在陆地生态系统中，森林土壤碳占全球土壤碳的73%，约为森林生物量的2~3倍，其微小的变化即可影响生态系统碳收支的方向(Dixon et al.，1994; Loren et al.，2010 )。土壤肥力是持久保障地上生物量累积的基础，而地上生物量累积过程直接影响土壤碳截获的总量和组成(陈绍栓等，2001)。东北林区是我国重要的国有林区，森林面积占全国的30% 以上(李振泉等，1998)，而落叶松(Larixgmelinii)林又是我国寒温带的主要森林。人工林土壤碳截获及肥力变化的研究不断增多(史军等，2005)，人工林皆伐对林地土壤的干扰明显(郭辉等，2010)，在以往的研究中很少将不同地区人工林及附近皆伐迹地和农田进行系统的对比(胡晓飞等，2007)，且研究多集中在0~40 cm 的较上层土壤，其土壤碳转化过程中的收支和损耗往往很明显(Li et al.，2007)。本研究通过设置落叶松人工林、皆伐迹地及农田系列样地，采集更深层土壤样品，系统研究人工林皆伐与农田化过程中的土壤碳截获与土壤肥力相关理化性质的变化，并重点探讨森林皆伐及农田化过程对深层和表层土壤影响的差异，为该区落叶松人工林向农田转化过程中土壤碳汇变化及其地力可持续性管理提供基础数据。

试验样地位于黑龙江省伊春市带岭林业局，分别为边家沟样地、东山样地、大青川样地和东方红样地。该区域属于温带季风性气候，年平均温度1.4~2.8 ℃，平均降水量661~724 mm。样地概况如表 1所示。区域植被主要以阔叶混交林或针叶林为主。各样地植被中，乔木主要为落叶松，林分郁闭度均在0.8以上，另外还有红松(Pinus koraiensis)、白桦(Betula platyphylla)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)等树种。林下植被稀疏，以暴马丁香(Syringareticulata)、春榆(Ulmus davidiana)为主。皆伐迹地是5~10年前落叶松林被皆伐后形成的，现多生长灌木和杂草，主要包括斑叶稠李(Padus maackii)、忍冬(Lonicera spp．)、库页悬钩子(Rubussachalinensis)、蚊子草(Filipendula palmata)、蒿(Artemisia)、水金凤(Impatientis nolitangeris)、蹄盖蕨(Athyrium spp．)等。农田均为1990年后开垦，开垦前均为落叶松人工林，现以种植大豆(Glycine max)、玉米(Zea mays)和南瓜(Cucurbita moschata)为主。

表 1 样地基本情况 Tab.1 Outlines of sampling plots

表 1 样地基本情况 Tab.1 Outlines of sampling plots 项目Item 边家沟Bianjiagou 东山Dongshan 大青川Daqingchuan 东方红Dongfanghong 北纬North latitude 45°16.272' 46°57.739' 47°0.146' 46°56.037' 东经East longitude 127°32.740' 129°10.284' 129°10.284' 129°11.561' 土壤类型Soil type 白浆化暗棕壤 Lessive dark brown forest soil 暗棕壤 Dark brown forest soil 暗棕壤 Dark brown forest soil 暗棕壤 Dark brown forest soil 海拔Elevation /m 295 243 247 244 胸径DBH/cm 30 37 67 25 树龄Age /a 27 40 46 18 皆伐迹地植物种类 Species in clearcut site 山杨Populus davidiana、 白桦Betula platyphylla、 忍冬 Lonicera spp.、 库页悬钩子 Rubus sachalinensis、 蚊子草 Filipendula palmata、 蒿 Artemisia spp. 轮叶婆婆纳Veronica spp.、 水金凤Impatientis nolitangeris、 落叶松幼苗 Larix gmeilinii seedling、 花曲柳Franxinus rhynchophlla、 蹄盖蕨Athyrium spp.、 胡枝子Lespedeza bicolor、 草乌Aconitum kusnezoffii、 蒿Artemisia spp. 胡桃楸幼树Juglans mandshurica sapling、 蹄盖蕨 Athyrium spp.、 蒿Artemisia spp.、 委陵菜Potentilla chinensis、 蚊子草F.palmata 蹄盖蕨Athyrium spp.、 苔草Carex spp.、 荨麻 Urtica angustifolia、 斑叶稠李幼树Padus maackii sapling、 漏斗菜Aquilegia oxysepala、 金丝桃 Hypericum ascyron 林地植物种类 Species in forest land 落叶松L.gmelinii、 红松P. koraiensis、 白桦B. platyphylla; 暴马丁香 Syringa reticulata、 春榆 Ulmus davidiana、 忍冬 Lonicera spp. 落叶松L.gmeilinii; 色木槭 A.mono、 暴马丁香S. reticulata、 榛C.chinensis、 忍冬Lonicera spp.、 独活 Angelica dahurica、 蚊子草 F.palmata、 苔草Carex spp. 落叶松L.gmeilinii、 蒙古栎 Quercus mongolica; 榛C. chinensis、 水曲柳F. mandshurica、 暴马丁香S. reticulata、 色木槭A.mono; 蚊子草F.palmata、 苔草 Carex spp. 落叶松L.gmeilinii 农田作物 Species in farmland 大豆G.max 南瓜C.moschata、杂草Weeds 大豆G.max 大豆G.max

考虑到样地距离过远，土壤自身差异过大将导致数据可靠性下降(Heim，2009)，在立地条件和距离相近(100 m 以内)的区域，设落叶松人工林、农田和皆伐迹地等等3种不用土地利用方式。每一区域中均选取3块落叶松人工林，3块农田，3块皆伐迹地，建立36块二级标准试验样地。落叶松人工林和皆伐迹地的样地设置为20 m × 20 m。同时，农田样地的设置主要选取林边50 m × 50 m 的耕地，采样时在近林边1~2 m 的位置开始取样。每个样地挖取4个长2 m、宽1 m、深0.8 m 的土壤剖面。去除表层的枯枝落叶后，按照不同的深度(0~20，20~40，40~60和60~80 cm)，用环刀分别取100 cm3的样品，将4个剖面中相同深度的土样混合成一个样品，装入土壤袋中，备用。

将上述土壤袋在实验室充分风干后称量，根据土壤环刀的体积与风干质量，计算土壤密度。挑出土壤中杂质后将土样碾碎并通过 < 0.25 mm土壤筛，然后装入塑料瓶中长期保存，用来测定土壤碳、氮及其他理化性质。根据鲍士旦(2000)的方法，土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量采用重铬酸钾容量法 －外加热法测定，土壤无机碳(soil inorganic carbon，SIC)含量采用气量法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法测定，土壤碱解氮采用碱解 －扩散法测定，土壤全磷采用 NaOH 熔融－钼锑抗比色法测定，土壤全钾采用 NaOH 熔融－火焰光度法测定，测定时均加入土壤标准样品 ASA1(中国地质科学院地球物理、地球化学勘察研究所，河北廊坊)作为对照;土壤 pH 值、电导率的测定均称取5 g 土样加入15 mL 去离子水并混匀，使用 pH 值计和电导率仪进行测定。

在分析有机碳库及肥力情况时需要比较样地间的有机碳或氮储量。计算公式: 有机碳和土壤氮储量(g·m^-2)=α×ρ_b× 0.2 ×(1 － V_gravel)。式中: α为有机碳或氮的含量(g·kg^-1); α×ρ_b为土壤密度(g·cm^-3); 0.2为土壤厚度(m); V_gravel为石砾体积占土样总体积的比例。

用 Excel 2003处理数据，用 SPSS 17.0一般线性分析中的单变量及多变量方差分析及多重比较对数据进行差异显著性分析。

从图 1可以看出: 4个地点土壤有机碳和无机碳储量变化较大。从平均值看，0~20 cm 土层中人工林有机碳储量大多高于皆伐迹地和农田约14.47~49.91 t·hm^-2，其中，东山和东方红样地差异显著(P<0.05); 皆伐迹地土壤有机碳储量大多高于农田10.8~29.21 t·hm^-2(P<0.05)。在深层土壤(20~60 cm)中，人工林和农田土壤有机碳储量大多高于皆伐迹地，其中，农田土壤有机碳储量呈增加的趋势。从有机碳储量总体来看，表层土壤有机碳储量林地 > 皆伐迹地 > 农田，其中，农田与林地的差异约33.7 t·hm^-2(P<0.05)，深层土壤则表现出农田 > 林地 > 皆伐迹地。这种表层和深层排序上的差异，使得三者间0~80 cm 土壤有机碳储量的差异变小(P>0.05)(表 2)。

	图 1 不同地点落叶松林地与相邻皆伐迹地和农田有机碳和无机碳的比较 Fig. 1 Comparison of SOC and SIC storages at different depths among larch plantation land，adjacent clear-cut site and farmland in different sites 同一地区的同一深度中相同字母表示差异不显著(P>0.05)，不同字母表示差异显著(P<0.05)。 The same letters at the same depth in thesame site indicate no significant difference(P>0.05),while the different letters indicate significant difference(P<0.05).

表 2 落叶松人工林、皆伐迹地和农田不同深度土壤碳、氮、磷、押及其他理化性质差异的综合分析^① Tab.2 Comprehensive analysis of soil C ,N,P ,K and otherproperties among larch plantation ,clear-cut site and farmlandat different soil depths

表 2 落叶松人工林、皆伐迹地和农田不同深度土壤碳、氮、磷、押及其他理化性质差异的综合分析① Tab.2 Comprehensive analysis of soil C ,N,P ,K and otherproperties among larch plantation ,clear-cut site and farmlandat different soil depths

土壤无机碳储量在0~20 cm 土层林地、皆伐迹地与农田的差异不明显，仅大青川农田样地无机碳储量显著高于林地0.025 t·hm^-2(P<0.05)。在20~80 cm土层中，不同利用方式的土壤无机碳储量高于0~20 cm 土层。同时，多数林地、皆伐迹地样地中的土壤无机碳储量高于农田样地，而林地和皆伐迹地之间的差异呈现不一致的趋势。综合所有样地的结果(表 2)，土壤无机碳储量皆伐迹地 > 林地> 农田，其中林地、皆伐迹地与农田的差异达到显著水平(P<0.05)，而林地和皆伐迹地的差异在不同土层表现不一致(P>0.05)。

图 2表明: 4个地点全氮和碱解氮储量变化较大。从平均值看，0~20 cm 土层中，林地土壤全氮储量为6.97 t·hm^-2，显著高于农田2.41 t·hm^-2(P< 0.05)，皆伐迹地为5.98 t·hm^-2，高于农田1.42 t·hm^-2 ; 20~40 cm 土层中，林地土壤全氮储量为3.67 t·hm^-2，高于农田3.54 t． hm^-2 ; 40~60 cm 土层中，农田土壤全氮储量为2.91 t·hm^-2，高于林地0.71 t·hm^-2，显著高于皆伐迹地1.73 t·hm^-2(P<0.05)(表 2)。可以看出，总体上表层林地土壤普遍高于皆伐迹地和农田，而深层土壤中皆伐迹地全氮储量逐渐低于林地，农田则略高于林地。

	图 2 不同地区落叶松林地与相邻皆伐迹地和农田不同深度土壤全氮和碱解氮储量的比较 Fig. 2 Comparision of soil total N and alkaline-N storage among larch plantation land,adjacent clear-cut site and farmland in different soil depth

图 2显示: 在0~40 cm 土层中，皆伐迹地和林地土壤碱解氮储量大多高于农田。在更深层(40~80 cm)土壤中，样地中皆伐迹地土壤碱解氮大多高于林地，东方红样地40~60 cm 土层农田显著高于林地和皆伐迹地，其他均未出现显著差异(图 2)。所有样地统计显示(表 2)，不同土层土壤碱解氮储量皆伐迹地均高于人工林土壤，表层林地土壤碱解氮储量显著高于农田0.25 t·hm^-2(P<0.05)，而深层(20 cm 以下)则出现相反的趋势(P>0.05)。

由图 3可知，在0~20 cm 的土层中，2个样地(边家沟和东山)中皆伐迹地土壤全磷储量高于林地。在20 cm 以下土层中，皆伐迹地土壤全磷储量大多高于林地，而林地与农田、皆伐迹地与农田差别很小。总体来看(表 2)，不同土层以及0~80 cm 土壤全磷储量皆伐迹地 > 林地 > 农田，但差异不显著。

	图 3 不同地区落叶松林地与相邻皆伐迹地和农田不同深度土壤全磷和全钾储量的比较 Fig. 3 Comparision of soil total Pand tatal Kstorage among larch plantation land,adjacent clear-cut site and farmland in different soil depth

在0~20 cm 的土层中，除了大青川样地外，所有样地土壤全钾储量林地和皆伐迹地 < 农田，多数样地农田 > 皆伐迹地 > 林地，而出现显著差异仅在东方红样地(P<0.05)。在20 cm 以下土层中，林地和皆伐迹地互有高低出现，而多数情况下都高于农田(图 3)。总体来看(表 2)，土壤全钾储量均有随深度增加的趋势，而0~20 cm 中，农田显著高于林地(28%)和皆伐地(15%)(P<0.05)。

人工林、皆伐迹地和农田土壤 pH 值均偏酸性，约5.4~6.7，在20~60 cm 土层边家沟林地土壤与皆伐迹地、农田均达到显著差异(P<0.05)，而东方红样地中林地和皆伐迹地显著高于农田(P<0.05)(图 4)。所有样地平均值显示，样地间 pH 值无显著差异(P>0.05)(表 2)。

	图 4 不同地区落叶松林地与相邻皆伐迹地和农田不同深度土壤 pH 值、电导率和密度变化 Fig. 4 Differences in pH,Electrical conductivity and bulk density among larch plantation land,adjacentclear-cut site and farmland in different soil depth

土壤电导率差异随土壤深度增加呈下降趋势，多数林地土壤电导率高于皆伐迹地2~26.9 μS·cm^-1(P<0.05)。农田的土壤电导率大多介于林地和皆伐迹地之间，但也有高于林地的情况(图 4)。从平均值看，三类样地间电导率差异不显著(P>0.05)，这种趋势不同深度表现一致(表 2)。

土壤密度表层(0~20 cm)土壤林地最低，而20 cm以下土层农田土壤密度的差异较表层低，除大青川样地20~40 cm 土层外，均未达到显著差异(图 4)。综合分析表明: 表层土壤密度农田高于林地25% 以上，高于皆伐迹地15%(P<0.05)，深层差异不显著(表 2)。

即使不考虑不同深度和地点对结果的影响，对于很多指标，如有机碳、无机碳、全氮、碱解氮和pH值等，在落叶松人工林、皆伐迹地及农田之间差异显著(P<0.05)(表 3)。但对于其他指标，如全磷、全钾和密度，由于深度和地点的显著影响，人工林、皆伐迹地及农田间这些土壤理化指标的差异不显著(P>0.05)。

表 3 土地利用方式、土壤深度、地点对土壤碳截获和肥力的方差分析 Tab.3 Variance analysisof land-use type ,soil depth and site on soil carbonand fertilities

表 3 土地利用方式、土壤深度、地点对土壤碳截获和肥力的方差分析 Tab.3 Variance analysisof land-use type ,soil depth and site on soil carbonand fertilities

同时，地点和深度与土壤不同指标存在交互作用，这影响了对样地间土壤理化性质差异的判断(表 3)。区分土壤不同深度(深度×农田)时，落叶松人工林地、皆伐迹地和农田能够导致有机碳、无机碳、碱解氮、全钾、电导率、密度等6个指标存在显著差异; 而区分不同地点进行分析时，这三者呈显著差异的指标有5个: 无机碳、全氮、碱解氮、pH 值、电导率; 当区别不同深度、不同地点对皆伐迹地及农田导致土壤指标变化进行分析时，出现显著差异的指标为有机碳、无机碳、碱解氮、电导率等4个。可以看出，当把样地划分更细时(即考虑交互影响时)，样地重复数变少，能够出现显著差异的指标降低，从6个指标变成4个(同时考虑地点、深度和土地利用方式)，而且F值也明显降低。因此对于不同地区中林地、皆伐迹地和农田0~80 cm 土层的综合分析是很有必要的，可以更明显地发现不同土地利用方式对土壤碳储量和肥力变化的影响。

研究认为人工林采伐作业、农耕措施可导致土壤表层碳库减少(Johnson，1992; 胡小飞等，2007)，而林地变成农田也导致土壤有机碳储量呈显著下降趋势(Murty et al.，2002)。Guo等(2002)认为，天然林变成农田后土壤有机碳含量下降42% 。本研究发现4个样地中林地土壤有机碳平均储量达到93 t·hm^-2，是皆伐迹地的1.24倍，是农田的1.57倍(表 2)，这与前人的研究结果基本一致。对同一区域落叶松人工林生长进程中土壤碳变化的研究发现，土壤碳库显著增大，而氮储量变化不大(Wang et al.，2011)。此外，对深层(20~80 cm)土壤能否显著影响有机碳的变化，一直存在争议(Murty et al.，2002; Wang et al.，2011; Wei et al.，2012)。本研究发现，受人为扰动较大的土壤，如农田的深层土壤与林地进行比较时，呈逐渐高于林地的变化趋势，其中，40~80 cm 土层有机碳储量农田显著高于林地和皆伐迹地(P<0.05)，这种与表层迥异的变化，使得0~80 cm 总储量在人工林、皆伐迹地及农田间的差异变小，甚至不存在显著差异(P> 0.05)，而且排序有别于表层: 林地 > 农田 > 皆伐迹地(表 2)  。上述情况产生的原因可能是: 在农田土壤翻耕过程中导致表层有机碳向深层土壤转移，同时耕种过程中使得土壤通透性增加，水溶性有机碳更容易渗透到深层土壤(王清奎等，2005)，并通过改变有机碳的保护性而影响有机碳的稳定性，进而改变有机碳的分解率(吴建国等，2002)，从而使得表层和深层产生差异。一旦部分土壤碳进入到深层土壤，它受到外界干扰而释放到大气中的可能性变小(刘晓梅等，2009)。与此同时，人工林在经营过程中几乎不对土壤进行扰动，类似人为引起的表层向深层的碳移动较少，而林木根系能够生长到较深土层，把深层土壤碳和氮等营养物质吸收到植物个体中，有可能降低深层土壤有机质储量。同时，由于人工林枯枝落叶长时间覆盖表层土壤并积累大量有机物质，而转移到深层土壤的过程又十分漫长，使得人工林表层和深层土壤碳差异较大。

土壤无机碳像有机碳一样在土壤中普遍存在，且在我国的某些地区(如西北高原)储量巨大(潘根兴，1999)，但是很少将有机碳、无机碳同时进行研究，这可能直接影响土壤碳截获量估计的准确性(祖元刚等，2011)。本文研究中发现: 无机碳的储量很小，多在0.019~0.053 t·hm^-2，这一数值为土壤有机碳储量18~93 t·hm^-2的千分之一以下(图 1和表 2)，如此小的数值的变化，对总碳(有机碳 + 无机碳)的变化影响将很小。其次有机碳和无机碳的变化方向多数情况下有所不同，如表层土壤有机碳林地高于皆伐迹地，而无机碳则表现为深层60~80 cm 土壤皆伐地高于林地(表 2)，这种相反的变化趋势(即有机碳增加往往意味着无机碳减少，或者反之)，有可能导致当需要把有机碳和无机碳储量同时考虑到土壤碳收支平衡计算时，仅考虑有机碳变化会存在较大的差异，尤其是在土壤无机碳含量较高的地区(曾骏等，2008; 祖元刚等，2011)。

土壤肥力是土壤碳和生物量碳累积的基础，人工林皆伐和农田化过程土壤地力的下降，将直接影响地上和地下碳截获的持久性(于宁楼等，2003)，而在林地皆伐后营造的人工林，其土壤化学性质发生明显变化，如落叶松纯林土壤上层有机质、全氮、全磷含量均显著低于其他林分(王新宇等，2008)。本研究发现: 人工林皆伐及农田化可导致氮素显著下降，农田较林地降低幅度达到52%(全氮)和65%(碱解氮)，较皆伐迹地降低30%和86%(表 2)。不同地点和深度土壤磷和钾的比较结果多数未达到显著差异的水平(图 3)。4组样地中0~20 cm土层平均值显示农田土壤钾显著高于林地39%(P<0.05)，这与农田施肥导致土壤肥力高于林地有直接关系。与皆伐迹地比较，落叶松人工林有使土壤酸化的趋势(图 4)，而皆伐和耕种也使得土壤变得更加紧实，使不同层次土壤密度均有增加的趋势(P<0.05)。因此，尽管不同地点、不同深度对结果影响较大(图 3，4)，但人工林林地、皆伐迹地及农田也使土壤肥力发生了明显变化。对于今后的林分经营管理，考虑到皆伐使土壤表层(0~20 cm)碳及肥力下降程度较为明显，应该尽量避免采用皆伐方式，而选择择伐方式对林地进行合理的利用(Nilsen et al.，2008)。我国农田面积巨大，在考虑农田土壤碳时应该注意深层土壤，以及施肥等措施导致土地营养成分向深层流失问题。

土地利用方式的变化，对于土壤碳截获、肥力及物理性质均有影响: 表层(0~20 cm)表现较为明显，土壤有机碳、全氮和碱解氮变化林地 > 皆伐迹地> 农田; 而深层(20~80 cm)则出现不同的变化趋势，皆伐导致土壤碳及肥力逐渐低于人工林，且受到不同地点的影响，人工林和皆伐迹地土壤储量差异不显著(P>0.05)。另一方面，由于农田在耕种过程中人为地影响土壤结构，使得土壤中碳及肥力的变化处在不稳定的状态，因此深层(20~80 cm)土壤表现出异于人工林和皆伐迹地的趋势，大体上呈现农田 > 人工林 > 皆伐迹地。综合分析结果表明:由于林地表层土壤的碳截获及肥力大多大于皆伐迹地或农田，而深层土壤呈现皆伐迹地或农田高于林地的趋势，导致0~80 cm 土层人工林、皆伐迹地及农田土壤碳截获及肥力的变化趋势不明显。林地土壤电导率高于皆伐地迹及农田，土壤密度为农田 >皆伐迹地 > 林地。本研究的土地利用方式在东北林区具有一定代表性，上述结果对该地区落叶松人工林向农田转化过程中土壤碳汇变化及其可持续性管理提供了基础数据。