北亞熱帶麻櫟林土壤植硅體碳儲量研究

王 霞，胡海波，程 璨，張 帥，陳建宇，盧洪霖

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)實驗室，江蘇 南京 210037；3. 江蘇省句容市林場，江蘇 句容 212424）

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫即為土壤碳庫，是陸地植被碳庫的2～3倍、大氣碳庫的2倍[1?3]。土壤碳庫的變化對大氣二氧化碳濃度的影響顯著，進(jìn)而影響氣候變化。研究表明：大約50%～90%的土壤有機(jī)碳是由周轉(zhuǎn)時間約10 a的活性碳所組成的[4]，而植硅體碳是除木炭、有機(jī)無機(jī)復(fù)合體以外穩(wěn)定的碳，周轉(zhuǎn)速率為200～13 300 a[5]。植硅體碳(PhytOC)是植硅體(phytolith)在沉淀過程中封存于植物細(xì)胞的有機(jī)碳，在植物死亡、腐爛后被分解釋放到土壤中。植硅體及其封存的碳可在土壤或沉積物中長久穩(wěn)定保存，因此土壤在植硅體碳封存過程中扮演著重要的碳庫角色。植硅體是植物在生長過程中吸收土壤溶液中單硅酸[Si(OH)4]，沉淀在各器官細(xì)胞內(nèi)的非晶質(zhì)二氧化硅礦物，具有很強(qiáng)的抗氧化性、抗腐蝕性和抗分解能力，可在土壤中保存千年甚至是萬年。土壤本身并不生成植硅體碳，而是植物通過光合作用儲存在各器官中。早期的碳循環(huán)研究一直沒有評估植硅體碳的碳匯潛力。土壤中植硅體碳儲量較小，但在全球長期的碳循環(huán)研究中其碳匯功能不可忽略。有關(guān)土壤植硅體、植硅體碳的研究，已從最初植硅體組成成分[6?7]、碳封存機(jī)制[8?9]和土壤植硅體及植硅體碳提取方法的探討[10]，到植硅體和植硅體碳在土壤剖面中的遷移和分布[11?12]，再到植硅體碳穩(wěn)定性，以及近年來關(guān)于某種特定植被類型土壤植硅體碳儲量的估算等[13?15]。特別是植硅體碳封存方面的研究，已經(jīng)成為新的研究熱點，為人類應(yīng)對全球氣候變暖提供了新對策與碳匯途徑。目前，關(guān)于土壤植硅體碳研究涉及的領(lǐng)域主要有森林[16?19]、濕地[20?23]、草原[24?26]等生態(tài)系統(tǒng)。森林植被類型主要以高富硅的竹亞科Bambusoideae植物為研究對象，且研究集中于熱帶和南亞熱帶區(qū)域。麻櫟Quercus acutissima具有耐干旱、耐貧瘠的特點，是荒山瘠地的先鋒樹種和水土保持的優(yōu)良樹種，廣泛分布于亞熱帶地區(qū)[27]。本研究以北亞熱帶麻櫟林為研究對象，探討不同林齡(幼齡林、中齡林和成熟林)麻櫟林土壤的植硅體碳儲量，為中國森林生態(tài)系統(tǒng)植硅體碳匯研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)位于江蘇省句容市境內(nèi)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，光照充足。年均降水量1 057.0 mm，年際變化較大。研究區(qū)地處江淮丘陵地帶，地形多為丘陵山地，起伏較平緩。土壤母質(zhì)為第四紀(jì)下蜀組黃土狀沉積物，類型以黃棕壤和山地黃棕壤為主，土層厚度一般為40～60 cm，土壤質(zhì)地為中壤至重壤(Q3x)，pH 4.5～5.0。森林植被屬中國北亞熱帶東部區(qū)的落葉闊葉混交林。研究地是以麻櫟為主的天然次生林，零星散布栓皮櫟Q. variabilis、銳齒槲櫟Q. alienavar. acuteserrata等；灌木主要有野薔薇Rosa multiflora、牛鼻栓Fortunearia sinensis、華紫珠Callicarpa cathayana、枸骨Ilex cornuta和白檀Symplocos paniculata等；草本植物主要有爬山虎Parthenocissus tricuspidata、鐵線蕨Adiantum capillusveneris、白茅Imperata cylindrica、麥冬Ophiopogon japonicus和絡(luò)石Trachelospermum jasminoides等。

1.2 樣地設(shè)置與采樣

本研究樣地設(shè)置在江蘇省句容市下蜀林場和句容林場，選取幼齡林(17 a)、中齡林(26 a)和成熟林(65 a)等3種不同林齡的麻櫟混交林，于2017年7?8月在每個林地按坡位(坡上、坡中、坡下)選擇3個調(diào)查樣地(20 m×20 m)，共9塊樣地進(jìn)行調(diào)查。對麻櫟林樣地進(jìn)行每木檢尺，測量記錄胸徑、樹高，確定標(biāo)準(zhǔn)木，并調(diào)查地形地貌以及林分特征等指標(biāo) (表1)。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic characteristics of sampting plots studied

本研究在每個樣地內(nèi)沿對角線分別在坡上、坡中、坡下各挖1個60 cm深的土壤剖面，按0～10、10～20、20～40、40～60 cm 分層取樣，并取原狀土和袋裝土帶回實驗室，測定土壤理化性質(zhì)和植硅體碳。

1.3 樣品處理及測定方法

將土壤樣品置于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干，去除根系、礫石，經(jīng)研磨后過2.000、0.250、0.149 mm直徑的篩網(wǎng)，用于分析。土壤基本理化性質(zhì)測定：土壤容重采用環(huán)刀法；pH用電位法測定，土水質(zhì)量比為1.0∶2.5；土壤礫石含量采用排水法；土壤顆粒組成采用激光粒度分析儀法；有效磷采用鹽酸和硫酸溶液浸提法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法。麻櫟林土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表2 麻櫟林土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of the soil in Q. acutissima forests

有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用檸檬酸提取-鉬藍(lán)比色法；土壤二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿溶法-硅鉬藍(lán)比色法；植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濕式灰化法測定，并用WALKLEY-BLACK[28]方法檢驗植硅體外緣的有機(jī)碳是否完全除去，提取出的植硅體經(jīng)干燥后稱量得到植硅體質(zhì)量，計算植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿溶分光光度法[29]。在測定樣品的同時，加入土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07405)，檢驗其準(zhǔn)確性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg?1)=植硅體質(zhì)量(g)/土壤質(zhì)量(kg)；土壤植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg?1)=植硅體封存有機(jī)碳質(zhì)量(g)/土壤質(zhì)量(kg)；植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg?1)=植硅體封存有機(jī)碳質(zhì)量(g)/植硅體質(zhì)量(kg)。土壤有機(jī)碳儲量(t·hm?2)=其中：Ki為i層土壤深度 (cm)，ρbi為i層土壤容重 (g·cm?3)，Ci為i層植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg?1)，Di為i層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg?1)，Gi為直徑≥2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0和Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，平均值計算采用加權(quán)平均法。采用最小顯著極差(LSR)法對土壤不同土層的二氧化硅、植硅體及植硅體碳等質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(顯著性水平P＜0.05)，采用Pearson法對土壤不同土層的二氧化硅、有效硅、植硅體、植硅體碳及有機(jī)碳變量間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，并用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 麻櫟林土壤有效硅、二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖1A可知：麻櫟林土壤不同土層有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.7～153.3 mg·kg?1，各林齡麻櫟林土壤有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而增大，各分層之間有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著；不同林齡麻櫟林土壤有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)，麻櫟林土壤有效硅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為幼齡林、成熟林、中齡林。麻櫟林土壤不同土層二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為181.8～444.1 g·kg?1(圖1B)，不同林齡之間土壤二氧化硅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)；麻櫟幼齡林和成熟林土壤二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加先增大后減小，中齡林土壤二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致隨土層深度增加而減小，各土層之間二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著。

圖1 麻櫟林土壤有效硅與二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 1 Available silicon and SiO2 contents in Q. acutissima forests

2.2 麻櫟林土壤植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

麻櫟林土壤不同土層植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.10～8.23 g·kg?1(圖2A)，植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09～0.29 g·kg?1(圖2B)，幼齡林和成熟林土壤植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加先增大后減小，而中齡林土壤大致隨土層深度增加而減小，各土層之間植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著。麻櫟林不同土層植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小大致表現(xiàn)為幼齡林、中齡林、成熟林，不同林齡之間土壤植硅體、植硅體碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)。

圖2 麻櫟林土壤植硅體與植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 2 Phytolith and PhytOC contents in Q. acutissima forests

2.3 麻櫟林土壤有機(jī)碳、植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤植硅體碳與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(PhytOC/TOC)

由圖3A可知：麻櫟林土壤不同土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.60～38.77 g·kg?1，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而減小，各土層之間有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)。不同林齡麻櫟林土壤有機(jī)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為成熟林、中齡林、幼齡林，不同林齡之間土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)。

麻櫟林土壤不同土層植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.57～48.14 g·kg?1(圖3B)，與植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土壤剖面中的分布規(guī)律和差異性一致，即幼齡林和成熟林土壤植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加先增大后減小，而中齡林土壤植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而減小，各土層之間植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，不同林齡之間植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)。土壤植硅體碳與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(PhytOC/TOC)為0.36%～1.49%(圖3C)，不同土層之間PhytOC/TOC差異不顯著，但各林齡之間差異顯著(P＜0.05)。不同土層植硅體碳中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小大致表現(xiàn)為幼齡林、中齡林、成熟林。

圖3 麻櫟林土壤有機(jī)碳、植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PhytOC/TOCFigure 3 Carbon contents, organic carbon contents in phytolith, and PhytOC/TOC in Q. acutissima forests

2.4 麻櫟林土壤植硅體碳儲量

麻櫟幼齡林、中齡林、成熟林土壤植硅體碳儲量分別為1.16、1.47、1.15 t·hm?2(表3)，幼齡林、中齡林、成熟林有機(jī)碳儲量分別為 94.03、165.28、210.44 t·hm?2，各林齡之間差異不顯著。幼齡林、中齡林、成熟林土壤的植硅體碳儲量占有機(jī)碳儲量的比例分別為0.80%～1.50%、0.73%～1.10%、0.36%～0.67%。

表3 麻櫟林土壤植硅體碳儲量與有機(jī)碳儲量Table 3 PhytOC and organic carbon storages in different soil depths of Q. acutissima forests

2.5 相關(guān)性分析

由表4可知：土壤各層二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)與植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；土壤植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；土壤植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)顯著水平(P＞0.05)；土壤植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間無顯著相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)；植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

表4 麻櫟林土壤層 5 個變量之間的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficients between the five variables of Q.acutissima forest soil

3 討論

3.1 土壤植硅體碳在剖面中的分布規(guī)律

本研究發(fā)現(xiàn)：各林齡麻櫟林土壤有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而增大，與發(fā)育于玄武巖[17,30]、花崗巖[17]的土壤有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的剖面分布規(guī)律研究結(jié)果一致。本研究麻櫟林土壤母巖屬于第四紀(jì)下蜀組(Q3x)黃土狀沉積物，可能是受淋溶等作用有向下遷移的趨勢，或是下層母巖風(fēng)化提高了土壤的有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而黑鈣土、栗鈣土和草甸土[30]的有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度的増加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。母巖直接影響土壤風(fēng)化程度和理化性質(zhì)，并進(jìn)一步影響土壤有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土壤剖面中的分布具有差異性。

FISHKIS等[31]的研究認(rèn)為：土壤中植硅體碳可向土壤深層遷移，遷移深度可達(dá)2.2 m；另有學(xué)者認(rèn)為：植硅體和植硅體碳在土壤剖面表層中容易富集，不易向土壤深層遷移[15,32]。本研究中麻櫟幼齡林和成熟林土壤二氧化硅、植硅體、植硅體碳、植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致隨土層深度增加先增大后減小，與中國東部森林[17]的研究結(jié)論一致；而中齡林大致隨土層深度增加而減小，與東北地區(qū)[18]的研究結(jié)果一致。究其原因可能是中齡林坡度平緩、容重較大、黏粒含量及含水量較高，因此土壤膠粒等的吸附能力強(qiáng)，且土壤緊實，受淋溶作用影響較小，難以向土壤深層遷移。通常大孔隙越多，優(yōu)先運(yùn)移到土壤下層的水量越大[33]，幼齡林和成熟林土壤砂粒含量較高、容重較小、孔隙大，有利于植硅體的遷移；幼齡林和成熟林坡度大，水動力條件充足，因而運(yùn)移速度大，易于向土壤深層遷移。

PhytOC/TOC是衡量土壤植硅體碳穩(wěn)定性的指標(biāo)，隨著土層深度的增加而增大，且植硅體碳的穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)[16]。本研究與北方闊葉林、針葉林[34]和亞熱帶森林[35]等土壤的研究均符合這一規(guī)律。由于有機(jī)碳在土壤中易于分解，且植硅體碳較穩(wěn)定，有機(jī)碳分解速率快于植硅體碳的速率，因而PhytOC/TOC隨土層深度的增加而增大。本研究不同土層中土壤有效硅、二氧化硅、植硅體、植硅體碳、植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PhytOC/TOC差異不顯著，可能是受動物擾動、淋溶等外在因素導(dǎo)致其在剖面中運(yùn)移而差異不顯著，需進(jìn)一步深入研究。

3.2 土壤二氧化硅、有效硅、植硅體和植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等的相關(guān)關(guān)系

土壤各層二氧化硅與植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著正相關(guān)，與大部分學(xué)者的研究結(jié)論一致，表明土壤中硅素與植硅體、植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。有學(xué)者通過向土壤中施加鋼渣粉[36]、巖粉[37]等，提高土壤供應(yīng)硅素的能力，以及提高植物根系對可溶性硅的吸收，進(jìn)而增加植物組織中的硅量、植硅體與植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤植硅體與植硅體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著正相關(guān)，與張曉東[17]和楊杰[38]的研究結(jié)論一致；土壤植硅體與有效硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與中國東部森林玄武巖風(fēng)化殼土壤的研究結(jié)論一致，但與花崗巖風(fēng)化殼土壤[17]結(jié)論相反。本研究麻櫟林土壤母巖屬于第四紀(jì)下蜀組(Q3x)黃土狀沉積物，硅的有效性及母巖對植硅體的形成影響顯著。本研究認(rèn)為：土壤植硅體碳與有機(jī)碳無顯著關(guān)系，與楊杰[38]的研究結(jié)論不同。這可能是由于林分、林下植被以及土壤、地形等立地條件的不同所致。

3.3 土壤植硅體碳儲量與碳封存量

相關(guān)研究表明：毛竹Phyllostachys edulis林[17]、散生竹林[38]、叢生竹林[39]和雷竹Phyllostachys violascens林[40]土層的植硅體碳儲量分別為3.91、0.694～5.373、0.485～2.705 和8.883 t·hm?2，板栗Castanea mollissima林、杉木Cunninghamia lanceolata林[17]土壤植硅體碳儲量分別為2.67、1.18 t·hm?2，本研究麻櫟林土壤植硅體碳儲量為1.15～1.47 t·hm?2，可知竹類土壤的植硅體碳儲量較高。通常植物種間元素含量差異最大的是硅元素，一般認(rèn)為被子植物高于裸子植物，單子葉植物高于雙子葉植物，而單子葉植物中的禾本科、莎草科Cyperaceae植物通常被認(rèn)為是高富集硅的代表[41]。竹類為超富硅的禾本科植物，因此土壤植硅體碳儲量較高。不同森林類型土壤植硅體碳儲量受植被類型、林下植物、立地條件和生物量等的影響而具有一定差異，單子葉植物竹子的土壤植硅體碳儲量比雙子葉植物闊葉林高很多。

4 結(jié)論

本研究中麻櫟林幼齡林、中齡林與成熟林土壤理化性質(zhì)及林下植被種類存在較大差異，表現(xiàn)出幼齡林與成熟林土壤的二氧化硅、植硅體、植硅體碳與植硅體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度的增加先增大后減小，有向土壤深層遷移的趨勢；而中齡林則隨土層深度的增加而減小，在土壤表層富集，表明不同的森林生態(tài)系統(tǒng)受多重因素的影響，土壤植硅體碳等在土壤剖面中的分布具有差異性。不同林齡麻櫟林土壤植硅體碳儲量為1.15～1.47 t·hm?2。這些結(jié)論可為中國北亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)長期穩(wěn)定的植硅體碳匯功能與植硅體碳循環(huán)研究提供參考，對于評價中國森林長期碳匯功能研究具有重要的指導(dǎo)意義。