張青青, 張桂蓮, 伍海兵, 仲啟鋮, 何小麗, 徐冰, 梁晶,*

城市森林土壤有機碳密度及影響因子變化研究

張青青1,2, 張桂蓮1,2, 伍海兵1,2, 仲啟鋮1,2, 何小麗1,2, 徐冰1,2, 梁晶1,2,*

1. 上海市園林科學規(guī)劃研究院, 上海 200232 2. 上海城市困難立地綠化工程技術研究中心, 上海 200232

以上海市闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林土壤為研究對象, 分析2013年不同森林土壤有機碳密度(SOCD), 并以其為本底值探討不同森林植被經(jīng)歷4年自然生長后SOCD的變化特征, 討論了土壤容重、電導率(EC)、pH、全氮、全磷、C/N對其的影響, 為上海市森林資源合理配置提供建議。結果表明: (1)2013年, 上海城市森林的SOCD由大到小的排列順序為: 杉林>硬闊林>軟闊林>闊葉混交林。相比2013年, 2017年上海市闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林的SOCD均降低, 年均降低速率為0.59 t/(hm2·a)、6.81 t/(hm2·a)、3.89 t/(hm2·a)和6.95 t/(hm2·a)。上海市森林土壤有機碳密度年降低速率較大, 且0—10 cm和0—30 cm的SOCD在0—100 cm的貢獻率較低。(2)不同時期不同林型的SOCD影響因子不同。2013年, 闊葉混交林、軟闊林、硬闊林的SOCD受土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N影響不顯著(>0.05), 杉林SOCD受全氮影響較顯著(<0.05)。2017年, 闊葉混交林SOCD主要受凋落物影響, 杉林的主要影響因子為容重和全氮, 硬闊林的SOCD主要受C/N影響。軟闊林受土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N影響不顯著(>0.05)。(3)結合土壤有機碳密度本底值以及年均降低速率, 上海市在森林配置管理時可優(yōu)先種植闊葉混交林和軟闊林, 并應通過添加氮肥、疏松森林土壤等措施改良土壤性狀。研究為上海市林分管理在資源合理配置方面提供數(shù)據(jù)支撐, 也為城市森林土壤固碳能力評價研究提供重要參考。

城市森林; 土壤容重; 有機碳含量; 有機碳密度; 影響因子

0 前言

森林能夠減少城市熱島效應、維持碳氧平衡, 且可通過凈化空氣和增加雨水滯留等改善環(huán)境質(zhì)量[1]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中, 森林植物固定的CO2中約1/2通過調(diào)落物歸還到土壤, 通過微生物分解轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的土壤有機碳, 使森林土壤在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著決定作用[2]。森林土壤中碳輕微的改變可能會影響生態(tài)系統(tǒng)中碳的匯源平衡。土壤有機碳密度(SOCD)作為估算土壤有機碳儲量的重要指標[3], 明確其變化及影響因子對了解森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力具有重要意義。

不同于自然土壤, 城市森林土壤空間變異性大, 侵入體(磚瓦塊)較多、土壤結構與剖面發(fā)育層次混亂, 土壤緊實, 土壤肥力低下、保肥能力低[4-5]。但目前針對城市森林土壤的研究主要集中在城市森林土壤動物、土壤質(zhì)量評價、重金屬、多環(huán)芳烴污染等方面[6-10], 對城市森林土壤的SOCD研究較少[11], 且主要為靜態(tài)研究[12], 缺乏不同城市森林類型SOCD的動態(tài)研究。

本文以上海市闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林土壤為研究對象, 分析2013年不同森林SOCD, 并以其為本底值探討不同森林植被經(jīng)歷4年自然生長后SOCD的變化特征及影響因子, 明確哪種森林土壤對有機碳的固持能力較佳, 以期為上海市土地資源的合理利用、森林資源配置方式的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

上海市位于中國華東地區(qū)(121°29′ E, 31°14′ N), 屬亞熱帶季風性氣候, 四季分明, 日照充分, 雨量充沛, 平均海拔4 m左右。2013年, 上海市年平均溫度為17.6 ℃, 年平均降水量為1173.4 mm[13]。2017年, 全市年平均溫度為17.7 ℃, 年平均降水量為1388.8 mm[14]。根據(jù)上海市森林資源連續(xù)統(tǒng)計報告, 2013 年全市森林面積為91324.13 hm2,其中闊葉混交林面積為17033.9 hm2, 杉林面積為6744.5 hm2, 軟闊林面積為28627.7 hm2, 硬闊林面積為5046.9 hm2, 共約占全市森林面積的62.9%。本次調(diào)查的森林為人工林, 多為幼齡林和中齡林, 均分布在郊區(qū), 營造后生長過程無人為因素干擾。位置與基本信息分別見圖1和表1。

1.2 樣品采集

于2013年的7—8月對上海市寶山區(qū)、青浦區(qū)、奉賢區(qū)、松江區(qū)、浦東新區(qū)和崇明區(qū)等郊區(qū)森林土壤進行調(diào)查取樣。其中, 闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林分別設置5個、9個、11個和11個樣地, 每個樣地面積為25.83 m×25.83 m, 共計36個樣地。參考造林項目碳匯計量與監(jiān)測指南[15],每個樣地隨機選取3個樣點, 每個樣點劃分為0—10 cm、10—30 cm和30—100 cm土層取樣, 每層取500 g土壤和3個環(huán)刀, 共采集108個土壤樣品和324個環(huán)刀。將采集到的土壤樣品自然風干, 剔除根系和石礫后過2 mm和0.149 mm孔篩, 收集備用。同時, 在每個樣地內(nèi)布設3個1 m × 1 m小樣方, 將小樣方內(nèi)的凋落物收集于自封袋內(nèi)。

2017年7—8月, 用相同的方法對4種森林土壤的相同樣地進行調(diào)查取樣。

1.3 樣品分析

土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤EC按5:1水土比采用電導法測定。土壤pH按 2.5:1 水土比采用電位法測定。土壤全氮采用凱氏定氮法測定, 全磷采用高氯酸—硫酸法測定[16], 土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定。凋落物在80 ℃烘箱中烘干至恒重后稱重。

土壤剖面的SOCD(統(tǒng)一計算到1 m深[17])計算公式如下:

圖1 上海城市森林采樣點位置信息

Figure 1 The sampling location of urban forests in Shanghai

表1 上海城市森林基本信息

其中,為土壤的某一層,表示土壤有機碳含量(g·kg–1),表示土壤容重(g·cm–3),表示土層厚度(cm), α 為土壤中>2 mm的石礫的體積百分含量, SOCD的單位為t·hm–2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用SAS 9.0軟件進行統(tǒng)計分析, 采用方差分析和配對 t 檢驗分析不同時期不同森林的土壤容重、有機碳含量及SOCD的差異顯著性, 并運用origin 8.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤容重的變化

2013年, 闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林的土壤容重平均值分別為1.53 g·cm–3、1.47 g·cm–3、1.48 g·cm–3和1.51 g·cm–3。經(jīng)過林分4年的生長, 2017年4種森林的土壤容重分別變?yōu)?.43 g·cm–3、1.33 g·cm–3、1.42 g·cm–3和1.46 g·cm–3, 變幅分別為–6.49%、–9.48%、–3.71%和–3.05%。根據(jù)配對t檢驗, 闊葉混交林和杉林0—100 cm土壤容重均極顯著降低(<0.01)。其中, 闊葉混交林在10—30 cm和30—100 cm的土壤容重顯著降低(<0.05), 杉林在0—10 cm、10—30 cm和30—100 cm的土壤容重均顯著降低(<0.05)。硬闊林的土壤容重僅在30—100cm土層顯著降低(<0.05)。

2.2 有機碳含量的變化

2013年, 闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林0—100 cm土壤有機碳平均含量分別為6.98 g·kg–1、8.42 g·kg–1、8.27 g·kg–1和7.92 g·kg–1。經(jīng)過4年的自然生長, 2017年4種森林0—100 cm土壤有機碳平均含量分別為7.32 g·kg–1、7.41 g·kg–1、7.37 g·kg–1和6.30 g·kg–1, 變化幅度分別為4.93%、–12.03%、–10.88%和–20.50%(圖2)。根據(jù)配對t檢驗, 硬闊林0—100 cm土壤有機碳平均含量顯著降低(<0.05)。

表2 2013年和2017年4種城市森林土壤容重特征

注: 每行大寫字母代表同一土層不同森林土壤容重的差異, 每列小寫字母代表同一時期不同土層土壤容重的差異,<0.05。

2013年和2017年4種森林土壤有機碳含量隨剖面深度的變化趨勢不同, 但總體上呈下降趨勢, 有機碳表聚性明顯。闊葉混交林的土壤有機碳含量在0—10 cm和30—100 cm土層增加, 但增加程度不顯著, 其余森林土壤在不同土層的有機碳含量均降低。根據(jù)配對 t 檢驗, 硬闊林的土壤有機碳含量在0—10 cm土層表現(xiàn)為顯著降低(<0.05)。

2.3 有機碳密度的變化

闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林在0—100 cm的SOCD分別由2013年的107.12 t·hm–2、123.37t·hm–2、121.53t·hm–2和120.76t·hm–2降為2017年的104.77t·hm–2、96.13 t·hm–2、105.98t·hm–2和92.97 t·hm–2, 降幅分別為2.20%、22.08%、12.80%和23.01%, 年均SOCD降低速率為0.59 t/(hm2·a)、6.81 t/(hm2·a)、3.89 t/(hm2·a)和6.95 t/(hm2·a)(圖3)。根據(jù)配對t檢驗, 杉林SOCD在0—100 cm土層極顯著降低(<0.01), 硬闊林SOCD在0—100 cm的土層顯著降低(<0.05)。

不同森林SOCD在不同土層的變化不同。闊葉混交林SOCD在0—10 cm和30—100 cm土層增加(>0.05), 其它3種森林類型SOCD在不同土層均降低。其中, 闊葉混交林SOCD在10—30 cm顯著降低(<0.05), 杉林SOCD在30—100 cm土層顯著降低(<0.05)。

闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林0—10 cm土層的SOCD在0—100 cm上的貢獻率由2013年的15.74%、20.84%、18.34%和20.46%變?yōu)?017年的17.55%、16.42%、16.96%和18.36%。其中, 闊葉混交林的增幅為11.48 %, 杉林、軟闊林和硬闊林的降幅分別為21.22%、7.54%和10.26%。闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林0—30 cm的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率由43.61%、44.44%、40.14%和42.52%變?yōu)?6.16%、41.95%、40.56%和41.24%。闊葉混交林、杉林和硬闊林的降幅分別為17.08%、5.59%和3.03%, 軟闊林的增幅為1.03%。

圖2 2013年和2017年4種城市森林土壤有機碳含量分布特征

Figure 2 Distribution of soil organic carbon content for the four urban forests in 2013 and 2017

圖3 2013年和2017年4種城市森林不同土層SOCD分布特征

Figure 3 Characteristics of soil organic carbon density for the four urban forests in 2013 and 2017

2.4 SOCD與其影響因子相關性變化

將SOCD與城市森林土壤基本性質(zhì)進行相關性分析(表3), 發(fā)現(xiàn): 不同時期4種森林SOCD的影響因子不同。2013年闊葉混交林SOCD與土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N、凋落物含量的相關性均不顯著(>0.05), 在2017年僅與凋落物含量顯著相關(<0.05); 2013年杉林SOCD與全氮顯著相關(<0.05), 而在2017年與容重顯著相關(<0.05), 與全氮極顯著相關(<0.01); 在2013年和2017年, 軟闊林SOCD與土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N、凋落物含量的相關性均不顯著(>0.05); 2013年硬闊林的SOCD與土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N、凋落物含量的相關性均不顯著(>0.05), 在2017年僅與C/N極顯著正相關(<0.01)。

3 討論

2013年, 上海城市森林的SOCD由大到小的排列順序為: 杉林>硬闊林>軟闊林>闊葉混交林。這可能與杉林的凋落物含量以及總生物量較多有關[18]。森林植被經(jīng)過4年的生長, 0—100 cm土層SOCD呈降低趨勢。這一結論不同于趙敏等[19]發(fā)現(xiàn)20世紀80年代到2009年上海市SOCD無明顯變化的研究, 也有別于我國1980—2010年森林0— 100 cm 土層SOCD增加了8.8t·hm-2[20], 也與李斌等[21]發(fā)現(xiàn)從1983—1987年到2009年湖南省森林0—80 cm土層SOCD逐漸增加的研究結果不同。這可能是上海城市森林土壤結構較差, 容重偏高, 且在森林植被經(jīng)歷4年生長后, 土壤pH由7.92增至7.96, EC值由0.24 mS·cm–1降至0.12 mS·cm–1, 不利于植被生長, 使得土壤的有機碳輸入量降低; 而土壤C/N由9.78增至10.51, 促使土壤有機碳礦化量增加, 最終使得SOCD降低[22-24]; 也可能是植被生長過快, 消耗了土壤中大量養(yǎng)分, 致使SOCD降低[25]。另外, 闊葉混交林土壤有機碳密度降低最少, 杉林、軟闊林和硬闊林的土壤有機碳密度降低較多。這可能是因為相比杉林、軟闊林和硬闊林, 闊葉混交林群落結構復雜, 生物多樣性高, 在氣候環(huán)境相近的情況下, 林分的生產(chǎn)力略高, 有利于土壤養(yǎng)分的存留[26-27]。

表3 4種森林土壤有機碳密度與基本性質(zhì)的相關性

注: *表示<0.05, **表示<0.01。

2013—2017年, 上海4種森林不同土層SOCD在0—100 cm土層間的配比發(fā)生了改變。0—10 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率由15.74— 20.84%變?yōu)?6.42—18.36%。除闊葉混交林0—10 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率呈增加趨勢外, 其余3種森林0—10 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率均呈降低趨勢，且降幅大小為杉林>硬闊林>軟闊林。0—30 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率由40.14—44.44%變?yōu)?6.16—41.95%。僅軟闊林0—30 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率有輕微的增加, 其余森林0—30 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率也均呈降低趨勢，且降幅大小為闊葉混交林>杉林>硬闊林。相比牛攀新[28]對古爾班通古特沙漠梭梭群落的0—10 cm土層的SOCD在0—100 cm土層的貢獻率23.7—32.8%, 浙江省森林土壤0—30 cm土層SOCD在0—100 cm土層的貢獻率65.34 %[29], 以及陜西省森林土壤0—30 cm土層SOCD占0—100 cm土層貢獻率50.04%[30], 上海城市森林0—10 cm土層和0—30 cm土層的SOCD在0— 100 cm土層的貢獻率較低, 這可能是因為上海城市森林土壤為回填土, 相較自然森林土壤, 土壤中生物、植物根系及殘枝分解緩慢, 對養(yǎng)分的存留能力較差[31]。

眾多研究表明: 凋落物含量、土壤容重、全氮、土壤pH值、土壤C/N等因素均影響土壤有機碳含量、密度及土壤有機碳在土壤中的穩(wěn)定性[32]。本研究將SOCD與凋落物含量及土壤容重、全氮、pH值、C/N等進行相關性分析, 發(fā)現(xiàn)不同時期不同森林影響SOCD的因子不同。

Tanner等[33]認為, 輸入到土壤的凋落物量增多, 土壤有機碳及SOCD也將隨之增加。通過對2013年和2017年凋落物的調(diào)查(表1), 發(fā)現(xiàn)闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林的凋落物量分別由330.62 g·m–2、446.33 g·m–2、382.29 g·m–2和363.32 g·m–2變?yōu)?42.68 g·m–2、418.17 g·m–2、311.08 g·m–2和369.52 g·m–2。僅硬闊林的凋落物量有輕微的增加, 其余森林的凋落物量呈不同程度的降低。這表明本研究中SOCD與凋落物量有一定的關系, 但將4種森林SOCD進行相關性分析發(fā)現(xiàn), 僅2017年闊葉混交林凋落物量與其顯著正相關(<0.05), 其余森林SOCD與凋落物量相關性不顯著(>0.05), 這與凋落物轉(zhuǎn)化為有機碳過程中涉及微生物的參與有關。土壤容重主要與土壤質(zhì)地、壓實情況、土壤有機質(zhì)、根系分布等密切相關。在本研究中, 僅2017年杉林SOCD與土壤容重負相關(<0.05), 這可能是因為土壤容重降低, 孔隙度增加, 通氣性改善, 微生物活性增加, 有利于土壤有機碳的積累[34]。全氮含量主要受生物固氮、氣候、植被、微生物活性等的影響[35]。本研究中, 杉林SOCD與全氮呈顯著正相關(<0.05), 這可能是由于土壤中的氮對植物的生長有促進作用, 進而可以促進有機碳更好的在土壤中積累, 而氮素又可以通過土壤有機碳的分解礦化作用釋放到環(huán)境中[36-37]。本研究中, 隨著森林植被的生長, 2017年C/N對硬闊林SOCD的影響更明顯, 這與C/N的高低影響土壤微生物的活性, 適宜的C/N微生物活性較強, 有利于有機碳的積累密切相關[38]。

通過分析不同時期城市森林SOCD影響因子, 并結合森林土壤有機碳密度本底值以及年降低速率, 發(fā)現(xiàn)在上海市森林配置管理時優(yōu)先考慮種植闊葉混交林和軟闊林。同時, 應根據(jù)不同森林SOCD的影響因素適當改善土壤性質(zhì)。

4 結論

通過分析上海市闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林4種森林SOCD, 并探討其與影響因素土壤容重、有機碳含量等的關系, 得出以下結論: (1)較2013年, 2017年上海市闊葉混交林、杉林、軟闊林和硬闊林的SOCD均降低, 其中闊葉混交林SOCD年降低速率較低, 硬闊林的SOCD年降低速率較大。(2)不同時期4種森林SOCD的影響因子不同。2013年, 闊葉混交林、軟闊林和硬闊林的SOCD受土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N影響不顯著(>0.05), 杉林SOCD受全氮影響較顯著(<0.05)。2017年, 闊葉混交林SOCD主要受凋落物影響(<0.05), 杉林SOCD主要影響因子為容重和全氮, 硬闊林SOCD主要受C/N影響(< 0.05)。軟闊林SOCD受土壤容重、EC、pH、全氮、全磷、C/N影響不顯著(>0.05)。(3)上海市在森林管理配置方面, 可優(yōu)先考慮種植闊葉混交林和軟闊林, 并應定時向土壤中添加氮肥, 降低土壤容重, 改善土壤肥力。

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Study on changes of soil organic carbon density and influencing factors in urban forest

ZHANG Qingqing1,2, ZHANG Guilian1,2, WU Haibing1,2, ZHONG Qicheng1,2, HE Xiaoli1,2, XU Bing1,2, LIANG Jing1,2,*

1. Shanghai Academy of Landscape Architecture science and Planning, Shanghai 200232, China 2. Shanghai Engineering Research Center of Landscaping on Challenging Urban Sites, Shanghai 200232, China

Soil samples were collected from broad-leaved mixed forests, fir forest, softwood forest and hardwood forest in Shanghai in 2013 and 2017 to investigate the changes of soil organic carbon density (SOCD). Furthermore, the variationof SOCD after 4 years of natural growth in different forest vegetations was analyzed, and the effects of soil bulk density, EC, pH, total nitrogen, total phosphorus and C/N on the SOCD were studied, which could provide recommendations for the rational allocation of forest resources in Shanghai. The results showed that: (1) In 2013 year, the order of SOCD was: fir forest > hard broad forest > soft broad forest > broad-leaved mixed forest. The SOCD of the four urban forestsall decreased from 2013 to 2017 in Shanghai, and the average annual decrease rate was 0.59 t/(hm2·a), 6.81 t/(hm2·a), 3.89 t/(hm2·a) and 6.95 t/(hm2·a), respectively. The annual decrease rate of soil organic carbon density in Shanghai was relatively high, while the contribution rate of 0-10 cm and 0-30 cm SOCD possessed relatively lower contribution ratein 0-100 cm. The influencing factors of SOCD in different forest types were discrepancy in different periods. In 2013 year, the SOCD of broad-leaved mixed forest, soft broad-leaved forest and hard broad-leaved forest wss not significantly affected by soil bulk density, EC, pH, total nitrogen, total phosphorus or C/N (>0.05), while that of China fir forest was significantly influenced by total nitrogen (< 0.05). In 2017 year, the SOCD of broad-leaved mixed forest was mainly affected by litter. The main factorsinfluencing SOCD of China fir forest were bulk density and total nitrogen, and the SOCD of hard broad-leaved forest was mainly affected by C/N. Soft broad-leaved forest was not significantly affected by soil bulk density, EC, pH, total nitrogen, total phosphorus or C/N (>0.05). (3) Considering both the initial SOCD and the annual average decrease rate, the broad-leaved mixed forest and the soft broad-leaved forest were suggested as precedence plantpreferentially in the forest land allocation management in Shanghai.These artificial forests can be maintained by applying nitrogen fertilizer and loosing soil texture. This study provides data support for the rational allocation of forest resources in Shanghai, and has implications for the evaluation of urban forest soil carbon sink function.

urban forest; bulk density; organic carbon content; organic carbon density; influence factor

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.024

S153

A

1008-8873(2022)02-204-07

2020-04-22;

2020-05-26

上海市科學技術委員會科技專項(17DZ1202801); 上海自然科學基金項目(17ZR1427400); 國家自然科學基金項目(31800411)

張青青(1992—), 女, 山西運城人, 碩士, 助理工程師, 主要從事城市土壤質(zhì)量評價與改良修復的研究, E-mail: 1390540738@qq.com

通信作者:梁晶(1981—), 女, 山西長治人, 博士, 高級工程師, 主要從事城市土壤質(zhì)量評價、修復及有機廢棄物再利用研究, E-mail: liangjing336@163.com

張青青, 張桂蓮, 伍海兵, 等. 城市森林土壤有機碳密度及影響因子變化研究[J]. 生態(tài)科學, 2022, 41(2): 204–210.

ZHANG Qingqing, ZHANG Guilian, WU Haibing, et al. Changes of urban forest soil organic carbon density and its influencing factors[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 204–210.