上海典型植物群落土壤有機碳礦化特征

郝瑞軍，方海蘭，沈烈英，車玉萍

（1.上海市園林科學研究所，上海200232；2.中國科學院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008）

有機碳礦化是土壤碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應、溫室氣體的形成以及土壤質(zhì)量的保持等［1］，對其規(guī)律的研究已成為土壤、生態(tài)、環(huán)境等領域的熱點［2－3］。隨著全球氣候變暖，土壤有機碳礦化分解的速率可能會加快，進而導致土壤的碳匯功能減弱。目前，相關(guān)研究主要集中于自然森林土壤或農(nóng)田土壤，而對于高速城市化進程影響下土壤有機碳礦化規(guī)律的研究較少［4－5］；城市土壤雖然面積較小，但受人為活動影響強烈（如土壤壓實與污染），在維持園林植物生長，改善城市生態(tài)環(huán)境等方面有重要作用。研究表明，植物群落是影響土壤有機碳礦化的關(guān)鍵因素［6］，根系分泌物以及凋落物是土壤有機碳的主要來源［7］；不同植物群落可能會導致土壤“碳源”與“碳匯”功能的轉(zhuǎn)變。因此，研究城市典型植物群落土壤有機碳礦化的變化規(guī)律，必將對優(yōu)化植物景觀配置和城市生態(tài)環(huán)境建設具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括及樣品采集

選擇上海市共青國家森林公園作為研究地點。該公園位于上海市楊浦區(qū)，原為黃浦江灘地。1956年，上海市人民政府疏浚河道，取泥圍墾，辟為苗圃；1958年，在圃內(nèi)建立了青春實驗果園，取名為共青苗圃；1982年初，作為擴大公共綠地面積的重點實事工程，將苗圃改建為共青國家森林公園。該公園總占地131.00 hm2，其中開放公共綠地為125.00 hm2，是上海居民主要的休閑娛樂場所。

在共青國家森林公園內(nèi)選擇建成年限相近，管理方式、開放程度相對一致的池杉Taxodium ascendens，樟樹 Cinnamomum camphora，桂花 Osmanthus fragrans和竹林（孝順竹Bambusa multiplex）等4種群落進行土壤樣品采集，各群落內(nèi)均以所選植物為優(yōu)勢種（各群落特征見表1），同時選擇相鄰的草坪（黑麥草Lolium perenne）土壤作為對照。在不同群落內(nèi)劃定200 m2（14.5 m×14.5 m）的標準樣方，以梅花型布置5個點，清除土壤表層枯枝落葉層，分別按0～20，20～40，40～60 cm分層取樣，各土壤樣品分成2份，一份在新鮮狀態(tài)下過2 mm篩，放入4℃冰箱中，供土壤微生物量碳和有機碳礦化測定；另一份在室內(nèi)自然風干后磨細，供土壤基本理化性質(zhì)測定（表2）。

表1 不同群落主要植物特征Table 1 Characteristics of the tested plant communities in Shanghai

1.2 土壤有機碳礦化培養(yǎng)實驗

采用堿液吸收法測定培養(yǎng)過程中土壤有機碳礦化量［8］。具體方法為：稱取相當于風干土壤50 g的新鮮土樣于750 mL培養(yǎng)瓶中，平鋪在瓶底部，根據(jù)土壤含水量及最大持水量計算出最大持水量為60%時的需水量，將它們均勻加入鋪于瓶底的土壤中。然后將盛有5 mL 0.3 mol·L－1氫氧化鈉溶液的特制容量瓶小心地置于培養(yǎng)瓶內(nèi)，將培養(yǎng)瓶加蓋密封，在（28±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，重復3次·處理－1。在培養(yǎng)開始后的第1，2，4，7，11，18，25，32，39天取出容量瓶，將其中的溶液完全洗入三角瓶中，然后加入1.0 mol·L－1氯化鋇溶液2 mL及2滴酚酞指示劑，用標準酸（H2SO4）滴定至紅色消失，根據(jù)二氧化碳的釋放量計算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化量。

1.3 分析方法

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法［9］。稱取過2 mm篩的30 g新鮮土樣于培養(yǎng)皿中，置于已放置50 mL無乙醇氯仿的真空干燥器內(nèi)，反復抽氣至氯仿沸騰2 min，在（28±1）℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后打開干燥器，取出氯仿，覆蓋好干燥器蓋，用真空泵抽空，以驅(qū)除土壤中殘余氯仿。稱取熏蒸后的土樣20 g，加入0.5 mol·L-1硫酸鉀溶液50 mL，震蕩提取30 min，未熏蒸土樣進行同樣提取操作。提取液中的有機碳質(zhì)量分數(shù)用費恩法測定，根據(jù)熏蒸和未熏蒸處理土樣提取液中有機碳質(zhì)量分數(shù)之差，乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)2.64，求得土壤樣品中微生物量碳質(zhì)量分數(shù)。其他常規(guī)指標分析依照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》進行［8］。

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Chemical and physical properties of the tested soils

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003制圖，相關(guān)指標的差異顯著性檢驗及回歸分析采用SPSS 13.0軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同群落土壤有機碳、微生物量碳質(zhì)量分數(shù)

從表2可以看出，不同植物群落土壤有機碳、微生物量碳質(zhì)量分數(shù)顯著不同。0～20 cm土壤中有機碳質(zhì)量分數(shù)以桂花最高，草坪最低，后者僅為前者的62.29%，桂花和池杉群落土壤有機碳顯著高于其他群落（P＜0.05）；20～40 cm土壤中有機碳質(zhì)量分數(shù)高低順序為桂花＞樟樹＞池杉＞竹林＞草坪，其中桂花、樟樹、池杉群落顯著高于草坪；40～60 cm土壤中有機碳質(zhì)量分數(shù)高低順序為樟樹＞竹林＞桂花＞池杉＞草坪，樟樹顯著高于其他群落（P＜0.05）；而在整個剖面中有機碳質(zhì)量分數(shù)高低順序為樟樹＞桂花＞池杉＞竹林＞草坪?？傮w來看，不論在整個剖面還是各層次中，有機碳質(zhì)量分數(shù)均以草坪最低。

微生物量碳質(zhì)量分數(shù)表征土壤活性強度。結(jié)果表明（表2），0～20 cm土壤中微生物量碳高低順序為桂花＞竹林＞草坪＞池杉＞樟樹，桂花顯著高于其他群落（P＜0.05），樟樹僅為桂花群落土壤的34.23%；而草坪土壤微生物量碳也高于池杉和樟樹，這可能與其根系主要集中在表層，微生物活性較強有關(guān)；20～40 cm與40～60 cm土壤中微生物量碳均以草坪土壤最低，高低順序分別為桂花＞樟樹＞竹林＞池杉＞草坪、樟樹＞竹林＞桂花＞與池杉＞草坪?？傮w來看，整個土壤剖面中微生物量碳高低順序為桂花＞竹林＞樟樹＞池杉＞草坪，說明長期栽植喬灌木后有助于增加土壤微生物量碳，特別是下層土壤中的質(zhì)量分數(shù)，提高土壤活性。

結(jié)果還表明，同一群落土壤有機碳、微生物量碳質(zhì)量分數(shù)隨土層的加深呈逐漸降低的趨勢（表2），特別是表層（0～20 cm）顯著高于下層（P＜0.05），這種差異可能主要是因為表層土壤受枯枝落葉層的累積與分解及人為施肥，而下層土壤受此影響較小有關(guān)。

2.2 不同群落土壤有機碳礦化量及動態(tài)過程

土壤有機碳礦化量用單位質(zhì)量干土釋放的二氧化碳量 mL·kg－1·d－1來表征，其大小受微生物及活性底物的影響［10］。結(jié)果表明（圖1），不同群落土壤有機碳礦化量差異顯著，培養(yǎng)第1天后有機碳礦化量以桂花最高，達 47.07 mL·kg－1·d－1，并顯著高于其他群落（P＜0.05），而其余4種群落差異不顯著，變化范圍為31.19～35.34 mL·kg－1·d－1； 整個培養(yǎng)過程中有機碳礦化量仍以桂花最高（表3），大小為14.21 mL·kg－1·d－1，最小為竹林，大小為 9.55 mL·kg－1·d－1?？傮w來看，整個培養(yǎng)期間有機碳礦化量大小順序為桂花＞草坪＞樟樹＞池杉＞竹林。

圖1 培養(yǎng)期間不同群落土壤有機碳礦化量變化Figure 1 Changes in SOC mineralization under different plant communities during incubation

不同深度處土壤有機碳礦化量也差異明顯（表3），均表現(xiàn)為隨土層加深而遞減，其中降幅最大為池杉群落，相對于0～20 cm的表層，20～40 cm和40～60 cm處分別下降了51.64%和62.54%；而有機碳礦化量降幅最小為桂花（20～40 cm）和竹林（40～60 cm），相對于0～20 cm的表層分別下降了26.95%和36.71%。統(tǒng)計表明，有機碳礦化量均表現(xiàn)為表層（0～20 cm）顯著高于下層（P＜0.05），這種變化趨勢與土壤有機碳和微生物量碳質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢相似。

整個培養(yǎng)過程中，不同群落土壤有機碳礦化量有明顯差異，但有機碳礦化動態(tài)過程卻表現(xiàn)出相對一致的規(guī)律（圖1）。培養(yǎng)初期各群落土壤有機碳礦化量均較高，但隨著培養(yǎng)時間的延續(xù)，有機碳日均礦化量不斷降低，至培養(yǎng)第11天，降為開始時的23.14%（竹林）～31.07%（樟樹），而在培養(yǎng)后期均保持相對穩(wěn)定趨勢，相互之間的差異也保持相對穩(wěn)定（圖1）?；貧w分析也表明，在培養(yǎng)期間各群落土壤有機碳礦化的動態(tài)過程均符合對數(shù)關(guān)系（表4）。李忠佩等［1］的研究也表明，土壤有機碳礦化量隨時間的變化符合對數(shù)函數(shù)，相關(guān)性都達到了顯著或極顯著水平。

2.3 不同群落土壤有機碳累計礦化量和礦化率

有機碳累計礦化量是指在一定的培養(yǎng)條件下，一段時間內(nèi)土壤有機碳礦化釋放的二氧化碳數(shù)量，是有機碳礦化特征的指標［10］。從圖2可見，培養(yǎng)結(jié)束后，有機碳累計礦化量最高為桂花，達541.53 mL·kg－1，最小為竹林，為364.11 mL·kg－1，前者是后者的1.49倍。不同群落土壤有機碳累計礦化量變化順序為桂花＞草坪＞樟樹＞池杉＞竹林，其中，草坪、樟樹和池杉之間差異不顯著，桂花顯著高于其他群落（P＜0.05），而竹林則顯著低于其他群落。不同群落土壤有機碳累計礦化量在培養(yǎng)期間差異說明不同林分土壤礦化釋放二氧化碳能力不同?；貧w分析表明，供試土壤有機碳累計礦化量與培養(yǎng)時間的動態(tài)過程均符合線性關(guān)系（表4），說明不同植物群落影響土壤有機碳礦化總量，但礦化量的動態(tài)過程未因植物群落的不同而呈現(xiàn)差異。

不同群落土壤有機碳礦化的難易程度可用礦化率來表示［11］。從圖3可見，0～20 cm土壤中，土壤有機碳礦化率變化表現(xiàn)為草坪＞樟樹＞桂花＞池杉＞竹林，草坪土壤有機碳礦化率分別比樟樹、桂花、池杉和竹林高49.14%，49.61%，58.35%和72.97%。20～40 cm與40～60 cm土層有機碳礦化率高低分別為草坪＞桂花＞竹林＞池杉＞樟樹、草坪＞桂花＞池杉＞竹林＞樟樹。

圖2 培養(yǎng)期間不同植物群落土壤有機碳累計礦化量Figure 2 Cumulative mineralization of SOC under different plant communities during incubation

圖3 不同植物群落土壤有機碳礦化率Figure 3 Rate of SOC mineralization under different plant communities

同一群落不同土層有機碳礦化率也不同（圖3）。樟樹土壤有機碳礦化率隨土層的加深而不斷降低；池杉和草坪土壤有機碳礦化率隨土層加深表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢；而桂花和竹林有機碳礦化率隨土層的加深而不斷升高。

3 討論與結(jié)論

以往的大量研究都表明，植物群落差異是導致土壤理化性質(zhì)和生物學性質(zhì)不同的重要原因。不同群落因凋落物以及根系分泌物不同使輸入到土壤中的有機碳的質(zhì)量和數(shù)量也隨之改變，導致土壤有機碳存在差異，而土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)又反映了地表植物群落的空間分布和時間上的演替［12］。森林轉(zhuǎn)變成耕地和草地后5 a內(nèi)土壤有機碳分別損失了40%和25%［13］，而農(nóng)用地恢復植被后可以使土壤有機碳和養(yǎng)分含量提高到自然林地的水平［14］。本研究選擇建成近30 a的城市不同植物群落來比較不同群落對土壤性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，不同植物群落土壤有機碳總量以及剖面分布均有顯著差異，可能與不同群落根系生物量大小及分布深度有關(guān)［15］，但相對于草坪土壤，深根系植物群落土壤有機碳以及微生物量碳質(zhì)量分數(shù)均有明顯的提高，與以往研究結(jié)果一致。

土壤有機碳的礦化是土壤碳循環(huán)過程中關(guān)鍵步驟，有機碳礦化速率高低及其過程動態(tài)是反映土壤質(zhì)量變化的重要指標；土壤微生物是土壤有機碳礦化的主要驅(qū)動者［16］，通常情況下土壤微生物數(shù)量和活性越高則有機碳礦化速率也越高。本研究結(jié)果表明，不同植物群落下土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)順序為桂花＞竹林＞樟樹＞池杉＞草坪，而有機碳日均礦化量大小順序為桂花＞草坪＞樟樹＞池杉＞竹林，兩者并沒有表現(xiàn)出完全一致的規(guī)律，這可能與不同群落土壤微生物可直接利用的活性底物量及其在土壤有機碳中所占比例不同有關(guān)。姜培坤等［7］認為不同林分土壤活性碳質(zhì)量分數(shù)，易氧化態(tài)碳以常綠闊葉林最高，水溶性碳質(zhì)量分數(shù)常綠闊葉林和馬尾松林均明顯高于杉木林土壤；張劍等［17］也認為與常綠闊葉林相比，城市植物群落土壤活性有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著降低，且不同群落間也有明顯差異。此外，同一植物群落不同深度處土壤有機碳礦化量差異則表明土壤中可供微生物利用的有機碳的相對量及微生物對其利用情況不同［18］；結(jié)果還表明，城市不同植物群落有機碳礦化的動態(tài)過程卻表現(xiàn)出一致的規(guī)律，培養(yǎng)前期有機碳礦化量相對較高，但隨著培養(yǎng)時間延續(xù)迅速下降，并在培養(yǎng)后期保持相對穩(wěn)定趨勢，與培養(yǎng)時間均符合對數(shù)關(guān)系，這與農(nóng)田土壤有機碳礦化的研究結(jié)果基本一致［1］。

土壤有機碳的礦化率從某種程度上反映土壤有機碳釋放的難易程度，礦化率高則說明有機碳容易分解，累積能力相對較差。從結(jié)果看，供試5種植物群落土壤有機碳礦化率高低順序為草坪＞桂花＞池杉＞竹林＞樟樹，因此，相對來說，樟樹群落有利于土壤有機碳累積，而草坪則最低，這與整個土壤剖面中有機碳質(zhì)量分數(shù)最高為樟樹，最低為草坪的順序也基本吻合。盧立華等［19］研究表明，同等立地條件下，喬灌木根系生物量和地上部分凋落物均顯著高于草坪；周光勝等［20］研究也認為，深根系植物的根系分泌物是土壤中有機質(zhì)的主要來源。因此，從提高土壤肥力，增加土壤碳匯功能來看，樟樹作為園林綠化樹種可優(yōu)先考慮，而草坪功效則最低。

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