陳冠宇 靖磊

摘 要 土壤有機(jī)碳（SOC）是濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的重要組成部分，其受人為活動的影響較大。目前，有關(guān)SOC的研究多集中于各個(gè)SOC組分含量的變化上，而利用13C核磁共振波譜技術(shù)反映SOC變化特征的研究較少。為了探究楊樹人工林種植與清理對土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，選取西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)蘆葦?shù)兀–K）、9年楊樹林地（P9）、3年楊樹采伐跡地（D3）和6年楊樹采伐跡地（D6）4種土地利用類型的表層土壤（0～20 cm），通過固態(tài)13C核磁共振技術(shù)對土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明，1）CK和P9中的烷基碳含量高于D3和D6，烷氧基碳則表現(xiàn)出相反的變化趨勢；

2）CK和P9的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/親水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于D3和D6?？梢姡J葦?shù)睾蜅顦淞值赝寥罁碛懈叩墓烫紳摿?，今后在洞庭湖生態(tài)恢復(fù)措施的選擇中，不僅要考慮濕地土壤的碳儲量，還應(yīng)考慮土地利用方式對SOC穩(wěn)定性的潛在影響。

關(guān)鍵詞 土壤有機(jī)碳（SOC）；穩(wěn)定性；變化特征；13C核磁共振（NMR）；西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)

中圖分類號：S714.2；S151.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.06.079

濕地土壤碳庫儲存著豐富的有機(jī)碳，其含量的微小變化不僅會改變土壤中的碳通量，還會影響CO2、CH4等溫室氣體的排放。土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）的累積很大程度上受人類活動的影響[1]。土地利用方式（開墾、采伐）的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致濕地地表凋落物的輸入率和分解率之間存在差異，進(jìn)而影響濕地土壤有機(jī)碳儲量[2]。因此，評估人類活動對于濕地土壤碳庫的影響對于維持濕地土壤SOC的收支平衡具有重要意義。

SOC的穩(wěn)定性可能會影響不同土地利用類型下濕地土壤的碳匯，因此提高SOC的穩(wěn)定性比提高濕地土壤碳儲量更重要。通過13C核磁共振技術(shù)測定SOC的化學(xué)組成，可以對不同土地利用方式下土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量和定性分析。以往的研究表明，土壤官能團(tuán)的動態(tài)變化會影響土壤碳庫的穩(wěn)定性[3]。一般來說，在SOC的化學(xué)組成中，烷氧基碳最不穩(wěn)定，極易被微生物分解，而烷基碳的抗分解的能力較強(qiáng)。因此，烷基碳與烷氧基碳的比值常被用來反映土壤有機(jī)碳的抗分解能力[4]。芳香碳相對含量的提高會增加土壤有機(jī)碳的分解難度[5]。此外，穩(wěn)定的團(tuán)聚體可以保護(hù)土壤有機(jī)碳免受微生物的分解。故研究不同粒徑組分團(tuán)聚體相關(guān)有機(jī)碳的化學(xué)組成，有助于進(jìn)一步了解土壤有機(jī)碳的變化特征。目前已知的有關(guān)土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的研究多集中在森林、草地、農(nóng)田等陸地生態(tài)系統(tǒng)，對于季節(jié)性湖泊濕地的研究較少。

洞庭湖是我國第二大淡水湖，也是長江流域僅有的2個(gè)大型通江湖泊之一，在維持區(qū)域生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，由于人類活動和土地利用方式的改變，洞庭湖濕地生境嚴(yán)重退化。為緩解因栽植黑楊而導(dǎo)致的土壤容重增加、生態(tài)景觀破碎等問題，湖南省人民政府于2017年對洞庭湖實(shí)行生態(tài)退楊。截至2022年底，湖區(qū)內(nèi)的黑楊已被全部清理，濕地處于自然恢復(fù)的過程。此次以西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)為研究對象，通過分析4種土地利用類型下土壤有機(jī)碳及其團(tuán)聚體相關(guān)有機(jī)碳的化學(xué)組成和相關(guān)系數(shù)，探討了楊樹人工林種植與清理對于濕地SOC穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于湖南省漢壽縣西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)，地理位置為東經(jīng)111°57′～112°17′，北緯28°47′～29°07′，該區(qū)地勢平坦，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。湖區(qū)的面積和水位隨季節(jié)性降雨的變化而變化，表現(xiàn)為雨季（5—10月）和旱季（11月至翌年4月），年平均氣溫17 ℃，年平均降水量1 331 mm。

1.2 野外調(diào)查和土壤樣品采集

2020年12月，在湖南省漢壽縣西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行樣品采集，選取4塊具有相同立地條件和高程的地塊作為試驗(yàn)樣地，分別為蘆葦?shù)兀–K）、9年楊樹林地（P9）、3年楊樹采伐跡地（D3）和6年楊樹采伐跡地（D6），樣地中所有黑楊采伐前的林齡均為9～10年。在蘆葦?shù)刂须S機(jī)設(shè)置3個(gè)相鄰的30 m×20 m大樣方，每個(gè)大樣方沿對角線設(shè)置3個(gè)小樣方。在楊樹林地和楊樹采伐跡地中選取3條平行但不相鄰的壟進(jìn)行取樣，相鄰的壟相距6～8 m，每條壟上設(shè)置3個(gè)2 m×2 m的小樣方。共在4種土地利用類型的表層土壤（0～20 cm）中取樣36個(gè)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤團(tuán)聚體分級

采用濕篩法根據(jù)顆粒直徑（D）將水穩(wěn)性團(tuán)聚體分離成4個(gè)組分：大型宏觀團(tuán)聚體（LMA，D＞2 mm）、小型宏觀團(tuán)聚體（SMA，0.25 mm＜D≤2.00 mm）、微觀團(tuán)聚體（MA，粒徑直徑在0.053 mm＜D≤0.25 mm）及粉粘粒團(tuán)聚體（CAS，D≤0.053 mm）。

1.3.2 土壤SOC化學(xué)分組

通過固體CP-MAS 13C-NMR波譜檢測濕地表層土壤（0～20 cm）有機(jī)碳及團(tuán)聚體相關(guān)SOC的化學(xué)組成，根據(jù)化學(xué)相對位移將土壤SOC官能團(tuán)分為4個(gè)區(qū)域：0 ppm＜δ≤50 ppm為烷基碳，50 ppm＜δ≤110 ppm為烷氧基碳，110 ppm＜δ≤165 ppm為芳香碳，165 ppm＜δ≤190 ppm為羧基碳。每個(gè)C官能團(tuán)由13C核磁共振指定波譜的信號強(qiáng)度積分確定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過MestReNova對固體CP-MAS 13C-NMR波譜進(jìn)行解譜，用Origin 2021進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

不同濕地土地利用類型表層土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成存在一定差異，如圖1所示。在整個(gè)表層土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成中，烷氧基碳的含量在不同濕地土地利用類型中最為豐富，CK和P9的烷氧基碳和芳香碳含量均低于D3和D6，烷基碳在CK和P9土壤中的含量高于D3和D6。羧基碳在各土地利用類型表層土壤中的分布并不明顯。SOC在不同粒徑組分中的化學(xué)組成表現(xiàn)出相似的變化趨勢，如圖2所示。

總體而言，CK和P9表層土壤及其粒徑組分的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/親水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于D3和D6（表1），芳香性（Aromaticity）在4種土地利用類型表層土壤中的含量則表現(xiàn)出相反的變化趨勢。

3 結(jié)論與討論

結(jié)果表明，蘆葦?shù)睾蜅顦淞值乇韺油寥溃?～20 cm）中的烷基碳含量高于3年楊樹采伐跡地和6年楊樹采伐跡地，烷氧基碳的含量則表現(xiàn)出相反的變化趨勢，原因可能在于土壤地表植被類型及凋落物化學(xué)組成的差異影響了輸入土壤中的有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量。1）土地利用方式的變化改變了土壤微生物的生存環(huán)境，影響了SOC的分解速率。2）楊樹清理導(dǎo)致的地表凋落物分解所產(chǎn)生的木質(zhì)素及單寧的累積可能是令楊樹清理后土壤芳香碳含量較高的原因[6]。

3年楊樹采伐跡地和6年楊樹采伐跡地土壤有較低的A/OA值可能是因?yàn)闂顦淝謇斫档土说乇淼蚵湮镏欣w維素和半纖維素的分解速率，減緩了土壤中碳水化合物的分解以及脂肪族化合物的還原[7]。蘆葦?shù)睾蜅顦淞值氐耐寥廊霛B能力較低可能是導(dǎo)致其疏水碳與親水碳的比值（HB/HI）較高的主要原因。較高的脂肪化度可能導(dǎo)致蘆葦?shù)睾蜅顦淞值氐闹咎?芳香碳（Alip/Arom）高于楊樹清理后的土壤。

本研究探討了西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)不同土地利用方式對土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，與楊樹清理后的土壤相比，蘆葦?shù)睾?年楊樹林地?fù)碛懈蟮墓烫紳摿?。蘆葦?shù)睾?年楊樹林地表層土壤的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/親水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于3年楊樹采伐跡地和6年楊樹采伐跡地，表明蘆葦?shù)睾?年楊樹林地表層土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。這些結(jié)果表明西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)中的原生蘆葦?shù)睾?年楊樹林地土壤更有助于SOC的累積。因此，在今后對于洞庭湖生態(tài)恢復(fù)措施的選擇中，不僅要考慮濕地土壤中的碳儲量，還應(yīng)考慮土地利用方式對于SOC穩(wěn)定性的潛在影響。

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（責(zé)任編輯：劉寧寧）