不同林龄杨梅人工林土壤有机碳及其分子结构的变化

王 增,刘海英,蒋仲龙,彭健健,姚任图,吴家森,张 勇*

1.浙江省公益林和国有林场管理总站,浙江 杭州 310020

2.浙江农林大学 环境与资源学院,浙江 杭州 311300

2020 年中央经济工作会议提出要“做好碳达峰、碳中和，开展大规模国土绿化行动，提升生态系统的碳汇功能”的要求。森林生态系统在调节全球碳平衡、减缓温室效应等方面具有不可替代的作用[1]。当前关于森林土壤有机碳的研究大多集中在总有机碳及其活性成分的变化、土壤呼吸与矿化特征、微生物和酶生化影响因素等方面[2-5]。土壤有机碳的分子结构性质则被认为是预测土壤碳循环的重要标准[6]，根据分子结构不同，可将土壤有机碳分为性质不同的碳组分，其含量及变化不仅决定有机碳的质量、功能和稳定性，还影响着土壤肥力状况[7,8]。

13C 核磁共振技术(NMR)作为研究复杂化合物组成、状态和结构特征的重要工具[9]，已被用于土壤有机碳结构和稳定性研究[10,11]，其优势是能在固态土壤下直接探测到有机碳不同碳官能团组分的信号，核磁共振波谱可以清晰表明不同碳组分的相对分布，并根据波谱各峰高度的积分求得对应碳组分在有机碳中所占比例（相对信号强度）[12-14]，在土壤有机碳分子结构稳定性的研究中发挥重要的作用。

杨梅已成为浙江省最具特色优势、种植经济效益较高的优质农产品，2019 年全省杨梅种植面积达8.8.8 万hm2，产量为61.84 万t，面积和产量位居全国首位。但杨梅在经营过程中施肥、除草、修剪等人为活动强烈，造成土壤有机碳流失，影响了杨梅人工林固碳能力及其它生态功能的发挥，且一旦经营不当，甚至可能成为碳净排放源。本文以不同林龄杨梅人工林为对象，在分析土壤有机碳及水溶性有机碳质量分数的基础上，利用核磁共振技术，进一步研究土壤有机碳分子结构特征，揭示有机碳累积、分子结构及稳定性变化规律与林龄的关系，为全面提升杨梅人工林土壤固碳减排能力提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省仙居县福应街道，2001 年被国家林业局命名为“中国杨梅之乡”，地理位置（N 28°25′～28°52′，E 120°23′～120°42′），海拔140～230 m，属中亚热带季风气候，年均气温为18.3 ℃，最热的7 月平均气温28.5 ℃，最冷的1 月平均气温为5.6 ℃，无霜期240 d 左右，历年平均降水量为2000 mm，年日照时数为1786.2 h，母岩为花岗岩，土壤为红壤。

1.2 实验设计与采样

2017年8月，根据森林经营档案和全面踏查的基础上，在同一小流域内选取3、9、14、21年的杨梅人工林（中心位置N 28°46′9"，E 120°31′18"），分别建立20 m×10 m的样地各4个，共16个。均由马尾松改造而来，海拔140～230 m，西北坡。

对样地内的杨梅地径、树高、冠幅进行全面调查。在各样地中，按“S”型布点，分别采集3个0～10 cm、10～30 cm土样，将其分别混合，然后采用四分法分取样品1 kg左右。采集后带回实验室，去除石块和植物根系等杂物，过2 mm筛后混匀，一部分鲜样用于土壤水溶性有机碳的测定，另一部分置于室内自然风干后用于土壤有机碳测定。杨梅人工林基本特征和土壤基本化学性质如表1所示。

表1 不同林龄杨梅人工林的基本情况Table 1 Basic situation of Myrica rubra plantation of different ages

1.3 样品测定

1.3.1 土壤有机碳质量分数（含量）测定 采用ElementarVario MAX CN 碳氮元素分析仪（德国Elementar 公司）测定土壤有机碳。

1.3.2 土壤水溶性有机碳质量分数测定 采用25 ℃蒸馏水浸提，振荡浸提时间30 min，水土质量比为2:1，过0.45 μm 的滤膜抽滤后，在岛津TOC-VcpH 有机碳分析仪上测定水溶性有机碳。

1.3.3 核磁共振波谱分析 在进行核磁共振波谱分析前，先对0～10 cm 土壤样品进行HF 预处理，以去除土壤中Fe3+和Mn2+的影响，提高仪器分析的信噪比，进而提高分析效率。HF 预处理方法见文献[15]。HF 预处理过的样品采用核磁共振波谱仪(AVANCE II 300MH，布鲁克公司，瑞士)测定有机碳中各碳组分的分布。测试参数：光谱频率75.5 MHz、旋转频率5000 Hz、接触时间2 ms、循环延迟时间2.5 s。

2 结果与分析

2.1 杨梅人工林土壤有机碳质量分数的变化

由图1可见，随着林龄增大，杨梅人工林土壤有机碳质量分数先显著下降而后略有升高。3年生、9年生、14年生、21年生杨梅人工林0～10 cm土层有机碳质量分数分别为24.12、13.98、16.71、16.81 g/kg，其中3年生显著高于其他林龄（P＜0.05）；10～30 cm土层土壤有机碳质量分数分别为21.32、13.61、14.96、15.83 g/kg，其中3年生显著高于其它林龄（P＜0.05）。同一林龄土壤有机碳质量分数总体表现为0～10 cm土层高于10～30 cm。

图1 不同林龄杨梅人工林土壤有机碳质量分数Fig1 Soil organic carbon mass fractions of Myrica rubra plantation of different ages

2.2 杨梅人工林土壤水溶性有机碳的变化

由图2 可见，土壤水溶性有机碳质量分数的变化规律与总有机碳相似。0～10 cm 土层水溶性有机碳质量分数大小排序为3 年生＞21 年生＞14 年生＞9 年生，其中3 年生显著高于其它林龄，21 年生显著高于9 年生（P＜0.05）；10～30 cm 土层水溶性有机碳质量分数分别为159.86、72.14、89.20、106.89 mg/kg，其中3 年生显著高于其它林龄（P＜0.05）。同一林龄杨梅人工林10～30 cm 土层水溶性有机碳质量分数均显著低于0～10 cm 土层。

图2 不同林龄杨梅人工林土壤水溶性有机碳质量分数Fig.2 Water soluble organic carbon mass fractions of Myrica rubra plantation of different ages

2.3 杨梅人工林土壤有机碳分子结构的变化

由图3 所示，4 个林龄杨梅人工林土壤有机碳核磁共振波谱划分为4 个共振区（碳组分区）：烷基C 区(0～50 ppm)，主要来自植物生物聚合物（如角质、木栓质、蜡质）和微生物代谢产物；烷氧C 区(50～110 ppm)，主要来自碳水化合物（纤维素、半纤维素等）；芳香C 区(110～160 ppm)，主要来自木质素和不饱和烯烃等；羰基C 区(160～220 ppm)，主要来自脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯等[16]。

图3 杨梅人工林土壤有机碳的固态13C 核磁共振波谱Fig.3 13C NMR spectra of soil organic carbon of Myrica rubra plantation

不同林龄杨梅人工林土壤有机碳中各碳组分所占总有机碳的比例如表2 所示。土壤有机碳各组分的高低在各林龄之间基本均呈现烷氧C＞烷基C＞芳香C＞羰基C，其中烷氧C 占比在50%左右，烷基C 和芳香C 之间差别不大，羰基C 最低，均在10%以下。土壤烷氧C 随林龄增大呈现逐渐降低趋势，从3 年生到21 年生降低了5.79%；芳香C 随林龄增大呈现逐渐升高趋势，从3 年生到21 年生升高了3.98%；烷基C 在各林龄之间变化不大；羰基C 未呈现一定的规律性。烷基C/烷氧C、疏水C/亲水C、芳香度随林龄增大均呈逐渐升高趋势，从3 年生到21 年生分别升高了0.06、0.14 和4.67；而脂族C/芳香C 随林龄增大均呈逐渐降低趋势，从3 年生到21 年生降低了0.87。

表2 不同林龄杨梅人工林土壤有机碳组分占总有机碳的比例Table 2 The proportions of different organic carbon groups in the total soil organic of Myrica rubra plantation of different ages

3 结论与讨论

3.1 林龄对杨梅人工林土壤有机碳质量分数的影响

土壤有机碳是土壤内生物残体及其转化、降解的有机化合物，其受多种因素影响[17]。土壤有机碳质量分数是土壤质量与土壤可持续能力的重要表征[18]。随杨梅林龄增长，研究区土壤有机碳质量分数呈先降低后略有增加趋势。初期马尾松改造为杨梅林后，3年生（产前期）杨梅土壤表层遗留的凋落物还较多，腐殖质层也较厚，土壤有机碳质量分数较高；在3年至9年的杨梅初产期，由于实施高强度的整地经营措施，使部分土壤有机碳流失。马祥庆等[19]研究发现，整地是水土流失的重要因素，进而导致土壤养分及有机碳含量下降。同时杨梅苗较小，输入地表的凋落物（碳源）较少，且林分尚未郁闭，开放高热的环境使土壤微生物活动加剧，进一步加速土壤有机碳的分解[20]。随着林龄增大，杨梅林郁闭度和林下植被盖度日趋增大，林内水热条件持续向好，地表凋落物和木质残体逐渐累积，微生物活动加速凋落物分解和有机碳合成，这些因素都使土壤有机碳质量分数不断增加。此外，盛产期的杨梅经营管理过程中的大量施用有机肥也是一个重要因素。杨梅人工林生长过程中，生态系统内的生物、环境、人为因素在不断变化，土壤有机碳也将处于不断分解与形成的动态过程，进而影响了土壤有机碳质量分数的高低。不同林龄土壤有机碳质量分数均随土层增加略有降低，主要是凋落物直接归还到土壤表层，但土壤有机碳表聚现象不明显。

3.2 林龄对杨梅人工林土壤水溶性有机碳质量分数的影响

分析评价土壤有机碳的动态循环往往需要更加敏感的指标。土壤水溶性有机碳是土壤活性有机碳的重要组分和土壤微生物的主要利用能源，其含量和性质能够反映土壤有机碳稳定性及环境条件的变化，对保持土壤肥力和土壤碳库平衡具有重要意义[21]。杨梅人工林土壤水溶性有机碳质量分数变化规律同土壤有机碳基本保持一致，均表现出先降低后略有升高的趋势，3年生最高，而9年生最低。胡尧等[22]研究表明，土壤水溶性有机碳与总有机碳成极显著正相关，两者相互影响，密切相关。水溶性有机碳实质是有机碳中分子量较小且亲水性较强的组分，其变化取决于有机碳特别是腐殖质含量的高低[23]。初期较高的有机碳使水溶性有机碳质量分数也较高；随着杨梅生长过程中有机碳不断被酶、微生物等分解吸收，而9年生杨梅人工林生态系统此时碳补给能力还不足，导致水溶性有机碳下降明显；随着杨梅不断生长郁闭，其根系分泌物和凋落物增加了有机碳输入，从而带动了水溶性有机碳逐渐增加。不同林龄土壤水溶性有机碳质量分数均随土层增加显著降低，表聚现象明显，这与土壤水溶性有机碳主要来源于凋落物和根系分泌物等有关[24]。

3.3 林龄对杨梅人工林土壤有机碳分子结构和稳定性的影响

烷基C 是顽固性高、抗分解的有机碳，烷氧C 是最不稳定、最容易分解的有机碳，芳香C 则与有机碳的稳定性呈正相关，而羰基C 也很容易被氧化分解[25,26]。通常用烷基C/烷氧C 表征有机碳的分解程度，该值愈大，表明有机碳稳定性愈好[27,28]。疏水C/亲水C 代表难分解碳与易分解碳含量的比值，通常能够反映有机碳疏水程度的大小，也与土壤有机碳稳定性密切相关，该值越大，土壤有机碳稳定性也越好[29,30]。因此，本研究采用烷基C/烷氧C 和疏水C/亲水C 共同表征土壤有机碳的稳定程度。脂族C/芳香C 可以用来反映有机碳分子结构的复杂程度，该值越大，表明有机碳芳香核结构越少、脂肪族侧链越多、缩合程度越低、分子结构越简单。芳香度也可反映有机碳分子结构的复杂程度，其值越大，表明芳香核结构越多、分子结构越复杂[16]。目前，对土壤有机碳4 种碳组分比例的研究结果差异很大，有研究表明，烷氧C 最高[8]；而有研究则认为烷基C 最高[31,32]。商素云等[16]认为，各碳组分高低变化可能与植被类型、土壤母质、气候特征以及经营方式等因素有关。本研究中烷氧C 最高，即研究区土壤有机物中约半数为纤维素、半纤维素类物质。

对比不同林龄杨梅人工林土壤有机碳分子结构发现，随着林龄增大，烷氧C逐渐降低，芳香C逐渐增加，烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C越大，均表明杨梅土壤中难分解有机碳比例相对增加，随着杨梅经营历史的延长，土壤有机碳稳定性增强。究其原因，凋落物残体的大量输入，提高了土壤微生物对土壤中活性有机碳的利用程度，大量烷氧C被吸收利用，导致烷基C/烷氧C比值增加，提高了土壤有机碳的稳定性[33]。李国栋等[34]研究表明，对比1 a、5 a和15 a种植年限下雷竹林，15 a雷竹土壤有机碳中芳香C含量是有一定的增加，芳香度也明显增大，说明大量输入土壤有机碳被加速固定，稳定性增强。随着林龄增大，脂族C/芳香C逐渐降低，而芳香度则呈升高趋势，这说明土壤中有机碳芳香核结构越多、脂肪族侧链越少、缩合程度越高，分子结构越复杂。国内外不少学者认为土壤有机碳组分构成及其稳定性与外源输入碳数量和质量（化学结构）密切相关[6]。在杨梅人工林经营过程中，烷氧C（易降解组分）会快速分解进入土壤中，而芳香C（难降解组分）则会选择性保留，最终影响土壤有机碳的分子结构，导致稳定性逐渐增强[36]。