亞熱帶不同林分土壤表層有機碳組成及其穩定性

商素云，姜培坤，2，* ，宋照亮，2，李永夫，2，林 琳，2

(1．浙江農林大學環境與資源學院，臨安 311300;2．浙江農林大學浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室，臨安 311300)

土壤碳庫是陸地生態系統最大的碳庫，森林土壤貯藏約787 Pg(1 Pg=1015g)有機碳，約占全球土壤碳儲量40%［1］。森林土壤碳庫作為全球碳循環重要的組成部分，其積累和分解的變化將對陸地生態系統碳貯藏和全球碳平衡產生直接影響［2］。土壤有機質與土壤眾多理化性質和生物特性密切相關［3］，是衡量土壤肥力的一個重要指標，直接影響森林生態系統生產力和穩定性。鑒于森林土壤碳庫在全球碳平衡和森林生態系統中的重要作用，林分類型和經營措施對森林土壤碳庫的影響一直受到廣泛關注［4-6］。

近年來，核磁共振(NMR)技術廣泛應用于土壤有機碳結構的研究中。該方法在研究土壤碳庫的化學組成方面具有很大的優勢，特別是在土壤有機碳分解和腐殖化過程中，可以清晰表明有機碳中各種類型碳的相對分布［7-8］，通過計算不同類型碳組分含量的變化，可以確定有機碳結構特征和穩定性的變化。通過研究不同粒級土壤顆粒物理、化學性質和生物特性的變化，來探討土壤有機碳的變化過程，被認為是一個很好的方法［8-9］。盡管國內外對土壤總有機碳和粒徑組分碳含量進行了大量的研究［10-12］，但應用NMR技術研究亞熱帶森林土壤，特別是天然林改造成經濟林后土壤總有機碳及粒徑組分結構特征變化的研究非常少。

本研究選取亞熱帶代表性的天然林(常綠闊葉林和馬尾松林)和目前亞熱帶經營強度較大的經濟林(板栗林和雷竹林)作為研究樣地。在測定研究區內不同林分下土壤總有機碳和粒徑組分碳含量基礎上，利用核磁共振技術研究上述4種林分土壤有機碳結構特征，探討林分類別和經營措施對土壤總有機碳及粒徑組分碳含量、結構和穩定性的影響，為亞熱帶區域固碳和森林土壤碳庫管理提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況

研究區設在浙江省臨安市玲瓏山，地理坐標為119°42'E，30°14'N。該區屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明。一年之中，1月為最冷月，7月為最熱月，年平均氣溫15．8℃，年均降水量1424 mm，無霜期236 d。土壤為發育于凝灰巖的黃紅壤。在研究區內選擇坡向(南坡)、坡度(10°—15°)、坡位(中坡)、海拔(330—370 m)基本一致的常綠闊葉林、板栗林、馬尾松林和雷竹林。4種林地的基本情況如下:

(1)闊葉林，該地區的頂極群落，主要優勢樹種有青岡(Cyclobalanopsis glauca)、苦櫧(Castanopsis sclerophylla)等，林齡約25a，平均胸徑14．3 cm，郁閉度為70%。林下灌木種類有山蒼子(Litsea cubeba)、山胡椒(Lindera glauca)等，覆蓋度70%，該林地總面積為14．7 hm2。(2)馬尾松(Pinus massoniana)林，生長歷史在20a以上，平均胸徑在10—13 cm，覆蓋度在55%—75%，林下植被有連蕊茶(Camellia fraterna)、烏飯(Vaccinium bracteatum)等，該林地總面積為18．5 hm2。(3)板栗(Castanea mollissima)林，由闊葉林和針葉林兩類天然林改造而來，林齡14a，種植密度415株/hm2，平均胸徑14．4 cm，該林地總面積為4．3 hm2。每年除草2—3次并翻耕，每年施肥3次，年施肥量為1 kg/株復合肥。(4)雷竹(Phyllostachys Praecox)林，林齡14a，胸徑3．5 cm，密度1500株/hm2，于1997年由常綠闊葉林幼林改造而來，該林地總面積為6．8 hm2。2003年起實行覆蓋促成式栽培，其模式是:每年11月下旬至12月上旬給雷竹林地表覆蓋有機物以增溫避冷保濕，通常是在雷竹林地表先覆10—15 cm稻草，再在上面覆蓋10—15 cm的礱糠，稻草用量40 t/hm2，礱糠用量55 t/hm2，翌年3、4月份揭去未腐爛的礱糠。

1．2 采樣及分析方法

2010年3月上旬，在上述四種林地中，各選擇面積為20 m×20 m的樣地3個。在同一個樣地內，分別挖掘3個土壤剖面，取0—20 cm土層樣品。將同一樣地內3個點取到的土壤混合，作為該樣地的土壤樣品。樣品采集后，帶回實驗室，在室溫下風干，除去礫石和根系后過2 mm鋼篩，磨細待測。

(1)土壤基本性質測定 土壤pH值采用水浸提酸度計法(土∶水=1∶5);土壤有機碳用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤全氮采用凱氏定氮;堿解氮用堿解擴散法;有效磷用Bray法;速效鉀先用乙酸銨浸提，后在火焰光度計上測定。

(2)土壤粒度分級 超聲分散濕篩法，分組方法參照［13-14］。獲得粗砂(＞250 μm)，細砂(53—250 μm)，粉黏粒(＜53 μm)3部分，在60℃烘干、稱重、磨細，用重鉻酸鉀外加熱法測定各粒級含碳量。

(3)土壤有機碳核磁共振分析 樣品在進行固態13C核磁共振波譜分析前進行HF預處理，目的是去除土壤中的Fe3+和Mn2+離子，提高儀器分析的信噪比，進而提高分析效率。HF預處理方法主要參考［15］。將HF預處理過的土壤樣品進行固態魔角旋轉-核磁共振測定(AVANCE II 300 MH)。實驗采用7 mm CPMAS探頭，觀測評率為100．5 MHz，MAS旋轉頻率為5000 Hz，接觸時間為2 ms，循環延遲時間為2．5 s。化學位移的外標物為六甲基苯(hexamethyl benzene，HMB，甲基17．33ppm(ppm為核磁共振波譜中化學位移的計量單位)。對譜峰曲線進行區域積分，獲得各種類型碳組分的相對含量。

1．3 數據處理

所有數據均為3次重復的平均值。數據處理均在Microsoft Excel 2003和DPS7．05軟件上完成。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和新復極差法(Duncan's Multiple Range Test)比較不同數據組間的差異，顯著性水平設定為α=0．05。

2 結果

2．1 不同林分土壤基本理化性質分析

由表1可知，4種林分表層土壤(0—20 cm)pH值均呈強酸性，介于為4．10—4．47之間，其中馬尾松林土壤pH值最高，板栗林最低。雷竹林土壤總有機碳含量在4種林分中最高，顯著高于其他林地土壤，其后依次是闊葉林、馬尾松林、板栗林，后3種林分土壤有機碳含量不存在顯著性差異。4種林分土壤中，雷竹林的全N、堿解N、有效P、速效K含量均顯著高于其他林地相應養分含量。土壤中不同粒徑顆粒的分布，闊葉林、馬尾松林和雷竹林土壤粒級結構相似:以粗砂為主，所占比例超過60%，細砂和粉黏粒含量相近;板栗林土壤仍以粗砂為主，但僅占48．08%，而細砂和粉黏粒含量較高。

2．2 不同林分土壤總有機碳及粒徑組分有機碳分布

由圖1可知，不同林分土壤相同粒徑有機碳含量差異明顯。粗砂和細砂粒級含碳量，均以雷竹林最高(分別是37．43 g/kg和36．93 g/kg)，顯著高于其他林地，然后依次分別是闊葉林(18．05 g/kg和22．23 g/kg)、馬尾松林(10．88 g/kg 和22．20 g/kg)、板栗林(6．14 g/kg 和10．57 g/kg)。粉黏粒的含碳量，則是馬尾松林最高(30．25 g/kg)，闊葉林(21．68 g/kg)和雷竹林(19．16 g/kg)接近，板栗林(13．94 g/kg)最低。同一林分下，不同粒徑土壤顆粒有機碳含量的差異也比較明顯。馬尾松林和板栗林不同粒徑有機碳含量大小分布均為:粉黏粒＞細砂＞粗砂，存在顯著性差異。闊葉林土壤中，細砂和粉黏粒碳含量較高，粗砂的碳含量最低，而雷竹林土壤中，則是粗砂和細砂的碳含量較高，粉黏粒的碳含量最低。

表1 不同林分土壤基本理化性質Table 1 The basic physical and chemical properties of the soils under different forest types

不同林分下粒徑組分有機碳占土壤總有機碳的比例差異也很明顯(圖2):闊葉林、馬尾松林和雷竹林土壤中，均為粗砂固定的碳占土壤總有機碳的比例最大，特別是雷竹林其比例高達71．08%，細砂和粉黏粒固定碳所占比例較小。而板栗林土壤中則是粉黏粒固定的碳所占比例最大，為43．83%。

圖1 4種林分土壤有機碳在不同粒徑中的分布Fig．1 Distribution of organic carbon in different sized particles of the soils under four forest types

圖2 4種林分類型中不同粒徑顆粒碳占總有機碳的比例Fig．2 The proportions of organic carbon in different sized particles to total organic carbon in the soils under four forest types

2．3 不同林分土壤總有機碳及粒徑組分化學結構特征

2．3．1 土壤總有機碳NMR結構的比較

闊葉林、馬尾松林、板栗林和雷竹林土壤總有機碳的固態13C核磁共振波譜如圖3所示。4種林分土壤有機碳的核磁共振譜均包含4個明顯共振區:烷基碳區(0—50 ppm)、烷氧碳區(50—110 ppm)、芳香碳區(110—160 ppm)和羰基碳區(160—220 ppm)，但其土壤有機碳核磁共振的信號強度是有差異的(表2)。闊葉林和馬尾松林土壤有機碳中烷基碳的比例最大，分別為52．33%和42．62%;而板栗林和雷竹林則是烷氧碳的比例最高，分別為46．07%和68．26%。相比較而言，4種碳官能團中，芳香碳和羰基碳所占比例較少，其中芳香碳的比例是最小。雷竹林土壤芳香碳比例最高(8．12%)，顯著高于其他3種林分。馬尾松林的羰基碳顯著高于雷竹林，但與闊葉林和板栗林沒有顯著性差異。土壤有機碳的A/O-A和疏水碳/親水碳的比值按以下次序遞減:闊葉林＞馬尾松林＞板栗林＞雷竹林，并且存在顯著性差異。雷竹林土壤有機碳的芳香度顯著高于其他3種林分。

圖3 4種林分土壤總有機碳核磁共振波譜Fig．3 Solid-state13C NMR spectra of total organic carbon in the soils under four forest types

2．3．2 粒徑組分土壤有機碳的NMR結構特征

由圖4可知，粗砂、細砂和粉黏粒土壤有機碳也都包含4個明顯的共振區，其分布與總有機碳大致相似。由粗砂到粉黏粒，4種林分土壤表現出一定的變化趨勢(表3)。隨著顆粒變細，粒徑有機碳中烷基碳的比例增加，烷氧碳比例下降，芳香碳和羰基碳則沒有一致的變化趨勢，A/O-A和疏水碳/親水碳的比值呈增加的趨勢，而芳香度沒有一致的變化趨勢。其中，雷竹林土壤，無論是粗砂、細砂還是粉黏粒，都是烷氧碳所占比例最大，烷基碳的比例明顯低于其他林地土壤相應粒級，而芳香碳比例明顯高于其他林地。在A/O-A值、芳香度和疏水碳/親水碳這3個指標上，雷竹林土壤各個粒級均與其他林地土壤相應粒級存在較大的差異。

表2 不同林分類型土壤中不同有機碳官能團占總有機碳的比例Table 2 The proportions of different organic carbon groups to total organic carbon in the soils under four forest types

芳香度=芳香碳/(烷基碳+烷氧碳+芳香碳)×100%;疏水碳/親水碳=(烷基碳+芳香碳)/(烷氧碳+羰基碳)

表3 4種林分類型土壤中不同粒徑顆粒不同碳官能團分布Table 3 The proportions of different organic carbon groups to total organic carbon in the soils under four forest types

圖4 4種林分土壤中不同粒徑有機碳13C NMR圖譜Fig．4 Solid-state13C NMR spectra of organic carbon in different sized particles in the soils under 4 forest types

3 討論與結論

3．1 不同經營方式對土壤總有機碳及粒徑組分碳含量的影響

天然林土壤有機碳主要來源于凋落物，人工林土壤有機碳含量則與經營措施密切相關。本研究中闊葉林植物物種豐富，地上生物量大，導致生物歸還量大，所以土壤有機碳含量較高;馬尾松林枯落物生物量較小，而且比較難分解，導致土壤有機碳含量較低［16］。板栗林和雷竹林均由天然林改造而來，兩者的經營措施卻不盡相同。雷竹林采取集約經營的管理模式，使土壤有機碳含量大幅增加［17-18］。板栗林處于幼林階段，凋落物很少，加上每年多次除草并翻耕，使土壤原有的有機碳含量下降［19］，因此其土壤有機碳含量較低。

不同粒徑的土壤顆粒，有機碳含量差異很大，一般來說，顆粒越細，有機碳含量越高。而本研究中雷竹林土壤的粗砂和細砂粒級碳含量顯著高于粉黏粒，這是因為集約經營使雷竹林土壤有機碳增加的部分，主要固定在大團聚體中［20］。

3．2 不同經營方式對土壤有機碳NMR結構的影響

以往有關不同碳組分占土壤總有機碳比例的研究結果有很大的差異，若干研究結果［4，6-7］顯示，烷氧碳在四種碳組分中所占比例最大，而Oades［21］和Chen［22］的研究結果表明，烷基碳所占的比例最高。本研究中不同林分的結果也表現出很大差異:闊葉林和馬尾松林土壤中，烷基碳的比例最大，雷竹林和板栗林土壤中則是烷氧碳比例最高。不同的研究結果差異很大，可能與土地利用方式、土壤類型、氣候特征以及經營方式有關。Mathers和Xu［4］研究顯示，覆蓋處理會增加土壤中烷氧碳的相對含量。這與本研究中采用覆蓋措施的雷竹林土壤中烷氧碳比例最高是一致的。土壤有機碳的芳香結構組分主要來自枯落物的殘留物和根系分泌物［6，23］。覆蓋措施和雷竹地下部分大量竹鞭的分泌物使其土壤芳香碳比例顯著高于其他林地。而板栗林土壤中烷基碳和芳香碳比例較低可能是除草措施造成的［6］。

本研究中，不同粒徑中有機碳核磁共振圖譜與土壤總有機碳相似，但表現出一定的變化趨勢。隨著顆粒變細，烷基碳比例增加，烷氧碳比例下降，這可能與碳水化合物被土壤微生物利用消耗和某些頑固組分(如聚亞甲基等)被保留下來有關［24］。從土壤形成演化的角度來說，隨著土壤質地變細，不穩定的碳(烷氧碳)向穩定的碳(烷基碳)轉化，土壤碳庫漸漸穩定。

3．3 不同經營方式對土壤有機碳穩定性的影響

A/O-A值常作為有機碳分解程度的指標［25］。該比值愈大，土壤有機碳的穩定性愈高。但有學者認為，A/O-A值可能會受輸入土壤的有機碳原始結構影響，不能準確體現土壤有機碳的穩定程度［4，24］。因此本研究采用疏水C/親水C比值(通常該比值越大，表示有機碳和團聚體的穩定性越高［26-27］)和A/O-A值兩個指標來表征土壤有機碳的穩定程度。芳香度可以反映有機碳分子結構的復雜程度，該值越大，表明芳香核結構越多，分子結構越復雜。

樹種對土壤有機碳的含量和穩定性有一定的影響作用［25，28-29］。有研究表明馬尾松人工林比闊葉人工林土壤穩定性高［28］，本研究中闊葉林的A/O-A和疏水C/親水C值均大于馬尾松林，說明闊葉林表層土壤比馬尾松林土壤穩定性更高，可能是闊葉林樹種組成不同造成的。雷竹林表層土壤有機碳含量雖然很高(34．78 g/kg)，但與砂粒結合的碳占總碳的86．46%，并且A/O-A和疏水C/親水C值在4種林分中最小，均表明其土壤有機碳活性較大，處于不穩定的狀態。這一點從土壤水溶性碳和土壤含烷氧碳含量呈極顯著正相關(P＜0．01)也得到證明［30］。同時，雷竹林土壤有機碳的芳香度最大，說明其結構比較復雜。板栗林土壤有機碳含量最小，而且與闊葉林和馬尾松相比，A/O-A和疏水C/親水C值都較小，說明林下除草、翻耕不但減少板栗林土壤有機碳含量，并且降低了其有機碳的穩定性。

粉黏粒的物理保護作用是土壤有機碳保持穩定的一個重要途徑。已有研究表明土壤中粉黏粒含量與土壤有機碳含量有較高的正相關性［31］。本研究中各粒徑組分有機碳的 A/O-A值:粉黏粒＞細砂＞粗砂，與Chen［32］結果一致。這說明土壤顆粒越細，其結合的有機碳結構越穩定。換言之，粉黏粒中有機碳本身的結構比粗砂和細砂的穩定。而且最新研究表明，相對于高嶺土和伊利石，由蒙脫石構成的黏粒土壤有機碳穩定性更高［33］。因此增加土壤中粉黏粒的相對含量，不但可以增加有機碳含量，還有利于提高有機碳的穩定性。土壤中粉黏粒的含量主要取決于成土母質，同時還受氣候、土地利用方式、植被類型、經營措施等影響。而針對本研究涉及的4種林分，可通過在林下建立植物攔截，減少翻耕次數或免耕等措施減少水土流失來增大土壤碳儲量和提高碳庫的穩定性。

由本研究結果可以得出結論，植被類型、管理模式、耕作方式可以顯著影響森林土壤有機碳含量及其在不同粒徑中的分配和穩定性。對天然林地，樹種對土壤有機碳的含量和穩定性有很大的影響作用，人工林除了受樹種因素影響外，還與其管理措施密切相關。本研究中闊葉林土壤有機碳含量及穩定性均高于馬尾松林，集約經營雖導致雷竹林土壤有機碳含量顯著增加，但卻降低了其穩定性，而林下除草、翻耕不僅使板栗林土壤有機碳含量下降，還降低了其穩定性。因此實施造林/再造林過程中，選取適當的樹種，合理的管理措施，盡量減少水土流失，綜合考慮對土壤有機碳儲量和結構穩定性的影響，對增加局部地區碳儲量，減緩全球氣候變化過程意義重大。

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