陈冠宇 靖磊
摘 要 土壤有机碳（SOC）是湿地生态系统碳循环中的重要组成部分，其受人为活动的影响较大。目前，有关SOC的研究多集中于各个SOC组分含量的变化上，而利用13C核磁共振波谱技术反映SOC变化特征的研究较少。为了探究杨树人工林种植与清理对土壤化学结构稳定性的影响，选取西洞庭湖自然保护区芦苇地（CK）、9年杨树林地（P9）、3年杨树采伐迹地（D3）和6年杨树采伐迹地（D6）4种土地利用类型的表层土壤（0～20 cm），通过固态13C核磁共振技术对土壤有机碳的化学组成进行分析。结果表明，1）CK和P9中的烷基碳含量高于D3和D6，烷氧基碳则表现出相反的变化趋势；
2）CK和P9的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/亲水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于D3和D6。可见，芦苇地和杨树林地土壤拥有更高的固碳潜力，今后在洞庭湖生态恢复措施的选择中，不仅要考虑湿地土壤的碳储量，还应考虑土地利用方式对SOC稳定性的潜在影响。
关键词 土壤有机碳（SOC）；
稳定性；
变化特征；
13C核磁共振（NMR）；
西洞庭湖自然保护区
中图分类号：S714.2；
S151.9 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.06.079
湿地土壤碳库储存着丰富的有机碳，其含量的微小变化不仅会改变土壤中的碳通量，还会影响CO2、CH4等温室气体的排放。土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）的累积很大程度上受人類活动的影响[1]。土地利用方式（开垦、采伐）的转变会导致湿地地表凋落物的输入率和分解率之间存在差异，进而影响湿地土壤有机碳储量[2]。因此，评估人类活动对于湿地土壤碳库的影响对于维持湿地土壤SOC的收支平衡具有重要意义。
SOC的稳定性可能会影响不同土地利用类型下湿地土壤的碳汇，因此提高SOC的稳定性比提高湿地土壤碳储量更重要。通过13C核磁共振技术测定SOC的化学组成，可以对不同土地利用方式下土壤化学结构进行定量和定性分析。以往的研究表明，土壤官能团的动态变化会影响土壤碳库的稳定性[3]。一般来说，在SOC的化学组成中，烷氧基碳最不稳定，极易被微生物分解，而烷基碳的抗分解的能力较强。因此，烷基碳与烷氧基碳的比值常被用来反映土壤有机碳的抗分解能力[4]。芳香碳相对含量的提高会增加土壤有机碳的分解难度[5]。此外，稳定的团聚体可以保护土壤有机碳免受微生物的分解。故研究不同粒径组分团聚体相关有机碳的化学组成，有助于进一步了解土壤有机碳的变化特征。目前已知的有关土壤化学结构变化的研究多集中在森林、草地、农田等陆地生态系统，对于季节性湖泊湿地的研究较少。
洞庭湖是我国第二大淡水湖，也是长江流域仅有的2个大型通江湖泊之一，在维持区域生态平衡、保护生物多样性等方面发挥着重要作用。近年来，由于人类活动和土地利用方式的改变，洞庭湖湿地生境严重退化。为缓解因栽植黑杨而导致的土壤容重增加、生态景观破碎等问题，湖南省人民政府于2017年对洞庭湖实行生态退杨。截至2022年底，湖区内的黑杨已被全部清理，湿地处于自然恢复的过程。此次以西洞庭湖自然保护区为研究对象，通过分析4种土地利用类型下土壤有机碳及其团聚体相关有机碳的化学组成和相关系数，探讨了杨树人工林种植与清理对于湿地SOC稳定性的影响。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地位于湖南省汉寿县西洞庭湖自然保护区，地理位置为东经111°57′～112°17′，北纬28°47′～29°07′，该区地势平坦，属于典型的亚热带季风气候。湖区的面积和水位随季节性降雨的变化而变化，表现为雨季（5—10月）和旱季（11月至翌年4月），年平均气温17 ℃，年平均降水量1 331 mm。
1.2 野外调查和土壤样品采集
2020年12月，在湖南省汉寿县西洞庭湖自然保护区进行样品采集，选取4块具有相同立地条件和高程的地块作为试验样地，分别为芦苇地（CK）、9年杨树林地（P9）、3年杨树采伐迹地（D3）和6年杨树采伐迹地（D6），样地中所有黑杨采伐前的林龄均为9～10年。在芦苇地中随机设置3个相邻的30 m×20 m大样方，每个大样方沿对角线设置3个小样方。在杨树林地和杨树采伐迹地中选取3条平行但不相邻的垄进行取样，相邻的垄相距6～8 m，每条垄上设置3个2 m×2 m的小样方。共在4种土地利用类型的表层土壤（0～20 cm）中取样36个。
1.3 试验方法
1.3.1 土壤团聚体分级
采用湿筛法根据颗粒直径（D）将水稳性团聚体分离成4个组分：大型宏观团聚体（LMA，D＞2 mm）、小型宏观团聚体（SMA，0.25 mm＜D≤2.00 mm）、微观团聚体（MA，粒径直径在0.053 mm＜D≤0.25 mm）及粉粘粒团聚体（CAS，D≤0.053 mm）。
1.3.2 土壤SOC化学分组
通过固体CP-MAS 13C-NMR波谱检测湿地表层土壤（0～20 cm）有机碳及团聚体相关SOC的化学组成，根据化学相对位移将土壤SOC官能团分为4个区域：0 ppm＜δ≤50 ppm为烷基碳，50 ppm＜δ≤110 ppm为烷氧基碳，110 ppm＜δ≤165 ppm为芳香碳，165 ppm＜δ≤190 ppm为羧基碳。每个C官能团由13C核磁共振指定波谱的信号强度积分确定。
1.4 数据分析
通过MestReNova对固体CP-MAS 13C-NMR波谱进行解谱，用Origin 2021进行绘图。
2 结果与分析
不同湿地土地利用类型表层土壤有机碳的化学组成存在一定差异，如图1所示。在整个表层土壤有机碳的化学组成中，烷氧基碳的含量在不同湿地土地利用类型中最为丰富，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类型表层土壤中的分布并不明显。SOC在不同粒径组分中的化学组成表现出相似的变化趋势，如图2所示。
总体而言，CK和P9表层土壤及其粒径组分的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/亲水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于D3和D6（表1），芳香性（Aromaticity）在4种土地利用类型表层土壤中的含量则表现出相反的变化趋势。
3 结论与讨论
结果表明，芦苇地和杨树林地表层土壤（0～20 cm）中的烷基碳含量高于3年杨树采伐迹地和6年杨树采伐迹地，烷氧基碳的含量则表现出相反的变化趋势，原因可能在于土壤地表植被类型及凋落物化学组成的差异影响了输入土壤中的有机质的质量。1）土地利用方式的变化改变了土壤微生物的生存环境，影响了SOC的分解速率。2）杨树清理导致的地表凋落物分解所产生的木质素及单宁的累积可能是令杨树清理后土壤芳香碳含量较高的原因[6]。
3年杨树采伐迹地和6年杨树采伐迹地土壤有较低的A/OA值可能是因为杨树清理降低了地表凋落物中纤维素和半纤维素的分解速率，减缓了土壤中碳水化合物的分解以及脂肪族化合物的还原[7]。芦苇地和杨树林地的土壤入渗能力较低可能是导致其疏水碳与亲水碳的比值（HB/HI）较高的主要原因。较高的脂肪化度可能导致芦苇地和杨树林地的脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）高于杨树清理后的土壤。
本研究探讨了西洞庭湖自然保护区不同土地利用方式对土壤化学结构稳定性的影响，与杨树清理后的土壤相比，芦苇地和9年杨树林地拥有更大的固碳潜力。芦苇地和9年杨树林地表层土壤的烷基碳/烷氧基碳（A/O-A）、疏水碳/亲水碳（HB/HI）、脂肪碳/芳香碳（Alip/Arom）均高于3年杨树采伐迹地和6年杨树采伐迹地，表明芦苇地和9年杨树林地表层土壤化学结构更稳定。这些结果表明西洞庭湖自然保护区中的原生芦苇地和9年杨树林地土壤更有助于SOC的累积。因此，在今后对于洞庭湖生态恢复措施的选择中，不仅要考虑湿地土壤中的碳储量，还应考虑土地利用方式对于SOC稳定性的潜在影响。
参考文献：
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（責任编辑：刘宁宁）
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