周秀峰， 張金林， 馮秀智， 盛衛(wèi)星， 吳家森

(1.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室,浙江 臨安311300; 2.浙江省建德市林業(yè)局, 浙江 建德 311600)

集約經(jīng)營對山核桃林地土壤腐殖質(zhì)組分碳含量的影響

周秀峰1， 張金林1， 馮秀智1， 盛衛(wèi)星2， 吳家森1

(1.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室,浙江 臨安311300; 2.浙江省建德市林業(yè)局, 浙江 建德 311600)

[目的] 研究并探討土壤腐殖質(zhì)各組分碳含量的變化規(guī)律，為山核桃林地土壤管理提供理論依據(jù)。[方法] 采集并分析山核桃林經(jīng)營歷史為5，10，15，20 a的土壤樣品的土壤腐殖質(zhì)各組分碳含量，并與天然混交林(0 a)進行比較。[結(jié)果] 與天然山核桃—闊葉混交林(0 a)相比，隨著經(jīng)營歷史的延長，林地土壤腐殖質(zhì)各組分碳含量的變化主要發(fā)生在表層(0—10 cm)，胡敏酸碳、富里酸碳和胡敏素碳含量均下降。與0 a相比，集約經(jīng)營5 a后胡敏酸碳、富里酸碳和胡敏素碳含量分別下降了42.8%，23.9%和21.2%，而集約經(jīng)營20 a后，分別下降了45.3%，39.0%，32.3%。集約經(jīng)營20 a后，亞表層(10—30 cm)土壤胡敏素碳含量上升了94.2%。[結(jié)論] 集約經(jīng)營降低了山核桃林地土壤表層和亞表層的胡敏酸碳和富里酸碳含量，同時也降低了表層土壤胡敏素碳含量，而提高了亞表層土壤胡敏素碳含量。

山核桃; 胡敏酸; 富里酸; 胡敏素; 集約經(jīng)營

文獻參數(shù)： 周秀峰, 張金林, 馮秀智, 等.集約經(jīng)營對山核桃林地土壤腐殖質(zhì)組分碳含量的影響[J].水土保持通報，2017,37(1)：067-071.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.0012; Zhou Xiufeng， Zhang Jinlin， Feng Xiuzhi, et al. Effects of intensive management on carbon content of soil humus composition inCaryacathayensisforest[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：067-071.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.012

土壤腐殖質(zhì)是指與礦質(zhì)結(jié)合形成的有機無機復合膠體，對土壤結(jié)構形成、土壤養(yǎng)分和水分的供應與保持都有重要影響，在一定程度上反映了土壤肥力狀況，由胡敏酸、富里酸和胡敏素等組成[1-4]。胡敏酸反映了土壤腐殖質(zhì)的類型和性質(zhì)，富里酸對促進礦物的分解和養(yǎng)分的釋放具有重要作用，而胡敏素是和土壤礦物質(zhì)結(jié)合緊密的較為穩(wěn)定的物質(zhì)[5]，HA/FA比值是衡量土壤腐殖質(zhì)復雜程度的指標[6]。

山核桃(Caryacathayensis)是中國獨有的高檔堅果和重要的木本油料植物，原產(chǎn)于浙江、安徽交界的天目山區(qū)，現(xiàn)有面積8.93×105hm2，其中50%左右是由山核桃—闊葉混交林經(jīng)純林化而改造而成的。在經(jīng)營過程中，為了方便采摘，施用除草劑進行除草，導致林下植被層缺失。這種特殊的林地管理對土壤質(zhì)量有何影響，前人已對經(jīng)營過程中土壤總有機碳、輕重組有機碳、微生物量碳及微生物多樣性進行了研究[7-10]，但對土壤腐殖質(zhì)不同組分碳含量的研究尚屬空白。本文擬通過空間代替時間的方法，研究集約經(jīng)營過程中山核桃林地土壤腐殖質(zhì)不同組分碳含量的變化規(guī)律，揭示不同經(jīng)營年限山核桃人工林土壤肥力退化的機制，以期提供管理林地土壤的科學基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)地處浙江省臨安市昌化鎮(zhèn)(30°03′02″N，119°08′54″E)，屬于亞熱帶季風氣候，年均溫16.4 ℃，極端最高氣溫41.7 ℃，極端最低氣溫-13.3 ℃，年均有效積溫5 774 ℃，年降水量1 628 mm，年日照時數(shù)1 774 h，無霜期235 d。土壤為發(fā)育于板巖的巖性土。試驗林分位于海拔200～260 m，坡度20°左右，每年5月上旬、9月上旬分別施用復合肥〔m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15〕600 kg/hm2，林下只有少許草本作物，且無灌木生長[11]。

1.2 試驗設計

本研究于2015年1月，在查閱臨安市森林經(jīng)營檔案的基礎上，進行野外踏查，在昌化鎮(zhèn)石坎村的3個小流域，分別在每個小流域選擇經(jīng)營5，10，15，20 a的山核桃純林各1塊(即每種經(jīng)營年限的樣地均為3個)，以樣地周圍山核桃—闊葉混交林作為對照(0 a)，在每個小流域中不同經(jīng)營歷史樣地的坡向、坡度和土壤類型相同，面積1 hm2左右。林分的基本特征見表1，樣地土壤化學性質(zhì)見表2。

表1 樣地林分基本特征

表2 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤化學性質(zhì)

在各樣地中，采用五點法，分別采集5個表層(0—10 cm)、亞表層(10—30 cm)土壤樣品，將其充分混合，然后采用四分法進行取樣。采集1 kg左右后帶回實驗室，去除較大石粒以及植物根莖等其他物質(zhì)，放置室內(nèi)陰涼處風干，過2 mm篩后混勻，備用。

1.3 分析方法

土壤總有機碳含量采用重鉻酸鉀—硫酸外加熱法測定。土壤總可提取腐殖質(zhì)(包括胡敏酸和富里酸)采用0.1 mol/L焦磷酸鈉和0.1 mol/L氫氧化鈉浸提。稱取過0.25 mm篩的風干土樣5 g，放入0.25 L錐形瓶中，加入0.1 L上述浸提劑，加塞，在往復式振蕩器(108 r/min)上振蕩5 min，放入沸水中煮60 min，過濾后分取部分濾液測定其腐殖質(zhì)碳含量。另分取部分濾液，經(jīng)酸化后，使胡敏酸沉淀，分離并測定其富里酸碳含量。腐殖質(zhì)、富里酸碳氮含量在島津TOC-vcph有機碳分析儀上測定[12]。胡敏酸碳=腐殖質(zhì)碳—富里酸碳；胡敏素碳=土壤碳—腐殖質(zhì)碳。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0軟件及Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理。用單因素方差分析和新復極差比較不同數(shù)據(jù)組間的差異(α=0.05)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤腐殖質(zhì)組分碳含量

2.1.1 山核桃林地土壤胡敏酸碳含量的變化 山核桃林地土壤胡敏酸含碳量表現(xiàn)為表層(0—10 cm)高于亞表層(10—30 cm)，隨著經(jīng)營年限的延長，土壤胡敏酸碳含量呈下降趨勢(圖1)。

注：不同小寫字母表示不同年限差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤胡敏酸碳含量

與天然混交林(0 a)相比，經(jīng)過5 a的集約經(jīng)營，山核桃林地表層土壤胡敏酸碳含量降低了42.8%，差異性達到顯著水平(p<0.05)。20 a后，土壤胡敏酸碳含量下降了45.3%，在不同年限之間的差異并不顯著(p>0.05)。與天然混交林相比，經(jīng)過20 a的集約經(jīng)營，山核桃林地亞表層土壤胡敏酸碳含量顯著下降，降幅達38.5%(p<0.05)，但山核桃經(jīng)營過程中的差異并不顯著(p>0.05)。

2.1.2 山核桃林地土壤富里酸碳含量的變化 山核桃林地土壤富里酸含碳量表現(xiàn)為表層高于亞表層，隨著經(jīng)營年限的延長，土壤富里酸碳含量呈下降趨勢(圖2)。

圖2 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤富里酸碳含量

與天然混交林相比，經(jīng)過5 a的集約經(jīng)營，山核桃林地表層土壤富里酸碳含量降低了23.9%，差異性達到顯著水平(p<0.05)，20 a后，土壤富里酸碳含量下降了39.0%，在不同年限之間的差異并不顯著(p>0.05)。

與天然混交林相比，經(jīng)過20 a的集約經(jīng)營，山核桃林地亞表層土壤富里酸碳含量顯著下降，降幅達33.9%(p<0.05)，但山核桃經(jīng)營過程中的差異并不顯著(p>0.05)。

2.1.3 山核桃林地土壤胡敏素碳含量的變化 隨著山核桃經(jīng)營年限的延長，林地土壤胡敏素含碳量在表層總體下降，而亞表層則呈上升的趨勢(圖3)。

圖3 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤胡敏素碳含量

與天然混交林相比，經(jīng)過5 a的集約經(jīng)營，山核桃林地表層土壤胡敏素碳含量降低了21.2%，差異性達到顯著水平(p<0.05)，20 a后，土壤胡敏素碳含量下降了32.3%，在不同年限之間的差異并不顯著(p>0.05)。隨著經(jīng)營年限的增長，林地亞表層土壤胡敏素碳含量先下降又上升的規(guī)律，與天然混交林相比，強度經(jīng)營5 a后，胡敏素碳含量下降了17.3%，而經(jīng)營20 a后，胡敏素碳含量增加了94.2%，差異性達到顯著水平(p<0.05)，但山核桃經(jīng)營過程中的差異并不顯著(p>0.05)。

2.2 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤腐殖質(zhì)碳組成的變化特征

由表3可知，隨著經(jīng)營歷史的延長，表層土壤胡敏酸碳、胡敏素碳占總有機碳的比例下降，而富里酸碳占總碳的比例則升高，但不同經(jīng)營歷史間的差異并不顯著(p>0.05)。林地亞表層土壤腐殖質(zhì)組分的含碳量占總碳比例的變化規(guī)律與表層相似。

山核桃林地土壤腐殖質(zhì)組分碳氮比(C/N)在不同經(jīng)營年限之間的差異并不顯著(表3)。林地表層土壤胡敏酸C/N介于9.8～11.6，富里酸C/N介于9.1～10.7，胡敏素C/N介于8.7～15.0；而亞表層土壤胡敏酸C/N介于10.8～13.5，富里酸C/N介于6.9～9.1，胡敏素C/N介于7.4～14.1。

林地土壤HA/FA隨著集約經(jīng)營歷史的延長，而略有下降，但不同經(jīng)營歷史階段之間的差異并不顯著(p>0.05)，山核桃林地土壤表層HA/FA介于0.54～0.69，亞表層HA/FA介于0.64～0.72，且表層土壤HA/FA均低于亞表層(表3)。

表3 集約經(jīng)營過程中土壤腐殖質(zhì)組分碳占總碳的比例

3 討 論

林地土壤腐殖質(zhì)組分碳含量隨林分種類、林齡、人為經(jīng)營措施等不同而產(chǎn)生變化。已有結(jié)果表明果園土壤腐殖質(zhì)含量明顯高于荒地土壤[13]，落葉松人工林的土壤腐殖質(zhì)含量隨著種植年限的增大而增加，直到接近熟林以后有所下降[14]。王義祥等[15]研究表明柑橘果園土壤腐殖質(zhì)碳組分隨著經(jīng)營年限的延長而下降。本研究表明在長期集約經(jīng)營過程中，山核桃的林地土壤的腐殖質(zhì)組分碳含量呈現(xiàn)總體下降的趨勢。

在長期集約經(jīng)營山核桃的過程中，林下灌木層和草本層的缺失，凋落物數(shù)量減少，影響了土壤腐殖質(zhì)的輸入，而另一方面人工施肥、農(nóng)藥的施入、除草及果實采摘等活動對土壤環(huán)境產(chǎn)生了干擾，影響土壤腐殖質(zhì)的輸出。隨著經(jīng)營年限的增長，林地土壤腐殖質(zhì)組分的質(zhì)量分數(shù)逐漸下降，可認為是人為經(jīng)營對土壤的擾動破壞了腐殖質(zhì)依附的土壤物理結(jié)構、土壤團聚體和合成腐殖質(zhì)的土壤微生物等，使得腐殖質(zhì)碳分解為CO2，從土壤中釋放出來[16]；同時林地土壤土質(zhì)疏松易于流失，其侵蝕模數(shù)在1 157～3 887 t/(km2·a)[17]，這也是腐殖質(zhì)組分下降的原因之一。

胡敏素是最難分解的、性質(zhì)不活潑的土壤腐殖質(zhì)組分之一。在本研究中，土壤表層胡敏素碳含量隨著經(jīng)營歷史的延長而下降，而在亞表層則隨著經(jīng)營年限的增加而上升。在山核桃經(jīng)營過程中，大量的人為經(jīng)營活動(除草、施肥)及土壤徑流淋溶的影響[18-19]，土壤中穩(wěn)定的胡敏素由表層向下遷移至亞表層，從而使林地亞表層土壤胡敏素碳含量顯著提高。而肖斌等[20]研究表明，桉樹林和馬尾松林不同連栽代次的土壤腐殖質(zhì)碳及各組分碳含量隨土壤深度的增加而減少。

碳氮比是表征土壤肥力質(zhì)量的重要指標，反映了土壤腐殖質(zhì)中碳、氮組成的變化，以及土壤腐殖質(zhì)組分中碳氮比值的不同，還表示土壤有機碳降解和腐殖化程度的區(qū)別。本研究發(fā)現(xiàn)林地土壤胡敏酸C/N高于富里酸C/N，這與龔偉等[21]研究結(jié)果相反。

HA/FA比值是土壤腐殖質(zhì)成份變異的指標之一，影響土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素。本研究中HA/FA比值的下降，說明山核桃林的長期高度經(jīng)營降低了林地土壤腐殖化程度。由于山核桃人工經(jīng)營，造成了較大的土壤侵蝕，土壤徑流移去含量較高的腐殖質(zhì)的土粒，其HA/FA 比值及胡敏酸的含量也較高，侵蝕造成了土壤腐殖質(zhì)含量的下降，也降低了胡敏酸的比例和HA/FA比值。這與李忠佩等[22]研究結(jié)果隨著侵蝕強度的增加，土壤總有機碳、胡敏酸碳和HA/FA明顯下降相似。

4 結(jié) 論

集約經(jīng)營山核桃林會使林地土壤表層(0—10 cm)胡敏酸碳和富里酸碳含量明顯下降，且隨著經(jīng)營歷史的延長胡敏酸碳和富里酸碳下降幅度不同，集約經(jīng)營5 a下降幅度最大，同時土壤底層(10—30 cm)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律。而集約經(jīng)營過程中胡敏素碳含量在土壤表層(0—10 cm)和土壤亞表層(10—30 cm)表現(xiàn)出不同的規(guī)律，即胡敏素碳含量在土壤表層(0—10 cm)總體下降，而在土壤亞表層(10—30 cm)總體上升。

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Effects of Intensive Management on Carbon Content of Soil Humus Composition inCaryaCathayensisForest

ZHOU Xiufeng1， ZHANG Jinlin1， FENG Xiuzhi1， SHENG Weixing2， WU Jiasen1

(1.KeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestrationofZhejiangProvince,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an，Zhejiang
311300,China; 2.ForestEnterpriseofJiandeCity,Jiande,Zhejiang311600,China)

[Objective] The objective of this study is to research the variation of soil humus carbon content ofCaryacathayensis(Chinese hickory) forest after intensive management, in order to provide theoretical basis for soil management in the forest. [Methods] Based on the long-term investigation, we collected the soil samples from forests that were intensively-managed for 5, 10, 15, and 20 years, respectively. We then analyzed the soil humus of the intensively-managed forests(IMF), and compared with the evergreen and deciduous broadleaf forest(EDBF). [Results] The variation of soil humus carbon content mainly occurred in the surface soil. Soil humus including humic acid carbon(HAC), fulvic acid carbon(FAC), and humin acid carbon(HMC) decreased as an EDBE were converted to an IMF. Compared to the EDBF, there was a decrease in HAC(42.8%), FAC(23.9%), and HMC(21.2%) in the Chinese hickory forests after a 5-year of intensive management. After a 20-year intensive management, HAC, FAC, HMC were decreased by 45.3%, 39.0% and 32.3%, respectively. As to the sub-surface, after 20 years, HMC increased by 94.2%. [Conclusion] Intensive management reduced the content of the soil humic acid and fulvic acid carbon at surface and sub-surface soil.

Caryacathayensis; humic acid; fulvic acid; humin acid; intensive management

2016-06-21

2016-07-25

浙江省科技廳項目“浙江省林業(yè)碳匯與計量科技創(chuàng)新團隊”(2009R50033)

周秀峰(1988—),女(漢族),山西省朔州市人,碩士研究生,研究方向為森林土壤學研究。E-mail:389475802@QQ.com。

吳家森(1972—),男(漢族),浙江省麗水市人,博士,教授級高級工程師,碩士生導師,從事森林土壤與環(huán)境研究。E-mail:jswu@zafu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0067-05

S714.5