雄安“千年秀林”土壤肥力綜合評(píng)價(jià)及碳儲(chǔ)量與碳通量研究

劉雨沙，王 琛，朱會(huì)營，韓 建，吉艷芝，張麗娟

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省城市森林健康技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000；

2.天域生態(tài)環(huán)境股份有限公司，上海 200082 )

城市森林在改善城市環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用，其美化城市、凈化空氣、減少灰塵和噪音、保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡等，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。森林土壤是植被生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，是保護(hù)森林環(huán)境的重要生態(tài)屏障，林區(qū)土壤的好壞直接關(guān)系到森林質(zhì)量及其生態(tài)服務(wù)功能的提供［1］。針對(duì)不同景觀林區(qū)進(jìn)行土壤肥力狀況調(diào)查，能夠更好地反應(yīng)林區(qū)土壤質(zhì)量差異。目前，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS 相結(jié)合的方法分析研究區(qū)域的土壤養(yǎng)分空間變異特征已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，該方法能夠有效解釋空間格局對(duì)土壤的影響，有利于探討土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子之間的關(guān)系，為森林土壤的合理規(guī)劃和利用提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支撐［2-3］。

土壤是全球陸地系統(tǒng)中最大的碳庫載體，在陸地碳循環(huán)研究中，土壤碳扮演著至關(guān)重要的角色［4］，森林土壤中的碳約占全球土壤有機(jī)碳的73%，輸出碳庫的主要過程之一就是土壤CO2的排放［5］，森林土壤碳儲(chǔ)量及碳排放的變化會(huì)對(duì)全球碳循環(huán)和氣候有著重要的影響［6］。

河北雄安新區(qū)是國家級(jí)新區(qū)，，所以新區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工作引起各界重視。研究此區(qū)域土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化及影響因素，土壤肥力狀況及碳儲(chǔ)量、碳通量可為今后“千年秀林”的建設(shè)與管理提供支撐，進(jìn)而提升其生態(tài)服務(wù)功能，推進(jìn)雄安新區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和維護(hù)國家生態(tài)安全。

本文通過繪制雄安新區(qū)“千年秀林”9 號(hào)地一區(qū)土壤肥力空間分布圖，明確各景觀類型的土壤肥力狀況，結(jié)合土壤碳儲(chǔ)量、碳通量及其與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，探明影響土壤碳儲(chǔ)量及碳通量的主要因素，充分發(fā)揮“千年秀林”地區(qū)生態(tài)效益功能，以期為以后城市森林的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省雄安新區(qū)平王鄉(xiāng)鎮(zhèn)及雄州鎮(zhèn)兩鎮(zhèn)交界，南側(cè)緊鄰白洋淀水域，總面積332.31 hm2。林區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均氣溫11.7 ℃，最高月（月）平均氣溫26 ℃，年日照2 685 h，年平均降雨量 551.5 mm。無霜期 185 d 左右。

“千年秀林”工程于2017 年正式啟動(dòng)，9 號(hào)地一區(qū)是造林的先期啟動(dòng)地塊。林區(qū)5 大景觀類型林區(qū)基本同時(shí)開始建設(shè)，采取多種混交模式，以打造近自然異齡復(fù)層混交林為主。生態(tài)基礎(chǔ)林是指此林區(qū)多種植常綠闊葉混交林；多彩花林是指此林區(qū)在大面積種植開花亞喬木的基礎(chǔ)上搭配常綠樹種；森林草原是指在常綠落葉混交林中設(shè)置林間草地；森林果園是在常綠落葉混交林中設(shè)置果園；近自然林是保留了一部分當(dāng)?shù)卦挤N植的植被，其他區(qū)域使用常綠闊葉混交林填補(bǔ)。景觀中所涉及到的常綠闊葉混交林的種植密度為705 株/hm2，常綠樹種的種植密度為795 株/hm2，開花亞喬木的種植密度為1 590 株/hm2，蘋果、梨、桃、柿的種植密度為1 500 株/hm2，原始種植的植被多為當(dāng)?shù)鼐用穹N植的楊樹，種植密度不一。由于建設(shè)“千年秀林”所需樹苗數(shù)量較多，來源無法統(tǒng)一，無法確定各標(biāo)段具體苗齡，大部分樹苗苗齡多集中在5 ～7 年。

1.2 土壤綜合肥力評(píng)價(jià)

1.2.1 土壤樣品采集與測(cè)定 造林前土壤樣品的采集：造林時(shí)在5 個(gè)景觀林區(qū)未種植被的空地采用隨機(jī)布點(diǎn)的方式采集0 ～30 cm 土壤樣品，樣本數(shù)量具體為：生態(tài)基礎(chǔ)林6 個(gè)、多彩花林9 個(gè)、森林草原8 個(gè)、森林果園9 個(gè)和近自然林8 個(gè)，共計(jì)40 個(gè)。

造林后土壤樣品的采集：2020 年9 月在5 個(gè)景觀林分種植區(qū)采用隨機(jī)布點(diǎn)的方式采集0 ～30 cm土壤樣品，樣本數(shù)量具體為：生態(tài)基礎(chǔ)林16 個(gè)、多彩花林26 個(gè)、森林草原19 個(gè)、森林果園19 個(gè)和近自然林20 個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)100 個(gè)。

以上采樣點(diǎn)均利用奧維地圖定位并記錄（圖1）。在每個(gè)樣點(diǎn)使用土鉆采集1 kg 左右土樣，裝入封口袋做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室；同時(shí)另取1 份200 g 左右新鮮土樣放入冰盒4 ℃冷藏遮光保存帶回實(shí)驗(yàn)室，過篩去除石塊、動(dòng)植物殘?bào)w等備用，用于微生物量碳氮的測(cè)定；在0～30 cm 土層中間位置取環(huán)刀測(cè)定土壤含水率及容重；將1 kg 左右土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，撿去石塊、動(dòng)植物殘?bào)w，自然風(fēng)干并研磨，分別過2、1 和0.25 mm 篩備用，過1 mm 篩的土樣用于蔗糖酶和過氧化氫酶活性的測(cè)定。

圖1 造林前（a）、造林后（b）采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling sites beforeafforestation(a)、after afforestation(b)

測(cè)定項(xiàng)目及造林前土壤肥力狀況如表1 表2 所示，測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》及中國團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)［7-9］。

表1 造林前不同景觀類型土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分狀況Table 1 Soil organic matter and nutrient status in different landscape types before planting

表2 造林前不同景觀類型土壤生物與物理性狀及綜合肥力指數(shù)Table 2 Biological and physical characteristics and comprehensive fertility index of soil in different landscape types before planting

1.2.2 土壤綜合肥力評(píng)價(jià)及空間分布圖的繪制采用主成分分析法對(duì)雄安“千年秀林”土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［10］。首先應(yīng)用極差變換法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再應(yīng)用SPSS 軟件通過因子分析首先得出各參評(píng)土壤指標(biāo)主成分特征值和特征向量，根據(jù)特征值＞1 選為關(guān)鍵主成分，計(jì)算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各樣點(diǎn)土壤肥力綜合分值。此外，由于土壤容重在1.14～1.26 g/cm3時(shí)有利于根系的生長，過大或過小都不利于植物的生長，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值應(yīng)在1.14～1.26 g/cm3時(shí)最大，故對(duì)土壤容重的數(shù)據(jù)做特殊處理，具體方法如下［11］。

設(shè)定最適區(qū)間［c，d］=［1.14，1.26］，aj0=0.41為無法容忍下限，aj*=1.98 為無法容忍上限［12］

當(dāng)aij＜0.41 或aij＞1.98 時(shí)，bij=0

當(dāng)0.41≤aij＜1.14 時(shí)，bij=1-(1.14-aij)/(1.14-0.41)

當(dāng)1.14≤aij≤1.26 時(shí)，bij=1

當(dāng)1.26＜aij≤1.98 時(shí)，bij=1-(aij-1.26)/(1.98-1.26)

運(yùn)用ArcGIS 10.2 將樣點(diǎn)的土壤肥力指標(biāo)及綜合分值進(jìn)行克里金插值，其中土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、含水率、微生物量碳、微生物量氮、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性插值均劃分為6 個(gè)等級(jí)，容重劃分為3 個(gè)等級(jí)，將土壤肥力綜合指數(shù)分為4 個(gè)等級(jí)（＞0.5 為1 級(jí)、0 ～0.5 為2 級(jí)、-0.5 ～0 為3 級(jí)、＜-0.5 為4 級(jí)），進(jìn)而繪制“千年秀林”土壤各肥力指標(biāo)及綜合分值空間分布圖。

1.3 土壤碳通量與碳儲(chǔ)量

在不同景觀林區(qū)土壤采樣點(diǎn)附近（具體分布見圖1），使用LI-8100 土壤呼吸儀測(cè)定碳通量季節(jié)變化，季節(jié)變化測(cè)定時(shí)間為春（2021 年4 月）、夏（2021 年7 月）、秋（2021 年10 月）3 季，每天測(cè)定時(shí)段為9:00—11:00，因冬季土壤處于凍土期，CO2排放幾乎為零，不予測(cè)定［13-14］。測(cè)定前將半徑10 cm 的PVC 土壤環(huán)提前24 h 打入土中，出露地表5 cm，在不擾動(dòng)土壤的前提下清除表面植物及枯落物。同時(shí)在LI-8100 土壤呼吸儀上安裝土壤水分及土壤溫度探頭，在測(cè)定碳通量的同時(shí)采集土壤溫度及土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。

本研究利用日均土壤碳通量換算季度土壤CO2通量，進(jìn)而估算全年土壤CO2排放量［13,15］。計(jì)算公式為：

式中：Fluxci—各季節(jié)日均排放量（μmol/m2·s）

12—碳的摩爾質(zhì)量

60×60×24—換算為1 d 的排放量

10-5—換算系數(shù)（包括μmol 換算為mol，10-3；g 換算為t，10-6；m2換算為hm2，104）

n—各季節(jié)的自然天數(shù)

單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量為有機(jī)碳含量、容重、樣品采集土層厚度（30 cm）的乘積［16］。

單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量

(t/hm2)=SOC×ρb×H×10-1

式中：SOC—土壤有機(jī)碳含量（g/kg）

Ρb—土壤容重（g/cm3）

H—土壤厚度（30 cm）

10-1—換算系數(shù)（包括土壤有機(jī)碳換算為每g 土的含量，10-3；g 換算為t，10-6；cm2換算為hm2，108。）

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel2020、ArcGIS10.1進(jìn)行繪圖，SPSS21.0對(duì)不同景觀、樹種間土壤理化指標(biāo)進(jìn)行方差分析并對(duì)林區(qū)土壤碳通量及土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林區(qū)土壤肥力狀況及其空間分布

2.1.1 林區(qū)土壤養(yǎng)分狀況及其空間分布 由表3 可知，森林果園土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其余景觀；生態(tài)基礎(chǔ)林的土壤堿解氮含量處于較高水平，顯著高于其余景觀；土壤有效磷含量表現(xiàn)為生態(tài)基礎(chǔ)林最高，森林果園次之，多彩花林最低；土壤速效鉀含量則是近自然林最高，與其余景觀差異顯著；森林草原、森林果園的土壤有效鐵含量顯著低于其他景觀；生態(tài)基礎(chǔ)林、多彩花林、森林果園3 地土壤有效錳含量較高；土壤有效銅以近自然林含量最高，多彩花林和森林草原含量較低；生態(tài)基礎(chǔ)林、森林果園、近自然林的有效鋅含量顯著高于多彩花林、森林草原兩地。

表3 不同景觀類型土壤養(yǎng)分狀況比較Table 3 Comparison of soil nutrient status among different landscape types

如圖2 所示，林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在13 ～18 g/kg范圍內(nèi)，東北部區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，基本處于16 ～18 g/kg；東北部區(qū)域堿解氮含量顯著低于其他區(qū)域，西部及南部區(qū)域大都處于40 mg/kg 以上；土壤有效磷大部分區(qū)域分布在30 mg/kg 以上，北部區(qū)域含量較高；土壤速效鉀含量區(qū)域變化顯著，由北到南呈逐漸降低的趨勢(shì)。

圖2 不同土壤養(yǎng)分狀況空間分布Fig.2 Spatial distribution of different soil nutrient status

土壤有效鐵西北部及南部區(qū)域含量較高，東北部區(qū)域則小于8 mg/kg，含量較低；各區(qū)域有效錳含量差異不大，均在6 ～10 mg/kg，僅西南部小部分區(qū)域含量低于6 mg/kg；土壤有效銅含量的區(qū)域變化較為顯著，由北向南含量逐漸增加；土壤有效鋅含量西北部區(qū)域最高，東北部偏低，南部區(qū)域有效鋅含量差異較小，均在0.75 ～1.25 mg/kg 之間。

2.1.2 土壤質(zhì)地、容重、儲(chǔ)水量及其空間分布由表4 可知，各景觀類型土壤質(zhì)地均為砂質(zhì)壤土。其中多彩花林的平均土壤容重為1.37 g/cm3，高于生態(tài)基礎(chǔ)林（1.26 g/cm3），其余景觀類型則在1.29 ～1.32 g/cm3之間。土壤儲(chǔ)水量則為多彩花林景觀土壤最低，生態(tài)基礎(chǔ)林和近自然林景觀林區(qū)較高。

表4 不同景觀類型土壤質(zhì)地、容重、儲(chǔ)水量比較Table 4 Comparison of soil texture, bulk density and water storage among different landscape types

由圖3 可知，林區(qū)土壤容重多在1.25 ～1.35 g/cm3間，只有西部區(qū)域小部分高于1.35 g/cm3；土壤儲(chǔ)水量方面，林區(qū)南部的儲(chǔ)水量較高，在80 mm 以上，西部部分區(qū)域小于70 mm；土壤質(zhì)地方面，大部分區(qū)域土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，南部區(qū)域多為壤土，僅西北區(qū)域小部分為壤質(zhì)砂土。

圖3 不同土壤質(zhì)地、容重、儲(chǔ)水量空間分布Fig.3 Spatial distribution of different soil texture, bulk density and water storage

2.1.3 土壤微生物碳氮、酶活及其空間分布 表5為不同景觀類型下土壤生物學(xué)性質(zhì)，各處理間微生物量碳及蔗糖酶活性差異顯著（P＜0.05），而微生物量氮、過氧化氫酶活性方面無顯著差異（P＞0.05）。其中多彩花林的微生物量碳含量最高，近自然林最低，二者均與其余景觀類型達(dá)差異顯著；蔗糖酶活性方面則為生態(tài)基礎(chǔ)林最高，森林草原和近自然林活性較差。

表5 不同景觀類型土壤微生物碳氮、酶活比較Table 5 Comparison of soil microbial carbon, nitrogen and enzyme activities in different landscape types

如圖4 所示，林區(qū)土壤微生物量碳含量均在100 mg/kg 以上，西北部區(qū)域含量較高，在150 mg/kg以上；微生物量氮方面，大部分區(qū)域含量在40 ～50 mg/kg 以上，西南區(qū)域含量最低；林區(qū)僅有少部分零散區(qū)域的蔗糖酶活性較高，在25 mg/g 以上，其他大部分區(qū)域的蔗糖酶活性在10 ～20 mg/g；過氧化氫酶活性除多彩花林西北部、森林果園東北部和近自然林中部含量較低外，其他區(qū)域的過氧化氫酶活性均大于4 mL/g。

圖4 不同土壤微生物碳氮、酶活空間分布Fig.4 Spatial distribution of carbon, nitrogen and enzyme activities of soil microorganisms

2.1.4 綜合肥力空間分布 本研究中所有土樣數(shù)據(jù)的KMO 統(tǒng)計(jì)量為0.632，Bartlett 的球形檢驗(yàn)值小于0.001，說明數(shù)據(jù)符合主成分分析要求，根據(jù)特征值大于1 的原則篩選出的6 種主成分解釋了75.80%的結(jié)果。綜合得分范圍在-0.68～1.08 之間，依據(jù)綜合得分范圍，將土壤肥力劃分為如下4 個(gè)等級(jí)：1 級(jí)（F＞0.5）、2 級(jí)（0＜F＜0.5）、3 級(jí)（-0.5＜F＜0）和4 級(jí)（F＜-0.5）。

雄安“千年秀林”綜合肥力等級(jí)的空間分布如圖5 所示，西北部區(qū)域生態(tài)基礎(chǔ)林的綜合肥力得分較高，土壤綜合肥力等級(jí)均為2 級(jí)及以上；林區(qū)大部分土壤綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為2 ～3 級(jí)，占地面積最大，均分布于多彩花林、森林草原、森林果園及近自然林景觀；近自然林極少數(shù)區(qū)域土壤肥力得分＜-0.5，綜合肥力較差。各景觀類型土壤綜合肥力得分較本底值均有提升。

圖5 土壤綜合肥力指數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil comprehensive fertility index

2.2 碳通量特征及相關(guān)性分析

2.2.1 碳儲(chǔ)量與碳通量 由表6 可知，多彩花林、森林草原、近自然林3 大景觀林區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相對(duì)于原始儲(chǔ)量有一定的提升，但生態(tài)基礎(chǔ)林和森林果園林區(qū)碳儲(chǔ)量略低于原始儲(chǔ)量。各景觀CO2年排放通量由高到低依次為森林果園＞森林草原＞近自然林＞多彩花林＞生態(tài)基礎(chǔ)林。林區(qū)整體季節(jié)碳排放為15.61 t/hm2。其中夏季碳排放量最大，為9.44 t/hm2；其次為秋季(4.33 t/hm2)和春季(1.84 t/hm2)。

表6 不同景觀類型土壤碳儲(chǔ)量及碳排放Table 6 Soil carbon storage and carbon emission in different landscape types

2.2.2 碳通量、碳儲(chǔ)量與土壤肥力相關(guān)性 通過對(duì)林區(qū)不同景觀的土壤碳通量、碳儲(chǔ)量與土壤肥力相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析（圖6），結(jié)果表明，土壤碳通量與土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物量碳含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為r=0.236*、r=0.300*；土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重、土壤蔗糖酶呈顯著正相關(guān)。其他土壤肥力性質(zhì)均未表現(xiàn)出與碳通量、碳儲(chǔ)量顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖6 土壤碳通量（a）、碳儲(chǔ)量（b）與土壤肥力相關(guān)分析Fig.6 Correlation analysis of soil carbonflux(a)、carbon reserve(b)and soil fertility

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)雄安新區(qū)“千年秀林”9 號(hào)地一區(qū)綜合肥力空間分布狀況分析得出，生態(tài)基礎(chǔ)林土壤堿解氮、有效磷、有效錳、有效鋅含量均高于其余景觀，主成分分析綜合肥力指數(shù)顯示生態(tài)基礎(chǔ)林土壤均處于2 級(jí)及以上水平，土壤肥力提升效果最佳。

（2）多彩花林、森林草原、近自然林三大景觀林區(qū)土壤的固碳能力略有提升，但生態(tài)基礎(chǔ)林和森林果園林區(qū)碳儲(chǔ)量略低于原始儲(chǔ)量。

（3）不同景觀林區(qū)土壤碳通量均為夏季高，春秋低。CO2排放速率表現(xiàn)為森林果園＞森林草原＞近自然林＞多彩花林＞近自然林，這與土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物量碳含量指標(biāo)含量顯著相關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)此區(qū)域生態(tài)基礎(chǔ)林景觀在提升土壤綜合肥力方面效果顯著，而多彩花林能夠在增加土壤固碳能力的同時(shí)減少土壤碳排放，因此建議9 號(hào)地塊進(jìn)行林地管理時(shí)在其他景觀合理混植春季開花的亞喬木或灌木，后期建設(shè)的其他地塊也應(yīng)考慮打造生態(tài)基礎(chǔ)林、多彩花林景觀。雄安“千年秀林”大部分林區(qū)土壤的固碳能力略有提升。今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)林區(qū)土壤條件的監(jiān)測(cè)以優(yōu)化林區(qū)管理，提高林區(qū)土壤固碳能力。此外，本研究明確了不同景觀林區(qū)碳通量及其影響因素，發(fā)現(xiàn)林區(qū)土壤碳通量除受土壤水熱條件的影響外，景觀類型、植被種類對(duì)土壤呼吸也有一定的影響，因此關(guān)于不同景觀類型的土壤異養(yǎng)呼吸以及不同植物根系呼吸的研究還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。