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在全球碳循环中,土壤扮演着极其重要的角色,它是地球表层最大的有机碳库。土壤中有机碳含量估计为陆地生物圈碳库总量的2/3,碳库的变化被普遍认为是导致大气成分和全球气候变暖的重要因素[1]。土壤有机碳一般由两部分构成:一是易氧化有机碳,二是稳定性比较强的有机碳。其中,Blair等学者在进行广泛深入地调查分析后表示[2],在作物连续生长期间能被333 mmol·L−1的KMnO4氧化的有机质最易发生变化,称之为易氧化有机碳,是反映土壤肥力变化的主要依据。有研究人员表示,易氧化有机碳不仅是预测土壤有机碳中动态周转最快的组分[3],同时也是反映土壤有机质动态变化的重要指标[4],可以此为依据评估土壤内部有机质的早期动态变化[5,6]。
土壤易氧化有机碳(ROOC)包括有轻组有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳、土壤可矿化碳以及碳水化合物[7]。易氧化有机碳在反映土壤质量和肥力变化时比总有机碳(TOC)更灵敏,能够比较早地揭示土壤肥力变化情况,及时准确地表达土壤物理性质的演变。ROOC可被用于描述和反映土壤物质循环特征,被视为土壤管理措施变化引起土壤有机质变化和土壤潜在生产力的早期指标[8,9],在采取一系列经管措施后,其变化相对较为明显[10]。
作为我国栽植分布最广的一类松属树种,马尾松是南方最主要用材松属树种之一,也是四川省栽植范围最广的用材树种,它具有适生生长能力强、丰产、速生、用途广泛等诸多优点[5]。低效林是一个比较宽泛的概念,主要指的是受人为或者自然等相关因素的制约,林木生长速度滞后,林分结构不合理,系统功能明显衰退,造成森林生态功能、林产品产量和质量等远远落后于同等面积、同等范围下的林分水平。低效林改造,是改变森林资源粗放经营、提高森林资源整体功能效益的有效途径,充分发挥林地生产潜力,提高林分质量,是加快森林资源培育和林业产业建设步伐,培育优质、丰产和高效的森林资源的必然要求。但目前比较缺乏关于经营管理对马尾松低效林土壤易氧化有机碳影响的研究,鉴于此,本试验拟将目光聚焦于川南马尾松低效林,在借鉴前人研究成果的基础上立足于现实情况,积极探寻各种改造措施下土壤易氧化有机碳含量的初期变化规律,为该区森林生态系统的合理经营、碳汇功能的客观评价及土地利用方式的正确选择提供有益指导。
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根据表1能够了解到,在同一季节,土壤中易氧化有机碳(ROOC)含量因采取的改造方法不同、土层深度不同而呈现出较大差别(P<0.05)。0~20 cm土层深度中,ROOC含量为CK>T1>T2>T3>T4>QK;即对照林最高,皆伐最低,并随开窗面积的增大而降低。20~40 cm土层深度中,春季ROOC含量表现为CK>T2>T3>T4>T1>QK,夏季ROOC含量表现为T1>T3>CK>T2>T4>QK,秋、冬季节ROOC含量均表现为CK>T2>T3>T4>T1>QK。且20~40 cm土层中的ROOC约为0~20 cm土层的31.47%~81.03%,表明不同改造模式对不同土层的ROOC含量有显著影响。
表 1 不同改造措施土壤易氧化碳含量变化情况
Table 1. Soil readily oxidizable carbon content under different transformation measures
时间 土壤深度/cm 改造措施 CK T1 T2 T3 T4 QK 2013/12/1(冬季) 0~20 7.20±1.32a 5.88±0.80ab 3.48±0.45b 3.54±0.37b 3.34±0.48b 2.69±0.90b 20~40 2.33±0.67a 2.23±0.58a 1.09±0.50b 0.99±0.67b 0.91±0.83b 0.70±0.23b 2014/3/1(春季) 0~20 5.32±0.70a 3.74±0.50b 3.15±0.43b 3.01±0.32b 2.55±0.56bc 2.47±0.34c 20~40 1.90±0.21a 1.20±0.20b 1.80±0.15a 1.46±0.43ab 1.34±0.19b 0.90±0.21b 2014/6/1(夏季) 0~20 7.32±0.42a 5.89±0.38b 5.75±0.29b 4.79±0.57bc 3.85±0.43c 3.21±0.55c 20~40 3.74±0.32ab 4.78±0.66a 3.21±0.19b 4.21±0.46ab 1.12±0.41d 2.70±0.86c 2014/10/1(秋季) 0~20 5.10±0.16a 3.69±0.47b 2.66±0.89bc 2.28±0.23c 2.20±0.11c 2.11±0.10c 20~40 1.15±0.12a 1.19±0.16a 0.81±0.36ab 0.55±0.05b 0.42±0.1b 039±0.21b 备注:同行中不同小写字母表示不同改造措施下的差异显著性,下同(P<0.05)。 -
由表2可知,在同一改造措施下,ROOC含量因季节变化存在明显差异。0~20cm深度土层下,ROOC含量表现为冬、夏季节显著高于春、秋季节,且ROOC含量趋势依次表现为:夏>冬>春>秋;20~40 cm深度土层下,对照样地与重造样地中的ROOC含量趋势依次表现为:夏>冬>春>秋。而在标准样地中,ROOC含量趋势依次表现为夏>春>冬>秋。表明同一改造措施下,土层深度是影响ROOC含量的重要因素。
表 2 同一改造措施下土壤易氧化有机碳含量的影响
Table 2. Effects of the same transformation measure on soil readily oxidizable carbon content
改造措施 土壤深度/cm 季节 冬 春 夏 秋 CK 0~20 7.20±1.32a 5.32±0.70ab 7.32±0.42a 5.10±0.16b 20~40 2.33±0.67b 1.90±0.21b 3.74±0.32a 1.15±0.12c T1 0~20 5.88±0.80a 3.74±0.50b 5.89±0.38a 3.69±0.47b 20~40 2.23±0.58b 1.20±0.20c 4.78±0.66a 1.19±0.16c T2 0~20 3.48±0.45b 3.15±0.43b 5.75±0.29a 2.66±0.89b 20~40 1.09±0.50bc 1.80±0.15ab 3.21±0.19a 0.81±0.36c T3 0~20 3.54±0.37b 3.01±0.32b 4.79±0.57a 2.28±0.23c 20~40 0.99±0.67b 1.46±0.43b 4.21±0.46a 0.55±0.05b T4 0~20 3.34±0.48a 2.55±0.56b 3.85±0.43a 2.20±0.11b 20~40 0.91±0.83a 1.34±0.19a 1.12±0.41a 0.42±0.1b QK 0~20 2.69±0.90a 2.47±0.34b 3.21±0.55a 2.11±0.10b 20~40 0.70±0.23b 0.90±0.21b 2.70±0.86a 1.13±0.21b
Distribution Characteristics of Soil Readily Oxidizable Organic Carbon in Pinus Massoniana Plantation under Different Low-efficiency Transformation Measures
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摘要: 通过马尾松(Pinus massoniana)低效林的改造试验,研究了3种不同改造措施(皆林砍伐重造,补林种植间歇砍伐,纯林措施对照)对地层土壤易氧化有机碳含量的影响,结果表明,易采取相同的改造措施时,随着土层不断加深,不同土壤层的易氧化有机碳含量逐步降低,表现为0~20 cm土壤层 > 20~40 cm土壤层;同一土壤层下不同改造措施易氧化有机碳含量不同,表现为皆林砍伐重造< 大林窗补植间伐< 小林窗补植间伐< 马尾松纯林。说明在改造初期,有机碳分解速率加快土壤易氧化有机碳的含量降低,并且改造面积越大,降低程度越大。上述改变差异在表层0~20 cm土壤中较为突出,在土层深度不断增大的过程中,其差别日益减小。Abstract: Through the transformation experiment of Pinus massoniana low-efficiency plantation, the effects of three different transformation measures (forest clear cutting and rebuilding measure, supplementary forest planting and intermittent cutting measure, pure forest: control) on the content of soil readily oxidizable organic carbon (ROOC) were compared. The results showed that under the same transformation measures, the ROOC content in different soil layers gradually decreased with the increasing of soil layers, and the ROOC content in 0−20 cm soil layer was higher than that in 20−40 cm soil layer. Under the same soil layer, the ROOC content was different under different transformation measures, and the order was shown as: forest clear cutting and rebuilding < big forest gap replanting and thinning < small forest gap replanting and thinning < pure masson pine plantation. The results indicated that at the beginning of the transformation, soil organic carbon decomposition rate accelerated and the ROOC content decreased, and the larger the transformation area, the greater the degree of reduction. These differences were especially obvious in the surface 0−20 cm topsoil, and decreased with the increasing depth of the soil layer.
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表 1 不同改造措施土壤易氧化碳含量变化情况
Tab. 1 Soil readily oxidizable carbon content under different transformation measures
时间 土壤深度/cm 改造措施 CK T1 T2 T3 T4 QK 2013/12/1(冬季) 0~20 7.20±1.32a 5.88±0.80ab 3.48±0.45b 3.54±0.37b 3.34±0.48b 2.69±0.90b 20~40 2.33±0.67a 2.23±0.58a 1.09±0.50b 0.99±0.67b 0.91±0.83b 0.70±0.23b 2014/3/1(春季) 0~20 5.32±0.70a 3.74±0.50b 3.15±0.43b 3.01±0.32b 2.55±0.56bc 2.47±0.34c 20~40 1.90±0.21a 1.20±0.20b 1.80±0.15a 1.46±0.43ab 1.34±0.19b 0.90±0.21b 2014/6/1(夏季) 0~20 7.32±0.42a 5.89±0.38b 5.75±0.29b 4.79±0.57bc 3.85±0.43c 3.21±0.55c 20~40 3.74±0.32ab 4.78±0.66a 3.21±0.19b 4.21±0.46ab 1.12±0.41d 2.70±0.86c 2014/10/1(秋季) 0~20 5.10±0.16a 3.69±0.47b 2.66±0.89bc 2.28±0.23c 2.20±0.11c 2.11±0.10c 20~40 1.15±0.12a 1.19±0.16a 0.81±0.36ab 0.55±0.05b 0.42±0.1b 039±0.21b 备注:同行中不同小写字母表示不同改造措施下的差异显著性,下同(P<0.05)。 表 2 同一改造措施下土壤易氧化有机碳含量的影响
Tab. 2 Effects of the same transformation measure on soil readily oxidizable carbon content
改造措施 土壤深度/cm 季节 冬 春 夏 秋 CK 0~20 7.20±1.32a 5.32±0.70ab 7.32±0.42a 5.10±0.16b 20~40 2.33±0.67b 1.90±0.21b 3.74±0.32a 1.15±0.12c T1 0~20 5.88±0.80a 3.74±0.50b 5.89±0.38a 3.69±0.47b 20~40 2.23±0.58b 1.20±0.20c 4.78±0.66a 1.19±0.16c T2 0~20 3.48±0.45b 3.15±0.43b 5.75±0.29a 2.66±0.89b 20~40 1.09±0.50bc 1.80±0.15ab 3.21±0.19a 0.81±0.36c T3 0~20 3.54±0.37b 3.01±0.32b 4.79±0.57a 2.28±0.23c 20~40 0.99±0.67b 1.46±0.43b 4.21±0.46a 0.55±0.05b T4 0~20 3.34±0.48a 2.55±0.56b 3.85±0.43a 2.20±0.11b 20~40 0.91±0.83a 1.34±0.19a 1.12±0.41a 0.42±0.1b QK 0~20 2.69±0.90a 2.47±0.34b 3.21±0.55a 2.11±0.10b 20~40 0.70±0.23b 0.90±0.21b 2.70±0.86a 1.13±0.21b -
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