大興安嶺森林土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳與黑碳的分布及土壤固碳潛力*

徐嘉暉 高 雷 孫 穎 崔曉陽

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040）

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫，在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用［1］。然而，相關(guān)研究［2-3］表明，在某些土壤中，土壤有機(jī)碳（SOC，Soil organic carbon）含量并非線性地隨著外源碳的輸入而增加，意味著SOC達(dá)到了一定的飽和水平［2，4］。若穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳（SSOC，Stable soil organic carbon）達(dá)到飽和，輸入的外源碳則只能積累于活性碳庫中，并將被分解，那么土壤碳含量將不會(huì)持續(xù)增加［5-6］。SSOC決定著土壤抗干擾與固碳能力［7-8］，而土壤以穩(wěn)定態(tài)形式固持有機(jī)碳的潛力受控于SOC的穩(wěn)定機(jī)制［7］。

SOC的穩(wěn)定機(jī)制主要包括有機(jī)碳的固有難降解性［9］、與土壤礦物的相互作用［10］以及團(tuán)聚體的物理閉蓄［11］。黑碳（BC，Black carbon）是第一種的典型代表，其穩(wěn)定性來源于芳香結(jié)構(gòu)［12］。BC是生物質(zhì)與化石燃料的不完全燃燒產(chǎn)物，廣泛存在于土壤和沉積物中，在土壤中的駐留時(shí)間可達(dá)成百上千年［12-13］，有效提高了土壤碳儲(chǔ)存，在土壤碳匯研究中受到了廣泛關(guān)注［12，14］。礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC，Mineral-bonded organic carbon）代表第二種穩(wěn)定機(jī)制，通過與土壤細(xì)顆粒的相互作用而獲得穩(wěn)定性［10，15］。早在20世紀(jì)，Hassink［16］認(rèn)為礦物結(jié)合態(tài)碳庫決定著土壤的固碳潛力（CSP，Carbon sequestration potential），并提出了經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算土壤固碳潛力，隨后這一經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛應(yīng)用［7，15］。

森林土壤碳是陸地土壤碳庫的主要組成，在調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與減緩全球氣候變化中扮演重要角色［17］。方精云等［18］基于272篇已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)估算了我國(guó)森林表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化，結(jié)果表明，過去20年我國(guó)森林土壤有機(jī)碳庫以每年20 g m-2（以碳計(jì)）的速率增加。汲玉河等［19］采用BIOME4模擬方法對(duì)安徽省森林土壤固碳潛力進(jìn)行估算，模擬顯示，當(dāng)該地區(qū)森林發(fā)育成氣候頂級(jí)群落時(shí)，土壤碳庫將增加92 Tg C。大興安嶺是我國(guó)面積最大的林區(qū)，但鮮見專門對(duì)其土壤固碳潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。此外，該地區(qū)火燒頻繁，土壤黑碳儲(chǔ)量也相當(dāng)可觀，然而，關(guān)于黑碳在該地區(qū)土壤碳庫的重要性尚未受到重視。目前僅見任清勝等［20］幾篇針對(duì)火燒強(qiáng)度對(duì)大興安嶺棕色針葉林土表層黑碳的影響。本研究區(qū)域貫穿大興安嶺中段，涵蓋了大興安嶺三種典型的森林土壤，通過物理和化學(xué)手段分析MOC與BC，并采用Hassink經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算土壤固碳潛力，旨在為我國(guó)寒溫帶和溫帶森林土壤碳匯的評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石市東南部（48°36′N～48°54′ N，121°08′E～122°12′ E），貫穿大興安嶺中段。大興安嶺中段存在明顯的焚風(fēng)效應(yīng)，溫度和降水均表現(xiàn)為自東南向西北逐漸降低的總趨勢(shì)，基于地形與氣候條件，該區(qū)域發(fā)育成三種土壤，中脊為棕色針葉林土（暗瘠寒凍雛形土，Umbri-Gelic Cambosols，BF），東、西坡分別為暗棕壤（暗沃冷涼濕潤(rùn)雛形土，Mollic Bori-Udic Cambosols，DB）與灰色森林土（黏化簡(jiǎn)育干潤(rùn)均腐土，Argic Hapli-Ustic Isohumosols，GF）。中脊海拔在1 000 m以上，除興安落葉松（Larixg melinii）外伴有少量的白樺（Betula platyphylla），郁閉度為0.3～0.65，林下植被相對(duì)稀疏。東坡屬中山地貌，地勢(shì)陡峻起伏明顯，植被為寒溫帶針葉林和夏綠闊葉林的過渡類型，喬木以興安落葉松、白樺、蒙古櫟（Quercus mongolica）為主，郁閉度為0.4～0.7，灌木主要有興安杜鵑（Rhododendron dauricum）、大葉薔薇（Rosa macrophylla）等。西坡地勢(shì)則相對(duì)平緩，總體由東南部的主脊向西北逐漸降低。植被屬于寒溫帶針葉林向草原植被的過渡類型，喬木以興安落葉松、白樺、山楊（Populus daνidiana）為主，郁閉度為0.4～0.8，灌木有胡枝子（Lespedeza bicolor）、稠李（Prunu spadus）等，草本植被發(fā)達(dá)，蓋度約為90%，主要有貝加爾針茅（Stipa baicalensis）、黃芩（Scutellaria baicalensis）、芍藥（Paeonia lactiflora）等。

1.2 樣品采集

在上述三種土壤類型所屬區(qū)域內(nèi)，各設(shè)置6個(gè)20 m×30 m樣地，每個(gè)樣地內(nèi)按照“S”形選取3～5個(gè)采樣點(diǎn)。采樣前去除地表枯枝落葉，按照土壤發(fā)生層分別采取腐殖質(zhì)層（A）、過渡層（AB）與淀積層（B）土樣，各樣地土樣同層混勻，用四分法留取1 kg左右，每個(gè)樣地3個(gè)混合樣品，共54個(gè)樣品。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后挑出根系，無損風(fēng)干，同樣利用四分法選取部分土樣分別研磨過2 mm與150 μm篩備用。樣地基本信息見表1，表中數(shù)據(jù)為平均值。

1.3 分析方法

礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）與黑碳（BC）已被廣泛研究，但研究方法卻有差別。分離MOC的方法包括粒級(jí)分組［21］、密度分組［14］、化學(xué)分離［22］以及物理與化學(xué)手段的結(jié)合。Hammes等［23］比較了七種分離BC的方法，并總結(jié)了各方法的利弊。重鉻酸鉀氧化法從化學(xué)性質(zhì)的角度對(duì)BC進(jìn)行量化，包括木炭、煙炱等，廣泛應(yīng)用于土壤和沉積物BC的分離［24］。本文分別利用物理粒級(jí)分組和化學(xué)分離法量化MOC，采用重鉻酸鉀氧化法分析BC。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of the sampling sites

MOC的物理分離（物理分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，MOCP）基于Rehbein等［25］的方法：30 g過2 mm篩風(fēng)干土置于250 ml燒杯中，加水150 ml，用超聲波破碎儀在440 J ml-1能量下進(jìn)行超聲破碎，超聲后懸浮液手動(dòng)濕篩過53 μm樣篩，篩上殘留的即視為顆粒有機(jī)質(zhì)（POM，Particulate organic matter），剩余懸浮液離心處理后轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中，視為礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)（MOM，Mineralbonded organic matter）。將POM和MOM在60℃下烘干、稱重，然后研磨過150 μm篩，測(cè)定其中的有機(jī)碳（OC，Organic carbon）含量。POM和MOM中的OC分別為顆粒有機(jī)碳（POC，Particulate organic carbon）和MOCP。

MOC的化學(xué)分離（化學(xué)分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，MOCC）基于Eusterhues等［22］的方法：3 g過150 μm篩風(fēng)干土置于100 ml離心管中，加入25 ml 10 mol L-1HF/1 mol L-1HCl（2:1，V/V），反應(yīng)24 h，離心管中樣品用蒸餾水通過旋渦混合儀攪拌后離心機(jī)洗滌3～5次。再加入15 ml 10 mol L-1HCl，靜置24 h，同樣的洗滌過程清洗3～5次。最終離心管殘余物60℃烘干、稱重，然后研磨過150 μm篩，測(cè)定OC含量記為nMOCC（未與礦物結(jié)合的有機(jī)碳），而MOCC為HF處理時(shí)流失的有機(jī)碳，即MOCC=SOC-nMOCC。

BC的分離基于尹云鋒等［24］的方法：稱取0.3 gMOC化學(xué)分離后過150 μm篩樣品于離心管中，加入30 ml 0.1 mol L-1K2Cr2O7/2 mol L-1H2SO4（1∶1，V/V）溶液，超聲10 min，55℃條件下恒溫水浴反應(yīng)60 h，期間每12 h超聲分散10 min，并適時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)損失的水分。反應(yīng)完畢后離心棄上清液，加蒸餾水漩渦攪拌1 min，離心洗滌3～5次。最后60℃烘干、稱重，其中的OC即為BC。

此外，分別測(cè)定POM與MOM中BC含量。土壤總有機(jī)碳與上述所有組分內(nèi)的OC、BC含量直接用TOC分析儀（vario TOC，Elementary，德國(guó)）測(cè)定，單位轉(zhuǎn)換成g kg-1。不同組分OC含量（g kg-1）=不同組分有機(jī)質(zhì)中OC含量（g kg-1）×不同組分占土壤質(zhì)量的百分比（%）；不同組分OC所占比例（%）=不同組分OC含量（g kg-1）/土壤總有機(jī)碳（g kg-1）×100。土壤有機(jī)碳密度（SOCD，Soil organic carbon density）按以下公式計(jì)算：

式中，CD為某層土壤的有機(jī)碳密度，kg m-2；CC、BD、T、RF分別為該層土壤的有機(jī)碳含量（g kg-1）、容重（g cm-3）、厚度（cm）及＞2 mm石礫含量（%）。

土壤固碳潛力CSP計(jì)算基于Hassink［16］的方法。計(jì)算公式如下：

式（2）中，CSC為碳飽和容量（Carbon saturation capacity），g kg-1；式（3）中，CSD為碳飽和虧缺（Carbon saturation deficit），g kg-1；式（4）中，BD、T、RF與式（1）一致。土壤碳飽和水平（CSL，Carbon saturation level）為MOCC占CSC的比例（%）。由于MOCC與CSP均以黏、粉粒結(jié)合的碳為基礎(chǔ)，為了比較三種不同發(fā)育程度土壤的穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與固碳潛力，本研究選擇按照土壤發(fā)生層采樣而非按照機(jī)械分層。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素（one-way ANOVA）和鄧肯（Duncan）法進(jìn)行方差分析和多重比較（p=0.05），并分別對(duì)SOC與MOC及SOC、BC與黏粉粒含量之間進(jìn)行相關(guān)分析。利用SigmaPlot 12.5軟件作圖，圖中變異性用標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié) 果

2.1 礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量及其占有機(jī)碳比例

土壤有機(jī)碳（SOC）及各組分有機(jī)碳含量均隨土層的加深而降低（表2）。A層SOC含量為76.11±6.77 g kg-1，約占整個(gè)剖面的70.6%。相關(guān)分析表明，物理分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOCp）和化學(xué)分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOCC）均與SOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系，然而其各自含量及占SOC比例之間卻相差甚大。如A層MOCp與MOCC分別為55.12±7.36 g kg-1、31.41±6.41 g kg-1，前者約為后者的1.75倍，綜合所有土層，MOCp為MOCC的1.65倍。MOC占SOC的比例隨土深而增加，MOCP/SOC平均值為76.6%，而MOCC/SOC僅為45.9%，前者較后者高出約30.7%。綜合三種土壤，暗棕壤的MOC含量最高，其次為灰色森林土，棕色針葉林土最低。

表2 不同層次森林土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量及其所占比例Table 2 Content of MOC and its proportion in SOC in forest soils relative to soil horizon

2.2 黑碳含量及其在不同組分內(nèi)的分布

BC與SOC表現(xiàn)出了極顯著的相關(guān)性（表3），因此，BC含量也隨土深而降低（圖1a），A層BC含量為17.51±3.36 g kg-1，占整個(gè)剖面的68.7%。三種土壤間，棕色針葉林土的BC含量顯著高于其他兩種土壤，其中A層表現(xiàn)最明顯。然而，BC占SOC比例卻表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)（圖1b），A層BC/SOC為22.1%，B層升至29.0%，其中，棕色針葉林土的BC/SOC也顯著高于其他兩種土壤。

表3 不同層次土壤有機(jī)碳、黑碳與黏粉粒含量之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients（r）of soil particles ≤53 μm with SOC and BC relative to soil horizon

綜合三種土壤，約有21.2%的BC存在于POM中（圖2a），且該比例隨著土深而下降，其中，棕色針葉林土約有35.1%的BC位于POM中，遠(yuǎn)高于其他兩種土壤。盡管大部分BC存在于MOM中，然而A層BC與黏粉粒含量卻幾乎無相關(guān)性（表3），隨土深的增加才逐漸表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。POM中，BC/OC約為26.3%，隨土層表現(xiàn)為先上升再下降（圖2b），棕色針葉林土的POM中，BC/OC高達(dá)43.8%，極顯著高于其他兩種土壤；MOM中，BC/OC約為24.9%，隨土深而增加（圖2b）。

圖1 不同森林土壤中黑碳隨土層的變化Fig. 1 Variation of BC with soil depth in different forest soils

圖2 黑碳在顆粒有機(jī)質(zhì)與礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)中的分布Fig. 2 Distribution of BC in POM and MOM

2.3 土壤有機(jī)碳密度與固碳潛力

基于計(jì)算，土壤有機(jī)碳密度（SOCD）、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳密度（MOCCD）與黑碳密度（BCD）均隨土深而降低（表4），但B層的MOCCD與BCD略高于AB層。A層SOCD為9.87±2.02 kg m-2，B層降低至3.26±0.60 kg m-2。本研究區(qū)碳飽和容量（CSC）為31.77±4.28 g kg-1，隨土深而降低，但變化不顯著；碳飽和水平（CSL）為49.9%±6.7%，其中A層CSL高達(dá)97.8%，尤其棕色針葉林A層已接近99%；碳飽和虧缺（CSD）隨著土層顯著升高，A層僅為0.75 g kg-1，B層升至25.13 g kg-1；固碳潛力（CSP）同CSD變化趨勢(shì)相同，A層低至0.10±0.02 kg m-2，僅有SOCD的1.0%，B層為6.06±1.05 kg m-2，約為SOCD的1.86倍。

表4 不同層次森林土壤有機(jī)碳密度及固碳潛力Table 4 Soil organic carbon density and carbon sequestration potential of forest soils relative to horizon in profile

3 討 論

3.1 礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）不同分離方法比較

本文物理分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOCP）占土壤有機(jī)碳（SOC）的比例約為76.6%，與蔡岸冬等［15］及石亞攀等［21］研究結(jié)果接近。關(guān)于MOC的分析，有的研究從SOC中減去POC［21］，或者直接測(cè)定某一粒級(jí)有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳含量［5］。前者主要基于一種假設(shè)，即SOC的組成除了POC就是MOC，然而，這卻忽略了其他SOC成分。在SOC物理分組中反復(fù)的濾洗過程流失了溶解性有機(jī)碳，如果將SOC與POC的差值視為MOC，那么就將活性的溶解性有機(jī)碳算入了相對(duì)穩(wěn)定的MOC中，造成MOC的正誤差，尤其在溶解性有機(jī)碳含量較高的土壤中。因此，建議以后對(duì)SOC物理分組時(shí)，盡量不要用SOC與某組分有機(jī)碳的差值代替其他組分的有機(jī)碳含量。

本文化學(xué)分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOCC）占SOC的比例約為45.9%，略高于Eusterhues等［22］對(duì)歐洲云杉林的研究結(jié)果。Eusterhues等［22］通過固體13C核磁共振波譜發(fā)現(xiàn)，HF處理僅溶解土壤礦物和與土壤礦物絡(luò)合的有機(jī)質(zhì)，而不與礦物結(jié)合的有機(jī)質(zhì)幾乎不受影響。因此，MOCC實(shí)為土壤礦物絡(luò)合吸附的有機(jī)碳。MOCC/SOC顯著低于MOCP/SOC，說明MOM中的有機(jī)碳并非完全與土壤礦物絡(luò)合。實(shí)際上，MOM中MOCC僅占60.6%左右，因此，SOC的物理分組過高量化了MOC含量。其他研究也得出了相同結(jié)論，Lopez-Sangil 和 Rovira［26］利用連續(xù)的化學(xué)分離量化MOC，結(jié)果表明，MOM中僅有55%～75%的有機(jī)碳是受礦物化學(xué)保護(hù)的。棕色針葉林土的MOCC/SOC僅有37.6%，顯著低于其他兩種土壤，體現(xiàn)了棕色針葉林土風(fēng)化程度低，土壤黏土礦物少，對(duì)SOC化學(xué)保護(hù)能力差。

3.2 不同森林土壤不同層次中黑碳（BC）的分布

盡管BC含量隨土層深度降低，然而BC/SOC卻表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，這可能有以下幾方面原因：（1）伴隨著黑碳的降解，土壤水分的流動(dòng)與生物擾動(dòng)作用等促使BC向深層土壤遷移［27］；（2）表層的BC更易被循環(huán)火氧化，而深層土壤微生物活性差以及與土壤礦物的絡(luò)合作用等，降低了BC被降解的可能性；（3）表層BC占SOC的比例容易被大量的新鮮有機(jī)碳源所稀釋，而深層有機(jī)碳輸入低，對(duì)BC的稀釋作用弱；（4）在有機(jī)質(zhì)的降解過程中，BC由于其自身的生物化學(xué)惰性而被選擇性富集［13］；（5）由于BC駐留時(shí)間長(zhǎng)，不排除部分深層BC是在某一時(shí)期內(nèi)由表層BC受地形因素作用而被埋藏于深層土壤中，如在坡積作用明顯的中、下坡位。此外，本研究區(qū)BC/SOC平均在0.17～0.36范圍內(nèi)，基于相關(guān)研究［20，24］，BC占SOC的比值可以反映土壤中BC的來源，比值在0.5左右表明BC主要來自化石燃料燃燒，因此，本研究區(qū)黑碳主要來源于生物質(zhì)燃燒。

BC在礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)（MOM）中所占比例以及MOM中BC/OC隨土深的增加，體現(xiàn)出黏土礦物對(duì)BC吸附的增強(qiáng)，棕色針葉林土BC于MOM中分配的比例顯著低于其他兩種土壤，說明其對(duì)BC化學(xué)保護(hù)能力低。MOM中BC/OC約為24.9%，高于Wang等［6］所研究的濕地土壤的15.6%。類似地，Lorenz等［28］利用Na2S2O2氧化法分離BC，最終黏、粉粒組分共剩余約23.6%的有機(jī)碳，與本研究結(jié)果接近。然而，盡管BC主要分布于MOM中，但A層BC與黏粉粒的相關(guān)性并不顯著，說明表層MOM中的大部分BC并未吸附于黏、粉粒表面，到了B層二者的相關(guān)性才達(dá)到極顯著水平，說明深層BC主要與黏、粉粒相結(jié)合。Brodowski等［29］結(jié)合掃描電子顯微鏡與X射線能量散布分析儀證實(shí)了這一觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)表層BC顆粒大多處于游離狀態(tài)，隨著土層的加深才逐漸吸附于黏土礦物表面。

本研究顆粒有機(jī)質(zhì)（POM）中BC/OC約為26.3%，略低于Wang等［6］對(duì)濕地土壤的研究結(jié)果。BC于POM中的存在以及POM中BC占OC的較高比例這些結(jié)果向顆粒有機(jī)碳（POC）屬于活性碳庫這一傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)提出挑戰(zhàn)。其他相關(guān)研究結(jié)果也表明，一定比例的BC存在于類似的活性組分中，孫金兵等［14］于長(zhǎng)白山森林土壤表層利用重鉻酸鉀氧化法發(fā)現(xiàn)輕組（LF，Light fraction，＜1.8 g cm-3）中BC/OC約為14.8%。大興安嶺林區(qū)火燒歷史久遠(yuǎn)，火燒殘留的木炭可以解釋POM中大部分的BC。Brodowski等［29］與Wang等［6］分別表明了POM中的BC主要為木炭。因此，在生物質(zhì)燃燒頻繁的生態(tài)系統(tǒng)中，提及POC時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎表明其屬于活性組分，因?yàn)镻OC并非一成不變地處于活性狀態(tài)。

3.3 大興安嶺不同森林土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳密度與固碳潛力

本文剖面（0.6 4 m）內(nèi)土壤有機(jī)碳密度（SOCD）為16.47 ±3.27 kg m-2，齊光等［30］于大興安嶺原始紅松林0.4 m剖面內(nèi)測(cè)定的SOCD約為14.38 kg m-2，按照其分析的SOCD隨土層變化趨勢(shì)估算，與本文所對(duì)應(yīng)剖面深度的SOCD將接近于本研究結(jié)果。本文利用連續(xù)的化學(xué)分離分析了兩種主要的穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳（SSOC），有利于清晰地理解SSOC的重要性。SSOC密度（礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳密度MOCCD與黑碳密度BCD）約為11.06±1.99 kg m-2，占SOCD的67.2%，說明大興安嶺森林土壤穩(wěn)定性強(qiáng)，其中，化學(xué)分離的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOCC）與黑碳（BC）分別貢獻(xiàn)了68.1%和31.9%。需要提及的是，灰色森林土SOCD、MOCCD與BCD均顯著高于其他兩種土壤，這并非其對(duì)應(yīng)的碳含量高，而是由于其土層厚度較深，因?yàn)榛疑滞恋陌l(fā)育過程既有一般森林土壤的淋溶淀積過程，又存在草原土壤的高度腐殖化過程，導(dǎo)致其土壤發(fā)育深厚，碳儲(chǔ)量顯著高于其他森林土壤。

暗棕壤黏粉粒含量高，因此，其碳飽和容量（CSC）顯著高于其他兩種土壤。碳飽和水平（CSL）與碳飽和虧缺（CSD）取決于CSC與當(dāng)前MOC含量，本文CSL約為49.9%，其中A層CSL約為97.8%，高于Wiesmeier等［7］于森林表層（0～10 cm）的93%。由于他們僅分析了表層土，因此得出森林土壤固碳潛力遠(yuǎn)低于農(nóng)田與草地。然而，本文深層土壤（B層）CSL僅有21.2%，說明深層森林土壤仍然可以儲(chǔ)存大量的SOC。此外，A層SOC與黏粉粒含量的相關(guān)性表明，表層SOC與黏粉粒吸附作用很低，從而說明在一定程度上森林表層土壤的碳飽和水平可能低于估算。而B層SOC與黏粉粒含量的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，說明深層土壤的CSL可能接近于實(shí)際值。固碳潛力（CSP）與CSL情況相反，深層土壤CSP達(dá)到了6.06 kg m-2，約為深層土壤有機(jī)碳密度（SOCD）的1.86倍，可見深層土壤固碳潛力之大。相反，A層CSP為0.10 kg m-2，僅為A層SOCD的1.0%。暗棕壤發(fā)育程度高，因此其固碳潛力最強(qiáng)，而盡管棕色針葉林土黏粉粒含量高于灰色森林土，但由于其土壤發(fā)育過淺，導(dǎo)致其固碳潛力最低。

前文所述的黑碳（B C）于顆粒有機(jī)質(zhì)（POM）中的存在也質(zhì)疑了一直以來關(guān)于碳飽和理論的觀點(diǎn)。Hassink［16］以礦物結(jié)合態(tài)碳庫為基礎(chǔ)估算土壤固碳潛力。隨后Six等［2］提出了碳飽和概念模型，將SOC分為四個(gè)庫：生物化學(xué)保護(hù)的碳庫、黏粉粒保護(hù)的碳庫、微團(tuán)聚體保護(hù)的碳庫以及未受保護(hù)的碳庫。他們認(rèn)為前三個(gè)碳庫的最大保護(hù)能力限制著SOC隨外源碳輸入的增加。這一碳飽和假設(shè)隨后通過將土壤有機(jī)碳庫具體地分離為可量化的組分而被陸續(xù)證實(shí)［4-5］。其中，生物化學(xué)保護(hù)碳庫僅是從黏粉粒組分中分離，未受保護(hù)碳庫主要為顆粒有機(jī)碳或者輕組有機(jī)碳等。然而，本研究表明，有相當(dāng)比例的BC存在于POM中，意味著生物化學(xué)穩(wěn)定的SOC可以存在于任何物理組分（粒級(jí)或者密度分組）中。而無論是Hassink［16］的經(jīng)驗(yàn)公式還是Six等［2］的概念模型，土壤的碳飽和理論均是以穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳為基準(zhǔn)，因此，鑒于BC于POM中的存在，POC在土壤碳飽和中的角色需要被重新考慮，在生物質(zhì)燃燒作為BC主要來源的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤固碳潛力將高于預(yù)估。基于計(jì)算，棕色針葉林土固碳潛力最低，然而由于其POM中BC含量高，提高了土壤固碳潛力。

4 結(jié) 論

本文利用物理粒級(jí)分組和化學(xué)分離量化了大興安嶺三種森林土壤的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）與黑碳（BC），并采用了Hassink的經(jīng)驗(yàn)公式基于土壤黏粉粒含量估算土壤固碳潛力。通過比較量化MOC的不同方法，發(fā)現(xiàn)粒級(jí)分組方法過高地估計(jì)了MOC含量，這一正誤差的產(chǎn)生是由于將礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)中的所有有機(jī)碳均視為MOC。依據(jù)BC/SOC比例，本研究區(qū)BC主要來源于生物質(zhì)燃燒。通過物理和化學(xué)方法結(jié)合，發(fā)現(xiàn)BC存在于所有粒級(jí)組分內(nèi)，而顆粒有機(jī)質(zhì)中BC的存在說明了顆粒有機(jī)碳并非傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的絕對(duì)活性?；谟?jì)算，發(fā)現(xiàn)表層土壤碳接近于飽和水平，然而由于表層SOC與黏粉粒結(jié)合程度低，這一結(jié)果可能高于實(shí)際碳飽和情況。而深層碳飽和水平很低，說明深層土壤的固碳潛力巨大。目前，現(xiàn)有的碳飽和模型與理論均以穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳為基礎(chǔ)，然而BC于顆粒有機(jī)質(zhì)中的存在打破了這一理論束縛，在生物質(zhì)燃燒頻繁的生態(tài)系統(tǒng)中，顆粒有機(jī)碳在土壤固碳潛力中的角色需要被重新評(píng)估。

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