花椒不同種植密度下土壤活性有機碳變化規(guī)律

吳富雨 李元會 文嬙 鄒德強 王臘梅 劉志斌 賀婷婷

摘要 [目的]檢驗退耕還林工程改造效果，探討四川省甘孜州地區(qū)植樹造林和生態(tài)恢復(fù)對生態(tài)系統(tǒng)碳匯/源功能的影響。[方法]以甘孜州瀘定縣田壩鄉(xiāng)種植的花椒地為研究區(qū)域，研究退耕還林3年后不同種植密度下（0.5 m×0.5 m、0.5 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m）各土層（0～15、15～30、30～45 cm）土壤總有機碳和活性有機碳的含量。[結(jié)果]隨著土層厚度的增加，上層土壤有機碳和活性有機碳含量最高，中層次之，下層最低;不同種植密度下土壤有機碳和活性有機碳之間有差異均高于對照，且0.5 m×0.5 m種植密度下最大。[結(jié)論]高密度種植花椒更有利于區(qū)域生態(tài)恢復(fù)、提升生態(tài)系統(tǒng)的碳匯/源功能，并有利于提升其產(chǎn)業(yè)價值。

關(guān)鍵詞 花椒;種植密度;土壤有機碳;土壤活性有機碳;生態(tài)恢復(fù)

中圖分類號 S 153.6 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）14-0119-03

Abstract [Objective]In order to test the effects of the conversion of farmland to forests and discuss the impact of afforestation and ecological restoration on the carbon sink/source function of the ecosystem in this area. [Method]Taking the prickly ash field planted in Tianba Township， Luding County， Ganzi as the study area， after returning farmland to forest 3 years later， the contents of total organic carbon （TOC） and active organic carbon （AOC） in different soil layers （0-15， 15-30， 30-45 cm） under different planting densities （0.5 m×0.5 m， 0.5 m×1.0 m，1.0 m×1.0 m） were studied. ? [Result]The result showed that with the increase of soil thickness， the contents of organic carbon and active organic carbon in the upper layer were the highest， followed by the middle layer， and the lowest in the lower layer. The difference between soil organic carbon and active organic carbon under different planting densities was higher than that of the control， and the difference was the largest under 0.5 m×0.5 m planting density. [Conclusion]Highdensity planting of ?Zanthoxylum ?was more conducive to ecological restoration in the region， improving the carbon sink/source function of the ecosystem， and increasing its industrial value.

Key words ?Zanthoxylum bungeanum ;Planting density;Soil organic carbon;Soil active organic carbon;Ecological restoration

基金項目 甘孜州地方財政資金項目“花椒病蟲害防治技術(shù)研究”。

作者簡介 吳富雨（1992—），男，四川仁壽人，工程師，碩士，從事林木遺傳育種工作。*通信作者，工程師，碩士，從事經(jīng)濟林栽培研究。

收稿日期 2020-11-19

隨著科技的不斷進步，人類活動如工業(yè)化加快、森林的大面積亂砍濫伐、過度放牧、毀林開墾、農(nóng)作物秸稈的焚燒等，造成了土壤碳庫的大量損失，大量的土壤有機碳被氧化并以CO2等形式釋放到大氣中，導(dǎo)致全球氣候顯著變化[1]。同時氣候變化加快了這一過程，破壞了土壤有機碳與大氣碳之間的平衡，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)成為目前世界三大環(huán)境問題之一[2]。全球環(huán)境變化作為未來人類社會發(fā)展必須面對的重大問題，全世界已經(jīng)達成統(tǒng)一共識。而陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫對全球氣候變化的影響，不僅是預(yù)測氣候變化與CO2含量的重要基礎(chǔ)，同時是解決人類發(fā)展的根本性難題。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫主要由植被層、凋落物層和土壤層3個分碳庫組成，全球森林中44%的有機碳儲存于土壤中[3]。有機碳不僅影響土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性[4]，同時在土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力中起著至關(guān)重要的作用[5]。

土壤活性有機碳因其具有移動快、穩(wěn)定性差、易氧化礦化、活性較高的特點，是土壤有機碳最重要的組成部分，包括動植物殘體、微生物排泄物和分泌物等[6]。根據(jù)分離方法和測定方式的不同，常被劃分為可溶性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）、土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）、易氧化有機碳（readily oxidizable carbon，ROC）、顆粒有機碳（particulate organic carbon，POC）等[7]。可溶性有機碳不僅能促進礦物的風化，也是土壤微生物最重要的物質(zhì)和能量來源，影響微生物的新陳代謝，而且對生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的流動性、有效性和重金屬毒性的遷移都有直接作用。一些研究認為可溶性有機碳含量隨土層深度的增加而不斷增加[8-9]，也有部分學(xué)者認為DOC含量隨土層深度增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢[10]。SMBC是用來表示土壤微生物量大小的指標，土壤微生物量主要包括細菌、真菌和放線菌等，是土壤活性有機碳中最活躍、最易變化的部分，不僅直接參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)，還在維護生態(tài)平衡方面有重要意義[11]。ROC是土壤有機碳中對物理/化學(xué)等干擾因素反應(yīng)最敏感的部分，對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有著重要作用[12];同時對于大氣環(huán)境的優(yōu)劣也起著指示作用，ROC的變化可以指示土壤有機質(zhì)的早期變化[13]。POC主要由砂粒結(jié)合的植物殘體分解產(chǎn)物組成，可以結(jié)合在土壤大團聚體與微團聚體中，是新鮮植物殘體腐化和穩(wěn)定有機質(zhì)腐解過程中的中間產(chǎn)物，周轉(zhuǎn)速率介于活性和非活性有機碳之間，對于揭示土壤中有機碳循環(huán)過程具有重要價值[14]。

土壤活性有機碳的影響因素主要可以劃分為自然因素、氣候變化、地形和土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性和生物因素[15-17]等，其中生物因素主要通過植樹造林、撫育間伐管理、水肥灌溉等方式提高區(qū)域內(nèi)動植物種類和數(shù)量，是解決土壤有機碳與大氣碳之間平衡的重要手段和根本途徑。植樹造林不僅有利于水土保持、防風固沙、凈化環(huán)境，還能夠為人類提供木材和林副產(chǎn)品，廣受社會接納和推廣。四川省甘孜州隸屬于長江上游，是退耕還林、天然林保護的重點區(qū)域，但該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展落后，亟需解決生態(tài)和經(jīng)濟發(fā)展的雙重問題。

花椒屬落葉小喬木或灌木，具有重要的食用、藥用、經(jīng)濟價值，不僅能夠支持區(qū)域產(chǎn)業(yè)振興，同時作為速生小喬木，有著解決水土保持、生態(tài)修復(fù)和涵養(yǎng)水源等重要生態(tài)功能。但在關(guān)注其經(jīng)濟效益的同時，忽視了其生態(tài)效益的發(fā)揮。該試驗以2016年11月底四川省甘孜州瀘定縣田壩鄉(xiāng)種植的花椒地為研究區(qū)域，研究其退耕還林3年后土壤活性有機碳的變化規(guī)律，以期為檢驗退耕還林工程改造效果及為該地區(qū)植樹造林和生態(tài)恢復(fù)以及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

瀘定縣隸屬四川省甘孜藏族自治州（101°46′～102°25′E，29°54′～30°10′N），位于四川省西部二郎山西麓、甘孜藏族自治州東南部，界于邛崍山脈與大雪山脈之間，大渡河由北向南縱貫瀘定縣全境。地處四川盆地到青藏高原過渡帶，受東南、西南季風和青藏高原冷空氣雙重影響，氣候垂直差異明顯，海拔1 800 m以下地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，為有名的干熱河谷地區(qū)。屬高原氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏無酷暑，冬季干燥溫暖，季均溫度7.5 ℃;夏季溫涼濕潤，季均溫度22.7 ℃;年平均氣溫16.5 ℃，年平均無霜期279 d，年均降雨量664.4 mm。珍稀植物種類較多，主要有紅豆杉、康定木楠、連香樹、麥吊杉、銀杏等40余種國家保護的珍貴植物;山野菜資源豐富，有山白菜、蕨菜、香椿、刺五加、魚腥草等。

1.2 試驗設(shè)計

該試驗共設(shè)3個花椒種植密度，分別為T1：0.5 m×0.5 m，T2：0.5 m×1.0 m，T3：1.0 m×1.0 m，未種植花椒樣地為對照（CK）。每處理3次重復(fù)，合計12個樣地。每個樣地間均設(shè)置2 m×2 m的緩沖帶，并進行挖溝處理，以防干擾。

花椒栽植前對試驗區(qū)進行翻耕、除草、澆水、施加草木灰等整地處理措施，栽植后未進行任何人工管護措施。于栽植后3年，在樣地內(nèi)分別按照“S”形選擇5個樣點，采用環(huán)刀法進行土壤樣品采集處理，在每個樣地內(nèi)分別采用分層法進行采樣（0～15、15～30、30～45 cm），先取上層土樣，再取中層土樣，后取下層土樣，上、中、下各層土樣分別混勻后，采用四分法采集適量土樣，剔除草根、石塊和凋落物，分別做好標記放入冰盒中，快速帶回實驗室進行處理。

1.3 測定方法

土壤有機碳（SOC）含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法;DOC含量的測定采用水提取法;SMBC含量的測定采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法;ROC含量的測定采用0.333 mol/L高錳酸鉀氧化法;POC含量的測定采用5 g/L六偏磷酸鈉分散法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件進行整理和匯總，采用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，各處理間先采用雙因素方差分析種植密度、土層厚度及其交互作用對土壤SOC和活性有機碳各組分的影響，其次采用單因素方差分析種植密度和土層厚度之間的差異性，顯著性判斷采用0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度下各層土壤有機碳含量

由雙因素方差分析可知（表1），不同種植密度、土層厚度及其交互作用均會對土壤有機碳含量產(chǎn)生顯著影響（ P <0.05）。單因素方差分析結(jié)果表明（表2），不同花椒種植密度均會提高SOC含量，且顯著高于CK（ P <0.05），T1、T2和T3處理上層土壤有機碳分別約為CK的1.67、1.55和1.53倍，表明花椒種植能夠提

升土壤表層SOC含量;同時中、下層土壤SOC含量之間也有顯著增加（ P <0.05）。隨著種植密度增加，SOC含量表現(xiàn)為T1>T2>T3，但各處理間差異不顯著（ P >0.05）;隨土層厚度增加，SOC表現(xiàn)為上層>中層>下層（ P <0.05），表明種植花椒在短期內(nèi)能夠改變各土層SOC含量，但土壤上層影響更顯著?？傮w而言，高密度種植能夠在短期內(nèi)提升土壤SOC含量。

2.2 不同種植密度下各層土壤活性碳含量

由表1可知，不同種植密度、土層厚度及其交互作用均對土壤活性有機碳（DOC、SMBC、ROC和POC）產(chǎn)生顯著影響（ P <005），但交互作用對ROC除外（ P >0.05）。由表3可知，花椒種植均能夠顯著提高各土層DOC、SMBC、ROC和POC含量，大致表現(xiàn)為上層>中層>下層（ P <0.05），上層效果更明顯;其次高種植密度效果更好，表現(xiàn)為T1>T2>T3>CK（ P <0.05）。

3 討論

3.1 不同種植密度對土壤總有機碳含量的影響

土壤有機碳的含量是評價土壤質(zhì)量的重要指標，它既能增強土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養(yǎng)分的有效性，還可以促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的通透性、透水性及蓄水能力，增強土壤的緩沖等[4，15]。該研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層厚度的增加，土壤總有機碳含量均下降，土壤有機碳呈現(xiàn)出表層聚集現(xiàn)象，這與前人研究結(jié)果一致[8-9]。因為凋落物分解與腐殖化過程都聚集于土壤表層，有利于土壤有機碳的積累[11];同時植物根系周轉(zhuǎn)及其分泌物進入土壤表層[18]。該研究發(fā)現(xiàn)，在短期內(nèi)，花椒高密度種植更有利于土壤有機碳的積累，這與劉秉儒等[16]的研究結(jié)果相一致。短期內(nèi)植物進入土壤的數(shù)量與其增加土壤通透性與改善土壤養(yǎng)分性質(zhì)呈現(xiàn)出正相關(guān)，更有利于土壤有機碳的積累[13];同時花椒作為落葉小喬木或灌木，高密度種植每年通過凋落物輸入系統(tǒng)的碳更多[19];其次落葉樹種凋落物通常含有更多豐富且更容易分解的碳，在一定程度上更利于土壤有機碳的富集[20]。

3.2 不同種植密度對土壤活性有機碳含量的影響

DOC、SMBC、ROC和POC作為土壤活性有機碳最重要的組成部分，因其具有移動快、穩(wěn)定性差、易氧化礦化、活性較高的特點，在一定程度上表征土壤有機質(zhì)的質(zhì)量及潛在分解特征。該研究發(fā)現(xiàn)，DOC、SMBC、ROC和POC均表現(xiàn)為隨著土層厚度的增加而降低，尤其以低密度種植時最為明顯，但是均比無林地高。這主要是由于土壤活性有機碳的含量依賴于土壤總有機碳含量，隨著土層加深，越往下輸入的有機碳更少，使其含量下降[13，19]。土壤活性有機碳主要來源于動植物殘體、土壤腐殖質(zhì)和根系分泌物等，不僅受到光、溫、水、熱等環(huán)境因子的影響，同時植物種類和數(shù)量也會具有較大差別。如牟凌等[8]研究發(fā)現(xiàn)，落葉人工林高于常綠人工林，主要是由于落葉樹種具有更多的凋落物可供微生物取食，作為土壤微生物最重要的物質(zhì)和能量來源，影響微生物的新陳代謝，同時也能促進礦物的風化，這與張宏[21]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

花椒作為重要的經(jīng)濟林樹種，不僅發(fā)揮鄉(xiāng)村振興的經(jīng)濟效益，同時具有保持土壤養(yǎng)分有效性、水土和環(huán)境修復(fù)等生態(tài)功能?；谇捌跀?shù)據(jù)，該研究認為高密度種植更有利于生態(tài)功能的發(fā)揮。

參考文獻

[1] 沈瑞昌，徐明，方長明，等.全球變暖背景下土壤微生物呼吸的熱適應(yīng)性：證據(jù)、機理和爭議[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（1）：11-19.

[2] 王志齊，杜蘭蘭，趙慢，等.黃土區(qū)不同退耕方式下土壤碳氮的差異及其影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2016，27（3）：716-722.

[3] 何姍，劉娟，姜培坤，等.經(jīng)營管理對森林土壤有機碳庫影響的研究進展[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2019，36（4）：818-827.

[4] 祖元剛，李冉，王文杰，等.我國東北土壤有機碳、無機碳含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性[J].生態(tài)學(xué)報，2011，31（18）：5207-5216.

[5] 趙明松，張甘霖，王德彩，等.徐淮黃泛平原土壤有機質(zhì)空間變異特征及主控因素分析[J].土壤學(xué)報，2013，50（1）：1-11.

[6] 趙光影，江姍，邵宗仁.小興安嶺森林沼澤濕地土地利用變化對土壤活性碳組分的影響[J].水土保持通報，2017，37（6）：68-74.

[7] 宇萬太，馬強，趙鑫，等.不同土地利用類型下土壤活性有機碳庫的變化[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（12）：2013-2016.

[8] 牟凌，張麗，陳子豪，等.四川盆地西緣4種人工林土壤有機碳組分特征[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2020，55（3）：121-126，133.

[9] 吳建國，徐德應(yīng).六盤山林區(qū)幾種土地利用方式對土壤中可溶性有機碳濃度影響的初步研究[J].植物生態(tài)學(xué)報，2005，29（6）：945-953.

[10] 王連峰，潘根興，石盛莉，等.酸沉降影響下廬山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤溶液溶解有機碳分布[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2002，8（1）：29-34.

[11] 王澤西，陳倩妹，黃尤優(yōu)，等.川西亞高山森林土壤呼吸和微生物生物量碳氮對施氮的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報，2019，39（19）：7197-7207.

[12] 王朔林，楊艷菊，王改蘭，等.長期施肥對栗褐土活性有機碳的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2015，34（5）：1223-1228.

[13] 張迪，韓曉增，李海波，等.不同植被覆蓋與施肥管理對黑土活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2008，24（4）：1-5.

[14] 馬渝欣，李徐生，李德成，等.江淮丘陵區(qū)農(nóng)田表層土壤有機碳空間變異：以定遠縣為例[J].土壤，2014，46（4）：638-643.

[15] 陳小花，楊青青，余雪標，等.熱帶海岸防護林土壤活性有機碳分布特征：人工林與天然次生林的比較[J].熱帶作物學(xué)報，2017，38（3）：494-499.

[16] 劉秉儒，楊陽，陳林.寧夏荒漠草原4種典型植物群落土壤活性有機碳垂直分布特征[J].草地學(xué)報，2014，22（5）：986-990.

[17] 陸昕，孫龍，胡海清.森林土壤活性有機碳影響因素[J].森林工程，2013，29（1）：9-14.

[18] 劉海，韋莉，任永勝，等.柏木根系分泌物對欒樹細根形態(tài)及N、P含量的影響[J].西北植物學(xué)報，2019，39（9）：1661-1669.

[19] 張文娟，廖洪凱，龍健，等.種植花椒對喀斯特石漠化地區(qū)土壤有機碳礦化及活性有機碳的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2015，36（3）：1053-1059.

[20] 張慧玲，楊萬勤，汪明，等.岷江上游高山森林溪流木質(zhì)殘體碳、氮和磷貯量特征[J].生態(tài)學(xué)報，2016，36（7）：1967-1974.

[21 ]張宏.黃土高原不同植被區(qū)侵蝕環(huán)境下有機碳及其組分分布特征[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.