庐山亚热带森林土壤活性有机碳氮库研究
Study on Soil Active Organic Carbon and Nitrogen Pool in Subtropical Forest of Lushan Mountain
DOI: 10.12677/HJSS.2022.104019, PDF, HTML, XML, 下载: 71  浏览: 442  科研立项经费支持
作者: 于法展, 张忠启, 单勇兵:江苏师范大学,地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州
关键词: 森林类型土壤理化特性土壤活性有机碳氮庐山Forest Type Physical and Chemical Properties of Soil Soil Active Organic Carbon and Nitrogen Lushan Mountain
摘要: 系统研究森林土壤活性有机碳氮库对全球气候变化以及碳氮循环有重大的指导意义。选取庐山8种典型性森林类型下土壤为研究对象,通过野外调查和分析测试,比较不同森林类型下土壤理化特性以及活性有机碳、氮的含量,揭示不同森林土壤活性有机碳氮库的差异与规律,以期为进一步了解该地区碳氮循环过程机制提供数据支撑。
Abstract: Systematic study of forest soil active organic carbon and nitrogen pool has great guiding significance for global climate change and carbon and nitrogen cycle. The soil under 8 typical forest types in Lushan Mountain was selected as the research object. Through field investigation and analysis and testing, the physical and chemical characteristics of soil under different forest types and the contents of active organic carbon and nitrogen were compared, and the differences and laws of active organic carbon and nitrogen pools in different forest soils were revealed. This study can provide data support for further understanding the process mechanism of carbon and nitrogen cycle in this region.
文章引用:于法展, 张忠启, 单勇兵. 庐山亚热带森林土壤活性有机碳氮库研究[J]. 土壤科学, 2022, 10(4): 141-147. https://doi.org/10.12677/HJSS.2022.104019

1. 引言

森林生态系统中土壤活性有机碳、氮的积累与分解直接影响着土壤有机碳氮库的时空变化,对陆地生物碳氮库以及全球碳氮平衡直接或间接地产生影响 [1]。因此,森林土壤活性有机碳氮库的细小变化都会影响全球碳氮循环以及气候变化。森林土壤活性有机碳氮主要包括可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN),它是能够反应森林土壤质量变化最显著、最快速的活性指标,对维持森林生态系统碳氮养分平衡作用明显 [2] [3] [4] [5]。森林土壤活性有机碳氮库的变化与土壤中的活性有机碳、氮组分密不可分,通过研究不同森林土壤活性有机碳、氮组分含量和变化特征,对探讨森林土壤质量水平以及维护区域生态环境具有重要意义。目前,国内外对于森林土壤有机碳氮库的系列研究主要包括组分来源 [6],有机碳、氮储量 [1],外部环境因素及林分类型对土壤活性有机碳、氮的影响 [7] [8] [9] [10],森林生态系统中碳、氮元素的矿化 [11] [12],不同季节土壤中有机碳、氮的动态变化 [13] [14] [15] [16]。

庐山作为我国目前保存较为完整的亚热带森林生态系统,拥有众多不同的森林类型和丰富的土壤资源,为研究不同森林土壤活性有机碳氮库的差异性提供了良好的条件。对庐山森林土壤有机碳氮的相关研究主要为有机碳含量、密度以及碳氮元素分布特征 [14] [17] [18]。为深入了解庐山森林土壤健康状况和有机碳库状况,应对其森林土壤特性和碳库特征开展系统分析研究。选择庐山不同森林类型下土壤为研究对象,通过野外采样与室内实验,调查分析不同森林类型下土壤理化特性,比较不同森林类型下土壤活性有机碳、氮的含量,揭示不同森林土壤活性有机碳氮库的差异与规律,以期为科学评估庐山森林生态系统的碳、氮循环以及山地森林土壤资源的永续利用提供基础数据。

2. 研究区域概况

庐山位于江西省北部,总面积约为30493 hm2,东和东南部被鄱阳湖环绕,北部濒长江(115˚52'~116˚13'E,29˚22'~29˚46'N),属典型亚热带山地季风湿润气候,年平均温度为11.4℃,年平均降水量1917 mm。山体大致呈北北东方向,长为30 km,宽约10 km,主峰为大汉阳峰(海拔1473.8 m)。优越的地理位置与复杂的气候生境孕育出了丰富的植物物种资源,但由于近年来人类大规模的砍伐破坏,庐山很多植物种类正面临着消失殆尽的危险,现今保护较完整的主要是次生针叶林和阔叶林 [19]。区域内主要的森林类型包括灌丛、马尾松林、常绿阔叶林、常绿–落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、玉山竹林和黄山松林,属典型亚热带山地森林生态系统 [14]。

3. 样地设置与测定方法

在研究区域内选取马尾松林、常绿–落叶阔叶混交林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、黄山松林、针阔混交林、玉山竹林和灌丛8种典型性森林类型,每种森林类型布设3个采样区,每个采样区随机设置3个采样点,按照混合法分别采集0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层的土样,采集的土样除去杂质放入自封袋,保存在冷藏箱中带回实验室供分析测试。8种典型性森林类型采样点具体信息见表1。待测各指标分析方法:土壤容重采用环刀法;pH值采用电位法;有机质采用重铬酸钾氧化外加热法;全氮采用凯氏定氮法;DOC、DON采用碳氮分析仪法;MBC、MBN采用氯仿熏蒸浸提法。以上具体的分析测试方法参照《土壤农化分析》 [20] 以及《土壤微生物生物量测定方法及其应用》 [21]。

Table 1. Specific information of sampling points of 8 typical forest types in Lushan Mountain

表1. 庐山8种典型性森林类型采样点具体信息

4. 结果与分析

4.1. 不同森林类型下土壤理化特性的比较分析

不同森林类型下土壤理化特性见表2。土壤容重可以表征土壤的通气性以及土体的疏松程度,该容重的大小说明林地涵养水源能力的强弱 [22]。由表2中不同森林类型下不同土层的土壤容重比较可知,表层(0~20 cm)土壤容重较小,其土质较疏松,随着土层的加深,容重逐渐增大;灌丛下表层土壤容重最小,其土层疏松、通气性好,林下水源涵养功能最好;落叶阔叶林下土壤表层容重最大,主要因为林下枯枝落叶分解的腐殖质对改变土壤容重作用最大。pH值对土壤有机碳、氮有重要的影响作用,对土壤肥力及林木生长影响明显,能够影响森林土壤养分的有效性 [23]。由表2可知,不同森林类型下土壤pH值为3.68~6.38,属酸性土壤;玉山竹林下表层土壤酸性最强(3.68),主要是由于该林下土壤凋落物分泌过多的有机酸,明显降低了其pH值。另外,通过不同土层的土壤pH值对比发现,随着土层深度增加其pH值呈逐渐升高的整体趋势。这是由于表层土壤受酸沉降影响最大,随着土层的增加,酸沉降受到上层土壤的缓冲作用,对深层土壤的影响较小。

Table 2. Physical and chemical characteristics of soil under different forest types (mean ± standard deviation)

表2. 不同森林类型下土壤理化特性(平均值 ± 标准差)

注:同列数字后不同小写字母a,b,c表示p < 0.05水平差异显著(下同)。

有机质是评价土壤质量的重要指标,它可以促进土壤团粒的形成,改善土壤的通气性和蓄水性,增强土壤的缓冲性,表征土壤的保肥和供肥能力 [24]。从表2可以看出,落叶阔叶林下土壤有机质含量最大(147.2 g∙kg−1),这是由于该林下积累的凋落物最多。不同森林类型土壤有机质含量均随着土层深度呈现明显的下降趋势,这主要是由于凋落物分解的有机质滞留在表土层,越往深处植物根系的总生物量越少,植物根系的死亡腐败产生的有机质明显减少。全氮量是表示土壤氮素养分的供给容量,在一定程度上说明土壤氮的供应水平 [23]。由表2可知,落叶阔叶林下土壤全氮含量最高,这是因为该林下的凋落物含有较多的氮和固氮微生物。跟土壤有机质含量的变化特征相似,不同森林类型下土壤全氮量在各土层间差异明显,均表现为随土层深度的增加而急剧减少,这与林下凋落物直接在表层堆积有关,造成其表层土壤全氮的含量较高,随着深度的增加,并且由于渗透流失以及生物分解作用而发生锐减。

4.2. 不同森林类型下土壤活性有机碳、氮含量的比较分析

不同森林类型下DOC、DON含量和MBC、MBN含量见表3。DOC、DON主要来自于森林凋落物淋溶、土壤微生物分解产物和根系分泌物,其含量的大小可以表示森林土壤碳、氮矿化程度的强弱 [4]。从表3可知,不同森林类型下表层(0~20 cm) DOC、DON含量大小排序:灌丛 > 常绿阔叶林 > 马尾松林 > 常绿-落叶阔叶混交林 > 针阔混交林 > 玉山竹林 > 落叶阔叶林 > 黄山松林;同一森林类型土壤各土层之间变化较大,表层DOC、DON含量较高,其表聚现象明显,随着土层深度的增加,其含量大幅减小,另外,表层以下的两层DOC、DON含量差异不明显。这是由于来源于地上凋落物较多,随着土层的增加,DOC、DON的流失也会相对较多,渗透流失作用以及微生物的分解导致土壤DOC、DON含量随土层厚度而递减。土壤微生物量能够反映环境变化对森林土壤养分的影响,而MBC、MBN可以用来表征森林土壤质量的2个微生物学指标,它可以评价森林土壤质量与肥力的大小 [2]。从表3比较得出,灌丛、常绿阔叶林和马尾松林下MBC、MBN含量较高;落叶阔叶林和黄山松林下其含量较低。主要是因为落叶阔叶林和黄山松林处于高海拔地带,海拔上升导致温度下降,不利于该林下土壤生物的生存,使其释放速率显著降低;而灌丛、常绿阔叶林和马尾松林下其含量高的原因是海拔低、温度高,该林下凋落物层丰富,土壤微生物活性增强。总之,海拔可以综合体现其周围环境的变量,通过水热条件的变化明显影响着土壤活性有机碳、氮的分解及转化。

Table 3. DOC and DON contents and MBC and MBN contents under different forest types (mean ± standard deviation)

表3. 不同森林类型下DOC、DON含量和MBC、MBN含量(平均值 ± 标准差)

5. 结论与讨论

5.1. 结论

1) 灌丛下表层(0~20 cm)土壤容重最小,落叶阔叶林下土壤表层容重最大,不同森林类型下不同土层的土壤容重随着土层的加深而变大;不同森林类型下土壤pH值为3.68~6.38,其中玉山竹林下表层土壤酸性最强,随着土层深度增加其pH值呈逐渐升高的整体趋势;落叶阔叶林下土壤有机质含量和全氮含量均最高,不同森林类型下两者的含量均随着土层增加而锐减。

2) 灌丛下表层DOC、DON含量最高,黄山松林最小,同一森林类型下土壤各土层之间变化较大,表层DOC、DON含量较高,其表聚现象明显,随着土层深度的增加,其含量大幅减小;灌丛、常绿阔叶林和马尾松林下MBC、MBN含量较高,落叶阔叶林和黄山松林下其含量较低。

5.2. 讨论

本研究分析不同森林类型下土壤理化特性,比较不同森林类型下土壤活性有机碳、氮的含量;而对森林土壤理化特性与活性有机碳、氮之间的联系以及土壤养分转化及循环规律有待于进一步研究。

基金项目

江苏师范大学博士学位教师科研支持项目(19XFRS013)。

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