曾念念，何傳龍，黃從德，季榮飛，張 健，李賢偉

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，四川雅安 625014)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是保護(hù)良好生態(tài)環(huán)境、維持生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的承擔(dān)者。人工林是目前陸地碳匯增長(zhǎng)最主要的媒介之一，造林及合理的人工林經(jīng)營(yíng)都可以成為固定大氣 CO2、防止全球變暖的有效途徑［1～2］。國(guó)家林業(yè)局2002年出版的《中國(guó)林業(yè)發(fā)展宏觀戰(zhàn)略研究總論》預(yù)計(jì)在今后50 a中我國(guó)人工林面積將凈增加到1億hm2［3］。中國(guó)營(yíng)造了全世界面積最大的人工林，但是碳庫儲(chǔ)量和碳密度卻遠(yuǎn)低于世界平均水平。因此，迫切需要采取科學(xué)合理的管理手段來提高人工林的固碳潛力［4～6］。而撫育間伐是一項(xiàng)重要的近自然經(jīng)營(yíng)措施，對(duì)于促進(jìn)森林的可持續(xù)發(fā)育具有重要的意義［7］?？茖W(xué)的撫育間伐能夠調(diào)整森林結(jié)構(gòu)，為林木生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境，從而提高森林的健康和穩(wěn)定水平［8］，進(jìn)而促進(jìn)森林的固碳能力。

柏木(Cupressus funebris)是我國(guó)亞熱帶地區(qū)主要造林樹種之一，四川東部、貴州東部與中部、湖北西部和湖南西北部是柏木主要產(chǎn)區(qū)。20世紀(jì)50年代，四川盆地原有的天然針闊混交林大規(guī)模被破壞，生態(tài)環(huán)境急劇惡化，旱澇和水土流失問題異常嚴(yán)重［9］。從20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)進(jìn)行植被恢復(fù)，營(yíng)造了大量的柏木純林。由于科學(xué)水平等因素限制，當(dāng)時(shí)營(yíng)造栽培的林分密度過高，形成了大量的低效林。如今柏木人工林林下植物物種稀少，生物多樣性低下，病蟲害嚴(yán)重，森林的水土保持等生態(tài)防護(hù)功能嚴(yán)重下降［10］。對(duì)其進(jìn)行撫育間伐，可促進(jìn)目標(biāo)樹種快速生長(zhǎng)、群落持續(xù)發(fā)育，提高森林生產(chǎn)力?；诖耍疚囊运拇ㄊ〉玛柺徐宏枀^(qū)33a生柏木低效人工林為對(duì)象，研究了不同間伐強(qiáng)度對(duì)柏木(Cupressus funebris)低效人工林土壤有機(jī)碳的影響，初步揭示了柏木低效人工林間伐調(diào)控后土壤有機(jī)碳的變化特征，以期為該地區(qū)柏木低效人工林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能提升以及固碳能力的提高提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究試驗(yàn)地選在川中丘陵區(qū)的德陽市旌陽區(qū)永新鎮(zhèn)和新村，地理位置位于 104°11'E-104°22'E、31°13'N-31°19'N 之間，海拔在 457 m～764 m 之間。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，日照較少，自然災(zāi)害發(fā)生頻率大，強(qiáng)度不一。常年平均氣溫16.0℃，最高氣溫36.5℃，最低氣溫-6.7℃，溫差43.2℃。年平均日照時(shí)數(shù)1 215.4 h，年平均降雨量893.4 mm，其中夏季降雨量達(dá)536 mm，占年平均降雨量的60%。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

于2012年1月對(duì)同一柏木低效人工林進(jìn)行本底調(diào)查后，選擇立地條件基本一致且遠(yuǎn)離林緣的地塊為實(shí)驗(yàn)樣地。根據(jù)采伐柏木株數(shù)所占比例，設(shè)置4種間伐強(qiáng)度和一個(gè)對(duì)照，即對(duì)照(CK，0%)、弱度(T1，15%)、中度(T2，25%)、強(qiáng)度(間伐 T3，35%)和極強(qiáng)度間伐(T4，50%)，每種處理重復(fù)3次，共設(shè)置面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地15塊，各標(biāo)準(zhǔn)地之間留有保留帶或過渡帶。采用單株間伐方式于2012年3月完成間伐作業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況概況Tab.1 The characteristics of environmental factors of standard sites

2.2 樣品采集

2013年8月，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地用五點(diǎn)采樣法挖取土壤剖面，按四分法分層(0 cm～10 cm、10 cm～20 cm和20 cm～40 cm)采取混合土樣兩袋。一份過2 mm篩后在4℃條件下保存，一周內(nèi)測(cè)定微生物量碳(SMBA)和水溶性碳(WSOC);另一份風(fēng)干后測(cè)定有機(jī)碳(SOC)和易氧化碳(ROC)。運(yùn)輸過程用冰袋保持土樣在0℃～4℃。

2.3 森林土壤有機(jī)碳測(cè)定

有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化―外加熱法測(cè)定［11］;微生物生物量碳采用氯仿熏蒸―K2SO4提取法測(cè)定［12］;水溶性碳采用蒸餾水提取法測(cè)定［13］;易氧化碳采用0.333 mol·L-1的高錳酸鉀氧化法測(cè)定［14］。

2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2007作圖，用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

由表2可知，4種間伐強(qiáng)度的柏木低效人工林土壤剖面平均有機(jī)碳含量大小排序?yàn)?T4(9.13±0.90 g C·kg-1)＞T3(7.39±0.42 g C·kg-1)＞T2(6.02±0.33 g C·kg-1)＞T1(5.46±0.30 g C·kg-1)，與 CK(5.18±0.39 g C·kg-1)相比，分別增加了3.95 g C·kg-1、2.21 g C·kg-1、0.84 g C·kg-1和0.28 g C·kg-1。進(jìn)一步分析表明，T4的土壤剖面平均有機(jī)碳含量顯著高于其它處理(p＜0.05)，T3的有機(jī)碳含量顯著高于T2、T1和CK(p＜0.05)，T2、T1和CK的土壤剖面平均有機(jī)碳含量差異不顯著。這表明間伐增加了柏木低效人工林土壤有機(jī)碳含量，并隨間伐強(qiáng)度的增加而增大。

表2 不同間伐強(qiáng)度的柏木低效人工林土壤有機(jī)碳含量(gC·kg-1)Tab.2 The soil organic carbon content of different thinning intensity in low efficiency stands of Cuprssus funebris(g C·kg-1)

3.2 間伐強(qiáng)度對(duì)土壤微生物量碳的影響

3.2.1 土壤微生物量碳含量

從表3可看出，4種間伐強(qiáng)度的土壤剖面平均微生物生物量碳含量按大小排序?yàn)?T4(246.51±9.57 mgC·kg-1)＞T3(217.92±4.88 mgC·kg-1)＞T2(201.36±4.64 mgC·kg-1)＞T1(200.00±1.74 mgC·kg-1)，與 CK(198.37±1.83 mgC·kg-1)相比，分別增加了48.14 mgC·kg-1、19.55 mgC·kg-1、2.99 mgC·kg-1和 1.63 mgC·kg-1。T4顯著高于其它處理CK(p＜0.05);T3顯著高于T2、T1和CK(p＜0.05);T2、T1和CK無顯著差異。這表明間伐增加了柏木低效人工林土壤微生物量碳，并隨間伐強(qiáng)度的增加而增大。

3.2.2 微生物量碳含量占總有機(jī)碳的比例

4種間伐強(qiáng)度及CK各土層土壤微生物量碳占總有機(jī)碳的比例在2.40%～4.32%之間(圖1)。在0 cm～10 cm土層中，CK的土壤微生物生物量碳占總有機(jī)碳的比例最大，達(dá)4.32%;T4的土壤微生物量碳占總有機(jī)碳的比例最小，僅2.73%。在10 cm～20 cm土層，T4的土壤微生物量碳占其總有機(jī)碳的比例略有上升，占總有機(jī)碳含量的2.81%。在20 cm～40 cm土層中，各處理的微生物量碳占總有機(jī)碳比例與0 cm～10 cm層相同，但相比0 cm～10 cm下降了12.08%～28.38%。

表3 不同間伐強(qiáng)度的柏木低效人工林土壤微生物量碳含量(mgC·kg-1)Tab.3 The Microbial biomass carbon content of different thinning intensity in low efficiency stands of Cuprssus funebris(mgC·kg-1)

圖1 微生物量碳含量占總有機(jī)碳的比例Fig.1 The proportion of Microbial biomass carbon in total organic carbon

3.3 間伐強(qiáng)度對(duì)土壤水溶性碳的影響

3.3.1 水溶性碳含量

由表4可知，4種間伐強(qiáng)度的柏木低效人工林土壤剖面平均水溶性碳含量按大小排序?yàn)?T4(154.06±8.56 mgC·kg-1)＞T3(138.04±4.77 mgC·kg-1)＞T2(122.04±5.34 mgC·kg-1)＞T1(119.46±2.56 mgC·kg-1)，分別比 CK(116.93±2.95 mgC·kg-1)增加了 37.13 mgC·kg-1、21.11 mgC·kg-1、5.11 mgC·kg-1、2.53 mgC·kg-1。其中，T4顯著高于其它處理(p＜0.05);T3顯著高于T2、T1和CK(p＜0.05);T2、T1和CK無顯著差異。這說明間伐增加了柏木低效人工林土壤水溶性碳含量，并隨間伐強(qiáng)度的增加而增大。

表4 不同間伐強(qiáng)度的柏木低效人工林土壤水溶性碳含量(mgC·kg-1)Tab.4 The water-soluble carbon content of different thinning intensity in low efficiency stands of Cuprssus funebris(mgC·kg-1)

3.3.2 水溶性碳含量占總有機(jī)碳的比例

4種間伐強(qiáng)度及CK各土層水溶性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例介于1.54%～2.49%之間，并且隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸降低(圖2)。4種間伐強(qiáng)度及CK在10 cm～20 cm土層的比例明顯高出0 cm～10 cm土層和20 cm～40 cm土層。在10 cm～20 cm土層所占比例達(dá)到2.02%～2.49%，T1在該層的比例最高，達(dá) 2.49%，CK在該層的比例也高達(dá)2.43%。

圖2 水溶性碳含量占總有機(jī)碳的比例Fig.2 The proportion of water-soluble carbon in total organic carbon

3.4 間伐強(qiáng)度對(duì)土壤易氧化碳的影響

3.4.1 易氧化碳含量

從表5可以看出，4種間伐強(qiáng)度的土壤剖面平均易氧化碳含量的大小順序?yàn)?T4(1.63±0.12 gC·kg-1)＞T3(1.37±0.05 gC·kg-1)＞T2(1.17±0.06 gC·kg-1)＞T1(1.02±0.06 gC·kg-1)，比CK(0.97±0.03 gC·kg-1)分別高0.66 gC·kg-1、0.40 gC·kg-1、0.20 gC·kg-1和 0.05 gC·kg-1。4種間伐強(qiáng)度的易氧化碳含量均差異顯著(p＜0.05);T4、T3和T2的土壤剖面易氧化碳含量均顯著高于CK(p＜0.05);T1和CK的土壤剖面易氧化碳含量差異不顯著(p＞0.05)。這說明間伐增加了柏木低效人工林土壤易氧化碳含量，且隨間伐強(qiáng)度的增大而增大。

表5 不同間伐強(qiáng)度的柏木低效人工林土壤易氧化碳含量(gC·kg-1)Tab.5 The carbon dioxide content of different thinning intensity in low efficiency stands of Cuprssus funebris(gC·kg-1)

3.4.2 易氧化碳占總有機(jī)碳的比例

由圖3可知，4種間伐強(qiáng)度及CK各土層土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例介于17.85%～19.44%之間。在0 cm～10 cm土層，T1的土壤易氧化碳所占總有機(jī)碳的比例最大，為20.11%，比例最小的是T4，為16.51%。4種間伐強(qiáng)度在10 cm～20 cm土層的土壤易氧化碳占總有機(jī)碳的比例均大于CK。在20 cm～40 cm土層，T3和T4易氧化碳占總有機(jī)碳的比例大于T1、T2和CK。這說明，間伐對(duì)柏木低效人工林易氧化碳占有機(jī)碳比例的影響會(huì)隨著土壤深度的變化而變化。

圖3 易氧化碳占總有機(jī)碳的比例Fig.3 The proportion of carbon dioxide in total organic carbon

3.5 土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳的相關(guān)性

從表6可以看出，ROC、WSOC和SMBC與SOC均為極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01)。其中，ROC與SOC相關(guān)性最強(qiáng)(r=0.977，p＜0.01)，SMBC 與SOC相關(guān)性相對(duì)最弱(r=0.944，p＜0.01)。各活性有機(jī)碳之間的相關(guān)性表明，ROC、WSOC和SMBC之間的相關(guān)性都呈現(xiàn)極顯著關(guān)系(p＜0.01);其中，ROC與 WSOC相關(guān)性最強(qiáng)(r=0.989，p＜0.01)，ROC與 SMBC的相關(guān)性相對(duì)最弱(r=0.961，p＜0.01)。這表明，土壤各活性有機(jī)碳之間能夠相互影響，并且會(huì)和總有機(jī)碳的變化保持一致，因?yàn)樗鼈兌际怯袡C(jī)碳中活性較高的一部分。進(jìn)一步說明，土壤活性有機(jī)碳的變化能夠在一定程度上指示土壤總有機(jī)碳的變化。

表6 土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳的相關(guān)性Tab.6 The correlation of active organic carbon and total organic carbon

4 討論

間伐通過改變林木的生長(zhǎng)空間和林內(nèi)微環(huán)境來影響林下植被生長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響，但間伐對(duì)土壤有機(jī)碳的影響具有不確定性。本研究表明，間伐提高了土壤有機(jī)碳含量，且隨著間伐強(qiáng)度的增大而增加。這是因?yàn)殚g伐促進(jìn)了林下植被生長(zhǎng)，使林下植被凋落物增加，同時(shí)間伐有利于林地光能的利用，提高林下土壤溫度和濕度，有利于土壤有機(jī)碳積累。但也有研究得出相反的結(jié)論。如袁喆等［15］對(duì)川西亞高山杉木人工林的研究表明，間伐導(dǎo)致森林土壤有機(jī)碳含量降低。這是因?yàn)槲撮g伐林分具有較大的枯落物返還量，較厚的土壤表層枯落物和較高的腐殖質(zhì)含量，有利于土壤有機(jī)碳的積累。不同結(jié)構(gòu)的森林，土壤有機(jī)碳的來源會(huì)有較大差異，導(dǎo)致間伐對(duì)土壤有機(jī)碳的影響效果也會(huì)存在差異?？梢?，不同植被類型對(duì)間伐的響應(yīng)存在差異。其影響機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

不同間伐強(qiáng)度下，由于人為伐除喬木量和林下植被恢復(fù)情況不同，對(duì)土壤有機(jī)碳的影響差異較大，進(jìn)而對(duì)土壤活性有機(jī)碳不同組分產(chǎn)生影響。土壤微生物量碳一方面來源于土壤有機(jī)碳，另一方面來源于微生物，主要受光照、通氣和植被類型等的影響［16］。袁喆等［15］研究表明，土壤微生物量碳隨間伐強(qiáng)度變化趨勢(shì)為30% ＞10% ＞20% ＞0%，30%間伐強(qiáng)度林地顯著高于對(duì)照林。本研究表明，4種間伐強(qiáng)度都提高了柏木低效人工林土壤微生物量碳含量，隨著間伐強(qiáng)度的增大而增加，以T4和T3顯著高于其他處理(P＜0.05)。這可能是間伐后林內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變，可以增強(qiáng)微生物活性，加速微生物量碳的周轉(zhuǎn)，從而促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，增加了林下生物多樣性，有利于林木生長(zhǎng)。通過對(duì)植物多樣性的調(diào)查，T4和T3兩個(gè)間伐強(qiáng)度有利于提高柏木低效人工林林下灌木多樣性，而較高的植物多樣性，能為土壤微生物的繁殖和活動(dòng)創(chuàng)造更加有利的條件。另一方面，隨著林下植被蓋度的增加，土壤溫度和濕度的變化也有利于土壤微生物量碳的積累。此外，有研究［17］表明，土壤微生物生物量碳占有機(jī)碳的比率多在2%-4%之間。本研究表明，4種間伐強(qiáng)度及CK各土層土壤微生物量碳占總有機(jī)碳的比例在2.70%～3.83%之間，這與前人的研究結(jié)果一致。CK大于4種間伐強(qiáng)度所占比例。這表明，不同間伐強(qiáng)度在增加土壤微生物量碳的同時(shí)還增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

土壤水溶性碳主要來源于有機(jī)質(zhì)的淋溶和分解，其含量大小與凋落物的數(shù)量和分解速率有直接關(guān)系［18］。己有研究［19］指出，在一定程度上，增加土壤含水量能提高土壤有機(jī)碳的溶出、導(dǎo)致團(tuán)聚體的分散，進(jìn)而增加土壤水溶性有機(jī)碳含量。也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤水溶性有機(jī)碳含量主要取決于土壤有機(jī)碳含量和土壤黏粒的吸附作用，且土壤水溶性有機(jī)碳和土壤微生物量碳有較好的正相關(guān)關(guān)系，森林中約有12.1%～40.3%的土壤水溶性有機(jī)碳被微生物直接利用和吸收［20～22］。本研究表明，間伐增加了柏木低效人工林的水溶性碳含量，且隨著間伐強(qiáng)度的增加而增加(p＜0.05)。這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣地處于間伐初期，間伐后林分蓋度下降，而伴隨著降雨出現(xiàn)的土壤有機(jī)碳淋溶量有所增加，土壤溫濕度也有一定程度的升高，而隨著土壤溫濕度增加，土壤微生物的活性和生長(zhǎng)繁殖速度加快，含水量通過影響微生物活性間接影響土壤水溶性有機(jī)碳的含量。有研究表明［23］，土壤水溶性有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比值介于0.02%～0.16%。本研究表明，4種間伐強(qiáng)度的土壤水溶性碳含量占總有機(jī)碳的比值介于1.69%～2.19%，遠(yuǎn)高于前人的研究結(jié)果。這可能是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)2013年的降雨量比常年大，導(dǎo)致有機(jī)碳大量淋溶，土壤水溶性碳含量劇增。

土壤易氧化碳主要來源于植被凋落物、微生物、土壤腐殖質(zhì)和根系分泌物，主要位于土壤團(tuán)聚體的表面或大團(tuán)聚體之間或處于游離狀態(tài)，存在于松結(jié)合態(tài)復(fù)合體中，穩(wěn)定性差，易氧化和礦化，能更好地反映土壤質(zhì)量和土壤肥力的變化情況，并且與土壤理化性質(zhì)關(guān)系密切［24］。有研究表明，隨著間伐強(qiáng)度的增加，人工云杉林土壤易氧化碳含量增加，有機(jī)質(zhì)氧化穩(wěn)定性降低，碳庫管理指數(shù)上漲，促進(jìn)了有機(jī)碳更新，且30%間伐強(qiáng)度林地的易氧化碳含量顯著高于其他林地［15］。本研究表明，間伐對(duì)柏木低效人工林土壤易氧化碳含量的增加有明顯效果，且隨間伐強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)(p＜0.05)。這可能是因?yàn)殚g伐后林分密度減小，林地透光性能和光照強(qiáng)度增加，地面溫度升高，土壤動(dòng)物和微生物的活性增強(qiáng)，從而加速了枯枝落葉的分解，增加了土壤有機(jī)碳，進(jìn)而提高了土壤易氧化碳含量。

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