林型转化对土壤pH、有机碳组分和交换性矿质元素的影响

曾婷婷，张玲玲，李意德，温达志*

1.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520



林型转化对土壤pH、有机碳组分和交换性矿质元素的影响

曾婷婷1，2，张玲玲1，李意德3，温达志1*

1.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520

摘要：人类活动干扰导致地带性森林退化成次生林、人工林后，通常引起表层土壤有机质和营养元素的损失，尤其是土壤轻组有机碳的淋失。本研究以相对原生阔叶林和与其毗邻的次生林和杉木人工林为对象，测定土壤（0～10、10～20和20～30 cm）pH值、总有机碳（TOC）、轻组有机碳（LFOC）和重组有机碳（HFOC）以及交换性K+、Ca2+的含量，旨在阐明林地转化后土壤有机碳及K+、Ca2+养分的动态变化。研究表明：原生阔叶林向次生林转变后，0～30 cm土层中土壤pH值升高（4.4%），交换性K+、Ca2+含量增加（22.5%、8.2%），其储量增加尤其明显（60.2%、55.1%）；而TOC、LFOC和HFOC含量明显下降（26.7%、40.8%和11.3%），除LFOC储量减少22.2%外TOC和HFOC储量变化不显著。次生林转变成杉木林后，0-30 cm土层中交换性K+、Ca2+含量微弱增加（6.3%、2.9%），HFOC储量减少（13.8%），其它指标的变化则均不显著。原生林土壤pH值与TOC、LFOC、HFOC及交换性K+、Ca2+含量之间呈显著负相关关系，但在次生林和杉木人工林中这种相关性的显著水平被削弱，表明林型转变对土壤pH值、有机碳和养分产生了不同程度的影响。综合而言，原生阔叶林向次生林或次生林向杉木人工林转变后导致土壤有机碳大幅下降，但土壤酸度得到改良和矿质养分有效性增加，为植被快速恢复提供了有利条件。因此，从森林碳汇的角度优先保护表层土壤，选择速生、高效固碳的目标树种对退化次生林进行更新改造，是提高森林生物量碳和土壤净碳积累，扭转因林地利用转变而引起土壤碳流失的一个重要途径。

关键词：原生阔叶林；次生林；杉木林；林型转化；土壤碳组分；交换性K+；交换性Ca2+

引用格式：曾婷婷，张玲玲，李意德，温达志.林型转化对土壤pH、有机碳组分和交换性矿质元素的影响［J］.生态环境学报，2016，25（4）:576-582.

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近几十年来，受人类活动强烈干扰我国常绿阔叶林面积日益减少，地带性原生常绿阔叶林不同程度退化为次生林或人工林（Wang et al.，2007），导致林分树种结构单一（Souza et al.，2013），生物生产力低，土壤中阳离子和营养元素流失（Ross et al.，1999；Geissen et al.，2009）以及土壤理化性质变差（Paul et al.，2010）等问题的出现。非洲戛纳森林转化为可可农地后土壤容重增大，交换性Ca2+、K+、Mg2+储量增加，有机碳（organic carbon，SOC）、全氮以及有效磷浓度与储量下降（Dawoe et al.，2014）。Berthrong et al.（2009）2233-2234研究发现，种植单一树种马尾松林后土壤pH值升高，有机质、全氮及交换性Ca2+、K+、Mg2+含量减少。Powers （2004）报道，原生林与次生林转化为香蕉林后，表层土壤有机碳库和全氮库显著减少，C/N下降。北亚热带天然次生林转变成杉木人工林后，土壤活性有机碳如土壤总有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳和轻组有机碳含量降低（刘荣杰等，2012）。可见，林地利用的转变可导致土壤有机碳及其他元素的显著变化，成为植被恢复的重要限制因子（Fan et al.，2013）。

土壤SOC库中不同组分响应土地利用方式的敏感度不同（张仕吉等，2012；张金波等，2003）。其中，活性碳组分对环境因子变化响应最为敏感，与土壤温室气体排放密切相关（万忠梅等，2011），能维持土壤结构稳定性以及提供植物生长所需养分（王清奎等，2005）。在结构和功能上，轻组有机碳（light fraction organic carbon，LFOC）代表活性碳库，是腐烂动植物残体的一部分，在生态系统中周转快；重组有机碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）代表惰性碳库，是后续分解形成的碳产物，表现为周转较慢且与土壤矿物质结合紧密，有较大的密度（Christensen，1992）。LFOC被认为是响应土地利用变化的敏感指标，在养分循环转化、土壤肥力维持中发挥重要作用（Luo et al.，2015；赵鑫等，2006）。林地利用变化影响土壤SOC输入与输出及根系分布，六盘山林区典型天然次生林变成农田或草地后有机碳分别减少35%、14%（吴建国等，2004）。宁夏固原地区天然次生林被砍伐后形成农田、牧草地，土壤LFOC含量分别减少46%、14%，有机碳稳定性降低（吴建国等，2002）。福建三明莘口林场天然阔叶林转化为人工林后，表层土壤LFOC淋失（Yang et al.，2009a）156。在脆弱的自然环境和不尽合理的人为管理下，中亚带山区原生林转化为人工林、次生林后，SOC储量分别下降了25.6%、28.7%，原生林转化为木本人工林、次生林后土壤LFOC储量分别减少了52.2%、57.2%，尤其是储存在0～20 cm的土层SOC和LFOC淋失最为严重（Yang et al.，2009b）。此外，Herold et al.（2014）435-436研究也表明LFOC储量受林地利用与管理措施的影响，HFOC储量则通常受区域土壤质地与矿质特性的影响。因此，评价林地利用转变后土壤有机碳和养分状况，无论对造林或再造林树种的选择还是林地肥力水平的调控管理都至关重要。

广州市位于我国亚热带地区，森林资源丰富，在经历数十年城市化后林地利用类型发生了巨大变化（杨国清等，2006；邹斌等，2011），然而对于该地区林型转变导致土壤有机碳和养分的改变仍然缺乏定量研究，给森林生态系统碳储量估算和土壤肥力评价带来不确定性。为此，本研究选取广州市从化吕田镇陈禾洞自然保护区内相对原生常绿阔叶林及其周边毗邻的退化次生林和人工杉木林为对象，测定土壤有机碳和交换性阳离子含量，旨在阐明原生阔叶林向次生林、人工林转变后有机碳和养分的变化规律和程度，以期为次生林和人工林林分更新改造和林地肥力管理提供理论和实践依据。

1　材料与方法

1.1研究地概况

广州市从化区地处广东省中部，北回归线穿过市境南端的太平镇。地理坐标东经113°17'～114°04'，北纬23°22'～23°56'，该区总面积1985.26 km2，属南亚热带季风气候，处丘陵半山区，东北部以山地丘陵为主，干湿季明显，4─9月为雨季，10─3月为旱季（梁志娇，2005），年均雨量1800～2200 mm。年均气温19.5～21.4 ℃，日极端最高气温和最低气温分别为38.1 ℃和-7 ℃（易绮斐等，2011）。丘陵地以由成土母质砂页岩、花岗岩和变页岩发育形成的山地赤红壤为主，土层深度50～100 cm；中低山地以由花岗岩和砂页岩发育形成的山地黄壤为主，土层多在100 cm左右（王瑞江等，2010）。据历史资料，陈禾洞保护区内原生林在近50年内未受砍伐等人类活动的干扰，在1980s初，原生林大径材被砍伐后自然演替形成次生林，次生林皆伐后种植杉木形成杉木人工林。3种森林均为该地区代表性森林类型，次生林和杉木林位于相同或相近的地理单元，空间上邻近，成土母岩和土壤相同，西南坡向，坡度20°～30°，3种森林样地林分特征见表1。

表1　3种森林样地林分特征Table 1 Main site characteristics of three forest types

1.2采样与测定方法

2014年4月，选取4组原生林-次生林-杉木林的调查样地，样地面积分别为1200、900和600 m2。沿样地对角线随机选取6个点，去除地表枯枝落叶后用内径5.6 cm的土钻分别采集0～10、11～20、21～30 cm土层的土壤样品。每个样地同一土层的样品在野外进行汇总装入样品袋后带回实验室进行均匀混合。同时，挖掘土壤剖面，用环刀采集各土层的土壤测定土壤容重。每个森林类型3个重复样地。混合均匀的土壤经风干去除根系和碎石后，研磨过2 mm筛和0.15 mm筛。

环刀法测定土壤容重，水土比2.5∶1电位法测定土壤pH值，重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定土壤有机碳，乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定交换性阳离子K+、Ca2+（刘光菘等，1996）。土壤有机碳组分采用1.7 g·cm-3碘化钠提取分离（Song et al.，2012），获得轻组有机碳和重组有机碳，重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定其碳含量。

1.3数据分析

数据采用SAS 9.2进行方差分析（one-way ANOVA），用Duncan法比较显著性差异，显著性水平设定为α=0.05、α=0.01，并用Pearson相关系数评价土壤各因子间的相关关系。

2　结果与分析

2.1林型转化后土壤pH值、交换性钾、钙含量的变化

在0～30 cm土层，原生林转化为次生林后，土壤pH值升高了4.4%，尤其在0～20 cm极显著升高了5.1%（P＜0.01，下同）。交换性K+、Ca2+含量分别增加了22.5%、8.2%，特别是在0～10 cm土层显著增加了19.8%、21.2%（P＜0.05，下同）。其储量分别增加了60.2%、55.1%，且在0～20 cm极显著增加了61.7%和63.8%；次生林转化为杉木林后，交换性K+含量增加了6.3%，尤其在0～10 cm极显著增加了9.1%，交换性Ca2+含量增加了2.9%，尤其在0～10 cm极为显著增加了10.1%，但土壤pH值、交换性K+、Ca2+储量变化不显著（P＞0.05，下同）。3种森林土壤pH值只在原生林中表现为0～10 cm层显著低于20～30 cm土层，在其他林型中无显著差异；交换性K+、Ca2+含量均表现为0～10 cm层显著高于20～30 cm土层，其储量只在杉木林中表现为0～10 cm土层显著高于20～30 cm土层，其他林型土壤剖面内无显著差异（表2、表3）。

2.2林型转化后土壤有机碳组分含量与储量的变化

表2　原生林、次生林、杉木林土壤化学性质（平均值±标准误差）Table 2 Soil chemical properties of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）.（mean ± SE）

表3　原生林、次生林、杉木林土壤营养元素储量（平均值±标准误差）Table 3 Soil nutrient storage of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）.（mean ± SE） t·km-2

在0～30 cm土层，原生林转化为次生林后，土壤总有机碳（TOC）、轻组有机碳（LFOC）含量分别极显著减少了26.7%、40.8%。重组有机碳（HFOC）含量减少了11.3%，特别是在20～30 cm土层极显著减少了34.5%。TOC、LFOC储量分别减少了6%、22.2%，并且在20～30 cm分别显著减少了16.8%、12.8%，但HFOC储量变化不显著；次生林转化为杉木林后，TOC含量减少了3.1%，且在20～30 cm极显著减少了21.1%。但是LFOC 和HFOC含量、TOC和LFOC储量都没有发生显著变化。值得注意的是，HFOC储量减少了13.8%，但其在10～20 cm显著增加了19.6%；3种森林土壤TOC、LFOC、HFOC含量、储量均表现为0～10 cm层显著高于20～30 cm土层（表2、表3）。

2.3土壤化学性质间的相关性

3种森林土壤TOC、LFOC和HFOC含量均与pH值呈负相关关系，在原生林和杉木林林中TOC、LFOC含量与pH值的负相关性达到显著水平，而在次生林中相关关系不显著。TOC及其二个组分含量均与交换性K+、Ca2+含量呈正相关关系，尤其在次生林和杉木人工林中达到显著水平（表4）。土壤pH值与交换性K+含量仅仅在原生阔叶林中表现出显著负相关，而在次生林和杉木林中相关关系不显著。

3　讨论

3.1林型转化对土壤pH值、交换性钾、钙含量的影响

林地利用的转变会导致植被群落树种组成、生物量和凋落物归还量发生改变，从而引起土壤pH值的变化（梁国华等，2015；刘菊秀等，200141），同时也影响到土壤微生物组成和有机酸的分泌，导致森林土壤表层酸化程度的差异（夏汉平等，1997）。本研究中原生阔叶林转化为次生林后，群落生物量减少36.5 t·hm-2（表1），输入的有机质和土壤微生物活动可能减弱，pH值显著升高。而次生林与杉木林在空间上邻近，土壤pH值没有显著差异，可能与林型转变前其相似立地条件有关。

3种森林土壤交换性K+、Ca2+含量最明显的变化趋势是杉木林＞次生林＞原生林，且随土层深度增加而递减，与鼎湖山自然保护区马尾松林向混交林、季风林转变过程中交换性Ca2+含量逐渐减少的趋势一致（欧阳学军等，2003）52。有研究表明，产生这种现象的原因主要有：（1）酸沉降、根际分泌和微生物分泌有机酸，导致土壤酸化，土壤中K+、Ca2+交换位点被H+代替，淋溶流失（Lu et al.，20149；刘菊秀等，200139）；（2）凋落物对于土壤元素的归还作用（屠梦照等，1993）主要体现在凋落物的数量与质量、元素归还速率（吴志东等，1990）259等的不同；（3）植物对交换性阳离子吸收少，故其在土壤中积累多（Berthrong et al.，2009）2228。在本研究中，原生阔叶林转化为次生林后，由于输入的有机酸显著减少，土壤中K+、Ca2+释放较少，淋失程度减小；而次生林转化为杉木林后，凋落物中所含有的钾、钙等进入土壤中（吴志东等，1990）259，杉木对交换性阳离子吸收少而在土壤中积累的多。此外，杉木林和次生林的土壤交换性K+、Ca2+含量都高于原生林，可能与它们受到不同程度的人为干扰有关，不排除杉木林人工施加磷肥（磷酸钙、磷酸钾）的可能性。

3.2林型转化对土壤有机碳组分含量及储量的影响

表4　原生林、次生林、杉木林土壤各因子含量间的Pearson相关关系Table 4 Pearson correlation coefficients between the concentration of soil chemical variables of the primary forest （PF），secondary forest （SF） and Chinese fir plantation （CFP）

本研究中原生阔叶林向次生林、杉木林转化后土壤TOC含量及其储量显著下降，与鼎湖山地带性常绿阔叶林向混交林、马尾松林转变的土壤TOC含量和储量减少的趋势基本一致，且都随土层深度增加而逐渐递减（欧阳学军等，2003）52。在0～20 cm土层中，原生阔叶林土壤TOC含量为47.37 g·kg-1，是鼎湖山地带常绿阔叶林对应土层TOC含量（周国逸等，2009；江远清等，2007108）的2倍左右，体现出其极其强烈的土壤有机质富集累积作用。形成这种差异的原因可能与两地地质年龄和植被发育时期有关（Xu et al.，2012），也可能与本研究样地周边大水库常年蓄水形成的局部气候条件有利于植被生长和土壤生物，尤其蚯蚓活动加速凋落物周转导致腐殖质积累密切相关（张与真等，1981；黄初龙等，2005）。林地利用转变尤其是次生林皆伐种植单一树种的人工林后，土地扰动如复垦会加速土壤碳排放（Gamboa et al.，2011；Li et al.，2014）；群落生物量和凋落物归还减少直接导致土壤TOC的显著减少（Cienciala et al.，2008）；或凋落物、根系分解周转慢（周莉等，2005）。此外，原生阔叶林向次生林、杉木人工林转变后，土壤有机碳含量和储量下降显著，尤其在杉木林中LFOC流失严重，表明轻组有机碳对林地复垦敏感，干扰后容易从土壤中排放或淋失，另外由于输入有机质残体的量显著下降，直接减少了LFOC的来源，重组组分有机碳储量则主要受区域土壤质地与矿质特性的影响（Herold et al.，2014）435-436。

3.3林型转化对土壤各化学性状间相关性的影响

本研究结果显示，土壤有机碳组分与交换性K+、Ca2+含量存在明显的正相关关系，这与Yan et al.（2007）400-401研究结果一致，且在次生林和杉木林中这种关系较原生林明显。原生林转化为次生林后，土壤有机质尤其是腐殖质的土壤交换性能减弱，导致其与土壤颗粒形成稳定结构的能力减弱（Yan et al.，2007）403，故林型转化后土壤有机碳组分与交换性K+、Ca2+含量的正相关性弱化。而次生林皆伐后种植杉木人工林后，林地管理如施磷酸钾、磷酸钙肥，会强化有机碳组分与交换性K+、Ca2+含量的正相关关系。有机碳组分通过与pH的相互作用，也可以影响阳离子的交换性能。有机碳作为阳离子交换剂和土壤表面电荷来源，所含的羧基基团通过解离释放H+，降低土壤pH，并为交换性阳离子提供离子交换位点，进一步提高阳离子交换性（Lu et al.，2014）。

除次生林外，TOC、LFOC含量与pH值的负相关性在原生林和杉木林中具有显著性。在原生阔叶林向次生林和人工林转变后，林分密度减小后稍有增大（表1），这可能是因为植被凋落物和死根输入量减少，土壤经腐烂分解产生的有机酸减少（罗歆等，2011），因此土壤pH值可能上升；土壤微生物活动增强，有机碳淋失（方晰等，2004），有机碳及其组分与土壤 pH值的相关关系较弱。总之，所有影响有机碳组分淋失的因素，都将通过改变pH值进而改变土壤表面电荷，最终影响土壤离子交换性和移动性（Sollins et al.，1988）。

森林类型不同，土壤交换性K+、Ca2+含量与酸度的相关程度不同。仅原生阔叶林土壤pH值与交换性K+含量显著负相关，与江远清等（2007）111-112的结果相一致，这表明原生林土壤酸度受到交换性K+含量的影响。但是，在次生林和杉木林中，这种负相关关系不显著，表明原生林向次生林、人工林转变大大减弱了土壤pH值与交换性K+、Ca2+含量之间的相关性。

3.4结论

（1）总体上，原生阔叶林向次生林、杉木人工林转变后土壤pH值升高，交换性K+、Ca2+含量增加，但有机碳组分含量和储量减少。这表明原生林受人为砍伐干扰后退化成次生林或次生林皆伐种植人工林后虽然导致土壤有机碳流失，但土壤矿质养分有效性增加，为植被快速恢复提供了有利条件。因此，从森林碳汇的角度出发，保护好表土层，选择速生、高效固碳的树种对退化次生林进行更新改造，是提高森林生物碳储量和土壤净碳积累的一个重要途径。

（2）3种森林土壤pH值随土层深度而增加，交换性K+、Ca2+含量则随土层深度而下降，土壤TOC、LFOC、HFOC含量均表现为表土（0～10 cm）显著高于下层土（20～30 cm）。

（3）3种森林土壤pH值与总有机碳及其组分以及交换性K+、Ca2+含量呈负相关关系，尤其在原生林中达到显著水平。TOC、LFOC含量与pH值的负相关性仅在原生林和杉木林中显著，林型转化后，交换性K+含量与pH值的相关性的显著水平被削弱，表明林型转变对土壤pH值、有机碳和养分产生了不同程度的影响。在相同或近似的地理地质背景和气候区内，森林土壤pH值的变化在一定程度上反映了人类活动，如林地利用转化、施肥等等森林经营干扰的程度。

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Effect of Forest Conversion on Soil pH，Organic Carbon Fractions and Exchangeable Mineral Nutrients

ZENG Tingting1，2，ZHANG Lingling1，LI Yide3，WEN Dazhi1*
1.South China Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Chinese Academy of Forestry，Guangzhou 510520，China

Abstract：Human-induced land-use changes from primary climax forests to degraded secondary or plantation forests usually caused the leaching losses of surface soil organic carbon especially the light organic carbon fractions and associated nutrients.In this study，soil samples （0～10，10～20 and 20～30 cm depth） were collected from a Primary forest （PF），an adjacent Secondary forest （SF） and a Chinese fir plantation （CFP）.We determined soil pH value，concentrations of soil total organic carbon （TOC），light fraction organic carbon （LFOC） and heavy fraction organic carbon （HFOC），exchangeable K+and Ca2+，with the aim of understanding the impacts of this land-use change on these variables.After the conversion from PF to SF，in 0～30 cm depth，the soil pH value increased slightly by 4.4% while the concentrations of exchangeable K+，Ca2+increased by 22.5% and 8.2%，and their storage increased correspondingly by 60.2% and 55.1%，respectively.By contrast，the concentrations of TOC，LFOC and HFOC significantly decreased by 26.7%，40.8% and 11.3%，respectively.The storage of LFOC decreased by 22.2% while no significant changes were found for TOC and HFOC.After the conversion from SF to CFP，the concentrations of exchangeable K+，Ca2+increased slightly by 6.3% and 2.9%，respectively.All other variables did not show any significant changes except for the HFOC’s storage which decreased by 13.8%.Among the three types of forests，the PF showed significant negative correlations between soil pH value and the concentrations of TOC，LFOC and HFOC，as well as exchangeable K+，Ca2+.However，the significance of these correlations were generally weakened in SF and CFP，suggesting that forest conversion had posed disproportionate impact on soil pH，organic carbon and nutrients.In summary，this forest land conversion generally led to a dramatic reduction in soil organic carbon，while the acidity of the soil and the availability of soil mineral nutrients were improved，which was presumably favorite for the quick recovery of vegetation.From the perspective of carbon sequestration，we highlighted that priority protection of surface soils for the renewal of the degraded forests by planting target species with fast growth and high efficiency in carbon gain was crucial to increase the forest biomass carbon storage and soil carbon sequestration，and consequently reverse the loss of soil carbon resulted from forest land use change.

Key words：primary broad-leaved forest； Secondary forest； chinese fir plantation； forest conversion； soil carbon fraction；exchangeable K+； exchangeable Ca2+

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.005

中图分类号：Q948； X17

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）04-0576-07

基金项目：广州市林业和园林局“广州市森林碳汇计量与监测研究项目”（QDZFCG-2013019）

作者简介：曾婷婷（1991年生），女，硕士研究生，从事环境生态学研究。E-mail:tingtingzeng@scbg.ac.cn

*通信作者：温达志，研究员，从事森林生态学、植物生理生态学和全球变化生态学研究。E-mail:dzwen@scbg.ac.cn

收稿日期：2016-03-21