嶺南垛基果林濕地土壤碳組分特征

張茜瑩, 周慶, 潘楚婷, 王珊, 羅晰, 劉結(jié)儀, 趙倩*

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣州 510642；2. 廣州市海珠濕地科研宣傳教育中心，廣州 510235)

土壤的儲存碳約占全球碳儲量的三分之二，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳匯載體，土壤碳的細微變化都可能對大氣中CO2的濃度產(chǎn)生巨大影響，進而對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響[1–2]，對全球碳循環(huán)具有重大意義[3]。土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)包括有效性高、不穩(wěn)定的活性有機碳和穩(wěn)定性好的惰性碳[4]。土壤可溶性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)、易氧化有機碳(readily oxidizable carbon, ROC)和土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)等都屬于土壤碳活性有機碳[5]。DOC 的淋溶是土壤碳減少的主要途徑[6];MBC 指土壤中活體微生物細胞內(nèi)所有有機化合物的含碳總碳[7]，為植物提供生長所需的有效養(yǎng)分[8]，也會影響土壤碳轉(zhuǎn)化過程和固碳能力，從而影響全球氣候[9]；ROC 是土壤有機碳中最容易氧化的組分,可以預(yù)測土壤有機質(zhì)的敏感性[10]；惰性碳(nonlabile carbon, NLC)可以衡量土壤肥力的高低和土壤碳庫的穩(wěn)定性，主要來自土壤碳中的腐殖質(zhì)[11]。因此, 關(guān)注土壤碳庫組成對不同生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境差異的響應(yīng),將有助于明確土壤生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力。

植被類型是影響土壤有機碳的重要因素，通過改變水熱條件、有機質(zhì)和根系分泌物的分解、枯枝落葉的輸入從而影響土壤有機碳含量[12–13]。優(yōu)良的水熱條件和微生物種類、數(shù)量的豐富是森林積累大量有機質(zhì)的基礎(chǔ)。在黃土高原延河流域0～20 cm 的表層土壤中，森林土壤DOC、MBC 含量均大于森林草原區(qū)和草原區(qū)，這主要是因為森林區(qū)茂密的枝葉及林冠、枯枝落葉層能起到攔截雨水的作用，減少土壤DOC、MBC 受淋溶與侵蝕的影響[13]。寶天曼自然保護區(qū)內(nèi)混交林土壤碳儲量顯著高于純林,這主要是受凋落物輸入質(zhì)量差異導(dǎo)致[14]。有研究表明，不同的果樹類型土壤碳含量也有所差異，盛果期棗園土壤ROC 達到最高值，且棗園的ROC 和NLC 均略高于盛果期核桃園，但其中的原因仍需進一步揭示[15]。由此可見，不同植被類型對土壤碳儲量和碳組分有顯著影響，但是相關(guān)研究多集中在森林、草原或農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，針對濕地生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究仍較少。

嶺南垛基果林濕地是一種極具特色的濕地系統(tǒng)，指在沼澤地上挖溝排水，淤泥堆積成垛后種植果樹，是一個以生態(tài)保護為主的半自然管理的濕地。在生態(tài)文明建設(shè)背景下，廣州海珠垛基果林是構(gòu)成“城市生態(tài)守護者”海珠濕地的重要組成部分,原有的生態(tài)功能弱化，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的需求凸顯。有研究指出，濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量可達20%～30%的全球土壤碳儲量，其對全球氣候變化的影響不容小覷[16]。在我國提出2060 年實現(xiàn)碳中和的背景下，分布于城市周邊的垛基果林濕地土壤碳匯能力值得關(guān)注[17]。然而，目前針對垛基果林濕地的土壤有機碳組分及其影響因素缺乏系統(tǒng)性的研究。本研究以嶺南垛基果林濕地的不同果樹類型下的土壤為研究對象，研究不同果林類型下土壤碳組分的積累及影響因素，以期為濕地果園土壤有機碳管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對嶺南垛基果林濕地土壤質(zhì)量及土壤生態(tài)作出評價，以及對嶺南垛基果林濕地保護以及經(jīng)營管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地位于廣州市的海珠區(qū)(23°02′58～23°04′53″ N，113°18′40′～113°21′50″ E)，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，由于冬夏季風(fēng)交替的影響，光照充足、年平均日照時數(shù)在1 500 h 以上，濕熱少寒、溫暖多雨、水熱同期，年均溫高于20 ℃，年均相對濕度約為77%，年均降雨量約為1 700 mm。土壤質(zhì)地有壤土、黏土、粉壤土、粉粘壤土。本研究對象是以生態(tài)保護為主的半自然垛基果林濕地，主要種植龍眼(Dimocarpuslongan)、楊桃(Averrhoacarambola)、黃皮(Clausenalansium)、番石榴(Psidium guajava)和荔枝(Litchichinensis)等經(jīng)濟樹種。

1.2 土壤樣品采集

果樹類型分為黃皮(HP)、龍眼(LY)、楊桃(YT)、龍眼和黃皮間種(LH)及楊桃、龍眼、黃皮間種(YLH)。每個樣點挖掘剖面，考慮到垛基果林濕地內(nèi)漲落水的特殊性，部分土壤在深層處于水淹的狀態(tài)，本試驗僅采集0～20 cm 的土樣。采集土壤樣品后，去除根系、凋落物等雜質(zhì)后，讓其自然風(fēng)干，過篩備用。

1.3 土壤基本理化性質(zhì)測定

土壤基本理化性質(zhì)分析方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[18]。土壤自然含水量采用烘干法(GB/7833—1987)；土壤容重采用環(huán)刀法測定；pH 值采用玻璃電極法(NY/T1377—2007)；全氮采用凱氏-蒸餾滴定法(GB/7173—1987)；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法(GB/9837—1988)；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰原子吸收分光光度法(GB/9836—1988)。

1.4 土壤碳組分測定方法

土壤總有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定。易氧化有機碳(ROC)含量采用333 mmol/L 高錳酸鉀氧化法測定；微生物量碳(MBC)含量采用K2SO4浸提、氯仿熏蒸法測定；惰性碳含量為總有機碳含量和易氧化有機碳含量間的差值[19]。土壤碳庫Y庫(Mg/hm2)=Xi×BDi×thi/10，式中，Xi為活性碳或惰性碳組分含量(g/kg)，BDi為土壤容重(Mg/m3)，thi為土壤厚度(cm)。

土壤活性有機碳與SOC 的比例表示土壤碳庫的活性特征，以MBC/SOC 表示微生物生物碳對總有機碳的貢獻率[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003 和SPSS 16.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan 多重極差檢驗法比較不同處理間的差異，以P<0.05 表示差異顯著。

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

不同果林類型的土壤pH 為4.73～5.22，均為酸性土壤，全氮含量為1.27～1.52 g/kg (表1)。不同果樹類型對土壤全磷、全鉀、容重和有機質(zhì)有顯著影響, 對于全磷而言，LY 顯著高于LH 和YLH (P<0.05)；YLH顯著低于YT (P<0.05)。LY 的全鉀顯著低于其他4 種果林類型(P<0.05)，有機質(zhì)含量顯著高于YLH (P<0.05)。LY 的容重顯著低于YLH (P<0.05)，且土壤含水量顯著高于其他4 種果林類型(P<0.05)。

表1 不同果林土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of different fruit forest soil

2.2 土壤碳組分含量

除了ROC，不同有機碳組分對不同果林類型的響應(yīng)存在顯著差異(圖1，P<0.05)。LY 的SOC 含量最高(22.6 g/kg)，顯著高于YLH (P<0.05)。YLH 的DOC 含量最高，達103.6 mg/kg，顯著高于YT、LY和HP。YT 的MBC 含量最高(252.8 mg/kg)，顯著高于LY、LH 和LH。LY 的NLC 含量最高(10.6 g/kg),顯著高于LH 和YLH。

圖1 不同果林類型的土壤碳組分含量。柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。SOC: 土壤總有機碳; DOC: 可溶性有機碳; MBC: 微生物生物量碳;ROC: 易氧化有機碳; NLC: 惰性碳。Fig. 1 Soil carbon component contents under different fruit forest types. Different letters upon column indicate significant difference at 0.05 level. SOC: Soil organic carbon; DOC: Dissolved organic carbon; MBC: Microbial biomass carbon; ROC: Readily oxidizable carbon; NLC: Non-labile Carbon.

垛基果林濕地土壤總有機碳庫為37～45 Mg/hm2,易氧化有機碳庫為20～28 Mg/hm2，不同果樹類型間無顯著差異(表2)。YT 的微生物生物量碳庫最高(0.58 Mg/hm2)，顯著高于其他種植模式；LY 的土壤惰性碳庫為22 Mg/hm2，顯著高于LH。

表2 不同果林類型的土壤活性碳和惰性碳庫Table 2 Active carbon pool and recalcitrant carbon pool under different fruit forest types

2.3 相關(guān)性分析

土壤各種形態(tài)有機碳間的相關(guān)關(guān)系存在差異(表3)。SOC 含量與ROC、NLC 間的相關(guān)關(guān)系均達到極顯著水平(P<0.01)，ROC 和NLC 間呈極顯著性負相關(guān)(P<0.01)。DOC 和MBC 與其他活性碳組分相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。這說明SOC 對土壤活性有機碳有著較大的影響，土壤各有機碳組分密切相關(guān)。

表3 土壤有機碳組分間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation coefficient among soil organic carbon components

土壤有機碳與土壤理化性質(zhì)間存在一定的相關(guān)性(表4)。SOC 含量與除pH 之外的土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系均達極顯著水平(P<0.01)。ROC 與有機質(zhì)(P<0.01)、全氮(P<0.01)、全磷(P<0.01)、含水量(P<0.05)呈極顯著或顯著正相關(guān)，與土壤容重呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。NLC 含量與pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、含水量間均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，與全鉀、土壤容重間呈顯著相關(guān)(P<0.05)。DOC和MBC 與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

表4 土壤有機碳組分與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation coefficient between soil organic carbon components and soil physicochemical properties

2.4 土壤有機碳穩(wěn)定性

不同果林類型的土壤活性有機碳占SOC 的比例存在差異(表5)。DOC/SOC 為0.20%～0.66%，土壤DOC/SOC 為YLH>YT>HP>LY>LH，其中HP、LY 的MBC/SOC 顯著低于YT、LH (P<0.05)。ROC和NLC 占SOC 的比例明顯高于DOC 和MBC 的占比。ROC/SOC 依次是LH>YLH>YT>LY>HP。LH的NLC/SOC 顯著高于HP 和LY (P<0.05)?？偟膩碚f，果樹混種后土壤的DOC/SOC 顯著高于單獨種植模式。相比單獨種植模式，龍眼黃皮混種的土壤MBC/SOC、ROC/SOC 顯著升高，NLC/SOC 顯著降低，DOC/SOC 也呈下降趨勢。

表5 土壤活性有機碳占土壤有機碳的比例(%)Table 5 Ratio of soil active organic carbon to soil organic carbon

3 結(jié)論和討論

嶺南典型垛基果園濕地0～20 cm土壤總有機碳庫為37～45 Mg/hm2，與南亞熱帶典型紅椎(Castanopsis hystrix)林土壤0～20 cm 表層土相似，說明嶺南垛基果園濕地土壤碳匯能力不容小覷[21]。在本研究中,種植龍眼的SOC 顯著高于其他果樹，這說明種植龍眼對于SOC 的積累更加有利。這可能與不同植被下的枯落物、腐殖質(zhì)、根系分解等的差異有關(guān)[22]。相關(guān)性分析表明，土壤SOC 與土壤容重呈顯著負相關(guān)，與土壤全氮、全磷、土壤含水量呈顯著正相關(guān)，這與以往的研究結(jié)果一致[23–24]。土壤含水量一方面可以通過調(diào)節(jié)氧化還原電位，改變土壤碳周轉(zhuǎn)速率[25–26]，另一方面影響植物光合作用和土壤碳輸入過程，最終影響土壤有機碳源匯的調(diào)節(jié)過程[27]。

不同果樹種植模式下，土壤有機碳組分存在差異。本研究中楊桃、龍眼和黃皮混種模式下土壤的DOC 含量顯著高于其他4 種種植模式，這體現(xiàn)了凋落物輸入的多樣性在一定程度上能增加土壤DOC含量。植物葉片性質(zhì)、根系屬性等均會影響土壤DOC含量[28]。郝江勃等[29]研究表明以栲(Castanopsis fargesii)林為主的亞熱帶常綠闊葉林土壤DOC 為9.72 mg/kg，遠低于本研究濕地果樹表層土。朱浩宇等[12]研究表明草本植物表層土DOC 為141.98 mg/kg,顯著高于其他闊葉林土壤的DOC 含量，這可能是由于草本為一年生植物，生長周期短，對有機質(zhì)的注入時間短有關(guān)。相較于單一果樹種植模式，楊桃、龍眼和黃皮混種模式下，輸入的有機質(zhì)種類更為豐富，可能是導(dǎo)致其土壤DOC 含量高的主要原因。

MBC 與整個土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分周轉(zhuǎn)密切相關(guān)，其主要與土壤微生物的生存環(huán)境有關(guān)[30]，土壤水分、溫度以及植物根系分泌物的互作等都會影響土壤微生物的豐度[31]。其中，單一種植楊桃時土壤MBC 含量最高且顯著高于其他類型，混種楊桃土壤的MBC 含量也高于單獨種植龍眼或黃皮，這說明種植楊桃有利于提高土壤的MBC 含量，這可能是由于楊桃根際土中含有大量真菌和放線菌[32]，這些微生物使得楊桃土壤MBC 含量增加，或是由于楊桃凋落物如果實的輸入，提高了土壤中可利用碳含量，從而增加了土壤微生物生物量[33]。以栲林為主的亞熱帶常綠闊葉林土壤MBC 含量為71.32 mg/kg，遠小于本研究中土壤MBC 含量，這可能一方面是由于凋落物性質(zhì)的差異，另一方是由于嶺南濕地良好的水熱條件，從而促進了微生物活性[34]。

ROC 是主要的活性有機碳，反映土壤碳庫的活躍度[35]。研究表明，ROC 與腐殖質(zhì)含量，植物根系的分布情況及根系分泌物相關(guān)[36]。SOC 含量與ROC含量間呈極顯著相關(guān)，這與朱浩宇等[14]的研究結(jié)果相同，這也表明了ROC 可以敏感的反映土壤有機碳的動態(tài)變化[37]。此外，ROC 占SOC 的比例越高，表示土壤碳活性越高，越有利于SOC 的增加[38]。本研究結(jié)果表明，混種的ROC/SOC 高于單獨種植，這說明混合種植模式下，土壤碳匯能力更強。由于存在垂直結(jié)構(gòu)和物種多樣性的差異，混合種植也更利于提高生物量[39]。

NLC 在土壤碳庫中較難被微生物分解，其積累和周轉(zhuǎn)時間長，對環(huán)境變化響應(yīng)緩慢，其經(jīng)常作為土壤對環(huán)境長時間變化的反應(yīng)指標以及衡量土壤碳庫積累的重要指標[11,39]。NLC/SOC 反映土壤有機碳的穩(wěn)定程度，比值越高代表土壤有機碳越穩(wěn)定[38–40]。土壤惰性碳含量主要與植物根系中含有難分解縮合單寧酸以及酸不溶性碳有關(guān)，同時植物細根在分解過程中可以將大量的有機碳轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的惰性碳成分儲存于土壤中[39]。不同植被下，輸入土壤中的碳源性質(zhì)和數(shù)量均不同[40]。本研究中LY 的NLC 含量顯著高于2 個混合種植模式，HP 和LY 的NLC/SOC 顯著高于其他種植模式，這說明單獨種植黃皮和龍眼有利于提高土壤有機碳的穩(wěn)定性。NLC與有機質(zhì)、全氮和含水量呈顯著正相關(guān)，與全磷和土壤容重呈顯著負相關(guān)，這與前人[41–42]研究結(jié)果一致。Zhou 等[43]研究表明高氮含量的凋落物可以促進土壤碳積累，進一步證實了不同果樹類型下，凋落物性質(zhì)的差異導(dǎo)致了土壤碳組分的差異。

綜上，垛基果林的土壤碳庫接近常綠闊葉林土壤碳庫，且不同的土壤有機碳組分對果樹類型的響應(yīng)不同。單獨種植楊桃或混種模式下，土壤有機碳活性比例增加，土壤碳周轉(zhuǎn)速率最快；單獨種植模式下，土壤惰性碳含量比混種模式下高，土壤有機碳穩(wěn)定性最高。