不同树种对森林土壤可溶性有机碳空间异质性的影响.pdf
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1、农学学报2023,13(8):46-55Journal ofAgriculture不同树种对森林土壤可溶性有机碳空间异质性的影响孔令迁1,刘宪斌1,2,李 云1(1玉溪师范学院化学生物与环境学院,云南玉溪 653100;2玉溪师范学院生物与环境工程研究院,云南玉溪 653100)摘 要:通过调查同一个森林生态系统不同样地中多个树种根际范围内土壤可溶性有机碳和土壤有机碳的含量,分析和探讨影响森林生态系统土壤可溶性有机碳和土壤有机碳空间异质性的环境因素。本项目在云南哀牢山亚热带中山湿性常绿阔叶原生林生态系统中进行,选择3个山谷样地上游森林生态系统原生土区域中7个主要树种作为研究对象,调查010 c
2、m表层土壤可溶性有机碳和土壤有机碳的含量。研究结果表明:硬壳柯、变色锥、木果柯、多花山矾和南洋木荷等5个乔木树种根际范围内土壤可溶性有机碳和土壤有机碳含量显著高于云南连蕊茶和云南越桔2个灌木树种根际范围内土壤可溶性有机碳和土壤有机碳含量;5个乔木树种中硬壳柯和南洋木荷2个树种根际范围内土壤可溶性有机碳和土壤有机碳含量明显大于另外3个乔木树种,说明不同树种对土壤可溶性有机碳和土壤有机碳的空间异质性有明显影响。7个不同树种根际范围内土壤可溶性有机碳含量、土壤有机碳含量和土壤可溶性有机碳含量占土壤有机碳含量的比例在老君山神山谷样地中达到最大值,在三棵树山谷样地中降低为最低值,说明不同山谷样地中的环境
3、条件也可以显著影响土壤可溶性有机碳和有机碳含量及两者之间的比例。本项目研究结果充分证明森林生态系统土壤可溶性有机碳和土壤有机碳空间分布规律的复杂性和环境控制因子的多样性,可为全球各种类型森林生态系统土壤有机碳成分和碳贮量等方面的研究内容提供新的思路和方向。关键词:土壤可溶性有机碳;土壤有机碳;硬壳柯;南洋木荷;变色锥;木果柯;多花山矾;哀牢山亚热带中山湿性常绿阔叶林中图分类号:S714.2文献标志码:A论文编号:cjas2022-0112Impacts of Various Tree Species on Spatial Heterogeneity of Soil Dissolved Orga
4、nic Carbon inForest EcosystemsKONG Lingqian1,LIU Xianbin1,2,LI Yun1(1School of Chemistry,Biology and Environment,Yuxi Normal University,Yuxi 653100,Yunnan,China;2Institute of Biology and Environmental Engineering,Yuxi Normal University,Yuxi 653100,Yunnan,China)Abstract:To investigate the contents of
5、 soil dissolved organic carbon and soil organic carbon in therhizosphere of several tree species in different sampling places in a forest ecosystem,the factors affecting thespatial heterogeneity of soil dissolved organic carbon and soil organic carbon in forest ecosystem were analyzed.This project w
6、as carried out in the subtropical montane moist evergreen broad-leaved primary forest ecosystemin Ailao Mountains of Yunnan Province.Seven dominant tree species in the primary soil area of forestecosystem with high altitude in three sampling watersheds were selected as the research objects to invest
7、igate基金项目:云南省教育厅大学生创新创业训练计划项目“森林凋落物和根系分泌物对土壤活性碳的影响”(2021A024);云南省教育厅科学研究基金项目“季节性干旱对云南次生常绿阔叶林碳库和养分循环的影响”(教师类项目:2019J0739)。第一作者简介:孔令迁,女,2001年出生,云南昭通人,大学本科在读,研究方向:热带森林生态系统土壤碳循环和养分循环、植物营养。通信地址:653100 云南省玉溪市红塔区凤凰路134号 玉溪师范学院化学生物与环境学院,Tel:0877-2052169,E-mail:KongLQYXNU_。通信作者:刘宪斌,男,1981年出生,河北邯郸人,讲师,博士后,主要从
8、事热带森林生态系统土壤碳循环和养分循环、热带森林生态系统干旱干扰、植物营养等方面的研究。通信地址:653100 云南省玉溪市红塔区凤凰路134号 玉溪师范学院化学生物与环境学院,Tel:0877-2050539,E-mail:。收稿日期:2022-08-09,修回日期:2022-10-17。0 引言由于森林生态系统地上部植被和地下部土壤共同固定了大量碳元素,且不断通过各种物理过程、化学作用和生物化学合成与分解过程与周围环境进行着大通量碳元素交换,使其成为全球陆地生态系统的重要组成部分1-2。土壤体作为森林生态系统中各种物质交换和能量流动的源与库,是森林生态系统物种进化、结构组成、功能调整和生命
9、演变的重要控制因子之一,尤其是作为减缓全球温度升高对森林碳库产生的消极影响的缓冲媒介,土壤生态系统的结构和组成一直是相关研究领域的热点1,3。土壤有机碳是土壤有机质的核心组成部分,是碳元素在土壤剖面中的主要存在状态,对全球气候变化较为敏感,其动态变化对森林生态系统的物种组成、功能调整和发展演化方向产生显著影响4。从内容物组成角度讲,土壤有机碳是由不同分解速率和分解程度的土壤碳组分组成的复杂混合体,主要来源是生态系统地上部植物有机体的凋落和地下部植物根系的分泌物和脱落物,其组成和贮量主要受植被类型、气候条件、土壤环境和人类活动的干扰4-5。土壤可溶性有机碳属于土壤有机碳复合体中比较活跃的部分,其
10、作为土壤微生物活动的能源和土壤肥力的标志物,可直接参与土壤生物化学转化过程,对土壤碳库平衡、土壤物理化学性质、土壤肥力保持等方面都具有重要作用4,6。因此,研究森林生态系统土壤可溶性有机碳的组成、分布、贮量和相关环境控制因子不仅对了解和学习森林生态系统碳循环和养分循环有很大的帮助,而且对研究森林生态系统植被组成和功能多样性同样具有重要意义。从宏观角度分析,不同植物群落或森林植物分布带由于所处地理位置各种环境因子组合不同,不同种类森林生态系统之间土壤可溶性有机碳组成和贮量有显著性差异;同一种类植物群落或森林植物分布带在不同年龄段由于其固碳能力、生长量和功能多样性不同,造成其在产生和保存土壤活性有
11、机碳方面的能力也有所不同;同一种植物群落或森林植物分布带、同一个生长年龄阶段、但是在一年中不同生长季节期间,由于受到不同季节间植被生长周期和环境因子组合不同的影响,其土壤可溶性有机碳的组成和贮量也不相同4,6。从微观角度分析,在同一个森林生态系统的同一个山谷流域中,不同坡位、方向和植被种类组合造成植物生长环境中的水分、光照和温度等环境因子的差异,从而导致土壤深度、质地组成、微生物和动物含量与种类的不同,使不同微环境条件下的土壤可溶性碳含量也有明显差异,从而造成明显的土壤可溶性有机碳的林间土壤空间异质性7。刘涛泽等8在广西环江县南部的喀斯特地区坡地土壤研究中发现不同坡向和the contents
12、 of soil dissolved organic carbon and soil organic carbon in the 0-10 cm topsoil.The results showedthat the contents of soil dissolved organic carbon and soil organic carbon in the rhizosphere of 5 tree species,including Lithocarpus hancei(Bentham)Rehd.,Castanopsis rufescens(Hook.f.et Thoms.)Huang e
13、t Y.T.Chang.,Lithocarpus xylocarpus(Kurz)Markg.,Symplocos ramosissima Wall.ex G.Don and Schima noronhaeReinw.ex Bl.Bijdr,were significantly higher than those in the rhizosphere of the other 2 shrub species,namely,Camellia forrestii(Diels)Coh.St.and Vaccinium duclouxii(Levl.)Hand.-Mazz.Among the 5 tr
14、eespecies,the contents of soil dissolved organic carbon and soil organic carbon in the rhizosphere of L.hancei andS.noronhae were significantly higher than those of the other 3 species,indicating that different tree speciescould apparently affect the spatial heterogeneity of soil dissolved organic c
15、arbon and soil organic carbon.Thecontents of soil dissolved organic carbon and soil organic carbon as well as the proportion of soil dissolvedorganic carbon in soil organic carbon in the rhizosphere of the 7 sampling tree species respectively reached themaximum value in the Laojunshanshen watershed,
16、and decreased to the corresponding lowest value in theSankeshu watershed,indicating that the environmental factors in different sampling watersheds could alsoobviously affect the contents of soil dissolved organic carbon and soil organic carbon as well as the ratiobetween them.The research results o
17、f this project fully proved the complexity of the spatial distribution of soildissolved organic carbon and soil organic carbon in forest ecosystems and the diversity of environmentalcontrolling factors,and could provide new scopes for the research on soil organic carbon composition andcarbon storage
18、 in various types of forest ecosystems in the world.Keywords:soil dissolved organic carbon;soil organic carbon;L.hancei;S.noronhae;C.rufescens;L.xylocarpus;S.ramosissima;subtropical montane moist evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountains47坡地表层土壤可溶性有机碳含量不同,主要受到有机质输入、地形和土壤质量等因素的综合影响;袁知洋等9在江西萍乡武
19、功山草甸区植被小群落下取样调查,发现乔木、灌木、高草和地被植物4种不同植物群落下土壤可溶性有机碳含量互相之间均达到显著差异性水平。这些研究成果只能证明不同类型植物带或植物聚集区域土壤活性有机碳的分布规律,但对于受人为干扰因子较小、植物种类多样的原生林生态系统说服力较小。本项目以云南哀牢山中山湿性常绿阔叶原生林生态系统为试验场所,选择3个具有代表性的山谷流域,在每个山谷流域上游森林生态系统原生土区域选择7个森林生态系统主要树种作为调查对象,在其根际范围内采集010 cm土壤样品,测定土壤可溶性有机碳和土壤有机碳的含量,观察不同树种对土壤可溶性有机碳和土壤有机碳空间异质性的影响。本项目的主要研究内
20、容包括3个方面:(1)调查不同树种根际范围内土壤可溶性有机碳和土壤有机碳的含量;(2)分别对比不同山谷样地中同一个树种个体根际范围内土壤可溶性有机碳含量和土壤有机碳含量之间的差异;(3)分析不同树种间和不同山谷样地中土壤可溶性有机碳和土壤有机碳的比例变化规律。1 材料与方法1.1 样地信息本项目土壤样品野外采集样地设置在云南省哀牢山北段上部徐家坝地区(2432 N,10101 E,海拔24002600 m,隶属于普洱市景东县太忠乡)的亚热带中山湿性常绿阔叶原生林生态系统,该森林生态系统位于哀牢山国家级自然保护区的核心位置,也是中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站和云南哀牢山森林生态系统国家
21、野外科学观测研究站的位置所在地10-11。该区域主要受西南季风气候和垂直山地气候的影响,年均降雨量1931 mm,蒸发量1485 mm,空气相对湿度85%,林间常年有地表径流且随着季节和降雨量的变化而改变径流量,在山谷间地势较平坦的地方累积了大量淤积土并形成小面积草地生态系统11-12。年内干湿季节分明,雨热同期,510月为雨季,降雨量大且集中,常常有大雨天气,降雨量占全年总降雨量的85%左右;11月次年4月为干季,降雨量占全年总降雨量的15%左右11-12。年均温度11.3,7月份平均气温最高,为16.4;1月份平均气温最低,为5.4,冬季常常受冷空气和大雪的干扰,全年无霜期200 d左右1
22、1,13。该区域森林生态系统主要包括山地上游海拔较高的原生林生态系统和山谷中间海拔较低的草地生态系统2种10,14。山地上游原生林生态系统土壤类型为原生土,森林植被主要由壳斗科、茶科、樟科和木兰科等树种组成,其代表树种有硬壳柯Lithocarpus hancei(Bentham)Rehd.、木 果 柯 Lithocarpus xylocarpus(Kurz)Markg.、变色锥Castanopsis rufescens(Hook.f.et Thoms.)Huang et Y.T.Chang、南洋木荷(Schimanoronhae Reinw.ex Bl.Bijdr)、翅 柄 紫 茎(Stewa
23、rtiapteropetiolata W.C.Cheng)、云 南 连 蕊 茶 Camelliaforrestii(Diels)Coh.St.、黄 心 树(Machilus gambleiKing ex Hook.f.)、黄丹木姜子Litsea elongata(Wall.exNees)Benth.et Hook.f.、红花木莲Manglietia insignis(Wall.)Blume、多花含笑(Michelia floribunda Finet etGagn.)等;山谷中间海拔较低的草地生态系统土壤类型为淤积土,由于常年积水和上游原生土的累积,不利于高大乔木的生长,植被类型主要包括生长速
24、度较快的草本植物和适于积水条件的矮小灌木植物,其植被代表种类主要有弯蕊开口箭Tupistra wattii(C.B.Clarke)Hook.f.、纤 细 冷 水 花(Pilea gracilis Hand.-Mazz.)、长 柄 异 药 花(Fordiophyton longipes Y.C.Huang ex C.Chen)、紫茎泽兰Ageratina adenophora(Spreng.R.M.KingetH.Rob.)、珍 珠 花(Lyoniaovalifolia Hort.Ex Gard)、金丝桃(Hypericum uralumBuch.)、岩 子 果(Gaultheria forre
25、stii Diels)、朝 天 罐(Osbeckia opipara C.Y.Wu et C.Chen)等14-16。原生林生态系统林间原生土土壤母质由古生代板岩、微晶片岩、绿泥片岩、石英片岩、片麻岩、闪长岩和石英岩等组成,风化发育后形成现在典型的山地黄壤、棕壤和黄棕壤,风化程度高,土层深厚,土层深度可达120180 cm10,17。森林生态系统植被物种丰富,年生长量大,林间地表长年覆盖有大量凋落物(平均 37 cm厚),土壤疏松而肥沃,土壤孔隙度较高,土壤微生物种类丰富;土壤中含有大量有机质和矿质养分,030 cm土层中pH 4.24.5,有机质含量为5%9%,土壤有机碳、氮、磷和钾的含量分
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