不同林齡楊梅人工林土壤有機碳及其分子結(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.浙江省公益林和國有林場管理總站,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)濟工作會議提出要“做好碳達峰、碳中和，開展大規(guī)模國土綠化行動，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)于森林土壤有機碳的研究大多集中在總有機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]。土壤有機碳的分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)則被認為是預(yù)測土壤碳循環(huán)的重要標(biāo)準[6]，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同，可將土壤有機碳分為性質(zhì)不同的碳組分，其含量及變化不僅決定有機碳的質(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]，已被用于土壤有機碳結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性研究[10,11]，其優(yōu)勢是能在固態(tài)土壤下直接探測到有機碳不同碳官能團組分的信號，核磁共振波譜可以清晰表明不同碳組分的相對分布，并根據(jù)波譜各峰高度的積分求得對應(yīng)碳組分在有機碳中所占比例（相對信號強度）[12-14]，在土壤有機碳分子結(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、種植經(jīng)濟效益較高的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，2019 年全省楊梅種植面積達8.8.8 萬hm2，產(chǎn)量為61.84 萬t，面積和產(chǎn)量位居全國首位。但楊梅在經(jīng)營過程中施肥、除草、修剪等人為活動強烈，造成土壤有機碳流失，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象，在分析土壤有機碳及水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)的基礎(chǔ)上，利用核磁共振技術(shù)，進一步研究土壤有機碳分子結(jié)構(gòu)特征，揭示有機碳累積、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 年被國家林業(yè)局命名為“中國楊梅之鄉(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 ℃，無霜期240 d 左右，歷年平均降水量為2000 mm，年日照時數(shù)為1786.2 h，母巖為花崗巖，土壤為紅壤。

1.2 實驗設(shè)計與采樣

2017年8月，根據(jù)森林經(jīng)營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，共16個。均由馬尾松改造而來，海拔140～230 m，西北坡。

對樣地內(nèi)的楊梅地徑、樹高、冠幅進行全面調(diào)查。在各樣地中，按“S”型布點，分別采集3個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。采集后帶回實驗室，去除石塊和植物根系等雜物，過2 mm篩后混勻，一部分鮮樣用于土壤水溶性有機碳的測定，另一部分置于室內(nèi)自然風(fēng)干后用于土壤有機碳測定。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 樣品測定

1.3.1 土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)（含量）測定 采用ElementarVario MAX CN 碳氮元素分析儀（德國Elementar 公司）測定土壤有機碳。

1.3.2 土壤水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)測定 采用25 ℃蒸餾水浸提，振蕩浸提時間30 min，水土質(zhì)量比為2:1，過0.45 μm 的濾膜抽濾后，在島津TOC-VcpH 有機碳分析儀上測定水溶性有機碳。

1.3.3 核磁共振波譜分析 在進行核磁共振波譜分析前，先對0～10 cm 土壤樣品進行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，進而提高分析效率。HF 預(yù)處理方法見文獻[15]。HF 預(yù)處理過的樣品采用核磁共振波譜儀(AVANCE II 300MH，布魯克公司，瑞士)測定有機碳中各碳組分的分布。測試參數(shù)：光譜頻率75.5 MHz、旋轉(zhuǎn)頻率5000 Hz、接觸時間2 ms、循環(huán)延遲時間2.5 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊梅人工林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化

由圖1可見，隨著林齡增大，楊梅人工林土壤有機碳質(zhì)量分數(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土層有機碳質(zhì)量分數(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土層土壤有機碳質(zhì)量分數(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）。同一林齡土壤有機碳質(zhì)量分數(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碳質(zhì)量分數(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碳的變化

由圖2 可見，土壤水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律與總有機碳相似。0～10 cm 土層水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)大小排序為3 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 土層水溶性有機碳質(zhì)量分數(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 土層水溶性有機碳質(zhì)量分數(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碳質(zhì)量分數(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碳分子結(jié)構(gòu)的變化

由圖3 所示，4 個林齡楊梅人工林土壤有機碳核磁共振波譜劃分為4 個共振區(qū)（碳組分區(qū)）：烷基C 區(qū)(0～50 ppm)，主要來自植物生物聚合物（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)，主要來自木質(zhì)素和不飽和烯烴等；羰基C 區(qū)(160～220 ppm)，主要來自脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯等[16]。

圖3 楊梅人工林土壤有機碳的固態(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碳中各碳組分所占總有機碳的比例如表2 所示。土壤有機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，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，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，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，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碳組分占總有機碳的比例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 林齡對楊梅人工林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的影響

土壤有機碳是土壤內(nèi)生物殘體及其轉(zhuǎn)化、降解的有機化合物，其受多種因素影響[17]。土壤有機碳質(zhì)量分數(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，研究區(qū)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)呈先降低后略有增加趨勢。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，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)較高；在3年至9年的楊梅初產(chǎn)期，由于實施高強度的整地經(jīng)營措施，使部分土壤有機碳流失。馬祥慶等[19]研究發(fā)現(xiàn)，整地是水土流失的重要因素，進而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及有機碳含量下降。同時楊梅苗較小，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加劇，進一步加速土壤有機碳的分解[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)殘體逐漸累積，微生物活動加速凋落物分解和有機碳合成，這些因素都使土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)不斷增加。此外，盛產(chǎn)期的楊梅經(jīng)營管理過程中的大量施用有機肥也是一個重要因素。楊梅人工林生長過程中，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物、環(huán)境、人為因素在不斷變化，土壤有機碳也將處于不斷分解與形成的動態(tài)過程，進而影響了土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的高低。不同林齡土壤有機碳質(zhì)量分數(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，但土壤有機碳表聚現(xiàn)象不明顯。

3.2 林齡對楊梅人工林土壤水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)的影響

分析評價土壤有機碳的動態(tài)循環(huán)往往需要更加敏感的指標(biāo)。土壤水溶性有機碳是土壤活性有機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)能夠反映土壤有機碳穩(wěn)定性及環(huán)境條件的變化，對保持土壤肥力和土壤碳庫平衡具有重要意義[21]。楊梅人工林土壤水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)變化規(guī)律同土壤有機碳基本保持一致，均表現(xiàn)出先降低后略有升高的趨勢，3年生最高，而9年生最低。胡堯等[22]研究表明，土壤水溶性有機碳與總有機碳成極顯著正相關(guān)，兩者相互影響，密切相關(guān)。水溶性有機碳實質(zhì)是有機碳中分子量較小且親水性較強的組分，其變化取決于有機碳特別是腐殖質(zhì)含量的高低[23]。初期較高的有機碳使水溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)也較高；隨著楊梅生長過程中有機碳不斷被酶、微生物等分解吸收，而9年生楊梅人工林生態(tài)系統(tǒng)此時碳補給能力還不足，導(dǎo)致水溶性有機碳下降明顯；隨著楊梅不斷生長郁閉，其根系分泌物和凋落物增加了有機碳輸入，從而帶動了水溶性有機碳逐漸增加。不同林齡土壤水溶性有機碳質(zhì)量分數(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碳主要來源于凋落物和根系分泌物等有關(guān)[24]。

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

烷基C 是頑固性高、抗分解的有機碳，烷氧C 是最不穩(wěn)定、最容易分解的有機碳，芳香C 則與有機碳的穩(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 表征有機碳的分解程度，該值愈大，表明有機碳穩(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，通常能夠反映有機碳疏水程度的大小，也與土壤有機碳穩(wěn)定性密切相關(guān)，該值越大，土壤有機碳穩(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 共同表征土壤有機碳的穩(wěn)定程度。脂族C/芳香C 可以用來反映有機碳分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，該值越大，表明有機碳芳香核結(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)越簡單。芳香度也可反映有機碳分子結(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，對土壤有機碳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]；而有研究則認為烷基C 最高[31,32]。商素云等[16]認為，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)土壤有機物中約半數(shù)為纖維素、半纖維素類物質(zhì)。

對比不同林齡楊梅人工林土壤有機碳分子結(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碳比例相對增加，隨著楊梅經(jīng)營歷史的延長，土壤有機碳穩(wěn)定性增強。究其原因，凋落物殘體的大量輸入，提高了土壤微生物對土壤中活性有機碳的利用程度，大量烷氧C被吸收利用，導(dǎo)致烷基C/烷氧C比值增加，提高了土壤有機碳的穩(wěn)定性[33]。李國棟等[34]研究表明，對比1 a、5 a和15 a種植年限下雷竹林，15 a雷竹土壤有機碳中芳香C含量是有一定的增加，芳香度也明顯增大，說明大量輸入土壤有機碳被加速固定，穩(wěn)定性增強。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，這說明土壤中有機碳芳香核結(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。國內(nèi)外不少學(xué)者認為土壤有機碳組分構(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)營過程中，烷氧C（易降解組分）會快速分解進入土壤中，而芳香C（難降解組分）則會選擇性保留，最終影響土壤有機碳的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致穩(wěn)定性逐漸增強[36]。