全 文 ：第 35 卷第 16 期
2015年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.16
Aug.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划课题 (2011BAC09B05); 国家自然科学基金(31370628); 国家自然科学基金(31300528)
收稿日期:2014鄄02鄄07; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄10鄄08
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: sicauzhangjian@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201402070221
宋小艳, 张丹桔, 张健, 李建平, 纪托未, 欧江, 胡相伟.马尾松(Pinus massoniana)人工林林窗对土壤不同形态活性有机碳的影响.生态学报,
2015,35(16):5393鄄5402.
Song X Y, Zhang D J, Zhang J, Li J P, Ji T W, Ou J, Hu X W.Effects of gap size in Pinus massoniana plantations on different soil labile organic carbon
fractions.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5393鄄5402.
马尾松(Pinus massoniana)人工林林窗对土壤不同形
态活性有机碳的影响
宋小艳, 张丹桔, 张摇 健*, 李建平, 纪托未, 欧摇 江, 胡相伟
四川农业大学林学院生态林业研究所, 成都摇 611130
摘要:研究了四川盆地低山丘陵区马尾松人工林不同大小林窗对表层土壤活性有机碳(水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化碳)
含量、分配比例及碳库管理指数的影响。 结果表明:(1)林窗下土壤微生物量碳含量与分配比例较林下土壤有所升高,而水溶
性有机碳与易氧化碳含量及水溶性有机碳分配比例有所降低。 (2)林窗大小显著影响林窗中心土壤活性有机碳含量与分配比
例。 随林窗面积增大,水溶性有机碳、微生物量碳与易氧化碳含量呈现较为一致的升高趋势;水溶性有机碳和微生物量碳分配
比例也升高,易氧化碳分配比例先下降后升高,稳定态碳先升高后降低;总体表现为较大林窗(900—1225m2)微生物活性强,活
性有机碳含量高,且有机碳库稳定性较好。 (3)土壤碳库管理指数随林窗面积增大无显著变化,但与各形态活性有机碳含量及
总有机碳含量显著相关,说明土壤碳库管理指数能够相对全面地反映林窗大小对土壤碳库的影响。
关键词:林窗大小; 活性有机碳; 碳库管理指数; 马尾松人工林
Effects of gap size in Pinus massoniana plantations on different soil labile organic
carbon fractions
SONG Xiaoyan, ZHANG Danju, ZHANG Jian*, LI Jianping, JI Tuowei, OU Jiang, HU Xiangwei
Institute of Ecology & Forestry, College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
Abstract: Large areas of P. massoniana plantations are often assumed to have serious ecological problems such as reduced
biodiversity and soil degradation. Logging gaps are an efficient practice used to solve these problems. We investigated how
the size of forest gaps in P. massoniana plantations influenced the characteristics of different soil labile organic carbon
fractions and the carbon management index. Compared with those in P. massoniana plantations, the content and proportion
of microbial biomass carbon increased, while the content of water鄄soluble organic carbon and readily oxidizable carbon, and
the proportion of water鄄soluble organic carbon decreased in forest gaps. The size of the forest gap had significant effects on
the content and proportion of labile organic carbon fractions. With the increasing size of forest gaps, the content of water鄄
soluble organic carbon, microbial biomass carbon, and readily oxidizable carbon increased. The proportions of water鄄soluble
organic carbon and microbial biomass carbon increased, the proportion of readily oxidizable carbon first decreased and then
increased and the non鄄labile carbon proportion first increased and then decreased. The content and proportion of labile
organic carbon and the stability of organic carbon were relatively higher in larger ( 900—1225 m2 ) gaps. The carbon
management index was not significantly affected by forest gap size, which positively correlated with the content of different
soil labile organic carbon fractions and soil total organic carbon. The effects of forest gap size on soil organic carbon were
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relatively significant in larger (900—1225 m2) forest gaps in terms of a higher stability of organic carbon and a greater
amount of microbial biomass carbon and water鄄soluble organic carbon. This suggests that 900—1225 m2 gaps might provide
optimal logging gap size for the conservation of ecological functions and natural regeneration in P. massoniana plantations.
Key Words: forest gap size; labile organic carbon; carbon management index; P. massoniana plantation
森林土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)是陆地碳库的主要组成部分,对保持土壤肥力,维持全球碳库
平衡起着重要作用。 但土壤有机碳背景值较高,对于干扰的反应表现出一定的滞后性,其数量和质量的最初
动态主要表现在活性有机碳部分[1鄄2]。 土壤活性有机碳是土壤碳库中对植物、微生物来说活性较高的部分,
反映土壤有机碳的早期变化[3],且对干扰反应敏感[4],能更实际地反映干扰条件下土壤肥力和物理性质的变
化,指示土壤的综合活力水平[5]。 土壤水溶性有机碳、微生物量碳及易氧化碳变化是土壤活性碳库动态的有
效表征[3,6]。 目前,森林土壤不同形态活性有机碳逐渐受到广泛关注[2,4,7]。
林窗作为森林自然更新与环境变化的重要动力,对于森林生态系统动态演替与生态功能优化具有重要作
用[8],也是人工林生态恢复的重要途径[9]。 林窗大小作为林窗的重要特征,通过改变林地微环境[10]和植被更
新[11],影响土壤碳过程[12鄄13]。 活性有机碳作为土壤有机碳中活性较高的部分[3],对干扰反应敏感[4],也将受
到林窗大小的影响。 目前,关于林窗大小的研究多关注林窗大小对林窗内环境、植被恢复与演替的影
响[10鄄11],而林窗大小对土壤活性有机碳的影响研究还十分鲜见。 四川盆地低山丘陵区人工林面积已超过
200万 hm2,但大面积的马尾松纯林带来了地力衰退、病虫害集中暴发以及地上 /地下生物多样性降低等生态
安全问题[14]。 为此,以四川宜宾 39年生马尾松人工林人工采伐形成的不同大小林窗为研究对象,研究了不
同林窗大小下土壤活性有机碳库的变化,旨在为四川盆地低山丘陵区大面积的马尾松人工林改造及可持续经
营提供指导依据。
1摇 实验方法
1.1摇 研究区概况
研究区位于四川省宜宾市高县境内(28毅35忆321义N—28毅36忆464义N,104毅33忆120义E—104毅33忆373义E);气候为
中亚热带湿润季风气候,雨量充沛,雨热同季;海拔 410—560m;年均温 18.1益;年降水量 1021.8 mm;全年日照
时数 1148 h。 试验地位于来复镇毛巅坳工区经营小班,土壤为山地黄壤,成土母岩为黄色砂岩,土壤发育完
善,剖面层次分明。 选择 39年生成熟马尾松人工纯林为研究林分,林分密度 1100 株 / hm2,郁闭度 0.6—0.8,
林下灌草覆盖度约 40%,主要灌木有野桐 Mallotus tenuifolius,梨叶悬钩子 Rubus pirifolius,铁仔 Myrsine Africana
等;主要草本有商陆 Phytolacca americana,芒萁 Dicranopteris linearis,芒 Miscanthus sinensis,荩草 Arthraxon
hispidus,蕨 Pteridium aquilinum,皱叶狗尾草 Setaria plicata等。
1.2摇 样地设置与样品采集
2011年 10月,将所选的 39年生马尾松人工林采伐形成 7种面积不等的近正方形林窗(面积分别为 G1:
100 m2、G2:225 m2、G3:400 m2、G4:625 m2、G5:900 m2、G6:1225 m2、G7:1600 m2),每个林窗面积设置 3 个重
复样地(图 1),各样地间距>10 m。 同时,选择远离林窗且面积大于 400m2的马尾松纯林作为对照样地(3
个)。 林窗采伐过程中,林窗内乔木等残体移出,但未掘根,并保留凋落物层。 于各样地中心土壤 5cm深处分
别埋设 1个纽扣温度记录器(iButton DS1921G, Maxim Com. USA),每 2h 自动监测温度。 待林窗采伐 2 年植
被基本恢复后,2013年 8月初进行采样。 于林窗中心、林窗边缘和对照马尾松林林下,按照“品冶字形 3 点取
样,去除凋落物和腐殖质层后采集表层(0—20 cm)土,混匀装入无菌塑料袋中,置于冰袋保鲜箱 24 h 内运回
实验室,同时用环刀采集 0—5cm土壤样品,以测定土壤物理性质。 并选择晴朗无云的天气,使用 JD鄄3数字照
度计于 8:30—11:30之间观测不同林窗中心、林下及旷地的光照强度,算出各观测点的相对光强(%),相对光
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强=各观测点光照强度 /旷地光照强度伊100%。 其中,林窗边缘界定为林冠空隙与周围边界木基部所围成的
部分。 林窗及林下概况见表 1。
图 1摇 四川省宜宾市研究区域内样地位置示意图
Fig.1摇 Map of the sampling plots in study region in Yibin city Sichuan province
G1—G7代表面积为 100 m2、225 m2、400 m2、625 m2、900 m2、1225 m2、1600m2的林窗, CK为林下对照; G鄄1,G鄄2,G鄄3表示各林窗面积的 3
个重复样地,以此类推
表 1摇 马尾松人工林不同面积林窗样地基本概况
Table 1摇 General characteristics in the sampling plots in different size forest gaps of Pinus massoniana plantations
林窗
Gap
海拔 / m
Altitude
坡度 / ( 毅)
Slope
坡向
Aspect
相对光强 / %
Relative light intensity
月均温 / 益
Monthly average temperature
G1 423 24.5 SW 87.7 26.03
G2 438 26 SE 93.5 26.40
G3 408 23.5 SE 94.8 28.21
G4 424 24 SE 95.3 28.44
G5 441 21.5 S 95.4 28.67
G6 418 27 SE 96.3 29.04
G7 430 26 SE 98.3 28.73
CK 427 23 SE 16.3 25.94
1.3摇 样品分析与测定
将土样中较大的树根和石子剔除后分为 2份:一份过 2 mm筛装袋,4 益保存,用于测定土壤水溶性有机
碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC);另一份自然风干,过 0.15 mm 筛用于测定总有机碳(SOC)、过 0.25mm
筛用于测定易氧化碳(ROC)。
土壤 WSOC 采用浸提水土比 2颐 1,25益下去离子水恒温震荡 30min 后,高速离心 20min(4000r / min),
0.45um滤膜抽滤,提取液中的有机碳含量采用总有机碳总氮分析仪(Mulit N / C 2100)测定[15鄄16];MBC 采用改
进的氯仿熏蒸鄄K2SO4浸提法,熏蒸和未熏蒸处理土壤提取液中有机碳之差除以转换系数(0.45)为微生物量碳
含量[17];SOC采用重铬酸钾氧化鄄外加热法测定(LY / T 1237—1999);ROC 采用 333 mmol / L 高锰酸钾氧化,
565 nm波长比色测定[18];稳定态碳(NLC)为 SOC与 ROC的差值。 土壤理化特征值如表 2。
1.4摇 数据处理
数据处理采用 Excel,Origin8和 SPSS17.0统计软件完成。 其中林窗面积对活性有机碳含量、分配比例及
碳库管理指数的影响采用回归分析或单因素方差分析(One鄄way ANOVA)及 Tukey 进行多重比较,显著水平
均设置为 琢= 0.05。 林窗中心、边缘与林下活性有机碳含量及分配比例的差异采用配对样本 T 检验。 用
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Pearson相关系数分析土壤活性有机碳含量与土壤基本理化性质之间的相关性。 以马尾松林下土壤为参照土
壤,计算出不同大小林窗中心和边缘土壤碳库管理指数。 碳库管理指数计算方法如下[18]:
碳库指数(CPI) = 样品 SOC /参照 SOC
碳库活度(L) = ROC / NLC
碳库活度指数(LI) = 样品土壤 L /参照土壤 L
碳库管理指数(CMI) = CPI 伊LI 伊100
表 2摇 马尾松不同面积林窗下土壤理化特征
Table 2摇 Soil physico鄄chemical characteristics in the sampling plots in different size forest gaps of Pinus massoniana plantations
林窗
Gap
含水量 / %
Water content
容重 / (g / cm3)
Bulk density
最大持水量 / (g / kg)
Maximum moisture capacity pH
有机碳 / (g / kg)
Soil organic carbon
G1 22.90 (3.90) 1.46 (0.06) 324.2 (37.2) 3.38 (0.05) 13.60 (5.48)
G2 21.73 (4.00) 1.33 (0.08) 396.1 (91.9) 3.46 (0.08) 13.68 (3.52)
G3 20.11 (4.00) 1.37 (0.11) 367.8 (79.0) 3.38 (0.08) 11.20 (1.21)
G4 21.33 (1.22) 1.31 (0.11) 375.8 (112.7) 3.50 (0.25) 9.74 (1.30)
G5 23.98 (3.50) 1.34 (0.17) 381.6 (62.1) 3.43 (0.07) 12.72 (2.93)
G6 20.06 (4.40) 1.36 (0.26) 364.4 (66.3) 3.47 (0.07) 14.71 (3.72)
G7 21.07 (1.70) 1.45 (0.04) 311.9 (43.9) 3.42 (0.07) 10.26 (3.30)
CK 20.10 (2.00) 1.26 (0.14) 394.7 (56.0) 3.40 (0.07) 13.77 (4.08)
摇 摇 括号内的数字表示平均值的标准差
2摇 结果
2.1摇 不同大小林窗下土壤活性有机碳含量及碳库管理指数
在林窗中心,随林窗面积增加,土壤 WSOC含量升高(图 2);MBC 与 ROC 含量先上升(G1—G2),然后下
降(G2—G4),此后升高(G4—G6),但在 G7又有所降低(P<0.05);而 NLC 含量和 CMI 无显著变化。 在林窗
边缘,随林窗面积增加,WSOC与 MBC含量先下降(G1—G3),此后 WSOC 含量呈上升趋势,MBC 含量上升后
下降(P<0.05);NLC含量先下降,最后又缓慢上升,但 ROC含量与 CMI无显著变化(图 2)。
2.2摇 不同大小林窗下土壤活性有机碳分配比例
在林窗中心,随林窗面积增加,水溶性有机碳分配比例(WSOC / SOC)增大(图 3);微生物量碳分配比例
(MBC / SOC)在 G2时显著升高,此后基本稳定(P<0.05);易氧化碳分配比例(ROC / SOC)先降低(G1—G6)再
升高,而稳定态碳分配比例(NLC / SOC)与之相反,先升高后降低。 在林窗边缘,随林窗面积增加,土壤
WSOC / SOC与 MBC / SOC 均无显著变化,ROC / SOC 先下降(G1—G4),G5 时显著上升,此后又有所下降(P<
0.05),总体表现为较大林窗(G5—G7)高于较小林窗(G1—G4),而 NLC / SOC 与 ROC / SOC 相反,总体表现为
较小林窗(G1—G4)高于较大林窗(G5—G7)(图 3)。
2.3摇 林下与林窗及林窗内中心与边缘土壤活性有机碳含量及分配比例差异
林窗中心与马尾松林下比较,各面积林窗(除 G7)土壤 WSOC 含量及分配比例均极显著低于林下(P<
0.01);而各面积林窗土壤 MBC含量及分配比例则高于林下,但部分林窗与林下差异不显著;各面积林窗(除
G2和 G6)土壤 ROC含量显著低于林下(P<0.05),但 ROC 分配比例与林下差异均不显著。 林窗边缘与林下
比较,各面积林窗土壤 WSOC含量均极显著低于林下(P<0.01),同时,WSOC 分配比例(除 G6 和 G7)显著低
于林下(P<0.05);各面积林窗(除 G3和 G7)MBC含量均极显著高于林下(P<0.01),但其分配比例仅 G4显著
高于林下(P<0.05),其他林窗与林下差异不显著;而各面积林窗 ROC 及 NLC 含量及分配比例则与林下差异
均不显著(表 3)。
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图 2摇 马尾松人工林不同大小林窗下土壤活性有机碳(水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化碳、稳定态碳)含量及碳库管理指数
Fig.2摇 Content of soil labile organic carbon (WSOC: water鄄soluble organic carbon, MBC: microbial biomass carbon, ROC: readily oxidizable
carbon, NLC: non鄄labile carbon) and carbon management index in different size forest gaps of Pinus massoniana plantation
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图 3摇 马尾松人工林不同大小林窗下土壤活性有机碳(水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化碳、稳定态碳)分配比例
Fig.3摇 Proportion of soil labile organic carbon (water鄄soluble organic carbon, microbial biomass carbon, readily oxidizable carbon, non鄄labile
carbon) in different size forest gaps of Pinus massoniana plantation
WSOC / SOC: 水溶性有机碳分配比例 Proportion of water鄄soluble organic carbon in soil organic carbon;MBC / SOC: 微生物量碳分配比例
Proportion of microbial biomass carbon in soil organic carbon;ROC / SOC: 易氧化碳分配比例 Proportion of readily oxidizable carbon in soil organic
carbon;NLC / SOC:稳定态碳分配比例 Proportion of non鄄labile carbon
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表 3摇 马尾松人工林林下与林窗及林窗内中心与边缘土壤活性有机碳含量及分配比例差异
Table 3摇 The comparisons of the content and proportion of labile organic carbon between in gap center and in Pinus massoniana plantations, in
forest gap edge and in Pinus massoniana plantations, in forest gap center and edge
项目
Item
林窗中心—林下
Gap center鄄understory
林窗边缘—林下
Gap edge鄄understory
林窗中心—林窗边缘
Gap center鄄gap edge
WSOC (G1—G7)** (G1—G7)** G1**(G2—G7)ns
WSOC / SOC (G1—G6)**(G7)ns (G3)**(G1,G2,G4,G5)*(G6,G7)ns (G1—G7)ns
MBC (G6)**(G2,G3,G5)*(G1,G4,G7)ns (G1,G2,G4,G5,G6)**(G3,G7)ns G1*(G2—G7)ns
MBC / SOC (G3—G5)**(G2,G7)*(G1,G6)ns (G4)*(G1—G3,G5—G7)ns (G1—G7)ns
ROC (G1,G4,G7)**(G3,G5)*(G2,G6)ns (G1—G7)ns (G1—G7)ns
ROC / SOC (G1—G7)ns (G1—G7)ns (G1—G7)ns
NLC (G1—G7)ns (G1—G7)ns (G1—G7)ns
NLC / SOC (G1—G7)ns (G1—G7)ns (G1—G7)ns
摇 摇 WSOC: 水溶性有机碳 Water鄄soluble organic carbon;WSOC / SOC: 水溶性有机碳分配比例 Proportion of water鄄soluble organic carbon in soil
organic carbon; MBC: 微生物量碳 Microbial biomass carbon; MBC / SOC: 微生物量碳分配比例 Proportion of microbial biomass carbon in soil organic
carbon; ROC:易氧化碳 Readily oxidizable carbon;ROC / SOC:易氧化碳分配比例 Proportion of readily oxidizable carbon in soil organic carbon;NLC:稳
定态碳 Non鄄labile carbon;NLC / SOC:稳定态碳分配比例 Proportion of non鄄labile carbon; *P<0.05; ** P<0.01, ns, P逸0.05
2.4摇 土壤活性有机碳含量及碳库管理指数与土壤理化性质的相关性
马尾松不同大小林窗下各活性有机碳含量及碳库管理指数间的相关性:SOC 与各活性有机碳(MBC 除
外)、稳定态碳含量及 CMI均显著相关,显示了土壤有机碳对活性有机碳含量及土壤碳库的决定作用;CMI 与
WSOC、ROC及 SOC含量均呈极显著正相关(P<0.01);ROC与WSOC和 SOC极显著正相关(P<0.01),与 NLC
和 MBC含量显著正相关(P<0.05);而 MBC仅与WSOC显著相关(P<0.05)。 各活性有机碳、稳定态碳含量及
碳库管理指数与土壤理化性质的相关性:MBC与温度,CMI与含水量以及 MBC与最大持水量显著正相关(P<
0.05),其他均无显著相关关系(表 4)。
表 4摇 马尾松人工林林窗土壤活性有机碳含量及碳库管理指数与土壤理化性质的相关性
Table 4摇 Correlations between the content of soil labile organic carbon, carbon management index and soil physico鄄chemical characteristics in
forest gaps of Pinus massoniana plantations
项目
Item WSOC MBC ROC NLC SOC CMI PH
温度
Temperature
含水量
Water
Content
容重
Bulk density
最大
持水量
Maximum water
holding capacity
WSOC 1 0.306* 0.431** 0.374 0.459** 0.338* 0.165 -0.107 0.197 -0.049 -0.071
MBC 1 0.179 0.50 0.113 0.149 -0.021 0.499* 0.079 -0.001 0.325*
ROC 1 0.445* 0.755** 0.925** -0.207 -0.264 0.291 -0.140 0.140
NLC 1 0.923* 0.111 0.102 0.039 -0.023 -0.092 -0.108
SOC 1 0.478** -0.014 -0.052 0.108 -0.128 -0.019
CMI 1 -0.232 -0.206 0.378* -0.063 0.162
摇 摇 WSOC: 水溶性有机碳 Water鄄soluble organic carbon; MBC: 微生物量碳 Microbial biomass carbon; ROC: 易氧化碳 Readily oxidizable carbon;
NLC: 稳定态碳 Non鄄labile carbon; SOC: 土壤有机碳 Soil organic carbon; CMI: 碳库管理指数 Carbon management index; * P<0.05; ** P<0.01
3摇 讨论
本研究中,马尾松人工林林窗与林下比较,虽然土壤总有机碳含量无显著变化,但各形态活性有机碳含量
及分配比例发生改变,且随林窗内位置的不同有所差异。 这首先体现了土壤活性有机碳对干扰反应较敏感,
能指示土壤总有机碳的早期变化[4]。 由于马尾松人工林林窗形成后,高大乔木被砍伐,林窗内植被盖度降
低,为林窗土壤提供了较充足的光照和较高的温度,促进微生物活动,同时,植被类型由以乔木为主变为以草
本为主,草本植物丰富的根系为微生物提供了较多的能源物质,也利于土壤微生物的生长与繁殖[2],使土壤
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微生物量碳(MBC)含量及分配比例显著升高。 但林窗内草本生物归还能力不及乔木,这可能是导致林窗内
水溶性有机碳(WSOC)和易氧化碳(ROC)含量降低的重要因素[7,19]。 同时,较强的微生物活动,必然增加其
对能源物质的消耗。 WSOC和 ROC是微生物重要的可利用能源物质,微生物活动的加强,使 WSOC 和 ROC
被大量分解,应是其含量降低的原因之一。 另外,在采样季节(夏季)较丰富的降雨背景下,土壤 WSOC 流失
加剧[20鄄21],也使WSOC含量降低。 林窗内不同位置(中心与边缘)由于光温水与植被分布的不同[10鄄11],会使土
壤活性有机碳含量产生差异,但这种差异的程度与林窗面积相关[22]。 本研究中,在林窗面积较小(G1)时,林
窗边缘与中心 MBC和 WSOC含量差异显著,其他面积林窗各活性有机碳差异不显著。 这与林窗大小影响植
被的边缘效应相类似,显示了较小面积林窗较强的边缘效应[23]。
本研究表明,马尾松林窗大小显著影响林窗中心土壤各形态活性有机碳含量。 林窗大小是林窗的重要特
征,通过影响林窗内光照、温度和水分条件[10],进而使植被更新与分布改变[11],同时影响土壤碳过程[12鄄13]。
土壤微生物量碳是理想的生物学指标,反映土壤生物活性高低。 普遍研究表明,在低于最适温度(35—45益)
时,土壤微生物活性随温度上升迅速增加[24]。 本研究中,随林窗面积增大,光照强度和光照时间明显增加,土
壤温度随之升高,可能是微生物活性增强,MBC 含量增加的原因。 同时,微生物活性增强将有利于土壤养分
释放与土壤肥力改善[9],为植被生长提供更好的条件,使植被凋落物和根系分泌物增加,而植被凋落物和根
系分泌物以及微生物本身都是 WSOC 和 ROC 的重要来源[25鄄26],因此较大面积林窗(900—1225m2)具有较高
的 WSOC和 ROC含量,与 MBC含量呈现相似的规律。 但是 G3和 G4活性有机碳含量比面积更小的林窗 G2
低,不符合整体规律。 G3和 G4 相对于 G2(较小面积林窗)而言,林窗内光照和温度条件都较好,植被得到了
较好的改善,植被生长对土壤养分的需求高于 G2,使其土壤活性有机碳被大量分解提供植被生长所需养分,
这可能是 G3和 G4活性有机碳含量比 G2低的原因。 但 G3、G4 与较大林窗植被条件均较好,植被对土壤的
养分的需求相差不大,而 G3和 G4光照和温度条件不如较大林窗,微生物活动比较大林窗弱,使 G3 和 G4 活
性有机碳含量低于较大林窗。 此外,土壤总有机碳含量也随林窗面积增大而增加,各活性有机碳含量与之呈
现一致的变化,证明了土壤有机碳含量在很大程度上决定了活性有机碳含量[27]。 本研究表明,林窗大小在显
著影响活性有机碳含量的同时,还使其分配比例发生了改变。 本研究中,WSOC / SOC 和 MBC / SOC 均随着林
窗面积增大而增大,反映了较大林窗土壤含有更多易于被微生物利用的有机质[28],且通过更活跃的微生物活
动,把土壤有机碳储存在微生物体内,指示了土壤有机碳的积累效应[28鄄29]。 而土壤有机碳的活性及稳定性则
分别是由土壤易氧化碳和稳定态碳占总有机碳的比例反应[30]。 本研究中,随林窗面积增大 ROC / SOC先降低
后升高,NLC / SOC先升高后降低,表明土壤有机碳活性先降低后升高,而稳定性先升高后降低。 这是因为较
大林窗(900—1225m2)由于植被归还能力较强,土壤有机质的来源增加,可能使土壤团聚作用加强,部分活性
有机碳被包裹在团聚体内部而成为非活性部分[25],从而使土壤有机碳稳定性增强。 但 G7林窗虽然林窗面积
最大,各活性有机碳含量及分配比例并不是最高,且稳定性不是最佳,这可能与 G7 相对较低的土壤温度有
关。 林窗边缘由于独特的微环境,林窗边缘植被具有边缘效应,而林窗大小影响着边缘效应的强度[22鄄23]。 本
研究中,在一定林窗大小范围内(100—400或 625m2),林窗边缘土壤 WSOC、MBC 含量及 ROC 分配比例随林
窗面积增加而降低与林窗中心呈现不同的变化规律;而当林窗面积大于 400m2或 625m2,林窗边缘效应对土
壤有机碳的影响减弱,林窗边缘WSOC与 MBC含量及 ROC分配比例表现出与林窗中心相似的变化规律。 本
研究中,较小面积林窗边缘活性有机碳及分配比例对林窗大小的响应不同于林窗中心,这应是由于较小面积
林窗边缘效应更强[23],同时应与此时林窗中心与边缘不同的地上 /地下相互作用对土壤有机碳库的影响
有关[19]。
土壤碳库管理指数能够全面和动态地反映不同经营措施下土壤质量下降或更新的程度[31]。 本研究中,
林窗中心与边缘碳库管理指数随林窗面积增大均无显著变化,这可能由于林窗形成时间较短(2a),林窗面积
对土壤碳库管理指数的影响还不大。 其中,900m2(G5)林窗边缘土壤碳库管理指数最高(CMI >1),反映了该
林窗在形成 2a后其土壤碳库环境得到了一定程度的改善。 以往研究表明,碳库管理指数与土壤有机碳、水溶
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性有机碳、微生物量碳、活性有机碳之间呈极显著正相关[25],这在本研究中得到了进一步证实,但在本研究
中,微生物量碳与碳库管理指数相关性不显著,这可能与微生物高的环境敏感性而碳库管理指数变化相对较
缓有关。 各活性有有机碳间存在不同程度的相关性,但均与土壤有机碳显著相关,说明各活性有机碳含量虽
然反映的是土壤有机碳中相对不同的活性部分,但都很大程度上决定于土壤有机碳含量的高低,都是土壤活
性碳库的重要组成部分。 其中微生物高的环境敏感性可能是造成微生物量碳与易氧化碳及总有机碳不显著
相关的原因。 但微生物量碳与水溶性有机碳具有良好的相关性,这是由于水溶性有机碳是有机质的淋溶和分
解产物,与微生物活动直接相关[32]。 此外,本研究中,土壤微生物量碳与温度和最大持水量显著相关,温度直
接影响微生物活性,而最大持水量可能通过改变土壤通气状况影响微生物生长,与前人研究结果基本
一致[25]。
综上所述,马尾松人工林林窗的形成提高了土壤微生物量碳的含量与分配比例,降低了水溶性有机碳与
易氧化碳含量及水溶性有机碳分配比例,使土壤生物活性增强,但土壤有机碳活性部分含量降低。 林窗大小
显著影响林窗中心各形态活性有机碳含量与分配比例。 随林窗面积增大,水溶性有机碳、微生物量碳与易氧
化碳含量呈现较为一致的升高趋势;水溶性有机碳和微生物量碳分配比例也升高,易氧化碳分配比例先下降
后升高,稳定态碳先升高后降低。 而由于边缘效应,林窗边缘各形态活性有机碳含量及分配比例对林窗大小
的响应与林窗中心有所不同。 同时,可能由于林窗形成时间较短,林窗大小对土壤碳库管理指数的影响并不
显著。 总体来看,900—1225m2林窗(G5—G6)内微生物活性强,活性有机碳含量高,且有机碳库稳定性较好。
为此,建议将 900—1225m2作为该地马尾松人工林改造的最适林窗面积;同时应延长林窗存在时间,林窗内植
被应以自然恢复为主,且加强林窗内水肥管理,这样可以在一定程度上提高林窗内土壤碳库管理指数。 本研
究为该地马尾松人工林科学经营和管理提供了科学依据,但林窗面积对土壤有机碳库的影响仍需要较长时间
的定位研究。
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