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結構穩(wěn)定性的影響

陳冠宇 靖磊

摘 要 土壤有機碳（SOC）是濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的重要組成部分，其受人為活動的影響較大。目前，有關SOC的研究多集中于各個SOC組分含量的變化上，而利用13C核磁共振波譜技術反映SOC變化特征的研究較少。為了探究楊樹人工林種植與清理對土壤化學結構穩(wěn)定性的影響，選取西洞庭湖自然保護區(qū)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）4種土地利用類型的表層土壤（0～20 cm），通過固態(tài)13C核磁共振技術對土壤有機碳的化學組成進行分析。結果表明，1）CK和P9中的烷基碳含量高于D3和D6，烷氧基碳則表現(xiàn)出相反的變化趨勢；

2）CK和P9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?？梢?，蘆葦?shù)睾蜅顦淞值赝寥罁碛懈叩墓烫紳摿Γ窈笤诙赐ズ鷳B(tài)恢復措施的選擇中，不僅要考慮濕地土壤的碳儲量，還應考慮土地利用方式對SOC穩(wěn)定性的潛在影響。

關鍵詞 土壤有機碳（SOC）；穩(wěn)定性；變化特征；13C核磁共振（NMR）；西洞庭湖自然保護區(qū)

中圖分類號：S714.2；S151.9 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.06.079

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）的轉變會導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核磁共振技術測定SOC的化學組成，可以對不同土地利用方式下土壤化學結構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有機碳的化學組成，有助于進一步了解土壤有機碳的變化特征。目前已知的有關土壤化學結構變化的研究多集中在森林、草地、農田等陸地生態(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，洞庭湖濕地生境嚴重退化。為緩解因栽植黑楊而導致的土壤容重增加、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)內的黑楊已被全部清理，濕地處于自然恢復的過程。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有機碳的化學組成和相關系數(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機設置3個相鄰的30 m×20 m大樣方，每個大樣方沿對角線設置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化學分組

通過固體CP-MAS 13C-NMR波譜檢測濕地表層土壤（0～20 cm）有機碳及團聚體相關SOC的化學組成，根據化學相對位移將土壤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)據分析

通過MestReNova對固體CP-MAS 13C-NMR波譜進行解譜，用Origin 2021進行繪圖。

2 結果與分析

不同濕地土地利用類型表層土壤有機碳的化學組成存在一定差異，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組成表現(xiàn)出相似的變化趨勢，如圖2所示。

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。

3 結論與討論

結果表明，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組成的差異影響了輸入土壤中的有機質的質量。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）楊樹清理導致的地表凋落物分解所產生的木質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結構穩(wěn)定性的影響，與楊樹清理后的土壤相比，蘆葦?shù)睾?年楊樹林地擁有更大的固碳潛力。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結構更穩(wěn)定。這些結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)恢復措施的選擇中，不僅要考慮濕地土壤中的碳儲量，還應考慮土地利用方式對于SOC穩(wěn)定性的潛在影響。

參考文獻：

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（責任編輯：劉寧寧）