王磊　劉晴虞　關(guān)慶偉等

關(guān)鍵詞：平原沙土區(qū)；林分類(lèi)型；有機(jī)碳；活性有機(jī)碳組分；碳庫(kù)管理指數(shù)；土壤酶活性

中圖分類(lèi)號(hào)：S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-1498（2023）04-0072-10

土壤有機(jī)碳是土壤中地上地下凋落物、根系沉積物、動(dòng)物殘?bào)w和微生物體及其分解和合成的有機(jī)物質(zhì)中的碳，是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于土壤有機(jī)碳庫(kù)含量巨大，其微小的變化將對(duì)全球碳循環(huán)和氣候變化產(chǎn)生顯著影響。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量受林分類(lèi)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(jī)碳對(duì)這些環(huán)境因素的響應(yīng)表現(xiàn)出一定的滯后性，難以在短期內(nèi)觀測(cè)其變化。土壤活性有機(jī)碳組分是土壤中活性較高、易分解礦化的有機(jī)碳，對(duì)區(qū)域環(huán)境變化的響應(yīng)更敏感，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地反映土壤有機(jī)碳對(duì)干擾和環(huán)境變化的響應(yīng)。碳庫(kù)管理指數(shù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳動(dòng)態(tài)變化率的敏感指標(biāo)，可以衡量環(huán)境因素對(duì)土壤有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量的影響。因此，明確有機(jī)碳及其活性有機(jī)碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)等有機(jī)碳庫(kù)特征對(duì)預(yù)測(cè)土壤碳循環(huán)具有重要意義。

不同林分類(lèi)型的根系分布、凋落物組成和微生物群落結(jié)構(gòu)等存在差異，導(dǎo)致光照、水分和土壤理化性質(zhì)等環(huán)境條件變化，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳積累和轉(zhuǎn)化速率。Wang等認(rèn)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(jìn)有機(jī)碳及活性組分的積累和固存。Yao等對(duì)昆士蘭赫伯特河流域土壤研究發(fā)現(xiàn)，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(jī)碳含量。Yuan等對(duì)亞熱帶沖擊平原土壤有機(jī)碳庫(kù)研究認(rèn)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(yáng)木（Bischofia po/ycarpa （Levl.） Airy Shaw）人工林較低的碳氮比和較短的細(xì)根壽命加速凋落物分解，緩解土地利用方式轉(zhuǎn)變初期有機(jī)碳的損失。Dawud等和Ratcliffe等指出，林分類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳的影響在不同氣候和土壤類(lèi)型下存在差異。

江蘇省總面積約10.72萬(wàn)km²，其中，平原沙土區(qū)面積約2萬(wàn)km²，主要分為黃河故道沙土區(qū)、沿海平原沙土區(qū)和通南高沙土區(qū)。江蘇省豐縣屬典型黃河故道沙土區(qū)，土壤類(lèi)型以潮土和風(fēng)沙土為主，土壤風(fēng)化程度高，結(jié)構(gòu)疏松，抗侵蝕能力弱，自然肥力低，孔隙率高，保水性差。以往對(duì)平原沙土區(qū)研究多集中于植被恢復(fù)措施的水土保持效果，較少關(guān)注土壤碳庫(kù)特征和土壤質(zhì)量提升。前人研究表明，植被恢復(fù)可以改變沙土有機(jī)碳儲(chǔ)量，但造林初期不同林分類(lèi)型下沙土區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系尚不清楚。基于此，本研究以江蘇省平原沙土區(qū)豐縣16年生楊樹(shù)（Populus×euramevicana cl.'Zhonglin 46'）純林、柳樹(shù)（Salix×jiangsuensis cl.‘J-172）純林、楊柳混交林3種林分類(lèi)型及相鄰的撂荒地（對(duì)照）為對(duì)象，測(cè)定土壤有機(jī)碳及活性組分、蔗糖酶、過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶活性，并計(jì)算土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，旨在明晰不同林分類(lèi)型下土壤有機(jī)碳庫(kù)特征及其影響因子，以期為平原沙土區(qū)土壤碳庫(kù)的提高和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江蘇省豐縣復(fù)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(fēng)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(wú)霜期200 d左右。年平均降水量630.4 mm，年平均氣溫15.3℃。試驗(yàn)地土壤以微堿性潮土為主，土壤濕潤(rùn)，土質(zhì)分布均勻，周邊區(qū)域以農(nóng)業(yè)為主。主要喬木樹(shù)種有楊樹(shù)、柳樹(shù)、泡桐（Paulownia tomentosa （Thunb.） Steud.）、構(gòu)樹(shù)（Broussonetia papyrifera （L.） L'Her. exVent.）、女貞（Ligustrum lucidum Ait.）等。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置和采樣方法

試驗(yàn)地為2006年河道整治形成的立地條件相近的防護(hù)林，寬約40 m，長(zhǎng)約6km。沿河道依次營(yíng)造長(zhǎng)約2 km林齡相同的楊樹(shù)純林、柳樹(shù)純林和楊柳混交林。楊樹(shù)品種為“46-楊”，柳樹(shù)品種為“蘇柳172”，林齡16a，初始營(yíng)造密度均為500株-hm^-2。楊樹(shù)純林（PPP）、柳樹(shù)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(yàn)地基本概況見(jiàn)表1。

采樣時(shí)間為2022年3月。在每種林分類(lèi)型分別設(shè)置3個(gè)間距大于300 m的面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，根據(jù)試驗(yàn)地踏勘情況，選擇與3種林分類(lèi)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(duì)照（CK），撂荒地同樣設(shè)置3個(gè)遠(yuǎn)離林分邊界的面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中按“S”型選取5個(gè)采樣點(diǎn)，去除地表凋落物后挖取土壤剖面，每個(gè)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(gè)土層分別采集土壤，將5個(gè)采樣點(diǎn)同一土層的土壤混合成該標(biāo)準(zhǔn)樣地的土壤樣品。用鑷子仔細(xì)去除土壤中的根系，過(guò)2 mm篩備用。將每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）和pH值的測(cè)定；另一份經(jīng)自然風(fēng)干過(guò)篩等處理后用于全碳（TC）、有機(jī)碳（SOC）、易氧化有機(jī)碳（EOC）、蔗糖酶、過(guò)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(zhì)的測(cè)定。使用內(nèi)徑9 cm、高20 cm的根鉆，在5個(gè)采樣點(diǎn)分5個(gè)土壤層次分別采集1份土芯，混合為一份裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室用0.2 mm細(xì)篩淘洗，篩選出直徑<2mm的細(xì)根。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中隨機(jī)選取3個(gè)1m×1m的小樣方，收集各小樣方地表凋落物混合為該標(biāo)準(zhǔn)樣地的凋落物樣。

2.2指標(biāo)測(cè)定

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

土壤酶活性參考關(guān)松蔭的方法測(cè)定，蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定；土壤過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶以鄰苯三酚為底物，用沒(méi)食子素比色法測(cè)定；土壤β-葡萄糖苷酶用對(duì)硝基酚比色法測(cè)定。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

碳庫(kù)活度指數(shù)（LI）=樣品碳庫(kù)活度（L），對(duì)照碳庫(kù)活度（L）。

L=EOC/（SOC-EOC）。

用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和CPMI的計(jì)算，用SPSS 21對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Shapiro-Wilk法檢驗(yàn)方程殘差分布的正態(tài)性，SOCS、M8C、CPMI、蔗糖酶、多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶等指標(biāo)符合正態(tài)分布，SOC、EOC、DOC和過(guò)氧化物酶等采用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，利用方差分析（ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較各指標(biāo)間差異，雙因素方差分析見(jiàn)表3。采用Pearson法和冗余分析（RDA）進(jìn)行相關(guān)性分析；用Origin2018軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖制作。

3結(jié)果與分析

3.1不同林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量分布特征

由圖1可知：試驗(yàn)地3種林分類(lèi)型和對(duì)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(lèi)型和土層間差異顯著（P<0.05）（表3）。3種林分類(lèi)型0～100 cm土層的SOC和SOCS顯著高于對(duì)照，分別增加了45.2%～82.2%和47.7%～83.1%，其中，楊樹(shù)純林SOC顯著高于柳樹(shù)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(shù)純林、楊柳混交林和對(duì)照相比，楊樹(shù)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(shù)純林的SOCS分別是柳樹(shù)純林、楊柳混交林和對(duì)照的1.23、1.24、1.83倍。

3.2不同林分類(lèi)型土壤活性有機(jī)碳組分含量分布特征

由圖2可知：3種林分類(lèi)型和對(duì)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(lèi)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(lèi)型的EOC和MBC均顯著高于對(duì)照（P<0.05），楊樹(shù)純林、柳樹(shù)純林和楊柳混交林的EOC和MBC分別比對(duì)照平均提高了48，0%、28.6%、41.8%和33.4%、25.0%、21.6%（表4）。楊樹(shù)純林、柳樹(shù)純林、楊柳混交林0～20 cm土層的DOC顯著高于對(duì)照（P<0.05），分別提高了37.9%、24.8%和21.3%。3種土壤活性有機(jī)碳組分含量在垂直分布上的規(guī)律相似，隨土層深度增加呈先降低后微升趨勢(shì)。

3.3不同林分類(lèi)型土壤碳庫(kù)管理指數(shù)分布特征

CMPI是基于對(duì)照土壤有機(jī)碳變化的穩(wěn)定性指標(biāo)，對(duì)照土壤的CMPI為100%。由圖3可知：0～100 cm土層3種林分類(lèi)型土壤的CPMI顯著高于100%（P<0.05）；0～20 cm土層CPMI為楊樹(shù)純林>柳樹(shù)純林>楊柳混交林，其中，楊樹(shù)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(shù)純林和柳樹(shù)純林（P<0.05）。

3.4不同林分類(lèi)型土壤酶活性的差異

由表5可知：與楊樹(shù)純林、柳樹(shù)純林和對(duì)照相比，楊柳混交林0～100 cm土層過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶的活性較高，其中，楊柳混交林過(guò)氧化物酶活性顯著高于柳樹(shù)純林（P<0.05）.提高了26.8%，多酚氧化酶的活性顯著高于楊樹(shù)純林和對(duì)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(shù)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(shù)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(guò)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(duì)蔗糖酶、過(guò)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(lèi)型僅顯著影響蔗糖酶和多酚氧化酶的活性，林分類(lèi)型和土層的交互作用對(duì)4種酶活性影響不顯著（表3）。

3.5土壤有機(jī)碳庫(kù)特征與土壤酶活性的相關(guān)性

相關(guān)分分析結(jié)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(guān)，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(guān)，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(guān)。

3.6土壤有機(jī)碳庫(kù)特征與環(huán)境因子的冗余分析

圖4表明：在有機(jī)碳及活性組分和CPMI與環(huán)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(xiàn)率為99.88%。碳氮比和細(xì)根生物量對(duì)土壤有機(jī)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(xì)根生物量是土壤有機(jī)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(guān)性，因此，碳氮比與土壤有機(jī)碳及活性組分和CPMI呈負(fù)相關(guān)；細(xì)根生物量與土壤有機(jī)碳及活性組分和CPMI呈正相關(guān)。

4討論

4.1林分類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量影響

營(yíng)造人工林16 a后，與對(duì)照相比，平原沙土區(qū)3種林分類(lèi)型增加了各土層的SOC，與Kukuls等的結(jié)果一致。這主要?dú)w因于營(yíng)造人工林增加了地表凋落物數(shù)量（表1），為土壤有機(jī)質(zhì)積累提供豐富的來(lái)源。3種林分中楊樹(shù)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(jī)質(zhì)輸入和有機(jī)質(zhì)分解、淋溶及侵蝕等碳損失的平衡。楊樹(shù)是典型速生樹(shù)種，適應(yīng)能力強(qiáng)，提供了更多的凋落物和細(xì)根生物量（表1），直接增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入源，促進(jìn)楊樹(shù)純林土壤積累更多SOCS。

各林分類(lèi)型SOC和SOCS都具有明顯的“表聚效應(yīng)”，這與沈芳芳等研究結(jié)果一致，這可能是因?yàn)榈蚵湮锓纸廨斎氲挠袡C(jī)質(zhì)集中在土壤表層，且植被根系主要分布于土壤表層。有機(jī)質(zhì)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(guān)（表6），表土層更高的酶活性（表5）證明了這一效應(yīng)。與其他林分類(lèi)型相比，20～80 cm土層，楊樹(shù)純林累積SOCS隨土層加深逐漸升高。楊樹(shù)具有發(fā)達(dá)的根系，提高了各土層有機(jī)質(zhì)來(lái)源，也可能促進(jìn)表層的DOC向下遷移，使其SOCS累積量逐漸升高。

4.2林分類(lèi)型對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

DOC主要來(lái)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(lèi)型有較多地表凋落物和發(fā)達(dá)根系，使0～20 cm土層的DOC顯著高于對(duì)照。另外，沙質(zhì)土壤因?yàn)槿狈?duì)輸入有機(jī)碳的物理保護(hù)作用，會(huì)導(dǎo)致土壤中DOC淋失，而表土層的有機(jī)質(zhì)輸入可以抵消這種淋失作用，因此，本研究中3種林分類(lèi)型的DOC僅在表土層與對(duì)照差異顯著。然而，各土層DOC在不同林分間無(wú)顯著差異，有可能是因?yàn)闋I(yíng)造人工林在提高了有機(jī)質(zhì)輸入和增加DOC含量的同時(shí)，也提高了酶活性（表5），使DOC經(jīng)過(guò)土壤酶轉(zhuǎn)化為MBC，從而降低了DOC，使得DOC在林分類(lèi)型間差異不顯著。

本研究發(fā)現(xiàn)，造林可以提高土壤的MBC，這與Wang等研究結(jié)果一致。在營(yíng)造人工林后，一方面提高了凋落物數(shù)量和質(zhì)量，增加了土壤SOC，為微生物提供了可直接利用的有機(jī)碳源；另一方面降低了土壤碳氮比，促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)，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(guān)（表5、6），因?yàn)橥寥烂甘俏⑸锘顒?dòng)的產(chǎn)物，其活性可以表征SOC分解轉(zhuǎn)化為MBC的速率。楊樹(shù)純林的MBC在表土層顯著高于楊柳混交林，這是因?yàn)闂顦?shù)純林在造林16 a后增加有機(jī)碳來(lái)源的同時(shí)，改善了林地光照和土壤通氣性，通過(guò)更多的凋落物歸還和較發(fā)達(dá)根系及其分泌物分解誘導(dǎo)形成的微生物區(qū)系，促進(jìn)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(lèi)型對(duì)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(duì)照相比，營(yíng)造人工林后土壤EOC顯著增加（表4）。人工林可以通過(guò)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(dòng)，避免EOC的分解轉(zhuǎn)化，且造林后有機(jī)質(zhì)的增加提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性（表2），使EOC不易分解。楊樹(shù)純林土壤EOC較柳樹(shù)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(jié)構(gòu)和樹(shù)種特性。以往研究表明，凋落物分解速率一般在針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)種間差異顯著，進(jìn)而影響微生物介導(dǎo)的有機(jī)碳循環(huán)過(guò)程。楊樹(shù)在凋落物數(shù)量上高于柳樹(shù)（表1），可能在分解速率上無(wú)顯著差異，導(dǎo)致EOC在林分間無(wú)顯著差異。

CPMI是表征SOC總庫(kù)及其活性組分關(guān)系的指標(biāo)，可以反映SOC在土壤中固存和礦化潛力。營(yíng)造人工林后CPMI值高于100%，說(shuō)明造林可以提高沙土區(qū)SOC固存能力。這可能是因?yàn)槿斯ち指的举|(zhì)化程度更高，在提供根系分泌物和新鮮殘?bào)w的同時(shí)，增加了木質(zhì)素和纖維素等難降解大分子物質(zhì)，導(dǎo)致非活性SOC的增加，從而提高土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性。

5結(jié)論

在平原沙土區(qū)營(yíng)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(yīng)?！睏顦?shù)純林具有較高的凋落物生物量和細(xì)根生物量，直接增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入源，積累了更多SOCS。造林通過(guò)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(lèi)型土壤CPMI顯著高于100%，表明營(yíng)造人工林顯著提高了土壤有機(jī)碳固存能力。因此，在平原沙土區(qū)營(yíng)造人工林可以提高土壤有機(jī)碳及活性組分和有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定性，楊樹(shù)純林提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量效果最好。