广州市常绿阔叶林土壤有机碳组分特征分析

林远, 许晴宜, 萧倩雯, 邓碧松, 陈小梅

广州市常绿阔叶林土壤有机碳组分特征分析

林远, 许晴宜, 萧倩雯, 邓碧松, 陈小梅*

广州大学地理科学与遥感学院, 广州 510006

选取广州市(龙眼洞、天鹿湖、大夫山、龙头山、滴水岩、王子山、石门)的7个常绿阔叶林为样地, 分析城市化对广州森林土壤有机碳组分的影响。研究发现: (1)7个森林土壤总有机碳、易氧化有机碳和不易氧化有机碳含量的差异显著(<0.05), 均呈随样地距市中心距离增加而增加; (2)森林土壤的碳库活度和活度指数距离市中心越近数值越高, 碳库指数和碳库管理指数距离市中心越近数值越低; (3)土壤总有机碳与易氧化有机碳、不易氧化有机碳、碳库指数、碳库管理指数、全氮、C:N和样地距城中心距离均呈显著正相关。结果表明城市化改变了常绿阔叶林土壤的有机碳组分, 使土壤有机碳的稳定性下降。

土壤有机碳; 有机碳组分; 碳库管理指数; 城市化; 广州市

0 前言

从1978年到2019年, 中国城镇化率从17.92%增长到60.6%, 预计到2025年, 城镇化率将达到65.5%左右, 其中东部地区将达到73.0%[1]。随着城镇化发展, 森林也呈现破碎化现象[2], 而城市森林生态系统作为城市的重要组成部分, 被称为“城市之肺”, 在积累有机碳、缓解大气CO2浓度上升中发挥中重要作用, 是全球变化背景下城市生态系统中重要的碳库[3–4]。但城市化影响下局地气温、降水格局、大气CO2等环境因子将发生改变[5], 这些变化会影响森林土壤物理性质、土壤微生物群落结构和活性, 从而直接或间接地改变土壤有机碳的组分、矿化速率和有机碳源的供给质量, 导致土壤有机碳稳定性发生变化[6], 进而影响城市森林生态系统碳汇功能。因此, 当前城市化压力下森林土壤有机碳的稳定性也日益受到关注。

目前国内外相关研究发现城市化降低了热带亚热带森林土壤总有机碳含量[7–9]。Islam等在孟加拉国的热带森林研究发现, 破碎化森林的土壤总有机碳含量明显低于保护较好的成片森林[7]。土壤有机碳是由活性有机碳(周转期小于10年)和惰性有机碳(周转期10年以上, 甚至几千年)等不同组分碳组成的复合体[10], 不同组分的碳对环境变化的响应也不一致[11]。分析森林土壤有机碳稳定性关键之一, 就是要深入研究土壤不同组分有机碳对环境因子变化的响应规律。Chen H和张雪莹等通过不同的土壤有机碳分组技术, 进一步分析城市化对土壤有机碳的影响[8–9]。Chen H等研究发现城区松林土壤总有机碳、重组有机碳(惰性有机碳)含量显著低于近郊区和远郊区, 但轻组有机碳(活性有机碳)的城郊差异不显著[8]。张雪莹等研究也发现珠江三角洲地区城区常绿阔叶林相比于郊区, 土壤总有机碳和惰性有机碳(不易氧化有机碳)含量下降, 土壤碳库活性指数增加, 有机碳稳定性下降[9]。结合土壤有机碳组分特征, 有助于揭示森林土壤有机碳稳定性对城市化的响应规律。

广州地处南亚热带季风气候区, 其地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林。自上世纪70年代以来, 广州经历了快速城市化, 城市中的季风常绿阔叶林破坏严重, 现保留的常绿阔叶林绝大多数是天然次生林[12]。目前, 广州市森林生态系统总碳储量约为52.16 Tg C(1 Tg =1012 g), 其中天然林碳储量为24.29 Tg C, 所占比例49.7%[13]。伴随着城市化进程, 广州CO2排放量也急剧增加, 从1985年至2013年, 广州市的CO2排放总量有较大幅度的提高, 从1985年排放2.04473×107t碳, 到2013年排放1.5719×108t碳, 28年间翻了7倍多[14]。因此, 在迅速城市化背景下, 探究广州市南亚热带常绿阔叶林的土壤有机碳稳定机制, 发挥城市森林生态系统“碳汇”的作用, 都是亟待解决的问题。本研究将基于土壤有机碳化学分组法, 探讨广州市南亚热带常绿阔叶林土壤有机碳组分特征, 为城市森林“碳汇”功能的评估提供支撑。

1 材料与方法

1.1 样地选取

广州市位于中国广东省中南部、珠江三角洲中北边缘, 东经112°57′—114°03′, 北纬22°26′—23°56′。广州属海洋性南亚热带季风气候, 全年平均气温为20—22 ℃, 年均降水量为1800—2200 mm, 多集中在4—9月份, 年平均相对湿度为77.0%。地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林, 地带性土壤主要为发育于砂岩、页岩和花岗岩母质上的赤红壤。

以广州市政府所在地为城市中心向外扩展, 选取了市内7个常绿阔叶林。选取标准为: 森林群落为南亚热带常绿阔叶林; 面积不小于1 hm2, 距离主干道不小于1 km; 在近20年内未受直接、严重的自然或人为干扰。具体样地为: 龙眼洞森林公园(距离市中心12.8 km)、天鹿湖森林公园(距离市中心18.6 km)、大夫山森林公园(距离市中心20.5 km)、龙头山森林公园(距离市中心24.3 km)、滴水岩森林公园(距离市中心25.3 km)、王子山森林公园(距离市中心48.8 km)、石门国家森林公园(距离市中心77 km), 7个样地的概况列于表1。

1.2 样品采集与测定

1.2.1 样品采集与处理

2019年7月, 在上述7个样地中各选取5个5 m×5 m样方, 在每个样方用内径10 cm土钻按0—20 cm分层钻取混合土壤样品, 每个样品由5钻同层次的土壤混合而成, 采集后装入已消毒的密封袋中。每个样地采集5个样品, 共采集35个样品。去除样品中可见的根系等动植物残体和石块, 过2 mm筛, 自然风干后备测。

表1 研究样地概况及其森林样地群落特征

1.2.2 样品测定

土壤pH值用电极电势法测定, 测定时水土比为1:2.5; 土壤总有机碳和全氮采用Vario EL元素分析仪(Elementar, Hanau, Germany)进行室内测定。易氧化有机碳和不易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定[9]。

1.2.3 土壤碳库管理指数计算[15]

碳库活度()=土壤易氧化有机碳含量(g·kg–1)/土壤不易氧化有机碳含量(g·kg–1)

碳库活度指数()=样品碳库活度()/参考土壤碳库活度

碳库指数()=样品总有机碳含量(g·kg–1) /参考土壤总碳含量(g·kg–1)

碳库管理指数()=碳库指数()×碳库活度指数()×100

以石门森林公园的土壤样品为参考土壤。石门国家森林公园样地位于广东省广州从化的北部, 是广州区域内保存得较为完好的一片原始次生林, 林龄70a以上(表1), 优势种为华润楠、锥栗和荷木, 群落结构较完整、稳定[16]。

1.3 数据处理

采用Excel 2019 和SPSS 23.0 统计分析软件对数据进行整理利用单因素方差分析法(LSD法)判断7个不同森林样地土壤总有机碳、易氧化有机碳、不易氧化有机碳和碳库管理指数之间的差异(<0.05); 利用Pearson相关系数对土壤有机碳及其组分、全氮、碳库活度指数、碳库指数、碳库管理指数、样地与城中心的距离之间进行相关分析(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 森林土壤总有机碳、易氧化有机碳和不易氧化有机碳变化趋势

7个森林样地的土壤总有机碳(TOC)含量差异显著(<0.05, 图1-A)。距离市中心较远的石门(47.68±7.40) g·kg–1、滴水岩(38.93±21.06) g·kg–1和王子山(47.68±6.96) g·kg–1的土壤碳含量显著高于其他样地。近市中心的龙眼洞森林样地的TOC含量(16.25±5.12) g·kg–1最低。森林土壤TOC含量与样地距城中心的距离呈显著正相关(表2), 随着样地离市中心距离增加呈增加趋势(图1-A)。

7个森林样地的土壤易氧化有机碳(ROC, 图1-B)含量差异显著(<0.05)。距离市中心较远的石门(6.74±0.99) g·kg–1、滴水岩(10.87±4.56) g·kg–1、王子山(6.66±0.96) g·kg–1的土壤ROC含量高于其他4个样地,滴水岩的土壤ROC显著高于其他6个样地。

7个森林样地的土壤不易氧化有机碳(NROC, 图1-C)含量变化趋势与TOC一致(图1-A、1-B), 森林土壤NROC随着样地离市中心距离增加呈增加趋势(表2)。距离市中心最远的石门森林公园土壤NROC含量(40.94±8.16) g·kg–1最高, 且显著高于其他6个样地。近市中心的龙眼洞森林的土壤NROC含量(10.45±3.81) g·kg–1最低。

图1 森林样地土壤总有机碳、易氧化有机碳和不易氧化有机碳含量

Figure 1 The content of total organic carbon (TOC), readily oxidizable organic carbon (ROC) and non–readily oxidizable organic carbon (NROC) in forest soil sample plots

2.2 森林土壤碳库管理指数分析

不同森林土壤的碳库活度(A)和碳库活度指数(AI)差异显著(表3,<0.05)。近市区的龙眼洞森林的A和AI均高于其他样地, 距离市中心较远的滴水岩次之。不同森林土壤碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI)差异显著(<0.05)。距离市中心较远的滴水岩、王子山、石门的土壤CPI高于其他4个样地。近市中心的龙眼洞的CPI最低。森林土壤CPI随着离市中心距离增加呈线性增加趋势(表2)。近市中心的龙眼洞土壤CPMI低于其他6个样地, 距离市中心较远的王子山、石门则高于其他5个样地。

2.3 土壤氮含量和C:N变化

7个森林样地的土壤氮(N)含量差异显著(<0.05, 图2-A)。距离市区较远的王子山(3.65±0.81) g·kg–1和石门(3.11±0.48) g·kg–1的土壤N含量高于其他样地。近市中心的龙眼洞森林样地的N含量(1.22±0.17) g·kg–1最低。森林土壤N含量与样地距城中心的距离呈显著相关(表2), 随着样地离市中心距离增加呈增加趋势(图2-A)。

7个森林样地的土壤碳: 氮(C:N)差异不显著(<0.05, 图2-B)。距离市中心较远的滴水岩(18.72± 9.86)和石门(15.63±3.32)的土壤C:N高于其他样地。近市中心的天鹿湖(8.27±2.37)的土壤C:N最低。森林土壤C:N与土壤TOC含量呈显著相关(表2), 与N含量及距市中心的距离没有显著相关性。

2.4 相关性分析

土壤TOC与土壤ROC、NROC、CPI、CPMI、N、C:N和城中心距离均呈显著正相关(<0.05), 与A、AI呈显著负相关(<0.05)。NROC与其他土壤指标的相关性趋势和TOC一致。土壤ROC与TOC、NROC、CPI、C:N呈显著正相关(<0.05)。

表2 森林土壤碳库管理指数与土壤有机碳及其组分、氮含量、样地距离的相关分析(n=35)

注: 上三角为相关性系数, 下三角为值, 其中*表示差异达显著水平(<0.05); * *表示差异达极显著水平(<0.01); ns表示未通过显著性检验(>0.05)

表3 森林土壤样地土壤碳库活度、碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数

注: 不同森林样地不同小写字母表示样地间差异显著(<0.05)

3 讨论

广州市7个森林样地中土壤易氧化有机碳(ROC)含量差异显著, 距离市中心较远的石门、滴水岩和王子山森林样地的土壤ROC含量高于其他4个样地(图1-B,<0.05)。这与其他关于城市化与森林土壤有机碳组分影响的研究类似[9,17]。ROC,是一种活性有机碳, 主要来源是动植物残体, 周转周期短, 容易受凋落物、气候和土壤理化性质等因素的影响[18–19]。由于城市热岛效应, 广州城区的温度高于郊区[20], 土壤活性有机碳的周转和分解较快[21]。同时, 由于温度变化导致城市降水格局也发生相应变化, 靠近市中心的降水偏多[22], 较高的土壤湿度促进了ROC的分解。而且森林土壤碳储量随森林郁闭度的减少而减少[23], 由于城市森林受人为干扰比郊区森林高, 导致城市的森林郁闭度小于郊区的森林, 不利于碳的积累[9]。最后较多的降水量和较低的森林郁闭度可能使城区森林土壤ROC的淋溶流失量大于郊区。因此, 城市化不利于森林土壤活性有机碳的积累。

图2 森林样地土壤氮含量及C:N

Figure 2 Soil nitrogen content and C:N in forest sample plots

研究中7个森林样地的土壤不易氧化有机碳(NROC)含量随着离市中心距离增加呈增加趋势(图1-C,表2)。这个结果与Chen H、张雪莹的研究结果一致[8–9]。土壤NROC是一种惰性有机碳, 较难被微生物分解, 对环境变化响应缓慢, 其量的积累是一个长期的过程, 是衡量土壤碳库积累及碳稳定性的重要指标[21]。广州的城市发展呈由市中心辐射型发展的模式[24], 离市中心较近的森林在城市化快速发展下的森林破碎化程度大于郊区[25], 而离市中心较远的森林受到的人类干扰相对于市中心的森林较晚、较小, 所以有利于土壤惰性有机碳的积累。另外, 土壤微生物会优先利用活性有机碳[26], 土壤中较高的活性有机碳含量会对惰性有机碳起到保护作用。本研究中森林土壤NROC含量与ROC呈显著正相关(表2), 因为离市中心较远的森林含有较高的ROC, 对NROC起到保护作用。

土壤总有机碳(TOC)含量随着离市中心距离增加呈增加趋势(图1-C,表2), 这个研究结果与Chen H、张雪莹等研究结果相一致[8–9]。森林土壤含量的受环境因子、土壤理化性质和有机碳组分的影响。在本研究中TOC含量和ROC、NROC呈显著正相关(表2), TOC的含量变化和NROC的变化趋势是一致的(图1-A、1-C), 惰性有机碳的积累可增加土壤TOC的稳定性[27], 促进土壤TOC的积累。因此森林土壤惰性有机碳含量随着离市中心距离的增加而增加, 有利于离市中心较远的森林土壤TOC的积累。同时, 研究中森林距离市中心越近, 其土壤碳库指数(CPI)越低(表3); 除滴水岩外, 其他6个样地的碳库管理指数(CPMI)均随与市中心距离的增加而增加。土壤CPI和CPMI能够反映土壤质量和肥力变化趋势[28]。土壤CPI和CPMI的上升, 表明该地的土壤处于良性循环发展的土地管理利用方式之下。市中心的碎片化的森林, 会被开发为观赏性与娱乐性公园, 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, 以及人类活动造成土壤资源锐减[17]。而距离市中心越远的森林公园, 其开发导向更多的倾向于“天然氧吧”, 对森林开发的策略以保护与自然发展为主, 较少受到人类活动直接影响。另外, 一般认为土壤有机质的分解速率与C:N成反比关系, 尤其当其中的土壤氮素增加时, 可以促进微生物的活动, 提高土壤有机质的分解速率[29], 在研究中广州市森林土壤TOC含量与N、C:N呈显著正相关(表2), 这也表明了市区的高温和强降水直接和间接地促进了土壤有机质的分解。

4 结论

广州市常绿阔叶林土壤的易氧化有机碳、不易氧化有机碳和总有机碳含量均随着森林距离城市中心的距离的增加而增加, 土壤碳库活度和活度指数距离市中心越近数值越高, 碳库指数和碳库管理指数距离市中心越近数值越低。城市化改变了森林土壤有机碳组分, 影响森林土壤有机碳的稳定性。

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Characteristics of soil organic carbon fractions in the evergreen broad-leaved forests in Guangzhou, China

LIN Yuan, XU Qingyi, XIAO Qianwen, DENG Bisong, CHEN Xiaomei*

School of Geographical Sciences and Remote Sense, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China

This study was conducted to reveal differences in the SOC fractions of seven evergreen broad-leaved forests along the urban-rural gradient of Guangzhou, China, including Longyandong, Tianluhu, Dafushan, Maofengshan, Longtoushan, Dishuiyan, Wangzishan, and Shimen forests. The results showed that the contents of total organic carbon (TOC), readily oxidizable organic carbon (ROC) and non-readily oxidizable organic carbon (NROC) in the surface soil were significantly different among sites (<0.05). In particular, the soils had significantly lower TOC, ROC and NROC contents in these forests (e.g., Longyandong and Tianluhu forests) near the center of the city than in those (e.g., Wangzishan and Shimen forests) far away from the city center. The carbon pool activity and activity index were significantly higher in the forests near the city center than in those forests outside the city (<0.05). Furthermore, the soil carbon pool index (CPI) and carbon pool management index (CPMI) showed a contrasting trend, with the CPI and CPMI indexes being significantly higher in the suburban forests than in the urban forests (<0.05). Moreover, the content of TOC was significantly positively related to the contents of ROC and NROC, CPI, CPMI, the nitrogen content, C:N, and the distance from thesample plots to the city center. Our results suggest that urbanization changes the organic carbon fractions of soil in evergreen broad-leaved forests, which may be adverse to theaccumulation and stabilization in the subtropical forests.

soil organic carbon; organic carbon fractions; carbon pool management index; urbanization; Guangzhou

林远,许晴宜, 萧倩雯, 等. 广州市常绿阔叶林土壤有机碳组分特征分析[J]. 生态科学, 2022, 41(5): 114–120.

LIN Yuan, XU Qingyi, XIAO Qianwen, et al. Characteristics of soil organic carbon fractions in the evergreen broad-leaved forests in Guangzhou, China[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 114–120.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.014

Q148

A

1008-8873(2022)05-114-07

2020-08-24;

2020-09-21

广东省自然科学基金项目(2017A030313153); 广州市科技计划项目(201804010159); 广州大学校内科研项目(YG2020018); 广州大学大学生创新训练项目(201911078023); 广东省科技创新战略专项资金项目—“攀登计划”专项（pdjh2021b0399）

林远(1999—), 男, 广东佛山人, 在读本科生, E-mail: 1226857968@qq.com

陈小梅, 女, 博士, 副教授, 主要从事环境变化与森林生态系统响应过程的研究, E-mail: chxm-009@163.com