深圳丘陵地帶不同植被類型森林土壤有機(jī)碳組分和團(tuán)聚體分布特征研究

袁峰均，史正軍，曾 偉，潘 松

(1. 深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園，廣東 深圳 518004； 2. 深圳城市森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣東 深圳 518004)

土壤是陸地生物圈中最大的碳庫。據(jù)估計，1 500 Pg碳以有機(jī)質(zhì)的形式儲存在土壤中，是大氣或陸地植被的3倍[1]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地上最大的碳源和碳匯[2]。其中，森林土壤碳儲量占整個森林生態(tài)系統(tǒng)的32%～84%，其微小的變化都會對大氣CO2濃度產(chǎn)生顯著影響[3]。土壤團(tuán)聚體作為土壤有機(jī)碳的主要儲集層，為有機(jī)碳提供物理保護(hù)，是土壤固碳的重要機(jī)制[4-5]。有機(jī)碳與礦物結(jié)合有助于防止碳的分解，從而有利于碳的固定[6]。此外，其他研究表明，微團(tuán)聚體(<0.25 mm)是影響有機(jī)碳儲存和穩(wěn)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，微團(tuán)聚體中的碳在物理或化學(xué)上會被排除在土壤環(huán)境中的微生物攻擊或酶反應(yīng)之外[7-8]。因此，明確森林土壤有機(jī)碳組分和團(tuán)聚體分布特征顯得尤為重要。目前，已有不少學(xué)者對森林土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體分布特征進(jìn)行了研究，但主要著眼于具體的某一種樹木，而對大面積不同植被類型下的有機(jī)碳組分和團(tuán)聚體分布特征知之甚少。因此，以深圳市典型丘陵地帶針葉林、闊葉人工林和次生闊葉林為研究對象，對土壤有機(jī)碳組分和團(tuán)聚體含量進(jìn)行了分析，以期獲得對不同森林植被類型下土壤有機(jī)碳組分和團(tuán)聚體分布特征的系統(tǒng)認(rèn)識，為摸清該地區(qū)森林土壤結(jié)構(gòu)形成及其碳氮穩(wěn)定機(jī)制提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

深圳市位于東經(jīng)113°46′～114°37′，北緯22°27′～22°52′，屬于亞熱帶海洋性氣候。地勢東南高、西北低，地貌以低山丘陵為主，其次為平緩的臺地和濱海平原。土壤有10個土類15個亞類，主要為赤紅壤、紅壤、黃壤及濱海沙土等，成土母巖主要為花崗巖和砂頁巖。該區(qū)域平均氣溫22.5 ℃，降雨豐富，其地帶性植被為濱海型南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，現(xiàn)有主要森林植被包括藜蒴栲(Castanopsisfiss)、桉樹(Eucalyptussp.)、厚莢相思(Acaciacrassicarpa)、臺灣相思(Acaciaconfuse)等闊葉(混交)林，馬尾松(Pinusmassoniana)、濕地松(Pinuselliottii)、杉木(Cunninghamialanceolata)等針葉(混交)林，木欖(Bruguieragymnorhiza(L.) Lam.)等紅樹林，以崗松(Baeckeafrutescens)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)為代表的灌木植被和以芒箕(Dicranopterisdichotoma)、蕨類(Pteridumaquilinum)、大芒(D.amplaChing et Chiu)為代表的草本群落及竹林(Bambusoidese)。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

根據(jù)各植被類型面積，結(jié)合林地狀況的復(fù)雜性，確定調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)。每一種植被類型樣點(diǎn)數(shù)不少于10個，總計70個調(diào)查樣點(diǎn)，基本情況見表1。采用隨機(jī)抽樣方法布設(shè)樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)挖取土壤剖面，按0～10 cm和>10～30 cm劃分土層，自下而上采集土壤樣品，帶回實(shí)驗室。去除植物殘茬，風(fēng)干后，一部分磨碎，分別過1.00 mm孔徑(20目)和0.149 mm孔徑(100目)的篩子，混勻保存，用于土壤基本養(yǎng)分和有機(jī)碳組分測定；另一部分原狀土用于土壤團(tuán)聚體含量測定。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic properties of study plots

2.2 項目測定與方法

對土壤基本理化性質(zhì)采用魯如坤的方法[9]測定；土壤團(tuán)聚體組分采用干篩法[10]測定；有機(jī)碳組分采用改進(jìn)后的Chan等人介紹的方法[11]測定。具體而言，稱取3份土壤(0.15 mm)0.200 0～0.500 0 g于250 mL錐形瓶，分別加入10 mL 0.167 mol/L K2Cr2O7和5、10、20 mL濃硫酸，反應(yīng)液酸度分別為6、9、12 mol/L。待反應(yīng)后，用1.0 mol/L FeSO4滴定，最終得到被氧化能力依次降低的有機(jī)碳組分，包括活性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳和穩(wěn)定有機(jī)碳。其中，活性有機(jī)碳=6 mol/L H2SO4可氧化有機(jī)碳；易氧化有機(jī)碳=9 mol/L H2SO4可氧化有機(jī)碳—6 mol/L H2SO4可氧化有機(jī)碳；惰性有機(jī)碳=12 mol/L H2SO4可氧化有機(jī)碳—9 mol/L H2SO4可氧化有機(jī)碳；穩(wěn)定有機(jī)碳=總有機(jī)碳—12 mol/L H2SO4可氧化有機(jī)碳。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel 2013處理，SPSS 20.0進(jìn)行方差分析和顯著性分析，Origin 9.0和R軟件作圖。試驗數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比較采用Duncan法，且P<0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型丘陵地帶森林土壤理化性質(zhì)

分析可知，不同植被類型丘陵地帶森林土壤養(yǎng)分含量存在差異(表2)。闊葉人工林表層土壤(0～10 cm)的有機(jī)質(zhì)和全氮含量與次生闊葉林間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，且均以次生闊葉林土壤最高(21.84和1.44 g/kg)。然而，亞表層(>10～30 cm)土壤養(yǎng)分在不同植被類型間的差異均未達(dá)到顯著水平，pH、有機(jī)質(zhì)和全氮含量表現(xiàn)為：針葉林>次生闊葉林>闊葉人工林；電導(dǎo)率則表現(xiàn)為：次生闊葉林>針葉林>闊葉人工林。

表2 土壤理化性質(zhì)Tab.2 Soil physicochemical properties

3.2 不同植被類型丘陵地帶森林土壤有機(jī)碳組分

分析可知，表層土壤有機(jī)碳組分均高于亞表層，且以活性有機(jī)碳含量最高(圖1)。其中，活性有機(jī)碳含量與易氧化有機(jī)碳趨勢一致，表層含量均表現(xiàn)為：次生闊葉林>闊葉人工林>針葉林；亞表層則表現(xiàn)為：針葉林>次生闊葉林>闊葉人工林。此外，惰性有機(jī)碳含量在兩個土層上表現(xiàn)一致，均以次生闊葉林最高(2.39、1.12 g/kg)，闊葉人工林最低(1.76、0.92 g/kg)。表層土壤的穩(wěn)定有機(jī)碳含量以闊葉人工林最高(3.09 g/kg)，是其余植被類型的1.26和1.11倍，而亞表層以針葉林最高(1.81 g/kg)。

圖1 土壤有機(jī)碳組分Fig.1 Soil organic carbon fractions

3.3 不同植被丘陵地帶森林土壤團(tuán)聚體粒徑分布

不同植被類型土壤力穩(wěn)性團(tuán)聚體的差異見圖2。

圖2 土壤團(tuán)聚體粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of soil aggregates

兩層土壤>5 mm團(tuán)聚體含量差異微弱。具體而言，表層土壤團(tuán)聚體含量在不同植被類型間的差異主要體現(xiàn)在微團(tuán)聚體上(<0.25 mm)，針葉林與次生闊葉林間差異顯著(P<0.05)，其余團(tuán)聚體組分間差異均不顯著。此外，亞表層土壤團(tuán)聚體差異不僅體現(xiàn)在微團(tuán)聚體上，其1～2 mm粒徑含量在闊葉人工林和次生闊葉林間差異顯著。

3.4 土壤有機(jī)碳組分與理化性質(zhì)、團(tuán)聚體間的相關(guān)性

土壤有機(jī)碳組分與理化性質(zhì)間的相關(guān)性在兩層土壤中略有差異(圖3)。除表層土壤的電導(dǎo)率與惰性有機(jī)碳間的相關(guān)性外，兩層土壤的電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和全氮含量與4種有機(jī)碳組分均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。此外，表層土壤活性有機(jī)碳與>10 mm團(tuán)聚體顯著正相關(guān)，而活性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳均與>2～5 mm團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)；亞表層土壤惰性有機(jī)碳與>10 mm團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

4 討論

土壤微團(tuán)聚體的形成機(jī)制主要是礦物表面與有機(jī)質(zhì)的相互作用，微團(tuán)聚體又以植物源多糖、真菌菌絲和根為結(jié)合劑結(jié)合成大團(tuán)聚體[12-13]。大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定與土壤有機(jī)碳含量和微生物，特別是真菌的生物量呈正相關(guān)[14-15]。由于降水和溫度隨海拔變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化，導(dǎo)致植被類型分布格局存在明顯差異[16-17]。Jia等[18]研究發(fā)現(xiàn)，海拔越高，氣候越冷、越潮濕，越有利于大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，而微團(tuán)聚體減少。這與本研究結(jié)果不一致。本研究中，樣點(diǎn)平均海拔和平均坡度均表現(xiàn)為：闊葉人工林>次生闊葉林>針葉林。然而，兩層土壤的微團(tuán)聚體均表現(xiàn)為：次生闊葉林>闊葉人工林>針葉林。造成差異的原因可能是本研究區(qū)域位于深圳市，樣點(diǎn)最高海拔僅為894 m，且多數(shù)樣點(diǎn)海拔小于200 m，人為干擾作用較強(qiáng)，植被類型分布格局隨海拔變化不明顯。程歡等[19]研究表明，四川盆地西南緣巨桉人工林、杉木人工林、馬尾松次生林土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均以大團(tuán)聚體(>0.25 mm)為主，這與本研究結(jié)果一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，針葉林表層土壤活性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量均最低，闊葉林較高，這是因為闊葉林凋落物含有更易分解的化合物(如糖)，而針葉凋落物含有更多的抗腐化合物(如木質(zhì)素、鞣質(zhì))，使生物降解更加困難[18]。同時，被微生物分解并融入土壤的植物凋落物也有助于土壤有機(jī)碳的礦化[20]。

土壤有機(jī)碳的礦化率受溫度、含水量、碳輸入和微生物等多種因素的控制，以二氧化碳和其他營養(yǎng)物質(zhì)的形式釋放碳，并被植物吸收[21-22]。其中，微生物的生物量和活性以及不穩(wěn)定有機(jī)碳含量是決定累積礦化碳的主要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)與有機(jī)碳組分呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，且以活性有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)和全氮含量相關(guān)性最高。土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量越高，越有可能被礦化。此外，土壤碳礦化與團(tuán)聚體關(guān)系密切，影響土壤團(tuán)聚體的因素都將影響土壤碳礦化，特別是團(tuán)聚體粒徑的改變將影響土壤有機(jī)碳礦化速率[23]。周純亮等[24]研究了杉木林、濕地松林、毛竹林和次生林4種森林土壤不同發(fā)生層水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布特征，發(fā)現(xiàn)不同森林類型對>5 mm和2～5 mm團(tuán)聚體含量影響顯著(P<0.05)，其他粒徑無顯著差異；同土層不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量隨粒徑大小變化，團(tuán)聚體粒徑越小，有機(jī)碳含量越高。孫穎等[25]研究表明，原始紅松林土壤重組有機(jī)碳比例達(dá)到77.0%，顯著高于楊樺次生林，且前者土壤有機(jī)碳更穩(wěn)定。于法展等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在同一土層下黃山松林的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最大，常綠闊葉林最小，馬尾松林、玉山竹林和黃山松林的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳變化較明顯。在本研究中，有機(jī)碳組分主要與>10 mm和2～5 mm團(tuán)聚體顯著相關(guān)，這與周純亮等[24]的研究結(jié)論存在差異，可能是因為研究區(qū)域和植被類型不一致。研究區(qū)域不同，海拔、降水量和氣溫等存在明顯的差異；而植被類型的差異則會導(dǎo)致凋落物、根系形態(tài)、分泌物、土壤微環(huán)境的顯著差異，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的礦化速度、土壤相關(guān)性質(zhì)及其相互作用。

5 結(jié)論

深圳丘陵地帶不同植被類型森林土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳組分和團(tuán)聚體含量存在顯著差異。其中，表層土壤養(yǎng)分含量以次生闊葉林最高，亞表層以針葉林肥力狀況最佳。不同植被類型土壤各有機(jī)碳組分均存在差異，表層土壤有機(jī)碳組分均高于亞表層，且以活性有機(jī)碳含量最高。此外，不同植被類型土壤間的差異主要體現(xiàn)在微團(tuán)聚體和/或1～2 mm團(tuán)聚體上，且土壤養(yǎng)分是有機(jī)碳礦化的關(guān)鍵因子。