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土壤活性有机碳是指土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解的有机碳组分。虽然土壤活性有机碳占土壤有机碳的比例较低,但其对土地利用和植被覆盖等的变化更敏感,更能反映土壤碳的动态变化[1]。土壤溶解性有机碳和微生物量碳是主要的活性有机碳组分,其中,溶解性有机碳在土壤碳的迁移转化过程中发挥了重要作用,可以直接被土壤微生物利用,易于分解和矿化,土壤微生物量碳则是最活跃的组分,控制着有机碳的转化[2]。因此,研究土壤溶解性有机碳和微生物量碳的变化对于评估土壤活性有机碳特征及有机碳库稳定性具有重要意义。
沿海滩涂是海洋向陆地的过渡地带,大规模围垦有效缓解了人地矛盾[3]。然而,滩涂围垦后不同土地利用方式可能会改变滩涂土壤性质,进而影响土壤有机碳及其组分变化,最终影响整个生态系统的碳循环过程[4]。目前,国内外学者对于农田、森林、草地土壤中有机碳及其活性碳组分的分布开展了大量研究[5-7],而围垦对沿海滩涂土壤有机碳及其活性碳组分影响的研究主要集中在农田生态系统,且局限于表层(0~20 cm)土壤[8]。林木比农作物根系分布更深,其对深层土壤有机碳分布影响可能更大[9]。此外,土壤活性有机碳的动态变化与植被类型也密切相关[10]。有关不同林分类型土壤有机碳及活性有机碳组分研究已有较多报道 [11-15],但滩涂围垦后不同林分类型土壤活性有机碳含量和垂直分布特征仍知之甚少。美洲黑杨(Populus deltoides Marshall)、水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu & W. C. Cheng)和银杏(Ginkgo biloba L.)是我国江苏沿海地区防护林建设的主要造林树种[16]。本研究以江苏省东台市海涂围垦区这3个树种为研究对象,分析3种林分0~100 cm土层土壤有机碳及活性有机碳含量、土壤理化性质和酶活性变化,揭示海涂围垦区不同林分对土壤有机碳及其活性碳组分垂直分布的影响,为沿海防护林碳汇功能评价及树种筛选提供科学依据。
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试验区位于江苏省东台市林场 (120°49' E,32°52' N),该林场林地面积约2187 hm2,森林覆盖率86%,美洲黑杨、水杉和银杏为主要造林树种。其地处黄海之滨,处于亚热带和暖温带的过渡区域,属过渡性海洋季风性气候。年均气温14.6 ℃,无霜期220 d,降水量1051 mm,年均日照时数2169.6 h。林地整体地势平坦,土壤为典型砂质壤土。
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选择美洲黑杨、水杉和银杏3种典型林分,每种林分面积均大于13 hm2,在各林分内随机建立50 m × 50 m样地3个,样地间隔至少200 m,调查样地内林木树高、胸径、林下植被生物量和林分密度等(表1)。在每个样地内随机选择6个点,每个点挖100 cm深的剖面,分层(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm)采集土壤样品,并将每个样地内相同土层的土壤混合为1个混合土样,编号后用装有冰袋的保温箱带回实验室进行相关土壤性质的测定。同时在每一层进行环刀采样,用于土壤密度(SD)分析。从混合土样中,选取部分鲜土样测定土壤溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)含量和蔗糖酶 (INS)活性;将剩余土样自然风干后,用于土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、有效氮( AN)、速效磷(AP)、全磷(TP)含量及pH值测定。
林分类型
Stand types树高
Height
/m胸径
Diameter at breast
height/cm林下植被生物量
Understory vegetation
biomass/(t·hm−2)林龄
Stand
age/a林分密度
Stand density
/(tree·hm−2 )美洲黑杨 P. deltoides 14.64±0.38 A 22.23±0.23 A 1.5±0.03 A 14 326±24 C 水杉 M. glyptostroboides 10.49±0.30 B 16.76±0.78 B 1.5±0.08 A 13 469±28 B 银杏 G. biloba 11.71±0.35 AB 15.23±0.39 B 1.1±0.08 B 14 510±38 A 注:不同大写字母表示不同林分之间差异显著(p<0.05)。
Note: Different capital letters indicated significant difference among different forest types at 0.05 level.Table 1. General characteristics of stands
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土壤密度采用环刀法测定;pH 值采用电极法测定(水土比为2.5∶1),土壤盐分采用电导率法测定(水土比为5∶1)。土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定。全氮、有效氮、全磷和速效磷含量测定方法参照文献[17]。
土壤有机碳采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定;土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L−1 K2SO4提取法,浸提液用碳氮分析仪(Multi N/C 3000,Analytik Jena AG)测定,熏蒸与未熏蒸土壤有机碳含量差值即为土壤微生物量碳的值[18]。土壤溶解性有机碳采用冷水浸提法测定,称鲜土30 g,水土比为2∶1,25 ℃下恒温振荡器中振荡30 min (250 次·min−1)后,离心10 min (7 000 r·min−1),上清液用0.45 μm滤膜抽滤,滤液用碳氮分析仪(Multi N/C 3 000,Analytik Jena AG)测定[19]。
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采用SPSS 23.0软件进行数据统计分析。所有数据进行数据正态性检验和方差齐性检验,利用双因素方差分析法 ( Two-way ANOVA) 比较林分、土层及林分和土层交互作用对土壤性质的影响,再用Duncan法比较不同林分类型和不同土层间土壤性质的差异(p < 0.05);使用R语言Vegan包的冗余(RDA)分析评价不同林分土壤理化性质和酶活性对土壤有机碳及其活性碳组分的影响,在RDA分析之前对所有解释变量进行了共线性检验,排除了方差因子膨胀系数(VIF)>10的变量,最后采用Pearson相关法分析不同林分土壤有机碳及其活性碳组分与土壤理化性质的相关性。
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研究区美洲黑杨、水杉、银杏3种林分极显著影响土壤速效磷含量、pH、土壤密度、蔗糖酶活性(p<0.05),土层显著或极显著影响所有指标(除土壤盐分外),林分和土层交互作用仅显著影响土壤蔗糖酶活性(p<0.05)(表2)。
因子
Factors全氮
TN有效氮
AN全磷
TP速效磷
APpH 土壤密度
SD蔗糖酶
INS盐分
Salinity林分Stand 1.16 0.20 2.35 14.17** 6.81** 7.34** 7.67** 2.03 土层Soil layer 82.31** 63.75* 12.04** 14.19** 15.63** 3.23* 46.71** 1.46 林分 × 土层
Stand × Soil layer2.20 1.06 0.08 1.94 0.67 0.28 2.73* 1.34 注: * 表示显著(p<0.05),**表示极显著(p<0.01)。
Notes: * indicates significant at 0.05 level, and ** indicates extremely significant at 0.01 level.Table 2. Effects of soil layers and stand types on soil properties
美洲黑杨、水杉、银杏林分全氮、有效氮、全磷和速效磷含量及蔗糖酶活性随土层深度增加呈降低趋势,而土壤密度和pH呈增加趋势(表3)。0~100 cm剖面土壤全氮、全磷和盐分含量在 3 种林分之间无显著差异 (除40~60 cm土层水杉林分全磷含量显著大于银杏林分外)。0~40 cm土层3种林分土壤有效氮含量无显著差异,而40~100 cm土层银杏林分土壤有效氮含量显著高于美洲黑杨林分(p<0.05)。0~60 cm土层银杏林分土壤速效磷含量显著高于美洲黑杨林分(p<0.05),而60~100 cm土层3种林分土壤速效磷含量无显著差异。 0~40 cm土层水杉林分蔗糖酶活性显著低于美洲黑杨和银杏林分(p<0.05)。各土层土壤pH在3种林分之间差异较小。20~40 cm土层水杉林分土壤密度显著大于美洲黑杨和银杏林分,40~60 cm土层银杏林分土壤密度显著低于美洲黑杨和水杉林分(p<0.05)。
指标
Index林分
Stand土层
Soil layer/cm0~20 20~40 40~60 60~80 80~100 全氮
TN/(g·kg−1)美洲黑杨
P. deltoides0.776±0.043 Aa 0.357±0.037 Ab 0.205±0.009 Ac 0.186±0.023 Ac 0.168±0.018 Ac 水杉
M. glyptostroboides0.859±0.100 Aa 0.402±0.107 Ab 0.213±0.047 Ac 0.171±0.015 Ac 0.170±0.001 Ac 银杏
G. biloba0.586±0.178 Aa 0.388±0.043 Ab 0.245±0.031 Ac 0.198±0.010 Ac 0.178±0.003 Ac 有效氮
AN/(mg·kg−1)美洲黑杨
P. deltoides73.033±16.781 Aa 27.067±4.779 Ab 7.020±1.103 Bc 7.020±1.68 Bc 2.600±1.471 Bd 水杉
M. glyptostroboides69.933±11.756 Aa 27.300±11.031 Ab 11.43±2.64 ABc 8.573±1.09 Bbc 6.500±1.603 Ac 银杏
G. biloba56.333±16.012 Aa 31.967±3.364 Ab 15.30±4.864 Ac 13.76±2.593 Ac 9.997±1.435 Ac 全磷
TP/(g·kg−1)美洲黑杨
P. deltoides0.872±0.101 Aa 0.724±0.031 Ab 0.66±0.016 ABb 0.679±0.061 Ab 0.683±0.038 Ab 水杉
M. glyptostroboides0.901±0.128 Aa 0.760±0.053 Aab 0.714±0.028 Ab 0.671±0.006 Ab 0.693±0.023 Ab 银杏
G. biloba0.831±0.125 Aa 0.700±0.041 Aab 0.636±0.023 Bb 0.623±0.023 Ab 0.655±0.023 Ab 速效磷
AP/(mg·kg−1)美洲黑杨
P. deltoides5.180±1.440 Ba 3.600±0.864 Bab 2.65±0.559 Bb 3.35±1.250 Aab 2.337±0.469 Ab 水杉
M. glyptostroboides5.560±2.639 Ba 3.297±0.189 Bab 2.50±0.461 Bb 2.46±0.461 Ab 2.347±0.483 Ab 银杏
G. biloba9.540±1.059 Aa 7.333±1.526 Aa 4.92±1.271 Ab 3.15±0.390 Ab 2.903±0.237 Ab pH 美洲黑杨
P. deltoides8.643±0.191 Ab 8.820±0.071 Aab 8.933±0.02 Aa 8.950±0.050 Aa 8.923±0.045 Aa 水杉
M. glyptostroboides8.523±0.101 Ac 8.707±0.081 ABb 8.83±0.05 ABab 8.85±0.087 Aab 8.90±0.047 Aa 银杏
G. biloba8.620±0.070 Ab 8.633±0.033 Bb 8.757±0.074 Aa 8.803±0.019 Aa 8.843±0.017 Aa 土壤密度
SD/(g·cm−3)美洲黑杨
P. deltoides1.379±0.055 Aa 1.442±0.033 Ba 1.510±0.021 Aa 1.467±0.095 Aa 1.49±0.043 Aa 水杉
M. glyptostroboides1.469±0.039 Ab 1.516±0.033 Aab 1.566±0.045 Aa 1.550±0.022 Aa 1.50±0.009 Aab 银杏
G. biloba1.403±0.037 Aa 1.424±0.021 Ba 1.472±0.117 Ba 1.459±0.046 Aa 1.43±0.030 Aab 蔗糖酶
INS/(mg·kg−1·d−1)美洲黑杨
P. deltoides54.220±9.116 Aa 22.487±14.421 Ab 5.89±2.12 ABbc 3.092±0.575 Bc 1.147±0.074 Ac 水杉
M. glyptostroboides26.824±2.838 Ba 6.356±2.380 Bb 2.427±0.468 Bc 1.961±0.674 Bc 1.664±0.738 Ac 银杏
G. biloba34.411±11.00 ABa 15.821±2.810 Ab 6.846±2.042 Ab 5.378±0.899 Ab 3.60±0.783 Bb 盐分
Salinity/(g·kg−1)美洲黑杨
P. deltoides0.014±0.002 Aa 0.017±0.002 Aa 0.015±0.001 Aa 0.015±0.002 Aa 0.016±0.001 Aa 水杉
M. glyptostroboides0.017±0.003 Aa 0.014±0.001 Aa 0.013±0.001 Aa 0.015±0.002 Aa 0.019±0.004 Aa 银杏
G. biloba0.013±0.001 Aa 0.014±0.001 Aa 0.014±0.001 Aa 0.015±0.001 Aa 0.015±0.002 Aa 注:不同小写字母表示相同指标同一林分不同土层之间差异显著(p<0.05) ,不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异显著(p<0.05),下同。
Notes: Different lower case letters indicates significant difference among different soil layers in the same forest type at 0.05 level,and different capital letters indicates significant difference among different forest types in the same soil layer at 0.05 level, The same below.Table 3. Comparison of soil physic-chemical properties in soil profile among different stand types
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研究区3种林分0~40 cm土层土壤有机碳含量随土层深度增加显著降低(p<0.05),40~100 cm土层土壤有机碳含量保持相对稳定(图1)。0~20 cm土层水杉和美洲黑杨林分土壤有机碳含量无显著差异,均显著高于银杏林分有机碳含量(p<0.05);20~80 cm土层各林分之间土壤有机碳含量差异不显著,80~100 cm土层美洲黑杨林分土壤有机碳含量显著高于银杏林分(p<0.05)。研究区各林分土壤溶解性有机碳和微生物量碳含量均随土层深度增加逐渐降低;0~20 cm土层水杉和美洲黑杨林分溶解性有机碳和微生物量碳含量显著高于银杏林分(p<0.05), 40~60 cm土层水杉林分溶解性有机碳含量显著高于美洲黑杨和银杏林分(p<0.05),60~80 cm土层3种林分土壤溶解性有机碳含量无显著差异(p>0.05),80~100 cm土层土壤溶解性有机碳含量为美洲黑杨林分>银杏林分>水杉林分(p<0.05),40~100 cm土层土壤微生物量碳含量在3种林分之间无显著差异(p<0.05)。
Figure 1. Vertical distribution characteristics and distribution proportion of soil labile organic carbon among different stands
研究区各林分不同土层的溶解性有机碳/土壤有机碳(DOC/SOC)、微生物量碳/土壤有机碳(MBC/SOC)比值变化范围分别为0.72%~3.48%和2.11%~7.48%,3种林分土壤DOC/SOC和MBC/SOC比值均随土壤深度增加先增大后减小(除银杏林分DOC/SOC比值在各土层之间无显著差异外),20~60 cm土层3种林分土壤DOC/SOC和MBC/SOC比值较高。0~20 cm土层银杏和水杉林分 DOC/SOC和MBC/SOC比值高于美洲黑杨林分,40~60 cm土层水杉林分土壤DOC/SOC比值显著高于其它2种林分。总体上,3种林分DOC/SOC和MBC/SOC比值在剖面分布差异较小。
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研究区3种林分土壤有机碳及其活性碳组分与全氮、有效氮、全磷、速效磷含量和蔗糖酶活性显著正相关(除水杉林分溶解性有机碳与速效磷含量无显著相关性外),与pH极显著负相关(p<0.01);与土壤盐分无显著相关性(p>0.05),美洲黑杨林分土壤有机碳及其各组分与土壤密度显著负相关(p<0.05),水杉林分仅土壤有机碳含量与土壤密度显著负相关(p<0.05),银杏林分土壤有机碳各组分与土壤密度无显著相关性(p>0.05)(表4)。
林分
Stands指标
Index全氮
TN有效氮
AN全磷
TP速效磷
APpH 盐分
Salinity土壤密度
SD蔗糖酶
INS美洲黑杨 P. deltoides SOC 0.904** 0.900** 0.738** 0.639** −0.693** −0.060 −0.422** 0.820** MBC 0.883** 0.879** 0.716** 0.669** −0.736** −0.184 −0.381** 0.815** DOC 0.916** 0.912** 0.732** 0.666** −0.733** −0.160 −0.390** 0.834** 水杉 M. glyptostroboides SOC 0.983** 0.988** 0.583* 0.554* −0.906** 0.170 −0.525* 0.960** MBC 0.844** 0.825** 0.651** 0.598* −0.887** −0.075 −0.328 0.773** DOC 0.721** 0.704** 0.599* 0.509 −0.755** −0.267 −0.191 0.651** 银杏 G. biloba SOC 0.993** 0.941** 0.944** 0.780** −0.828** −0.413 −0.153 0.978** MBC 0.789** 0.791** 0.598* 0.935** −0.809** −0.397 −0.177 0.767** DOC 0.743** 0.788** 0.564* 0.837** −0.665** −0.394 −0.177 0.767** 注: * 表示显著相关(p<0.05),**表示极显著相关(p<0.01)。下同。
Notes: * indicates significant correlation at 0.05 level, and ** indicates extremely significant correlation at 0.01 level. The same below.Table 4. Correlations between soil labile organic carbon and soil physical and chemical properties
冗余分析表明:第1标准轴(RDA1)和第2标准轴(RDA2)分别解释了美洲黑杨林分土壤活性有机碳组分变异的80.16%和4.76%,水杉林分土壤活性有机碳组分变异的74.33%和5.16%,银杏林分土壤活性有机碳组分变异的74.4%和8.18%(图2)。在美洲黑杨林分中,有效氮含量、蔗糖酶活性分别解释了土壤活性有机碳组分变化的74.2% (p=0.001)、10.3%(p=0.017);在水杉林分中,有效氮、盐分含量分别解释了土壤活性有机碳组分变化的80.2% (p=0.001)、7.6%(p=0.013);在银杏林分中,有效氮含量、pH分别解释了土壤活性有机碳组分变化的72.1%(p=0.001)、12.1%(p=0.036)。由此可知,有效氮是影响美洲黑杨、水杉和银杏林分土壤活性有机碳的主要因子。
Vertical Variation Patterns in Soil Labile Organic Carbon in Different Stands in Coastal Reclamation Area
- Received Date: 2021-09-15
- Accepted Date: 2021-12-13
- Available Online: 2022-06-20
Abstract: