广州城郊森林公园常绿阔叶林土壤有机碳及组分特征

习丹, 旷远文



广州城郊森林公园常绿阔叶林土壤有机碳及组分特征

习丹1, 旷远文2,3*

1. 福建农林大学林学院, 福州 350002 2. 中国科学院华南植物园退化生态系统植被恢复与管理重点实验室, 广州 510650 3. 广东省应用植物学重点实验室, 广州 510650

为探讨森林公园土壤有机碳的分布特征，以广州城郊的石门国家森林公园和云髻山森林公园为研究对象，采用分层采样方法 (0—5、5—10、10—20、20—40和40—60 cm) 对天然常绿阔叶林的土壤总有机碳、惰性有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳含量进行了研究。结果表明：土壤惰性有机碳、活性有机碳及总有机碳含量随土层加深均表现下降趋势。不同组分的活性有机碳含量及其所占总有机碳比例在土壤剖面分布存在差异，均表现为易氧化有机碳>微生物生物量碳>水溶性有机碳。土壤惰性有机碳占总有机碳的比例显著高于活性有机碳，随土层加深呈先下降后增加趋势，深层土壤有利于维护有机碳的稳定性。土壤惰性有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳及微生物生物量碳含量与总有机碳、微生物生物量氮含量均呈显著正相关，土壤各组分碳间转化依赖于总有机碳量的变化，同时受微生物生物量氮的支配。

森林公园; 常绿阔叶林; 惰性有机碳; 碳组分

0 前言

森林公园以良好的森林景观和生态环境为主体，融合自然景观与人文景观，是城市生态环境和文化建设的重要载体和场所[1]。随着旅游活动的增加以及城市化进程加剧，森林公园土壤环境受到不同程度的影响，如土壤酶活性下降[2-3]、微生物数量及区系组成改变[4]、土壤总有机碳分解加快[5]。这些都将直接或间接引起土壤质量的变化，削弱森林公园在调节区域气候、维持城市生态系统稳定等方面的功能。有机碳作为土壤质量评价的一个重要指标，其含量及组分的变化能反映土壤质量的早期变化及被影响的程度[5]，且土壤有机碳库的微小波动，可对大气二氧化碳(CO2)浓度甚至全球碳平衡产生重大影响[6]。因此，弄清森林公园土壤有机碳的含量及组分，是深入了解城市森林生态系统碳库动态变化及其碳截留功能的重要一步。

土壤碳库是由不同周转周期的碳组分构成，一般可分为活性碳库、缓效性碳库和惰性碳库。缓效性有机碳和惰性有机碳周转时间长且非常稳定，可以长期反映土壤碳库的稳定性[7]，而活性有机碳在土壤中移动快，易氧化和分解，周转时间短，直接参与土壤生物化学转化过程，能快速反映出土壤环境的变化[8]。森林土壤是陆地生态系统碳库的主体，不同碳组分的变化将会对土壤碳库稳定性、肥力保持及全球气候产生深刻影响。

目前关于森林土壤有机碳的研究主要集中在不同演替阶段[9-12]、森林类型[13-17]、土地利用方式[18-21]、海拔梯度[7, 22-23]、氮添加处理[24-26]等方面，而针对森林公园土壤有机碳组分的研究相对缺乏。近年来虽有研究涉及到森林公园土壤碳库方面[5, 27-28]，但侧重点在于比较城市绿地服务功能上，单独对森林公园中的留存林土壤有机碳特征及其影响机制缺乏系统研究和规律认识。为此，以石门国家森林公园和云髻山森林公园中的天然常绿阔叶林为研究对象，分析0—60 cm土壤中的总有机碳、惰性有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳含量及其相互关系，探讨森林公园中留存林土壤有机碳的分布特征，为城市森林生态系统的碳循环机理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

石门国家森林公园位于广东省广州市从化东北部，地处北纬23°36'50″—23°39'20″，东经113°46'16″—113°49'17″，总面积2636 hm2[29]。森林公园地处北回归线北缘，属南亚热带季风气候，年均气温21.4 ℃，最冷月(1月)和最热月(7月)的平均温度分别为12.4 ℃和28.5 ℃，年降水量达1800 mm，主要集中在5—8月份，相对湿度达85%以上。该公园土壤条件良好，随着海拔不同分布着山地红壤、赤红壤、黄壤、草甸土4种类型。植被群落依次为：1) 海拔450 m以下为荔枝()林；2) 海拔500—600 m间主要为山地常绿阔叶林；3) 海拔600—950 m主要为亚热带常绿阔叶林；4) 海拔950 m以上的区域分布有常绿阔叶山顶矮林[29]。云髻山森林公园位于距离广州市150 km的新丰县西北部，地处北纬24°05′0″—24°09′06″，东经114°07′04″—114°11′12″，属南亚热带季风气候，年均气温21.6 ℃，年降水量达1868 mm，地带性土壤有赤红壤、黄壤、红壤，其中以赤红壤为主，植被类型属亚热带常绿阔叶林[30]。

1.2 样品采集

在2个研究点选取具有代表性且立地条件和海拔（约700 m）相似的亚热带天然常绿阔叶林为采样地，两地森林土壤类型均为赤红壤。石门森林公园采样地林分郁闭度在80%以上，林相整齐，树冠浑圆，乔木层以锥栗()、小叶青冈()、华润楠()、荷木()等为主要优势种，林下层常见植物有毛柃()、黑柃()、广东紫珠()等。云髻山采样林地优势树种有鸭脚木()、白皮黄杞()、华润楠()、白背叶()、山乌桕()等。在设定的森林样地内，随机选择5个1 m × 1 m的采样点，采集0—5、5—10、10—20、20—40和40—60 cm土壤样品，装入密封袋中，带回实验室处理。新鲜土样去除根系、凋落物后过2 mm筛，分成两部分，一部分存于4 ℃冰箱，用于土壤含水量、无机氮、水溶性有机碳及微生物量碳氮含量测定；另一部分放至通风处干燥，待自然风干后，粉碎过100目筛(径级为149 μm)，用于土壤总有机碳、易氧化有机碳及惰性有机碳测定。

1.3 土壤有机碳及其组分分析

土壤总有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法，无机氮测定采用氯化钾浸提—靛酚蓝和镀铜镉比色法，土壤含水量测定采用干重法，具体过程参见刘光崧等[31]的测定方法。土壤易氧化有机碳含量测定采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法[32]。可溶性有机碳采用土:水比为1:5振荡浸提，经0.45 μm滤膜过滤，滤液直接上TOC分析仪测定(Elementar vario TOC cube, 德国)。土壤惰性有机碳含量测定采用酸水解法[33]。土壤微生物生物量碳氮含量测定采用氯仿熏蒸-提取法[34]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0软件进行数据处理和统计分析。土壤碳组分及层次之间差异显著性采用单因素方差分析(One-Way ANOVA, LSD法进行多重比较)；土壤碳库与土壤理化性质指标的相关性采用Pearson相关系数表示(<0.05)；采用origin 8.5软件绘制所有图。所有数据均为5次重复的平均值，结果为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 土壤总有机碳含量

从图1A可知，土壤总有机碳含量沿土层深度增加而逐渐下降，石门土壤总有机碳含量高于云髻山，在0—20 cm土层中表现尤为明显。不同层次间土壤总有机碳含量出现不同的差异特征。石门土壤总有机碳含量在0—5和10—60 cm，10—20和40—60 cm，云髻山土壤总有机碳含量在0—5和10—60 cm，5—10、10—20和40—60 cm土层差异显著(<0.05)。

2.2 土壤惰性有机碳含量及比例

土壤惰性有机碳含量在剖面和样地间的分布与总有机碳相似 (图1B)。石门和云髻山土壤惰性有机碳含量均在0—5、5—10和20—60 cm土层差异显著(<0.05)，在10—60 cm相邻土层间无显著差异(>0.05)。土壤惰性有机碳占总有机碳的比例在54.5%—73.4%，随土层的加深呈先下降后增加趋势(图2)。石门深层(40—60 cm)土壤惰性有机碳所占比例与0—5 cm表层土壤相似，均显著高于相同层次的云髻山土壤(<0.05)。云髻山和石门土壤惰性有机碳所占比例在5—40 cm土层具有相似的比值，但石门土壤惰性有机碳在所有土层间差异显著(<0.05)，而云髻山土壤惰性有机碳所占比例则在所有土层间无显著差异(>0.05)。

图1 不同土层土壤总有机碳(A)和惰性有机碳(B)含量。

Figure 1 Contents of soil total organic carbon (A) and recalcitrant organic carbon (B) at different soil layers.

图2 不同土层土壤有机碳组分占总有机碳的比例。

Figure 2 The ratios of soil carbon components to total organic carbon at different soil layers.

2.3 土壤活性有机碳含量及比例

土壤易氧化有机碳含量显著高于水溶性有机碳和微生物生物量碳之和，是主要的活性有机碳库(图3)。石门0—20 cm土层土壤活性有机碳含量高于云髻山，在水溶性有机碳中表现最明显(图3C)。土壤活性有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量碳含量均随土层的加深而下降 (图3)。土壤水溶性有机碳含量在0—20 cm土层降幅最大(57.5%，图3C)，而易氧化有机碳含量在20—60 cm土层降幅最大 (37.8%，图3A)，在样地间表现为石门(49.8%)显著大于云髻山(25.9%，<0.05)。

各活性有机碳组分所占比例表现为易氧化有机碳>微生物生物量碳>水溶性有机碳(图2)。云髻山土壤总活性有机碳所占比例高于石门，在20—60 cm土层中表现明显。土壤微生物生物量碳所占比例随土层深度的增加而增加，而水溶性有机碳则呈现相反趋势。土壤易氧化有机碳所占比例的垂直特征在石门中呈先增加后下降趋势，在云髻山中呈先下降后增加趋势。总体而言，活性碳有机组分所占比例沿剖面的变幅较为均匀。

图3 不同土层土壤易氧化有机碳(A)、微生物生物量碳(B)和水溶性有机碳(C)含量。

Figure 3 Contents of soil readily oxidizable carbon (A), microbial biomass carbon (B), and water-soluble organic carbon (C) at different soil layers.

表 1 土壤总有机碳及其组分间与理化因子的相关分析

注: *<0.05; **<0.01,=50

2.4 土壤有机碳组分与理化因子的相关性

土壤惰性有机碳与总有机碳、活性有机碳及微生物生物量氮的相关性均达到极显著水平，与土壤湿度、铵态氮显著正相关(表1)。土壤易氧化有机碳、微生物生物量碳及水溶性有机碳两两间均具有极好的正相关，且都与微生物生物量氮、总有机碳表现为极显著正相关。土壤总有机碳与土壤湿度和铵态氮显著正相关。

3 讨论

本研究中土壤总有机碳随土壤深度增加而逐渐下降(图1A)，这与其他研究报道的森林[7, 21, 35-36]、湿地[37]、农田[38]土壤有机碳沿剖面分布的结果相似。在自然条件下，土壤有机碳含量取决于地上植被凋落物和地下根系的输入与分解，与水、热条件紧密相关[35]。南方多以高温多湿天气为主，地表枯枝落叶和林木根系分解较快，所形成的有机碳首先进入土壤表层，而植物根系的分布又会影响土壤有机碳的垂直分布[35]，使得土壤有机碳在表层和深层中出现差异。一般来讲，在养分充足的条件下，土壤微生物活动旺盛，植物根系相对分布较浅。本研究所选择的天然常绿阔叶林林分生长较好，说明当前应该不存在养分匮乏状况，植物根系可能相对分布较浅，死根残体的分解主要在表层和中层土壤中发生，深层土壤有机碳的输入和增加相对有限，因此土壤总有机碳在垂直分布上出现下降趋势。另外，本研究中0—20 cm土壤总有机碳含量在采样点间存在显著差异(图1A)，这可能是由于植物种类组成的差异及受周边环境影响程度的不同所引起。

植被通过改变群落的水热环境从而影响土壤的形成和发育，树木生长、有机质的分解、根系分泌物等生物化学过程都能改善土壤理化性质[39]，引起土壤有机碳组分和稳定性的变化。本研究中惰性有机碳是土壤中主要的有机碳库(图3)，其含量在剖面分布呈下降趋势(图1B)，这与向慧敏等[7]的研究结果相一致。不过，土壤惰性有机碳占总有机碳的比例在剖面分布呈现先下降后增加趋势，与向慧敏等[7]的研究结果不一致，可能的原因是：本研究中不同土层的土壤含水率均在22%以上，土壤相对湿润，水分促使土壤各组分有机碳的迁移和分配发生改变。土壤活性有机碳具有可溶性强、移动快等特点[37]，在水分多的环境下容易从表层向中层迁移，且又是土壤微生物能源和养分的驱动力，为中层土壤提供有机碳源，增加土壤中微生物活性，促进中层土壤有机质分解，增加中层活性有机碳分配比，降低惰性碳库分配比。图2中土壤总活性有机碳占总有机碳的比例在土壤剖面的分布结果可以说明这一点。此外，土壤水分的增多会促进细根向下生长，增加深层土壤细根生物量，而根系分泌物的增加有利于土壤团聚体的形成[40]，增加土壤有机碳的稳定性。一般认为，土壤碳库稳定程度可根据惰性有机碳占土壤总有机碳的比例来反映，比例越大，说明土壤碳库越稳定，不易分解。本研究中深层土壤惰性有机碳的分配比高于中层土壤，以此同时土壤活性有机碳分配比则刚好相反(图2)，说明活性有机碳有可能向惰性碳库转换，深层土壤有机碳稳定性增强。这种累积效应在石门森林公园土壤中能明显观察到(图2)，即其深层土壤惰性有机碳的分配比达到72.7%，与表层土壤几乎相等(73.4%)。对比分析采样点间惰性有机碳和活性有机碳的分配比，发现石门森林公园土壤碳库分解程度要低于云髻山森林公园，这与土壤总有机碳数据得出的结果基本一致。在本研究中所测碳组分指标有限，各碳库组分之间又存在相互联系，加上温度、降雨等气候因素都会对不同碳库组分产生影响，因此不同土壤深度的惰性有机碳和活性有机碳之间的动态变化有待进一步研究。

研究表明可溶性有机碳、微生物生物量碳及易氧化有机碳是土壤活性有机碳的重要的表征指标[6]。在本研究中，土壤活性有机碳以易氧化有机碳为主，微生物生物量碳和水溶性有机碳都较低，表明易氧化有机碳更能指示土壤活性碳库的变化及受环境影响的程度，这可以根据3种组分的活性有机碳含量及其占总有机碳的比例在剖面上的下降差异性表现出来(图3和图2)。土壤易氧化有机碳在垂直分布上表现3种层次差异(0—5、5—20和20—60 cm)，而微生物生物量碳(0—20和20—60 cm)和水溶性有机碳(0—5和5—60 cm)仅表现2种层次差异。这种层次间下降幅度的不一致性可能是由于3种组分的活性有机碳在土壤剖面中的形成、分解、迁移及受土壤内外环境的影响不同所引起。土壤水溶性有机碳在垂直方向上具有较高的迁移能力，能被土壤微生物迅速利用，增加相同层次土壤微生物生物量碳。相比而言，土壤易氧化有机碳在表层受外部环境影响波动较大，易分解成其他活性有机碳，随着土层深度的增加，外界干扰减少，土壤内部环境相对保持稳定，其分解速率放缓。另外，相关分析表明不同组分间的活性有机碳含量存在相互影响与联系，与土壤总有机碳、微生物生物量氮含量存在极显著的正相关性，这说明在采用活性有机碳其中的某一组分反映土壤有机质的变化时，需要结合植被、凋落物、根系分泌物及微生物等方面数据进行深入分析，才能详细反映研究区域内森林土壤质量和肥力的状况。

4 结论

森林公园作为天然的生态“疗养园”，离城市较近，受人为活动干扰较大，尤其是旅游旺季的到来及人们对生态环境需求的增大，园内客流量将会逐年上升，旅游踩踏现象增多，局部环境波动变大，影响土壤-植被-大气系统碳库的合成与分解，引起土壤养分结构和质量发生改变，而土壤有机碳组分的动态变化可反映当前土壤碳库所处的状态。本研究初步表明森林公园天然常绿阔叶林土壤有机碳及其组分含量均随土壤深度增加而下降，易氧化有机碳是主要的活性碳库，惰性碳库和活性碳库在很大程度上依赖于土壤有机碳总贮量，且微生物生物量氮是影响土壤各组分有机碳转化的重要因子。由于本研究并未考虑动态变化(如年际、季节)、林型、土壤养分等因素，因而还不足以深入反映森林公园土壤碳库特征。未来研究除了要考虑上述因素外，还需对森林公园有机碳在土壤-植物-大气系统中迁移转化和循环规律、不同区域森林公园碳库的差异性机制、有机碳如何提高森林公园土壤生产力和实现城市森林生态系统的固碳减排效果及作用机理进行深入探讨，从而更好地发挥森林公园生态服务功能。

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Characteristics of soil organic carbon and its components in evergreen broadleaved forests of suburban forest parks in Guangzhou

Xi Dan1, KUANG Yuanwen2,3*

1.Collage of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China 2.Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystem, South China Botanic Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, Guangzhou 510650, China

To understand the distribution of soil organic carbon (SOC) in forest park, soil samples at 0-5, 5-10, 10-20, 20-40, and 40-60 cm depths were collected from evergreen broadleaved forest in Shimen National Forest Park and Yunjishan Forest Park, respectively. The total organic carbon (TOC), recalcitrant carbon (RC), and active carbon (AC), including readily oxidizable carbon (ROC), water-soluble organic carbon (WSOC), and microbial biomass carbon (MBC) were analyzed. Results showed that the content of RC, AC, and TOC decreased with the soil depth. The content of ROC, MBC, WSOC and their proportion to TOC differed significantly across soil profile with ROC>MBC>WSOC. The proportion of RC to TOC was significantly higher than that of AC to TOC, demonstrating RC was the main organic carbon pool. The higher proportion of RC to TOC in the deeper than in the surface soils was helpful to the stabilization of SOC in evergreen broadleaved forest. The positive correlations of RC, ROC, and WSOC with TOC, MBC, and microbial biomass nitrogen implied that the transformations among the components of SOC were depended on the variations of TOC, as well as were regulated by the content of microbial biomass nitrogen.

forest park; evergreen broadleaved forest; recalcitrant organic carbon; carbon fractions

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.029

Q89

A

1008-8873(2019)01-226-07

2018-01-15;

2018-03-09

国家自然科学基金项目(41703068); 国家自然科学基金项目(41471443)

习丹 (1987—), 女, 江西吉安人, 博士, 讲师, 主要从事森林生态学研究, E-mail: xidan_2006@126.com

旷远文, 男, 博士, 研究员, 主要从事环境生态学研究, E-mail: kuangyw@scbg.ac.cn

习丹, 旷远文. 广州城郊森林公园常绿阔叶林土壤有机碳及组分特征[J]. 生态科学, 2019, 38(1): 226-232.

Xi Dan, KUANG Yuanwen. Characteristics of soil organic carbon and its components in evergreen broadleaved forests of suburban forest parks in Guangzhou[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 226-232.