西洞庭湖自然保護區(qū)楊樹人工林種植與清理對土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

陳冠宇，靖 磊

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410004）

濕地土壤碳庫儲存著豐富的有機碳，其含量的微小變化不僅會改變土壤中的碳通量，還會影響CO2、CH4等溫室氣體的排放。土壤有機碳（Soil Organic Carbon，SOC）的累積很大程度上受人類活動的影響[1]。土地利用方式（開墾、采伐）的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致濕地地表凋落物的輸入率和分解率之間存在差異，進而影響濕地土壤有機碳儲量[2]。因此，評估人類活動對于濕地土壤碳庫的影響對于維持濕地土壤SOC 的收支平衡具有重要意義。

SOC 的穩(wěn)定性可能會影響不同土地利用類型下濕地土壤的碳匯，因此提高SOC 的穩(wěn)定性比提高濕地土壤碳儲量更重要。通過13C 核磁共振技術(shù)測定SOC 的化學(xué)組成，可以對不同土地利用方式下土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)進行定量和定性分析。以往的研究表明，土壤官能團的動態(tài)變化會影響土壤碳庫的穩(wěn)定性[3]。一般來說，在SOC 的化學(xué)組成中，烷氧基碳最不穩(wěn)定，極易被微生物分解，而烷基碳的抗分解的能力較強。因此，烷基碳與烷氧基碳的比值常被用來反映土壤有機碳的抗分解能力[4]。芳香碳相對含量的提高會增加土壤有機碳的分解難度[5]。此外，穩(wěn)定的團聚體可以保護土壤有機碳免受微生物的分解。故研究不同粒徑組分團聚體相關(guān)有機碳的化學(xué)組成，有助于進一步了解土壤有機碳的變化特征。目前已知的有關(guān)土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的研究多集中在森林、草地、農(nóng)田等陸地生態(tài)系統(tǒng)，對于季節(jié)性湖泊濕地的研究較少。

洞庭湖是我國第二大淡水湖，也是長江流域僅有的2 個大型通江湖泊之一，在維持區(qū)域生態(tài)平衡、保護生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，由于人類活動和土地利用方式的改變，洞庭湖濕地生境嚴(yán)重退化。為緩解因栽植黑楊而導(dǎo)致的土壤容重增加、生態(tài)景觀破碎等問題，湖南省人民政府于2017 年對洞庭湖實行生態(tài)退楊。截至2022 年底，湖區(qū)內(nèi)的黑楊已被全部清理，濕地處于自然恢復(fù)的過程。此次以西洞庭湖自然保護區(qū)為研究對象，通過分析4 種土地利用類型下土壤有機碳及其團聚體相關(guān)有機碳的化學(xué)組成和相關(guān)系數(shù)，探討了楊樹人工林種植與清理對于濕地SOC 穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于湖南省漢壽縣西洞庭湖自然保護區(qū)，地理位置為東經(jīng)111°57′～112°17′，北緯28°47′～29°07′，該區(qū)地勢平坦，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。湖區(qū)的面積和水位隨季節(jié)性降雨的變化而變化，表現(xiàn)為雨季（5—10月）和旱季（11月至翌年4月），年平均氣溫17 ℃，年平均降水量1 331 mm。

1.2 野外調(diào)查和土壤樣品采集

2020 年12 月，在湖南省漢壽縣西洞庭湖自然保護區(qū)進行樣品采集，選取4 塊具有相同立地條件和高程的地塊作為試驗樣地，分別為蘆葦?shù)兀–K）、9 年楊樹林地（P9）、3 年楊樹采伐跡地（D3）和6 年楊樹采伐跡地（D6），樣地中所有黑楊采伐前的林齡均為9～10 年。在蘆葦?shù)刂须S機設(shè)置3 個相鄰的30 m×20 m 大樣方，每個大樣方沿對角線設(shè)置3 個小樣方。在楊樹林地和楊樹采伐跡地中選取3 條平行但不相鄰的壟進行取樣，相鄰的壟相距6～8 m，每條壟上設(shè)置3 個2 m×2 m 的小樣方。共在4 種土地利用類型的表層土壤（0～20 cm）中取樣36 個。

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤團聚體分級

采用濕篩法根據(jù)顆粒直徑（D）將水穩(wěn)性團聚體分離成4 個組分：大型宏觀團聚體（LMA，D ＞2 mm）、小型宏觀團聚體（SMA，0.25 mm ＜D ≤2.00 mm）、微觀團聚體（MA，粒徑直徑在0.053 mm ＜D ≤0.25 mm）及粉粘粒團聚體（CAS，D ≤0.053 mm）。

1.3.2 土壤SOC 化學(xué)分組

通過固體CP-MAS13C-NMR 波譜檢測濕地表層土壤（0～20 cm）有機碳及團聚體相關(guān)SOC 的化學(xué)組成，根據(jù)化學(xué)相對位移將土壤SOC 官能團分為4 個區(qū)域：0 ppm ＜δ≤50 ppm 為烷基碳，50 ppm ＜δ≤110 ppm 為烷氧基碳，110 ppm ＜δ≤165 ppm 為芳香碳，165 ppm ＜δ≤190 ppm 為羧基碳。每個C 官能團由13C 核磁共振指定波譜的信號強度積分確定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過MestReNova 對固體CP-MAS13C-NMR 波譜進行解譜，用Origin 2021 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

不同濕地土地利用類型表層土壤有機碳的化學(xué)組成存在一定差異，如圖1 所示。在整個表層土壤有機碳的化學(xué)組成中，烷氧基碳的含量在不同濕地土地利用類型中最為豐富，CK 和P9 的烷氧基碳和芳香碳含量均低于D3 和D6，烷基碳在CK 和P9 土壤中的含量高于D3 和D6。羧基碳在各土地利用類型表層土壤中的分布并不明顯。SOC 在不同粒徑組分中的化學(xué)組成表現(xiàn)出相似的變化趨勢，如圖2 所示。

圖1 表層土壤（0～20 cm）有機碳化學(xué)組成

圖2 不同粒徑團聚體相關(guān)有機碳的化學(xué)組成

總體而言，CK 和P9 表層土壤及其粒徑組分的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/親水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于D3 和D6（表1），芳香性（Aromaticity）在4 種土地利用類型表層土壤中的含量則表現(xiàn)出相反的變化趨勢。

表1 4 種濕地土地利用類型土壤總有機碳及其粒度組分的指標(biāo)

3 結(jié)論與討論

結(jié)果表明，蘆葦?shù)睾蜅顦淞值乇韺油寥溃?～20 cm）中的烷基碳含量高于3 年楊樹采伐跡地和6 年楊樹采伐跡地，烷氧基碳的含量則表現(xiàn)出相反的變化趨勢，原因可能在于土壤地表植被類型及凋落物化學(xué)組成的差異影響了輸入土壤中的有機質(zhì)的質(zhì)量。1）土地利用方式的變化改變了土壤微生物的生存環(huán)境，影響了SOC 的分解速率。2）楊樹清理導(dǎo)致的地表凋落物分解所產(chǎn)生的木質(zhì)素及單寧的累積可能是令楊樹清理后土壤芳香碳含量較高的原因[6]。

3 年楊樹采伐跡地和6 年楊樹采伐跡地土壤有較低的A/OA 值可能是因為楊樹清理降低了地表凋落物中纖維素和半纖維素的分解速率，減緩了土壤中碳水化合物的分解以及脂肪族化合物的還原[7]。蘆葦?shù)睾蜅顦淞值氐耐寥廊霛B能力較低可能是導(dǎo)致其疏水碳與親水碳的比值（HB/HI）較高的主要原因。較高的脂肪化度可能導(dǎo)致蘆葦?shù)睾蜅顦淞值氐闹咎?芳香碳（Alip/Arom）高于楊樹清理后的土壤。

本研究探討了西洞庭湖自然保護區(qū)不同土地利用方式對土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，與楊樹清理后的土壤相比，蘆葦?shù)睾? 年楊樹林地?fù)碛懈蟮墓烫紳摿?。蘆葦?shù)睾? 年楊樹林地表層土壤的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/親水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于3 年楊樹采伐跡地和6年楊樹采伐跡地，表明蘆葦?shù)睾? 年楊樹林地表層土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。這些結(jié)果表明西洞庭湖自然保護區(qū)中的原生蘆葦?shù)睾? 年楊樹林地土壤更有助于SOC的累積。因此，在今后對于洞庭湖生態(tài)恢復(fù)措施的選擇中，不僅要考慮濕地土壤中的碳儲量，還應(yīng)考慮土地利用方式對于SOC 穩(wěn)定性的潛在影響。