林业科学  2015, Vol. 51 Issue (4): 26-35   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150404
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文章信息

李翀, 周国模, 施拥军, 周宇峰, 张宇鹏, 沈利芬, 范叶青, 沈振明
Li Chong, Zhou Guomo, Shi Yongjun, Zhou Yufeng, Zhang Yupeng, Shen Lifen, Fan Yeqing, Shen Zhenming
不同经营措施对毛竹林土壤有机碳的影响
Effects of Different Management Measures on Soil Carbon in Bamboo Forest Ecosystems
林业科学, 2015, 51(4): 26-35
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(4): 26-35.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150404

文章历史

收稿日期:2013-12-26
修回日期:2014-12-28

作者相关文章

李翀
周国模
施拥军
周宇峰
张宇鹏
沈利芬
范叶青
沈振明

不同经营措施对毛竹林土壤有机碳的影响
李翀1, 2, 周国模1, 2, 施拥军1, 2 , 周宇峰1, 2, 张宇鹏1, 2, 沈利芬1, 2, 范叶青1, 2, 沈振明3    
1. 浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室 临安 311300;
2. 浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地 临安 311300;
3. 浙江省临安市林业技术服务总站 临安 311300
摘要:【目的】毛竹在森林应对气候变化中发挥重要的作用,研究竹林不同经营措施的影响,进而了解植被生物量碳库及影响土壤碳库的状况。【方法】利用两因素随机区组设计,排除地形因子等影响,选取施肥和采伐留养方式2个因素,研究不同经营措施对毛竹林各土层2010—2013年土壤有机碳含量和贮量变化影响。【结果】 1) 不同经营措施0~10 cm层土壤有机碳含量变化最大,介于-0.52%(±0.62%)~0.75%±(0.44%)之间,其中A2B3(中等施肥弱度采伐)与A1B1(大量施肥强度采伐)土壤有机碳含量变化量差异极显著(P <0.01); 2)中等施肥0~50 cm土壤有机碳贮量增量分别是大量施肥和不施肥的3.61倍和5.05倍,大量施肥和中等施肥0~10 cm层土壤有机碳贮量变化差异显著(P <0.05); 3)弱度采伐0~50 cm土壤有机碳贮量增量分别是强度采伐和中度采伐的5.51倍和1.63倍,强度采伐和弱度采伐0~10 cm层土壤有机碳贮量变化差异显著(P <0.05); 4)不同经营措施0~50 cm土壤有机碳贮量变化介于-15.56(±10.21)~53.15(±37.81)tC ·hm-2之间,其中A2B3(中等施肥弱度采伐)与A1B1(大量施肥强度采伐)土壤有机碳贮量变化差异极显著(P <0.01); 5)结合效应图得出结论,A2B3(中等施肥弱度采伐)的经营方案对0~50 cm土壤有机碳含量和贮量的积累效果最佳,而A1B1(大量施肥强度采伐)的经营方案最不利于0~50 cm土壤有机碳含量和贮量的积累。【结论】 大量施肥强度采伐方式虽然可以保证竹材的大量输出,却会破坏原有的竹林生态结构,同时对土壤碳含量和贮量的影响尤为不利,从毛竹林生态系统碳汇积累角度考虑,并不是最可取的竹林经营方式。同时经营过程中,不同经营措施不仅会对土壤碳库产生影响,更会显著改变植被碳库状况,并伴随着碳排放和碳泄漏问题,这都将成为我们今后研究经营对竹林生态系统碳综合影响的各个因素和环节。
关键词毛竹    经营措施    采伐强度    施肥量    土壤有机碳含量    土壤有机碳贮量    
Effects of Different Management Measures on Soil Carbon in Bamboo Forest Ecosystems
Li Chong1, 2, Zhou Guomo1, 2, Shi Yongjun1, 2, Zhou Yufeng1, 2, Zhang Yupeng1, 2, Shen Lifen1, 2, Fan Yeqing1, 2, Shen Zhenming3    
1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration, Zhejiang A & F University Lin'an 311300;
2. The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A & F University Lin'an 311300;
3. Forestry Station of Lin'an City Lin'an 311300
Abstract: 【Objective】 Moso bamboo is a very important forest resource in Zhejiang province and China. It has excellent carbon sequestration potential and can play an important role in coping with climate change. The international society have gradually recognized REDD + forest carbon sequestration mechanism and greatly expanded the development space of forest carbon sinks and also brought opportunities and challenges for China's bamboo management in recent years. In this study, vegetation biomass carbon pool was changed to affect soil carbon pool through bamboo forest management. The two-factor randomized block design was used to eliminate the influence of topographical factors and two management measures (fertilization and cutting) were applied to investigate the changes in soil organic carbon (SOM) concentration and carbon (C) storage in bamboo forest ecosystems during the period from 2010 to 2013. The results showed that under different treatments, the greatest changes in SOM concentration ranged between -0.52 (± 0.62)% and 0.75 (± 0.44)% in 0-10 cm soil layer. Significant differences (P<0.01) in SOM concentration changes were found in treatments of A2B3 (intermediate fertilization level with low-intensity cutting measure) and A1B1 (high fertilization level with high-intensity cutting measure). Total SOM storage of the intermediate fertilization level increased as much 3.61 times and 5.05 times greater than those of the high fertilization level and no fertilization treatments, respectively. There was significant (P<0.05) difference in SOM storage changes at 0-10 cm soil layer between high fertilization level and intermediate fertilization level. Total SOM storage of the low-intensity cutting treatment increased as much 5.51 times and 1.63 times greater than those of the high intensity cutting measure and medium intensity cutting measure, respectively. There was significant (P<0.05) difference in SOM storage changes in 0-10 cm soil layer between high intensity cutting and low-intensity cutting treatment. For different treatments, the changes of total SOM storage were between -15.56 (±10.21) tC ·hm-2 and 53.15 (± 37.81) tC ·hm-2. Among the treatments, the difference of SOM storage changes was significant (P<0.01) between A2B3 (intermediate fertilization level with low-intensity cutting measure) and A1B1 (high fertilization level with high intensity cutting measure). The effect figure indicated that the A2B3 treatment (intermediate fertilization level with low-intensity cutting measure) was the best effect in both SOM concentration and storage changes in 0-50 cm soil layer while A1B1 (high fertilization level with high intensity cutting measure) treatment showed a worst effect in that soil layer. Even though the high fertilization level with high intensity cutting measure had guaranteed a large amount output of bamboo timber, it interrupted the original bamboo forest ecological structure, and also had adverse impact on both SOM concentration and carbon storage. Thus, from the carbon sink accumulation of moso bamboo forest ecosystem, it was not a desirable management measure. We will set several horizontal gradients near the intermediate fertilization level to find out the most reasonable fertilizing amount based on test results. With the extension of time, the test result in fixed sample will be hoping to make a more accurate and thorough explanation of the SOM changes under different management measures. Meanwhile, different management measures will not only impact on soil carbon pool, but also change vegetation carbon pool significantly during bamboo forest management. and may accompany the carbon emissions and carbon leakage problem. All of those will become various factors and links in studying the comprehensive effect of different management measures on bamboo forest ecosystem carbon in the future.
Key words: bamboo    management measures    cutting intensity    fertilization amount    soil organic carbon concentration    soil organic carbon storage    

土壤碳库是陆地生态系统中最大且最活跃的碳库之一,在全球碳循环中发挥着重要作用。土壤有机碳的吸存和动态变化与人类经营活动密切相关。人工林经营及其在全球碳循环中的作用和地位(Marland et al.,2004Lal et al.,20042005)方面的研究表明,人工林土壤的碳汇功能受到经营水平的调控(冯瑞芳等,2006)。毛竹(Phyllostachys edulis)具有高效的固碳功能(周国模等,20042006Zhou et al.,2009Zhou et al.,2011),生长速度快、可以隔年连续采伐及永续利用,对平衡大气CO2具有重要作用。但是竹林人为干扰频繁,土壤扰动强度大,是碳贮存与碳流失最不确定的森林类型,不合理的经营措施还可能导致部分竹林生态系统中土壤碳库成为碳源。因此,很多学者对毛竹林不同经营模式的土壤有机碳进行相关研究(马少杰等,2011刘广路等,2010)。

由于土壤有机碳的吸存和动态变化是一定时间积累的结果,利用固定样地进行长期定位观测来研究土壤有机碳的持续变化是一种较为科学的方法。前人的研究主要采用空间代替时间、根据记载资料来确定竹林的经营方式和强度(马少杰等,2012范叶青等,2013),而长期定位观测来研究土壤碳的动态变化相对较少。施肥翻耕和采伐留养是现有竹林经营中最主要的经营方式(李永夫等,2010金爱武等,2006郑郁善等,1998),对竹林生态系统林分结构产生较大影响,对土壤碳库的影响有待深入研究。本文采用两因素随机区组试验设计,选取施肥和采伐留养方式2个主要经营因素,研究经营对2010—2013年间毛竹林土壤有机碳含量和贮量的影响,为毛竹林科学经营、土壤有机碳稳定性维持及碳汇功能的提升提供科学依据。

1 试验区概况与研究方法 1.1 试验地概况

试验地位于浙江省临安市板桥镇(30°10′ N,119°45′ E),样地海拔为90~200 m。该区域属亚热带季风气候,年平均气温为15.9 ℃,年降水量1 350.0~1 500.0 mm,年日照时数1 774.0 h,无霜期236天,地形地貌为低山丘陵,森林覆盖率达65%,主要树种为毛竹,土壤为微酸性红壤土类。试验区内竹林隔年留养新竹,隔年采伐老竹,一般采伐5~6年生老竹。该竹林为异龄竹林,大小年不明显。立竹密度为2 400~4 300株·hm-2。林下少灌木,多杂草。

1.2 试验设计

2010年6月开始实施,采用两因素随机区组试验设计,选取施肥和采伐留养方式2个因素,每个因素分别设置3个水平,共9个试验组合。分别为A1B1:大量施肥强度采伐; A1B2:大量施肥中度采伐; A1B3:大量施肥弱度采伐; A2B1:中等施肥强度采伐; A2B2:中等施肥中度采伐; A2B3:中等施肥弱度采伐; A3B1:不施肥强度采伐; A3B2:不施肥中度采伐; A3B3(粗放经营):不施肥弱度采伐。

竹林经营随机区组试验的布设:将上述试验两因素对应的3个试验水平进行3k正交,即可得到9种不同的试验组合。为了减少试验过程的偶然性,排除坡向、坡位等因素的影响,本试验进行3次重复,且各种试验组合随机交叉分布。

施肥:分为大量(每年施毛竹专用肥1 800 kg·hm-2,分2次施肥)、中等(每年施毛竹专用肥900 kg·hm-2,分2次施肥)和不施肥。肥料为竹笋专用肥(N,P,K含量:N 13%,P2O5 3%,K20 2%,氨基酸≥8%,有机质≥15%,腐殖酸≥10%),施肥采用沟施方式。

采伐留养:分为强度采伐、中度采伐、弱度采伐3种措施,留养竹分别为Ⅰ度竹(1年生毛竹)、Ⅱ度竹(2~3年生)、Ⅲ度竹(4~5年生),不留Ⅳ度竹(6年生及以上)。其中强度采伐处理Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ度竹留养比例为1:2:0,中度采伐处理Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ度竹留养比例设为1:2:1,弱度采伐处理Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ度竹留养比例设为1:2:2。

考虑毛竹生长的特殊性,为了减少因相邻样地毛竹鞭蔓延而产生的干扰,试验标准样地设计如下:将24 300 m2(即270 m×90 m)试验基地划分为大小相等的27块标准样地(图 1),每块大小设为30 m×30 m; 各样地四周各留出5 m宽“回”形条块作为缓冲带,不采集样品和测定数据; 试验采样时,以样地中心20 m×20 m为界,在中部进行。

图 1 试验处理样地分布 Fig. 1 Distribution diagram of experiment standard plot
1.3 土壤样品采集

分别于试验前(2010年7月)和试验后(2013年7月)采集土壤样品,在20 m×20 m样地内的中心点及4个角桩点共设置5个采样点,挖掘土壤剖面,除去枯落物层后,每个剖面按Ⅰ层(0~10 cm)、Ⅱ层(10~30 cm)和Ⅲ层(30~50 cm)取样,用环刀法测定其密度,同时估测各样地土壤平均厚度。按土层充分混合后,用四分法分别取200~300 g土壤样品,去除全部直径大于2 mm石砾、根系和其他死有机残体,带回实验室风干、磨碎,过筛(2 mm)后用于含碳量的测定。

1.4 土壤密度的测定

将土壤样品风干称量,从土样中取部分样品,放在105 ℃烘箱内烘至恒质量,根据烘干土质量计算环刀内土壤干质量,再根据环刀体积计算土壤密度。

1.5 土壤有机碳含量的测定和碳贮量计算

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定(中国土壤学会,1999)。采用下式计算样地单位面积土壤有机碳贮量:

$${C_{soc}} = \sum\limits_{l = 1}^L {[SOC{C_l} \bullet B{D_l}} \bullet Dept{h_l},$$ 式中:CSOC为样地单位面积土壤有机碳贮量,tC·hm-2SOCCl各土层土壤有机碳含量,g C·(100 g土壤)-1BDl 各土层土壤质量,g·cm-3Depthl 各土层厚度,cm。

1.6 数据统计分析

用SPSS 19.0通过单因素方差分析法分析2次测定的土壤有机碳含量和贮量的差异是否显著,然后采用多因素方差分析法从施肥、采伐、土层及其交互作用来分析2010—2013年土壤有机碳含量和贮量变化量的显著性并进行多重比较,同时采用单因素方差分析法分析不同措施组合间的有机碳含量和贮量差异显著性并进行多重比较,研究不同经营措施对2010—2013年土壤有机碳含量和贮量的影响。

2 结果与分析 2.1 经营前后各试验处理的基本统计数据

经营前后各试验处理土壤密度、土壤有机碳含量和贮量数据见表 1~3

表 1 各处理2010年和2013年土壤密度 Tab.1 The soil bulk densities in every treatment in 2010 and 2013
表 2 各处理2010年和2013年土壤有机碳含量 Tab.2 The soil organic carbon concentration in every treatment in 2010 and 2013
表 3 各处理2010年和2013年土壤有机碳贮量 Tab.3 The soil organic carbon storage in every treatment in 2010 and 2013

2010年,A1B2处理林分的0~10 cm土壤密度最大,A3B1处理林分的0~10 cm土壤密度最小; A1B1处理林分的10~30 cm土壤密度最大,A2B3处理林分的10~30 cm土壤密度最小; A1B1处理林分的30~50 cm土壤密度最大,A3B2处理林分的30~50 cm土壤密度最小。土壤密度随着土层深度的增加而增加。

2010年,不同经营措施土壤有机碳含量存在较大差异,但均表现为随土壤深度的增加而降低(表 2)。各经营措施0~10 cm层土壤有机碳含量最高,介于1.30%(±0.17%)~1.98%(±0.43%)之间,分别是10~30 cm层的1.45~3.26倍和30~50 cm层的1.70~6.22倍。0~10 cm层的土壤有机碳含量与10~30 cm层、30~50 cm层存在显著差异(P<0.05),而10~30 cm层和30~50 cm层之间无显著差异(P>0.05)。

2010年,A3B2处理林分的0~50 cm土壤有机碳贮量最大,A2B1处理林分的0~50 cm土壤有机碳贮量最小。0~10 cm层,A3B2处理林分的土壤有机碳贮量最大,A1B3处理林分的土壤有机碳贮量最小; 10~30 cm层,A3B2处理林分的土壤有机碳贮量最大,A2B1处理林分的土壤有机碳贮量最小; 30~50 cm层,A3B2处理林分的土壤有机碳贮量最大,A2B1处理林分的土壤有机碳贮量最小; 随着土层深度的增加土壤有机碳贮量基本都会减少。

2.2 不同经营措施对两期土壤有机碳含量变化量的影响

单因素方差分析结果表明,两期土壤有机碳含量差异极显著(P<0.01),说明经营措施对土壤有机碳含量产生很大的影响。从表 4可知,不同施肥、采伐留养、土层及其交互作用对土壤有机碳含量变化量的影响都不显著,而施肥、采伐留养交互作用对土壤有机碳含量变化量差异的显著性小于单独的施肥处理或者采伐留养处理,说明交互效应不明显。两因素中采伐留养处理的离差平方和大于施肥处理,说明采伐留养的影响效应较大。

表 4 各处理2010—2013年土壤有机碳含量变化量 Tab.4 The changes of soil organic carbon concentration in every treatment from 2010 to 2013

方差分析表明(表 5):A1B1处理分别与A1B3处理、A2B1处理、A2B3处理和A3B2处理林分的0~10 cm层土壤有机碳含量变化量存在显著差异(P<0.05); 各处理10~30 cm层的土壤有机碳含量变化量差异不显著(P>0.05); A1B2处理和A3B2处理的30~50 cm层土壤有机碳含量变化量差异显著(P<0.05)。说明经过不同措施经营,各样地毛竹林生态系统土壤有机碳含量发生了显著变化,特别是表层土(0~10 cm)变化很大。

表 5 各处理2010—2013年土壤有机碳含量变化量 Tab.5 The changes of soil organic carbon concentration in every treatment from 2010 to 2013

表 2可知,2010—2013年,0~10 cm层中,A2B3处理林分的土壤有机碳含量增加最多,为0.75%,A1B1土壤有机碳含量减少最多,为0.53%; 10~30 cm层中,A2B3处理林分的土壤有机碳含量增加最多,为0.91%,A1B1处理林分的土壤有机碳含量减少最多,0.13%; 30~50 cm层中,A1B2处理林分的土壤有机碳含量增加最多,为1.08%,A3B2处理林分的土壤有机碳含量减少最多,为0.3%。不同措施组合3个土层土壤有机碳含量变化量的多重比较结果表明(表 5),只有A2B3处理与A1B1处理的土壤有机碳含量变化量差异极显著(P<0.01)。而A2B3处理分别与A3B1处理和A3B2处理的土壤有机碳含量变化量差异显著(P<0.05); A1B1处理分别与A1B2处理和A2B2处理的土壤有机碳含量变化量差异显著(P<0.05)。说明A2B3处理的土壤有机碳含量增加最多,而A1B1处理的土壤有机碳含量下降最多; A1B2处理和A2B2处理的土壤有机碳含量增加较多,而A3B1处理和A3B2处理的土壤有机碳含量增加较少; 其他处理土壤有机碳含量变化基本一致。

2.3 不同经营措施对土壤有机碳贮量变化量的影响 2.3.1 施肥处理对土壤有机碳贮量变化量的影响

大量施肥0~10 cm层土壤有机碳贮量减少了3.62 tC·hm-2,说明大量施肥有可能造成表层土壤碳的减少。中等施肥各层土壤有机碳贮量都增加最多,0~50 cm土壤有机碳贮量增量分别是大量施肥和不施肥的3.61倍和5.05倍,说明中等施肥有利于毛竹林生态系统土壤有机碳贮量的增加,而大量施肥和不施肥不利于毛竹林生态系统土壤有机碳贮量的积累(图 2)。对3种处理进行方差分析,发现大量施肥和中等施肥林分的0~10 cm层土壤有机碳贮量变化差异显著(P<0.05),其余2层土壤有机碳贮量和0~50 cm土壤有机碳贮量变化差异不显著(P>0.05)。说明中等施肥有利于毛竹林生态系统表层(0~10 cm)土壤有机碳贮量的积累,而大量施肥有可能导致表层(0~10 cm)土壤的碳减少。

图 2 不同施肥量土壤有机碳贮量的变化情况 Fig. 2 The change of soil organic carbon storage in different fertilization level
2.3.2 采伐留养处理对土壤有机碳贮量变化量的影响

采伐留养处理对土壤有机碳贮量的影响结果表明(图 3),强度采伐处理林分的0~10 cm层有机碳贮量减少了2.30 tC·hm-2,中度采伐处理林分的0~10 cm层有机碳贮量减少了0.5 tC·hm-2,说明强度采伐和中度采伐都有可能造成某一土层(特别是表层土)土壤的碳减少。弱度采伐各层土壤有机碳贮量都增加最多,0~50 cm土壤有机碳贮量增量分别是强度采伐和中度采伐的5.51倍和1.63倍,说明弱度采伐有利于毛竹林生态系统土壤有机碳贮量的增加,而强度采伐和中度采伐不利于毛竹林生态系统土壤有机碳贮量的积累(图 2)。对3种处理进行方差分析,发现强度采伐和弱度采伐林分的0~10 cm层土壤有机碳贮量变化差异显著(P<0.05),其余两层土壤有机碳贮量和0~50 cm土壤有机碳贮量变化差异不显著(P>0.05)。说明弱度采伐有利于毛竹林生态系统表层(0~10 cm)土壤有机碳贮量的积累,而强度采伐有可能导致表层(0~10 cm)土壤的碳减少。土壤各层有机碳贮量和0~50 cm总有机碳贮量与采伐强度呈负相关,随着采伐强度的增加,土壤各层有机碳贮量和0~50 cm总有机碳贮量逐渐减少。

图 3 不同采伐留养处理土壤有机碳贮量的变化 Fig. 3 The change of soil organic carbon storage in different cutting and leaving treatments
2.3.3 不同措施组合对土壤有机碳贮量变化量的影响

单因素方差分析结果表明,两期土壤有机碳贮量差异极显著(P<0.01),说明经营措施对土壤有机碳贮量也产生了很大的影响。从表 6可知,不同施肥、采伐留养、土层及其交互作用对土壤有机碳贮量变化量的影响都不显著,而施肥、采伐留养交互作用对土壤有机碳贮量变化量差异的显著性小于单独的施肥处理或者采伐留养处理,说明交互效应不明显。二因素中施肥处理的离差平方和大于采伐留养处理,说明施肥的影响效应较大。

表 6 各处理2010—2013年土壤有机碳含量变化量 Tab.6 The changes of soil organic carbon concentration in every treatment from 2010 to 2013

不同措施组合对土壤有机碳贮量的影响结果表明(图 4),A1B1处理林分的0~50 cm土壤有机碳贮量减少了15.56 tC·hm-2,A3B2处理林分的0~50 cm土壤有机碳贮量减少了9.51 tC·hm-2,说明大量施肥、强度采伐造成了土壤的碳减少,而A3B2处理林分土壤有机碳贮量减少的原因可能是试验前该林分就具有很高的土壤有机碳贮量。A2B3处理林分的0~50 cm土壤有机碳贮量增加最多,达53.15 tC·hm-2,说明中等施肥、弱度采伐有利于毛竹林生态系统土壤有机碳贮量的增加。不同措施组合3个土层土壤有机碳贮量变化量的多重比较结果表明(图 4),只有A2B3处理与A1B1处理林分的土壤有机碳贮量变化量差异极显著(P<0.01)。而A2B2处理与A1B1处理和A3B2处理林分的土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05); A3B2处理与A2B2处理和A2B3处理林分的土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05)。说明A2B3处理的土壤有机碳贮量增加最多,而A1B1处理的土壤有机碳贮量下降最多; A2B2处理的土壤有机碳贮量增加较多,而A3B2处理的土壤有机碳贮量增加较少; 其他处理土壤有机碳贮量变化基本一致。

图 4 不同经营处理土壤有机碳贮量的变化情况 Fig. 4 The changes of soil organic carbon storage in different management treatments

A1B1处理林分的土壤0~10 cm层有机碳贮量减少了8.59 tC·hm-2,A1B2处理林分的土壤0~10 cm层有机碳贮量减少了9.83 tC·hm-2,A3B1处理林分的土壤0~10 cm层有机碳贮量减少了1.71 tC·hm-2,说明大量施肥强度采伐、大量施肥中度采伐和不施肥强度采伐造成了表层(0~10 cm)土壤的碳减少。A2B3处理林分的土壤0~10 cm层有机碳贮量增加最多,增加达10.51 tC·hm-2。说明中等施肥弱度采伐措施利于毛竹林生态系统表层(0~10 cm)土壤有机碳贮量的积累。不同措施组合0~10 cm层土壤有机碳贮量变化量的多重比较结果表明(表 10),A1B1处理和A1B2处理分别与A1B3处理和A2B3处理林分的0~10 cm层土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05)。说明中等施肥弱度采伐和大量施肥弱度采伐有利于毛竹林生态系统表层(0~10 cm)土壤有机碳贮量的积累,而大量施肥强度采伐和大量施肥中度采伐有可能导致表层(0~10 cm)土壤的碳减少。

通过效应图(图 5)可以得出,中等施肥和弱度采伐的组合经营措施(A2B3措施)对0~50 cm土壤有机碳贮量的积累效果最佳,大量施肥和强度采伐的组合经营措施(A1B1措施)最不利于0~50 cm土壤有机碳贮量的积累。

图 5 施肥和采伐措施对土壤有机碳贮量变化的效应 Fig. 5 Effect of soil organic carbon changes in response to fertilization and selected cutting
3 结论与讨论

1)不同经营措施的毛竹林土壤有机碳含量均随土层深度的增加而降低,2010年和2013年,0~10 cm层的土壤有机碳含量与10~30 cm层、30~50 cm层的差异显著(P<0.05),而10~30 cm层和30~50 cm层之间差异不显著(P>0.05)。这与漆良华等(2013)对毛竹纯林、毛竹-杉木(Cunninghamia lanceolata)混交林土壤有机碳垂直分布和周国模等(2006)对毛竹林集约经营的土壤有机碳剖面变化的研究结果一致。这主要是由于植物的枝叶残体和根系大部分分布于表层土壤中,分解后形成腐殖质在表层土壤中积累,因而土壤有机碳含量从表层向下逐渐递减。

措施A1B1处理分别与A1B3处理、A2B1处理、A2B3处理和A3B2处理林分的0~10 cm层土壤有机碳含量变化量分别存在显著差异(P<0.05); 各处理林分的10~30 cm层土壤有机碳含量变化量差异不显著(P>0.05); A1B2处理和A3B2处理林分的30~50 cm层土壤有机碳含量变化量差异显著(P<0.05)。说明经过不同措施经营,各样地毛竹林生态系统土壤有机碳含量发生了显著变化,特别是表层土(0~10 cm)变化很大。然而不同经营措施对0~50 cm土壤有机碳贮量变化没有显著性差异,因为0~50 cm土壤有机碳贮量是0~10 cm,10~30 cm和30~50 cm层土壤有机碳贮量之和,由于毛竹的根鞭主要集中在0~20 cm土层,不同经营措施对土壤有机碳贮量变化的影响也就主要表现在表层土,并且存在差异的表层土厚度只有10 cm,在0~50 cm土壤中所占的比例很小,因此0~50 cm土壤有机碳贮量变化可能没有显著性差异。

只有A2B3处理与A1B1处理林分的0~50 cm土壤有机碳含量变化量差异极显著(P<0.01)。而A2B3处理分别与A3B1处理和A3B2处理林分的0~50 cm土壤有机碳含量变化量差异显著(P<0.05); A1B1处理分别与A1B2处理和A2B2处理林分的0~50 cm土壤有机碳含量变化量差异显著(P<0.05)。其原因主要是不同措施组合对毛竹林生态系统土壤有机碳含量变化的影响很大。土壤有机质含量与其他养分元素具有不同程度的相关性,有机质含量越高,则土壤养分状况良好(郑蓉等,2014)。通过施肥能增加土壤有机质和黏粒含量从而增加土壤团聚体含量及其组成和稳定,进而影响土壤结构的稳定性及抗侵蚀能力(王丽等,2014),采伐留养处理是通过改变林分密度和结构来改变植被竞争,从而为土壤内微生物的繁殖和活动提供条件,分解凋落物改变土壤有机质及营养元素的含量(马长顺等,2014)。中等施肥有利于土壤有机碳含量的增加,而大量施肥会造成土壤养分的剩余,从而破坏了土壤的养分平衡,造成有机碳含量的下降,同时强度采伐减少了土壤的凋落物,改变了土壤原有的水热条件,两者组合加剧了土壤中有机碳含量的下降,对土壤产生不利的影响。中度采伐处理配合人工施肥较有利于土壤有机碳含量的增加,而不施肥配合采伐留养不利于土壤有机碳含量的增加,说明在竹林经营中合理采伐和施肥的组合经营可以改善竹林土壤的养分状况,但是如果不施肥还伴随采伐经营将会不利于土壤有机碳含量的增加。

2)中等施肥林分的0~50 cm土壤有机碳贮量增量分别是大量施肥和不施肥的3.61倍和5.05倍,大量施肥和中等施肥林分的0~10 cm层土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05),其余两层土壤有机碳贮量和0~50 cm土壤有机碳贮量变化量差异不显著(P>0.05)。这与徐秋芳等(2003)研究集约经营对毛竹林土壤有机碳库影响的结果是一致的。这主要是由每年的翻耕、大量施肥加速了表层土壤有机质的矿化造成的。加快有机质矿化虽然可释放出更多养分元素供竹子生长,加之人为施肥,从某种程度上使竹笋、竹材产量增加,但在产量增加的同时,土壤有机碳贮量却下降明显,土壤有机碳减少,将会使林地潜在肥力下降,对竹林可持续经营产生负面影响。所以中等施肥有利于毛竹林生态系统表层(0~10 cm)土壤有机碳贮量的积累,而大量施肥有可能导致表层(0~10 cm)土壤的碳减少。

3)弱度采伐林分的0~50 cm土壤有机碳贮量增量分别是强度采伐和中度采伐的5.51倍和1.63倍,强度采伐和弱度采伐林分的0~10 cm层土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05),其余2层土壤有机碳贮量和0~50 cm土壤有机碳贮量变化量差异不显著(P>0.05)。这主要是由于森林采伐改变了人工林的结构和土壤水热条件,引起有机物质分解速率、土壤呼吸速率及根系分布的变化,而且裸露的土壤会加剧土壤的侵蚀和土壤有机碳的淋溶作用,进而影响到林地土壤碳源、汇功能(Xu et al.,2003Mao et al.,2002Li et al.,2005Guo et al.,2006)。所以弱度采伐措施有利于毛竹林生态系统表层(0~10 cm)土壤有机碳贮量的积累,而强度采伐措施有可能导致表层(0~10 cm)土壤的碳减少。

4)A2B3处理与A1B1处理林分的土壤有机碳贮量变化量差异极显著(P<0.01)。而A2B2处理与A1B1处理和A3B2处理林分的土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05); A3B2处理与A2B2处理和A2B3处理林分的土壤有机碳贮量变化量差异显著(P<0.05)。差异结果表明,A2B3处理和A2B2处理的土壤有机碳贮量增加较多,而A1B1处理和A3B2处理的土壤有机碳贮量下降最多。从竹林生产的角度出发,同时结合土壤碳管理,中等施肥中度采伐既能收获一定的竹材又可以增加竹林土壤的有机碳贮量,可以广泛推广应用。同时竹林经营中需要避免大量施肥和强度采伐,大量施肥投入了更高的成本却得不到应有的效果,反而会带来很多不利的影响。张桃林等(2014)研究表明,高度集约农业利用下的长期大量施肥,导致土壤对养分的吸附能力明显减弱,同时,由于养分离子大量占据吸附位,使土壤对污染物的自净能力下降。强度采伐虽然能收获大量的竹材,却破坏了原有的林分结构,对土壤产生很多不利的影响,是不可取的竹林经营方式。

5)结合效应图,笔者将通过固定弱度采伐这个因素,在施肥量中等水平附近再进一步设置几个水平梯度,从而通过试验找出最为合理的施肥量。随着固定样地经营试验时间的延续,其结果将有望对不同经营措施下土壤碳的变化情况做出更为准确和深入的解释。经营过程中,不同经营措施不仅会对土壤碳库产生影响,对竹林生态系统植被碳库的影响可能会更加显著,同时经营过程中还会伴随着碳排放和碳泄漏。对此笔者将综合考虑各个因素和环节,进一步研究经营对竹林生态系统的净碳汇功能影响,从而为毛竹林科学经营以及碳汇功能的提升提供依据。

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