深圳丘陵地带不同植被类型森林土壤有机碳组分和团聚体分布特征研究

袁峰均，史正军，曾 伟，潘 松

(1. 深圳市中国科学院仙湖植物园，广东 深圳 518004； 2. 深圳城市森林生态系统国家定位观测研究站，广东 深圳 518004)

土壤是陆地生物圈中最大的碳库。据估计，1 500 Pg碳以有机质的形式储存在土壤中，是大气或陆地植被的3倍[1]。森林是陆地生态系统的主体，是陆地上最大的碳源和碳汇[2]。其中，森林土壤碳储量占整个森林生态系统的32%～84%，其微小的变化都会对大气CO2浓度产生显著影响[3]。土壤团聚体作为土壤有机碳的主要储集层，为有机碳提供物理保护，是土壤固碳的重要机制[4-5]。有机碳与矿物结合有助于防止碳的分解，从而有利于碳的固定[6]。此外，其他研究表明，微团聚体(<0.25 mm)是影响有机碳储存和稳定的关键结构，微团聚体中的碳在物理或化学上会被排除在土壤环境中的微生物攻击或酶反应之外[7-8]。因此，明确森林土壤有机碳组分和团聚体分布特征显得尤为重要。目前，已有不少学者对森林土壤有机碳和团聚体分布特征进行了研究，但主要着眼于具体的某一种树木，而对大面积不同植被类型下的有机碳组分和团聚体分布特征知之甚少。因此，以深圳市典型丘陵地带针叶林、阔叶人工林和次生阔叶林为研究对象，对土壤有机碳组分和团聚体含量进行了分析，以期获得对不同森林植被类型下土壤有机碳组分和团聚体分布特征的系统认识，为摸清该地区森林土壤结构形成及其碳氮稳定机制提供科学参考。

1 研究区概况

深圳市位于东经113°46′～114°37′，北纬22°27′～22°52′，属于亚热带海洋性气候。地势东南高、西北低，地貌以低山丘陵为主，其次为平缓的台地和滨海平原。土壤有10个土类15个亚类，主要为赤红壤、红壤、黄壤及滨海沙土等，成土母岩主要为花岗岩和砂页岩。该区域平均气温22.5 ℃，降雨丰富，其地带性植被为滨海型南亚热带季风常绿阔叶林，现有主要森林植被包括藜蒴栲(Castanopsisfiss)、桉树(Eucalyptussp.)、厚荚相思(Acaciacrassicarpa)、台湾相思(Acaciaconfuse)等阔叶(混交)林，马尾松(Pinusmassoniana)、湿地松(Pinuselliottii)、杉木(Cunninghamialanceolata)等针叶(混交)林，木榄(Bruguieragymnorhiza(L.) Lam.)等红树林，以岗松(Baeckeafrutescens)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)为代表的灌木植被和以芒箕(Dicranopterisdichotoma)、蕨类(Pteridumaquilinum)、大芒(D.amplaChing et Chiu)为代表的草本群落及竹林(Bambusoidese)。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

根据各植被类型面积，结合林地状况的复杂性，确定调查样点数。每一种植被类型样点数不少于10个，总计70个调查样点，基本情况见表1。采用随机抽样方法布设样点，每个样点挖取土壤剖面，按0～10 cm和>10～30 cm划分土层，自下而上采集土壤样品，带回实验室。去除植物残茬，风干后，一部分磨碎，分别过1.00 mm孔径(20目)和0.149 mm孔径(100目)的筛子，混匀保存，用于土壤基本养分和有机碳组分测定；另一部分原状土用于土壤团聚体含量测定。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic properties of study plots

2.2 项目测定与方法

对土壤基本理化性质采用鲁如坤的方法[9]测定；土壤团聚体组分采用干筛法[10]测定；有机碳组分采用改进后的Chan等人介绍的方法[11]测定。具体而言，称取3份土壤(0.15 mm)0.200 0～0.500 0 g于250 mL锥形瓶，分别加入10 mL 0.167 mol/L K2Cr2O7和5、10、20 mL浓硫酸，反应液酸度分别为6、9、12 mol/L。待反应后，用1.0 mol/L FeSO4滴定，最终得到被氧化能力依次降低的有机碳组分，包括活性有机碳、易氧化有机碳、惰性有机碳和稳定有机碳。其中，活性有机碳=6 mol/L H2SO4可氧化有机碳；易氧化有机碳=9 mol/L H2SO4可氧化有机碳—6 mol/L H2SO4可氧化有机碳；惰性有机碳=12 mol/L H2SO4可氧化有机碳—9 mol/L H2SO4可氧化有机碳；稳定有机碳=总有机碳—12 mol/L H2SO4可氧化有机碳。

2.3 数据处理

所有数据用Excel 2013处理，SPSS 20.0进行方差分析和显著性分析，Origin 9.0和R软件作图。试验数据用“平均值±标准误”表示，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比较采用Duncan法，且P<0.05被认为具有统计学意义。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型丘陵地带森林土壤理化性质

分析可知，不同植被类型丘陵地带森林土壤养分含量存在差异(表2)。阔叶人工林表层土壤(0～10 cm)的有机质和全氮含量与次生阔叶林间的差异达显著水平(P<0.05)，且均以次生阔叶林土壤最高(21.84和1.44 g/kg)。然而，亚表层(>10～30 cm)土壤养分在不同植被类型间的差异均未达到显著水平，pH、有机质和全氮含量表现为：针叶林>次生阔叶林>阔叶人工林；电导率则表现为：次生阔叶林>针叶林>阔叶人工林。

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

3.2 不同植被类型丘陵地带森林土壤有机碳组分

分析可知，表层土壤有机碳组分均高于亚表层，且以活性有机碳含量最高(图1)。其中，活性有机碳含量与易氧化有机碳趋势一致，表层含量均表现为：次生阔叶林>阔叶人工林>针叶林；亚表层则表现为：针叶林>次生阔叶林>阔叶人工林。此外，惰性有机碳含量在两个土层上表现一致，均以次生阔叶林最高(2.39、1.12 g/kg)，阔叶人工林最低(1.76、0.92 g/kg)。表层土壤的稳定有机碳含量以阔叶人工林最高(3.09 g/kg)，是其余植被类型的1.26和1.11倍，而亚表层以针叶林最高(1.81 g/kg)。

图1 土壤有机碳组分Fig.1 Soil organic carbon fractions

3.3 不同植被丘陵地带森林土壤团聚体粒径分布

不同植被类型土壤力稳性团聚体的差异见图2。

图2 土壤团聚体粒径分布Fig.2 Particle size distribution of soil aggregates

两层土壤>5 mm团聚体含量差异微弱。具体而言，表层土壤团聚体含量在不同植被类型间的差异主要体现在微团聚体上(<0.25 mm)，针叶林与次生阔叶林间差异显著(P<0.05)，其余团聚体组分间差异均不显著。此外，亚表层土壤团聚体差异不仅体现在微团聚体上，其1～2 mm粒径含量在阔叶人工林和次生阔叶林间差异显著。

3.4 土壤有机碳组分与理化性质、团聚体间的相关性

土壤有机碳组分与理化性质间的相关性在两层土壤中略有差异(图3)。除表层土壤的电导率与惰性有机碳间的相关性外，两层土壤的电导率、有机质和全氮含量与4种有机碳组分均呈极显著正相关关系(P<0.001)。此外，表层土壤活性有机碳与>10 mm团聚体显著正相关，而活性有机碳和易氧化有机碳均与>2～5 mm团聚体呈显著负相关；亚表层土壤惰性有机碳与>10 mm团聚体呈显著正相关(P<0.05)。

4 讨论

土壤微团聚体的形成机制主要是矿物表面与有机质的相互作用，微团聚体又以植物源多糖、真菌菌丝和根为结合剂结合成大团聚体[12-13]。大团聚体的形成和稳定与土壤有机碳含量和微生物，特别是真菌的生物量呈正相关[14-15]。由于降水和温度随海拔变化呈现规律性变化，导致植被类型分布格局存在明显差异[16-17]。Jia等[18]研究发现，海拔越高，气候越冷、越潮湿，越有利于大团聚体的形成和稳定，而微团聚体减少。这与本研究结果不一致。本研究中，样点平均海拔和平均坡度均表现为：阔叶人工林>次生阔叶林>针叶林。然而，两层土壤的微团聚体均表现为：次生阔叶林>阔叶人工林>针叶林。造成差异的原因可能是本研究区域位于深圳市，样点最高海拔仅为894 m，且多数样点海拔小于200 m，人为干扰作用较强，植被类型分布格局随海拔变化不明显。程欢等[19]研究表明，四川盆地西南缘巨桉人工林、杉木人工林、马尾松次生林土壤水稳性团聚体含量均以大团聚体(>0.25 mm)为主，这与本研究结果一致。此外，本研究发现，针叶林表层土壤活性有机碳和易氧化有机碳含量均最低，阔叶林较高，这是因为阔叶林凋落物含有更易分解的化合物(如糖)，而针叶凋落物含有更多的抗腐化合物(如木质素、鞣质)，使生物降解更加困难[18]。同时，被微生物分解并融入土壤的植物凋落物也有助于土壤有机碳的矿化[20]。

土壤有机碳的矿化率受温度、含水量、碳输入和微生物等多种因素的控制，以二氧化碳和其他营养物质的形式释放碳，并被植物吸收[21-22]。其中，微生物的生物量和活性以及不稳定有机碳含量是决定累积矿化碳的主要因素。本研究发现，土壤理化性质与有机碳组分呈极显著正相关关系(P<0.001)，且以活性有机碳与有机质和全氮含量相关性最高。土壤全氮和有机质含量越高，越有可能被矿化。此外，土壤碳矿化与团聚体关系密切，影响土壤团聚体的因素都将影响土壤碳矿化，特别是团聚体粒径的改变将影响土壤有机碳矿化速率[23]。周纯亮等[24]研究了杉木林、湿地松林、毛竹林和次生林4种森林土壤不同发生层水稳性团聚体及其有机碳分布特征，发现不同森林类型对>5 mm和2～5 mm团聚体含量影响显著(P<0.05)，其他粒径无显著差异；同土层不同粒径团聚体中有机碳含量随粒径大小变化，团聚体粒径越小，有机碳含量越高。孙颖等[25]研究表明，原始红松林土壤重组有机碳比例达到77.0%，显著高于杨桦次生林，且前者土壤有机碳更稳定。于法展等[26]研究发现，在同一土层下黄山松林的土壤团聚体有机碳含量最大，常绿阔叶林最小，马尾松林、玉山竹林和黄山松林的土壤团聚体有机碳变化较明显。在本研究中，有机碳组分主要与>10 mm和2～5 mm团聚体显著相关，这与周纯亮等[24]的研究结论存在差异，可能是因为研究区域和植被类型不一致。研究区域不同，海拔、降水量和气温等存在明显的差异；而植被类型的差异则会导致凋落物、根系形态、分泌物、土壤微环境的显著差异，进而影响土壤有机碳的矿化速度、土壤相关性质及其相互作用。

5 结论

深圳丘陵地带不同植被类型森林土壤养分、有机碳组分和团聚体含量存在显著差异。其中，表层土壤养分含量以次生阔叶林最高，亚表层以针叶林肥力状况最佳。不同植被类型土壤各有机碳组分均存在差异，表层土壤有机碳组分均高于亚表层，且以活性有机碳含量最高。此外，不同植被类型土壤间的差异主要体现在微团聚体和/或1～2 mm团聚体上，且土壤养分是有机碳矿化的关键因子。