長白山兩種森林類型土壤顆粒有機碳和黑碳分布特征

孫金兵，高 菲，宋金鳳，崔曉陽

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

長白山兩種森林類型土壤顆粒有機碳和黑碳分布特征

孫金兵，高 菲，宋金鳳，崔曉陽*

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

顆粒態(tài)有機碳；黑碳；分布特征；土壤基本性質

長白山林區(qū)是我國重要林區(qū)之一，其中的原始闊葉紅松林和楊樺次生林作為主要森林類型，在全球變化背景下發(fā)揮著巨大的生態(tài)效益和經濟效益。鑒于森林土壤在全球碳循環(huán)中的重要性，對長白山原始闊葉紅松林和楊樺次生林土壤有機碳及其組分特征系統(tǒng)研究，對于我國東北森林土壤有機碳穩(wěn)定性評價具有重要意義。土壤有機碳具有高度的復雜性和異質性，由一系列易分解活性有機碳和難分解惰性有機碳組成[1-2]?；钚杂袡C碳可預見土壤理化性質的改變，對土壤變化有著重要的意義[3]，活性有機碳包括微生物碳、輕組有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳等；惰性有機碳分解慢，周轉時間長，相對穩(wěn)定，該部分有機碳對長期固碳具有重要影響，惰性有機碳包括重組有機碳和黑碳等。

顆粒有機碳( POC>53 m)是與粉砂結合的土壤有機碳，通常被認為是易被微生物分解的有機碳組分，相對于土壤粘粒，被認為是有機碳中的非保護性部分[4-5]，代表一定比例的活性有機碳庫[4]。POC屬于植物殘體向土壤腐殖質轉化的活性中間產物，可作為有機碳的表征指標[6]，在土壤有機碳積累和循環(huán)中起著重要的作用。黑碳(BC)，植物殘體不完全燃燒的產物，因具有高度芳香化結構，而表現(xiàn)出較高的抗氧化性和抗分解能力，在不同地質載體中可保存上億年，其周轉時間為幾千年甚至幾萬年[7]，因此黑碳是土壤惰性碳庫的重要組成部分。目前，國內學者對我國個別城市、森林和農業(yè)土壤的顆粒有機碳[8-9]和黑碳[10]含量及分布已有部分研究，如不同功能區(qū)之間土壤黑碳含量表現(xiàn)出差異性[11]，不同利用方式下土壤顆粒有機碳和黑碳數(shù)量的差異[12]等等，直接針對不同林型下POC和BC分布及與土壤基本性質相互關系研究尚缺乏。本研究以長白山典型林區(qū)原始闊葉紅松林和楊樺次生林為對象，在區(qū)域氣候和土壤類型較一致的前提下，采集了土壤表層和亞表層土壤樣品，利用粒徑分組方法量化土壤顆粒態(tài)有機碳(POC)、黑碳(BC)，分析不同林型對土壤POC、BC分布特征，探討土壤POC和BC與土壤基本性質(有機質、含水量、pH值、粘粒和團聚體等)的關系，以期為我國東北森林土壤有機碳積累和穩(wěn)定提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

在研究區(qū)中隨機選取20塊樣地(10 m×10 m)，其中原始林、次生林樣地各10塊。每塊樣地中部典型部位選擇1個主剖面，按照發(fā)生層取腐殖質層(A1)樣品。并將其分為兩個亞層：表層(A11)，聚積過程占優(yōu)勢、同時具有淋溶作用，顏色較深的腐殖質層；亞表層(A12)，顏色較淺的腐殖質層。采用原位立方土柱法取樣：A11、A12分層后現(xiàn)場標記并記錄土層深度，然后按自上而下順序分別采集橫截面為10 cm×10 cm的立方土柱，土柱取樣深度即為土層厚度。

表1 研究區(qū)樣地的基本情況

1.2 分析方法

土壤濕樣品撿去根系，無損風干、稱質量(W1)，過2 mm篩。制樣后將篩出的2 mm以上石礫合并稱質量(W2)，計算石礫含量；土壤密度根據(jù)W1和實際取樣體積估算。過2 mm篩的土樣在容器內充分混勻，取適量分成6份， 其中5份用于顆粒態(tài)有機碳、土壤基本性質(有機質、含水量、電導率和pH值)的測定，還有1份用瑪瑙球磨碎，過100目篩，混勻，分成兩份，裝入自封袋中。其中一部分直接用CN分析儀測定總有機碳，另一部分用于土壤黑碳分離。

1.2.1 土壤顆粒態(tài)有機碳分離 粒徑分級屬于土壤有機質物理分級，步驟如下：

1)取過2 mm篩土壤或土壤團聚體土樣20 g，放入250 mL三角瓶，加入100 mL六偏磷酸鈉(50 g·L-1)，先手搖 3 min，然后在往復式震蕩器(180 r·min-1)震蕩30 min，攪勻后在超聲波分散儀中分散5 min。

2)將分散土壤懸液過53 μm篩，并用蒸餾水反復沖洗至濾液澄清。把所有留在篩子上方的物質，在50℃下48 h后稱質量，分離樣品在瑪瑙研缽中研磨均勻，過0.149 mm篩后，裝入半微量樣品管備用。

1.2.2 土壤黑碳的分離 土壤黑碳的分離采用HF/HCl處理的重鉻酸鹽氧化方法[14]。

1)碳酸鹽礦物去除

2)硅酸鹽礦物釋放

離心管殘余物中加入25 mL 10 MHF/1 MHCl，振蕩2 h，離心棄去上清液；再加入25 mL 10 mol·L-1HF/1 mol·L-1HCl，振蕩2 h，靜置20 h(其間每4 h搖勻1次)，離心棄上清液；加入25 mL蒸餾水，漩渦1 min，如此離心洗滌3次；離心管殘余物60℃烘干24 h，稱質量。

3)活性有機碳去除

干結BC樣品在瑪瑙研缽中研磨均勻，裝入半微量樣品管備用。

全土有機碳(OC)、黑碳(BC)、顆粒有機碳(POC)用自動CN分析儀(Heraeus Elementar Vario EL, Hanau)直接測定，單位統(tǒng)一換算成g·kg-1土。

1.2.3 土壤基本性質的測定[15]

有機質:重鉻酸鉀外加熱法；

含水量：差值法；

pH值：電極法；

粘粒： 吸管法測定；

水穩(wěn)性團聚體(>0.25 mm)：土壤濕篩法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，采用單因素方差分析法(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，用Pearson相關系數(shù)評價不同因子間的相關關系，并利用SigmaPlot(12.0)軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 顆粒有機碳和黑碳總體數(shù)量特征及與土壤有機碳比例

表2 土壤顆粒有機碳和黑碳含量及土壤有機碳比例(n=20)

注：不同土層間平均值的差異，字母不同代表p=0.01顯著水平

2.2 林型對顆粒有機碳和黑碳的影響

由此可知，在同一土層，林型對土壤POC和BC均具有顯著影響(p<0.05)，林型是影響土壤有機碳分布的重要因素。另外，方差分析可知，楊樺次生林和原始闊葉紅松林土壤POC和BC均隨著土層加深而顯著降低，即A11層﹥A12層(p<0.01)。

2.3 顆粒有機碳和黑碳與土壤基本性質的關系

2.3.1 有機質 兩種林型下，土壤POC和BC與有機質存在線性相關關系(圖2)。POC與有機質相關系數(shù)分別為：A11層0.860、A12層0.769(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均為顯著性正相關(p1=0.000、p2=0.000，圖2A)；BC含量與有機質的相關系數(shù)分別為：A11層0.724、A12層0.339(數(shù)據(jù)未顯示)，土壤BC與有機質的相關性表層達到顯著相關(p1=0.000，圖2B)、亞表層不顯著(p2=0.143，圖2B)。相關數(shù)據(jù)分析可知，兩種林型下，土壤POC與有機質的相關性大于BC。

2.3.2 含水量 研究表明，顆粒有機碳含量、黑碳含量與含水量存在線性正相關關系(圖3)。POC與含水量之間的相關系數(shù)分別為：A11層0.821、A12層0.792(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均為顯著性正相關(p1=0.000、p2=0.000，圖3A)；BC與含水量的相關系數(shù)分別為：A11層0.640、A12層0.495(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均達到顯著相關(p1=0.002、p2=0.027，圖3B)。相關數(shù)據(jù)分析可知，兩種林型土壤POC與含水量的相關性大于BC。

(圖中相同林型不同土層方差分析結果,字母不同代表p=0.01顯著差異；相同土層原始闊葉紅松林與楊樺次生林的比較，F(xiàn)值標注*表示p=0.05顯著差異，F(xiàn)值標注**表示p=0.01顯著差異)圖1 兩種林型土壤顆粒有機碳和黑碳含量Fig.1 Contents of POC and BC of two forest types

(注： “○”和“☆”分別代表楊樺次生林和原始闊葉紅松林A11層顆粒有機碳含量；“●”和“★”分別代表楊樺次生林、原始闊葉紅松林A12層顆粒有機碳含量)圖2 兩種林型土壤顆粒有機碳和黑碳含量與有機質的關系(n=20)Fig.2 Relationship between soil POC and BC contents and soil organic matter of two forest types (n=20)

圖3 兩種林型土壤顆粒有機碳和黑碳含量與含水量的關系(n=20)(注：同上)Fig.3 Relationship between soil POC and BC contents and soil water contents of two forest types (n=20)

2.3.3 pH值 兩種林型下，土壤POC與pH值之間的相關系數(shù)為：A11層0.388、A12層0.085(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層BC與pH值均不相關(p1=0.091、p2=0.721，圖4A)；土壤BC與pH值的相關系數(shù)分別為：A11層0.355、A12層0.071(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層BC與pH值均不相關(p1=0.124、p2=0.765，圖4B)。

圖4 兩種林型土壤顆粒有機碳和黑碳含量與pH值的關系(n=20)(注：同上)Fig.4 Relationship between soil POC and BC contents and soil pH value of two forest types (n=20)

2.3.4 粘粒 土壤POC與粘粒之間的相關系數(shù)為：A11層0.361、A12層0.038(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層土壤POC與粘粒均不相關(p1=0.117、p2=0.873，圖5A)；土壤BC與粘粒的相關系數(shù)分別為：A11層0.429、A12層0.138(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層BC與粘粒相關性均不顯著(p1=0.059、p2=0.561，圖5B)?？梢?，兩種林型土壤POC和BC與粘粒均不相關(p>0.05，圖5)

圖5 兩種林型土壤顆粒有機碳含量和黑碳含量與粘粒的關系(n=20)(注：同上)Fig.5 Relationship between soil POC and BC contents and soil clay contents of two forest types (n=20)

2.3.5 水穩(wěn)性團聚體 兩種林型下，土壤POC與水穩(wěn)性團聚體相關系數(shù)分別為：A11層0.698、A12層0.700(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均為顯著性正相關(p1=0.000、p2=0.000，圖6A)；土壤BC含量與有機質的相關系數(shù)分別為：A11層0.232、A12層0.369(數(shù)據(jù)未顯示)，土壤BC與水穩(wěn)性團聚體均不相關(p1=0.324、p2=0.110，圖6B)。綜上可知，兩種林型下，土壤POC與水穩(wěn)性團聚體的相關性大于土壤BC。

圖6 兩種林型土壤顆粒有機碳和黑碳含量與水穩(wěn)性團聚體的關系(n=20)(注：同上)Fig.6 Relationship between soil POC and BC contents and water stable aggregates of two forest types (n=20)

2.4 土壤顆粒有機碳與黑碳關系

兩種林型下，顆粒有機碳含量與黑碳含量存在線性相關關系(圖7)。A11和A12層相比較，兩種林型下土壤BC與POC間的相關系數(shù)A11層0.571(p1﹤0.01，圖7A)﹥A12層0.488(p2﹤0.05，圖7B)；混合統(tǒng)計(A11+A12)得出，土壤BC與POC之間的相關系數(shù)為0.812(p﹤0.000，圖7C)，可見A層土壤顆粒有機碳和黑碳存在顯著相關。

3 討論

3.1 兩種林型土壤顆粒有機碳含量、黑碳含量及其分布特征

研究區(qū)域內，兩種林型A11層、A12層土壤POC含量為57.45和11.96 g·kg-1，均表現(xiàn)為隨土層加深而逐漸遞減，這與其他研究結果一致[16-17]。土壤POC含量高于其他區(qū)域研究結果[18-19]，主要與研究區(qū)森林凋落物和植物根系有關，有機物質輸入量高，各組分有機碳含量必然增加；其次，顆粒有機碳屬于活性有機碳，雖然穩(wěn)定性較低、但天然林區(qū)受外界干擾較小，使該區(qū)域POC尚處于不敏感期，一旦周圍環(huán)境改變，如土地利用發(fā)生變化，必然導致顆粒有機碳含量下降[20]?？傮w來看，兩種林型下土壤BC在本區(qū)域中含量也很高，A11層、A12層土壤BC達14.54、7.53 g·kg-1，高于我國其他區(qū)域的研究結果[21-22]。這應該與近代的火山噴發(fā)有關，火山爆發(fā)可以改變成土母質、地形、水文等自然條件，研究表明火山灰與浮石形成疏松的成土母質[23]，間接地對土壤有機質產生持續(xù)性的影響，最主要的原因火山可以引發(fā)森林火災，而林火是黑碳產生的必要條件，森林植被發(fā)生不完全燃燒產生大量的黑碳顆粒。同樣，黑碳同有機碳一樣具有表層富集，自上而下明顯降低[24]，這與Rumpel[25]、劉兆云[10]等研究結果一致。

在氣候、成土母質和地形等因素基本一致的條件下，凋落物是土壤有機碳的主要補充，進入土壤的植物枯枝落葉多少和分解速率是由地上植被決定的。不同森林類型的樹種組成不同，直接導致凋落物的種類、產量和質量不同[27]，同時也間接地影響土壤微生物活動的微環(huán)境[28]，而顆粒有機碳由正在腐解的植物殘體和微生物體構成[29]，因此森林類型必然影響土壤POC含量和分布。本研究兩種林型土壤顆粒態(tài)有機碳結果為，楊樺次生林各層土壤POC含量高于原始闊葉紅松林。一方面長白山楊樺次生林林分結構完整、環(huán)境較穩(wěn)定，地表植被豐富，林下凋落物多于原始闊葉紅松林；另一方面可能是由于長白山原始闊葉紅松林以紅松為優(yōu)勢樹種，而過熟林(>200 a)樣地的優(yōu)勢樹已達到該立地類型樹種的平均預期壽命，林分生物量不再增加，甚至有所下降[30]。表層POC含量受母質影響較小，主要由進入土壤枯枝落葉多少決定，當進入土壤的生物殘體越多時，形成的顆粒態(tài)有機質也越多[31]，兩種林型POC含量A11層、A12層均達到顯著差異(p<0.05)。本研究區(qū)兩楊樺次生林土壤BC顯著高于原始闊葉紅松林(p<0.01，圖1B)。這是因為黑碳的增加依賴于系統(tǒng)中底物碳的輸入[32]，楊樺次生林較原始闊葉紅松林郁閉度高，凋落物層厚，根系積累多，火燒后焦化的植物殘體量大，進而產生土壤黑碳相對較多。

3.2 土壤顆粒有機碳和黑碳與土壤基本性質的關系

土壤性質通過直接和間接作用共同影響土壤有機碳含量及其變化特征[33]。研究區(qū)域內森林凋落物層較厚，分解后回歸土壤的有機碳也較豐富，易于有機質積累。土壤有機質是植物生長和微生物生命活動的物質和能量來源，調控著土壤物理、化學和生物學性質。本研究中POC與有機質顯著正相關(p<0.01)。這是因為有機質作為有機膠結物質，可改善土壤結構，易于土壤團粒結構和顆粒有機質的形成。另外，土壤微生物與有機質顯著正相關，其數(shù)量、活性和群落結構隨著有機質含量增加而增加，直接影響顆粒態(tài)有機碳構成(腐解的植物殘體和微生物體)。結果表明，在A11層BC與有機質關系顯著正相關(p<0.01)。這可能是因為森林枯落物層火燒后變脆或炭化，易呈細碎顆粒狀與表層土壤混合，從而增加土壤有機質含量[34]，同時植物殘體不完全燃燒時又會形成土壤黑碳。在A12層BC與有機質不相關，這可能與與黑碳的降解和遷移方式等有關。

本研究中表層和亞表層的POC均隨含水量增加而增加，二者具有顯著正相關(p<0.01)，這與張文敏[35]、陸昕[36]不同碳組分與含水量關系研究結果一致。土壤顆粒有機碳和黑碳分布受植物分布影響較大，而植物分布受光、溫、水分等條件限制。在同一氣候區(qū)、相同海拔的地方，水分是植物分布的重要限制因子[37-38]?？梢?，土壤水分對POC和BC影響更為直接。另外，土壤濕度、溫度可以通過影響根系和微生物分解速度間接影響土壤有機碳含量。土壤濕度大不利于有機質的礦化，部分區(qū)域還存在季節(jié)性積水，產生有機質的泥炭化現(xiàn)象，因而有利于顆粒有機質的形成[6]。兩種林型下A11層和A12層中BC與含水量均為線性顯著正相關(p<0.05)，這是因為各種強度林火所致有機殘體顆粒物和炭化顆粒物混入，包括植被死有機殘體顆粒物和炭化顆粒物、枯落物層細碎化和炭化顆粒物、半腐爛死細根混入等，這需要有后期的水分機械淋移作用。可見，含水量對黑碳的影響極為重要?；谒謱OC和BC的重要影響，在今后研究工作需要考慮動態(tài)變化等綜合因素。

土壤pH 通過影響微生物的活性、水解作用等影響土壤碳氮的固定和累積能力，它是影響土壤有機碳和全氮空間分布的環(huán)境因子之一[39]。本研究中，POC與pH值相關性不顯著(p>0.05)，這主要由研究區(qū)土壤性質決定，該區(qū)域內土壤均呈弱酸性，pH值數(shù)據(jù)變化不明顯，在這樣的區(qū)間僅能體現(xiàn)變化趨勢，未到達顯著影響。而對于研究區(qū)域BC，一般認為，火燒后產生黑碳的土壤中，pH值會增加，這是由于林火殘留灰分中含有的大量可溶性堿性金屬氧化物[40]，能很快合成碳酸鹽，中和土壤的酸性，導致火燒后土壤pH值升高[41]，二者應具備正相關關系，但由于黑碳形成受諸多因素影響，所以與pH值相關性不顯著(p>0.05)。

一般認為粘粒具有較大的比表面積和電荷密度，能夠強烈吸附土壤有機物質，并能與腐殖質形成有機-無機復合體，降低微生物對土壤有機質的分解[42]。本研究中POC和BC與粘粒含量相關性均不顯著。粘粒主要是吸附和固定有機質，而POC、BC均不以粘粒為結合態(tài)存在，二者與粘粒之間無顯著相關。

土壤團聚體形成作用是土壤碳蓄積的重要機制，本研究中，表層和亞表層的POC均隨團聚體增加而增加，二者具有顯著正相關(p<0.01)。這是因為土壤中游離顆粒有機碳被膠結劑包裹形成團聚體，團聚體形成后內部孔隙降低，有機碳與礦物顆粒的接觸更緊密[43]，即團聚體有利于POC的形成。研究區(qū)域的BC與團聚體之間相關性不顯著，一方面本實驗沒有把團聚體按粒徑組分劃分[44]；另一方面由于土壤自身生物學和理化性質的復雜性，及它們在團聚過程中的強烈交互作用[45]，所以探討二者的關系需要考慮綜合因素系統(tǒng)研究。

POC和BC與土壤基本性質中的有機質和水穩(wěn)定性團聚體相關性不一致，其可能原因分別為：一是火燒后黑碳和有機碳富集在表層，黑碳和有機碳主要是通過土壤動物、水等作用淋溶至下層，黑碳和有機碳淋溶下層的量不成比例，導致黑碳和有機質在下層不相關；二是本研究中團聚體是>0.25 mm的水穩(wěn)性大團聚體，這些團聚體內部可能含有黑碳，但由于黑碳密度較小，質量較輕，黑碳質量在水穩(wěn)定大團聚體質量中甚至可能忽略不計，所以導致黑碳質量與水穩(wěn)性團聚體質量不相關。

3.3 土壤顆粒有機碳和黑碳的關系

土壤黑碳與顆粒有機碳存在顯著正相關關系。通常認為，BC具有高度芳香性，是土壤惰性碳庫的重要組成部分[46]；而POC主要由未分解或半分解的動植物和根系殘體組成，是土壤活性碳庫的一部分[47]。然而，本研究中土壤POC和BC顯著正相關，可能是因為分離的顆粒有機碳主要是粒徑>53μm的顆粒，其中可能包含了大量黑碳顆粒?？梢?，在東北森林土壤中顆粒有機碳組分中不完全是活性有機碳，下一步研究將進一步分離顆粒有機碳中的黑碳。

4 結論

(1)在長白山地區(qū)林型顯著影響土壤POC和BC，楊樺次生林土壤POC和BC顯著高于原始闊葉紅松林，這很可能與楊樺次生林遭受的采伐和火燒有關。

(2)兩種林型土壤A11層顆粒有機碳和黑碳含量均高于A12層。

(3)原始闊葉紅松林和楊樺次生林土壤POC和BC分布格局是土壤基本理化性質綜合作用的結果。

(4)土壤POC和BC存在顯著正相關關系，初步認為可能與顆粒有機碳中含有較多黑碳有關，具體原因還有待于進一步驗證。

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(責任編輯：彭南軒)

Distributions of Soil Particulate Organic Carbon and Black Carbon of Two Forest Types in Changbai Mountain

SUNJin-bing,GAOFei,SONGJin-feng,CUIXiao-yang

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

particulate organic carbon; black carbon; distribution characteristic; soil basic properties

2016-05-10 基金項目： 國家科技支撐計劃項目(2011BAD37B01)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2011CB403202)資助. 作者簡介： 孫金兵，女，博士生，主要從事土壤生態(tài)學研究。E-mail: 63389950@qq.com。 * 通訊作者：崔曉陽，E-mail: c_xiaoyang@126.com

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.006

S714

A

1001-1498(2017)02-0222-10