平原沙土區不同林分類型下土壤有機碳庫特征及其影響因子

王磊　劉晴虞　關慶偉等

關鍵詞：平原沙土區；林分類型；有機碳；活性有機碳組分；碳庫管理指數；土壤酶活性

中圖分類號：S714.2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）04-0072-10

土壤有機碳是土壤中地上地下凋落物、根系沉積物、動物殘體和微生物體及其分解和合成的有機物質中的碳，是評價土壤肥力和土壤質量的重要指標。由于土壤有機碳庫含量巨大，其微小的變化將對全球碳循環和氣候變化產生顯著影響。土壤有機碳儲量受林分類型、地形地貌、氣候變化和土地利用方式等自然和人為因素的影響，但土壤總有機碳對這些環境因素的響應表現出一定的滯后性，難以在短期內觀測其變化。土壤活性有機碳組分是土壤中活性較高、易分解礦化的有機碳，對區域環境變化的響應更敏感，可以及時、準確地反映土壤有機碳對干擾和環境變化的響應。碳庫管理指數是陸地生態系統中土壤碳動態變化率的敏感指標，可以衡量環境因素對土壤有機碳數量和質量的影響。因此，明確有機碳及其活性有機碳組分和碳庫管理指數等有機碳庫特征對預測土壤碳循環具有重要意義。

不同林分類型的根系分布、凋落物組成和微生物群落結構等存在差異，導致光照、水分和土壤理化性質等環境條件變化，進而影響土壤有機碳積累和轉化速率。Wang等認為，黃土高原延河流域森林較高的凋落物輸入，增加土壤氮磷含量，降低土壤容重和pH值，促進有機碳及活性組分的積累和固存。Yao等對昆士蘭赫伯特河流域土壤研究發現，不同植被的凋落物輸入、酶活性以及微生物組成存在差異，增加潮汐森林0～30 cm土層有機碳含量。Yuan等對亞熱帶沖擊平原土壤有機碳庫研究認為，相較于香樟（Cinnamomum camphora （L.） Presl）和水杉（Metasequoia glyptostroboides Hu&W.C.Cheng），落葉闊葉重陽木（Bischofia po/ycarpa （Levl.） Airy Shaw）人工林較低的碳氮比和較短的細根壽命加速凋落物分解，緩解土地利用方式轉變初期有機碳的損失。Dawud等和Ratcliffe等指出，林分類型對土壤有機碳的影響在不同氣候和土壤類型下存在差異。

江蘇省總面積約10.72萬km²，其中，平原沙土區面積約2萬km²，主要分為黃河故道沙土區、沿海平原沙土區和通南高沙土區。江蘇省豐縣屬典型黃河故道沙土區，土壤類型以潮土和風沙土為主，土壤風化程度高，結構疏松，抗侵蝕能力弱，自然肥力低，孔隙率高，保水性差。以往對平原沙土區研究多集中于植被恢復措施的水土保持效果，較少關注土壤碳庫特征和土壤質量提升。前人研究表明，植被恢復可以改變沙土有機碳儲量，但造林初期不同林分類型下沙土區土壤有機碳庫特征及其與環境因子的關系尚不清楚。基于此，本研究以江蘇省平原沙土區豐縣16年生楊樹（Populus×euramevicana cl.'Zhonglin 46'）純林、柳樹（Salix×jiangsuensis cl.‘J-172）純林、楊柳混交林3種林分類型及相鄰的撂荒地（對照）為對象，測定土壤有機碳及活性組分、蔗糖酶、過氧化物酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶活性，并計算土壤碳庫管理指數，旨在明晰不同林分類型下土壤有機碳庫特征及其影響因子，以期為平原沙土區土壤碳庫的提高和生態恢復提供理論依據。

1研究區概況

試驗地位于江蘇省豐縣復新河中游（34°24′25″～34°56′27″N，116°21′15″～116°52′03″E），屬黃泛沖積平原，海拔34.5～48.2 m；屬暖溫帶季風氣候，四季分明，光照充足，雨量適中，雨熱同期；春季天氣多變，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒潮頻襲，無霜期200 d左右。年平均降水量630.4 mm，年平均氣溫15.3℃。試驗地土壤以微堿性潮土為主，土壤濕潤，土質分布均勻，周邊區域以農業為主。主要喬木樹種有楊樹、柳樹、泡桐（Paulownia tomentosa （Thunb.） Steud.）、構樹（Broussonetia papyrifera （L.） L'Her. exVent.）、女貞（Ligustrum lucidum Ait.）等。

2研究方法

2.1樣地設置和采樣方法

試驗地為2006年河道整治形成的立地條件相近的防護林，寬約40 m，長約6km。沿河道依次營造長約2 km林齡相同的楊樹純林、柳樹純林和楊柳混交林。楊樹品種為“46-楊”，柳樹品種為“蘇柳172”，林齡16a，初始營造密度均為500株-hm^-2。楊樹純林（PPP）、柳樹純林（WPP）、楊柳混交林（PWM）下皆有天然更新的灌木和草本，其中，灌木主要有枸杞（Lycium chinense Miller）、苧麻（Boehmeria nivea （L.） Gaudich.）等；草本植物主要有狗尾草（Setaria viridis （L.） Beauv.）、沼生水馬齒（Callitriche pa/ustrisL.）等。試驗地基本概況見表1。

采樣時間為2022年3月。在每種林分類型分別設置3個間距大于300 m的面積為20 m×20 m的標準樣地，根據試驗地踏勘情況，選擇與3種林分類型相鄰的以狗尾草等草本植物為主的立地條件相同的撂荒地為對照（CK），撂荒地同樣設置3個遠離林分邊界的面積為20 m×20 m的標準樣地。在每個標準樣地中按“S”型選取5個采樣點，去除地表凋落物后挖取土壤剖面，每個剖面大小為1 m×1.5 m×1.2 m，分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個土層分別采集土壤，將5個采樣點同一土層的土壤混合成該標準樣地的土壤樣品。用鑷子仔細去除土壤中的根系，過2 mm篩備用。將每個標準樣地的土壤樣品分為2份，一份作為鮮土保存在4℃冰箱中，用于土壤可溶性有機碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）和pH值的測定；另一份經自然風干過篩等處理后用于全碳（TC）、有機碳（SOC）、易氧化有機碳（EOC）、蔗糖酶、過氧化物酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶及其它土壤理化性質的測定。使用內徑9 cm、高20 cm的根鉆，在5個采樣點分5個土壤層次分別采集1份土芯，混合為一份裝袋，帶回實驗室用0.2 mm細篩淘洗，篩選出直徑<2mm的細根。在每個標準樣地中隨機選取3個1m×1m的小樣方，收集各小樣方地表凋落物混合為該標準樣地的凋落物樣。

2.2指標測定

試驗地土壤偏堿性，土壤、凋落物和細根的全碳和全氮含量采用元素分析儀（Vario ElementⅢ，Germany）測定，SOC采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；DOC經K₂SO₄浸提，采用TOC儀（TOC-VCPH+TNM-1， Shimazu Inc.，Japan）測定；MBC用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法測定；EOC采用333 mmol·L^-1高錳酸鉀氧化法測定。土壤團聚體平均重量直徑參考Elliot濕篩法測定，其它土壤理化指標參照鮑士旦的分析方法，容重和含水率用環刀法測定；細根生物量和凋落物生物量用烘干稱量法測定；pH值用電位法（水土比為2.5：1）測定。

土壤酶活性參考關松蔭的方法測定，蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤過氧化物酶和多酚氧化酶以鄰苯三酚為底物，用沒食子素比色法測定；土壤β-葡萄糖苷酶用對硝基酚比色法測定。土壤基本理化性質見表2。

碳庫活度指數（LI）=樣品碳庫活度（L），對照碳庫活度（L）。

L=EOC/（SOC-EOC）。

用Excel 2019進行數據整理和CPMI的計算，用SPSS 21對數據進行統計分析。利用Shapiro-Wilk法檢驗方程殘差分布的正態性，SOCS、M8C、CPMI、蔗糖酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶等指標符合正態分布，SOC、EOC、DOC和過氧化物酶等采用對數轉換，利用方差分析（ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較各指標間差異，雙因素方差分析見表3。采用Pearson法和冗余分析（RDA）進行相關性分析；用Origin2018軟件進行統計圖制作。

3結果與分析

3.1不同林分類型土壤有機碳含量和儲量分布特征

由圖1可知：試驗地3種林分類型和對照各土層SOC和SOCS范圍分別為1.03～5.88 g·kg^-1和3.53～17.55 t·hm^-2，在不同林分類型和土層間差異顯著（P<0.05）（表3）。3種林分類型0～100 cm土層的SOC和SOCS顯著高于對照，分別增加了45.2%～82.2%和47.7%～83.1%，其中，楊樹純林SOC顯著高于柳樹純林和楊柳混交林（表4）。在垂直分布上，SOC隨土層加深而降低，0～20 cm土層的SOC顯著高于20～100 cm各土層（P<0.05）。與柳樹純林、楊柳混交林和對照相比，楊樹純林0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層SOCS分別增加了14.6%19.2%、24.1%～168.1%、27.9%108.1%、20.5%～149.2%和11.3%～144.4%; 0～100 cm土層楊樹純林的SOCS分別是柳樹純林、楊柳混交林和對照的1.23、1.24、1.83倍。

3.2不同林分類型土壤活性有機碳組分含量分布特征

由圖2可知：3種林分類型和對照不同土層的EOC、DOC和MBC范圍分別為0.73～2.38g·kg^-1、35.96～62.53 mg·kg^-1和134.94～226.84mg·kg^-1，EOC和MBC在不同林分類型和不同土層間差異顯著（P<0.05），DOC僅在不同土層間差異顯著（P<0.05）（表3）。在0～100 cm土層，3種林分類型的EOC和MBC均顯著高于對照（P<0.05），楊樹純林、柳樹純林和楊柳混交林的EOC和MBC分別比對照平均提高了48，0%、28.6%、41.8%和33.4%、25.0%、21.6%（表4）。楊樹純林、柳樹純林、楊柳混交林0～20 cm土層的DOC顯著高于對照（P<0.05），分別提高了37.9%、24.8%和21.3%。3種土壤活性有機碳組分含量在垂直分布上的規律相似，隨土層深度增加呈先降低后微升趨勢。

3.3不同林分類型土壤碳庫管理指數分布特征

CMPI是基于對照土壤有機碳變化的穩定性指標，對照土壤的CMPI為100%。由圖3可知：0～100 cm土層3種林分類型土壤的CPMI顯著高于100%（P<0.05）；0～20 cm土層CPMI為楊樹純林>柳樹純林>楊柳混交林，其中，楊樹純林顯著高于楊柳混交林（P<0.05）；40～100 cm土層楊柳混交林的CPMI顯著高于楊樹純林和柳樹純林（P<0.05）。

3.4不同林分類型土壤酶活性的差異

由表5可知：與楊樹純林、柳樹純林和對照相比，楊柳混交林0～100 cm土層過氧化物酶和多酚氧化酶的活性較高，其中，楊柳混交林過氧化物酶活性顯著高于柳樹純林（P<0.05）.提高了26.8%，多酚氧化酶的活性顯著高于楊樹純林和對照（P<0.05），分別提高了32.8%和76.2%；楊柳混交林土壤蔗糖酶活性在80～100 cm土層顯著高于楊樹純林（P<0.05）；各土層β-葡萄糖苷酶活性在不同林分間差異不顯著。除柳樹純林多酚氧化酶活性在20～40 cm土層最高，其余各林分的4種土壤酶活性均在0～20 cm土層最高，其中，楊柳混交林0～20 cm和40～60 cm土層的過氧化物酶活性顯著高于80～100 cm土層（P<0.05），0～20 cm土層的β-葡萄糖苷酶活性顯著高于40～100 cm各土層（P<0.05）。雙因素方差分析表明：土層對蔗糖酶、過氧化物酶、多酚氧化酶和B一葡萄糖苷酶活性均有顯著影響，林分類型僅顯著影響蔗糖酶和多酚氧化酶的活性，林分類型和土層的交互作用對4種酶活性影響不顯著（表3）。

3.5土壤有機碳庫特征與土壤酶活性的相關性

相關分分析結果（表6）表明：SOC、SOCS、EOC和CPMI與4種土壤酶均呈顯著或極顯著正相關，DOC與土壤多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶呈顯著或極顯著正相關，MBC與土壤蔗糖酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶呈顯著或極顯著正相關。

3.6土壤有機碳庫特征與環境因子的冗余分析

圖4表明：在有機碳及活性組分和CPMI與環境因子的RDA中，第一軸和第二軸特征值分別為0.64和0.04，可累積解釋其信息量67.31%，方差累積貢獻率為99.88%。碳氮比和細根生物量對土壤有機碳及活性組分和CPMI的解釋率分別為50.8%（P=0.002）和10.4%（P=0.004），表明碳氮比和細根生物量是土壤有機碳及活性組分和CPMI的顯著影響因素。RDA中變量夾角的余弦值表示二者之間的相關性，因此，碳氮比與土壤有機碳及活性組分和CPMI呈負相關；細根生物量與土壤有機碳及活性組分和CPMI呈正相關。

4討論

4.1林分類型對土壤有機碳含量及儲量影響

營造人工林16 a后，與對照相比，平原沙土區3種林分類型增加了各土層的SOC，與Kukuls等的結果一致。這主要歸因于營造人工林增加了地表凋落物數量（表1），為土壤有機質積累提供豐富的來源。3種林分中楊樹純林的土壤SOCS最高。土壤SOCS的變化取決于地上地下凋落物、根瘤菌固定等有機質輸入和有機質分解、淋溶及侵蝕等碳損失的平衡。楊樹是典型速生樹種，適應能力強，提供了更多的凋落物和細根生物量（表1），直接增加了土壤有機質的輸入源，促進楊樹純林土壤積累更多SOCS。

各林分類型SOC和SOCS都具有明顯的“表聚效應”，這與沈芳芳等研究結果一致，這可能是因為凋落物分解輸入的有機質集中在土壤表層，且植被根系主要分布于土壤表層。有機質是土壤酶促底物的主要供源，本研究中土壤SOC和SOCS與4種酶活性呈極顯著正相關（表6），表土層更高的酶活性（表5）證明了這一效應。與其他林分類型相比，20～80 cm土層，楊樹純林累積SOCS隨土層加深逐漸升高。楊樹具有發達的根系，提高了各土層有機質來源，也可能促進表層的DOC向下遷移，使其SOCS累積量逐漸升高。

4.2林分類型對土壤活性有機碳組分和碳庫管理指數的影響

DOC主要來源于根系的分泌物、植物凋落物的滲透物，從而易受土壤淋溶作用。本研究中，3種林分類型有較多地表凋落物和發達根系，使0～20 cm土層的DOC顯著高于對照。另外，沙質土壤因為缺乏對輸入有機碳的物理保護作用，會導致土壤中DOC淋失，而表土層的有機質輸入可以抵消這種淋失作用，因此，本研究中3種林分類型的DOC僅在表土層與對照差異顯著。然而，各土層DOC在不同林分間無顯著差異，有可能是因為營造人工林在提高了有機質輸入和增加DOC含量的同時，也提高了酶活性（表5），使DOC經過土壤酶轉化為MBC，從而降低了DOC，使得DOC在林分類型間差異不顯著。

本研究發現，造林可以提高土壤的MBC，這與Wang等研究結果一致。在營造人工林后，一方面提高了凋落物數量和質量，增加了土壤SOC，為微生物提供了可直接利用的有機碳源；另一方面降低了土壤碳氮比，促進土壤微生物的生長，增加土壤MBC（表2，圖4）。另外，MBC的增加與土壤蔗糖酶和多酚氧化酶活性增加有關（表5、6），因為土壤酶是微生物活動的產物，其活性可以表征SOC分解轉化為MBC的速率。楊樹純林的MBC在表土層顯著高于楊柳混交林，這是因為楊樹純林在造林16 a后增加有機碳來源的同時，改善了林地光照和土壤通氣性，通過更多的凋落物歸還和較發達根系及其分泌物分解誘導形成的微生物區系，促進了表層土壤MBC的累積。隨著土層深度增加，根系減少，土壤通氣性下降，林分類型對表層以下土壤MBC影響降低，使得20～80 cm土層的MBC在林分間差異不顯著。

與對照相比，營造人工林后土壤EOC顯著增加（表4）。人工林可以通過增加林冠截留和地表凋落物覆蓋（表1），降低雨滴擊濺侵蝕和地表徑流沖刷，減少表層土壤擾動，避免EOC的分解轉化，且造林后有機質的增加提高了團聚體的穩定性（表2），使EOC不易分解。楊樹純林土壤EOC較柳樹純林和楊柳混交林的高，但差異不顯著，這可能取決于林分結構和樹種特性。以往研究表明，凋落物分解速率一般在針葉樹和闊葉樹種間差異顯著，進而影響微生物介導的有機碳循環過程。楊樹在凋落物數量上高于柳樹（表1），可能在分解速率上無顯著差異，導致EOC在林分間無顯著差異。

CPMI是表征SOC總庫及其活性組分關系的指標，可以反映SOC在土壤中固存和礦化潛力。營造人工林后CPMI值高于100%，說明造林可以提高沙土區SOC固存能力。這可能是因為人工林根系木質化程度更高，在提供根系分泌物和新鮮殘體的同時，增加了木質素和纖維素等難降解大分子物質，導致非活性SOC的增加，從而提高土壤碳庫穩定性。

5結論

在平原沙土區營造人工林可以顯著提高0～100 cm土層的SOC和SOCS，且具有明顯的“表聚效應。”楊樹純林具有較高的凋落物生物量和細根生物量，直接增加了土壤有機質的輸入源，積累了更多SOCS。造林通過改變土壤碳氮比和酶活性顯著提高土壤的EOC和MBC，但并未顯著影響DOC。各林分類型土壤CPMI顯著高于100%，表明營造人工林顯著提高了土壤有機碳固存能力。因此，在平原沙土區營造人工林可以提高土壤有機碳及活性組分和有機碳庫穩定性，楊樹純林提高土壤有機碳儲量效果最好。