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3种林下植被类型对杉木人工林土壤有机碳及其组分特征的影响
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宋瑞朋,杨起帆,郑智恒,习丹,
1.福建农林大学林学院,福建 福州 350002;2.江西省、中国科学院庐山植物园,江西 九江 332900
森林土壤是陆地生态系统中重要的有机碳库之一,约占全球土壤有机碳(SOC)总储量的39%(郝江勃等,2019),其有机碳库的微小变化能够引起大气中CO2浓度产生明显波动,进而影响全球气候变化和碳平衡(Lai,2004)。一般而言,SOC由不同的碳组分构成,根据各自在土壤中的稳定性差异,可分为活性、缓效和惰性3个组分(Parton et al.,2004)。相比于缓效和惰性有机碳(ROC,Recalcitrant organic carbon),活性有机碳(AOC,active organic carbon)组分易被分解、转化,能够快速响应外界环境变化,因而成为土壤碳库研究中的热点(Li et al.,2017;Zhao et al.,2018;朱浩宇等,2021)。然而,土壤各碳库组分之间能够相互转化,共同调控森林土壤碳库的稳定性(习丹等,2018)。因此,厘清森林土壤各组分碳库的变化特征,对深入理解森林生态系统碳循环具有重要作用,同时可为中国“双碳”目标的实现提供科学数据支撑。
林下植被作为人工林生态系统的重要组分,可以通过影响有机碳组分的分布,从而调控土壤碳循环(Wang et al.,2014;Ravindran et al.,2015;杜雪等,2022)。相关研究表明维持林下植被的丰富度和多样性对土壤结构改善、养分增加等方面有着积极促进作用(Inoue et al.,2017;张贾宇等,2021),而林下植被种类组成的差异则可能会引起凋落物输入和根际资源发生变化(Dai et al.,2018;莫雪丽等,2018),改变土壤微生物代谢特征(高雨秋等,2019;王小平等,2019),引起群落生境和土壤理化性质发生变异(Inoue et al.,2017;Wang et al.,2021),进而调控各碳组分的形成与转化,影响土壤有机碳库的稳定性。目前关于林下植被对土壤碳库影响的研究主要集中在林下植被移除(习丹等,2021)、凋落物输入(潘萍等,2018)等方面,且多以总有机碳、活性有机碳为主(赵芳等,2016;张贾宇等,2021),各有机碳组分在林下植被类型、土层间的分布特征是否一致,这些仍尚不明晰。因此,研究SOC组分在林下植被类型间的分布差异特征,对明晰人工林土壤碳库变化的内部机制及准确评估人工林生态系统固碳潜力具有重要意义。
杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林是中国南方地区主要的速生用材林,约占中国人工林面积的25%(涂宏涛等,2015),在调节区域气候变化和碳氮循环方面起重要作用。由于长期的多代纯林经营,杉木人工林已出现土壤养分下降的趋势(夏丽丹等,2018),而保留林下植被则可以提高林分出材量和增加土壤养分有效性(费裕翀等,2020),但林下植被种类组成变化如何影响 SOC组分有待深入研究。因此,以杉木人工林3种林下优势植被——箬竹(Indocalamus tessellatus,It)、双盖蕨(Diplazium donianum,Dd)和紫麻(Oreocnide frutescens,Of)为研究对象,通过分析0—80 cm土层土壤总有机碳(Total organic carbon,TOC)、易氧化有机碳(Readily oxidizable organic carbon,ROOC)、微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)、可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)和惰性有机碳的分布特征,结合土壤理化性质,探讨林下植被类型对 SOC库的影响机制,以期为杉木人工林林下植被管理及可持续经营提供理论依据。
1 研究区概况
研究区位于福建省南平市西芹镇的福建农林大学西芹教学林场(26°40′N,118°10′E),分布海拔在200—500 m,坡度为25°—35°(石丽娜等,2018),红壤和黄壤是其主要的土壤类型。该区域属中亚热带季风性气候,平均日照时数为1710.0 h,年均气温为17.9 ℃,年均降水量1817.0 mm。本实验样地位于该林场内34 a生的杉木人工纯林。该样地在改造前为马尾松人工林,之后砍伐种植杉木纯林,并进行为期2 a(1987—1989)的林分抚育。样地内杉木的平均树高和胸径分别为16.2 m和23.2 cm,郁闭度0.7—0.8,林分密度为2762.0 plant·hm?2,海拔100.0—300.0 m,坡度19.0°—35.0°。由于林分郁闭前的人工抚育,该林分的林下层最终形
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