原柏然，吴秀忠，刘 鹏，彭波涌，曾文坤，何木盈，曾庆文，黄云凤，靖 磊

(1.中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004； 2.水土保持与荒漠化防治湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410004； 3.湘西土家族苗族自治州林业局，湖南 吉首 416000； 4.湖南西洞庭湖国家级自然保护区管理局，湖南 汉寿 415900)

湿地是土壤碳和氮密度最高的陆地生态系统之一，仅占5%～8%的地表面积，储存了陆地土壤20%～30%的碳和氮[1-2]。保持湿地土壤碳(C)库和氮(N)库的稳定，对于减缓温室气体排放，调节区域乃至全球气候变化具有极其重要的作用[3]。然而，湿地对气候变化及人类活动有着高度的敏感性，一些不合理的利用方式，打破了C在湿地土壤和大气间吸收与释放的平衡，增加了湿地C的排放[4]，甚至影响了陆地生态系统的年固碳总量[5]。因此，评估人类活动对湿地生态系统C库和N库的影响已经成为了过去几十年来生态学领域的研究热点。

我国长江中下游地区河湖众多，湿地资源非常丰富[6]。从20世纪末到21世纪初，为了减缓河岸侵蚀，预防血吸虫病的传播，在该区域河湖滩地上营建了以欧美黑杨(Populusdeltoide)为主的护堤防浪林和抑螺林等防护林，并取得了显著的生态效益[7]。随着造林面积的增加，特别是开沟整地方式的应用，防护林建设对湿地土壤C库和N库的影响也受到了持续关注[8]。森林拥有巨大的固碳潜力，造林被认为是限制CO2排放，缓解气候变化的最有效途径之一[9-11]，然而这些C主要储存于森林中生长迅速的地上部分，造林后土壤C和N的含量变化却表现出不确定性，而这种不确定性与造林前的土地类型和整地方式密切相关[12-13]。对湿地而言，一些研究认为，开沟排水造林导致了湿地泥炭层的流失，进而造成了土壤C的损失[14]，另一些研究则显示，快速生长的林木可以通过增加根系和凋落物的产量来补偿和促进排水后湿地土壤C的积累[15-17]。相似的，不开沟造林后，湿地土壤C的变化规律也并未表现出一致性[18-19]。因此，在“碳达峰”和“碳中和”背景下，阐明长江滩地防护林建设对长江中下游河湖湿地土壤C库和N库的影响是亟待解决的关键问题。

本研究以长江中下游地区的洞庭湖滩地防护林为研究对象，对开沟和不开沟两种整地方式下湿地土壤C和N含量及密度的变化特征及其与环境因子的关系进行分析，以期能够为长江中下游滩地防护林的经营管理，以及评估人类活动对长江滩地土壤C库和N库的影响提供科学参考。

1 研究区概况

西洞庭湖位于长江中下游、湖南省汉寿县境内，承接长江松滋、太平两口，及沅、澧二水入湖，湖水自西向东依次流经南洞庭湖和东洞庭湖，并从城陵矶重新汇入长江。该区域为典型的亚热带季风气候，夏季和冬季的平均温度分别为28 ℃和6.7 ℃，年平均降雨量为1 400 mm。每年5—8月为洪水季，届时湖区大部分洲滩被洪水淹没。试验地位于西洞庭湖牛屎洲(113°00′09″E,28°07′44″N)，属沅水入湖区域，高程介于30～31 m之间，防护林营建前全洲均为芦苇地。该洲从南到北依次分布有开沟造林滩地杨树林地、不开沟造林滩地杨树林地和芦苇地，其中开沟造林时间为2009年秋季，垄高1.8～2.0 m，垄宽2.0～2.5 m；不开沟造林位于洲中部，于2012年秋造林，初始造林密度约为660株·hm-2。

2 研究方法

2.1 样地设置与样品采集

2012—2020年，对开沟杨树防护林林龄为3年、6年和8年，不开沟杨树防护林林龄为0年(对照芦苇地)、3年和8年林地土壤进行采样。

在开沟杨树防护林样地彼此不相连的6条垄上，以及不开沟造林样地和对照芦苇样地中，随机设置6个2 m×2 m的样方，其中不开沟造林样地和芦苇地样方彼此间隔15 m。在样方内按对角线法3次采集0～30 cm，30～60 cm和60～100 cm土样，取土深度能够完全覆盖抬垄高度，并在去除植物根系及杂质后将同层充分混合；之后采用体积为100 cm3环刀按10 cm间隔取10层原位土样。混合土样经自然风干后，平均分成2等份(每份不少于500 g)，一份用于测定土壤机械组成和pH值，一份用于测定SOC和TN含量和密度。

2.2 指标测定

采用激光粒度仪(Bettersize2000E)测定土壤机械组成，分级标准为粘粒(Clay)<2 μm，粉粒(Silt)2～20 μm，砂粒(Sand)>20 μm；采用pH计(FE20)在土水比为1∶2.5的比例下测定土壤pH值；采用环刀法测定土壤容重(Bulk density，BD)和含水率(Soil water content，SWC)；分别采用重铬酸钾-硫酸盐比色法和凯氏定氮法测定SOC和TN[20-21]。土壤有机碳密度(Soil Organic Carbon Density，SOCD)和全氮密度 (Total Nitrogen Density，TND)分别采用以下公式计算[22]：

SOCDi=SOCi×BDi×Ei×(1-Gi)÷100

(1)

TNDi=TNi×BDi×Ei×(1-Gi)÷100

(2)

式(1)(2)中:SOCDi和TNDi分别是第i层土壤的有机碳密度和全氮密度；SOCi和TNi分别是第i层土壤的有机碳含量和全氮含量;BDi是第i层土壤的容重；Ei是第i层土壤的厚度；Gi是第i层土壤>2 mm砾石含量。由于湖区土壤多为湖积土，土壤砾石含量较低，因此本研究中的Gi值取0。

2.3 数据分析

对两种整地方式下滩地防护林SOC、SOCD、TN和TND的变化进行单因素方差分析和邓肯检验(显著水平设置为0.05)，并采用皮尔逊相关指数对其与环境因子进行相关性分析。所有分析均在R4.0.1软件中进行。

3 结果与分析

3.1 土壤环境变量

在不开沟防护林样地中，土壤pH值的变化范围在6.22～6.90之间，在样地内随土层增加而增大，在样地间随林龄增加而增大；BD的变化范围在1.22～1.33 g·cm-3之间，在样地内随土层增加而降低,在样地间则随林龄增大而增加；土壤含水率变化范围在21.91%～28.47%之间，在CK样地内随土层变化不显著，在3年和8年样地内表现为60～100 cm含量显著高于0～30 cm和30～60 cm，而在样地间则随林龄增大而降低；土壤粘粒、粉粒和砂粒的变化范围分别为7.35%～10.26%、41.72%～48.85%和41.60%～49.82%,粘粒含量随土层增加而降低，粉粒和砂粒含量则无统一趋势(见表1)。

在开沟防护林样地中，土壤pH值的变化范围在7.10～7.38之间，但在样地内和样地间差异均不显著；BD的变化范围在1.22～1.36 g·cm-3之间，在样地内30～60 cm土层BD最大(除8年防护林外)，其次为60～100 cm土层，0～30 cm土层最小，而在样地间，差异不显著；土壤含水率变化范围在19.38%～23.66%之间，在样地内均随土层增加呈现先增加后减少的趋势，而在样地间则呈现随林龄增大而增加的趋势，但差异均不显著；土壤粘粒、粉粒和砂粒的变化范围分别在5.48%～8.26%、43.72%～47.37%和44.68%～50.81%之间，粘粒含量随土层先减少后增加，而粉粒和砂粒含量则无统一趋势(见表1)。

3.2 SOC、TN、C:N、SOCD和TND变化

在不开沟造林样地中，SOC和TN含量分别在6.58～16.14 g·kg-1和0.77～1.84 g·kg-1之间，在样地内均随土层加深而显著降低，在样地间则随林龄增加先减少后增加，且除60～100 cm土层SOC含量外，均有显著差异；C∶N的变化范围在8.65～9.84之间，在样地内差异不显著，但在0～30 cm土层则随林龄增加而增大，其中3年林龄和8年林龄样地显著高于CK样地；SOCD在3.26～5.89 kg·m-2之间，TND在0.36～0.67 kg·m-2之间，二者变化规律与不开沟造林样地SOC和TN相似，但样地内30～60 cm和60～100 cm土层差异不显著(见图1)。

表1 两种整地方式下防护林土壤理化性质特征Tab.1 Characteristicsofsoilphysiochemicalpropertiesofshelterforestundertwodifferentsitepreparations理化性质不开沟开沟CK3年林龄8年林龄3年林龄6年林龄8年林龄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土层粘粒含量/%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土层粘粒含量/%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土层粘粒含量/%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:不同大写字母代表不同样地类型相同土层之间差异显著(P<0.05);不同小写字母代表相同样地不同土层之间差异显著(P<0.05)。下同。

图1 不开沟样地土壤有机碳和全氮含量及密度变化

续图1 不开沟样地土壤有机碳和全氮含量及密度变化

在开沟样地中，SOC含量在8.67～11.69 g·kg-1之间，TN含量在0.98～1.22 g·kg-1之间，3年林龄样地SOC和TN含量均随土层的增加而增加，且30～60 cm和60～100 cm土层的SOC含量显著高于0～30 cm，而在6年林龄和8年林龄样地中，SOC和TN含量均随土层的增加而降低，且表层0～30 cm含量显著高于30～60 cm和60～100 cm土层，但在后两者之间没有显著差异;C∶N的变化范围在8.85～9.91之间，在样地内差异不显著，但在样地间则随林龄增加而增大，且6年林龄和8年林龄显著高于3年林龄样地，但两者之间没有显著差异；SOCD在3.02～5.28 kg·m-2之间，TND在0.34～0.55 kg·m-2之间，二者在0～30cm土层变化规律与开沟造林样地SOC和TN相同，而在60～100 cm土层则相反(见图2)。

图2 开沟样地土壤有机碳和全氮含量及密度变化

3.3 SOC、SOCD、TN、TND和C∶N与土壤理化性质的关系

在不开沟样地中，SOC和TN含量与土壤pH值、BD显著负相关(P<0.05)，与粘粒显著正相关(P<0.05)；C∶N与土壤pH和砂粒呈显著正相关(P<0.05)，而与BD和SWC显著负相关(P<0.05)；SOCD与SWC和粘粒显著正相关(P<0.05)，与土壤pH值、BD和砂粒显著负相关(P<0.05)；而TND与SWC、粘粒和砂粒显著正相关(P<0.05)，与土壤pH值和砂粒显著负相关(P<0.05，见表2)。

在开沟样地中，仅有TND与土壤pH值显著负相关(P<0.05)，与SWC显著正相关(P<0.05)，其他指标与土壤理化性质关系不显著(见表3)。

方差分析表明：整地方式显著影响SOC和TN含量，但对C∶N、SOCD和TND影响不显著(见表4)。

表3 开沟样地SOC,TN,C∶N,SOCD和TND与环境因素的相关性系数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 整地方式对SOC、TN、C∶N、SOCD和TND影响的单因素方差分析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 结论与讨论

湿地是脆弱的生态系统，任何湿地利用形式都有可能对湿地土壤生态系统造成影响[4]。在不开沟样地中，两个林龄的SOC和TN含量都显著低于对照的芦苇地，说明滩地防护林的营建在短时间尺度上对土壤C库和N库具有负影响，这与李有志等的研究结果一致[19]。整地过程中的土壤扰动，凋落物组成及生物量的改变，以及土壤理化性质，如pH值、SWC、BD和粘粉粒含量等的变化都与SOC和TN含量显著相关[19，23]。此外，8年林龄样地SOC和TN含量都显著高于3年林龄样地，表明随着林龄的增大，不开沟造林的SOC和TN含量有增加的趋势，但这一结论还需要更长时间的监测进行验证。在开沟造林样地中，0～30 cm土层SOC和TN呈先增大后减小的趋势，说明在3～6年林龄之间，SOC和TN是累积的过程，这主要是由于该层土壤为开沟前的深层土壤，SOC和TN含量相对较少，快速生长的杨树人工林造成了大量易分解的活性有机质的输入[24]。而6～8年林龄则是SOC和TN的损失过程，这可能是由于在SOC积累到一定程度之后，过多的活性有机质的输入引起了土壤碳库正向的激发效应[25]。同时，深层土壤SOC和TN含量随林龄增大而持续减少，之前的研究也发现，开沟6—13年之后的SOC和TN含量持续降低[8]，这些结果均说明开沟方式不利于土壤C和N的积累。一方面，开沟对土壤的扰动大，较深的翻动增加了土壤的通气性和渗透性[26]；另一方面，开沟提升了树垄的高程，降低了其淹水时长，缩短了土壤的厌氧周期[27]；作为速生树种，杨树的快速生长伴随着高蒸腾作用和高耗水过程，这种效应随着林龄的增大而增强，因而，在洞庭湖周期性退水过程中，杨树的生长加速了土壤含水率的下降，使得微生物的水分胁迫提前解除[28]。这些因素共同形成了有利于好氧细菌的生长环境，从而提升了有机质的微生物分解能力，以及土壤N的矿化速率[29]。此外，我们发现SOC、SOCD、TN和TND与环境因子之间的相关性在开沟样地中并不显著(见表3)，在不开沟样地中则表现出较强的相关性(见表2)，证明了整地方式是导致开沟样地SOC和TN含量变化的最主要因素(见表4)，并且进一步验证了开沟造林的影响从低龄林到中高龄林一直存在[8]。

以上结果表明，不论何种整地方式，滩地防护林的营建在研究期内都降低了洲滩湿地土壤SOC和TN的含量和密度。因此，我们从维持土壤C库和N库稳定性的角度建议，应合理确定长江中下游滩地防护林的规模，不宜在相对高程较低的区域采用开沟方式营建防护林。