《林业科学》前沿热点|近自然化改造对马尾松和杉木人工林有机碳化学稳定性的影响

探究近自然化改造对南亚热带针叶人工林土壤有机碳化学组分及其分布均匀性的影响，为揭示针叶人工林近自然经营土壤有机碳化学稳定性机制提供参考依据。

以经过疏伐后在林下补植乡土阔叶树（大叶栎和格木）的马尾松和杉木近自然化改造林及未改造纯林（包括马尾松改造林、杉木改造林、马尾松对照林和杉木对照林）为对象，采用¹³C核磁共振技术系统分析土壤、凋落物和细根的有机碳化学组分（烷基碳、氧烷基碳、芳香碳、羰基碳），并利用Pieou均匀度指数评估土壤、凋落物和细根总有机碳中各类有机碳组分分布的均匀程度。

（1）近自然化改造可显著改变马尾松林凋落物、细根和土壤有机碳化学组分：凋落物中，烷基碳比例提高，而氧烷基碳和芳香碳比例降低；细根中，烷基碳比例提高，芳香碳比例降低；土壤中，烷基碳比例提高，烷基碳比例降低（P<0.05）；然而,近自然化改造对杉木人工林凋落物、细根和土壤中的各有机碳化学组分均无显著影响。

（2）马尾松改造林土壤、凋落物和细根的烷基碳比例/氧烷基碳比例比值以及凋落物、土壤Pielou 均匀度指数均显著提高。

（3）近自然化改造可显著增加土壤微生物生物量碳，但并未显著影响土壤细菌 Chao1多样性指数和 Shannon-Wiener 多样性指数。

（4）RDA分析表明，细根烷基碳比例和氧烷基碳比例是影响土壤有机碳化学组分最关键的2个因子，说明与凋落物相比，细根有机碳化学组分是导致纯林和改造林土壤有机碳化学组分差异的关键因素。

全球气候变化背景下，我国南亚热带马尾松和杉木人工林因连续大面积皆伐轮作，面临着地力退化、生产力下降和病虫害频发等严峻挑战，而结构单一的纯林生态系统稳定性与气候适应韧性不足。近自然化改造作为关键的森林经营策略，通过疏伐结合补植乡土阔叶树构建针阔异龄混交林，可优化林分结构、维持土壤肥力，提升森林固碳增汇能力及有机碳稳定性。土壤有机碳的化学稳定性是森林碳汇功能的核心保障，与树种多样性及有机碳组分特征密切相关，但以往研究对单一树种人工纯林改造为异龄混交林后，土壤有机碳化学稳定性的变化及内在机制仍需深入探讨。因此，本研究以马尾松、杉木近自然化改造林及其未改造纯林为对象，采用¹³C核磁共振技术等方法，分析土壤、凋落物和细根的有机碳化学组分及分布均匀性，明确影响土壤有机碳化学组成的关键因素，以期为针叶人工林近自然经营中土壤碳库稳定性提升提供科学依据。

实验林航拍图

以广西友谊关森林生态系统定位观测研究站1993 年营造的马尾松、杉木纯林为基础，2007 年实施近自然化改造（疏伐后补植大叶栎、格木），设置改造林与纯林（对照）共 4 种林分，改造林采用疏伐（保留600株・hm⁻²）+补植乡土阔叶树（大叶栎、格木各300株・hm⁻²），对照林仅常规间伐保留1200株・hm⁻²。在每个林分中采集土壤、细根和凋落物，测定土壤理化性质、微生物生物量碳氮、微生物多样性；采用 ¹³C 核磁共振技术测定土壤、凋落物和细根有机碳化学组分；用 Pielou 均匀度指数评估分布均匀性。

与杉木对照林相比，杉木改造林土壤的NH₄⁺-N和MBC含量分别显著增加103.46%和33.32% （P<0.05），而SOC含量、TN含量、TP含量、AP含量、MBN含量、细菌Chao1多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数及FRB无显著改变（P<0.05）。与马尾松对照林相比，马尾松改造林的AP含量显著降低21.10%（P<0.05），NO₃^--N含量、NH₄⁺-N含量、MBC、MBN含量和FRB分别显著增加121.54%、118.91%、28.90%、36.42%和37.82%（P<0.05），并未改变SOC含量、TN含量、TP含量、土壤细菌Chao1多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数。

4个树种的凋落物和细根样品的有机碳化学组分均存在显著差异（P<0.05）。凋落物中，烷基碳比例表现为大叶栎>格木>马尾松>杉木；氧烷基碳比例表现为马尾松>杉木>格木>大叶栎；芳香碳比例表现为杉木>马尾松>大叶栎>格木；羰基碳比例表现为格木>大叶栎>杉木>马尾松。其中，大叶栎和格木的烷基碳、羰基碳比例显著高于马尾松和杉木，芳香碳、氧烷基碳比例显著低于马尾松和杉木（P<0.05）。

细根中，烷基碳比例表现为格木>大叶栎>杉木>马尾松；氧烷基碳比例表现为大叶栎>马尾松>杉木>格木；芳香碳比例表现为马尾松>杉木>格木>大叶栎；羰基碳比例表现为杉木>大叶栎>马尾松>格木。其中，格木烷基碳比例显著高于其他树种，马尾松芳香碳比例显著高于格木和大叶栎，格木氧烷基碳比例显著低于大叶栎和马尾松（P<0.05）；羰基碳比例在4个树种中无显著差异（P>0.05）。

图1　不同树种凋落物和细根有机碳化学组分

图2　4种人工林中调落物、细根、土壤有机碳化学组分

图3　4种人工林中烷基碳比例/氧烷基碳比例、芳香碳比例/氧烷基碳比例以及各有机碳组分的分布均匀性差异

2.3 影响土壤有机碳化学组分的因素

凋落物和细根的有机碳化学组分对SOC化学组分有显著影响。土壤烷基碳比例与凋落物烷基碳比例、凋落物烷基碳比例/氧烷基碳比例、细根烷基碳比例、细根烷基碳比例/氧烷基碳比例以及细根Pielou均匀度指数呈显著正相关（P<0.05），与凋落物氧烷基碳比例和细根氧烷基碳比例呈显著负相关（P<0.05）。土壤氧烷基碳比例与凋落物氧烷基碳比例、细根芳香碳比例和细根芳香碳比例/氧烷基碳比例呈显著正相关（P<0.05），与凋落物羰基碳比例、凋落物Pielou均匀度指数、细根烷基碳比例和细根烷基碳比例/氧烷基碳比例呈显著负相关（P<0.05）。土壤羰基碳比例与细根芳香碳比例和细根芳香碳比例/氧烷基碳比例呈显著负相关（P<0.05）。

图4　土壤有机碳化学组分比例与植物微生物指标之间的相关性

线性回归结果表明，4种森林中凋落物和细根的烷基碳比例/氧烷基碳比例比值均与土壤烷基碳比例/氧烷基碳比例比值正相关。随机森林分析表明，烷基碳比例主要受NO₃^--N含量、AP含量和TN含量的影响；氧烷基碳比例主要由土壤TP含量决定；而羰基碳比例则显著取决于土壤AP含量。

RDA分析结果表明，第一轴共解释了61.7%的变异，第二轴解释了21.4%的变异；置换检验表明，土壤有机碳组分与细根烷基碳比例（F=9.2，P=0.002）、细根氧烷基碳比例（F=2.9，P=0.036）显著相关。其中，细根烷基碳比例与土壤羰基碳比例显著正相关，细根氧烷基碳比例与土壤芳香碳比例显著正相关。

图5　4种人工林土壤有机碳化学组分与细根有机碳化学组分 之间的冗余分析（RDA）

马尾松近自然化改造后，SOC化学组分的分布比未改造的纯林更均匀，SOC中的稳定性有机碳组分（烷基碳比例）以及表征碳稳定性的关键指标（烷基碳比例/氧烷基碳比例）显著提高。这表明马尾松林的近自然化改造有助于增强SOC的化学稳定性会降低其分解的潜在风险。然而，杉木纯林近自然化改造后SOC化学组分、分布均匀性均无显著影响表明近自然化改造并未提升杉木林SOC的化学稳定性。此外，与凋落物和微生物相比，细根有机碳的化学组分是导致改造林和未改造林之间SOC化学组分差异的关键因素。综上所述，近自然化改造对土壤碳化学稳定性的提升效应因树种而异。在马尾松人工林的经营中，近自然化改造是一种提升土壤固碳能力和稳定性的有效策略：而对于杉木人工林，则需探索其他更有效的管理措施。因此,在未来的森林管理实践中，应充分考虑树种特异性，依据不同树种的生态特性和功能差异进行科学配置，以精准提升森林土壤的碳汇潜力及碳稳定性。

团队主要成员合影

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