游巍斌 李 穎 周 艷 何東進(jìn),4

（1. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 福州 350002；2. 福建省南方森林資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心 福州 350002；3. 武夷山國(guó)家公園科研監(jiān)測(cè)中心 武夷山 354300；4. 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福州 350119）

森林是陸地上最大的碳匯（Hinsonet al.，2017），在全球碳循環(huán)中具有重要作用；森林土壤碳儲(chǔ)量發(fā)生微小變化將對(duì)全球氣候產(chǎn)生巨大影響（Brincket al.，2017）。經(jīng)濟(jì)作物種植（Danielset al.，1995）、森林采伐（Luyssaertet al.，2008；Harmonet al.，1990）和開(kāi)發(fā)建設(shè)（Myroniuket al.，2020；Bacciniet al.，2017）等不同形式的土地利用/覆蓋（Land-use and land-cover，LULC）變化，會(huì)改變植被覆蓋和水熱條件、土壤理化性質(zhì)和生物化學(xué)過(guò)程，引起土壤有機(jī)碳含量變化并影響森林碳固存（覃智蓮等，2020）。

種植經(jīng)濟(jì)作物導(dǎo)致大面積森林覆被改變的同時(shí)，也加劇了全球森林破碎化，森林與其他土地類(lèi)型接壤的邊緣地帶面積和長(zhǎng)度也隨之增加（田超等，2011；Smithet al.，2018）。全球近20%的森林面積位于森林邊緣100 m 的范圍之內(nèi)（Haddadet al.，2015）。隨著森林邊緣地帶的不斷增加，森林邊緣地帶的碳儲(chǔ)量和碳匯變化也受到關(guān)注（Remyet al.，2017；d'Albertaset al.，2018）。例如，Chaplin-Kramer 等（2015）結(jié)合遙感生物量估測(cè)和土地覆蓋數(shù)據(jù)集研究發(fā)現(xiàn)，全球熱帶森林距離其邊緣范圍（500 m）內(nèi)的森林平均碳存儲(chǔ)比森林內(nèi)部降低了25%，同時(shí)指出IPCC 第1 層方案高估了10%的熱帶森林碳儲(chǔ)量。Saeed 等（2019）研究中國(guó)東南部杉木（Cunninghamia lanceolata）林后發(fā)現(xiàn)，森林邊緣與森林內(nèi)部的土壤有機(jī)碳碳密度差異近6%。然而，Reinmann 等（2017）在對(duì)美國(guó)新英格蘭南部的典型溫帶闊葉林研究卻發(fā)現(xiàn)相反結(jié)果，即從森林內(nèi)部到邊緣（將林緣向林內(nèi)20 m 界定為邊緣）森林生長(zhǎng)和生物量平均增長(zhǎng)了89%和64%，森林破碎化導(dǎo)致的邊緣增多使碳吸收和碳儲(chǔ)存分別增加了13%和10%?？梢?jiàn)，森林邊緣增加對(duì)森林土壤碳固持的影響尚未有一致結(jié)論，對(duì)其影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)也十分有限。

中國(guó)是世界上最早栽培茶樹(shù)的國(guó)家，茶區(qū)分布廣泛；在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，中國(guó)茶園面積擴(kuò)張了近10 倍，茶園總面積占世界的一半左右（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2017）。茶園種植已是我國(guó)南方丘陵地區(qū)對(duì)山地森林的典型的土地利用/覆被類(lèi)型（land-use and land-cover，LULC）變化。在考慮林緣效應(yīng)影響下，探究茶園種植對(duì)森林邊緣地帶碳匯潛力及其變化的影響，對(duì)提高區(qū)域碳匯估算精度具有重要價(jià)值。

武夷山是中國(guó)十大名茶“武夷巖茶”的主要產(chǎn)區(qū)，20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，隨著武夷巖茶的快速發(fā)展，武夷山森林改茶園的土地利用的轉(zhuǎn)變十分普遍（陳玉真等，2018），這些森林林分與現(xiàn)存茶園毗鄰，但本底條件（母巖、土壤和氣候條件）相似。因此，本研究選擇武夷山國(guó)家公園馬尾松純林和由其轉(zhuǎn)換的毗鄰茶園，探究以茶園占用馬尾松林地為代表的LULC 變化以及影響馬尾松林土壤碳含量的變化的林緣效應(yīng)，以期為揭示茶園種植對(duì)森林土壤碳匯潛力和碳匯估算不確定的影響提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

武夷山國(guó)家公園（27°33′—27°54’N、117°27’—118°01’E）位于福建省北部，總面積1 001.41 km2，地處中亞熱帶，為中亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，四季分明，自然環(huán)境優(yōu)越，動(dòng)植物資源豐富。武夷山國(guó)家公園森林覆蓋率為87.86%，其中28.6%為馬尾松林。該區(qū)自唐朝以來(lái)為茶葉主產(chǎn)區(qū)，且茶園分布零散，較少有大規(guī)?；蚣谐善牟枭剑ㄊ捥煜?，2008）。自20 世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著武夷山地區(qū)茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)?shù)夭鑸@迅速擴(kuò)張和無(wú)序開(kāi)發(fā)，使林地或耕地改為茶園的土地利用/覆蓋變化方式十分普遍（Youet al.，2017）。

2 研究方法

2.1 采樣區(qū)篩選與取樣

結(jié)合武夷山國(guó)家公園地形圖、土壤類(lèi)型圖和森林小班圖以及實(shí)地勘察，在海拔、坡度、土壤類(lèi)型（紅壤）和茶園種植管理方式基本一致的區(qū)域，選取8 個(gè)馬尾松純林及其毗鄰茶園作為采樣區(qū)（茶園均是因占用與其接壤的次生馬尾松林轉(zhuǎn)化而來(lái)，以下將這類(lèi)毗鄰茶園稱(chēng)為“林改茶園”）。在每個(gè)采樣區(qū)內(nèi)，以茶園與馬尾松林接壤的“茶-林”邊緣為界，沿著垂直于海拔梯度的水平方向，設(shè)置從馬尾松林邊緣向林內(nèi)延50 m樣線，分別在樣線上距林緣1、20 和50 m 的位置設(shè)置3 個(gè)采樣點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)林距1 m、林距20 m 和林距50 m），同時(shí)在每個(gè)林距采樣點(diǎn)處的上下兩側(cè)5 m 處再增設(shè)2個(gè)土壤采樣點(diǎn)，使用直徑7 cm 的土鉆采集3 個(gè)采樣點(diǎn)的表層（0～20 cm）土壤（去除地表枯落物），并在相應(yīng)位置處取原狀土測(cè)定土壤密度、孔隙度和含水率等指標(biāo)。同時(shí)，在樣線上反向延伸入茶園5 m 處（茶園內(nèi)種植和管理方式一致），用上述方式取樣并測(cè)定對(duì)應(yīng)指標(biāo)。在8 個(gè)采樣區(qū)的4 個(gè)林距（含茶園內(nèi)）各取3 個(gè)表層土樣，共96 個(gè)土樣。將上述土樣在采集以后馬上密封、冷藏保存帶回實(shí)驗(yàn)室處理，用于土壤理化指標(biāo)測(cè)定。采樣區(qū)基本概況見(jiàn)表1。

2.2 土壤指標(biāo)測(cè)定

土壤樣品去除根系、石礫以及動(dòng)植物殘?bào)w后，過(guò)2 mm 篩，一部分樣品自然風(fēng)干后用于測(cè)定土壤pH 值和有機(jī)碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量；另一部分4 ℃冷藏用于測(cè)定微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、可溶性有機(jī)碳（DOC）、可溶性有機(jī)氮（DON）、銨態(tài)氮硝態(tài)氮含量等。土壤pH 值采用玻璃電極pH計(jì)測(cè)定。TOC 和TN 采用元素分析儀（Vario isotope cube, 德國(guó)）測(cè)定（習(xí)丹等，2020）。TP 采用硫酸鉬銻抗比色法測(cè)定；TK 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS 分析儀）測(cè)定。MBC 和MBN 采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法（林先貴，2010）；DOC 和DON 采用總有機(jī)碳分析儀（TOC-VCPH/CPN，日本）測(cè)定。和用氯化鉀浸提后，靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，采用紫外分光光度法測(cè)定。土壤含水率（SM）用烘干法測(cè)定；土壤密度（BD）和孔隙度（SP）用環(huán)刀法測(cè)定（鮑士旦，2000；劉明輝等，2020）。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用R3.6.3 中rcompanion 包（Mangiafico，2020）的置換檢驗(yàn)（permutation test），檢驗(yàn)茶園和3 個(gè)林距的TOC、DOC、MBC 含量和其他土壤理化指標(biāo)的差異顯著性。以TOC、DOC、MBC 等3 個(gè)土壤碳含量作為響應(yīng)變量，以土壤理化指標(biāo)、邊緣年齡（BA）和土地類(lèi)型/覆被類(lèi)型（LULC）3 方面的因子作為潛在解釋變量，采用vegan 包進(jìn)行冗余分析（RDA）；為進(jìn)一步分析影響TOC、DOC 和MBC 含量的關(guān)鍵因素，在冗余分析的基礎(chǔ)上，采用lm()函數(shù)對(duì)單個(gè)土壤碳含量指標(biāo)及其影響因素進(jìn)行逐步回歸分析。采用prcomp 函數(shù)對(duì)不同林距處土壤屬性進(jìn)行主成分分析。

比較馬尾松林改為茶園后的土壤碳變化程度，計(jì)算公式如下：

式中：EV 為效應(yīng)值（effect value）；SCCt 為茶園土壤碳含量均值（mean soil carbon content of tea plantation）；SCCp 為馬尾松林土壤碳含量均值（mean soil carbon content ofPinus massonianaforest）。

由于研究區(qū)內(nèi)能滿足本研究需要的“林—茶”采樣區(qū)十分有限，本研究?jī)H獲得小樣本的采樣區(qū)數(shù)量，故采用置換檢驗(yàn)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，并在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中將顯著性水平α 設(shè)為0.1（Amrheinet al.，2019）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳含量及理化性質(zhì)沿林緣距離的變化

3.1.1 土壤碳含量 馬尾松林改茶園后，土壤TOC和DOC 含量顯著低于馬尾松林內(nèi)所有林距點(diǎn)（P＜0.05）（圖1），呈土壤TOC 和DOC 含量從林內(nèi)向林緣及茶園方向的下降。TOC 含量均值在林距50 m、20 m、1 m 和毗鄰林改茶園處依次為31.08、30.67、22.26 和13.25 g·kg-1；DOC 含量均值在林距50 m、20 m、1 m 和林改茶園處依次為269.7、259.8、226.5 和135.45 mg·kg-1。與林距50 m 處相比，DOC 含量在林距20 m 略微降了3.7%，至林距1 m 和茶園處顯著下降16%和50%。此外，茶園土壤MBC 含量為283.4 mg·kg-1與林距50 m、20 m 和1 m 處的299.3、382.6 和310.6 mg·kg-1無(wú)顯著差異（P＞0.1）。

圖1 馬尾松林內(nèi)至林緣及毗鄰茶園處土壤表層碳含量變化Fig. 1 Changes of topsoil carbon content from inner-P. massoniana forest to forest edge and adjacent tea plantation

3.1.2 土壤理化指標(biāo) 由表2 可見(jiàn)，馬尾松林內(nèi)與茶園的土壤理化特性總體上差異較大，而不同林距的土壤理化特性幾乎無(wú)顯著差異（除BD、SP、TP 外）。pH值、BD、SP、SM、TN、TP 和TK 等理化指標(biāo)的變異系數(shù)變化在10%～50%之間（其中SM 變異最?。?；而DON、MBN、等活性氮相關(guān)指標(biāo)的變異系數(shù)明顯增大（介于20%～80%）。具體來(lái)看，茶園土壤pH 值和TN 均值最低，分別為4.54 ± 0.23 和（0.96± 0.22） g·kg-1，從林緣向林內(nèi)兩者均有所增加（P＞0.1）。茶園BD 均值為（1.76 ± 0.13） g·cm-3，從林緣至林內(nèi)下降趨勢(shì)明顯。茶園TP 均值為（0.18 ± 0.04） g·kg-1，與馬尾松林內(nèi)差異顯著，且不同林距的TP 也存明顯區(qū)別。此外，TK、MBN 和均值在不同林距之間差異不顯著。

表2 馬尾松林內(nèi)至林緣及毗鄰茶園處表層土壤理化性質(zhì)特征①Tab. 2 Physical and chemical properties of topsoil from inner-P. massoniana forest to forest edge and adjacent tea plantation

3.2 馬尾松林轉(zhuǎn)為茶園后導(dǎo)致的土壤碳含量變化

為剔除邊緣效應(yīng)，以林距20 和50 m 處土壤碳含量作為不受茶園種植影響的馬尾松林土壤碳含量，計(jì)算碳含量的變化。由表3 可知，馬尾松林轉(zhuǎn)為茶園后，表層土壤TOC 和DOC 含量均值分別下降了57.4%和48.8%（P＜0.01），MBC 均值含量也下降了16.9%。在8 個(gè)采樣區(qū)之間，馬尾松林表層土壤碳含量變異系數(shù)較高（約40%～80%），尤其是MBC；而茶園土壤表層TOC、DOC 和MBC 含量的變異系數(shù)明顯較低，介于20%～40%之間。

表3 馬尾松林轉(zhuǎn)為茶園后表層土壤碳含量變化①Tab. 3 Changes of topsoil carbon content after P. massoniana forest transformed into tea plantation

3.3 影響土壤碳含量變化的相關(guān)因素

林內(nèi)至林緣及毗鄰茶園表層土壤性質(zhì)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果見(jiàn)圖2，前兩軸共同解釋了樣本總變異的50.6%。林距20 m（藍(lán)圈）和50 m（紅圈）重疊部分最多，表明林距20 和50 m 處土壤特征屬性相似度高。林距1 m（紫圈）與林距20 m（藍(lán)圈）、50 m（紅圈）及毗鄰茶園（黃圈）均有部分重疊，表明林緣土壤兼具兩側(cè)土地利用類(lèi)型的土壤特征。此外，林距20 m 和50 m的圈層與毗鄰茶園的圈層明顯分離，表明它們的土壤特性明顯不同。

圖2 馬尾松林與毗鄰茶園表層土壤特性的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of topsoil properties in P.massoniana forest and adjacent tea plantation

RDA 冗余分析結(jié)果（圖3）顯示：土壤理化性質(zhì)、BA 和LULC 對(duì)3 個(gè)土壤碳含量指標(biāo)的總解釋率為40.56%（約94%集中于第一軸）。TOC、DOC 和MBC含量與解釋變量的逐步回歸方程見(jiàn)表4。TOC 和DOC 擬合效果好，二者的調(diào)整R2均達(dá)到0.76 以上；但MBC 的調(diào)整R2接近于零。具體來(lái)說(shuō)，土壤TOC 含量主要與TN、DON、SM、和LULC(Tea)的密切相關(guān)，它們共同解釋了TOC 變異的87.7%。DOC 含量主要受TN、DON、、pH、LULC(Tea)和BA的作用，它們共同解釋了DOC 變異的76.6%。

圖3 采樣點(diǎn)表層土壤碳含量與相關(guān)因子的冗余分析Fig. 3 Redundancy analysis of topsoil carbon content and relevant factors in sampling points

表4 土壤TOC、DOC 和MBC 含量的逐步回歸方程①Tab. 4 Stepwise regression equation for topsoil carbon content of each carbon component

4 討論

4.1 茶園種植對(duì)馬尾松林緣土壤碳含量的影響

本研究表明，馬尾松林緣土壤TOC 和DOC 含量會(huì)受到茶園種植的影響，越靠近林緣時(shí)表層土壤的TOC 和DOC 含量越小，在林緣至林距20 m 范圍內(nèi)這種現(xiàn)象更明顯，但表層土壤MBC 含量的林緣效應(yīng)不顯著（P＞0.1）。已有研究表明，土壤有機(jī)碳含量受植被類(lèi)型、年齡、根系分布、凋落物分解程度、地形因子和土壤理化性質(zhì)等多因素影響（丁雪麗等，2012）。林內(nèi)土壤TOC 和DOC 含量與林緣的差異的原因可能為：1）林內(nèi)至林緣的凋落物數(shù)量和質(zhì)量變化；林內(nèi)凋落物以馬尾松針葉為主，而林緣的林下光照充足、高溫低濕， 草本生長(zhǎng)更旺盛， 凋落物以芒萁（Dicranopteris dichotoma）為主。馬尾松凋落物中的碳?xì)w還量顯著高于芒萁（張世良等，2021）；林緣易受人類(lèi)活動(dòng)影響，凋落物層較薄，限制了有機(jī)碳?xì)w還土壤（柯嫻氡等，2012）。2）靠近林緣處有更加明顯的溫度和降水沖擊，加劇了土壤有機(jī)質(zhì)分解和淋溶損失，使有機(jī)碳含量降低（Barroset al.，2016）。

土壤有機(jī)碳是重要的碳匯（Maet al.，2017），DOC是最活躍的組分之一（劉翥等，2015），其主要來(lái)源于腐殖化的有機(jī)質(zhì)、地上凋落物、根系分泌物和土壤微生物量（Carrillo-Gonzalezet al.，2013）。馬尾松林改為茶園后，由于茶園土壤表層凋落物輸入量減少或被清理，茶園內(nèi)的可溶性有機(jī)碳（包括土壤腐殖質(zhì)）含量明顯下降，這與前人研究結(jié)果一致（劉霞嬌等，2018；付志藍(lán)等，2020）。即在不考慮季節(jié)差異情況下，茶園的凋落物輸入量偏少，加之茶葉采收和茶園管理使得土壤有機(jī)物歸還土壤量減少，造成土壤有機(jī)碳含量下降，而林地土壤TOC 含量高于茶園（付志藍(lán)等，2020）。MBC 含量在茶園與林地之間無(wú)顯著差異，這可能是由于茶園管理因施加各種有機(jī)肥和化肥使土壤微生物種群多樣性和活動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生了變化，從而形成較高的微生物生物量和微生物活性（吳志丹等，2015；李夢(mèng)菡等，2021）；另一方面，茶園翻耕破壞了表層土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，降低了有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制，提高了碳的微生物利用效率，因而MBC 含量提高（李英等，2017）。綜上所述，在進(jìn)行涉及不同土地利用方式的邊緣地帶的野外調(diào)查與取樣時(shí)，應(yīng)充分考慮林緣效應(yīng)的影響。

4.2 土壤碳含量林緣效應(yīng)的影響因子

本研究表明，土壤碳（TOC、DOC 和MBC）含量及其變化過(guò)程受土壤理化性質(zhì)、土地利用/覆被類(lèi)型和林緣年齡等多方面因素的綜合作用。逐步回歸分析結(jié)果表明，土壤氮含量指標(biāo)（TN、DON 和）和茶園用地對(duì)TOC 和DOC 含量均產(chǎn)生不同程度的作用；且TN 是貢獻(xiàn)最大的解釋變量。林緣年齡僅對(duì)DOC含量產(chǎn)生影響。TN 是影響表層土壤碳積累的重要因素，隨土壤中氮的增加可以減少土壤有機(jī)質(zhì)礦化，并通過(guò)微生物生物量影響土壤有機(jī)質(zhì)的固定，促進(jìn)有機(jī)碳的積累（Hickset al.，2019；Wiesmeieret al.，2019）。

pH 值是影響DOC 產(chǎn)生和淋溶損失的主要因素（Justineet al.，2017；Chenet al.，2017），本研究中pH 值對(duì)DOC 含量具有負(fù)向作用。在一定范圍內(nèi)，土壤pH值較低會(huì)影響基質(zhì)的有效性和微生物活性，限制微生物利用土壤有機(jī)質(zhì)的效率，促進(jìn)可溶性有機(jī)碳的積累（何冬梅等，2016）。此外，回歸方差結(jié)果表明，MBC僅受到pH 值的影響，且方程擬合度極低（P＞0.05）。已有研究中，關(guān)于MBC 含量影響因素的結(jié)論差異較大。例如，吳曉玲等（2019）研究認(rèn)為，年均溫、干燥度、年均降水量和母質(zhì)是MBC 的主要影響因素；王薪琪等（2017）的研究則表明土壤微生物生物量的主要影響因子隨林齡而變，如采伐后天然更新10 年的落葉闊葉林0～10 cm 土層的MBC 與pH 值無(wú)顯著的相關(guān)性，主要受到DON 和土壤溫度的影響?？梢?jiàn)，MBC受土壤性質(zhì)、植物、林齡、生物量、氣候、成土母質(zhì)和地形等多因素的綜合復(fù)雜作用，研究結(jié)果較難統(tǒng)一。

在全球森林破碎化日趨嚴(yán)重的背景下，傳統(tǒng)研究中將同一土地利用/覆被類(lèi)型的碳匯潛力均質(zhì)看待，這存在著很大的不確定性。即使在不同土地利用類(lèi)型之間的土壤容重變化相對(duì)較小時(shí)，森林邊緣地帶的土壤碳含量下降也很可能導(dǎo)致在景觀或區(qū)域尺度上對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的估算誤差；但事實(shí)上，如本研究結(jié)果所示，土壤密度受土地利用類(lèi)型變化的影響也很大，這也使得森林土壤碳庫(kù)的林緣效應(yīng)的影響評(píng)價(jià)更加復(fù)雜。土壤碳含量作為碳庫(kù)計(jì)算的基礎(chǔ)，在獲得其含量的前提下，還需結(jié)合土壤深度和土壤密度才能夠計(jì)算出土壤碳密度。本文對(duì)土壤碳含量的林緣效應(yīng)進(jìn)行研究，故有其局限性。此外，地上植被、地下植被和土壤組分的碳庫(kù)直接決定了森林碳儲(chǔ)量和碳匯潛力；這3 個(gè)碳庫(kù)組分之間的權(quán)衡或協(xié)調(diào)變化以及形成各組分林緣效應(yīng)的影響因素的多樣性，極大增加了在全球森林破碎化背景下林緣效應(yīng)影響景觀或區(qū)域尺度上碳儲(chǔ)量和碳匯潛力評(píng)估的不確定性和復(fù)雜性，今后可采用整合分析的思路方法就該問(wèn)題深入探究。需要說(shuō)明的是，表層土壤最易受到土地類(lèi)型變化和林緣效應(yīng)的影響，而本研究?jī)H為表層土壤，今后的研究應(yīng)考慮不同土層碳庫(kù)和植被碳庫(kù)受林緣效應(yīng)的影響，尤其是通過(guò)設(shè)置野外原位定位研究來(lái)進(jìn)一步完善對(duì)林緣效應(yīng)的影響機(jī)制和變化規(guī)律及作用。

5 結(jié)論

馬尾松林改為茶園后，林緣和茶園的表層土壤TOC、DOC 和MBC 含量呈現(xiàn)沿馬尾松林內(nèi)向林緣及茶園方向的下降趨勢(shì)，其中TOC 和DOC 含量顯著下降。因此，在景觀或區(qū)域尺度上評(píng)價(jià)森林的碳庫(kù)大小和碳匯功能時(shí)，應(yīng)考慮林緣效應(yīng)的影響，否則會(huì)影響估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。