不同林齡楊梅人工林土壤有機(jī)碳及其分子結(jié)構(gòu)的變化

王 增,劉海英,蔣仲龍,彭健健,姚任圖,吳家森,張 勇*

1.浙江省公益林和國(guó)有林場(chǎng)管理總站,浙江 杭州 310020

2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 311300

2020 年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出要“做好碳達(dá)峰、碳中和，開展大規(guī)模國(guó)土綠化行動(dòng)，提升生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能”的要求。森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩溫室效應(yīng)等方面具有不可替代的作用[1]。當(dāng)前關(guān)于森林土壤有機(jī)碳的研究大多集中在總有機(jī)碳及其活性成分的變化、土壤呼吸與礦化特征、微生物和酶生化影響因素等方面[2-5]。土壤有機(jī)碳的分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)則被認(rèn)為是預(yù)測(cè)土壤碳循環(huán)的重要標(biāo)準(zhǔn)[6]，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同，可將土壤有機(jī)碳分為性質(zhì)不同的碳組分，其含量及變化不僅決定有機(jī)碳的質(zhì)量、功能和穩(wěn)定性，還影響著土壤肥力狀況[7,8]。

13C 核磁共振技術(shù)(NMR)作為研究復(fù)雜化合物組成、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的重要工具[9]，已被用于土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性研究[10,11]，其優(yōu)勢(shì)是能在固態(tài)土壤下直接探測(cè)到有機(jī)碳不同碳官能團(tuán)組分的信號(hào)，核磁共振波譜可以清晰表明不同碳組分的相對(duì)分布，并根據(jù)波譜各峰高度的積分求得對(duì)應(yīng)碳組分在有機(jī)碳中所占比例（相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度）[12-14]，在土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中發(fā)揮重要的作用。

楊梅已成為浙江省最具特色優(yōu)勢(shì)、種植經(jīng)濟(jì)效益較高的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，2019 年全省楊梅種植面積達(dá)8.8.8 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為61.84 萬(wàn)t，面積和產(chǎn)量位居全國(guó)首位。但楊梅在經(jīng)營(yíng)過(guò)程中施肥、除草、修剪等人為活動(dòng)強(qiáng)烈，造成土壤有機(jī)碳流失，影響了楊梅人工林固碳能力及其它生態(tài)功能的發(fā)揮，且一旦經(jīng)營(yíng)不當(dāng)，甚至可能成為碳凈排放源。本文以不同林齡楊梅人工林為對(duì)象，在分析土壤有機(jī)碳及水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上，利用核磁共振技術(shù)，進(jìn)一步研究土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)特征，揭示有機(jī)碳累積、分子結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性變化規(guī)律與林齡的關(guān)系，為全面提升楊梅人工林土壤固碳減排能力提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省仙居縣福應(yīng)街道，2001 年被國(guó)家林業(yè)局命名為“中國(guó)楊梅之鄉(xiāng)”，地理位置（N 28°25′～28°52′，E 120°23′～120°42′），海拔140～230 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為18.3 ℃，最熱的7 月平均氣溫28.5 ℃，最冷的1 月平均氣溫為5.6 ℃，無(wú)霜期240 d 左右，歷年平均降水量為2000 mm，年日照時(shí)數(shù)為1786.2 h，母巖為花崗巖，土壤為紅壤。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與采樣

2017年8月，根據(jù)森林經(jīng)營(yíng)檔案和全面踏查的基礎(chǔ)上，在同一小流域內(nèi)選取3、9、14、21年的楊梅人工林（中心位置N 28°46′9"，E 120°31′18"），分別建立20 m×10 m的樣地各4個(gè)，共16個(gè)。均由馬尾松改造而來(lái)，海拔140～230 m，西北坡。

對(duì)樣地內(nèi)的楊梅地徑、樹高、冠幅進(jìn)行全面調(diào)查。在各樣地中，按“S”型布點(diǎn)，分別采集3個(gè)0～10 cm、10～30 cm土樣，將其分別混合，然后采用四分法分取樣品1 kg左右。采集后帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石塊和植物根系等雜物，過(guò)2 mm篩后混勻，一部分鮮樣用于土壤水溶性有機(jī)碳的測(cè)定，另一部分置于室內(nèi)自然風(fēng)干后用于土壤有機(jī)碳測(cè)定。楊梅人工林基本特征和土壤基本化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 不同林齡楊梅人工林的基本情況Table 1 Basic situation of Myrica rubra plantation of different ages

1.3 樣品測(cè)定

1.3.1 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含量）測(cè)定 采用ElementarVario MAX CN 碳氮元素分析儀（德國(guó)Elementar 公司）測(cè)定土壤有機(jī)碳。

1.3.2 土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定 采用25 ℃蒸餾水浸提，振蕩浸提時(shí)間30 min，水土質(zhì)量比為2:1，過(guò)0.45 μm 的濾膜抽濾后，在島津TOC-VcpH 有機(jī)碳分析儀上測(cè)定水溶性有機(jī)碳。

1.3.3 核磁共振波譜分析 在進(jìn)行核磁共振波譜分析前，先對(duì)0～10 cm 土壤樣品進(jìn)行HF 預(yù)處理，以去除土壤中Fe3+和Mn2+的影響，提高儀器分析的信噪比，進(jìn)而提高分析效率。HF 預(yù)處理方法見文獻(xiàn)[15]。HF 預(yù)處理過(guò)的樣品采用核磁共振波譜儀(AVANCE II 300MH，布魯克公司，瑞士)測(cè)定有機(jī)碳中各碳組分的分布。測(cè)試參數(shù)：光譜頻率75.5 MHz、旋轉(zhuǎn)頻率5000 Hz、接觸時(shí)間2 ms、循環(huán)延遲時(shí)間2.5 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊梅人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

由圖1可見，隨著林齡增大，楊梅人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)先顯著下降而后略有升高。3年生、9年生、14年生、21年生楊梅人工林0～10 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.12、13.98、16.71、16.81 g/kg，其中3年生顯著高于其他林齡（P＜0.05）；10～30 cm土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.32、13.61、14.96、15.83 g/kg，其中3年生顯著高于其它林齡（P＜0.05）。同一林齡土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體表現(xiàn)為0～10 cm土層高于10～30 cm。

圖1 不同林齡楊梅人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig1 Soil organic carbon mass fractions of Myrica rubra plantation of different ages

2.2 楊梅人工林土壤水溶性有機(jī)碳的變化

由圖2 可見，土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與總有機(jī)碳相似。0～10 cm 土層水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小排序?yàn)? 年生＞21 年生＞14 年生＞9 年生，其中3 年生顯著高于其它林齡，21 年生顯著高于9 年生（P＜0.05）；10～30 cm 土層水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為159.86、72.14、89.20、106.89 mg/kg，其中3 年生顯著高于其它林齡（P＜0.05）。同一林齡楊梅人工林10～30 cm 土層水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于0～10 cm 土層。

圖2 不同林齡楊梅人工林土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Water soluble organic carbon mass fractions of Myrica rubra plantation of different ages

2.3 楊梅人工林土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的變化

由圖3 所示，4 個(gè)林齡楊梅人工林土壤有機(jī)碳核磁共振波譜劃分為4 個(gè)共振區(qū)（碳組分區(qū)）：烷基C 區(qū)(0～50 ppm)，主要來(lái)自植物生物聚合物（如角質(zhì)、木栓質(zhì)、蠟質(zhì)）和微生物代謝產(chǎn)物；烷氧C 區(qū)(50～110 ppm)，主要來(lái)自碳水化合物（纖維素、半纖維素等）；芳香C 區(qū)(110～160 ppm)，主要來(lái)自木質(zhì)素和不飽和烯烴等；羰基C 區(qū)(160～220 ppm)，主要來(lái)自脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯等[16]。

圖3 楊梅人工林土壤有機(jī)碳的固態(tài)13C 核磁共振波譜Fig.3 13C NMR spectra of soil organic carbon of Myrica rubra plantation

不同林齡楊梅人工林土壤有機(jī)碳中各碳組分所占總有機(jī)碳的比例如表2 所示。土壤有機(jī)碳各組分的高低在各林齡之間基本均呈現(xiàn)烷氧C＞烷基C＞芳香C＞羰基C，其中烷氧C 占比在50%左右，烷基C 和芳香C 之間差別不大，羰基C 最低，均在10%以下。土壤烷氧C 隨林齡增大呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，從3 年生到21 年生降低了5.79%；芳香C 隨林齡增大呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)，從3 年生到21 年生升高了3.98%；烷基C 在各林齡之間變化不大；羰基C 未呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。烷基C/烷氧C、疏水C/親水C、芳香度隨林齡增大均呈逐漸升高趨勢(shì)，從3 年生到21 年生分別升高了0.06、0.14 和4.67；而脂族C/芳香C 隨林齡增大均呈逐漸降低趨勢(shì)，從3 年生到21 年生降低了0.87。

表2 不同林齡楊梅人工林土壤有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳的比例Table 2 The proportions of different organic carbon groups in the total soil organic of Myrica rubra plantation of different ages

3 結(jié)論與討論

3.1 林齡對(duì)楊梅人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

土壤有機(jī)碳是土壤內(nèi)生物殘?bào)w及其轉(zhuǎn)化、降解的有機(jī)化合物，其受多種因素影響[17]。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是土壤質(zhì)量與土壤可持續(xù)能力的重要表征[18]。隨楊梅林齡增長(zhǎng)，研究區(qū)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先降低后略有增加趨勢(shì)。初期馬尾松改造為楊梅林后，3年生（產(chǎn)前期）楊梅土壤表層遺留的凋落物還較多，腐殖質(zhì)層也較厚，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；在3年至9年的楊梅初產(chǎn)期，由于實(shí)施高強(qiáng)度的整地經(jīng)營(yíng)措施，使部分土壤有機(jī)碳流失。馬祥慶等[19]研究發(fā)現(xiàn)，整地是水土流失的重要因素，進(jìn)而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及有機(jī)碳含量下降。同時(shí)楊梅苗較小，輸入地表的凋落物（碳源）較少，且林分尚未郁閉，開放高熱的環(huán)境使土壤微生物活動(dòng)加劇，進(jìn)一步加速土壤有機(jī)碳的分解[20]。隨著林齡增大，楊梅林郁閉度和林下植被蓋度日趨增大，林內(nèi)水熱條件持續(xù)向好，地表凋落物和木質(zhì)殘?bào)w逐漸累積，微生物活動(dòng)加速凋落物分解和有機(jī)碳合成，這些因素都使土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加。此外，盛產(chǎn)期的楊梅經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中的大量施用有機(jī)肥也是一個(gè)重要因素。楊梅人工林生長(zhǎng)過(guò)程中，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物、環(huán)境、人為因素在不斷變化，土壤有機(jī)碳也將處于不斷分解與形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，進(jìn)而影響了土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低。不同林齡土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土層增加略有降低，主要是凋落物直接歸還到土壤表層，但土壤有機(jī)碳表聚現(xiàn)象不明顯。

3.2 林齡對(duì)楊梅人工林土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

分析評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)循環(huán)往往需要更加敏感的指標(biāo)。土壤水溶性有機(jī)碳是土壤活性有機(jī)碳的重要組分和土壤微生物的主要利用能源，其含量和性質(zhì)能夠反映土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及環(huán)境條件的變化，對(duì)保持土壤肥力和土壤碳庫(kù)平衡具有重要意義[21]。楊梅人工林土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律同土壤有機(jī)碳基本保持一致，均表現(xiàn)出先降低后略有升高的趨勢(shì)，3年生最高，而9年生最低。胡堯等[22]研究表明，土壤水溶性有機(jī)碳與總有機(jī)碳成極顯著正相關(guān)，兩者相互影響，密切相關(guān)。水溶性有機(jī)碳實(shí)質(zhì)是有機(jī)碳中分子量較小且親水性較強(qiáng)的組分，其變化取決于有機(jī)碳特別是腐殖質(zhì)含量的高低[23]。初期較高的有機(jī)碳使水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高；隨著楊梅生長(zhǎng)過(guò)程中有機(jī)碳不斷被酶、微生物等分解吸收，而9年生楊梅人工林生態(tài)系統(tǒng)此時(shí)碳補(bǔ)給能力還不足，導(dǎo)致水溶性有機(jī)碳下降明顯；隨著楊梅不斷生長(zhǎng)郁閉，其根系分泌物和凋落物增加了有機(jī)碳輸入，從而帶動(dòng)了水溶性有機(jī)碳逐漸增加。不同林齡土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土層增加顯著降低，表聚現(xiàn)象明顯，這與土壤水溶性有機(jī)碳主要來(lái)源于凋落物和根系分泌物等有關(guān)[24]。

3.3 林齡對(duì)楊梅人工林土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響

烷基C 是頑固性高、抗分解的有機(jī)碳，烷氧C 是最不穩(wěn)定、最容易分解的有機(jī)碳，芳香C 則與有機(jī)碳的穩(wěn)定性呈正相關(guān)，而羰基C 也很容易被氧化分解[25,26]。通常用烷基C/烷氧C 表征有機(jī)碳的分解程度，該值愈大，表明有機(jī)碳穩(wěn)定性愈好[27,28]。疏水C/親水C 代表難分解碳與易分解碳含量的比值，通常能夠反映有機(jī)碳疏水程度的大小，也與土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性密切相關(guān)，該值越大，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性也越好[29,30]。因此，本研究采用烷基C/烷氧C 和疏水C/親水C 共同表征土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定程度。脂族C/芳香C 可以用來(lái)反映有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，該值越大，表明有機(jī)碳芳香核結(jié)構(gòu)越少、脂肪族側(cè)鏈越多、縮合程度越低、分子結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單。芳香度也可反映有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，其值越大，表明芳香核結(jié)構(gòu)越多、分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[16]。目前，對(duì)土壤有機(jī)碳4 種碳組分比例的研究結(jié)果差異很大，有研究表明，烷氧C 最高[8]；而有研究則認(rèn)為烷基C 最高[31,32]。商素云等[16]認(rèn)為，各碳組分高低變化可能與植被類型、土壤母質(zhì)、氣候特征以及經(jīng)營(yíng)方式等因素有關(guān)。本研究中烷氧C 最高，即研究區(qū)土壤有機(jī)物中約半數(shù)為纖維素、半纖維素類物質(zhì)。

對(duì)比不同林齡楊梅人工林土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，隨著林齡增大，烷氧C逐漸降低，芳香C逐漸增加，烷基C/烷氧C和疏水C/親水C越大，均表明楊梅土壤中難分解有機(jī)碳比例相對(duì)增加，隨著楊梅經(jīng)營(yíng)歷史的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性增強(qiáng)。究其原因，凋落物殘?bào)w的大量輸入，提高了土壤微生物對(duì)土壤中活性有機(jī)碳的利用程度，大量烷氧C被吸收利用，導(dǎo)致烷基C/烷氧C比值增加，提高了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[33]。李國(guó)棟等[34]研究表明，對(duì)比1 a、5 a和15 a種植年限下雷竹林，15 a雷竹土壤有機(jī)碳中芳香C含量是有一定的增加，芳香度也明顯增大，說(shuō)明大量輸入土壤有機(jī)碳被加速固定，穩(wěn)定性增強(qiáng)。隨著林齡增大，脂族C/芳香C逐漸降低，而芳香度則呈升高趨勢(shì)，這說(shuō)明土壤中有機(jī)碳芳香核結(jié)構(gòu)越多、脂肪族側(cè)鏈越少、縮合程度越高，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者認(rèn)為土壤有機(jī)碳組分構(gòu)成及其穩(wěn)定性與外源輸入碳數(shù)量和質(zhì)量（化學(xué)結(jié)構(gòu)）密切相關(guān)[6]。在楊梅人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，烷氧C（易降解組分）會(huì)快速分解進(jìn)入土壤中，而芳香C（難降解組分）則會(huì)選擇性保留，最終影響土壤有機(jī)碳的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)[36]。