陳印平，夏江寶，曹建波，王進闖

（1.濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，山東 濱州256603；2.濱州學(xué)院，山東 濱州256603；3.中國科學(xué)院 成都生物研究所，四川 成都610041）

森林土壤有機碳庫儲量的微小變化，可顯著地引起大氣CO2濃度的改變，土壤可溶性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）的生物有效性極高，是土壤有機質(zhì)的重要組分，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍的有機碳組分及物質(zhì)交換的重要形式［1］，對生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的有效性和流動性等有直接的影響。土壤可溶性有機碳占土壤有機碳總量的比例較小，但可直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，也是土壤微生物活動能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力［2］，因此，可與土壤微生物生物量和土壤酶活性等一起作為土壤健康的生態(tài)指標，評價退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)進程，從而指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)管理［3］。近年來，擁有中國人工刺槐林面積最大的黃河三角洲地區(qū)，刺槐人工林出現(xiàn)了大面積枯梢，甚至成片死亡的退化現(xiàn)象，嚴重影響了黃河三角洲鹽堿地土壤的改良和人工林的生態(tài)功能。目前，大多數(shù)研究集中在黃河三角洲人工林的土壤可溶性氮含量、造林模式、林分配置、林冠健康及其土壤水鹽動態(tài)、土壤理化性狀等方面［4－7］。研究發(fā)現(xiàn)，黃河三角洲不同林地改造模式下，刺槐人工林土壤可溶性氮含量高于楊樹和白蠟林，而刺槐混交林土壤酶活性及養(yǎng)分等土壤性狀優(yōu)于刺槐純林。土壤可溶性有機碳可反映林地土壤中潛在活性養(yǎng)分含量和周轉(zhuǎn)速率、表征土壤碳平衡和生物學(xué)肥力，那么在不同造林模式下土壤可溶性有機碳含量是否發(fā)生變化？其變化是否影響林分的配置模式及土壤其他理化性狀？相關(guān)研究還未見報道。

因此，本研究以黃河三角洲鹽堿地刺槐純林、刺槐＋白蠟、刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林四種人工林為對象，通過比較不同人工刺槐純林與混交林土壤DOC含量的變化特征和差異性，分析土壤理化指標與DOC的相關(guān)關(guān)系以及不同植被類型對DOC的影響，以期為完善刺槐人工林可持續(xù)經(jīng)營的理論體系及鹽堿地土壤的改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于山東省東營市河口區(qū)，該區(qū)位于山東省北部黃河三角洲地區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤地區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12.1℃，無霜期長達201d，≥10℃的積溫約4 200℃，年降水量500～600mm。試驗區(qū)土壤為沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉淀而成，機械組成以粉沙為主，沙黏相間，層次變化復(fù)雜。試驗區(qū)主要造林模式有刺槐（Robinia pseudoacacia）林、白蠟（Fraxinus chinensis）林、楊樹（Populus euramericana）林、檉柳（Tamarix chinensis）林、刺槐＋白蠟（Robinia pseudoacacia＋Fraxinus chinensis）混交林、刺槐＋白榆（Robinia pseudoacacia＋Ulmus pumila）混交林、刺槐＋臭椿（Robinia pseudoacacia ＋Ailanthus altissima）混交林等，天然植被以鹽生、濕生的禾本科蘆葦（Phragmites australis）、白茅（Imperata cylindrica）以及翅堿蓬（Suaeda heteroptera）為主。

1.2 樣品采集

2008年7月中旬，在試驗區(qū)內(nèi)選擇造林時間及管理措施相同，株行距3m×3m的26年生人工刺槐純林（CHL）、刺槐＋白蠟混交林（CBL）、刺槐＋白榆混交林（CBY）、刺槐＋臭椿混交林（CCC）4種林分類型。4種林地的土壤理化性質(zhì)見表1，植被狀況見表2。在每個林分類型內(nèi)分別設(shè)置3個30m×30m的樣地，按“S”型設(shè)5個取樣點，分表層0—5cm的腐殖質(zhì)層、除去腐殖質(zhì)層在土壤0—20，20—40cm兩層進行采樣，將相同土層樣品混合，低溫保鮮帶回實驗室。部分土壤樣品過2mm篩后在4℃下保存，用于測定pH值、全鹽量、有效磷、速效鉀和可溶性全氮（TSN）；另一部分風(fēng)干過0.25mm篩用于分析測試土壤的全氮（TN）和土壤總有機碳（TOC）。

表1 4種人工林土壤肥力狀況

表2 樣地植被基本概況

1.3 測定方法

pH值采用電位法測定，可溶性鹽采用質(zhì)量法測定，土壤總有機碳用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法，可溶性總氮（TSN）和可溶性有機碳（DOC）采用水浸提法（水土比10∶1）用儀器Liqui TOC II測定浸提液，全氮和碳用元素分析儀（VARIO EL III），有效磷用鉬銻抗比色法測定，速效鉀用火焰光度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 11.5和Excel對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及單因素方差分析（ANOVA）和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各林分DOC含量

由圖1可知，4種林型的腐殖質(zhì)層DOC的平均含量為219.67mg／kg，顯著大于0—20和20—40cm層土壤（p＜0.05），其中刺槐＋臭椿混交林腐殖質(zhì)層的DOC含量最高，為257.70mg／kg，是刺槐＋白蠟混交林的1.3倍，而0—40cm層土壤DOC含量在92.62～158.78mg／kg，其中最高的是刺槐＋白蠟混交林0—20cm的土壤，為158.78mg／kg。這可能是因為該層土壤有機質(zhì)含量（3.47%）高（表1），腐殖質(zhì)層DOC向下層移動，使0—20cm層土壤的DOC含量高于其他林型，而20—40cm的土壤孔隙度較高（表1），土壤DOC易向下層遷移，致使20—40cm層土壤的DOC含量較其他林型同層土壤的含量低。

圖1 各林型土壤可溶性有機碳（DOC）

土壤DOC主要來自于土壤的腐殖質(zhì)、植物殘體、根系分泌物及微生物的代謝產(chǎn)物等［8］。綜合分析，4種林型土壤各層土壤DOC含量由高到底依次為刺槐＋臭椿混交林＞刺槐＋白榆混交林＞刺槐純林＞刺槐＋白蠟混交林，表明刺槐＋臭椿混交林土壤的性質(zhì)優(yōu)于其他林地。

2.2 各林分土壤氮和可溶性總氮

由圖2可知，刺槐＋臭椿混交林腐殖質(zhì)層TSN含量較其他三種林型高，為55.80mg／kg。而在0—20和20—40cm土層刺槐＋白蠟混交林的TSN含量最低，分別為23.58和19.21mg／kg，最高的為刺槐＋臭椿混交林為35.07和34.38mg／kg，其次為刺槐＋白榆混交林，刺槐純林土壤TSN含量比刺槐＋白蠟混交林高，而低于臭椿、白榆與刺槐的混交林。由此可見，刺槐＋臭椿和刺槐白榆混交林土壤TSN含量較其他兩種林型高。

圖2 各林型土壤可溶性總氮（TSN）

各林型土壤總氮的含量在0.02%～0.11%（表1，圖3），其含量較其他林地土壤含量低［9－10］，可能因為該區(qū)域為鹽堿地土壤，相對比較貧瘠。在腐殖質(zhì)層，刺槐＋臭椿混交林土壤TN含量最高，最低的為刺槐＋白蠟混交林，而0—20和20—40cmTN含量最高，TSN含量則最低，TN由可溶性和不溶性的兩部分組成，土壤的物理性狀和腐殖質(zhì)層的分解速率影響氮的遷移和轉(zhuǎn)化，刺槐＋白蠟混交林土壤的容重大，孔隙度低，腐殖質(zhì)層TN含量在4種林型中最低，這些因素可能限制了土壤氮的轉(zhuǎn)化和遷移。

綜合分析比較4種林型各層土壤TN和TSN含量，腐殖質(zhì)層顯著高于其他兩層（p＜0.05），并隨著土層的加深而降低（圖2—3），因此，在人工林管理過程中，應(yīng)該重視腐殖質(zhì)在人工林生態(tài)系統(tǒng)中的作用，特別注意保護刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林土壤的表層，防止腐殖質(zhì)流失。

圖3 各林型土壤全氮（TN）

2.3 不同元素的比例關(guān)系

土壤中的C，N，P組成決定了能量流動和物質(zhì)循環(huán)，土壤C／N比值與有機質(zhì)分解、土壤呼吸等密切相關(guān)［11］，土壤及植物的N和P共同決定著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，因此土壤營養(yǎng)元素間的比例關(guān)系是土壤有機質(zhì)組成和土壤質(zhì)量的一個重要指標。分析黃河三角洲不同林型土壤的C／N比以及可溶性總氮與有效磷的比值關(guān)系發(fā)現(xiàn)，4林型土壤的C／N比范圍在19.52～54.61（表3），平均為34.08，較中國土壤（250cm深）C／N 比平均比11.9高186%［12］，可能是因為本研究分析的土壤深為40cm，而11.9的比值是土壤250cm深層次的平均值，隨著土層的加深，其比值隨之下降。刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林0—40cm層土壤有較高的C／N比（表3），表明兩林地可能擁有豐富的潛在碳源。

土壤TSN與有效磷的平均比值為1.94（表3），較中國土壤的平均比值5.2低［12］。本研究分析了植物易于吸收的可溶性氮和有效磷的比值，而中國土壤的研究是基于全氮及全磷的分析，因此所得比例小于全國土壤的比值。土壤中的氮磷是植物生長所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素和生態(tài)系統(tǒng)中最常見的限制性元素，二者之間具有重要的相互作用，并在植物體內(nèi)存在功能上的聯(lián)系。黃河三角洲人工林土壤可溶性氮和有效磷的比值低，可供植物吸收利用的營養(yǎng)元素受到限制，因此人工林可能因土壤營養(yǎng)元素的供給不足而使其生長發(fā)育受到限制。人工林地退化的具體原因還需進一步研究。

表3 不同元素間的比例關(guān)系

分析4種林型各層土壤TSN／N和DOC／TOC的百分比隨土壤深度無明顯的變化規(guī)律。刺槐＋白蠟混交林0—20cm層土壤TSN占N的百分含量較低為3.92%；而其他三種林型0—20cm層土壤的百分含量較同林型腐殖質(zhì)層和0—40cm層高，表明刺槐＋白蠟混交林上層土壤可供植被吸收利用的可溶性氮較低。土壤DOC含量一般不超過土壤有機碳總量的2%［13］，本研究的結(jié)果顯示，不同林型和土層內(nèi)DOC占TOC的百分含量在0.33%～1.01%，其平均百分含量為0.72%，比不同栽植代數(shù)杉木人工林土壤（平均百分含量為0.58%）［9］和紅松闊葉混交林土壤DOC／TOC（平均百分含量為（0.10%）高。在刺槐＋白榆混交林和刺槐＋臭椿混交林中，0—20和20—40cm層土壤DOC／TOC含量顯著高于腐殖質(zhì)層（p＜0.05），而刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林則相反。

3 結(jié)論與討論

（1）不同林型土壤可溶性有機碳分析。可溶性有機碳是有機碳的活性組分，具有易流動、易分解、生物活性較高等特點，在提供土壤養(yǎng)分方面起著重要的作用。森林土壤的可溶性有機碳的含量一般不超過200mg／kg［14］，本研究的結(jié)果也表明，4種人工林土壤的DOC含量范圍在92.62～178.54mg／kg，與王清奎等［9］對人工林的研究結(jié)果較接近。土壤TSN和DOC含量由高到低依次為：刺槐＋臭椿和刺槐＋白榆混交林＞刺槐純林＞刺槐＋白蠟混交林，從0—40cm層土壤可溶性有機碳和氮來看，以刺槐純林為對照，白榆和臭椿的植入均有利于刺槐林土壤性狀的改善，其土壤含鹽量與pH值有不同程度的下降，土壤孔隙度略有增加，土壤容重下降（表1），有利于植物根系的伸展和生長。此外，土壤碳氮儲存能力與凋落物的量與分解速率也密切相關(guān)［15］，凋落物質(zhì)量影響凋落物的分解及營養(yǎng)元素的歸還。在刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林內(nèi)，林下植被相對豐富，凋落物較刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林多。刺槐＋白榆混交林中土壤呼吸速率較高，微生物活性強［16］，并且葉中氮含量高［17］，凋落物具較低的C／N比，有利于微生物對凋落物的分解，使土壤中的碳氮及時得到補充，DOC和TSN的含量高。而白蠟葉片表面有蠟質(zhì)，分解緩慢，使刺槐＋白蠟混交林土壤中的可溶性碳含量低，因此刺槐與白榆和臭椿混交有利于土壤的改良。

（2）可溶性有機碳與土壤理化指標的關(guān)系?；旖涣滞寥佬誀钶^純林土壤有所改善，分析土壤DOC與其他理化指標的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤DOC與TSN及速效鉀呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01，表4），這與王清奎等［9］和張文義等［18］對林地土壤的研究結(jié)果是一致的。與全氮和有效磷呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），與含鹽量呈負相關(guān)（p＞0.05），TSN與有效磷和速效鉀呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；土壤含鹽量隨TSN的增加而下降，呈極顯著負相關(guān)（p＜0.01）（表4）。這表明土壤DOC與TSN可降低土壤中的鹽含量，而有機質(zhì)與含鹽量呈極顯著正相關(guān)，與pH值呈顯著負相關(guān)，因此有機質(zhì)的增加可降低土壤的酸堿性。本研究中DOC與pH值的相關(guān)性不強，這與土壤活性有機碳與pH值呈顯著或極顯著負相關(guān)的研究結(jié)果不一致［10］，可能和研究對象以及林地的樹齡有關(guān)。本研究選擇的研究對象為26年生的人工林，而劉振花等［10］研究的紅松闊葉混交林分別是30，50，70年的自然林，植被對土壤的作用時間較長，對土壤性質(zhì)的影響明顯。

表4 可溶性有機碳與土壤理化指標的相關(guān)關(guān)系

綜上所述，刺槐＋白榆和刺槐＋臭椿混交林土壤DOC，TSN含量以及TSN／N和DOC／TOC的百分含量較刺槐純林和刺槐＋白蠟混交林高，對提高兩林地的土壤質(zhì)量起到了重要的作用，針對黃河三角洲鹽堿地改良，可種植白榆、臭椿與刺槐的混交林。作為土壤碳氮主要來源之一的腐殖質(zhì)層，其DOC，TSN和TN含量均顯著高于0—20和20—40cm土層含量，因此在人工林的管理過程中應(yīng)防止土壤腐殖質(zhì)層的流失。由相關(guān)性分析得出，土壤DOC，TSN與土壤全氮、有效磷、速效鉀和含鹽量相關(guān)性顯著。土壤中DOC含量的大小可反映土壤中潛在活性養(yǎng)分含量和周轉(zhuǎn)速率，從而反映出土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況［19］，而作為衡量土壤碳氮營養(yǎng)平衡狀況的土壤C／N比和土壤全碳和全氮呈極顯著相關(guān)性（p＜0.01），與其他營養(yǎng)元素和物理指標的相關(guān)性不顯著。因此土壤C／N比作為衡量土壤碳氮平衡是較好的指標，而土壤DOC和TSN含量用于判斷土壤的綜合營養(yǎng)狀況可能更合適。采取措施增強土壤有機質(zhì)或腐殖質(zhì)層向可溶性碳氮的轉(zhuǎn)化，對黃河三角洲人工純林和混交林生態(tài)系統(tǒng)的維持和改良具有重要的現(xiàn)實意義。

［1］ 柳敏，宇萬太，姜子紹，等.土壤溶解性有機碳（DOC）的影響因子及生態(tài)效應(yīng)［J］.土壤通報，2007，38（4）：758-764.

［2］ Haynes R J.Labile organic matter as an indicator of organic matter quality in arable and pastoral soil in New Zealand［J］.Soil Biology and Biochemistry，1999，32（2）：211-219.

［3］ Xing Shihe，Chen Chengrong，Zhou Biqing，et al.Soil soluble organic nitrogen and active microbial characteristics under adjacent coniferous and broadleaf plantation forests［J］.Journal of Soils and Sediments，2010，10（4）：748-757.

［4］ 陳印平，夏江寶，王進闖，等.黃河三角洲鹽堿地人工林土壤可溶性有機氮含量及特性［J］，水土保持學(xué)報，2011，25（4）：121-124.

［5］ 張建鋒，邢尚軍.環(huán)境脅迫下刺槐人工林地土壤退化特征研究［J］.土壤通報，2009，40（5）：1086-1091.

［6］ 夏江寶，許景偉，陸兆華，等.黃河三角洲灘地不同植被類型的土壤貯水功能［J］.水土保持學(xué)報，2009，23（5）：79-83.

［7］ 王群，夏江寶，張金池，等.黃河三角洲退化刺槐林地不同改造模式下土壤酶活性及養(yǎng)分特征［J］.水土保持學(xué)報，2012，26（4）：133-137.

［8］ Kalbitz K，Solinger S，Park J H，et al.Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soil：a review［J］.Soil Science，2000，165（4）：277-304.

［9］ 王清奎，汪思龍，馮宗煒.杉木人工林土壤可溶性有機質(zhì)及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報，2005，25（6）：1299-1305.

［10］ 劉振花，陳立新，王琳琳.紅松闊葉混交林不同演替階段土壤活性有機碳的研究［J］.土壤通報，2009，40（5）：1098-1103.

［11］ Schlesinger W H，Andrews J A.Soil respiration and the global carbon cycle［J］.Biogeochemistry，2000，48（1）：7-20.

［12］ 程濱，趙永軍，張文廣，等.生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究進展［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30（6）：1628-1637.

［13］ 李玲，肖和艾，蘇以榮，等.土地利用對亞熱帶紅壤區(qū)典型景觀單元土壤溶解性有機碳含量的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41（1）：122-128.

［14］ Linn D M，Doran J W.Aerobic and anaerobic microbial populations in no-till and plowed soils［J］.Soil Sci.Soc.Am.J.，1984，48（4）：1267-1272.

［15］ Saner T，Cambardella C，Brandle J.Soil carbon and tree litter dynamics in a red cedar scotch pine shelterbelt［J］.Agroforestry Systems，2007，71（3）：163-174.

［16］ 秦娟，上官周平.白榆／刺槐不同林型生長季土壤呼吸速率的變化特征［J］，西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，40（6）：91-98.

［17］ 秦娟，上官周平.白榆—刺槐互作條件下葉片養(yǎng)分與光合生理特性［J］.生態(tài)科學(xué)，2012，31（2）：121-126.

［18］ 孫文義，郭勝利.天然次生林與人工林對黃土丘陵溝壑區(qū)深層土壤有機碳氮的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30（10）：2611-2620.

［19］ 李淑芬，俞元春，何晟.南方森林土壤溶解有機碳與土壤因子的關(guān)系［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報，2003，20（10）：119-123.