不同園林植物土壤活性有機(jī)碳組分及有機(jī)碳儲(chǔ)量

劉 琳,余佳潔,周文靜,2

(1.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院,重慶 400072;2.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，昆明 650224)

在復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境中，陸地生態(tài)由于直接承載了人類(lèi)生存發(fā)展，同時(shí)也是大量動(dòng)植物生存的載體，因此具有顯著的復(fù)雜性及多樣性[1-3]，而放眼陸地生態(tài)，土壤成為其中關(guān)鍵的構(gòu)成部分，絕大部分植被的生長(zhǎng)發(fā)育難以脫離土壤，從而形成了土壤—植物生態(tài)子系統(tǒng)，此外，人類(lèi)生活生產(chǎn)離不開(kāi)土壤，土壤生態(tài)至關(guān)重要[4]。大量研究得知，土壤結(jié)構(gòu)也具有多樣性和復(fù)雜性，其中重要的構(gòu)成部分是有機(jī)碳SOC，該物質(zhì)直接關(guān)乎著土壤理化特性的變化[5-6]，對(duì)于土壤活性及質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用，制約能量交換和物質(zhì)循環(huán)[3-4]。對(duì)于有機(jī)碳總量而言，其并沒(méi)有很強(qiáng)的變化性，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，短期內(nèi)難以觀測(cè)其變化；根據(jù)其穩(wěn)定性特點(diǎn)，其不僅包括活性碳，還包含慢性和惰性活性碳[7-8]。對(duì)于活性碳而言，其不僅具有較強(qiáng)的移動(dòng)性、變化快的特點(diǎn)，同時(shí)容易產(chǎn)生氧化及礦化現(xiàn)象，對(duì)于植被生長(zhǎng)發(fā)育具有更強(qiáng)的制約，同時(shí)對(duì)于微生物活動(dòng)產(chǎn)生較大的影響效果[9]，雖然其總量并不多，但是作用較大，能夠?qū)ν寥鲤B(yǎng)分循環(huán)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，與有機(jī)質(zhì)相比，在土壤理化特性反映方面具有更強(qiáng)的體現(xiàn)，同時(shí)能夠充分調(diào)節(jié)土壤活性，制約土壤質(zhì)量[10-11]。盡管在總有機(jī)碳的占比并不高，但是充分參與了能量交換，制約著有機(jī)質(zhì)的分解效率等，在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化方面起著關(guān)鍵作用，從而影響著陸地生態(tài)碳循環(huán)。由于其具有周轉(zhuǎn)快的特點(diǎn)，加之其具有較快的氧化及礦化特點(diǎn)，制約著土壤有機(jī)質(zhì)分解效率，因此能夠?qū)ζ渥兓浞址从?，常將活性碳的變化作為土壤碳?kù)的反映指標(biāo)之一。此外，不少學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，微生物熵SMQ也能夠?qū)ν寥捞紟?kù)的變化進(jìn)行充分的體現(xiàn)，這主要是從微生物這一角度來(lái)分析土壤狀況，利用的是微生物量碳與有機(jī)碳之比，從而對(duì)土壤狀況加以反映[12]。對(duì)于環(huán)境及植被等因子的變化，土壤活性有機(jī)碳能夠產(chǎn)生快速的變化，且隨著季節(jié)交替而呈現(xiàn)顯著差異，在環(huán)境因子的復(fù)雜影響下，有機(jī)碳的變化也較為多樣性，氣候、土壤、植被及其交互作用，都能夠?qū)钚杂袡C(jī)碳含量產(chǎn)生很大的制約，且具有多樣性的變化模式[13-14]。

對(duì)于城市而言，由于建筑物林立且土地資源較為緊張，其較多的植被分布主要在于城市園林植被及綠化帶等，因此城市植被顯得尤為關(guān)鍵，同時(shí)也是都市環(huán)境的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素之一，不僅能夠有效降低太陽(yáng)輻射[15-16]，而且能夠顯著降低粉塵，調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量，對(duì)于人類(lèi)居住環(huán)境的改善起著關(guān)鍵作用，因此具有明顯的美感和環(huán)境效益[17-19]。對(duì)于城市園林植被而言，在產(chǎn)生美感和環(huán)境效益的同時(shí)能夠制約著土壤碳循環(huán)，在碳周轉(zhuǎn)變化方面影響效果明顯，對(duì)于土壤修復(fù)發(fā)揮著巨大作用，但是不同的植被具有不同的生長(zhǎng)習(xí)性，其生物學(xué)特點(diǎn)差異頗大，因此對(duì)于不同的城市而言，由于其環(huán)境特點(diǎn)的差異，在選擇城市植被的過(guò)程中要充分因地制宜，選擇適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境的植被，增強(qiáng)土壤碳循環(huán)效率[13]。鑒于此，本研究將立足于園林植被的角度探究其活性碳變化，并將武漢城市植被作為研究視角，從不同土層對(duì)比其有機(jī)碳的變化，進(jìn)而探究植被如何進(jìn)行固碳，為改善土壤結(jié)構(gòu)提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取武漢市不同園林植物(夾竹桃Apocynaceae、石楠Photiniaserrulata、廣玉蘭Magnoliagrandiflora、大葉女貞Ligustrunlucidum)，2016年8月—2018年8月，連續(xù)三年進(jìn)行觀測(cè)研究，并做好長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)記錄分析和室內(nèi)分析。為了具有試驗(yàn)的可重復(fù)性，每種園林樹(shù)種在不同街道選取20株，并做好標(biāo)記便于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和取樣。分別采集每個(gè)樹(shù)種根區(qū)土壤樣品，0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm分層采樣；采取四分法對(duì)土壤樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，同時(shí)分為2份帶回實(shí)驗(yàn)室，一份自然風(fēng)干20 d過(guò)2 mm篩測(cè)定土壤養(yǎng)分等指標(biāo)；另一份鮮土過(guò)篩后置于4℃溫箱保存用于測(cè)定土壤微生物量等。同時(shí)在采樣點(diǎn)附近挖取100 cm深的剖面，用環(huán)刀采取原狀土測(cè)定土壤容重。

1.2 土壤有機(jī)碳組分測(cè)定

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，首先風(fēng)干后去除雜物并進(jìn)行磨碎過(guò)篩，要求達(dá)到2 mm，且要求風(fēng)干時(shí)間不低于20 d，然后對(duì)土壤有機(jī)碳SOC借助于加熱法進(jìn)行衡量；土層厚度對(duì)于有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響較大，為了更準(zhǔn)確地衡量其變化，在研究過(guò)程中借助于等質(zhì)量法[17]進(jìn)行測(cè)量，這將會(huì)大大降低土壤質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)的誤差。

對(duì)于易氧化有機(jī)碳EOC、輕組分有機(jī)碳LFOC分別借助于比色法、浮選法進(jìn)行測(cè)量[11]。對(duì)微生物量碳及氮?jiǎng)t借助于浸提法進(jìn)行測(cè)量[7-8]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2003和SPSS 18.00軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單因素方差進(jìn)行分析(One-way ANOVA)，采用鄧肯新復(fù)檢驗(yàn)法進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤的形式表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同園林植物土壤有機(jī)碳含量

從表1可見(jiàn)，雖然植被種類(lèi)不同，生長(zhǎng)年份也不一樣，但是在土層深度不斷增加的情況下，其土壤有機(jī)碳含量均隨之不斷下降，且其含量在表層土壤達(dá)到最高水平，也就是說(shuō)存在主要集中于表層土壤之中，這就是我們常說(shuō)的“表聚性”分布特點(diǎn)。在不同的土層深度影響下，有機(jī)碳含量呈現(xiàn)較大的差異，這說(shuō)明土層深度對(duì)其具有明顯的制約。在時(shí)間的推移影響下，表層土壤的有機(jī)碳含量呈現(xiàn)明顯的增加態(tài)勢(shì)，但是對(duì)于深層土壤而言，其變化微乎其微。以?shī)A竹桃為例，對(duì)于表層土壤向下100 cm深度的有機(jī)碳而言，其平均變化范圍超過(guò)了5.69 g/kg，但是低于6.22 g/kg，隨著時(shí)間的變化，其上升態(tài)勢(shì)明顯，且對(duì)于不同年份而言，其間的差異通過(guò)了0.05的檢驗(yàn)水平，也就是說(shuō)差異具有顯著性。對(duì)于石楠、廣玉蘭而言，其變化區(qū)間分別為5.24～6.28，4.57～5.14 g/kg，隨著時(shí)間的變化，其上升態(tài)勢(shì)明顯，且對(duì)于不同年份而言，其間的差異通過(guò)了0.05的檢驗(yàn)水平，也就是說(shuō)差異具有顯著性。但是對(duì)于大葉女貞而言，對(duì)于表層土壤向下100 cm深度的有機(jī)碳而言，其平均變化范圍雖然超過(guò)了4.3 g/kg，但是低于4.97 g/kg，與其他植被相比相對(duì)較低，此外，隨著時(shí)間的變化，其上升態(tài)勢(shì)明顯，但是2016—2017年之間的差異并未達(dá)到0.05的顯著性水平，也就是說(shuō)其差異未達(dá)到顯著水平，但是2018年與二者之間的差距達(dá)到了顯著狀態(tài)，通過(guò)了0.05的檢驗(yàn)水平。此外，受時(shí)間、土層深度的不同影響，不同的植被具有較明顯差異的有機(jī)碳含量，與廣玉蘭和大葉女貞相比，夾竹桃、石楠均呈現(xiàn)較高水平。

表1 不同園林植物土壤有機(jī)碳含量 g/kg

2.2 不同園林植物土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

通過(guò)對(duì)表2的分析可見(jiàn)，植被的不同造成了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異，同一植被在不同年份也呈現(xiàn)出較大差異的碳儲(chǔ)量差異，也就是說(shuō)植被及時(shí)間差異均大幅制約著有機(jī)碳儲(chǔ)量，但是其在土壤的縱深影響下，形成了較為一致的碳儲(chǔ)量變化態(tài)勢(shì)，即在土層深度不斷增加的情況下，其碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)不斷的下降態(tài)勢(shì)，且其儲(chǔ)量在表層土壤達(dá)到最高水平，也就是說(shuō)存在其主要集中于表層土壤之中。對(duì)于表層土壤而言，隨著時(shí)間的推移，其碳儲(chǔ)量上升態(tài)勢(shì)更為突出，時(shí)間影響下，有機(jī)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)更大的差異水平；但是對(duì)于深層土壤而言，其變化微乎其微。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比得知，從夾竹桃的角度來(lái)看，對(duì)于表層土壤向下100 cm深度的有機(jī)碳儲(chǔ)量而言，其平均碳儲(chǔ)量超過(guò)了67.59 g/m2，但是低于74.24 g/m2，隨著時(shí)間的變化，其上升幅度更為明顯，且受不同年份的制約，其差異通過(guò)了0.05的檢驗(yàn)水平，也就是說(shuō)差異具有顯著性。但是從石楠的角度來(lái)講，對(duì)于表層土壤向下100 cm深度的有機(jī)碳儲(chǔ)量而言，其平均變化幅度較小，基本處于73.13 g/m2的水平，與其他植被相比相對(duì)較低，此外，隨著時(shí)間的變化，其上升態(tài)勢(shì)明顯，但是2016—2017年之間的差異并未達(dá)到0.05的顯著性水平，也就是說(shuō)其差異相對(duì)較小，但是2018年與二者之間的差距達(dá)到了顯著狀態(tài)，通過(guò)了0.05的檢驗(yàn)水平。對(duì)于廣玉蘭及大葉女貞而言，通過(guò)連續(xù)三年的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，其碳儲(chǔ)量的變化區(qū)間分別為57.13～64.26，55.59～6.92 g/m2，隨著時(shí)間的變化，其上升態(tài)勢(shì)明顯，且對(duì)于不同年份而言，其間的差異通過(guò)了0.05的檢驗(yàn)水平，也就是說(shuō)差異具有顯著性。通過(guò)試驗(yàn)分析得知，這些園林植被的有機(jī)碳儲(chǔ)量受到土層深度及時(shí)間的制約較為明顯，整體而言，碳儲(chǔ)量相對(duì)較高的是夾竹桃和石楠，而廣玉蘭和大葉女貞則相對(duì)較低。

從表3可知，受土層深度及時(shí)間的影響，土壤有機(jī)碳在有機(jī)碳儲(chǔ)量中的占比在不同植被間存在較大的差異，但就整體走勢(shì)而言，其均呈現(xiàn)先升后降的走勢(shì)。從夾竹桃的角度來(lái)講，通過(guò)連續(xù)三年的試驗(yàn)對(duì)比得知，其占比變化超過(guò)31.83%，但是低于70.16%，從而形成了不斷上升的變化區(qū)間。對(duì)于石楠來(lái)說(shuō)，其走勢(shì)基本與夾竹桃類(lèi)似，其占比變化顯然已經(jīng)超過(guò)了30.95%，但是低于73.28%，受時(shí)間的影響，其呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)。對(duì)于廣玉蘭、大葉女貞而言，在土壤100 cm的縱深影響下，土壤有機(jī)碳在有機(jī)碳儲(chǔ)量中的占比變化區(qū)間分別為32.16%～57.82%，30.50%～56.46%，在時(shí)間的不斷增加影響下，其占比處于不斷下降的態(tài)勢(shì)。

表3 不同園林植物土壤有機(jī)碳占有機(jī)碳儲(chǔ)量比例 %

2.3 不同園林植物土壤活性有機(jī)碳組分

由表4可知，植被的差異會(huì)導(dǎo)致土壤不同類(lèi)型的有機(jī)碳含量具有較大的差異，尤其是在易氧化有機(jī)碳EOC、顆粒有機(jī)碳POC方面，此外，在輕組有機(jī)碳LFOC、水溶性有機(jī)碳WSOC的含量也存在較大差異。雖然有機(jī)碳類(lèi)型不同，但是在土層深度不斷增加的情況下，以上有機(jī)碳的變化走勢(shì)較為相似，基本都表現(xiàn)為逐漸下降的態(tài)勢(shì)，且其在表層土壤達(dá)到最高水平，也就是說(shuō)存在其主要集中于表層土壤之中，從而形成明顯的“表聚性”分布特點(diǎn)。對(duì)于表層土壤而言，隨著時(shí)間的推移，不同類(lèi)型的碳含量呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)更為突出，時(shí)間影響下，有機(jī)碳呈現(xiàn)更大的差異水平；對(duì)于同一土層而言，與夾竹桃和石楠相比而言，廣玉蘭和大葉女貞的有機(jī)碳組分較低。

表4 不同園林植物土壤活性有機(jī)碳組分 mg/kg

對(duì)于土壤活性碳而言，不僅取決于土壤總有機(jī)碳，而且受到微生物的制約效果較為明顯，通過(guò)相關(guān)分析得知，與有機(jī)碳相關(guān)性更強(qiáng)的是EOC和POC，二者通過(guò)了0.01的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，說(shuō)明總有機(jī)碳制約著EOC和POC含量高低。

2.4 不同園林植物土壤活性碳與總有機(jī)碳的比例關(guān)系

由表5可知，不同園林植物土壤EOC/SOC比例為4.67%～5.98%，變異系數(shù)范圍在13.31%～22.25%，說(shuō)明植被類(lèi)型對(duì)土壤EOC/SOC有顯著影響，而石楠和廣玉蘭土壤有機(jī)碳比較穩(wěn)定。土壤微生物量碳占有機(jī)碳的百分比稱為微生物商。微生物商的變化反映了土壤中輸入的有機(jī)質(zhì)向微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率、土壤中碳損失和土壤礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的固定。不同園林植物土壤MBC/SOC比例1.12%～1.82%，基本表現(xiàn)為石楠高于夾竹桃、廣玉蘭和大葉女貞。

表5 不同園林植物土壤EOC/SOC和MBC/SOC比例 %

2.5 土層深度和林型對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響

由表6可知，土層深度和林型對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳具有顯著的影響(p<0.05)，年份對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳沒(méi)有顯著影響(p>0.05)，其中林型×土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳具有顯著的影響(p<0.05)；而林型×年份和土層深度×年份對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳沒(méi)有顯著影響(p>0.05)。

表6 土層深度、林型和生長(zhǎng)年份對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響

3 討 論

通過(guò)大量研究得知，土壤肥力受到其碳庫(kù)的制約[20-21]。通過(guò)本研究得知，對(duì)于深度40 cm以內(nèi)的淺層土壤而言，與深層土壤相比來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)出更高的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，究其原因主要在于兩個(gè)方面[16-17]：一是淺層土壤能夠獲取更為充足的有機(jī)質(zhì)，尤其是腐殖質(zhì)分解等來(lái)源；二是受退耕影響下土壤具有較強(qiáng)的團(tuán)聚體，有機(jī)碳降解水平較低[18]。對(duì)于深層土壤而言，由于退耕的時(shí)間并不長(zhǎng)，加之其他多種因素影響，其碳含量變化較小。

對(duì)于有機(jī)碳而言，腐殖質(zhì)分解等能夠形成較為充足的有機(jī)物質(zhì)，加之根系分泌物，這些都有利于碳含量的積累[3-6]，無(wú)論是植被利用方式，還是對(duì)土地的開(kāi)墾程度及利用途徑，這些都能夠?qū)τ袡C(jī)碳數(shù)量及質(zhì)量形成明顯的制約[5-8]。通過(guò)大量的研究得知，土壤特性、水分及植被等都能夠?qū)τ袡C(jī)碳形成明顯影響，其敏感性較強(qiáng)，不同的碳組分，其來(lái)源也不盡相同，其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)也存在較大差異，即使是同一植被，其有機(jī)碳的變化特點(diǎn)也會(huì)有所差異[20-21]。植被差異會(huì)導(dǎo)致土壤不同類(lèi)型的有機(jī)碳含量具有較大的差異，尤其是在易氧化有機(jī)碳EOC、顆粒有機(jī)碳POC方面，此外，在輕組有機(jī)碳LFOC、水溶性有機(jī)碳WSOC的含量也存在較大差異；雖然有機(jī)碳類(lèi)型不同，但是在土層深度不斷增加的情況下，以上有機(jī)碳的變化走勢(shì)較為相似，基本都表現(xiàn)為逐漸下降的態(tài)勢(shì)，且其在表層土壤達(dá)到最高水平，這種“表聚性”特點(diǎn)較為明顯，對(duì)于同一土層而言，與夾竹桃和石楠相比而言，廣玉蘭和大葉女貞的有機(jī)碳組分較低。根據(jù)學(xué)者Leifeld的研究[22]，LOC與TOC的比值越大，說(shuō)明其可分解性越強(qiáng)，即具有更高水平的質(zhì)量，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，雖然植被不同，但是對(duì)該指標(biāo)影響較小。

長(zhǎng)期的結(jié)果表明，土層深度及植被類(lèi)型能夠顯著制約有機(jī)碳含量，即通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，尤其是二者的交互作用影響。而無(wú)論是林型和年份的交互作用，還是土層深度和年份的交互作用，均與有機(jī)碳關(guān)系較小，即未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。此外，微生物分布、水分、溫度等方面對(duì)有機(jī)碳產(chǎn)生多種影響，這種交互作用還有待于進(jìn)一步研究。