响。

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（責任编辑：林海清）