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凤阳山不同林分类型对土壤有机碳的影响

张勇  
【摘要】:在气候变化的大背景下,森林土壤有机碳已经成为全球碳循环研究的重点。植被群落演替是环境与植被相互作用协同演变的过程,这其中不仅植物组成和结构发生改变,同时土壤性质特别是有机碳也会同步发生变化。本研究在凤阳山国家级自然保护区对立地条件、演替时间基本相同的常绿阔叶林与杉木林(Cunninghamia lanceolata)、针阔混交林与柳杉林(Cryptomeria fortunei)的土壤有机碳、团聚体及其内有机碳、有机碳化学结构和稳定性等进行了全方位系统性研究,以探求林分因子对土壤有机碳库影响的关键机理,为今后制定林业应对气候变化政策,指导区域森林经营等提供科学依据。结果显示:(1)常绿阔叶林土壤有机碳含量高于杉木林,柳杉林高于针阔混交林。常绿阔叶林0~20 cm、20~40 cm土层易氧化有机碳含量分别为1518.47 mg/kg和786.63 mg/kg,分别显著高于杉木林(P0.05);柳杉林0~20 cm、20~40 cm土层为1342.36 mg/kg和540.35 mg/kg,分别显著低于针阔混交林(P0.05);易氧化有机碳总体呈现出夏季较高、冬季较低的变化特征。常绿阔叶林0~20 cm、20~40 cm土层稳定态有机碳含量为2.23 g/kg和1.60 g/kg,分别显著高于杉木林(P0.05);柳杉林0~20 cm、40~60 cm为2.36 g/kg和1.31 g/kg,分别显著高于针阔混交林(P0.05)。随着土层加深,土壤有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳含量呈逐渐降低趋势。(2)各林分类型土壤均以2 mm大粒径团聚体组成为主,占比在69.98%~77.74%之间。常绿阔叶林0~20 cm、20~40 cm土层团聚体平均质量直径比杉木林同层分别高出4.98%和6.86%,柳杉林均高于针阔混交林。常绿阔叶林0~20 cm、20~40 cm几何平均直径分别比杉木林高出8.41%和15.05%,柳杉林0~20 cm高出针阔混交林9.23%。常绿阔叶林0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm分形维数分别为2.00、2.09和2.01,均低于杉木林;针阔混交林0~20 cm、40~60 cm为2.08和2.16,均高于柳杉林。随着土层加深,各林分2 mm大团聚体含量、平均质量直径、几何平均直径呈逐渐变小趋势,而分形维数呈变大趋势。各林分0~20 cm和20~40 cm土层,团聚体内有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳含量随团聚体粒径变小均呈逐渐升高趋势。同一林分0~20 cm土层各粒级团聚体内有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳含量均明显高于20~40 cm的同一粒级。同一土层,常绿阔叶林各粒级团聚体内有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳含量基本高于杉木林同粒级,柳杉林各粒级团聚体内有机碳和稳定态有机碳含量也基本高于针阔混交林。(3)不同林分类型0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层的容重、p H值及全氮、速效磷、速效钾含量分别介于0.71~0.91 g/cm3、4.43~5.14和1.05~3.11 g/kg、6.01~8.35 mg/kg、88.08~161.94 mg/kg之间。在垂直剖面上,容重和p H值随着土层加深基本呈逐渐升高趋势,而全氮、速效磷、速效钾含量均表现为降低趋势,这符合土壤性质的一般垂直变化规律。土壤有机碳与容重、p H值负相关,与全氮、易氧化有机碳、稳定态有机碳、平均质量直径正相关;易氧化有机碳与p H值负相关,与全氮、稳定态有机碳正相关;稳定态有机碳与容重、分形维数负相关,与全氮、易氧化有机碳、速效钾、平均质量直径、几何平均直径均正相关。全氮是土壤有机碳的关键主导影响因子,土壤有机碳是易氧化有机碳的关键主导影响因子,土壤有机碳、分形维数是稳定态有机碳的关键主导影响因子。(4)与杉木林相比,常绿阔叶林0~20 cm、20~40 cm土层土壤有机碳中烷氧碳较高,烷基碳、芳香碳、烷基碳/烷氧碳、疏水碳/亲水碳则较低,说明常绿阔叶林土壤有机碳稳定性较差;与针阔混交林相比,柳杉林两层土壤有机碳中烷基碳、烷基碳/烷氧碳、疏水碳/亲水碳较高,烷氧碳较低,说明柳杉林土壤有机碳稳定性较好。与0~20 cm土层相比,各林分20~40 cm的烷氧碳均明显降低,烷基碳、烷基碳/烷氧碳、疏水碳/亲水碳均明显升高,有机碳稳定性变好。随着团聚体粒径增大,烷基碳、烷基碳/烷氧碳、疏水碳/亲水碳均呈降低趋势,烷氧碳均呈升高趋势,说明团聚体结合的有机碳稳定性变差。究其原因,林分结构和树种组成的不同是影响土壤有机碳化学结构及稳定性差异的主要因素。(5)0~20 cm土层,常绿阔叶林土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量为707.60 mg/kg和301.74 mg/kg,均分别显著高于杉木林的582.53 mg/kg和208.30 mg/kg(P0.05);柳杉林为678.71 mg/kg和316.33 mg/kg,均分别显著高于针阔混交林的626.05 mg/kg和269.40 mg/kg(P0.05)。随着培养时间的延长,10℃下,各林分土壤微生物量碳含量总体均呈前期下降快、后期下降慢的趋势,可溶性有机碳含量则呈先上升后下降的趋势;20℃下,各林分微生物量碳、可溶性有机碳均呈相对缓慢下降的趋势;30℃下,各林分微生物量碳均呈先上升后下降的趋势,可溶性有机碳则呈前期下降快、后期下降慢的趋势。同一林分在不同温度培养下,相同测定时间点的微生物量碳含量均表现为30℃20℃10℃,可溶性有机碳含量均表现10℃20℃30℃。同一温度下培养,常绿阔叶林、针阔混交林微生物量碳和可溶性有机碳整体上分别比杉木林、柳杉林易波动。


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