浙江宁波常绿阔叶林演替对土壤碳库结构的影响

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工业革命以来,人类的活动对全球生态系统碳循环过程产生了深远影响。作为生物地球化学碳循环中周转最慢的碳库,土壤碳库结构及其动态变化对全球碳平衡具有直接影响。研究者虽重视演替过程中土壤的碳库动态,但是仍然缺少对土壤碳库结构演替动态的探索。本研究选择浙江宁波地区的3个次生演替序列,每个演替序列包括前期、中期及后期共三个群落。为了阐明森林土壤碳库构成演替动态的生态学机制,于2013至2014年间,分别测定土壤总有机碳及土壤活性炭库组分(可矿化碳、微生物量碳、可溶性有机碳和易氧化碳)。同时,在各样地设立凋落物收集框,每月月底采集凋落物并测定其凋落量及碳含量;于每季度采集地表枯落物及地下细根,并测其生物量及碳含量。最后,结合凋落物、细根、腐殖质以及土壤有机碳各组分的化学结构特征,分析土壤有机碳库的影响机制。结果表明:(1)在常绿阔叶林次生演替过程中,土壤有机碳含量显著上升(P<0.05),即:前期(Ⅰ)<中期(Ⅱ[)<后期(Ⅲ)(P<0.05);但土壤容重则显著降低(P<0.05)。另外,演替前期的土壤有机碳储量显著低于中期和后期(P<0.05),但后两者之间并不存在显著差异(P>0.05)。(2)随着常绿阔叶林次生演替的进行,土壤的可矿化碳、微生物量碳、可溶性碳及易氧化碳含量由低到高皆表现为:前期、中期、后期,呈显著上升趋势(P<0.05)。其中,前期的土壤可矿化碳和微生物量碳含量显著低于中期和后期(P<0.05),但后两者之间差异并不显著(P>0.05)。对各组分碳库储量分析后发现,土壤活性碳库组分对演替的响应不同。前期群落的土壤可矿化碳、可溶性碳和易氧化碳储量均显著低于中期和后期(P<0.05)。其中,中期和后期的土壤可矿化碳储量之间差异并不显著(P>0.05);后期群落的土壤可溶性碳储量显著低于中期(P<0.05);易氧化碳储量则正好相反,演替后期显著高于中期(P<0.05)。随演替进行,可矿化碳/土壤有机碳与微生物量碳/土壤有机碳在相邻演替阶段之间并没有显著差异(P>0.05)。同时,演替前期阶段的可溶性碳/土壤有机碳显著高于后期群落(P<0.05),但相邻演替阶段群落的土壤可溶性碳/土壤有机碳之间差异并不显著(P>0.05)。此外,常绿阔叶林次生演替导致了土壤易氧化碳/可溶性碳/土壤有机碳比值的显著升高(P<0.05)。(3)随演替进行,常绿阔叶林凋落物年凋落量显著增加(P<0.05),由演替前期的7.48 t.hm-2增加到后期的12.71 t.hm-2。而对于凋落物的碳含量,则表现为后期群落显著高于前期和中期(P<0.05),但后两者之间差异并不显著(P>0.05)。与凋落物年凋落量的变化趋势一致,演替导致了凋落物碳储量显著升高(P<0.05),其中演替后期群落的凋落物碳储量达到最高值(5.686 t-hm-2)。常绿阔叶林地表枯枝落叶层生物量在演替过程中显著降低(P<0.05),由演替前期的20.75 t·hm-2减少到后期的13.18 t.hm-2。中期的枯落物层碳含量显著高于初期群落(P<0.05),但相邻演替阶段之间并不存在显著差异(P>0.05)。与此相同,凋落物碳储量在相邻演替阶段之间也不存在显著差异(P>0.05),但前期群落的枯落物层碳储量显著高于后期(P<0.05)。在常绿阔叶林次生演替过程中,细根生物量由演替前期的0.79 t.hm-2显著增加到后期的2.83 t·hm-2(P<0.05),但细根的碳含量却随演替显著降低(P<0.05)。此外,前期群落的细根碳储量显著低于中期和后期(P<0.05),但中期和后期群落之间差异并不显著(P>0.05)。(4)土壤有机碳的烷基碳/烷氧碳和疏水碳/亲水碳随演替进行而趋于升高,同时,其芳香度趋于降低。不同演替阶段中,凋落物和细根的烷基碳及羧基碳所占比例显著低于腐殖质及土壤(P<0.05),而烷氧碳和芳香碳则正好相反。烷基碳/烷氧碳及疏水碳/亲水碳两个比值,在凋落物及细根中显著低于腐殖质和土壤(P<0.05)。(5)根据Pearson相关分析,土壤有机碳储量与各活性碳库均显著正相关(P<0.05)。凋落物年凋落量及其碳储量、细根生物量及其碳储量均与土壤有机碳储量呈显著正相关(P<0.05),而作为地上凋落物归还土壤中转站的地表枯落物正好相反,其总生物量及碳储量均与土壤有机碳储量呈显著负相关(P<0.05)。另外,凋落物、细根、腐殖质及土壤的有机碳芳香度均与SOC储量呈相关性不显著(P>0.05)。(6)通过对土壤有机碳库的影响机制的路径分析表明,常绿阔叶林次生演替对土壤碳库有直接影响效应,同时也通过影响植被归还和土壤活性碳库对土壤碳库产生间接作用。综合来看,常绿阔叶林演替过程中,外因变量可以共同解释土壤SOC变化的65%。综上所述,在常绿阔叶林中,演替增加了植被的碳输入以及土壤活性有机碳组分,进而促进了土壤有机碳库的积累。
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