周 偉，孫向陽，李素艷，董文萱，杜田甜，鄭 燚，范志輝

有機(jī)覆蓋對(duì)城市森林土壤有機(jī)碳礦化及其氧化穩(wěn)定性特征的影響①

周 偉，孫向陽*，李素艷，董文萱，杜田甜，鄭 燚，范志輝

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為探究有機(jī)覆蓋對(duì)城市森林土壤有機(jī)碳礦化及其氧化穩(wěn)定性特征的影響，采集北京市鷲峰國(guó)家森林公園土壤，進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，研究不覆蓋(CK)、木片覆蓋(Mw)、堆肥覆蓋(Mc)、上層木片覆蓋+下層堆肥覆蓋(Mw+c) 4種條件下土壤有機(jī)碳礦化特征及氧化穩(wěn)定組分變化。結(jié)果表明，不同有機(jī)覆蓋方式均顯著影響了土壤有機(jī)碳(SOC)礦化(<0.05)，Mc、Mw+c、Mw處理的有機(jī)碳累積礦化量分別是CK的1.77倍、2.93倍和3.98倍，Mw處理累積礦化量分配比和/SOC值(土壤有機(jī)碳礦化潛能占土壤有機(jī)碳含量的比重)顯著高于Mc和Mw+c處理(<0.05)，說明Mc和Mw+c處理的固碳潛力好于Mw處理。不同有機(jī)覆蓋方式顯著提升了土壤有機(jī)碳及其氧化穩(wěn)定組分含量(<0.05)，Mw+c處理的增幅最明顯，土壤有機(jī)碳含量比CK提高了29.14%；高活性有機(jī)碳組分和低活性有機(jī)碳組分含量較CK分別提高了20% 和37.14%。有機(jī)覆蓋提高了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定指數(shù)，降低了活性指數(shù)，表明有機(jī)覆蓋增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。有機(jī)碳累積礦化量與高活性有機(jī)碳組分呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與土壤有機(jī)碳和低活性有機(jī)碳組分呈顯著正相關(guān)(<0.05)。綜合土壤有機(jī)碳礦化特征及其氧化穩(wěn)定組分的變化來看，上層木片+下層堆肥的覆蓋模式，既能提高土壤的固碳潛力，又能協(xié)調(diào)有機(jī)碳礦化與穩(wěn)定性特征。

有機(jī)覆蓋；城市森林；有機(jī)碳礦化；氧化穩(wěn)定組分

城市森林是保護(hù)城市環(huán)境的重要生態(tài)屏障，受城市小氣候、人為活動(dòng)、環(huán)境污染等因素影響，土壤退化嚴(yán)重，制約了城市生態(tài)服務(wù)功能的提升[1-5]。隨著城市綠地面積不斷增大，園林綠化廢棄物的數(shù)量也逐年增多，其資源化處置利用是實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的重要途徑。有機(jī)覆蓋是指園林綠化廢棄物就地物理粉碎或堆腐化處理后，覆蓋于城市森林與綠地土壤表面，用于提升景觀環(huán)境、提高土壤質(zhì)量、改善城市生態(tài)服務(wù)功能的生態(tài)改良措施[6-8]。

有機(jī)覆蓋除了可以改善景觀環(huán)境、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)外，還會(huì)影響有機(jī)碳礦化等其他土壤過程，進(jìn)而影響土壤碳的固定和CO2的排放，從而對(duì)土壤碳循環(huán)、氣候變化等產(chǎn)生深刻的影響[9]。城市森林土壤在全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用，土壤碳庫的微小變化即會(huì)對(duì)全球有機(jī)碳庫的收支平衡產(chǎn)生重要影響[4, 10-11]，不同生態(tài)恢復(fù)措施下，土壤固碳效應(yīng)及其穩(wěn)定機(jī)制是當(dāng)前恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[12]。土壤有機(jī)碳礦化是在微生物參與下分解和利用土壤中的活性有機(jī)組分并釋放出CO2的過程，直接影響土壤中養(yǎng)分元素釋放與供應(yīng)、溫室氣體排放等過程，對(duì)土壤碳循環(huán)起著重要作用[12-14]。有機(jī)碳礦化特征還不足以全面反映土壤碳庫穩(wěn)定性[12]，氧化穩(wěn)定性是土壤有機(jī)碳的重要性質(zhì)，關(guān)系到有機(jī)碳在土壤中的循環(huán)能力，對(duì)有機(jī)碳的存留和養(yǎng)分釋放等方面存在影響[15-17]。將有機(jī)碳礦化特征與有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分結(jié)合起來更有利于揭示有機(jī)覆蓋下土壤有機(jī)碳礦化特征及其穩(wěn)定固存機(jī)制。

目前，北京市已在城市森林和綠地景觀中大面積推廣木片覆蓋、堆肥覆蓋、上層木片+下層堆肥等不同有機(jī)覆蓋模式[6]，這可能對(duì)土壤有機(jī)碳礦化和氣候變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，然而不同有機(jī)覆蓋模式對(duì)城市森林土壤的有機(jī)碳礦化效應(yīng)尚不明晰，弄清有機(jī)覆蓋對(duì)有機(jī)碳礦化及其氧化穩(wěn)定組分的影響，對(duì)提高土壤碳匯能力和緩解氣候變暖具有重要意義[18]?；诖?，本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，探討了增強(qiáng)土壤固碳潛力、減少有機(jī)碳礦化分解的有機(jī)覆蓋模式，為提升城市森林土壤固碳能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與覆蓋物

供試土壤取自北京市鷲峰國(guó)家森林公園(40°4′N，116°6′E)，采集表層土壤(0 ～ 10 cm)，樣品充分混勻，將樣品中的石礫、細(xì)根、枯落物等移除，風(fēng)干備用。土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.03、有機(jī)碳21.24 g/kg、全氮1.72 g/kg、堿解氮112.62 mg/kg、有效磷5.66 mg/kg、速效鉀197.75 mg/kg。

有機(jī)覆蓋物取自北京市香山植物園園林綠化廢棄物消納中心，分別為粉碎后的木片(粒徑1 ～ 2 cm)和園林綠化廢棄物堆肥(粒徑約0.2 cm)，木片有機(jī)碳含量484.98 g/kg、全氮含量7.77 g/kg、C/N 62.42，堆肥有機(jī)碳含量356.68 g/kg、全氮含量18.88 g/kg、C/N 18.89。

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

培養(yǎng)試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理：①對(duì)照(CK)，不覆蓋有機(jī)物；②5 g木片覆蓋于培養(yǎng)土壤表面(Mw)；③5 g堆肥覆蓋于培養(yǎng)土壤表面(Mc)；④上層2.5 g木片+下層2.5 g堆肥覆蓋于培養(yǎng)土壤表面(Mw+c)。目前有機(jī)覆蓋物的常見覆蓋厚度為5 cm(用量為10 000 kg/hm2)[6]，據(jù)此換算出室內(nèi)培養(yǎng)條件下不同覆蓋處理的有機(jī)覆蓋物添加量為5 g。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共24個(gè)培養(yǎng)瓶(礦化培養(yǎng)和土壤培養(yǎng)試驗(yàn)各用12個(gè)培養(yǎng)瓶)。

1.2.1 礦化培養(yǎng)試驗(yàn) 土壤有機(jī)碳礦化測(cè)定采用堿液吸收法[19-21]。稱取過0.25 mm鮮土200.00 g，置于750 ml培養(yǎng)瓶中，調(diào)節(jié)土壤水分至田間持水量的30%，并在土樣表面分別覆蓋有機(jī)覆蓋物，25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，預(yù)培養(yǎng)7 d。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束之后調(diào)節(jié)土壤水分至田間持水量的60%，將盛有20 ml NaOH (0.5 mol/L)溶液的燒杯置于培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)，放置在 25 ℃黑暗條件下密封培養(yǎng)，分別在第1、3、5、7、14、28、42、56、70、98、126、154、182 天取出燒杯，同時(shí)添加新一批NaOH 溶液繼續(xù)培養(yǎng)(第182 天不再添加)。

在取出的NaOH內(nèi)加入20 ml BaCl2溶液(l mol/L)，搖勻后滴加2滴酚酞指示劑，用HCl (0.5 mol/L) 滴定，中和未耗盡的NaOH，通過HCl消耗量來計(jì)算 CO2的含量，進(jìn)而計(jì)算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳的礦化量。用稱重法校正土壤水分含量，定期調(diào)整土壤水分保持在田間持水量的60%。

1.2.2 土壤培養(yǎng)試驗(yàn) 稱取過0.25 mm土樣200.00 g，置于750 ml培養(yǎng)瓶中25 ℃黑暗條件下密封培養(yǎng) (除不添加NaOH外，處理設(shè)計(jì)與礦化培養(yǎng)試驗(yàn)相同)。在培養(yǎng)的第182 天進(jìn)行破壞性取樣，測(cè)定土壤有機(jī)碳及其氧化穩(wěn)定組分。

1.3 有機(jī)碳及其氧化穩(wěn)定組分測(cè)定

重鉻酸鉀氧化–稀釋熱法測(cè)定土壤總有機(jī)碳[22]。有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分測(cè)定采用改進(jìn)的Walkley-Black方法[23]，土樣中加入10 ml的重鉻酸鉀(1 mol/L)后，分別加入酸水比為1︰2(相當(dāng)于6 mol/L)、1︰1(相當(dāng)于9 mol/L)、2︰1(相當(dāng)于12 mol/L)的H2SO420 ml，然后用0.5 mol/L FeSO4標(biāo)定，所測(cè)得的有機(jī)碳分別記為6、9、12 mol/L的有機(jī)碳。從而獲得4個(gè)氧化穩(wěn)定性有機(jī)碳組分：6 mol/L的有機(jī)碳為高氧化活性有機(jī)碳組分(VAC)；9 mol/L的有機(jī)碳減去6 mol/L有機(jī)碳為中氧化活性有機(jī)碳組分(AC)；12 mol/L的有機(jī)碳減去9 mol/L有機(jī)碳為低氧化活性有機(jī)碳組分(PAC)；總有機(jī)碳減去12 mol/L的有機(jī)碳為穩(wěn)定有機(jī)碳組分(IAC)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

有機(jī)碳累積礦化量與有機(jī)碳礦化速率計(jì)算公式如下[19-21]：

有機(jī)碳累積礦化量 (mg/kg，以CO2計(jì))=HCl× (0–)×22×10×12/44 (1)

式中：HCl為HCl濃度(mol/L)；0為空白消耗HCI的體積(ml)；為樣品消耗HCI的體積(ml)。

有機(jī)碳礦化速率(mg/(kg·d)，以CO2計(jì))=培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)有機(jī)碳礦化量/培養(yǎng)天數(shù) (2)

采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過程進(jìn)行模擬，其表達(dá)式如下[24]：

=× (1–e–kx)(3)

式中：表示土壤有機(jī)碳潛在礦化量(mg/kg)；表示礦化速率常數(shù)( d–1)；表示培養(yǎng)天數(shù)(d)；表示培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)土壤累積有機(jī)碳礦化量(mg/kg)。

土壤有機(jī)碳活性指數(shù)及穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算公式如下[15-16]：

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪制圖表，SPSS 20.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析、Duncan 多重比較分析、Person相關(guān)分析，并使用Origin 2019b進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

由圖1A可知，有機(jī)覆蓋顯著影響了土壤有機(jī)碳礦化速率，覆蓋處理有機(jī)碳礦化速率均顯著高于CK(<0.05)，各處理均呈現(xiàn)隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，最終逐漸趨于平緩的趨勢(shì)。培養(yǎng)初期(1 ～ 7 d)，礦化速率下降最快，第1天礦化速率最大，為130 ～ 402 mg/(kg·d)；培養(yǎng)中期(7 ～ 70 d)，第7 ～ 14天，礦化速率略有升高，第14 ～ 70天逐漸小幅度下降；末期(70 ～ 182 d)礦化速率趨于平穩(wěn)，第182天的礦化速率為第1天的1.25% ～ 3.91%。有機(jī)覆蓋處理有機(jī)碳累積礦化量顯著高于CK(<0.05，圖1B)，其中Mw處理的有機(jī)碳累積礦化量最高，是CK的3.98倍，Mc和Mw+c處理分別是CK的1.77倍和2.93倍。

采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)有機(jī)碳礦化進(jìn)行擬合，得到有機(jī)碳潛在礦化量()和礦化常數(shù)()值，結(jié)果如表1所示，擬合決定系數(shù)2為0.77 ～ 0.94，均達(dá)到了極顯著水平(<0.01)，擬合效果較好。和值用以表征土壤有機(jī)碳礦化作用，值越大、值越小表明土壤有機(jī)碳礦化作用越強(qiáng)，反之則越弱。/SOC值(土壤有機(jī)碳礦化潛能占土壤有機(jī)碳含量的比重) 是土壤固碳能力的體現(xiàn)，該值越高表示土壤有機(jī)碳礦化能力越強(qiáng)，有機(jī)碳固存能力越弱[24]。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

表1 土壤有機(jī)碳礦化的一級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及Cp/SOC值

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)；** 表示擬合達(dá)到<0.01顯著水平。

由表1可知，有機(jī)覆蓋處理的值均顯著高于CK(<0.05)，是CK的1.70 倍～ 4.16倍。不同覆蓋方式間的值差異顯著(<0.05)，Mw處理的值最大，為1 059.81 mg/kg，Mw+c處理的值為746.61 mg/kg，Mc處理的值最小，為433.86 mg/kg。值變化范圍為0.26 ～ 0.39 d–1，CK最大，其次是Mw處理，Mc和Mw+c處理最小。/SOC 值的變化趨勢(shì)與值類似，變化范圍為1.15% ～ 3.84%，覆蓋土壤的值均顯著高于CK(<0.05)，不同覆蓋方式間的/SOC值差異顯著(<0.05)，表現(xiàn)為Mw>Mw+c>Mc。

不同處理土壤有機(jī)碳含量變化如圖2A所示，覆蓋處理的SOC含量顯著高于CK(<0.05)，而不同覆蓋模式的SOC含量差異不顯著，Mw+c處理的SOC最高，比CK提高了29.14%，Mw和Mc的SOC分別比CK提高了24.37% 和25.90%。土壤有機(jī)碳累積礦化量分配比是指在一定時(shí)間內(nèi)土壤有機(jī)碳累積礦化量占土壤有機(jī)碳含量的比例，能在一定程度上反映土壤有機(jī)碳的固碳能力[25]。Mw處理有機(jī)碳累積礦化量分配比顯著高于其他處理(<0.05)，Mw+c處理土壤顯著高于Mc和CK處理，而Mc處理與CK無顯著差異(圖2B)。這說明不同有機(jī)覆蓋模式下，Mw處理的土壤固碳能力最差，Mc的土壤固碳能力最好。

2.2 有機(jī)覆蓋對(duì)有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分的影響

各處理土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分含量差異顯著(表2)，均表現(xiàn)為VAC> IAC > PAC > AC。與CK相比，覆蓋土壤均顯著提高了VAC、PAC和IAC的含量(<0.05)。Mw+c處理的VAC和PAC含量增幅最明顯，較CK分別提高了20% 和37.14%；Mc處理的IAC含量增幅最明顯，較CK提高了60.10%。AC含量不同處理間差異不顯著。

圖2 不同處理下有機(jī)碳含量及累積礦化量分配比

表2 不同處理下有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分含量

注：表中小寫字母不同表示同一氧化穩(wěn)定組分不同處理間差異顯著(<0.05)，大寫字母不同表示同一處理不同氧化穩(wěn)定組分間差異顯著(<0.05)。

氧化穩(wěn)定組分占總有機(jī)碳比例如圖3所示，VAC組分占比最高，為38.03% ～ 42.58%，AC組分占比為10.28% ～ 12.48%，這兩個(gè)組分均表現(xiàn)為CK占比最高，說明有機(jī)覆蓋降低了土壤有機(jī)碳活性組分的比例。同時(shí)，有機(jī)覆蓋后增加了穩(wěn)定組分的比例，具體表現(xiàn)為：PAC組分占比為15.90% ～ 17.92%，Mw+c處理占比最高，CK處理與其他處理差異不顯著；IAC組分占比為28.11% ～ 35.77%，Mc、Mw+c、Mw處理均顯著高于CK(<0.05)。

有機(jī)碳活性指數(shù)的變化范圍為1.51 ～ 1.70(圖4A)，覆蓋土壤的活性指數(shù)顯著低于CK(<0.05)，而不同覆蓋處理間差異不顯著，具體表現(xiàn)為CK>Mw+c> Mw>Mc。穩(wěn)定指數(shù)的變化范圍為0.82 ～ 1.07(圖4B)，覆蓋土壤的穩(wěn)定指數(shù)顯著高于CK(<0.05)；不同覆蓋處理間，Mc和Mw+c處理的穩(wěn)定指數(shù)顯著高于Mw處理，具體表現(xiàn)為Mc>Mw+c>Mw>CK。與CK相比，覆蓋處理的活性指數(shù)下降了7.65% ～ 11.18%，穩(wěn)定指數(shù)則上升了20.73% ～ 30.49%。

圖3 不同處理下有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分占總有機(jī)碳的百分比

2.3 土壤有機(jī)碳累積礦化量與土壤有機(jī)碳及其氧化穩(wěn)定組分的關(guān)系

土壤有機(jī)碳累積礦化量與土壤有機(jī)碳及其氧化穩(wěn)定組分Pearson 相關(guān)性分析如圖5所示。結(jié)果表明: 土壤累積礦化量與VAC達(dá)到極顯著正相關(guān)(<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.76；與SOC和PAC達(dá)到顯著正相關(guān)(<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.64和0.62。這說明VAC組分是影響土壤有機(jī)碳累積礦化量的最主要組分。除AC組分外，其他組分間相關(guān)性均達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)。

圖4 不同處理下土壤有機(jī)碳活性指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)

(CM：累積礦化量，SOC：總有機(jī)碳，VAC：高氧化活性有機(jī)碳組分，AC：中氧化活性有機(jī)碳組分，PAC：低氧化活性有機(jī)碳組分，IAC：穩(wěn)定有機(jī)碳組分；圓圈中數(shù)字為相關(guān)系數(shù)，* 表示顯著相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01) )

3 討論

3.1 有機(jī)覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

有機(jī)碳礦化是在土壤微生物作用下，完成自身代謝并釋放CO2的過程，是碳循環(huán)的重要組成部分。有機(jī)碳礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，最終趨于平緩的趨勢(shì)，這與許多研究結(jié)果類似[26-27]。覆蓋初期，由于新鮮有機(jī)覆蓋物的投入，增加了土壤易分解養(yǎng)分，使得土壤微生物活性增強(qiáng)，有機(jī)碳礦化速率快，后期隨著易分解活性有機(jī)碳組分的礦化完成，可供微生物礦化的碳源減少，微生物活性逐漸受到營(yíng)養(yǎng)源的限制而減弱，礦化速率隨之逐漸下降并趨于穩(wěn)定[24-25]。有機(jī)覆蓋可以改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過程產(chǎn)生顯著影響，不覆蓋土壤由于沒有新鮮碳源的加入，土壤微生物活性較弱，所以有機(jī)碳礦化量最低[28]。與不覆蓋相比，不同有機(jī)覆蓋方式均顯著增加了有機(jī)碳累積礦化量和潛在礦化量。木片單獨(dú)覆蓋的有機(jī)碳累積礦化量和潛在礦化量最大，而堆肥單獨(dú)覆蓋最小，這可能與木片含氮量低，而堆肥含氮量高有關(guān)，低氮素水平供應(yīng)會(huì)增加土壤有機(jī)碳礦化速率，高氮素供應(yīng)更有利于土壤有機(jī)碳固存[28-29]。木片覆蓋的土壤有機(jī)碳累積礦化量分配比和/SOC值最高，不利于土壤固碳。堆肥覆蓋最有利于固碳，但是堆肥具有質(zhì)輕、色黑、粒徑小等特點(diǎn)，單獨(dú)覆蓋于城市土壤中，既不美觀，也易被風(fēng)刮走而造成環(huán)境污染[6]。上層木片+下層堆肥處理的固碳能力介于木片覆蓋和堆肥覆蓋之間，今后可采取適當(dāng)?shù)亟档蜕蠈幽酒采w量，增加下層堆肥覆蓋量的方式增加土壤固碳潛力。

3.2 有機(jī)覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分的影響

土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分反映了土壤有機(jī)碳的組成和狀態(tài)，對(duì)于土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存和變化具有重要的意義[15-16, 30]。有機(jī)覆蓋物為土壤微生物提供了大量碳源，這些物質(zhì)礦化分解顯著提高了有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分含量[15]。與CK相比，有機(jī)覆蓋降低了土壤有機(jī)碳活性指數(shù)及其活性組分(VAC和AC)的占比，增加了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定指數(shù)及其穩(wěn)定組分(IAC和PAC)的占比，這是由于有機(jī)覆蓋物含有大量的木質(zhì)素和纖維素，這些成分難以徹底分解，能夠長(zhǎng)期保存于土壤中，使得土壤有機(jī)碳在有機(jī)覆蓋后提高穩(wěn)定性[15]。不同有機(jī)覆蓋方式對(duì)土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分的影響是不同的，木片+堆肥覆蓋顯著提高了有機(jī)碳活性組分含量，木片+堆肥和單獨(dú)堆肥處理均顯著提高了有機(jī)碳穩(wěn)定性組分含量。木片具有高碳量、低氮量的特點(diǎn)，C/N過高會(huì)加速土壤礦化[31]，導(dǎo)致木片的累積礦化量大，固碳能力差，單獨(dú)覆蓋對(duì)氧化穩(wěn)定組分的提升效果不如木片+堆肥和單獨(dú)堆肥覆蓋，Ouyang等[27]研究指出，施用木片生物質(zhì)炭后土壤有機(jī)碳含量增加，但是其活性有機(jī)碳含量依然較低，本研究結(jié)果與此類似。木片+堆肥覆蓋的土壤有機(jī)碳含量最高，并顯著提高了VAC組分含量，這可能是由于木片和堆肥結(jié)合調(diào)節(jié)C/N，使其有機(jī)質(zhì)更易分解轉(zhuǎn)化。VAC組分屬于高活性有機(jī)碳，也是占比最大的組分，能夠在短期內(nèi)礦化分解[15]，為微生物生長(zhǎng)提供充足的碳源，這有利于降低土壤原有有機(jī)碳的礦化分解，促進(jìn)原有有機(jī)碳的積累[32]。綜合土壤礦化特征及氧化穩(wěn)定性組分的變化來看，上層木片+下層堆肥的覆蓋模式，既能提高土壤的固碳潛力，又能協(xié)調(diào)有機(jī)碳礦化與穩(wěn)定性特征。

3.3 土壤有機(jī)碳礦化與其氧化穩(wěn)定組分含量的關(guān)系

土壤有機(jī)碳活性組分的礦化是土壤呼吸和CO2排放的主要貢獻(xiàn)者[33]，外源有機(jī)物添加增加了土壤活性有機(jī)碳，為微生物提供了豐富的碳源，促進(jìn)了有機(jī)物的分解，土壤活性有機(jī)碳含量與有機(jī)碳礦化密切相關(guān)[34]。本研究中，VAC組分與有機(jī)碳累積礦化量均達(dá)到極顯著正相關(guān)，說明高活性有機(jī)碳組分是影響土壤有機(jī)碳礦化的最主要因子。有機(jī)碳礦化與土壤可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳等活性有機(jī)碳密切相關(guān)已被廣泛研究[25-26, 34]，而可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳等活性有機(jī)碳組分測(cè)定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，VAC組分測(cè)定簡(jiǎn)單，靈敏度高，與有機(jī)碳累積礦化量關(guān)系更密切，對(duì)土壤碳的變化更為敏感，今后可將其作為重要診斷指標(biāo)，用于指示環(huán)境條件變化對(duì)土壤質(zhì)量的影響[9, 15, 35]，合理調(diào)控影響VAC組分含量的因子有利于提高城市森林土壤質(zhì)量。有機(jī)碳累積礦化量與SOC顯著正相關(guān)已被廣泛證實(shí)[25-36]，這與本研究結(jié)果一致。累積礦化量還與PAC含量呈顯著正相關(guān)，這說明PAC作為相對(duì)穩(wěn)定組分，其含量變化也會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生重要影響。此外，有機(jī)覆蓋條件下，覆蓋物性質(zhì)、覆蓋量、土壤類型等均會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生影響，因此，有機(jī)覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳礦化影響的機(jī)制還需進(jìn)一步明確，今后應(yīng)重點(diǎn)考慮土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響[33, 37]。

3.4 展望

目前，木片覆蓋等有機(jī)覆蓋方式在國(guó)外已經(jīng)成為比較流行的城市土壤健康管理方法，我國(guó)許多城市也已逐步推廣使用有機(jī)覆蓋物改良土壤[6-8]。隨著城市樹木老齡化趨勢(shì)加劇，會(huì)產(chǎn)生更多的木質(zhì)殘余物，這將有利于有機(jī)覆蓋物的資源化利用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。雖然有機(jī)覆蓋在我國(guó)的應(yīng)用前景廣闊，但是相關(guān)應(yīng)用技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)還不完善，許多地區(qū)并沒有因地制宜地科學(xué)選取有機(jī)覆蓋物改良土壤，這可能適得其反，過量覆蓋還會(huì)產(chǎn)生土壤通氣不良、透水性差等問題[7]。僅從有機(jī)碳礦化及其氧化穩(wěn)定特征的角度分析有機(jī)覆蓋對(duì)城市森林土壤的影響還略顯單薄，未來應(yīng)開展長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)研究，從土壤肥力、碳組分、微生物、有機(jī)覆蓋物分解特征等多方面入手，深入系統(tǒng)研究有機(jī)覆蓋對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制[6-7, 38]，形成完善的應(yīng)用技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)，因地制宜地制定最優(yōu)覆蓋方案，從而促進(jìn)城市土壤生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

1)有機(jī)覆蓋促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化，提高了有機(jī)碳氧化穩(wěn)定組分的含量，增加了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定指數(shù)，降低了土壤有機(jī)碳活性指數(shù)。

2)土壤有機(jī)碳累積礦化量與VAC極顯著正相關(guān)，與SOC和PAC顯著正相關(guān)。

3)與木片單獨(dú)覆蓋相比，木片+堆肥覆蓋和堆肥單獨(dú)覆蓋的土壤固碳能力更好，木片+堆肥覆蓋顯著增加了VAC和PAC組分含量，有利于促進(jìn)有機(jī)碳累積。城市森林土壤有機(jī)覆蓋首選木片+堆肥覆蓋方式。

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Effects of Organic Mulching on Soil Organic Carbon Mineralization and Oxidation Stability in Urban Forest

ZHOU Wei, SUN Xiangyang*, LI Suyan, DONG Wenxuan, DU Tiantian, ZHENG Yi, FAN Zhihui

(Key Laboratory of Forest Cultivation and Protection of Ministry of Education, College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to explore the effects of organic mulching on soil organic carbon (SOC) mineralization and oxidation stability in urban forest, soil samples were collected from Jiufeng National Forest Park for incubation experiment. Four treatments were applied: 1) no organic mulch (CK); 2) wood chips alone (Mw); 3) wood composts alone (Mc) ; 4) the upper layer wood chips + the lower layer wood composts (Mw+c)．The results showed that organic mulching significantly affected SOC mineralization in the soil (<0.05), and the cumulative mineralization of SOC under Mc, Mw+cand Mwtreatments was 1.77, 2.93 and 3.98 times that of CK. Ratios of cumulative mineralization amount to SOC contents and/SOC under Mwtreatment was significantly higher than those of Mcand Mw+ctreatments (<0.05), which showed that Mcand Mw+ctreatments had higher carbon sequestration capacity than Mwtreatment. Organic mulching significantly increased SOC contents and oxidation stability fractions (<0.05). Compared with CK, SOC content of Mw+cwas increased by 29.14%, and the contents of very active organic carbon (VAC) and partially organic carbon (PAC) were increased by 20% and 37.14%, respectively. Organic mulching increased SOC stability index and decreased activity index, indicating that organic mulching enhanced SOC stability. The cumulative mineralization of organic carbon was very significantly positively correlated with VAC (<0.01), and significantly positively correlated with SOC and PAC (<0.05). As a whole, Mw+ctreatment is beneficial for soil organic carbon sequestration, and it also can balance the organic carbon mineralization and sequestration.

Organic mulching; Urban forest; Organic carbon mineralization; Oxidation stability fractions

S156

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.016

周偉, 孫向陽, 李素艷等. 有機(jī)覆蓋對(duì)城市森林土壤有機(jī)碳礦化及其氧化穩(wěn)定性特征的影響. 土壤, 2022, 54(4): 779–786.

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6202021)資助。

(sunxybjfusoil@163.com)

周偉(1990—)，男，山東淄博人，博士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘型寥蕾|(zhì)量提升及園林綠化廢棄物資源化利用。E-mail: bsstzw@163.com