平原沙土区不同林分类型下土壤有机碳库特征及其影响因子.pdf
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1、DOI:10.12403/j.1001-1498.20220553平原沙土区不同林分类型下土壤有机碳库特征及其影响因子王磊1,刘晴廙1,关庆伟1*,史经攀2,彭婷婷3,朱相丞4,杨樾5,刘静6(1.南京林业大学生物与环境学院,江苏南京210037;2.丰县水利局,江苏徐州221799;3.南京长江江豚省级自然保护区管理站,江苏南京210019;4.江苏省水利工程建设局,江苏南京210029;5.南京市长江河道管理处,江苏南京210011;6.瓮安县水务局,贵州瓮安550400)摘要:目的 明晰不同林分类型下土壤有机碳库特征,以期为平原沙土区土壤碳库的提高和生态恢复提供理论依据。方法 以江苏省平
2、原沙土区丰县 16 年生杨树纯林、柳树纯林、杨柳混交林 3 种林分类型及相邻的撂荒地(对照)为对象,测定 020、2040、4060、6080、80100cm 等 5 个土壤层次有机碳及活性组分和土壤酶活性,计算土壤碳库管理指数,并对土壤有机碳库特征和环境因子进行相关性分析。结果(1)3 种林分类型及对照各土层有机碳含量和储量范围分别为 1.035.88gkg1和 3.5317.55thm2。与对照相比,0100cm 土层,3 种林分类型土壤有机碳含量增加了 45.2%82.2%。杨树纯林0100cm 土层有机碳储量分别是柳树纯林、杨柳混交林和对照的 1.23、1.24、1.83 倍。(2)与
3、对照相比,0100cm 土层,3 种林分类型的土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物生物量碳含量分别提高了28.6%48.0%、6.8%9.7%和 21.6%33.4%。3 种林分类型土壤碳库管理指数显著高于 100%(P0.05)。(3)林分类型显著影响土壤蔗糖酶和多酚氧化酶活性(P0.05),杨柳混交林 0100cm 土层多酚氧化酶活性显著高于杨树纯林和对照(P0.05)。(4)相关性分析表明,土壤有机碳库特征受多酚氧化酶和-葡萄糖苷酶活性显著影响,有机碳含量和储量、易氧化有机碳含量及碳库管理指数受蔗糖酶、过氧化物酶活性显著影响,微生物生物量碳受蔗糖酶活性显著影响。冗余分析表明,土壤碳氮比
4、和细根生物量是土壤有机碳库特征的主要影响因素。结论 平原沙土区营造人工林提高了土壤有机碳及活性组分和有机碳库稳定性,杨树纯林提高土壤有机碳储量效果最好。关键词:平原沙土区;林分类型;有机碳;活性有机碳组分;碳库管理指数;土壤酶活性中图分类号:S714.2文献标识码:A文章编号:1001-1498(2023)04-0072-10土壤有机碳是土壤中地上地下凋落物、根系沉积物、动物残体和微生物体及其分解和合成的有机物质中的碳,是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标1。由于土壤有机碳库含量巨大,其微小的变化将对全球碳循环和气候变化产生显著影响2-3。土壤有机碳储量受林分类型、地形地貌、气候变化和土地利用方
5、式等自然和人为因素的影响,但土壤总有机碳对这些环境因素的响应表现出一定的滞后性,难以在短期内观测其变化4-5。土壤活性有机碳组分是土壤中活性较高、易分解矿化的有机碳,对区域环境变化的响应更敏感6,可以及时、准确地反映土壤有机碳对干扰和环境变化的响应7。碳收稿日期:2022-11-17修回日期:2022-12-24基金项目:江苏省水利科技项目(2020054)作者简介:王磊,硕士研究生。从事森林生态学研究。电话:18951195693。E-mail:*通讯作者:关庆伟,教授。从事森林生态系统结构、功能与过程等方面的研究。电话:13951082270。E-mail:2023,36(4):72-81
6、林业科学研究http:/Forest Research库管理指数是陆地生态系统中土壤碳动态变化率的敏感指标,可以衡量环境因素对土壤有机碳数量和质量的影响8-9。因此,明确有机碳及其活性有机碳组分和碳库管理指数等有机碳库特征对预测土壤碳循环具有重要意义。不同林分类型的根系分布、凋落物组成和微生物群落结构等存在差异,导致光照、水分和土壤理化性质等环境条件变化,进而影响土壤有机碳积累和转化速率10-11。Wang 等2认为,黄土高原延河流域森林较高的凋落物输入,增加土壤氮磷含量,降低土壤容重和 pH 值,促进有机碳及活性组分的积累和固存。Yao 等12对昆士兰赫伯特河流域土壤研究发现,不同植被的凋落
7、物输入、酶活性以及微生物组成存在差异,增加潮汐森林 030cm 土层有机碳含量。Yuan 等13对亚热带冲击平原土壤有机碳库研究认为,相较于香樟(Cinnamomumcamphora(L.)Presl)和 水 杉(MetasequoiaglyptostroboidesHu&W.C.Cheng),落叶阔叶重阳木(Bischofia polycarpa(Levl.)AiryShaw)人工林较低的碳氮比和较短的细根寿命加速凋落物分解,缓解土地利用方式转变初期有机碳的损失。Dawud 等14和 Ratcliffe 等15指出,林分类型对土壤有机碳的影响在不同气候和土壤类型下存在差异。江苏省总面积约 1
8、0.72 万 km2,其中,平原沙土区面积约 2 万 km2,主要分为黄河故道沙土区、沿海平原沙土区和通南高沙土区。江苏省丰县属典型黄河故道沙土区,土壤类型以潮土和风沙土为主,土壤风化程度高,结构疏松,抗侵蚀能力弱,自然肥力低,孔隙率高,保水性差16-17。以往对平原沙土区研究多集中于植被恢复措施的水土保持效果18,较少关注土壤碳库特征和土壤质量提升。前人研究表明,植被恢复可以改变沙土有机碳储量19,但造林初期不同林分类型下沙土区土壤有机碳库特征及其与环境因子的关系尚不清楚。基于此,本研究以江苏省平原沙土区丰县 16 年生杨树(Populus euramevicanacl.Zhonglin46
9、)纯林、柳树(Salix jiangsuensiscl.J-172)纯林、杨柳混交林 3 种林分类型及相邻的撂荒地(对照)为对象,测定土壤有机碳及活性组分、蔗糖酶、过氧化物酶、多酚氧化酶和-葡萄糖苷酶活性,并计算土壤碳库管理指数,旨在明晰不同林分类型下土壤有机碳库特征及其影响因子,以期为平原沙土区土壤碳库的提高和生态恢复提供理论依据。1研究区概况试验地位于江苏省丰县复新河中游(342425345627N,11621151165203E),属黄泛冲积平原,海拔 34.548.2m;属暖温带季风气候,四季分明,光照充足,雨量适中,雨热同期;春季天气多变,夏季高温多雨,秋季天高气爽,冬季寒潮频袭,无
10、霜期 200d 左右。年平均降水量630.4mm,年平均气温 15.3。试验地土壤以微碱性潮土为主20,土壤湿润,土质分布均匀,周边区域以农业为主。主要乔木树种有杨树、柳树、泡桐(Paulownia tomentosa(Thunb.)Steud.)、构树(Broussonetia papyrifera(L.)LHer.exVent.)、女贞(Ligustrum lucidumAit.)等。2研究方法2.1样地设置和采样方法试验地为 2006 年河道整治形成的立地条件相近的防护林,宽约 40m,长约 6km。沿河道依次营造长约 2km 林龄相同的杨树纯林、柳树纯林和杨柳混交林。杨树品种为“46-
11、杨”,柳树品种为“苏柳172”,林龄16a,初始营造密度均为500株hm2。杨树纯林(PPP)、柳树纯林(WPP)、杨柳混交林(PWM)下皆有天然更新的灌木和草本,其中,灌木主要有枸杞(Lycium chinenseMiller)、苎麻(Boehmeria nivea(L.)Gaudich.)等;草本植物主要有狗尾草(Setaria viridis(L.)Beauv.)、沼生水马齿(Callitriche palustrisL.)等。试验地基本概况见表 1。采样时间为 2022 年 3 月。在每种林分类型分别设置 3 个间距大于 300m 的面积为 20m20m的标准样地,根据试验地踏勘情况,
12、选择与 3 种林分类型相邻的以狗尾草等草本植物为主的立地条件相同的撂荒地为对照(CK),撂荒地同样设置3 个远离林分边界的面积为 20m20m 的标准样地。在每个标准样地中按“S”型选取 5 个采样点,去除地表凋落物后挖取土壤剖面,每个剖面大小为 1m1.5m1.2m,分 020、2040、4060、6080、80100cm5 个土层分别采集土壤,将 5 个采样点同一土层的土壤混合成该标准样第4期王磊,等:平原沙土区不同林分类型下土壤有机碳库特征及其影响因子73地的土壤样品。用镊子仔细去除土壤中的根系,过 2mm 筛备用。将每个标准样地的土壤样品分为 2 份,一份作为鲜土保存在 4 冰箱中,用
13、于土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)和 pH 值的测定;另一份经自然风干过筛等处理后用于全碳(TC)、有机碳(SOC)、易氧化有机碳(EOC)、蔗糖酶、过氧化物酶、多酚氧化酶和-葡萄糖苷酶及其它土壤理化性质的测定。使用内径 9cm、高 20cm 的根钻,在 5 个采样点分 5 个土壤层次分别采集 1 份土芯,混合为一份装袋,带回实验室用 0.2mm 细筛淘洗,筛选出直径2mm 的细根。在每个标准样地中随机选取 3 个 1m1m 的小样方,收集各小样方地表凋落物混合为该标准样地的凋落物样。2.2指标测定试验地土壤偏碱性,土壤、凋落物和细根的全碳和全氮含量采用元素分析仪(Vari
14、oElement,Germany)测定,SOC 采用重铬酸钾-外加热法测定;DOC 经 K2SO4浸提,采用 TOC 仪(TOC-VCPH+TNM-1,Shimazu Inc.,Japan)测 定;MBC 用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定;EOC 采用333mmolL1高锰酸钾氧化法测定。土壤团聚体平均重量直径参考 Elliot21湿筛法测定,其它土壤理化指标参照鲍士旦22的分析方法,容重和含水率用环刀法测定;细根生物量和凋落物生物量用烘干称量法测定;pH 值用电位法(水土比为 2.5:1)测定。土壤酶活性参考关松荫23的方法测定,蔗糖酶用 3,5-二硝基水杨酸比色法测定;土壤过氧化物酶和多酚
15、氧化酶以邻苯三酚为底物,用没食子素比色法测定;土壤-葡萄糖苷酶用对硝基酚比色法测定。土壤基本理化性质见表 2。表2试验地土壤理化性质Table2Physicalandchemicalpropertiesofsoilinthesampleplots林分类型Standtypes全碳TCcontent/(gkg1)全氮TNcontent/(gkg1)碳氮比C:N全磷TPcontent/(gkg1)全钾TKcontent/(gkg1)pH值土壤容重Bulkdensity/(gcm3)土壤含水率Watercontent/%平均重量直径Meanweightdiameter/mm杨树纯林PPP13.610.
16、70AB0.600.04A25.670.70B1.450.03B18.680.62B8.270.10A1.640.03A20.751.42A0.710.08A柳树纯林WPP13.340.66AB0.570.05A29.971.04B1.530.02AB20.980.64A8.390.04A1.660.03A20.091.40A0.660.03AB杨柳混交林PWM13.970.74A0.530.07B26.601.39B1.520.02AB19.910.26AB8.210.13A1.640.03A22.191.05A0.520.01BC撂荒地CK12.490.48B0.390.04B46.403
17、.65A1.560.03A20.160.23AB8.090.02A1.630.03A23.941.25A0.400.02C注:土壤理化性质数据为020、2040、4060、6080、80100cm5个土层的平均值。Note:Thedataofsoilphysicalandchemicalpropertiesweretheaveragevaluesinfivesoillayers(0-20,20-40,40-60,60-80and80-100cm).2.3数据处理和结果分析土壤有机碳储量(SOCS)计算公式如下:SOCS=SOC h(1-)/10式中:SOC 为有机碳含量,为土壤容重,h为土层厚
18、度,为土壤砾石含量。根据 Blair 等8的方法,以撂荒地为对照进行碳库管理指数(CPMI)的计算,公式如下:CPMI=CPI LI 100%式中:碳库指数(CPI)=样品 SOC/对照SOC。表1试验地基本概况Table1Basicinformationofthesampleplots林分类型Standtypes平均胸径MeanDBH/cm平均树高Meanheight/m郁闭度Canopydensity凋落物厚度Litterthickness/cm细根生物量Finerootbiomass/(thm2)细根碳储量Finerootcarbonstock/(thm2)凋落物生物量Litterbio
19、mass/(thm2)凋落物碳储量Littercarbonstock/(thm2)杨树纯林PPP28.81.616.80.60.92.28.690.55A3.930.31A12.890.01A5.490.19A柳树纯林WPP14.92.37.20.40.41.34.660.63B2.090.35B8.852.61B3.860.61B杨柳混交林PWM28.672.67(杨树)/18.431.72(柳树)17.840.41(杨树)/8.311.01(柳树)0.71.54.120.74B1.690.35B9.990.76B4.350.19AB撂荒地CK0.21.140.04C0.450.02C2.8
20、61.38C1.210.35C注:表中的数据为“平均值标准误”。不同大写字母表示不同林分之间差异显著(P0.05)。下同。Notes:Thedatais“meanstandarderror”.Capitalcaselettersthatdifferindicatesignificant(P0.05)differencesamongstandtypes.Thesamebelow.74林业科学研究第36卷碳库活度指数(LI)=样品碳库活度(L)/对照碳库活度(L)。L=EOC/(SOC-EOC)。用 Excel2019 进行数据整理和 CPMI 的计算,用 SPSS21 对数据进行统计分析。利用S
21、hapiro-Wilk 法 检 验 方 程 残 差 分 布 的 正 态 性,SOCS、MBC、CPMI、蔗糖酶、多酚氧化酶和-葡萄糖苷酶等指标符合正态分布,SOC、EOC、DOC 和过氧化物酶等采用对数转换,利用方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较各指标间差异,双因素方差分析见表 3。采用 Pearson法和冗余分析(RDA)进行相关性分析;用 Origin2018 软件进行统计图制作。表3林分类型和土层对土壤有机碳及活性组分和酶活性的影响Table3EffectsofstandtypesandsoillayeronSOC,labilefractionsandenzymeact
22、ivities指标Indicator林分类型Standtypes土层Soillayers林分类型土层StandtypessoillayersFPFPFP有机碳含量SOC27.0150.0535.4370.051.4780.173有机碳储量SOCS19.9300.0545.5660.050.7120.731易氧化有机碳EOC18.9880.0530.6840.050.8530.598可溶性有机碳DOC1.1660.33512.6340.050.5680.854微生物生物量碳MBC20.2760.058.1930.050.6610.777蔗糖酶活性Invertaseactivity4.5500.0
23、53.5530.050.8090.639过氧化物酶活性Peroxidaseactivity1.3640.2684.7010.051.4930.167多酚氧化酶活性Polyphenoloxidaseactivity23.9410.056.8260.051.1500.350-葡萄糖苷酶活性-Glucosidaseactivity0.4700.7058.4900.050.8530.5983结果与分析3.1不同林分类型土壤有机碳含量和储量分布特征由图 1 可知:试验地 3 种林分类型和对照各土层 SOC 和 SOCS 范围分别为 1.035.88gkg1和 3.5317.55thm2,在不同林分类型和
24、土层间差异显著(P0.05)(表 3)。3 种林分类型 0100cm 土层的 SOC 和 SOCS 显著高于对照,分别增加了 45.2%82.2%和 47.7%83.1%,其中,杨树纯林 SOC 显著高于柳树纯林和杨柳混交林(表 4)。在垂直分布上,SOC 随土层加深而降低,020cm 土层的 SOC 显著高于 20100cm各土层(P0.05)。与柳树纯林、杨柳混交林和对照相比,杨树纯林 020、2040、4060、6080 和 80100cm 土层 SOCS 分别增加了14.6%19.2%、24.1%168.1%、27.9%108.1%、20.5%149.2%和 11.3%144.4%;0
25、100cm土层杨树纯林的 SOCS 分别是柳树纯林、杨柳混交林和对照的 1.23、1.24、1.83 倍。3.2不同林分类型土壤活性有机碳组分含量分布特征由图 2 可知:3 种林分类型和对照不同土层的 EOC、DOC 和 MBC 范围分别为 0.732.38gkg1、35.9662.53mgkg1和 134.94226.84mgkg1,EOC 和 MBC 在不同林分类型和不同土层间差异显著(P0.05),DOC 仅在不同土层间差异显著(P0.05)(表 3)。在 0100cm 土层,3 种林分类型的 EOC 和 MBC 均显著高于对照(P0.05),杨树纯林、柳树纯林和杨柳混交林的 EOC 和
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