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森林是陆地生态系统最大的有机碳储存库,在全球碳循环方面起到重要作用。采伐是人类经营森林的主要手段,合理采伐有利于森林有机碳吸存。但是,森林采伐导致大量地面生物量被移除,改变了水、热等林地微气候及枯落物的分解条件,进而影响了土壤有机碳的动态平衡。土壤有机碳由周转率不同的组分组成,其中活性有机碳组分对人为活动的反应更加迅速,可作为表征土壤有机碳变化的敏感性指标。本研究以长白山露水河林业局为研究地点,通过有机碳分组的方法,分析了森林采伐后不同林型及土地利用下土壤有机碳、碳组分的变化特征及影响因素,探讨了采伐干扰对碳库动态变化及碳平衡的影响。主要结论如下:
(1)原始林经轻度择伐(15%采伐强度)、中度择伐(30%采伐强度)、皆伐后自然恢复(白桦林)及人工造落叶松后,土壤有机碳及活性有机碳含量显著降低。采伐显著降低了0-20 cm土壤有机碳和微生物量碳含量;原始林采伐后,土壤颗粒有机碳含量及其分配比例都下降。原始林0-30 cm层土壤易氧化碳含量显著高于其他林型,说明采伐对易氧化碳的影响可以到达土壤深层。不同采伐处理间,0-50 cm层颗粒有机碳分配比例为:落叶松林要显著高于白桦林;整个土壤剖面(0-50 cm)易氧化碳含量和分配比例为:轻度择伐林高于中度择伐林,皆伐后的落叶松林要高于皆伐后的白桦林。
(2)森林采伐后土地利用方式改变,土壤有机碳和活性有机碳含量随之改变。原始林转变为云杉人工林、农田、参地和苗圃地后,显著降低了土壤有机碳含量,且对土壤有机碳的影响可达30 cm层。土地利用变化显著降低微生物量碳含量和微生物熵,原始林微生物量碳在0-30 cm层显著高于其他土地利用类型;0-50 cm层平均土壤微生物熵为:原始林>云杉人工林>参地>农田>苗圃地,且不同土地利用间土壤深层(50 cm)微生物熵仍有显著差异。原始林土地利用变化显著降低0-50 cm层土壤颗粒有机碳含量和0-30cm层土壤易氧化碳含量。
(3)活性有机碳季节动态研究表明,虽然森林采伐显著降低了土壤活性有机碳含量,但并未影响其季节变化。森林采伐后不同林型微生物量碳和水溶性有机碳表现出相同的季节变化;原始林生长季平均微生物量碳显著高于其他林型,平均水溶性有机碳显著高于白桦林。相关分析表明,有机碳含量、土壤含水量、地表温度和气温是影响水溶性有机碳含量的关键因子,而微生物量碳大小则主要受有机碳含量和土壤含水量的制约。
(4)采伐对土壤有机碳矿化的影响较大。原始林土壤有机碳矿化释放的CO2-C含量比中度择伐林低12.7%,而比白桦林、落叶松林和轻度择伐林分别高13.2%、17.9%和29.2%。轻度择伐林、中度择伐林、白桦林和落叶松林土壤碳矿化释放的CO2-C比例比原始林分别高21.7%、47.5%、21.0%和28.8%,说明森林采伐不利于土壤有机碳的保存。原始林和中度择伐林具有相对较高的潜在矿化量含量,但潜在矿化量占有机碳的比例表现为:落叶松林>轻度择伐林>原始林>中度择伐林>白桦林,说明原始林轻度择伐及皆伐后人工种植落叶松可以增加活性有机碳的比例,而中度择伐和皆伐后自然更新活性有机碳比例减少。
(5)原始林土地利用变化后土壤固碳能力减弱。不同土地利用下,土壤有机碳矿化速率大小依次为:原始林>云杉人工林>苗圃地>参地>农田,且原始林显著高于参地、农田和苗圃地。原始林土壤碳矿化释放的CO2-C含量分别比云杉人工林、农田、参地和苗圃地高24%、156%、81%和49%,但其土壤碳矿化释放的CO2-C比例比云杉人工林、农田、参地和苗圃地分别低21.5%、11.8%、9.1%和29.5%。