毛竹(Phyllostachys pubesens)是中国南方重要的森林资源。20世纪90年代初, 中国毛竹林面积达262万hm²(张国防等, 2000), 经营毛竹林是许多山区群众的重要经济来源。目前, 我国约有40%的毛竹林被人工经营(周芳纯, 1998)。早期开展了低产毛竹林土壤肥力改善方面的研究(洪顺山, 1992; 潘孝政, 1989)。90年代后, 竹林的经营强度不断增加, 通过施肥、翻耕、去除林下灌木及杂草等经营措施大大提高了竹材和竹笋产量, 经济效益明显上升(周东雄等, 1994)。但研究发现, 人为耕作会造成土壤水土流失加剧, 长期施用化肥会使土壤生物学性质退化(沈宏等, 2000; Liang et al., 1998; Lefory et al., 1993)。集约经营林地因大量施用化肥及人为翻耕, 常规的土壤理化性状指标难以反映土壤肥力的真实情况, 土壤有机碳库状况是表征土壤质量演变的敏感指标(姜培坤等, 2002; 2003a), 不同的农业经营措施将对土壤有机碳库产生不同影响(龙健等, 2002; 柳云龙等, 2001; Xu et al., 2003)。土壤水溶性碳、微生物量碳、矿化态碳等活性碳更能反映人为活动对土壤质量的影响(Sparling, 1997; Widmer, et al, 2001)。土壤水溶性有机碳作为生物活性有机碳容易被土壤微生物分解(Jandl et al., 1997), 虽然它只占土壤有机碳的较小部分, 却在维持土壤养分和生物学肥力方面发挥着重要作用。微生物量碳作为土壤活性碳的表征指标, 可以反映出土壤能量循环、养分的转移和运输状况, 同时还不受无机养分的影响(Doran et al., 1994)。土壤矿化态碳与全碳的比值可以表征土壤有机碳的活性(沈宏等, 2000)。人为活动对农田及其他森林系统土壤活性有机碳库的影响已有不少报道(Franzluebbers et al., 1995; Haynes, 1999; Bell et al., 1999; Liang et al., 1998; 王岩等, 1998)。徐秋芳等(2003)只对比研究了集约经营和粗放经营竹林土壤的碳库差异。本文旨在探索长期(40年)集约经营过程中土壤碳库的变化, 揭示集约经营过程中土壤质量的演变规律, 以指导毛竹林可持续经营。

研究区设在浙江省安吉县林峰林场(119°54′E, 30°55′N)。属北亚热带季风气候, 年均气温15.3 ℃, 年降水量1 286 mm, 无霜期230 d。地形条件多丘陵、缓坡, 坡度15~20°。毛竹林集约经营历史最长40年, 有的竹林至今仍粗放经营。毛竹林立竹密度2 500~4 500株·hm^-2, 生物量干质量80~100 t·hm^-2。集约经营林下无灌木、杂草。每年5月上、中旬对集约经营林施肥1次, 20世纪60年代初主要以氮肥为主, 肥料用量控制在100~150 kg·hm ^-2, 20世纪80年代开始, 施用复合肥, 施用量为氮素450~700 kg·hm^-2, 磷素150~250 kg·hm^-2, 钾素200~300 kg·hm^-2, 撒施后深翻, 深度为30~35 cm。对于粗放经营的毛竹林不进行人工施肥, 林下有灌木和草木植物。林下灌木主要有大青(Isatis indigotica)、乌饭树(Vaccinium bracteatum)等。

2004年3月, 在研究区内确定有代表性的粗放经营毛竹林4块, 集约经营5、10、20和40年的竹林各4块, 均分布在丘陵缓坡地(15~20°)上。根据林场毛竹林经营档案, 按生态控制法原理, 确定毛竹林经营类型, 使样地具有可比性。在每个样地上, 用取土器多点采集0~20 cm土层的混合样品; 在粗放经营样地和集约经营10年的样地内各挖一个土壤剖面, 分别采集0~20、20~40, 40~60和60~80 cm土层的样品。各样地基本情况见表 1。

表 1 样地概况^① Tab.1 Basic information of the sample plot

表 1 样地概况① Tab.1 Basic information of the sample plot

样品带回室内过2 mm钢筛后分成2份, 1份鲜样供土壤水溶性碳、矿化态碳和微生物量碳测定用, 另1份风干处理后用于土壤总有机碳含量测定。分析方法如下：土壤水溶性碳采用25 ℃蒸馏水浸提, 振荡浸提时间30 min, 水土质量比为2:1, 浸提液用0.45 μm的滤膜抽滤后, 在岛津TOC-V_cpH有机碳分析仪上测定滤液的水溶性碳含量。采用氯仿熏蒸法测定微生物量碳(Vance et al., 1987), 土壤熏蒸后用0.5 mol·L^-1的K₂SO ₄提取, 在有机碳分析仪上测定滤液碳含量。采用碱吸收法测定矿化态碳(Franzluebbers et al., 1995), 即用砂布包20 g鲜土悬于20 mL的NaOH广口瓶中, 浓度为0.05 mol·L^-1, 用蜡封口后置于25 ℃培养箱中, 同时做对比试验, 培养7 d后, 用标准酸滴定, 计算微生物呼吸的CO₂碳量即矿化态碳量。土壤总有机碳采用重铬酸钾外加热法测定(中国土壤学会, 1999)。

从表 2可以看出, 毛竹林集约经营后, 土壤总有机碳、水溶性碳、微生物量碳和矿化态碳含量均明显下降, 这与在浙江临安的研究结果一致(徐秋芳等, 2003)。这主要是由每年的翻耕和施肥加速了土壤有机质矿化, 去除林下杂草使土壤生物归还量减少造成的。土壤总有机碳含量常与土壤水溶性有机碳、微生物量碳等具有显著正相关, 而化肥的连年施用可使土壤水溶性碳和微生物量碳含量下降(姜培坤等, 2002; 2003b; 王岩等, 1998)。

表 2 不同经营历史毛竹林土壤有机碳含量(0~20 cm)^① Tab.2 Soil organic carbon content under various intensive management periods (0~20 cm)

表 2 不同经营历史毛竹林土壤有机碳含量(0~20 cm)① Tab.2 Soil organic carbon content under various intensive management periods (0~20 cm)

随着集约经营历史延长, 土壤碳含量存在一定的变化规律。从粗放经营至集约经营20年期间, 土壤总有机碳含量显著下降, 下降了34.70%; 20年以后则保持不变。集约经营后, 毛竹林生长势增强, 根系代谢旺盛, 根系分泌物增多, 弥补了由于总有机碳下降而带来的水溶性碳源的减少, 随着经营历史延长, 土壤水溶性碳含量没有发生变化。集约经营5~10年内, 土壤微生物量碳变化不大, 到第20年则显著下降了49.35%, 以后又趋于稳定, 总体变化趋势和土壤总有机碳含量相似, 毛竹林长期翻耕和施用化肥造成了土壤微生物量碳显著下降, 说明集约经营使土壤生物学肥力严重下降, 对竹林可持续经营不利。土壤矿化态碳的变化与水溶性碳变化规律基本一致。

表 3显示, 集约经营初期(5~10年), 土壤微生物量碳占总有机碳的比率与粗放经营竹林无显著性差异, 到集约经营20年后, 比率显著下降, 这与徐秋芳等(2003)在浙江省临安市的研究结果不同。微生物量碳占总有机碳的比率比微生物量碳含量更能体现土壤生物学肥力, 集约经营初期, 比率没有明显下降, 可能是集约经营强度不大所致, 但随着施用化肥时间延长, 比率明显下降。水溶性碳占总有机碳的比率和粗放经营无显著差异, 说明集约经营后水溶性有机碳只是数量上减少(表 2), 但它占土壤有机碳库的份额保持不变。土壤矿化态碳占总有机碳比率与矿化态碳一样, 集约经营初期(5年间)有明显下降的趋势, 但随着集约经营历史延长, 比率没有明显的变化。

表 3 不同经营类型毛竹林土壤活性碳占总有机碳比率 Tab.3 Ratios of different soil organic carbon to TOC under various management types

表 3 不同经营类型毛竹林土壤活性碳占总有机碳比率 Tab.3 Ratios of different soil organic carbon to TOC under various management types

对粗放经营和集约经营10年的2个土壤剖面样品进行碳含量分析。从表 4来看, 2类竹林各类碳含量剖面变化为：从剖面上部到剖面下部, 2类竹林土壤各类碳含量均呈下降趋势。其中土壤总有机碳、微生物量碳和矿化态碳随土壤剖面变深, 下降趋势十分明显。土壤水溶性碳虽总体上随着土层加深, 含量下降, 但20~40与40~60 cm土层之间差异不大, 这可能与20~60 cm土层粘粒含量较多, 吸附可溶性有机物有关。

表 4 不同经营类型毛竹林土壤有机碳含量的剖面变异 Tab.4 Vertical distribution of soil organic carbon under various management types

表 4 不同经营类型毛竹林土壤有机碳含量的剖面变异 Tab.4 Vertical distribution of soil organic carbon under various management types

对集约经营和粗放经营毛竹林总共20个样品土壤的总有机碳含量、微生物量碳含量、水溶性碳含量及矿化态碳含量之间进行了相关分析(表 5), 结果表明以上活性碳之间均显著或极显著相关。说明不同类型的有机碳虽然数量不同, 不同集约经营历史对这些有机碳含量的影响存在一定的差别, 但它们均是表征土壤碳平衡和土壤生物学肥力的理想指标。

表 5 土壤不同碳形态之间相关分析^① Tab.5 Correlation coefficientsbetween soil carbon fractions

表 5 土壤不同碳形态之间相关分析① Tab.5 Correlation coefficientsbetween soil carbon fractions

毛竹林集约经营初期土壤各类有机碳下降最明显, 经营5年后总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳以及矿化态碳含量明显低于(P < 0.05)粗放经营, 且总有机碳含量持续下降至20年后才趋于稳定。除矿化态及微生物量碳占总有机碳比例分别在0~5年及10~20年有显著下降外, 集约经营使各类活性有机碳占总有机碳比例的变化不大。这与其他林地集约经营后土壤碳库的变化不同(姜培坤等, 2002), 说明竹林土壤有机质总体活性较强、易矿化, 人为干扰后土壤各类有机碳含量一致下降。土壤总有机碳的丰缺与活性碳含量的高低密切相关, 各活性碳之间均显著或极显著相关。毛竹林集约经营并未改变土壤各类碳含量的剖面变化特征。