间伐对徐州侧柏人工林土壤碳储量的影响.doc

间伐对侧柏人工林土壤碳储量的影响作者：钱婧 导师：关庆伟摘要：作为地球上最大的碳库，土壤中的碳是当前有关陆地生态系统碳循环与全球变化的地球表层过程研究的重要优先领域。间伐（人为干扰）通过改变林份密度优化林下光照环境等生境条件、增加生境异质性等许多复杂的过程是植物群落发生动态的结构变化，促进植物生长，进而使整个生态系统高效、稳定的运转。本文以徐州市侧柏人工林为研究对象，选择立地条件相近的不同林份密度侧柏人工林为典型样地，从土壤活性有机碳库的角度研究该地区土壤碳库的动态变化，对该地区不同密度下侧柏人工林下土壤的土壤微生物量碳和水溶性碳的现状作出解释，以期为指导侧柏的科学经营提供有力依据。关键词：间伐；侧柏人工林；微生物量碳；水溶性有机碳Abstract: Carbon fixation has become a significant realm of the research of terrestrial ecosystem and global change at present as a consequence of being the largest carbon pool. Thinning management (anthropogenic disturbances) is beneficial to forests better growth, making the whole system operate more efficient and steady via many complicated processes such as optimizing illumination condition of lower plants, impacted obviously the species diversity, since thinning is one of the most crucial factors of dynamic variation of population. In this paper, we studied the influence of anthropogenic disturbances on soil organic carbon pool of Platycladus orientalis (Linn. )Franco plantations in Xuzhou. Investigations were conducted by establishing sample plots in typical sites under different thinning intensities. In order to provide sound guidance on Platycladus orientalis (Linn. )Franco plantations scientific operation control, this survey was considered from two major perspective, soil microbial biomass carbon and water-soluble organic carbon.Key words: thinning management; Platycladus orientalis (Linn. )Franco plantations;MBC;WSOC1.前言1.1概述徐州位于江苏省西北部，境内以平原为主。根据地域特点，徐州市丘陵岗地大致分为铜邳山丘区和新沂岗岭区(东部岗岭)两大区。20世纪五六十年代，徐州市大规模荒山造林，营造了大面积的侧柏纯林，对于绿化荒山，保持水土，营建绿色景观起到了重要作用，被中外专家称为石山造林的典范，侧柏(Platycladus orientalis( L .) Franco)成了徐州市石灰岩山地主要造林树种。目前，徐州市有近2.27万hm2的人工侧柏纯林，其中，丘陵山区1.3余万hm2，蓄积量31.89万m3，50年代营造的侧柏林一般高达1014m，胸径1220cm，主要分布在铜邳山丘区的石灰岩山地。然而由于长期营林措施不当，立地条件差等原因，致使侧柏纯林的缺点日益显现出来。1.2 研究概况1.2.1 不同林分密度对土壤性质的影响林业生产中,林分密度是形成一定林分水平结构的基础。探索合理密度一向是当今林业生产的中心课题之一1。间伐是调节林分密度的主要手段之一，在一般情况下，间伐能够降低林分密度，改善林分生长条件，清除劣质林木，提高林分质量，从而建立适宜的林分结构，充分发挥森林多种生态效益。多年来人们通过对人工林分生长、结构、蓄积量方面的研究来评价间伐措施的效果，然而土壤作为参与森林内物质循环的一部份，理化性质及生物学特性直接受到林内光、热、水以及林木根系对土壤营养物质的吸收利用等的影响，和林分密度密切相关2。1.2.2 前景和展望前人的研究已经证明间伐在调节林分密度的同时能够有效地调节整个森林生态系统的物质循环与能量流动，并且间接的对土壤产生影响，而土壤活性碳作为土壤碳库中快库的重要组成，也会随之发生一系列的明显变化，研究该变化对我们进一步认识全球碳循环，寻求人工林间伐抚育的合理密度有重要意义。2. 研究区概况2.1 基本情况徐州市土地总面积11258km2。全市以平原为主，平原占总面积92%，海拔20-50米，丘陵岗地约占8%，多为平岗地，山地仅占3.0万公顷，海拔100-300米。2.2 气候徐州市为暖温带湿润半湿润季风气候区，全年太阳辐射总量119.4千卡cm-2，年平均日照时数2300小时，年日照百分率55%，年平均气温14.3，年平均降雨量842.6mm，分布不均，雨热同期。2.3 土壤全市石灰岩山地面积广泛，主要为褐土土类，包括粗骨褐土、淋溶褐土、潮褐土3个亚类。中上部为粗骨褐土亚类，风化层薄，多砾石，剖面层次构造简单，含水能力差。中下部为淋浴褐土亚类，土层较厚，构造较复杂，淋溶淀积层发育较好，一般无石灰反应，质地粘，通透性差。2.4 植被徐州地带性植被为落叶阔叶林，加上石灰性土坡的影响，以喜钙植物为主。在解放前均处于次生裸地的恶劣生境，解放后成功营造以侧柏(Platycladus orientalis (Linn.)Franco)、刺槐(Robinia pseudoacacia L)等为主的人工林。3研究方法3.1样地设置2009年4月18日2009年4月24日在徐州泉山森林公园、洞山、玉璧山、大横山、九里山、皇藏玉等六个地点共计12块个样地12种类型，样地大小为20m20m，对样方内活立木进行每木检尺，测树高、胸径、冠幅、枝下高等林分特征，另外对样方内的灌木和草本做调查。根据林分密度的大小归纳为四个梯度密度（50-100株/亩，101-150株/亩，151-200株/亩、201-250株/亩）。3.2野外调查3.2.1样地调查植被调查：在每个样地中乔木测量其胸径、树高、冠幅，郁闭度，幼树更新情况，灌木和草本分别调查种类和盖度。环境因子：坡度、坡向、坡位、含石率、海拔等。3.2.2土壤采样每种同一密度梯度的3个样地的每个样地,除去土壤表层凋落物层后,用直径2cm的土壤取样器采取0-10cm层土样1份,装入自封袋并标记，每种密度梯度9份土样，共计36份。3.3室内分析3.3.1土壤样品的采集与处理土样即时带回室内处理，挑除杂质，再过2mm的筛。处理均采用塑料制品，以避免干扰。处理后的土样分为两份，一部分于4冰箱中备用，用于测量土壤含水率;重复熏蒸培养;另一部分土样来测定土壤理化性质。3.3.2土壤含水率的测定 土样取20g放入圆形铝盒，置于104烘箱中，4小时取出土样称重后，再烘4小时。取出土样称重，观察两次数据变化大小，若变化较大，则继续烘干至恒重;若变化较小，以最后一次测定结果为准。根据 土壤含水率=(20-干土重)/20100% 计算土壤含水率。3.3.3土壤微生物量碳的测定实验采用Vance和Tate等3,4提出的氯仿熏蒸浸提法，操作如下: 首先，每袋土样称25g鲜土放入50ml的烧杯中，连同盛有25ml无酒精氯仿的小烧杯，一起置于真空干燥器内，在干燥器内壁放入湿滤纸条。用微型真空泵将干燥器抽成真空，至氯仿暴沸并持续1分钟左右。另外，做一不进行任何处理的对照组，除加入湿滤纸。干燥器放于阴暗处放置24小时后打开。取出氯仿，反复抽气，每抽一次放气3分钟，反复10次后，将土壤全部转移到250ml三角瓶中，加入100ml 0.5mol/L的硫酸钾溶液，在震荡机上震荡浸提30min（25），过滤。熏蒸开始同时，称取等量土壤放入烧杯中，同上用硫酸钾溶液浸提，浸提液立刻测定或是在-20下保存，并做不加土壤的空白对照。浸提液中有机碳含量测定在岛津TOC-VCHP自动分析仪上进行测定，用下式计算：微生物生物量碳(mg/kg)=(A-B)V/(MKEC)A 熏蒸提取碳的TOC测定值(mg/L);B 非熏蒸对照的TOC测定值(mg/L);V K2SO4浸提液体积(ml)+土样所含水体积(ml);M 烘干土重(g); KEC 转换系数,建议取值为0.45。3.3.4土壤土壤水溶性有机碳（WSOC）的测定 采用Gill 等的方法进行测定，每袋土样称20g鲜土，加去离子水（水土比为21），在25恒温震荡30min后，离心30min,最后用0.45m醋酸纤维滤膜过滤，滤液在岛津TOC-VCHP土壤总碳分析仪测定浸提液有机碳含量，得到的数据带入以下公式进行计算：水溶性有机碳(mg/kg)=(AV/M)/KECA TOC测定值(mg/L);V 去离子水体积(ml)+土样所含水体积(ml);M 烘干土重(g);KEC 转换系数,建议取值0.45。3.4数据处理用One-WayANOVA分析土壤MBC、WSOC在不同密度梯度之间的差异性,所有分析用SPSS 11.5 forW indows统计软件进行，做出柱形图。4结果与分析4.1调查地林分类型概况在大横山，洞山,泉山，九里山，共设12块样地，样地基本情况见下表。表4-1 侧柏人工林样地概况样地号面积/m2坡向海拔（m）坡度()平均树高(m)平均胸径（cm）郁闭度密度（株/亩）12020北1262012.28.698021722020北78307.912.88214532020西202156.18.27512842020西170307.26.39023052020北132155.39.3705162020北15618117.4849172020北60138.211.9839882020南98208.311.8709892020北78157.813.57467102020北125188.112.473108112020西137155.88.390140122020南116135.213.280484.2不同密度侧柏人工林土壤微生物生物量碳和水溶性有机碳研究表4-1不同密度侧柏人工林土壤微生物生物量碳与水溶性碳的变化（平均值标准差）不同小写字母表示LSD检验差异达显著水平，P0.05林分密度(株/亩)微生物量碳（mgkg-1）水溶性碳（mgkg-1）201-2502539319a14328a151-2001027388b1743520626c50-100466122d1058d表4-2土壤微生物生物量碳和水溶性有机碳方差分析Sum of SquaresdfMean SquareFSig.土壤微生物量碳MBCBetween Groups53379.731317793.24426.777.000Within Groups21263.93432664.498Total74643.66535土壤水溶性有机碳WSOCBetween Groups49560376.608316520125.53640.463.000Within Groups13064806.83932408275.214Total62625183.44735图4-1不同密度侧柏人工林土壤微生物生物量碳变化4.2.1不同密度侧柏人工林土壤微生物生物量碳线段为样本标准差,n=36；字母不同表示存在明显差异，P0.05土壤微生物生物量是土壤有机质中活性较高的部分，它是土壤养分重要的来源。土壤微生物生物量反映了参与与调控土壤中氧分循环以及有机物质转化的微生物数量，其不仅是土壤肥力的一项重要参数，也是保持土壤质量可持续演变的重要指标之一。通过方差分析（表4-2），显示F=26.777，P0.01，存在极显著差异，表明林分密度对土壤微生物生物量碳具有较大的影响。由图4-1和表4-1中可见，林分密度梯度为101-150株/亩的土壤MBC分别是201-250株/亩、151-200株/亩、50-100株/亩密度梯度的1.34、3.33和7.29倍，显著大于这三种密度梯度MBC（P0.05），且其土壤相对湿度明显很高，这可能阔叶树种入侵带来的凋落物相比于针叶树种的更容易分解，并且较高的土壤含水率也有利于微生物生长发育。4.2.2 不同密度侧柏人工林土壤水溶性有机碳水溶性有机碳指能通过0.45m微孔滤膜的水溶性有机物质8。WSOC作为土壤活性有机碳的重要组成，虽只占土壤全碳的较小部分，但在维持土壤养分和生物学肥力方面起着至关重要的作用。它易被土壤微生物分解5，是土壤微生物可直接利用的有机碳源9，对土壤养分的有效化也有重要的作用，6,7并且它还影响土壤中有机和无机物质的转化、迁移和降解，如影响重金属10和农药11,12在土壤中的迁移以及土壤对P和SO2等无机离子的吸附等13,14。图4-2 不同密度侧柏人工林土壤水溶性碳变化线段为样本标准差,n=36；字母不同表示存在明显差异，P0.05结果显示F=40.463，P 0.01，存在极显著差异，表明林分密度对WSOC具有较大的影响。根据图4-2 和表4-1所示，与MBC相似，在密度分别为201-250株/亩、151-200株/亩、101-150株/亩、50-100株/亩的四种林分内WSOC的含量分别是143 mgkg-1、174 mgkg-1、206 mgkg-1、105 mgkg-1，差异显著（P0.01），50-100株/亩的WSOC含量最小，这可能是由于密度小的林分产生的凋落物较少，其地表枯落物少，土壤中有机质含量较低，土壤结构紧实，导致土壤物理化性质较差。各密度为101-150（株/亩）的林分土壤中WSOC高达207 mg/kg,分别是201-250株/亩、151-200株/亩、50-100株/亩的三种林分的1.45、1.19、1.97倍，是四种林分密度梯度里含量最高的，这可能是由于该林分内有较多的阔叶树，其枯落物相对侧柏来说更用易分解，在较高分解速率下能够向林地归还更多的养分。 5 结论与讨论徐州地区分布着大面积的侧柏人工林，由于其林分密度变化较大，林下土壤的生物学特性也存在一定的差异。通过对徐州侧柏人工林土壤微生物量碳和水溶性碳特性研究，结果表明：（1） 将侧柏人工林林分密度划分为201-250株/亩、151-200株/亩、101-150株/亩、50-100株/亩四个密度梯度，对不同林分密度下土壤微生物生物量碳和土壤水溶性碳特性进行分析，结果显示：林分密度梯度在101-150株/亩的林分中土壤微生物生物量碳和土壤水溶性有机碳均为最高；林分密度梯度密度为50株/亩的林分土壤微生物生物量碳、水溶性有机碳都为最低；林分密度梯度为151-200株/亩和201-250株/亩的林分土壤微生物生物量碳、水溶性有机碳、土壤含水率都处在中等水平。 （2） 通过对不同林分密度侧柏人工林土壤活性有机碳的研究，综合分析表明，密度在中等水平（101-150株/亩）的林分中土壤生物学性质较好，是比较适宜的林分密度，这主要是因为在中等密度的林分中，林内光线充足，枯落物分解较快，提高土壤有机质含量，土壤疏松，通透性强，蓄水保水能力强。因此，为了提高侧柏人工林土壤物理性质，对于密度较高的林分，要进行适时适量的间伐，使林分始终处于合理的密度状态，增大林内透光度，降低林分郁闭度，促进林下植被的发育，从而达到改良土壤物理性质和提高生物活性的目的；对于密度较低的林分，在林下栽植抗干旱、耐瘠薄等适应性较强的树种，如刺槐，构树等地带性植被，提高林分密度，形成稳定性较强的针阔混交林。References:1沈国舫,森林培育学.M.北京:中国林业出版社 2001.92陈立新,人工林土壤质量演变与调控.M.北京:科学出版社,20043BalloniW,Favlil F.Effects of agricultural practices on the Physica,chem ical and biological properties of soils Part 1 Effect of some agricultural prnctices on the biological soil fertilityC/Barth H L, Scientific Basis for Soill Protection in the European Community. 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