原柏然，吳秀忠，劉 鵬，彭波涌，曾文坤，何木盈，曾慶文，黃云鳳，靖 磊

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南 長沙 410004； 2.水土保持與荒漠化防治湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004； 3.湘西土家族苗族自治州林業(yè)局，湖南 吉首 416000； 4.湖南西洞庭湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，湖南 漢壽 415900)

濕地是土壤碳和氮密度最高的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，僅占5%～8%的地表面積，儲(chǔ)存了陸地土壤20%～30%的碳和氮[1-2]。保持濕地土壤碳(C)庫和氮(N)庫的穩(wěn)定，對(duì)于減緩溫室氣體排放，調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球氣候變化具有極其重要的作用[3]。然而，濕地對(duì)氣候變化及人類活動(dòng)有著高度的敏感性，一些不合理的利用方式，打破了C在濕地土壤和大氣間吸收與釋放的平衡，增加了濕地C的排放[4]，甚至影響了陸地生態(tài)系統(tǒng)的年固碳總量[5]。因此，評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)C庫和N庫的影響已經(jīng)成為了過去幾十年來生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

我國長江中下游地區(qū)河湖眾多，濕地資源非常豐富[6]。從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，為了減緩河岸侵蝕，預(yù)防血吸蟲病的傳播，在該區(qū)域河湖灘地上營建了以歐美黑楊(Populusdeltoide)為主的護(hù)堤防浪林和抑螺林等防護(hù)林，并取得了顯著的生態(tài)效益[7]。隨著造林面積的增加，特別是開溝整地方式的應(yīng)用，防護(hù)林建設(shè)對(duì)濕地土壤C庫和N庫的影響也受到了持續(xù)關(guān)注[8]。森林擁有巨大的固碳潛力，造林被認(rèn)為是限制CO2排放，緩解氣候變化的最有效途徑之一[9-11]，然而這些C主要儲(chǔ)存于森林中生長迅速的地上部分，造林后土壤C和N的含量變化卻表現(xiàn)出不確定性，而這種不確定性與造林前的土地類型和整地方式密切相關(guān)[12-13]。對(duì)濕地而言，一些研究認(rèn)為，開溝排水造林導(dǎo)致了濕地泥炭層的流失，進(jìn)而造成了土壤C的損失[14]，另一些研究則顯示，快速生長的林木可以通過增加根系和凋落物的產(chǎn)量來補(bǔ)償和促進(jìn)排水后濕地土壤C的積累[15-17]。相似的，不開溝造林后，濕地土壤C的變化規(guī)律也并未表現(xiàn)出一致性[18-19]。因此，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”背景下，闡明長江灘地防護(hù)林建設(shè)對(duì)長江中下游河湖濕地土壤C庫和N庫的影響是亟待解決的關(guān)鍵問題。

本研究以長江中下游地區(qū)的洞庭湖灘地防護(hù)林為研究對(duì)象，對(duì)開溝和不開溝兩種整地方式下濕地土壤C和N含量及密度的變化特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行分析，以期能夠?yàn)殚L江中下游灘地防護(hù)林的經(jīng)營管理，以及評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)長江灘地土壤C庫和N庫的影響提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

西洞庭湖位于長江中下游、湖南省漢壽縣境內(nèi)，承接長江松滋、太平兩口，及沅、澧二水入湖，湖水自西向東依次流經(jīng)南洞庭湖和東洞庭湖，并從城陵磯重新匯入長江。該區(qū)域?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季和冬季的平均溫度分別為28 ℃和6.7 ℃，年平均降雨量為1 400 mm。每年5—8月為洪水季，屆時(shí)湖區(qū)大部分洲灘被洪水淹沒。試驗(yàn)地位于西洞庭湖牛屎洲(113°00′09″E,28°07′44″N)，屬沅水入湖區(qū)域，高程介于30～31 m之間，防護(hù)林營建前全洲均為蘆葦?shù)?。該洲從南到北依次分布有開溝造林灘地楊樹林地、不開溝造林灘地楊樹林地和蘆葦?shù)兀渲虚_溝造林時(shí)間為2009年秋季，壟高1.8～2.0 m，壟寬2.0～2.5 m；不開溝造林位于洲中部，于2012年秋造林，初始造林密度約為660株·hm-2。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

2012—2020年，對(duì)開溝楊樹防護(hù)林林齡為3年、6年和8年，不開溝楊樹防護(hù)林林齡為0年(對(duì)照蘆葦?shù)?、3年和8年林地土壤進(jìn)行采樣。

在開溝楊樹防護(hù)林樣地彼此不相連的6條壟上，以及不開溝造林樣地和對(duì)照蘆葦樣地中，隨機(jī)設(shè)置6個(gè)2 m×2 m的樣方，其中不開溝造林樣地和蘆葦?shù)貥臃奖舜碎g隔15 m。在樣方內(nèi)按對(duì)角線法3次采集0～30 cm，30～60 cm和60～100 cm土樣，取土深度能夠完全覆蓋抬壟高度，并在去除植物根系及雜質(zhì)后將同層充分混合；之后采用體積為100 cm3環(huán)刀按10 cm間隔取10層原位土樣?；旌贤翗咏?jīng)自然風(fēng)干后，平均分成2等份(每份不少于500 g)，一份用于測定土壤機(jī)械組成和pH值，一份用于測定SOC和TN含量和密度。

2.2 指標(biāo)測定

采用激光粒度儀(Bettersize2000E)測定土壤機(jī)械組成，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為粘粒(Clay)<2 μm，粉粒(Silt)2～20 μm，砂粒(Sand)>20 μm；采用pH計(jì)(FE20)在土水比為1∶2.5的比例下測定土壤pH值；采用環(huán)刀法測定土壤容重(Bulk density，BD)和含水率(Soil water content，SWC)；分別采用重鉻酸鉀-硫酸鹽比色法和凱氏定氮法測定SOC和TN[20-21]。土壤有機(jī)碳密度(Soil Organic Carbon Density，SOCD)和全氮密度 (Total Nitrogen Density，TND)分別采用以下公式計(jì)算[22]：

SOCDi=SOCi×BDi×Ei×(1-Gi)÷100

(1)

TNDi=TNi×BDi×Ei×(1-Gi)÷100

(2)

式(1)(2)中:SOCDi和TNDi分別是第i層土壤的有機(jī)碳密度和全氮密度；SOCi和TNi分別是第i層土壤的有機(jī)碳含量和全氮含量;BDi是第i層土壤的容重；Ei是第i層土壤的厚度；Gi是第i層土壤>2 mm礫石含量。由于湖區(qū)土壤多為湖積土，土壤礫石含量較低，因此本研究中的Gi值取0。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)兩種整地方式下灘地防護(hù)林SOC、SOCD、TN和TND的變化進(jìn)行單因素方差分析和鄧肯檢驗(yàn)(顯著水平設(shè)置為0.05)，并采用皮爾遜相關(guān)指數(shù)對(duì)其與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。所有分析均在R4.0.1軟件中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤環(huán)境變量

在不開溝防護(hù)林樣地中，土壤pH值的變化范圍在6.22～6.90之間，在樣地內(nèi)隨土層增加而增大，在樣地間隨林齡增加而增大；BD的變化范圍在1.22～1.33 g·cm-3之間，在樣地內(nèi)隨土層增加而降低,在樣地間則隨林齡增大而增加；土壤含水率變化范圍在21.91%～28.47%之間，在CK樣地內(nèi)隨土層變化不顯著，在3年和8年樣地內(nèi)表現(xiàn)為60～100 cm含量顯著高于0～30 cm和30～60 cm，而在樣地間則隨林齡增大而降低；土壤粘粒、粉粒和砂粒的變化范圍分別為7.35%～10.26%、41.72%～48.85%和41.60%～49.82%,粘粒含量隨土層增加而降低，粉粒和砂粒含量則無統(tǒng)一趨勢(見表1)。

在開溝防護(hù)林樣地中，土壤pH值的變化范圍在7.10～7.38之間，但在樣地內(nèi)和樣地間差異均不顯著；BD的變化范圍在1.22～1.36 g·cm-3之間，在樣地內(nèi)30～60 cm土層BD最大(除8年防護(hù)林外)，其次為60～100 cm土層，0～30 cm土層最小，而在樣地間，差異不顯著；土壤含水率變化范圍在19.38%～23.66%之間，在樣地內(nèi)均隨土層增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而在樣地間則呈現(xiàn)隨林齡增大而增加的趨勢，但差異均不顯著；土壤粘粒、粉粒和砂粒的變化范圍分別在5.48%～8.26%、43.72%～47.37%和44.68%～50.81%之間，粘粒含量隨土層先減少后增加，而粉粒和砂粒含量則無統(tǒng)一趨勢(見表1)。

3.2 SOC、TN、C:N、SOCD和TND變化

在不開溝造林樣地中，SOC和TN含量分別在6.58～16.14 g·kg-1和0.77～1.84 g·kg-1之間，在樣地內(nèi)均隨土層加深而顯著降低，在樣地間則隨林齡增加先減少后增加，且除60～100 cm土層SOC含量外，均有顯著差異；C∶N的變化范圍在8.65～9.84之間，在樣地內(nèi)差異不顯著，但在0～30 cm土層則隨林齡增加而增大，其中3年林齡和8年林齡樣地顯著高于CK樣地；SOCD在3.26～5.89 kg·m-2之間，TND在0.36～0.67 kg·m-2之間，二者變化規(guī)律與不開溝造林樣地SOC和TN相似，但樣地內(nèi)30～60 cm和60～100 cm土層差異不顯著(見圖1)。

表1 兩種整地方式下防護(hù)林土壤理化性質(zhì)特征Tab.1 Characteristicsofsoilphysiochemicalpropertiesofshelterforestundertwodifferentsitepreparations理化性質(zhì)不開溝開溝CK3年林齡8年林齡3年林齡6年林齡8年林齡pH值6.22±0.03Bb6.24±0.02Bc6.8±0.04Aa7.39±0.03Aa7.31±0.03ABa7.28±0.02Ba容重/(g·cm-3)1.22±0.01Ab1.2±0.02ABb1.14±0.02Bb1.22±0.02Aa1.29±0.02Aa1.27±0.02Ab含水率/%28.47±0.33Aa22.2±0.53Bb21.91±0.55Bb22.51±0.67Aa20.81±0.68ABa19.77±0.71Ba0～30cm土層粘粒含量/%10.64±0.29Aa9.89±0.5Aa9.82±0.76Aa6.84±0.29Aa6.8±0.47Aa6.18±0.44Aa粉粒含量/%47.76±0.50CAa44.29±0.75Aab41.72±0.78Aa46.97±1.28Aa43.74±0.82Bab44.4±0.73Ca砂粒含量/%41.6±0.28Aa45.82±0.8Bb48.46±0.68Aa46.19±1.3Ca49.47±0.52Ba49.42±0.72AabpH值6.36±0.02Ba6.4±0.03Bb6.83±0.03Aa7.18±0.03Ab7.21±0.02Ab7.17±0.02Ab容重/(g·cm-3)1.3±0.01Aa1.25±0.02ABab1.22±0.03Bb1.27±0.02Ba1.35±0.01Aa1.31±0.02Abab含水率/%27.45±0.3Aa22.93±0.41Bb23.16±0.48Bb23.89±0.88Aa21.1±0.62Aba20.43±0.87Ba30～60cm土層粘粒含量/%9.52±0.55Aa8.58±0.45Aab7.99±0.43Aa6.67±0.42Aa6.19±0.39Aab5.48±0.41Aa粉粒含量/%48.85±1.16Aa42.62±0.69Bb42.2±0.84Aa47.37±0.86Aa44.62±0.69Bb43.72±0.67Ba砂粒含量/%41.64±1.33Aa48.8±0.53Aa49.82±0.9Aa45.96±0.59Ba49.19±0.86Aab50.81±0.69AapH值6.41±0.03Ca6.53±0.02Ba6.9±0.03Aa7.13±0.02Ab7.1±0.02Ac7.13±0.02Ab容重/(g·cm-3)1.33±0.02Aa1.32±0.02Aa1.3±0.02Aa1.24±0.01Ba1.31±0.03Aba1.37±0.04Aa含水率/%27.47±0.35Aa25.71±0.29Ba25.6±0.41Ba24.12±0.55Aa22.3±0.97Aa21.76±0.86Aa60～100cm土層粘粒含量/%7.56±0.39Ab7.35±0.27Ab7.71±0.52Aa8.07±0.42Ab8.26±0.49Ab7.15±0.41Aa粉粒含量/%48.03±1.02Aa46.19±0.93ABa44.37±0.82Aa47.25±0.73Aa45.68±1.00ABa44.96±1.005Ba砂粒含量/%44.41±0.82Aa46.46±0.91ABab47.93±0.68Aa44.68±0.6Ba46.06±0.97ABab47.9±0.74Ab 注:不同大寫字母代表不同樣地類型相同土層之間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母代表相同樣地不同土層之間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖1 不開溝樣地土壤有機(jī)碳和全氮含量及密度變化

續(xù)圖1 不開溝樣地土壤有機(jī)碳和全氮含量及密度變化

在開溝樣地中，SOC含量在8.67～11.69 g·kg-1之間，TN含量在0.98～1.22 g·kg-1之間，3年林齡樣地SOC和TN含量均隨土層的增加而增加，且30～60 cm和60～100 cm土層的SOC含量顯著高于0～30 cm，而在6年林齡和8年林齡樣地中，SOC和TN含量均隨土層的增加而降低，且表層0～30 cm含量顯著高于30～60 cm和60～100 cm土層，但在后兩者之間沒有顯著差異;C∶N的變化范圍在8.85～9.91之間，在樣地內(nèi)差異不顯著，但在樣地間則隨林齡增加而增大，且6年林齡和8年林齡顯著高于3年林齡樣地，但兩者之間沒有顯著差異；SOCD在3.02～5.28 kg·m-2之間，TND在0.34～0.55 kg·m-2之間，二者在0～30cm土層變化規(guī)律與開溝造林樣地SOC和TN相同，而在60～100 cm土層則相反(見圖2)。

圖2 開溝樣地土壤有機(jī)碳和全氮含量及密度變化

3.3 SOC、SOCD、TN、TND和C∶N與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

在不開溝樣地中，SOC和TN含量與土壤pH值、BD顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與粘粒顯著正相關(guān)(P<0.05)；C∶N與土壤pH和砂粒呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而與BD和SWC顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；SOCD與SWC和粘粒顯著正相關(guān)(P<0.05)，與土壤pH值、BD和砂粒顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；而TND與SWC、粘粒和砂粒顯著正相關(guān)(P<0.05)，與土壤pH值和砂粒顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05，見表2)。

在開溝樣地中，僅有TND與土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與SWC顯著正相關(guān)(P<0.05)，其他指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)關(guān)系不顯著(見表3)。

方差分析表明：整地方式顯著影響SOC和TN含量，但對(duì)C∶N、SOCD和TND影響不顯著(見表4)。

表3 開溝樣地SOC,TN,C∶N,SOCD和TND與環(huán)境因素的相關(guān)性系數(shù)Tab.3 PearsonrelationsbetweenSOC,TN,C/N,SOCD,TNDandsoilphysiochemicalpropertiesinpoplarplantationsiteswithbeddingpH值BDSWC粘粒粉粒砂粒SOC0.1345-0.162-0.02620.0337-0.15180.1215TN0.2063-0.17480.0776-0.07550.02120.0164C∶N-0.14190.0345-0.12980.1925-0.24770.1334SOCD-0.44810.21310.20010.429-0.0429-0.1632TND-0.4072??0.22480.2898?0.3460.0892-0.2437

表4 整地方式對(duì)SOC、TN、C∶N、SOCD和TND影響的單因素方差分析Tab.4 FandPvaluesofsitepreparationsonSOC,TN,C/N,SOCD,andTND因素SOCTNC∶NSOCDTND整地方式F=4.612F=7.351F=3.788F=1.008F=3.783P=0.034P=0.00782P=0.0543P=0.318P=0.0544

4 結(jié)論與討論

濕地是脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，任何濕地利用形式都有可能對(duì)濕地土壤生態(tài)系統(tǒng)造成影響[4]。在不開溝樣地中，兩個(gè)林齡的SOC和TN含量都顯著低于對(duì)照的蘆葦?shù)?，說明灘地防護(hù)林的營建在短時(shí)間尺度上對(duì)土壤C庫和N庫具有負(fù)影響，這與李有志等的研究結(jié)果一致[19]。整地過程中的土壤擾動(dòng)，凋落物組成及生物量的改變，以及土壤理化性質(zhì)，如pH值、SWC、BD和粘粉粒含量等的變化都與SOC和TN含量顯著相關(guān)[19，23]。此外，8年林齡樣地SOC和TN含量都顯著高于3年林齡樣地，表明隨著林齡的增大，不開溝造林的SOC和TN含量有增加的趨勢，但這一結(jié)論還需要更長時(shí)間的監(jiān)測進(jìn)行驗(yàn)證。在開溝造林樣地中，0～30 cm土層SOC和TN呈先增大后減小的趨勢，說明在3～6年林齡之間，SOC和TN是累積的過程，這主要是由于該層土壤為開溝前的深層土壤，SOC和TN含量相對(duì)較少，快速生長的楊樹人工林造成了大量易分解的活性有機(jī)質(zhì)的輸入[24]。而6～8年林齡則是SOC和TN的損失過程，這可能是由于在SOC積累到一定程度之后，過多的活性有機(jī)質(zhì)的輸入引起了土壤碳庫正向的激發(fā)效應(yīng)[25]。同時(shí)，深層土壤SOC和TN含量隨林齡增大而持續(xù)減少，之前的研究也發(fā)現(xiàn)，開溝6—13年之后的SOC和TN含量持續(xù)降低[8]，這些結(jié)果均說明開溝方式不利于土壤C和N的積累。一方面，開溝對(duì)土壤的擾動(dòng)大，較深的翻動(dòng)增加了土壤的通氣性和滲透性[26]；另一方面，開溝提升了樹壟的高程，降低了其淹水時(shí)長，縮短了土壤的厭氧周期[27]；作為速生樹種，楊樹的快速生長伴隨著高蒸騰作用和高耗水過程，這種效應(yīng)隨著林齡的增大而增強(qiáng)，因而，在洞庭湖周期性退水過程中，楊樹的生長加速了土壤含水率的下降，使得微生物的水分脅迫提前解除[28]。這些因素共同形成了有利于好氧細(xì)菌的生長環(huán)境，從而提升了有機(jī)質(zhì)的微生物分解能力，以及土壤N的礦化速率[29]。此外，我們發(fā)現(xiàn)SOC、SOCD、TN和TND與環(huán)境因子之間的相關(guān)性在開溝樣地中并不顯著(見表3)，在不開溝樣地中則表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性(見表2)，證明了整地方式是導(dǎo)致開溝樣地SOC和TN含量變化的最主要因素(見表4)，并且進(jìn)一步驗(yàn)證了開溝造林的影響從低齡林到中高齡林一直存在[8]。

以上結(jié)果表明，不論何種整地方式，灘地防護(hù)林的營建在研究期內(nèi)都降低了洲灘濕地土壤SOC和TN的含量和密度。因此，我們從維持土壤C庫和N庫穩(wěn)定性的角度建議，應(yīng)合理確定長江中下游灘地防護(hù)林的規(guī)模，不宜在相對(duì)高程較低的區(qū)域采用開溝方式營建防護(hù)林。