安 靜 王文杰 王洪巖 蘇冬雪 邱 嶺 祖元剛

(森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳庫的重要儲存者，同時又是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。其中森林土壤碳占全球土壤碳的73%［2］，這對于全球碳平衡起到了非常重要的作用。處于全球暖化敏感的中高緯度地區(qū)的東北森林是中國的主要林區(qū)之一，該區(qū)興安落葉松人工林占造林總面積的50%以上［3］。人工林在緩解全球氣候變暖中起到了舉足輕重的地位，是實(shí)現(xiàn)和促進(jìn)森林土壤碳匯的重要方式。因此近年來對于興安落葉松人工林土壤碳及其它理化性質(zhì)的研究報道不斷增多［4-6］。而人工林是處在人工操作下的生態(tài)系統(tǒng)類型，對地上與土壤中的碳庫及肥力的影響都十分明顯［7］。以往多數(shù)研究中針對于落葉松人工林土壤碳的變化主要集中在較上層次即0～40 cm深的土壤，其土壤碳轉(zhuǎn)化過程中的收支和損耗往往很明顯［8］，但對于更深層(40 cm以下)的土壤碳截獲及肥力影響的研究較少，也很少將不同地區(qū)多數(shù)樣地的人工林和皆伐地的土壤性質(zhì)進(jìn)行綜合分析。因此，本文在黑龍江省尚志及伊春市主要林場中選取多年栽種興安落葉松人工林及附近皆伐地0～80 cm土層，針對土壤碳的2種類型——有機(jī)碳和無機(jī)碳以及包括土壤氮、酸堿度和物理性質(zhì)在內(nèi)的土壤可持續(xù)性指標(biāo)進(jìn)行深入研究，從碳、理化性質(zhì)及其垂直變化角度系統(tǒng)了解皆伐作業(yè)措施的影響，為今后生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和利用以及區(qū)域化林地經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域主要選取了黑龍江省帽兒山實(shí)驗(yàn)林場中的邊家溝樣地和伊春市林區(qū)中的帶嶺、東山、東方紅和大青川樣地，其樣地情況如表1所示。帽兒山林場(N45°20'～45°25'，E127°30'～127°34')，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣度為2.8℃，全年平均降水量724 mm。森林土壤類型多為暗棕壤，邊家溝樣地屬于白漿化暗棕壤。主要生長植物為興安落葉松(Larix gmelinii)、紅松(Pinus koraiensis)、白樺(Betula platyphylla)、胡桃楸(Juglans mandshurica)和水曲柳(Fraxinus mandshurica)等。

伊春市林區(qū)位于黑龍江省東北部(N47°10'～47°14'，E128°53'～128°55')，以低山為主，最高海拔1 050 m，土壤為暗棕壤森林土。屬于北溫帶大陸季風(fēng)氣候，全年平均氣溫1.4℃，年平均降水量為661 mm，無霜期115 d左右。植被主要以闊葉混交林或寒溫帶針葉林為主，其中包括興安落葉松(Larix gmelinii)、紅松(Pinus koraiensis)和黑樺(Betula davurica)等。

表1 樣地基本概況

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)計(jì)

在研究區(qū)域范圍內(nèi)，考慮到樣地距離過遠(yuǎn)、土壤自身差異過大將導(dǎo)致數(shù)據(jù)可靠性下降［9］的問題，試驗(yàn)樣地的設(shè)計(jì)主要選取落葉松人工林及距離林地10～100 m以內(nèi)的皆伐跡地，使每一組樣地中林地與皆伐跡地的海拔、坡向、坡度相近。然后在設(shè)定的每個20 m×20 m樣地中挖取4個2 m長、1 m寬、0.8 m深的土坑。在每個土壤剖面上，按照不同的深度(0～20、20～40、40～60和60～80 cm)使用土壤環(huán)刀取100 cm3的土壤樣品，將4個土壤剖面中相同深度的環(huán)刀樣品混合成一個土壤樣品，裝入土壤袋，代表所測定樣地該深度土壤的平均水平。

2.2 樣品的測定

從野外帶回實(shí)驗(yàn)室的土壤樣品，風(fēng)干去除植物根系、磚頭石塊等雜質(zhì)，混合均勻、磨碎，過＜0.25 mm的篩并保存待用。根據(jù)文獻(xiàn)［10］的方法，土壤密度采用環(huán)刀法測定，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定，對樣品用重鉻酸鉀硫酸溶液進(jìn)行氧化;土壤堿解氮測定采用堿解—擴(kuò)散法，利用擴(kuò)散皿及硼酸溶液吸收土壤產(chǎn)生的氨氣，并用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定;全氮采用的半微量凱氏定氮法，用濃硫酸消煮土樣后，使用凱氏定氮儀進(jìn)行蒸餾并用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定;無機(jī)碳(碳酸鈣是無機(jī)碳中主要成分)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氣量法測定;土壤pH、電導(dǎo)率的測定方法:稱取5 g土樣加入15 mL去離子水并混勻，使用pH計(jì)(PB-10，深圳賽多利斯)和電導(dǎo)率儀(DDS-307，上海雷磁)進(jìn)行測定。對樣品土壤碳、氮和物理性質(zhì)進(jìn)行測定時，均將土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(ASA1-國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)作為對照土樣。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在測定土壤有機(jī)碳及肥力時需要計(jì)算有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其公式為:

式中:c為0.800 0 mol·L-1(1/6K2Cr2O7)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度;5為重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液加入的體積(mL);V0為空白滴定用去FeSO4體積(mL);V為樣品滴定用去FeSO4體積(mL);3.0為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量(g·mol-1);10-3為將mL換算為L;1.1為氧化校正系數(shù);m為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g);k為將風(fēng)干土換算成烘干土的系數(shù)。

對不同樣地中林地和皆伐跡地土壤指標(biāo)的數(shù)據(jù)使用Excel 2003處理，并用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳

在所測定的5組樣地中(表2)，多數(shù)人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐跡地。如0～40 cm土層中除了邊家溝樣地外，人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于皆伐跡地且差異為2.53～44.83 g·kg-1(p＜0.05)。40～80 cm土層中，東山和邊家溝樣地表現(xiàn)為皆伐跡地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于林地，其它樣地中林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地6.07～25.48 g·kg-1。綜合分析0～80 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于皆伐跡地，差異為0.41 ～29.16 g·kg-1，其中帶嶺樣地差異顯著(p＜0.05)。

表2 興安落葉松林地與附近皆伐跡地不同土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 土壤無機(jī)碳(碳酸鈣)

從不同樣地的各層土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)來看(表3)，0～40 cm土層的邊家溝和東方紅樣地中林地土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于皆伐地0.30～5.13 mg·kg-1，而大青川和帶嶺樣地表現(xiàn)為皆伐地高于林地0.49 ～4.82 mg·kg-1，其中帶嶺和邊家溝樣地差異顯著(p＜0.05);40～80 cm土層中多數(shù)樣地的皆伐地土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于林地(p＜0.05)。綜合不同樣地的結(jié)果可以看出，0～80 cm土壤剖面中無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)邊家溝和東方紅樣地中林地高于皆伐地，而大青川(p＜0.05)、帶嶺和東山林場趨勢相反。

表3 興安落葉松林地與附近皆伐跡地土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.3 土壤全氮

多數(shù)樣地中林地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于皆伐地，其變化規(guī)律與有機(jī)碳儲量一致(表4)。0～20 cm土層中除了邊家溝樣地外，林地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地0.77 ～1.76 g·kg-1，其中帶嶺樣地差異顯著(p＜0.05);更深層(20 ～80 cm)土壤中，多數(shù)樣地(東方紅、大青川和帶嶺)中林地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地，東方紅樣地20～40 cm土層、大青川和帶嶺樣地的40～60 cm土層差異達(dá)到顯著(p＜0.05)。在0～80 cm土層中，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定的規(guī)律，多數(shù)樣地中林地高于皆伐地0.09～1.13 g·kg-1(5% ～93%)，其中帶嶺樣地差異顯著(p＜0.05)。

3.4 土壤堿解氮

從不同樣地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異來看(表5):0～40 cm深土壤中多數(shù)樣地(大青川、帶嶺和東山)中林地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地7.49～57.43 mg·kg-1，而邊家溝和東方紅樣地中皆伐地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林地(p＜0.05);在40～60 cm土層中，除了東山樣地外，其它林地的土壤堿解氮高于皆伐地8.71 ～48.32 mg·kg-1(p＜0.05);對于60～80 cm土層，帶嶺林地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于皆伐地(p＜0.05)，而其它樣地中皆伐地的土壤堿解氮高于林地1.25～16.85 mg·kg-1。綜合0～80 cm 土層中，大青川、帶嶺(p＜0.05)和東山樣地中林地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地13.10～51.31 mg·kg-1，而邊家溝和東方紅樣地中皆伐地高于林地1.87 ～4.46 mg·kg-1。

表4 興安落葉松林地與附近皆伐跡地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表5 興安落葉松林地與附近皆伐跡地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.5 土壤pH值、電導(dǎo)率和密度

從表6中可以看出，林地和相鄰皆伐地的土壤均偏酸性。表層土壤(0～20 cm)在所測定的5組樣地中林地與皆伐地土壤pH值差異均未達(dá)到顯著水平(p＜0.05)，對于 60～80 cm 土層，皆伐跡地土壤pH值明顯高于林地0.14～0.38，且邊家溝和帶嶺樣地差異顯著(p＜0.05)。綜合0～80 cm 土層，多數(shù)樣地中皆伐地土壤pH值高于林地，邊家溝樣地差異顯著(p＜0.05)。

表6 興安落葉松林地與附近皆伐跡地土壤的pH值

大多數(shù)林地土壤電導(dǎo)率均大于皆伐跡地并隨著土層深度增加差異逐漸降低(表7)。0～20 cm土層中，林地的土壤電導(dǎo)率高于皆伐地20% ～72%，其中邊家溝差異顯著(p＜0.05)。60～80 cm 土層，東方紅、大青川和帶嶺樣地表現(xiàn)為林地的土壤電導(dǎo)率高于皆伐地。綜合0～80 cm土層，所有樣地均為林地土壤電導(dǎo)率高于皆伐地(p＜0.05)。

表7 興安落葉松林地與附近皆伐跡地土壤電導(dǎo)率

從土壤密度變化來看(表8)，皆伐有增加土壤密度的趨勢，其中表層土壤表現(xiàn)更為明顯。0～20 cm土層不同樣地的皆伐地土壤密度均高于林地(p＜0.05)。在深層土壤中(20～80 cm)，多數(shù)樣地皆伐地土壤密度高于林地。綜合0～80 cm土層，邊家溝、東方紅、大青川和帶嶺樣地中林地土壤密度低于皆伐地0.07 ～0.31 g·cm-3(5% ～30%)，其中帶嶺樣地差異顯著(p＜0.05)。

表8 落葉松林地與附近皆伐跡地土壤密度

3.6 不同樣地的人工林與皆伐跡地土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的綜合分析

根據(jù)表2～表8中不同樣地土壤碳、氮及物理性質(zhì)變化的單獨(dú)分析情況，將5個地區(qū)中人工林和皆伐地所測定的土壤數(shù)據(jù)根據(jù)不同土層重新進(jìn)行綜合分析。由表9可知，不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為林地＞皆伐跡地，差異5.86～21.09 g·kg-1，其中0～20 cm和40～60 cm土層差異達(dá)到顯著水平(p＜0.05)，綜合0～80 cm土層平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)林地＞皆伐跡地，差異約47%(p＜0.05);0～20 cm和60～80 cm土層中無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆伐跡地＞林地，其值為 0.27 ～0.62 mg·kg-1，而深層(20 ～60 cm)土壤中林地?zé)o機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐跡地0.04～0.27mg·kg-1，60 ～80cm土層達(dá)到顯著水平(p＜0.05)，綜合0～80 cm土層平均土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆伐跡地＞林地，差異約10%(p＜0.05);土壤全氮、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出與有機(jī)碳相似的規(guī)律，綜合0～80cm土層林地全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞皆伐跡地，差異約46%(p＜0.05);各土層中林地土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐跡地12.85 ～27.10 mg·kg-1，40 ～60 cm土層中林地與皆伐跡地差異顯著(p＜0.05)，因此在0～80 cm土層平均土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)林地高于皆伐跡地35%(p＜0.05);0～80 cm土層土壤pH值皆伐跡地均高于林地(p＜0.05)，可見落葉松人工林有酸化土壤傾向，皆伐作業(yè)能夠緩解這一酸化進(jìn)程;不同土層林地土壤電導(dǎo)率均高于皆伐跡地32% ～86%，其中0～20 cm和40～80 cm土層林地與皆伐跡地差異顯著(p＜0.05)，0～80 cm 的土層林地土壤電導(dǎo)率平均高出皆伐跡地49%(p＜0.05);林地的土壤密度小于皆伐跡地0.02～0.21 g·cm-3(2% ～23%)，40～60 cm土層中兩者差異顯著(p＜0.05)，綜合0～80 cm土層土壤密度，皆伐跡地大于林地10%(p＜0.05)。

表9 不同土層興安落葉松人工林和皆伐地土壤碳、氮及物理性質(zhì)

4 結(jié)論與討論

森林是重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫，對其采伐能夠顯著降低碳匯大小，并導(dǎo)致原來儲存于土壤中的碳大量釋放［11］。試驗(yàn)中同時考慮有機(jī)碳和無機(jī)碳的土壤理化指標(biāo)，避免僅僅對一組對照樣地研究所產(chǎn)生的誤差;對深層土壤中有機(jī)碳和無機(jī)碳的變化等問題進(jìn)行分析，并嘗試解決這些問題。

不同采伐方式和采伐作業(yè)及不同的林型［12-13］、植被類型［14］能夠顯著影響土壤理化性質(zhì)，這與對興安落葉松人工林的研究與前人的研究結(jié)果一致。多數(shù)樣地中均表現(xiàn)為人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地，平均值顯示林地土壤有機(jī)碳高于皆伐地47%，達(dá)到顯著水平(p＜0.05)(表 2和表 9)。因此，皆伐導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳快速分解以及有機(jī)質(zhì)回歸量減少應(yīng)該是林地土壤有機(jī)碳大于皆伐地的主要原因［15］。皆伐對無機(jī)碳影響前人少有報道［16］，而本研究中皆伐對土壤無機(jī)碳的影響不同樣地及土層差異較大，總體趨勢是:0～80 cm土層中多數(shù)樣地皆伐地土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于林地，而在不同土層中無機(jī)碳的變化有別于有機(jī)碳的趨勢，如0～20 cm土層中林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地，而40～80 cm土層皆伐地土壤無機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于林地，這可能由于無機(jī)碳對有機(jī)碳有一定的補(bǔ)償作用，使得土壤有機(jī)碳升高的同時降低了無機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此，當(dāng)把有機(jī)碳和無機(jī)碳同時考慮并計(jì)算土壤碳收支平衡時，僅考慮有機(jī)碳變化而忽視無機(jī)碳，可能導(dǎo)致結(jié)果有一定的偏差［17-18］。因此，在今后的研究中應(yīng)盡量將較多組林地與附近皆伐地土壤進(jìn)行分析，從而更好地反映皆伐作業(yè)對土壤的影響。盡管在樣地選擇中盡量做到地形、地貌、坡位、坡向等一致，但是由于土壤本身的異質(zhì)性問題，有些林地與附近皆伐地之間的差異很小，甚至有些樣地的試驗(yàn)結(jié)果與大多數(shù)樣地的結(jié)果相反。如有機(jī)碳、無機(jī)碳、pH、電導(dǎo)率和氮相關(guān)指標(biāo)都有這樣的現(xiàn)象(表2～表8)。但是將不同地區(qū)林地與皆伐地多組數(shù)據(jù)放在一起分析時，能夠獲得更加可靠的結(jié)果，如表9所示，平均結(jié)果顯示:土壤有機(jī)碳、全氮、pH、電導(dǎo)率和密度的變化趨勢基本一致。與其它方法(如年代序列采樣法、長期固定樣地法)比較，本文所采用的配對樣地采樣法(Paired sampling)被認(rèn)為是林地—皆伐化導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變化研究中較省時、省力而較為準(zhǔn)確的方法［9］。

土壤的理化性質(zhì)中包括土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、電導(dǎo)率以及密度等能夠反映出皆伐措施對土壤肥力的影響，對于后續(xù)經(jīng)營管理至關(guān)重要。多數(shù)樣地中林地土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于皆伐地，0～80 cm平均土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)林地高于皆伐跡地46%(p＜0.05)，林地中堿解氮高于皆伐跡地 35%(p＜0.05)(表9)。這些結(jié)果說明，皆伐措施不僅導(dǎo)致土壤碳總量顯著降低，而且還導(dǎo)致土壤肥力(總N和堿解N)降低，使得土壤變得更加緊實(shí)(密度增加)，土壤電導(dǎo)率降低。但是，皆伐能夠顯著改善由于落葉松長期生長所導(dǎo)致土壤酸化的問題。除了土壤碳庫的變化外，直接或者間接影響土壤肥力的理化性質(zhì)的變化，能夠更長期地影響生物量碳的累積，在土壤碳截獲研究中應(yīng)以關(guān)注。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為［19］，類似于皆伐作業(yè)的措施對表層土壤的影響要遠(yuǎn)大于深層土壤，因此深層土壤可以忽略不計(jì)。但是最新的研究表明，深層土壤與表層土壤一樣活躍，甚至其微生物系統(tǒng)具有更強(qiáng)的分解有機(jī)碳的能力［20-21］。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，同時考慮表層和深層土壤能夠更清晰地表征皆伐作業(yè)對土壤的影響(表9)。無論表層還是深層土壤，所考察的很多指標(biāo)均表現(xiàn)出皆伐跡地與林地的差異，盡管很多差異未達(dá)到顯著水平，但是當(dāng)把5組配對樣地中林地與皆伐地土壤數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時，0～80 cm土層有機(jī)碳、N、堿解氮、pH值、電導(dǎo)率和密度均表現(xiàn)出顯著差異(p＜0.05)，表明皆伐過程能夠?qū)е峦寥烙袡C(jī)碳、氮減少、酸性降低、電導(dǎo)率降低而土壤密度升高(表9)。

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