柏木人工林土壤有機碳組分對人工更新林窗的早期響應機制.pdf

1、柏木人工林，作為川中丘陵區(qū)主要的森林類型之一，其較低的生態(tài)效益限制了該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮，降低了林地的碳庫功能和經(jīng)濟收益。為了提升川中丘陵區(qū)柏木人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，實現(xiàn)林地可持續(xù)利用和發(fā)展，四川農(nóng)業(yè)大學林學院利用鄉(xiāng)土樹種的鄉(xiāng)土特性，根據(jù)森林培育學和森林生態(tài)學原理，在模擬天然林窗和自然種群團塊狀分布的基礎(chǔ)上，提出一整套人工更新林窗的改造技術(shù)。利用鄉(xiāng)土樹種香椿對人工林窗進行人工更新（GMTT）便是該套改造技術(shù)中的一種，它在人

2、工開窗的基礎(chǔ)上補植鄉(xiāng)土樹種香椿，定向培育具有異齡混交和塊狀混交特征的柏木×香椿混交林。論文從土壤碳庫的角度出發(fā)，以川中丘陵區(qū)低效的柏木林為研究對象，從開窗面積上構(gòu)建0(A，CK)、50(B)、100(C)、150(D)和200 m2(E)等5種GMTT處理水平，通過測定土壤有機碳物理組分、穩(wěn)定性組分、可溶性組分和微生物生物量碳等土壤有機碳的相關(guān)指標，和測定土壤溫濕度、土壤理化性質(zhì)和土壤微生物等與土壤有機碳相關(guān)土壤環(huán)境因子指標，全面研究G

3、MTT改造對土壤有機碳及其土壤環(huán)境因子的早期影響效應;利用冗余分析、層次聚類分析、非度量多維尺度分析、決策樹分析和結(jié)構(gòu)方程模型等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，深入探討了GMTT處理條件下土壤碳庫及其環(huán)境各相關(guān)指標之間的關(guān)系，模擬出了GMTT影響土壤碳庫的直接途徑和間接途徑，為低效林分改造和碳匯林的營建提供科學的參考依據(jù)。
　　從生態(tài)效應上來看，人工更新林窗對土壤有機碳的影響包括土地準備、林窗更新和樹種混交三個階段。土地準備期間苗木處于與環(huán)境磨合的

4、階段，其生態(tài)效應主要是由于采伐和補植等一系列人為干擾所造成。林窗更新期間為處理后苗木與土壤之間的關(guān)系逐漸從混沌狀態(tài)向有序過渡，其生態(tài)效應主要是由于林窗內(nèi)土壤環(huán)境因子的改變所造成。樹種混交階段為GMTT處理后的中后期，此時柏木-補植樹種-土壤之間的關(guān)系從有序又復歸為混沌，其生態(tài)效應主要是由于樹種替換所造成。根據(jù)此研究思路，立足于研究的早期，重點探究GMTT模式下土壤有機碳組分的林窗效應，并得出了以下7點主要結(jié)論。
　　(1)在土地準

5、備階段，一系列人為干擾對土壤有機碳庫的影響主要體現(xiàn)在0-5 cm土層。較對照林分而言，GMTT處理后林分具有較低的總有機碳含量、全氮含量、碳氮比、微生物生物量碳含量、穩(wěn)定性有機碳含量和碳庫管理指數(shù)。這表明開窗整地后土壤有機碳庫活性增加，穩(wěn)定性降低。
　　(2)在林窗更新階段，GMTT處理林分同對照一樣，林下土壤有機碳含量皆隨土壤深度的增加而降低。但GMTT顯著提高土壤輕組有機碳和顆粒有機碳在各土層中含量。就所測樣本而言，土壤顆粒有

6、機碳占土壤總有機碳含量的比例約為48.73±8.82％，遠遠大于輕組有機碳僅占土壤有機碳的比例(7.13±4.22％)，約為輕組有機碳占總有機碳比重的6.83倍。此外，GMTT處理林分的±壤易氧化有機碳含量、可溶性有機碳、土壤微生物生物量碳的含量皆略低于對照。這表明了GMTT在一定程度上促進了活性碳庫的分解，增加對惰性碳庫的積累。而對于水溶性有機碳組分而言，GMTT顯著降低了水溶性己糖的含量，卻增加了水溶性蛋白質(zhì)的含量，這表明GMTT增

7、加了地表凋落物的可降解性，那些具有簡單化學結(jié)構(gòu)的有機碳組分被微生物快速分解并利用。此外，較對照而言，處理林分下土壤水溶性芳香族化合物在表層0-5cm土層表現(xiàn)為顯著的降低趨勢，而5-20cm土層則表現(xiàn)為顯著的增加趨勢，這暗示了0-5 cm土層可溶性有機碳的分解程度小于5-20 cm土層。
　　(3)由各指標之間的相關(guān)性及其對處理的敏感性可知，在林窗更新階段，微生物生物量碳含量與土壤鹽溶性有機碳之比、微生物生物量碳含量與水溶性有機碳含

8、量之比、水溶性的總碳、己糖、戊糖和芳香族化合物含量等指標對GMTT的敏感性較高。由決策樹分析結(jié)果可知，土壤水溶性己糖、戊糖及其比值在表征碳庫管理上敏感性最好。
　　(4)在林窗更新階段，GMTT對土壤碳庫環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對土壤理化性質(zhì)和土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能上，而對土壤溫濕度的影響不顯著。在土壤理化性質(zhì)上，GMTT顯著降低了表層0-5 cm土層的全氮含量、速效鉀含量，5-40 cm土層的有效磷含量和各個土層的全鉀含量;顯著提高了

9、各個土層的全磷含量，0-5 cm土層的有效磷含量和5-20 cm土層的速效鉀含量;輕微降低了20-40 cm土層的土壤速效鉀含量;輕微增加了各個土層的土壤堿解氮含量。在微生物的結(jié)構(gòu)上，GMTT降低了20-40 cm土層的細菌數(shù)量和各土層的放線菌數(shù)量，改變了0-5 cm土層的真菌數(shù)量。在微生物的功能上，GMTT顯著改變了土壤微生物功能的多樣性，而對土壤微生物功能的強度無顯著的影響。其中，GMTT顯著改變了土壤淀粉酶、β-葡糖苷酶、脲酶、蔗

10、糖酶、多酚氧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性，對酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蛋白酶和纖維素酶活性無顯著的影響。
　　(5)通過分析表層0-5 cm土壤碳庫和其所處土壤環(huán)境之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn):土壤水熱條件、土壤理化性質(zhì)、土壤氮循環(huán)、土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能和土壤呼吸數(shù)據(jù)集對土壤有機碳庫數(shù)據(jù)集總慣量的約束比例分為5.6％、55％、51％、91％和3.4％。其中，土壤理化性質(zhì)和土壤氮循環(huán)約束土壤有機碳庫特征的比例大多包含在土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能之中

11、。土壤三大類微生物數(shù)量可約束32.89％土壤有機碳庫特征的總慣量，總比為土壤微生物生物量碳氮和±壤酶活性可約束比例的53.20％和48.23％，其總比的58.04％為與土壤微生物生物量碳氮和土壤酶活性的共享，其單獨效益僅為0.85％。相對GMTT處理的麗言，柏木純林（對照林分）0-5 cm土層水溶性活性碳庫的所處土壤環(huán)境中具有較多的放線菌數(shù)量，較高的淀粉酶、蔗糖酶和β-葡糖苷酶活性，較低的脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性;0-5cm土層非水

12、溶性活性碳庫的土壤環(huán)境則具有較高全氮和速效鉀含量，較低的全磷含量。其中，在整個土壤環(huán)境中，土壤放線菌在整個微生物功能體系中扮演的角色最為全面，與土壤微生物生物量和功能關(guān)系密切，細菌則主要涉及與微生物生物量碳相關(guān)的生化過程，真菌則主要涉及與微生物生物量氮相關(guān)的生化過程。而這些生化過程皆只與微生物功能的強度密切相關(guān)，與微生物功能的多樣性無顯著的相關(guān)性。
　　(6)由結(jié)構(gòu)方程模擬可知，在林窗更新階段，GMTT對土壤有機碳的影響途徑包括直

13、接途徑和間接途徑兩種。直接途徑是指GMTT對水溶性活性碳組分的直接影響。間接途徑是指土壤有機碳通過影響微生物數(shù)量和土壤氮循環(huán)來影響土壤水溶性活性碳組分。此外，GMTT主要通過間接地改變土壤微生物呼吸來調(diào)控土壤呼吸。GMTT對土壤微生物呼吸的改變主要通過調(diào)控土壤氮循環(huán)、土壤水溶性活性碳組分、土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性來實現(xiàn)。
　　(7)在林窗更新階段，利用香椿替換柏木可增加表層40 cm內(nèi)土壤有機碳密度。對照林分表層40 cm內(nèi)土壤

14、有機碳儲量密度為90.73 Mg·hm-2，從上到下分別為30.21(0-10 cm)、47.54(10-30cm)和12.98(30-40 cm) Mg·hm-2。當柏木更換為香椿之后，表層40 cm內(nèi)土壤有機碳密度所增加其增加量(INEQSOCD)與香椿斑塊的大小(XCA)呈正相關(guān)，基本滿足公式INEQSOCD=XCA*1.9(Mg·hm-2)。對比相關(guān)研究結(jié)果可知，在未來香椿混交階段，GMTT處理下林分土壤有機碳儲量還有較高的提升