3种人工林表层土壤溶解性有机质含量的季节变化

孔玉华，韩梦娟，张志华，徐星凯，赖 勇，2，杨喜田†

(1.河南农业大学林学院，450002，郑州；2.青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，810016，西宁；3.中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，100029，北京；4.中国科学院大学地球科学学院，100049，北京)

土壤活性碳、氮的形成与转化过程受生物、物理化学因素及水文条件的影响，例如，土壤有机质的分解[9]、枯枝落叶层的淋溶与归还[5]以及降水过程等[6,10]。B. Michalzik等[6]研究表明降水是土壤溶解性有机质的一个重要来源，其为土壤提供较大比例的DON，而非DOC。B. Werner等[11]报道在未来几十年干湿交替现象仍会呈增加的趋势，而这会造成高浓度DOC的季节性淋溶。赵佳宝等[12]研究发现胸高断面积显著影响马尾松-麻栎混交林土壤DOC储量。罗献宝等[3]研究表明水分条件和植物根系活动是影响长白山温带阔叶红松林表层土壤活性碳、氮库动态变化的主要因素。陈春兰等[13]研究表明长期化肥配施紫云英及秸秆还田能显著提高红壤双季稻田土壤中的活性碳、氮质量分数。此外，已有许多研究表明，土壤活性碳、氮质量分数与土壤温室气体CO2和N2O的排放具有显著的正相关关系[14-15]。

1 研究区概况

研究区位于河南省西北部的济源市境内，隶属于中国森林生态系统定位研究网络(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN)的黄河小浪底森林生态系统定位研究站(E 112°28′, N 35°01′)。该地区平均海拔为410 m，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春秋季较短，3、6、9、和12月可代表当地春、夏、秋、冬四季；雨热同期，降水季节分布不均匀，全年降水约68.3%集中在6—9月，年均降水量约641.7 mm，年均气温14.1 ℃。研究区土壤主要为棕壤和在花岗片麻岩等风化母质上发育而来的山地褐土，土层浅且保肥保水能力差。试验区植被主要由酸枣(Ziziphusjujube)、荆条(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)等组成的耐旱次生灌草丛以及原始植被破坏后栽植的人工林。

2 材料与方法

2.1 样地选择

2016年3月选择立地条件、坡向坡位基本一致的32年侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和栓皮栎(Quercusvariabilis)3种典型人工林样地。以自然枯落物归还为对照，设置无枯落物处理(清除表面枯落物后，布置3 m×3 m枯落物收集框以阻止枯落物归还地表)，每种人工林共设置6个样地(3个为有枯落物，3个为无枯落物处理，分别用Y和W表示)，共18个样地，后采集土壤样品，样地基本概况与土壤理化性质见表1和表2。

表1 研究区3种人工林样地基本概况Tab.1 Basic information of 3 artificial forest types in the study area

表2 不同人工林样地土壤物理化学性质Tab.2 Soil physic-chemical properties of different artificial forest types (n=9)

注：表中数值为平均值±标准差。Notes: The format of data in the table is mean±SD.

2.2 样品采集与处理

CB、CH和S分别代表侧柏、刺槐和栓皮栎林下土壤，Y和W表示有枯落物和无枯落物处理。下同。 CB, CH, and S refers to understory soil inPlatycladus orientalis,Robinia pseudoacaciaandQuercus variabilisforest, respectively. Y and W refers to the plot with and without litter treatment. DOC stands for dissolved organic carbon, and DON stands for dissolved organic nitrogen. The same below.图1 3种人工林土壤溶解性有机碳与溶解性有机氮质量分数的季节变化(n=63)Fig.1 Seasonal dynamics of soil DOC and DON contents in 3 artificial forest types(n=63)

2.3 样品测定方法

2.4 数据处理

采用多因素方差分析法(MNOVA)分析季节、人工林类型和有无枯落物对土壤DOC、DON和SIN的影响，显著性水平P为0.05。对各土壤因子进行相关性分析(Pearson 法)，并采用逐步回归法分析溶解性有机碳氮的主要影响因素。所有统计分析均采用SPSS 20.0软件(IBM，纽约，美国)，并采用Microsoft Excel 2010进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 表层土壤活性碳和氮季节变化特征

3种人工林有枯落物时土壤DOC质量分数呈明显的季节变化规律，且均在夏季6月达最高(P<0.05)，3月或9月最低(图1a)。不同人工林类型显著影响了林下土壤DOC质量分数(P<0.05)，其中侧柏林年平均土壤DOC质量分数(327.71 mg/kg)高于栓皮栎林(210.52 mg/kg)和刺槐林(192.80 mg/kg)。无枯落物时土壤DOC质量分数季节变化规律与有枯落物处理相似，表现为6月>12月>9月。除9月(刺槐林)和12月(栓皮栎林)外，土壤DOC质量分数大多表现为有枯落物>无枯落物。

3种人工林有枯落物时土壤DON质量分数季节变化大多表现为倒“V”形动态趋势，6月最高(P<0.05)，12月最低，仅侧柏林9月最低，9—12月略微升高(图1b)。不同人工林类型土壤DON质量分数略有高低，但并未达到显著差别，呈刺槐林(14.88 mg/kg)<栓皮栎林(18.29 mg/kg)<侧柏林(23.66 mg/kg)的趋势。无枯落物时土壤DON质量分数季节变化规律与有枯落物时处理相同，土壤DON质量分数大多表现为有枯落物>无枯落物，刺槐6月和栓皮栎12月除外。

SIN表示土壤无机氮，下同。SIN stands for soil inorganic nitrogen, the same below.图2 3种人工林土壤硝态氮、铵态氮和土壤无机氮质量分数的季节变化(n=63)Fig.2 Seasonal dynamics of soil and SIN contents in 3 artificial forest types(n=63)

3.2 DOC、DON及SIN与其他土壤因子间的相关性及回归分析

为分析有无枯落物归还条件下土壤DOC与DON的主要影响因素，本研究进行逐步回归分析，结果(表5)表明土壤TN是有枯落物归还、无枯落物处理及两者耦合分析下土壤DOC的主要影响因子，贡献率分别为88.5%，30.2%和74.6%。土壤DON在有枯落物归还、无枯落物处理及两者耦合分析下也主要受土壤TN质量分数的影响，贡献率分别是90.8%，48.3%和82.5%。

表3 季节、人工林类型及枯落物对土壤溶解性有机碳与溶解性有机氮的质量分数影响的方差分析(n=63)Tab.3 Variance analysis for the effects of season, stand types, and litter on soil dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen contents(n=63)

表4 土壤溶解性有机碳与溶解性有机氮的质量分数及其他因子之间的Pearson相关系数Tab.4 Pearson correlation coefficients between soil dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen contents as well as other properties

注：*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平下显著相关；MC和AT分别代表土壤含水率和气温。Notes: * and ** indicate significant correlated atP<0.05 andP<0.01, respectively. MC and AT represent soil moisture content and air temperature, respectively.

表5 土壤溶解性有机碳与溶解性有机氮的质量分数及其他因子的相关性及逐步回归分析模型Tab.5 Correlation and stepwise regression models of soil dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen contents against other properties

4 讨论

不同的季节，由于太阳辐射强度、降水量等气候条件的差异，造成了人工林内水热条件的差异。土壤DOC和DON作为溶解性有机质的重要组分，是土壤潜在生产力和生态系统变化的敏感及早期预警指标[18]，其循环过程较为复杂，受到生物、理化等因素的共同影响[4,8]。本研究中3种人工林下土壤DOC和DON质量分数均呈显著的季节性变化规律(P<0.01，表3)。气温、降水、土壤水分和底物条件[3-4,6,10-11]是影响溶解性有机质周转的主要因素。Michalzik等[6]研究表明温度升高增加了林冠层微生物和昆虫的活动，林冠层淋溶物中包含大量的易分解组分，这些物质会促进枯落物层有机质的分解和矿化过程，从而增加枯落物层DOC和DON向土壤中淋溶。M. H. Lee等[7]研究表明温度是大分子解聚作用及土壤有机质的理化溶解过程的决定性因素。故而，气温的升高是本研究中3—6月DOC和DON质量分数增加的主要原因。由于研究区全年68.3%的降水集中在6—9月，大量集中的降水易造成表土溶解性有机质的淋溶迁移[4]，植物快速茂盛生长吸收利用土壤中较多养分，是该时期土壤DOC与DON质量分数迅速下降的主要原因。本研究中土壤DOC质量分数在9—12月又有缓慢回升的变化趋势，这主要是由于这一时期新鲜凋落物的大量输入为土壤DOC的生产提供了丰富的底物[7-8]。仅侧柏除外，土壤DON质量分数在9—12月则呈再降低的趋势，除气温较低的影响[6-7]，主要和土壤水分条件有关[4,6,10]，12月刺槐和栓皮栎土壤含水率均低于其他月份，而侧柏土壤含水率仍然较高，且相关性分析也表明土壤DON质量分数与土壤含水率存在极显著的正相关关系(表4)，这与M. H. Lee等[7]研究结果相一致。因此，在华北石质山区气温是土壤溶解性有机质周转的主要驱动因子，而DOC和DON又分别受到分解底物和土壤水分的调控。

5 结论

华北石质山区人工林下土壤活性碳、氮质量分数有明显的季节性变化规律，夏季6月具有较高的质量分数，气温是该区土壤活性碳、氮周转的主要驱动因子。人工林类型显著影响了土壤活性碳、氮的质量分数，其中，侧柏人工林具有较高的土壤DOC、DON和SIN质量分数。枯落物的归还提高并促进了人工林下土壤碳、氮质量分数和周转。