廣州市常綠闊葉林土壤有機(jī)碳組分特征分析

林遠(yuǎn), 許晴宜, 蕭倩雯, 鄧碧松, 陳小梅

廣州市常綠闊葉林土壤有機(jī)碳組分特征分析

林遠(yuǎn), 許晴宜, 蕭倩雯, 鄧碧松, 陳小梅*

廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院, 廣州 510006

選取廣州市(龍眼洞、天鹿湖、大夫山、龍頭山、滴水巖、王子山、石門)的7個常綠闊葉林為樣地, 分析城市化對廣州森林土壤有機(jī)碳組分的影響。研究發(fā)現(xiàn): (1)7個森林土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和不易氧化有機(jī)碳含量的差異顯著(<0.05), 均呈隨樣地距市中心距離增加而增加; (2)森林土壤的碳庫活度和活度指數(shù)距離市中心越近數(shù)值越高, 碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)距離市中心越近數(shù)值越低; (3)土壤總有機(jī)碳與易氧化有機(jī)碳、不易氧化有機(jī)碳、碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)、全氮、C:N和樣地距城中心距離均呈顯著正相關(guān)。結(jié)果表明城市化改變了常綠闊葉林土壤的有機(jī)碳組分, 使土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性下降。

土壤有機(jī)碳; 有機(jī)碳組分; 碳庫管理指數(shù); 城市化; 廣州市

0 前言

從1978年到2019年, 中國城鎮(zhèn)化率從17.92%增長到60.6%, 預(yù)計到2025年, 城鎮(zhèn)化率將達(dá)到65.5%左右, 其中東部地區(qū)將達(dá)到73.0%[1]。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展, 森林也呈現(xiàn)破碎化現(xiàn)象[2], 而城市森林生態(tài)系統(tǒng)作為城市的重要組成部分, 被稱為“城市之肺”, 在積累有機(jī)碳、緩解大氣CO2濃度上升中發(fā)揮中重要作用, 是全球變化背景下城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫[3–4]。但城市化影響下局地氣溫、降水格局、大氣CO2等環(huán)境因子將發(fā)生改變[5], 這些變化會影響森林土壤物理性質(zhì)、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性, 從而直接或間接地改變土壤有機(jī)碳的組分、礦化速率和有機(jī)碳源的供給質(zhì)量, 導(dǎo)致土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性發(fā)生變化[6], 進(jìn)而影響城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。因此, 當(dāng)前城市化壓力下森林土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性也日益受到關(guān)注。

目前國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)城市化降低了熱帶亞熱帶森林土壤總有機(jī)碳含量[7–9]。Islam等在孟加拉國的熱帶森林研究發(fā)現(xiàn), 破碎化森林的土壤總有機(jī)碳含量明顯低于保護(hù)較好的成片森林[7]。土壤有機(jī)碳是由活性有機(jī)碳(周轉(zhuǎn)期小于10年)和惰性有機(jī)碳(周轉(zhuǎn)期10年以上, 甚至幾千年)等不同組分碳組成的復(fù)合體[10], 不同組分的碳對環(huán)境變化的響應(yīng)也不一致[11]。分析森林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性關(guān)鍵之一, 就是要深入研究土壤不同組分有機(jī)碳對環(huán)境因子變化的響應(yīng)規(guī)律。Chen H和張雪瑩等通過不同的土壤有機(jī)碳分組技術(shù), 進(jìn)一步分析城市化對土壤有機(jī)碳的影響[8–9]。Chen H等研究發(fā)現(xiàn)城區(qū)松林土壤總有機(jī)碳、重組有機(jī)碳(惰性有機(jī)碳)含量顯著低于近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū), 但輕組有機(jī)碳(活性有機(jī)碳)的城郊差異不顯著[8]。張雪瑩等研究也發(fā)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)城區(qū)常綠闊葉林相比于郊區(qū), 土壤總有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳(不易氧化有機(jī)碳)含量下降, 土壤碳庫活性指數(shù)增加, 有機(jī)碳穩(wěn)定性下降[9]。結(jié)合土壤有機(jī)碳組分特征, 有助于揭示森林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性對城市化的響應(yīng)規(guī)律。

廣州地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 其地帶性植被為南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林。自上世紀(jì)70年代以來, 廣州經(jīng)歷了快速城市化, 城市中的季風(fēng)常綠闊葉林破壞嚴(yán)重, 現(xiàn)保留的常綠闊葉林絕大多數(shù)是天然次生林[12]。目前, 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量約為52.16 Tg C(1 Tg =1012 g), 其中天然林碳儲量為24.29 Tg C, 所占比例49.7%[13]。伴隨著城市化進(jìn)程, 廣州CO2排放量也急劇增加, 從1985年至2013年, 廣州市的CO2排放總量有較大幅度的提高, 從1985年排放2.04473×107t碳, 到2013年排放1.5719×108t碳, 28年間翻了7倍多[14]。因此, 在迅速城市化背景下, 探究廣州市南亞熱帶常綠闊葉林的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制, 發(fā)揮城市森林生態(tài)系統(tǒng)“碳匯”的作用, 都是亟待解決的問題。本研究將基于土壤有機(jī)碳化學(xué)分組法, 探討廣州市南亞熱帶常綠闊葉林土壤有機(jī)碳組分特征, 為城市森林“碳匯”功能的評估提供支撐。

1 材料與方法

1.1 樣地選取

廣州市位于中國廣東省中南部、珠江三角洲中北邊緣, 東經(jīng)112°57′—114°03′, 北緯22°26′—23°56′。廣州屬海洋性南亞熱帶季風(fēng)氣候, 全年平均氣溫為20—22 ℃, 年均降水量為1800—2200 mm, 多集中在4—9月份, 年平均相對濕度為77.0%。地帶性植被為南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林, 地帶性土壤主要為發(fā)育于砂巖、頁巖和花崗巖母質(zhì)上的赤紅壤。

以廣州市政府所在地為城市中心向外擴(kuò)展, 選取了市內(nèi)7個常綠闊葉林。選取標(biāo)準(zhǔn)為: 森林群落為南亞熱帶常綠闊葉林; 面積不小于1 hm2, 距離主干道不小于1 km; 在近20年內(nèi)未受直接、嚴(yán)重的自然或人為干擾。具體樣地為: 龍眼洞森林公園(距離市中心12.8 km)、天鹿湖森林公園(距離市中心18.6 km)、大夫山森林公園(距離市中心20.5 km)、龍頭山森林公園(距離市中心24.3 km)、滴水巖森林公園(距離市中心25.3 km)、王子山森林公園(距離市中心48.8 km)、石門國家森林公園(距離市中心77 km), 7個樣地的概況列于表1。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 樣品采集與處理

2019年7月, 在上述7個樣地中各選取5個5 m×5 m樣方, 在每個樣方用內(nèi)徑10 cm土鉆按0—20 cm分層鉆取混合土壤樣品, 每個樣品由5鉆同層次的土壤混合而成, 采集后裝入已消毒的密封袋中。每個樣地采集5個樣品, 共采集35個樣品。去除樣品中可見的根系等動植物殘體和石塊, 過2 mm篩, 自然風(fēng)干后備測。

表1 研究樣地概況及其森林樣地群落特征

1.2.2 樣品測定

土壤pH值用電極電勢法測定, 測定時水土比為1:2.5; 土壤總有機(jī)碳和全氮采用Vario EL元素分析儀(Elementar, Hanau, Germany)進(jìn)行室內(nèi)測定。易氧化有機(jī)碳和不易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化法測定[9]。

1.2.3 土壤碳庫管理指數(shù)計算[15]

碳庫活度()=土壤易氧化有機(jī)碳含量(g·kg–1)/土壤不易氧化有機(jī)碳含量(g·kg–1)

碳庫活度指數(shù)()=樣品碳庫活度()/參考土壤碳庫活度

碳庫指數(shù)()=樣品總有機(jī)碳含量(g·kg–1) /參考土壤總碳含量(g·kg–1)

碳庫管理指數(shù)()=碳庫指數(shù)()×碳庫活度指數(shù)()×100

以石門森林公園的土壤樣品為參考土壤。石門國家森林公園樣地位于廣東省廣州從化的北部, 是廣州區(qū)域內(nèi)保存得較為完好的一片原始次生林, 林齡70a以上(表1), 優(yōu)勢種為華潤楠、錐栗和荷木, 群落結(jié)構(gòu)較完整、穩(wěn)定[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 和SPSS 23.0 統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理利用單因素方差分析法(LSD法)判斷7個不同森林樣地土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、不易氧化有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)之間的差異(<0.05); 利用Pearson相關(guān)系數(shù)對土壤有機(jī)碳及其組分、全氮、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)、樣地與城中心的距離之間進(jìn)行相關(guān)分析(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和不易氧化有機(jī)碳變化趨勢

7個森林樣地的土壤總有機(jī)碳(TOC)含量差異顯著(<0.05, 圖1-A)。距離市中心較遠(yuǎn)的石門(47.68±7.40) g·kg–1、滴水巖(38.93±21.06) g·kg–1和王子山(47.68±6.96) g·kg–1的土壤碳含量顯著高于其他樣地。近市中心的龍眼洞森林樣地的TOC含量(16.25±5.12) g·kg–1最低。森林土壤TOC含量與樣地距城中心的距離呈顯著正相關(guān)(表2), 隨著樣地離市中心距離增加呈增加趨勢(圖1-A)。

7個森林樣地的土壤易氧化有機(jī)碳(ROC, 圖1-B)含量差異顯著(<0.05)。距離市中心較遠(yuǎn)的石門(6.74±0.99) g·kg–1、滴水巖(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個樣地,滴水巖的土壤ROC顯著高于其他6個樣地。

7個森林樣地的土壤不易氧化有機(jī)碳(NROC, 圖1-C)含量變化趨勢與TOC一致(圖1-A、1-B), 森林土壤NROC隨著樣地離市中心距離增加呈增加趨勢(表2)。距離市中心最遠(yuǎn)的石門森林公園土壤NROC含量(40.94±8.16) g·kg–1最高, 且顯著高于其他6個樣地。近市中心的龍眼洞森林的土壤NROC含量(10.45±3.81) g·kg–1最低。

圖1 森林樣地土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和不易氧化有機(jī)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 森林土壤碳庫管理指數(shù)分析

不同森林土壤的碳庫活度(A)和碳庫活度指數(shù)(AI)差異顯著(表3,<0.05)。近市區(qū)的龍眼洞森林的A和AI均高于其他樣地, 距離市中心較遠(yuǎn)的滴水巖次之。不同森林土壤碳庫指數(shù)(CPI)和碳庫管理指數(shù)(CPMI)差異顯著(<0.05)。距離市中心較遠(yuǎn)的滴水巖、王子山、石門的土壤CPI高于其他4個樣地。近市中心的龍眼洞的CPI最低。森林土壤CPI隨著離市中心距離增加呈線性增加趨勢(表2)。近市中心的龍眼洞土壤CPMI低于其他6個樣地, 距離市中心較遠(yuǎn)的王子山、石門則高于其他5個樣地。

2.3 土壤氮含量和C:N變化

7個森林樣地的土壤氮(N)含量差異顯著(<0.05, 圖2-A)。距離市區(qū)較遠(yuǎn)的王子山(3.65±0.81) g·kg–1和石門(3.11±0.48) g·kg–1的土壤N含量高于其他樣地。近市中心的龍眼洞森林樣地的N含量(1.22±0.17) g·kg–1最低。森林土壤N含量與樣地距城中心的距離呈顯著相關(guān)(表2), 隨著樣地離市中心距離增加呈增加趨勢(圖2-A)。

7個森林樣地的土壤碳: 氮(C:N)差異不顯著(<0.05, 圖2-B)。距離市中心較遠(yuǎn)的滴水巖(18.72± 9.86)和石門(15.63±3.32)的土壤C:N高于其他樣地。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與土壤TOC含量呈顯著相關(guān)(表2), 與N含量及距市中心的距離沒有顯著相關(guān)性。

2.4 相關(guān)性分析

土壤TOC與土壤ROC、NROC、CPI、CPMI、N、C:N和城中心距離均呈顯著正相關(guān)(<0.05), 與A、AI呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)。NROC與其他土壤指標(biāo)的相關(guān)性趨勢和TOC一致。土壤ROC與TOC、NROC、CPI、C:N呈顯著正相關(guān)(<0.05)。

表2 森林土壤碳庫管理指數(shù)與土壤有機(jī)碳及其組分、氮含量、樣地距離的相關(guān)分析(n=35)

注: 上三角為相關(guān)性系數(shù), 下三角為值, 其中*表示差異達(dá)顯著水平(<0.05); * *表示差異達(dá)極顯著水平(<0.01); ns表示未通過顯著性檢驗(>0.05)

表3 森林土壤樣地土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)

注: 不同森林樣地不同小寫字母表示樣地間差異顯著(<0.05)

3 討論

廣州市7個森林樣地中土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)含量差異顯著, 距離市中心較遠(yuǎn)的石門、滴水巖和王子山森林樣地的土壤ROC含量高于其他4個樣地(圖1-B,<0.05)。這與其他關(guān)于城市化與森林土壤有機(jī)碳組分影響的研究類似[9,17]。ROC,是一種活性有機(jī)碳, 主要來源是動植物殘體, 周轉(zhuǎn)周期短, 容易受凋落物、氣候和土壤理化性質(zhì)等因素的影響[18–19]。由于城市熱島效應(yīng), 廣州城區(qū)的溫度高于郊區(qū)[20], 土壤活性有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和分解較快[21]。同時, 由于溫度變化導(dǎo)致城市降水格局也發(fā)生相應(yīng)變化, 靠近市中心的降水偏多[22], 較高的土壤濕度促進(jìn)了ROC的分解。而且森林土壤碳儲量隨森林郁閉度的減少而減少[23], 由于城市森林受人為干擾比郊區(qū)森林高, 導(dǎo)致城市的森林郁閉度小于郊區(qū)的森林, 不利于碳的積累[9]。最后較多的降水量和較低的森林郁閉度可能使城區(qū)森林土壤ROC的淋溶流失量大于郊區(qū)。因此, 城市化不利于森林土壤活性有機(jī)碳的積累。

圖2 森林樣地土壤氮含量及C:N

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

研究中7個森林樣地的土壤不易氧化有機(jī)碳(NROC)含量隨著離市中心距離增加呈增加趨勢(圖1-C,表2)。這個結(jié)果與Chen H、張雪瑩的研究結(jié)果一致[8–9]。土壤NROC是一種惰性有機(jī)碳, 較難被微生物分解, 對環(huán)境變化響應(yīng)緩慢, 其量的積累是一個長期的過程, 是衡量土壤碳庫積累及碳穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[21]。廣州的城市發(fā)展呈由市中心輻射型發(fā)展的模式[24], 離市中心較近的森林在城市化快速發(fā)展下的森林破碎化程度大于郊區(qū)[25], 而離市中心較遠(yuǎn)的森林受到的人類干擾相對于市中心的森林較晚、較小, 所以有利于土壤惰性有機(jī)碳的積累。另外, 土壤微生物會優(yōu)先利用活性有機(jī)碳[26], 土壤中較高的活性有機(jī)碳含量會對惰性有機(jī)碳起到保護(hù)作用。本研究中森林土壤NROC含量與ROC呈顯著正相關(guān)(表2), 因為離市中心較遠(yuǎn)的森林含有較高的ROC, 對NROC起到保護(hù)作用。

土壤總有機(jī)碳(TOC)含量隨著離市中心距離增加呈增加趨勢(圖1-C,表2), 這個研究結(jié)果與Chen H、張雪瑩等研究結(jié)果相一致[8–9]。森林土壤含量的受環(huán)境因子、土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳組分的影響。在本研究中TOC含量和ROC、NROC呈顯著正相關(guān)(表2), TOC的含量變化和NROC的變化趨勢是一致的(圖1-A、1-C), 惰性有機(jī)碳的積累可增加土壤TOC的穩(wěn)定性[27], 促進(jìn)土壤TOC的積累。因此森林土壤惰性有機(jī)碳含量隨著離市中心距離的增加而增加, 有利于離市中心較遠(yuǎn)的森林土壤TOC的積累。同時, 研究中森林距離市中心越近, 其土壤碳庫指數(shù)(CPI)越低(表3); 除滴水巖外, 其他6個樣地的碳庫管理指數(shù)(CPMI)均隨與市中心距離的增加而增加。土壤CPI和CPMI能夠反映土壤質(zhì)量和肥力變化趨勢[28]。土壤CPI和CPMI的上升, 表明該地的土壤處于良性循環(huán)發(fā)展的土地管理利用方式之下。市中心的碎片化的森林, 會被開發(fā)為觀賞性與娛樂性公園, 園內(nèi)客流量將會逐年上升, 旅游踩踏現(xiàn)象增多, 局部環(huán)境波動變大, 影響土壤—植被—大氣系統(tǒng)碳庫的合成與分解, 以及人類活動造成土壤資源銳減[17]。而距離市中心越遠(yuǎn)的森林公園, 其開發(fā)導(dǎo)向更多的傾向于“天然氧吧”, 對森林開發(fā)的策略以保護(hù)與自然發(fā)展為主, 較少受到人類活動直接影響。另外, 一般認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率與C:N成反比關(guān)系, 尤其當(dāng)其中的土壤氮素增加時, 可以促進(jìn)微生物的活動, 提高土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率[29], 在研究中廣州市森林土壤TOC含量與N、C:N呈顯著正相關(guān)(表2), 這也表明了市區(qū)的高溫和強(qiáng)降水直接和間接地促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解。

4 結(jié)論

廣州市常綠闊葉林土壤的易氧化有機(jī)碳、不易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量均隨著森林距離城市中心的距離的增加而增加, 土壤碳庫活度和活度指數(shù)距離市中心越近數(shù)值越高, 碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)距離市中心越近數(shù)值越低。城市化改變了森林土壤有機(jī)碳組分, 影響森林土壤有機(jī)碳的穩(wěn)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

林遠(yuǎn),許晴宜, 蕭倩雯, 等. 廣州市常綠闊葉林土壤有機(jī)碳組分特征分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 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

廣東省自然科學(xué)基金項目(2017A030313153); 廣州市科技計劃項目(201804010159); 廣州大學(xué)校內(nèi)科研項目(YG2020018); 廣州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201911078023); 廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項資金項目—“攀登計劃”專項（pdjh2021b0399）

林遠(yuǎn)(1999—), 男, 廣東佛山人, 在讀本科生, E-mail: 1226857968@qq.com

陳小梅, 女, 博士, 副教授, 主要從事環(huán)境變化與森林生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)過程的研究, E-mail: chxm-009@163.com