廣州城郊森林公園常綠闊葉林土壤有機碳及組分特征

習丹, 曠遠文

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廣州城郊森林公園常綠闊葉林土壤有機碳及組分特征

習丹1, 曠遠文2,3*

1. 福建農林大學林學院, 福州 350002 2. 中國科學院華南植物園退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復與管理重點實驗室, 廣州 510650 3. 廣東省應用植物學重點實驗室, 廣州 510650

為探討森林公園土壤有機碳的分布特征，以廣州城郊的石門國家森林公園和云髻山森林公園為研究對象，采用分層采樣方法 (0—5、5—10、10—20、20—40和40—60 cm) 對天然常綠闊葉林的土壤總有機碳、惰性有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳含量進行了研究。結果表明：土壤惰性有機碳、活性有機碳及總有機碳含量隨土層加深均表現(xiàn)下降趨勢。不同組分的活性有機碳含量及其所占總有機碳比例在土壤剖面分布存在差異，均表現(xiàn)為易氧化有機碳>微生物生物量碳>水溶性有機碳。土壤惰性有機碳占總有機碳的比例顯著高于活性有機碳，隨土層加深呈先下降后增加趨勢，深層土壤有利于維護有機碳的穩(wěn)定性。土壤惰性有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳及微生物生物量碳含量與總有機碳、微生物生物量氮含量均呈顯著正相關，土壤各組分碳間轉化依賴于總有機碳量的變化，同時受微生物生物量氮的支配。

森林公園; 常綠闊葉林; 惰性有機碳; 碳組分

0 前言

森林公園以良好的森林景觀和生態(tài)環(huán)境為主體，融合自然景觀與人文景觀，是城市生態(tài)環(huán)境和文化建設的重要載體和場所[1]。隨著旅游活動的增加以及城市化進程加劇，森林公園土壤環(huán)境受到不同程度的影響，如土壤酶活性下降[2-3]、微生物數(shù)量及區(qū)系組成改變[4]、土壤總有機碳分解加快[5]。這些都將直接或間接引起土壤質量的變化，削弱森林公園在調節(jié)區(qū)域氣候、維持城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的功能。有機碳作為土壤質量評價的一個重要指標，其含量及組分的變化能反映土壤質量的早期變化及被影響的程度[5]，且土壤有機碳庫的微小波動，可對大氣二氧化碳(CO2)濃度甚至全球碳平衡產生重大影響[6]。因此，弄清森林公園土壤有機碳的含量及組分，是深入了解城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫動態(tài)變化及其碳截留功能的重要一步。

土壤碳庫是由不同周轉周期的碳組分構成，一般可分為活性碳庫、緩效性碳庫和惰性碳庫。緩效性有機碳和惰性有機碳周轉時間長且非常穩(wěn)定，可以長期反映土壤碳庫的穩(wěn)定性[7]，而活性有機碳在土壤中移動快，易氧化和分解，周轉時間短，直接參與土壤生物化學轉化過程，能快速反映出土壤環(huán)境的變化[8]。森林土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主體，不同碳組分的變化將會對土壤碳庫穩(wěn)定性、肥力保持及全球氣候產生深刻影響。

目前關于森林土壤有機碳的研究主要集中在不同演替階段[9-12]、森林類型[13-17]、土地利用方式[18-21]、海拔梯度[7, 22-23]、氮添加處理[24-26]等方面，而針對森林公園土壤有機碳組分的研究相對缺乏。近年來雖有研究涉及到森林公園土壤碳庫方面[5, 27-28]，但側重點在于比較城市綠地服務功能上，單獨對森林公園中的留存林土壤有機碳特征及其影響機制缺乏系統(tǒng)研究和規(guī)律認識。為此，以石門國家森林公園和云髻山森林公園中的天然常綠闊葉林為研究對象，分析0—60 cm土壤中的總有機碳、惰性有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳含量及其相互關系，探討森林公園中留存林土壤有機碳的分布特征，為城市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)機理提供數(shù)據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石門國家森林公園位于廣東省廣州市從化東北部，地處北緯23°36'50″—23°39'20″，東經113°46'16″—113°49'17″，總面積2636 hm2[29]。森林公園地處北回歸線北緣，屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.4 ℃，最冷月(1月)和最熱月(7月)的平均溫度分別為12.4 ℃和28.5 ℃，年降水量達1800 mm，主要集中在5—8月份，相對濕度達85%以上。該公園土壤條件良好，隨著海拔不同分布著山地紅壤、赤紅壤、黃壤、草甸土4種類型。植被群落依次為：1) 海拔450 m以下為荔枝()林；2) 海拔500—600 m間主要為山地常綠闊葉林；3) 海拔600—950 m主要為亞熱帶常綠闊葉林；4) 海拔950 m以上的區(qū)域分布有常綠闊葉山頂矮林[29]。云髻山森林公園位于距離廣州市150 km的新豐縣西北部，地處北緯24°05′0″—24°09′06″，東經114°07′04″—114°11′12″，屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.6 ℃，年降水量達1868 mm，地帶性土壤有赤紅壤、黃壤、紅壤，其中以赤紅壤為主，植被類型屬亞熱帶常綠闊葉林[30]。

1.2 樣品采集

在2個研究點選取具有代表性且立地條件和海拔（約700 m）相似的亞熱帶天然常綠闊葉林為采樣地，兩地森林土壤類型均為赤紅壤。石門森林公園采樣地林分郁閉度在80%以上，林相整齊，樹冠渾圓，喬木層以錐栗()、小葉青岡()、華潤楠()、荷木()等為主要優(yōu)勢種，林下層常見植物有毛柃()、黑柃()、廣東紫珠()等。云髻山采樣林地優(yōu)勢樹種有鴨腳木()、白皮黃杞()、華潤楠()、白背葉()、山烏桕()等。在設定的森林樣地內，隨機選擇5個1 m × 1 m的采樣點，采集0—5、5—10、10—20、20—40和40—60 cm土壤樣品，裝入密封袋中，帶回實驗室處理。新鮮土樣去除根系、凋落物后過2 mm篩，分成兩部分，一部分存于4 ℃冰箱，用于土壤含水量、無機氮、水溶性有機碳及微生物量碳氮含量測定；另一部分放至通風處干燥，待自然風干后，粉碎過100目篩(徑級為149 μm)，用于土壤總有機碳、易氧化有機碳及惰性有機碳測定。

1.3 土壤有機碳及其組分分析

土壤總有機碳測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法，無機氮測定采用氯化鉀浸提—靛酚藍和鍍銅鎘比色法，土壤含水量測定采用干重法，具體過程參見劉光崧等[31]的測定方法。土壤易氧化有機碳含量測定采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法[32]。可溶性有機碳采用土:水比為1:5振蕩浸提，經0.45 μm濾膜過濾，濾液直接上TOC分析儀測定(Elementar vario TOC cube, 德國)。土壤惰性有機碳含量測定采用酸水解法[33]。土壤微生物生物量碳氮含量測定采用氯仿熏蒸-提取法[34]。

1.4 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0軟件進行數(shù)據處理和統(tǒng)計分析。土壤碳組分及層次之間差異顯著性采用單因素方差分析(One-Way ANOVA, LSD法進行多重比較)；土壤碳庫與土壤理化性質指標的相關性采用Pearson相關系數(shù)表示(<0.05)；采用origin 8.5軟件繪制所有圖。所有數(shù)據均為5次重復的平均值，結果為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 土壤總有機碳含量

從圖1A可知，土壤總有機碳含量沿土層深度增加而逐漸下降，石門土壤總有機碳含量高于云髻山，在0—20 cm土層中表現(xiàn)尤為明顯。不同層次間土壤總有機碳含量出現(xiàn)不同的差異特征。石門土壤總有機碳含量在0—5和10—60 cm，10—20和40—60 cm，云髻山土壤總有機碳含量在0—5和10—60 cm，5—10、10—20和40—60 cm土層差異顯著(<0.05)。

2.2 土壤惰性有機碳含量及比例

土壤惰性有機碳含量在剖面和樣地間的分布與總有機碳相似 (圖1B)。石門和云髻山土壤惰性有機碳含量均在0—5、5—10和20—60 cm土層差異顯著(<0.05)，在10—60 cm相鄰土層間無顯著差異(>0.05)。土壤惰性有機碳占總有機碳的比例在54.5%—73.4%，隨土層的加深呈先下降后增加趨勢(圖2)。石門深層(40—60 cm)土壤惰性有機碳所占比例與0—5 cm表層土壤相似，均顯著高于相同層次的云髻山土壤(<0.05)。云髻山和石門土壤惰性有機碳所占比例在5—40 cm土層具有相似的比值，但石門土壤惰性有機碳在所有土層間差異顯著(<0.05)，而云髻山土壤惰性有機碳所占比例則在所有土層間無顯著差異(>0.05)。

圖1 不同土層土壤總有機碳(A)和惰性有機碳(B)含量。

Figure 1 Contents of soil total organic carbon (A) and recalcitrant organic carbon (B) at different soil layers.

圖2 不同土層土壤有機碳組分占總有機碳的比例。

Figure 2 The ratios of soil carbon components to total organic carbon at different soil layers.

2.3 土壤活性有機碳含量及比例

土壤易氧化有機碳含量顯著高于水溶性有機碳和微生物生物量碳之和，是主要的活性有機碳庫(圖3)。石門0—20 cm土層土壤活性有機碳含量高于云髻山，在水溶性有機碳中表現(xiàn)最明顯(圖3C)。土壤活性有機碳、水溶性有機碳和微生物生物量碳含量均隨土層的加深而下降 (圖3)。土壤水溶性有機碳含量在0—20 cm土層降幅最大(57.5%，圖3C)，而易氧化有機碳含量在20—60 cm土層降幅最大 (37.8%，圖3A)，在樣地間表現(xiàn)為石門(49.8%)顯著大于云髻山(25.9%，<0.05)。

各活性有機碳組分所占比例表現(xiàn)為易氧化有機碳>微生物生物量碳>水溶性有機碳(圖2)。云髻山土壤總活性有機碳所占比例高于石門，在20—60 cm土層中表現(xiàn)明顯。土壤微生物生物量碳所占比例隨土層深度的增加而增加，而水溶性有機碳則呈現(xiàn)相反趨勢。土壤易氧化有機碳所占比例的垂直特征在石門中呈先增加后下降趨勢，在云髻山中呈先下降后增加趨勢。總體而言，活性碳有機組分所占比例沿剖面的變幅較為均勻。

圖3 不同土層土壤易氧化有機碳(A)、微生物生物量碳(B)和水溶性有機碳(C)含量。

Figure 3 Contents of soil readily oxidizable carbon (A), microbial biomass carbon (B), and water-soluble organic carbon (C) at different soil layers.

表 1 土壤總有機碳及其組分間與理化因子的相關分析

注: *<0.05; **<0.01,=50

2.4 土壤有機碳組分與理化因子的相關性

土壤惰性有機碳與總有機碳、活性有機碳及微生物生物量氮的相關性均達到極顯著水平，與土壤濕度、銨態(tài)氮顯著正相關(表1)。土壤易氧化有機碳、微生物生物量碳及水溶性有機碳兩兩間均具有極好的正相關，且都與微生物生物量氮、總有機碳表現(xiàn)為極顯著正相關。土壤總有機碳與土壤濕度和銨態(tài)氮顯著正相關。

3 討論

本研究中土壤總有機碳隨土壤深度增加而逐漸下降(圖1A)，這與其他研究報道的森林[7, 21, 35-36]、濕地[37]、農田[38]土壤有機碳沿剖面分布的結果相似。在自然條件下，土壤有機碳含量取決于地上植被凋落物和地下根系的輸入與分解，與水、熱條件緊密相關[35]。南方多以高溫多濕天氣為主，地表枯枝落葉和林木根系分解較快，所形成的有機碳首先進入土壤表層，而植物根系的分布又會影響土壤有機碳的垂直分布[35]，使得土壤有機碳在表層和深層中出現(xiàn)差異。一般來講，在養(yǎng)分充足的條件下，土壤微生物活動旺盛，植物根系相對分布較淺。本研究所選擇的天然常綠闊葉林林分生長較好，說明當前應該不存在養(yǎng)分匱乏狀況，植物根系可能相對分布較淺，死根殘體的分解主要在表層和中層土壤中發(fā)生，深層土壤有機碳的輸入和增加相對有限，因此土壤總有機碳在垂直分布上出現(xiàn)下降趨勢。另外，本研究中0—20 cm土壤總有機碳含量在采樣點間存在顯著差異(圖1A)，這可能是由于植物種類組成的差異及受周邊環(huán)境影響程度的不同所引起。

植被通過改變群落的水熱環(huán)境從而影響土壤的形成和發(fā)育，樹木生長、有機質的分解、根系分泌物等生物化學過程都能改善土壤理化性質[39]，引起土壤有機碳組分和穩(wěn)定性的變化。本研究中惰性有機碳是土壤中主要的有機碳庫(圖3)，其含量在剖面分布呈下降趨勢(圖1B)，這與向慧敏等[7]的研究結果相一致。不過，土壤惰性有機碳占總有機碳的比例在剖面分布呈現(xiàn)先下降后增加趨勢，與向慧敏等[7]的研究結果不一致，可能的原因是：本研究中不同土層的土壤含水率均在22%以上，土壤相對濕潤，水分促使土壤各組分有機碳的遷移和分配發(fā)生改變。土壤活性有機碳具有可溶性強、移動快等特點[37]，在水分多的環(huán)境下容易從表層向中層遷移，且又是土壤微生物能源和養(yǎng)分的驅動力，為中層土壤提供有機碳源，增加土壤中微生物活性，促進中層土壤有機質分解，增加中層活性有機碳分配比，降低惰性碳庫分配比。圖2中土壤總活性有機碳占總有機碳的比例在土壤剖面的分布結果可以說明這一點。此外，土壤水分的增多會促進細根向下生長，增加深層土壤細根生物量，而根系分泌物的增加有利于土壤團聚體的形成[40]，增加土壤有機碳的穩(wěn)定性。一般認為，土壤碳庫穩(wěn)定程度可根據惰性有機碳占土壤總有機碳的比例來反映，比例越大，說明土壤碳庫越穩(wěn)定，不易分解。本研究中深層土壤惰性有機碳的分配比高于中層土壤，以此同時土壤活性有機碳分配比則剛好相反(圖2)，說明活性有機碳有可能向惰性碳庫轉換，深層土壤有機碳穩(wěn)定性增強。這種累積效應在石門森林公園土壤中能明顯觀察到(圖2)，即其深層土壤惰性有機碳的分配比達到72.7%，與表層土壤幾乎相等(73.4%)。對比分析采樣點間惰性有機碳和活性有機碳的分配比，發(fā)現(xiàn)石門森林公園土壤碳庫分解程度要低于云髻山森林公園，這與土壤總有機碳數(shù)據得出的結果基本一致。在本研究中所測碳組分指標有限，各碳庫組分之間又存在相互聯(lián)系，加上溫度、降雨等氣候因素都會對不同碳庫組分產生影響，因此不同土壤深度的惰性有機碳和活性有機碳之間的動態(tài)變化有待進一步研究。

研究表明可溶性有機碳、微生物生物量碳及易氧化有機碳是土壤活性有機碳的重要的表征指標[6]。在本研究中，土壤活性有機碳以易氧化有機碳為主，微生物生物量碳和水溶性有機碳都較低，表明易氧化有機碳更能指示土壤活性碳庫的變化及受環(huán)境影響的程度，這可以根據3種組分的活性有機碳含量及其占總有機碳的比例在剖面上的下降差異性表現(xiàn)出來(圖3和圖2)。土壤易氧化有機碳在垂直分布上表現(xiàn)3種層次差異(0—5、5—20和20—60 cm)，而微生物生物量碳(0—20和20—60 cm)和水溶性有機碳(0—5和5—60 cm)僅表現(xiàn)2種層次差異。這種層次間下降幅度的不一致性可能是由于3種組分的活性有機碳在土壤剖面中的形成、分解、遷移及受土壤內外環(huán)境的影響不同所引起。土壤水溶性有機碳在垂直方向上具有較高的遷移能力，能被土壤微生物迅速利用，增加相同層次土壤微生物生物量碳。相比而言，土壤易氧化有機碳在表層受外部環(huán)境影響波動較大，易分解成其他活性有機碳，隨著土層深度的增加，外界干擾減少，土壤內部環(huán)境相對保持穩(wěn)定，其分解速率放緩。另外，相關分析表明不同組分間的活性有機碳含量存在相互影響與聯(lián)系，與土壤總有機碳、微生物生物量氮含量存在極顯著的正相關性，這說明在采用活性有機碳其中的某一組分反映土壤有機質的變化時，需要結合植被、凋落物、根系分泌物及微生物等方面數(shù)據進行深入分析，才能詳細反映研究區(qū)域內森林土壤質量和肥力的狀況。

4 結論

森林公園作為天然的生態(tài)“療養(yǎng)園”，離城市較近，受人為活動干擾較大，尤其是旅游旺季的到來及人們對生態(tài)環(huán)境需求的增大，園內客流量將會逐年上升，旅游踩踏現(xiàn)象增多，局部環(huán)境波動變大，影響土壤-植被-大氣系統(tǒng)碳庫的合成與分解，引起土壤養(yǎng)分結構和質量發(fā)生改變，而土壤有機碳組分的動態(tài)變化可反映當前土壤碳庫所處的狀態(tài)。本研究初步表明森林公園天然常綠闊葉林土壤有機碳及其組分含量均隨土壤深度增加而下降，易氧化有機碳是主要的活性碳庫，惰性碳庫和活性碳庫在很大程度上依賴于土壤有機碳總貯量，且微生物生物量氮是影響土壤各組分有機碳轉化的重要因子。由于本研究并未考慮動態(tài)變化(如年際、季節(jié))、林型、土壤養(yǎng)分等因素，因而還不足以深入反映森林公園土壤碳庫特征。未來研究除了要考慮上述因素外，還需對森林公園有機碳在土壤-植物-大氣系統(tǒng)中遷移轉化和循環(huán)規(guī)律、不同區(qū)域森林公園碳庫的差異性機制、有機碳如何提高森林公園土壤生產力和實現(xiàn)城市森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排效果及作用機理進行深入探討，從而更好地發(fā)揮森林公園生態(tài)服務功能。

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Characteristics of soil organic carbon and its components in evergreen broadleaved forests of suburban forest parks in Guangzhou

Xi Dan1, KUANG Yuanwen2,3*

1.Collage of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China 2.Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystem, South China Botanic Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, Guangzhou 510650, China

To understand the distribution of soil organic carbon (SOC) in forest park, soil samples at 0-5, 5-10, 10-20, 20-40, and 40-60 cm depths were collected from evergreen broadleaved forest in Shimen National Forest Park and Yunjishan Forest Park, respectively. The total organic carbon (TOC), recalcitrant carbon (RC), and active carbon (AC), including readily oxidizable carbon (ROC), water-soluble organic carbon (WSOC), and microbial biomass carbon (MBC) were analyzed. Results showed that the content of RC, AC, and TOC decreased with the soil depth. The content of ROC, MBC, WSOC and their proportion to TOC differed significantly across soil profile with ROC>MBC>WSOC. The proportion of RC to TOC was significantly higher than that of AC to TOC, demonstrating RC was the main organic carbon pool. The higher proportion of RC to TOC in the deeper than in the surface soils was helpful to the stabilization of SOC in evergreen broadleaved forest. The positive correlations of RC, ROC, and WSOC with TOC, MBC, and microbial biomass nitrogen implied that the transformations among the components of SOC were depended on the variations of TOC, as well as were regulated by the content of microbial biomass nitrogen.

forest park; evergreen broadleaved forest; recalcitrant organic carbon; carbon fractions

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.029

Q89

A

1008-8873(2019)01-226-07

2018-01-15;

2018-03-09

國家自然科學基金項目(41703068); 國家自然科學基金項目(41471443)

習丹 (1987—), 女, 江西吉安人, 博士, 講師, 主要從事森林生態(tài)學研究, E-mail: xidan_2006@126.com

曠遠文, 男, 博士, 研究員, 主要從事環(huán)境生態(tài)學研究, E-mail: kuangyw@scbg.ac.cn

習丹, 曠遠文. 廣州城郊森林公園常綠闊葉林土壤有機碳及組分特征[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(1): 226-232.

Xi Dan, KUANG Yuanwen. Characteristics of soil organic carbon and its components in evergreen broadleaved forests of suburban forest parks in Guangzhou[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 226-232.