全 文 ：江西瑞昌石灰岩山区退耕还林对土壤有机碳的影响*
刘苑秋1**摇 王摇 芳2 摇 柯国庆3 摇 王迎迎4 摇 郭圣茂1 摇 范承芳3
( 1 江西农业大学林学院, 南昌 330045; 2 山东省新泰市农业局环保站, 山东新泰 271200; 3 瑞昌市林业局, 江西瑞昌
332200; 4 深圳城市果菜贸易公司, 广东深圳 518000)
摘摇 要摇 以江西瑞昌石灰岩山区退耕还林 5 年的林地为对象,研究了不同退耕还林模式(林
苗一体化、药用纯林、多树种混交和竹阔混交)对土壤有机碳含量的影响.结果表明:与对照相
比,退耕还林地 0 ~ 20 cm 土层的土壤有机碳、微生物生物量碳和可矿化碳含量分别增加
24郾 4% 、29%和 18郾 4% ,退耕还林显著提高了土壤有机碳含量,增强了土壤碳储能力;0 ~ 10 cm
土层的土壤有机碳、微生物生物量碳和可矿化碳含量极显著高于 10 ~20 cm土层,且退耕还林地
土层间差异大于对照;4种退耕还林模式中,林苗一体化模式对土壤有机碳的影响较大.
关键词摇 退耕还林摇 土壤有机碳摇 石灰岩山区
文章编号摇 1001-9332(2011)04-0885-06摇 中图分类号摇 S714郾 2摇 文献标识码摇 A
Effects of converting cultivated land into forest land on the characteristics of soil organic car鄄
bon in limestone mountain area in Ruichang, Jiangxi. LIU Yuan鄄qiu1, WANG Fang2, KE
Guo鄄qing3, WANG Ying鄄ying4, GUO Shen鄄mao1, FAN Cheng鄄fang3 ( 1College of Forestry, Jiangxi
Agricultural University, Nangchang 330045, China; 2Station of Environmental Protection, Xintai
Bureau of Agriculture, Xintai 271200, Shandong, China; 3Ruichang Bureau of Forestry, Ruichang
332200, Jiangxi, China; 4Shenzhen Fruit and Vegetable Company, Shenzhen 518000, Guangdong,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(4): 885-890.
Abstract: Taking the forest lands having been converted from cultivated land for 5 years in
Ruichang City of Jiangxi Province as test objects, this paper studied the characteristics of soil organ鄄
ic carbon (SOC) under 4 different conversion models ( forest鄄seedling integration, pure medicinal
forest, bamboo鄄broadleaved mixed forest, and multi鄄species mixed forest) . After the conversion
from cultivated land into forestlands, the contents of SOC, microbial biomass carbon (MBC), and
mineralizable carbon (PMC) in 0-20 cm soil layer increased by 24郾 4% , 29% , and 18郾 4% , re鄄
spectively, compared with those under the conversion from cultivated land into wasteland (P <
0郾 05), which indicated that the conversion from cultivated land into forest lands significantly in鄄
creased the SOC content and SOC storage. The SOC, MBC, and PMC contents in 0 -10 cm soil
layer were significantly higher than those in 10-20 cm soil layer (P<0郾 01), and the differences
between the soil layers of the four forest lands were higher than those of the wasteland. Among the 4
conversion models, forest鄄seedling integration had more obvious effects on SOC.
Key words: converting cultivated land into forestland; soil organic carbon; limestone mountain area.
*国家林业局退耕还林科技支撑计划项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: liuyq404@ 163. com
2010鄄10鄄14 收稿,2011鄄01鄄09 接受.
摇 摇 退耕还林作为一种从农耕地转变成林地的土地
利用方式,必然带来一系列生态过程的变化,特别是
土壤结构与功能的变化. 随着全球气候变化以及与
之相关的碳循环过程成为生态学研究热点,退耕还
林后土壤碳储量、碳循环过程的变化备受关注.土壤
有机碳不同组分对土地利用变化的响应和敏感度不
同,其中活性有机碳是易被生物直接利用、最活跃、
周转最快、对土地利用变化最敏感的组分[1-2] .土壤
有机碳(soil organic carbon,SOC)的储量反映了土壤
截留碳的能力,同时,土壤有机碳在很大程度上影响
着土壤结构的形成和稳定性、植物营养的生物有效
性以及土壤的缓冲性能和土壤生物多样性[3-4] .
不同退耕还林模式的树种种类及其配置不同,
导致凋落物凋落规律、数量和组成,以及林地环境不
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 4 月摇 第 22 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2011,22(4): 885-890
同,影响凋落物分解和土壤微生物状况,从而导致土
壤有机碳的积累和矿化过程的差异. 本研究分析了
江西瑞昌石灰岩山区不同模式退耕还林后土壤有机
碳含量的变化,旨在进一步揭示退耕还林生态学过
程,为国家退耕还林工程碳汇功能、生态服务功能评
估提供基础数据,也为筛选退耕还林优良模式提供
理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
研究地瑞昌市位于江西省北部(29毅23忆6义 N,
115毅6忆31义 E)的低丘陵区,属中亚热带湿润性季风
气候区, 年平均气温 16郾 6 益, 极端最高气温
41郾 2 益,极端最低气温 - 13郾 4 益,年平均降雨量
1394 mm,土壤为石灰岩发育红壤.试验地退耕前为
旱耕地,种植过高粱、苎麻和红薯等旱作作物. 2004
年,根据立地条件分别采取林苗一体化模式、药用纯
林模式、多树种混交模式和竹阔混交模式退耕还林,
并在临近选择本底条件、耕作制度与退耕还林地较
一致的弃耕自然恢复地作为对照林地. 各林地基本
情况如下:1)林苗一体化模式:树种配置为杜仲
(Eucommia ulmoides)、无患子(Sapindus mukorossi)、
樟树(Cinnamomum camphora)和鹅掌楸(Liriodendron
chinense),混交比例为 2 颐 2 颐 2 颐 2,行间套种黄栀子
(Gardenia jasminoides).现存密度 1783 株·hm-2,郁
闭度 0郾 5,乔木平均树高 4郾 77 m,平均胸径 4郾 9 cm,
林下植被盖度 25% . 相邻对照林地植被总盖度
60% ,主要植物种类为一枝黄花 ( Solidago decur鄄
rens)、狗尾草(Setaria viridis)和马唐(Digitaria san鄄
guinalis). 2)药用纯林模式:树种为吴茱萸(Evodia
rutaecarpa),现存密度 1200 株·hm-2, 郁闭度 0郾 4,
平均树高 2郾 50 m,平均胸径 5 cm;相邻对照林地植
被盖度 70% ,主要植物种类为狗牙根(Cynodon dac鄄
tylon). 3)多树种混交模式:树种配置为喜树(Camp鄄
totheca acuminata)、无患子和樟树,不规则混交,现
存密度 1233 株·hm-2,郁闭度 0郾 5,乔木平均树高
3郾 67 m,平均胸径 4郾 2 cm,林下植被盖度 65% ;相邻
对照林地植被总盖度 60% ,主要种类有五节芒
(Miscanthus floridulus)、一年蓬(Erigeron annuus)和
海金沙(Lygodium japonicum). 4)竹阔混交模式:树
种配置为淡竹(Phyllostachys glauca)和樟树,不规则
混交,竹 /樟为 8 颐 2,淡竹现存密度 35 万株·hm-2,
郁闭度 0郾 7,平均树高 2郾 55 m,林下植被盖度 30% ,
主要为五节芒;相邻对照林地植被总盖度 60% ,主
要种类为狗尾草和五节芒.
1郾 2摇 研究方法
2008 年在每种模式试验林内设立面积 30 m伊
20 m 的固定样地,进行植被状况调查与土壤基本性
质的测定.将样地划分成 4 个面积 15 m伊10 m 的样
方,在每个样地对角线中心点处进行采样.取样深度
分为 0 ~ 10 cm 和 10 ~ 20 cm 两层,取土时间分别
为:2009鄄04鄄15(春季)、2009鄄07鄄15(夏季)、2009鄄10鄄
15(秋季)和 2009鄄12鄄15(冬季).分别测定土壤有机
碳含量、土壤微生物生物量碳(microbial biomass car鄄
bon, MBC)和可矿化碳( potential mineralizable car鄄
bon,PMC)含量. 土壤有机碳测定采用外加热法鄄重
铬酸钾氧化法[5] . MBC 测定采用氯仿熏蒸浸提法
(FE) [6] .土壤 PMC采用短期土壤培养法[7],将 20 g
新鲜土置于 250 ml 的广口瓶中,广口瓶内置有
10 ml 0郾 2 mol·l-1浓度的 NaOH溶液的小玻璃瓶,在
25 益的恒温下培养 28 d,分别在放入后的 1、4、7、14、
21和 28 d取出,用 0郾 2 mol·L-1浓度的 HCl 滴定,测
定 CO2鄄C的释放量,单位用 mg C·kg-1表示.
1郾 3摇 数据处理
试验数据采用 SPSS 13郾 0 统计软件进行方差分
析和统计假设检验,差异显著性水平设定为 琢 =
0郾 05.
2摇 结果与讨论
2郾 1摇 退耕还林对土壤有机碳含量的影响
由表 1可以看出,在 0 ~ 20 cm土层,4 种退耕还
林模式的土壤有机碳含量年平均为 9郾 22 g·kg-1,弃
耕自然恢复地(对照)年平均为 7郾 41 g·kg-1,退耕还
林地与对照之间差异极显著.这是因为退耕还林后,
地面植被的物种及覆盖度增加,地表植物腐解物和
土壤中的根系分泌物增多,使土壤有机碳的积累速
率得到改善,土壤有机碳提高.这说明了土地利用方
式的转变和植被恢复对土壤有机碳含量和固碳潜能
的影响[8-9] .
不同退耕还林模式中,林苗一体化模式土壤有
机碳含量增量最大(28郾 4% ),而竹阔混交模式增量
最小(22郾 8%).这主要是因为林苗一体化模式的主要
树种有常绿的樟树和落叶的杜仲、马褂木、无患子,
并且行间套种黄栀子,林分密度大(1783 株·hm-2),
凋落物量也大.许多研究表明,凋落物进入土壤后,
不但会增加土壤中碳源,改变土壤理化性质,而且还
688 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
会增加土壤中各种微生物的数量[10-11],因此凋落物
是影响土壤有机碳积累的重要因素,而土壤有机碳
含量主要取决于植被每年的归还量[12]和分解速率.
在竹阔混交模式中,淡竹为优势种,凋落物分解速率
通常低于常绿阔叶植物[13] .戴慧等[14]研究表明, 浙
江天童山常绿阔叶林土壤有机碳含量大于针叶林和
竹林.这说明不同树种组成和配置的退耕还林模式
对土壤有机碳含量的影响程度不同[15] .
各退耕还林模式中,0 ~ 10 cm 土层的有机碳含
量明显高于 10 ~ 20 cm 土层,且两层之间差异极显
著(P<0郾 01).这说明残枝落叶分解后输入土壤的有
机碳都聚集在土壤表层,土壤有机碳的表聚性较明
显[8,16-17] .退耕还林地 10 ~ 20 cm 与 0 ~ 10 cm 土层
的土壤有机碳分别较对照提高 72郾 2%和 76郾 1% ,说
明退耕还林对土壤剖面上有机碳垂直分布的影响程
度大于自然恢复地,即退耕还林 5 年内对土壤有机
碳的影响主要在 0 ~ 10 cm层.这与 Wilde[18]和郭胜
利等[8]的研究结果一致,农田弃耕恢复为森林后,
碳主要汇集在生物量、地被层和土壤表层.
由图 1 可知,除竹阔混交模式外,其他 3 种退耕
还林模式的0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土壤有机碳含
图 1摇 不同退耕还林模式土壤有机碳季节变化
Fig. 1摇 Seasonal changes of SOC in different converting modes.
玉:春 Spring;域:夏 Summer;芋:秋 Autumn;郁:冬 Winter郾 A:林苗一
体化模式 Forest鄄seedling integration model; B:药用纯林模式 Pure me鄄
dicinal forest model; C:多树种混交模式 Multi鄄species mixed forest
model; D:竹阔混交模式 Mixed forest model of bamboo鄄broadleaved
tree; E0:对照 Control.不同小写字母表示同一模式下不同季节间差
异显著 ( P < 0郾 05) Different small letters meant significant difference
among seasons for the same mode at 0郾 05 level. 下同 The same below.
量季节变化均表现为:夏季>秋季>春季>冬季.这是
由于随着夏季气温升高、土壤湿度大,凋落物分解速
度加快,土壤有机质含量的增速提高.冬季由于土壤
温、湿度较低,凋落物分解速率低,不利于土壤有机
碳的储存.除林苗一体化模式 0 ~ 10 cm 土层夏、秋
季与冬、春季间,竹阔混交林夏季与其他季节间差异
显著外,其他退耕还林模式的季节差异不显著.竹阔
混交林春季土壤有机碳含量最低可能与淡竹春季为
出笋期,竹鞭消耗土壤养分较多有关[5] .
2郾 2摇 退耕还林对土壤微生物生物量碳含量的影响
土壤微生物生物量碳(MBC)与土壤有机碳含
量的变化密切相关[5] .由表 1 可以看出,4 种退耕还
林模式 0 ~ 20 cm 土壤 MBC 年平均含量为 248郾 67
mg·kg-1,对照年平均含量为 193郾 44 mg·kg-1,且
退耕还林地与对照差异显著(P<0郾 05).这一方面是
因为退耕还林地凋落物数量较大, 向土壤微生物提
供了足够的碳源和能源,土壤微生物数量增加,提高
了微生物的活性;另一方面,退耕还林地水分状况和
土壤通透性较好,有利于土壤微生物的繁衍. 0 ~ 10
cm土层 MBC 高于 10 ~ 20 cm 土层,主要是随土层
下降,土壤微生物数量和活性降低,而且与土壤有机
碳密切相关 郾 毕冬梅等[11]研究表明,随土层下降,
土壤易氧化态碳与总有机碳含量间的相关性均达极
显著水平.而且退耕还林地土层差异为林苗一体化
模式>药用纯林模式>多树种混交模式>竹阔混交模
式>对照,说明不同模式退耕还林对土壤微生物垂
直分布的影响程度也有一定差异.
由图 2 可以看出,4 种退耕还林模式 0 ~ 10 cm
和 10 ~ 20 cm 土层土壤 MBC 含量的季节变化表现
为夏季最高、冬季最低,其他季节间差异不显著. 而
且退耕还林地的季节变化幅度大于对照,说明退耕
还林地由于林木凋落物数量、土壤温度、湿度的季节
变化比较明显,导致土壤微生物季节变化幅度大于
以草本植物为主的自然恢复地.
2郾 3摇 退耕还林对土壤微生物量熵的影响
微生物熵指标是衡量土壤有机碳积累或损失的
重要指标[19] .其值越高,表示土壤有机碳处于积累
状态[20];如果土壤被过度使用,土壤微生物将会迅
速下降,最终导致土壤微生物熵降低[5] .由表 1 可以
看出,在 0 ~ 20 cm 土层,退耕还林地土壤微生物熵
值均比对照高,说明退耕还林后土壤有机碳的积累
高于自然恢复地. 0 ~ 10 cm 土层微生物熵值大于
10 ~ 20 cm土层,说明 0 ~ 10 cm 土层有机碳积累强
度大于 10 ~ 20 cm土层.
7884 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘苑秋等: 江西瑞昌石灰岩山区退耕还林对土壤有机碳的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 不同退耕还林模式下土壤微生物生物量碳的季节变
化
Fig. 2摇 Seasonal changes of MBC in different converting modes.
2郾 4摇 退耕还林对土壤可矿化碳含量的影响
土壤有机碳矿化量是指在一定的温度下,某一
段时间内土壤有机碳矿化释放的 CO2 数量 (以
mg·kg-1干土计),是土壤碳矿化速率的表征[14] .土
壤有机碳矿化速率的大小反映了土壤中微生物的数
量和活性.由表 1 可以看出,4 种退耕还林模式 0 ~
20 cm 土层的可矿化碳年平均含量为 657郾 64
mg·kg-1,显著高于对照样地(555郾 62 mg·kg-1 ).
退耕还林地 0 ~ 10 cm 和 10 ~ 20 cm 土层的土壤碳
矿化速率均高于对照. 土壤有机碳矿化过程是在微
生物的参与下进行的,受到土壤有机碳化学性质和
存在状态,水分、温度、质地等诸多因素的影响[21] .
土壤可矿化碳与微生物生物碳含量之间存在显著正
相关关系(R= 0郾 531),进一步说明退耕还林后土壤
微生物数量和活性得到提高.同时,土壤矿化碳与有
机碳含量之间存在极显著的正相关关系 ( R =
0郾 862),说明退耕还林地有机碳可矿化量的提高与
退耕还林后土壤有机碳含量提高密切相关.
表 1摇 不同退耕还林模式下土壤微生物量指标变化
Table 1摇 Concentration of soil microbial indices in different converting modes
模式
Mode
样 地
Sample
land
土层
Soil layer
(cm)
土壤有机碳
SOC
(mg·kg-1)
土壤微生物生物量
碳 MBC
(mg·kg-1)
可矿化碳
PMC
(mg·kg-1)
微生物熵
MBC / SOC
(% )
PMC / SOC
(% )
A 玉 0 ~10 9郾 93 311郾 89 858郾 00 3郾 1 8郾 6
10 ~ 20 7郾 48 174郾 02 593郾 58 2郾 3 7郾 9
平均 Mean 8郾 70 242郾 95 725郾 79 2郾 7 8郾 3
域 0 ~ 10 7郾 66 238郾 13 689郾 18 3郾 1 9郾 0
10 ~ 20 5郾 90 135郾 10 470郾 12 2郾 3 8郾 0
平均 Mean 6郾 78 186郾 61 579郾 65 2郾 7 8郾 5
B 玉 0 ~ 10 11郾 18 371郾 34 704郾 72 3郾 3 6郾 3
10 ~ 20 7郾 94 248郾 96 486郾 88 3郾 1 6郾 1
平均 Mean 9郾 56 310郾 15 595郾 80 3郾 2 6郾 2
域 0 ~ 10 8郾 85 284郾 34 654郾 71 3郾 2 7郾 4
10 ~ 20 6郾 67 204郾 30 368郾 64 3郾 1 5郾 5
平均 Mean 7郾 76 244郾 32 511郾 68 3郾 1 6郾 5
C 玉 0 ~ 10 9郾 39 288郾 85 730郾 50 3郾 1 7郾 8
10 ~ 20 7郾 25 205郾 44 456郾 88 2郾 8 6郾 3
平均 Mean 8郾 32 247郾 15 593郾 69 3郾 0 7郾 0
域 0 ~ 10 7郾 55 230郾 39 622郾 52 3郾 1 8郾 2
10 ~ 20 5郾 88 145郾 59 390郾 64 2郾 5 6郾 6
平均 Mean 6郾 72 187郾 99 506郾 58 2郾 8 7郾 4
D 玉 0 ~10 12郾 14 216郾 92 887郾 50 1郾 8 7郾 3
10 ~ 20 8郾 42 171郾 94 543郾 03 2郾 0 6郾 5
平均 Mean 10郾 28 194郾 43 715郾 26 1郾 9 6郾 9
域 0 ~ 10 9郾 61 167郾 74 768郾 90 1郾 8 8郾 0
10 ~ 20 7郾 14 141郾 90 480郾 27 2郾 0 6郾 7
平均 Mean 8郾 37 154郾 82 624郾 59 1郾 9 7郾 4
玉 0 ~ 20 9郾 22 248郾 67 657郾 64 2郾 7 7郾 1
域 0 ~ 20 7郾 41 193郾 44 555郾 62 2郾 6 7郾 4
A:林苗一体化模式 Forest鄄seedling integration model; B:药用纯林模式 Pure medicinal forest model; C:多树种混交模式 Multi鄄species mixed forest
model; D:竹阔混交模式 Mixed forest model of bamboo鄄broadleaved tree. 玉: 林地 Forestland;域:对照 Control.
888 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
摇 摇 土壤矿化速率下降幅度的大小反映了土壤中可
供微生物利用的有机碳的相对含量,以及微生物的
利用状况.本研究中,土壤培养结束时 (第 28 天),
林苗一体化模式、药用纯林模式、多树种混交模式和
竹阔混交模式 0 ~ 10 cm 土层的矿化速率分别为培
养开始时 (第 1 天)的 24郾 2% 、20郾 9% 、22郾 6% 和
26郾 2% ,对照样地依次为 20郾 4% 、23郾 5% 、24郾 6%和
27郾 8% ;而在 10 ~ 20 cm层,土壤有机碳的矿化速率
分别为培养开始时的 18郾 6% 、15郾 3% 、19郾 8% 和
20郾 0% ,对照依次为 20郾 9% 、 23郾 3% 、 21郾 9% 和
26郾 1% .除林苗一体化模式 0 ~ 10 cm 土层外,其他
模式林地土壤有机碳矿化速率的降幅均大于对照,
以淡竹为优势种的竹阔混交林矿化速率的降幅最
小.这可能与退耕还林地凋落物的组成及成分有关.
因为退耕还林地凋落物主要来源于木本植物,而对
照凋落物主要来自草本植物,竹阔混交林的凋落主
要为禾本科的淡竹. Giardina 等[7]研究表明,凋落物
的 C / N 和木质素 / N 与土壤有机碳矿化速率成正相
关关系.各退耕还林模式的凋落物质成分有待进一
步分析.
另外,10 ~ 20 cm 土层的有机碳矿化速率降幅
大于 0 ~ 10 cm 土层. 这与王清奎等[22]的研究结果
相一致.
3摇 结摇 摇 语
瑞昌石灰岩山地 4 种模式退耕还林 5 年后,土
壤的有机碳含量、微生物生物量碳和可矿化碳显著
增加;而且 0 ~ 10 cm土层含量显著高于 10 ~ 20 cm
土层,说明退耕还林显著提高了 0 ~ 10 cm土层土壤
有机碳含量,增强了土壤碳储能力.除竹阔混交模式
外,其他 3 种退耕还林模式土壤有机碳含量、微生物
生物量碳季节变化均表现为夏季最高、冬季最低.
本研究是退耕还林 5 年的研究结果,仅代表了
幼林阶段的状况.随着林龄的增长,各退耕还林模式
林分内种间竞争和林地环境均会发生变化,土壤有
机碳库及其组分也会发生改变[23] . 此外,由于土壤
有机碳本身存在空间变异性,特别是石灰岩山地裸
岩分布的随机性,导致土壤的异质性较大,尤其是土
壤有机碳的影响因素复杂,在一定程度上影响了对
结果的合理解释,因此需要长期的跟踪研究.
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作者简介 摇 刘苑秋,女,1963 年生,教授. 主要从事森林生
态、林业生态工程教学与研究. E鄄mail: liuyq404@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
098 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷