深圳丘陵地帶不同植被類型森林土壤有機碳組分和團聚體分布特征研究

袁峰均，史正軍，曾 偉，潘 松

(1. 深圳市中國科學院仙湖植物園，廣東 深圳 518004； 2. 深圳城市森林生態系統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。據估計，1 500 Pg碳以有機質的形式儲存在土壤中，是大氣或陸地植被的3倍[1]。森林是陸地生態系統的主體，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系統的32%～84%，其微小的變化都會對大氣CO2濃度產生顯著影響[3]。土壤團聚體作為土壤有機碳的主要儲集層，為有機碳提供物理保護，是土壤固碳的重要機制[4-5]。有機碳與礦物結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，微團聚體(<0.25 mm)是影響有機碳儲存和穩定的關鍵結構，微團聚體中的碳在物理或化學上會被排除在土壤環境中的微生物攻擊或酶反應之外[7-8]。因此，明確森林土壤有機碳組分和團聚體分布特征顯得尤為重要。目前，已有不少學者對森林土壤有機碳和團聚體分布特征進行了研究，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碳組分和團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，對土壤有機碳組分和團聚體含量進行了分析，以期獲得對不同森林植被類型下土壤有機碳組分和團聚體分布特征的系統認識，為摸清該地區森林土壤結構形成及其碳氮穩定機制提供科學參考。

1 研究區概況

深圳市位于東經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常綠闊葉林，現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

根據各植被類型面積，結合林地狀況的復雜性，確定調查樣點數。每一種植被類型樣點數不少于10個，總計70個調查樣點，基本情況見表1。采用隨機抽樣方法布設樣點，每個樣點挖取土壤剖面，按0～10 cm和>10～30 cm劃分土層，自下而上采集土壤樣品，帶回實驗室。去除植物殘茬，風干后，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，用于土壤基本養分和有機碳組分測定；另一部分原狀土用于土壤團聚體含量測定。

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采用魯如坤的方法[9]測定；土壤團聚體組分采用干篩法[10]測定；有機碳組分采用改進后的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，反應液酸度分別為6、9、12 mol/L。待反應后，用1.0 mol/L FeSO4滴定，最終得到被氧化能力依次降低的有機碳組分，包括活性有機碳、易氧化有機碳、惰性有機碳和穩定有機碳。其中，活性有機碳=6 mol/L H2SO4可氧化有機碳；易氧化有機碳=9 mol/L H2SO4可氧化有機碳—6 mol/L H2SO4可氧化有機碳；惰性有機碳=12 mol/L H2SO4可氧化有機碳—9 mol/L H2SO4可氧化有機碳；穩定有機碳=總有機碳—12 mol/L H2SO4可氧化有機碳。

2.3 數據處理

所有數據用Excel 2013處理，SPSS 20.0進行方差分析和顯著性分析，Origin 9.0和R軟件作圖。試驗數據用“平均值±標準誤”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被認為具有統計學意義。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型丘陵地帶森林土壤理化性質

分析可知，不同植被類型丘陵地帶森林土壤養分含量存在差異(表2)。闊葉人工林表層土壤(0～10 cm)的有機質和全氮含量與次生闊葉林間的差異達顯著水平(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)土壤養分在不同植被類型間的差異均未達到顯著水平，pH、有機質和全氮含量表現為：針葉林>次生闊葉林>闊葉人工林；電導率則表現為：次生闊葉林>針葉林>闊葉人工林。

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

3.2 不同植被類型丘陵地帶森林土壤有機碳組分

分析可知，表層土壤有機碳組分均高于亞表層，且以活性有機碳含量最高(圖1)。其中，活性有機碳含量與易氧化有機碳趨勢一致，表層含量均表現為：次生闊葉林>闊葉人工林>針葉林；亞表層則表現為：針葉林>次生闊葉林>闊葉人工林。此外，惰性有機碳含量在兩個土層上表現一致，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)。表層土壤的穩定有機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 土壤有機碳組分Fig.1 Soil organic carbon fractions

3.3 不同植被丘陵地帶森林土壤團聚體粒徑分布

不同植被類型土壤力穩性團聚體的差異見圖2。

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

兩層土壤>5 mm團聚體含量差異微弱。具體而言，表層土壤團聚體含量在不同植被類型間的差異主要體現在微團聚體上(<0.25 mm)，針葉林與次生闊葉林間差異顯著(P<0.05)，其余團聚體組分間差異均不顯著。此外，亞表層土壤團聚體差異不僅體現在微團聚體上，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 土壤有機碳組分與理化性質、團聚體間的相關性

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

4 討論

土壤微團聚體的形成機制主要是礦物表面與有機質的相互作用，微團聚體又以植物源多糖、真菌菌絲和根為結合劑結合成大團聚體[12-13]。大團聚體的形成和穩定與土壤有機碳含量和微生物，特別是真菌的生物量呈正相關[14-15]。由于降水和溫度隨海拔變化呈現規律性變化，導致植被類型分布格局存在明顯差異[16-17]。Jia等[18]研究發現，海拔越高，氣候越冷、越潮濕，越有利于大團聚體的形成和穩定，而微團聚體減少。這與本研究結果不一致。本研究中，樣點平均海拔和平均坡度均表現為：闊葉人工林>次生闊葉林>針葉林。然而，兩層土壤的微團聚體均表現為：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域位于深圳市，樣點最高海拔僅為894 m，且多數樣點海拔小于200 m，人為干擾作用較強，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性團聚體含量均以大團聚體(>0.25 mm)為主，這與本研究結果一致。此外，本研究發現，針葉林表層土壤活性有機碳和易氧化有機碳含量均最低，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(如木質素、鞣質)，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碳的礦化[20]。

土壤有機碳的礦化率受溫度、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物質的形式釋放碳，并被植物吸收[21-22]。其中，微生物的生物量和活性以及不穩定有機碳含量是決定累積礦化碳的主要因素。本研究發現，土壤理化性質與有機碳組分呈極顯著正相關關系(P<0.001)，且以活性有機碳與有機質和全氮含量相關性最高。土壤全氮和有機質含量越高，越有可能被礦化。此外，土壤碳礦化與團聚體關系密切，影響土壤團聚體的因素都將影響土壤碳礦化，特別是團聚體粒徑的改變將影響土壤有機碳礦化速率[23]。周純亮等[24]研究了杉木林、濕地松林、毛竹林和次生林4種森林土壤不同發生層水穩性團聚體及其有機碳分布特征，發現不同森林類型對>5 mm和2～5 mm團聚體含量影響顯著(P<0.05)，其他粒徑無顯著差異；同土層不同粒徑團聚體中有機碳含量隨粒徑大小變化，團聚體粒徑越小，有機碳含量越高。孫穎等[25]研究表明，原始紅松林土壤重組有機碳比例達到77.0%，顯著高于楊樺次生林，且前者土壤有機碳更穩定。于法展等[26]研究發現，在同一土層下黃山松林的土壤團聚體有機碳含量最大，常綠闊葉林最小，馬尾松林、玉山竹林和黃山松林的土壤團聚體有機碳變化較明顯。在本研究中，有機碳組分主要與>10 mm和2～5 mm團聚體顯著相關，這與周純亮等[24]的研究結論存在差異，可能是因為研究區域和植被類型不一致。研究區域不同，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致凋落物、根系形態、分泌物、土壤微環境的顯著差異，進而影響土壤有機碳的礦化速度、土壤相關性質及其相互作用。

5 結論

深圳丘陵地帶不同植被類型森林土壤養分、有機碳組分和團聚體含量存在顯著差異。其中，表層土壤養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碳組分均存在差異，表層土壤有機碳組分均高于亞表層，且以活性有機碳含量最高。此外，不同植被類型土壤間的差異主要體現在微團聚體和/或1～2 mm團聚體上，且土壤養分是有機碳礦化的關鍵因子。