長(zhǎng)白山森林土壤有機(jī)碳及其在團(tuán)聚體密度組分中的分布

孫穎，徐嘉暉，高菲，崔曉陽(yáng)

0 引言

土壤因其巨大的碳匯作用日益受到關(guān)注［1-2］，全球約1 500 Pg有機(jī)碳儲(chǔ)存于土壤中，約為大氣碳庫(kù)的2倍［3-4］。土壤有機(jī)碳庫(kù)輕微的變化將導(dǎo)致大氣CO2濃度較大的波動(dòng)［5］。Birdsey總結(jié)大量文獻(xiàn)得出森林土壤碳庫(kù)約占全球土壤碳庫(kù)的73%［6］，因此了解森林土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制對(duì)緩解溫室效應(yīng)和改善全球氣候至關(guān)重要［7］。Parton將土壤碳庫(kù)分為活性碳庫(kù)和惰性碳庫(kù)［8］，活性碳庫(kù)主要包括輕組有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳等，其在土壤中穩(wěn)定性較差，對(duì)環(huán)境變化極為敏感。惰性碳庫(kù)主要為重組有機(jī)碳，其在土壤中較為穩(wěn)定，利于有機(jī)碳的積累。因此，了解土壤輕、重組有機(jī)碳的分布格局對(duì)掌握有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和固定機(jī)制具有重要作用。輕組有機(jī)碳（LF-C）是介于新鮮有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)之間的，由未分解或部分分解的有機(jī)質(zhì)所構(gòu)成的短期土壤養(yǎng)分儲(chǔ)存碳庫(kù)，因此其周轉(zhuǎn)快、有效性高，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和碳收支變化具有重要意義［9］，Golchin［10］根據(jù)輕組有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的不同位置，將輕組有機(jī)碳進(jìn)一步分為游離在團(tuán)聚體外的游離態(tài)輕組有機(jī)碳（FLF-C）和包裹在團(tuán)聚體內(nèi)的閉蓄態(tài)輕組有機(jī)碳（OLF-C）；重組有機(jī)碳（HF-C）是與土壤礦物緊密結(jié)合的，腐殖化程度較高的一類有機(jī)質(zhì)，因此重組有機(jī)碳決定了土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性和質(zhì)量［11］。用物理方法可將土壤有機(jī)質(zhì)分為游離態(tài)輕組（FLF）、閉蓄態(tài)輕組（OLF）和重組（HF）［8，10］。團(tuán)聚體儲(chǔ)存了表層土壤近90%的有機(jī)碳［12］，它對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)是土壤發(fā)揮固碳潛力的基礎(chǔ)［13-14］。目前，大多數(shù)對(duì)密度分組的研究均是以全土為切入點(diǎn)，而相對(duì)忽視了團(tuán)聚體對(duì)各密度組分有機(jī)碳的分布所產(chǎn)生的影響。

長(zhǎng)白山森林生態(tài)系統(tǒng)是亞歐大陸東部保存最為完好的溫帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)之一，現(xiàn)仍保存著較大面積的原始森林；但20世紀(jì)以來(lái)，由于強(qiáng)烈的人為干擾，次生林的面積逐步增加［15-17］。本文以長(zhǎng)白山地區(qū)原始紅松林和闊葉次生林的表層土壤為研究對(duì)象，采用干篩法分析了有機(jī)碳于各粒級(jí)團(tuán)聚體的分布情況，并利用密度分組方法進(jìn)一步探討了團(tuán)聚體有機(jī)碳的密度分組情況，以探索有機(jī)碳在土壤中的穩(wěn)定機(jī)制。旨在為研究長(zhǎng)白山地區(qū)土壤固碳潛力和提高土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)白山腹地的吉林省撫松縣露水河林業(yè)局境內(nèi)（42° 20' ～ 42° 24' N，127° 29' ～ 128°00' E）。屬溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年降水量700 ～900 mm，年平均氣溫0.9 ～ 2.5℃。土壤類型為長(zhǎng)白山玄武巖臺(tái)地上發(fā)育的白漿土。屬于長(zhǎng)白山植物區(qū)系，地帶性植被為紅松針闊混交林，喬木層主要有紅松（Pinus koraiensis）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等，灌木層有毛榛子（Corylus mundshurica）、刺五加（Acanthopanax senticosus）、暴馬丁香（Syringa reticulate）等。由于上世紀(jì)50年代至80年代采伐干擾，原始林面積現(xiàn)已銳減，以白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）等為主的闊葉次生林面積大幅增加。

1.2 樣品采集與處理

2016年8月中旬，選擇典型的原始紅松針闊混交林樣地及毗鄰的次生楊樺林樣地（成對(duì)樣地，30 m×30 m），每種林型3次重復(fù)。為避免環(huán)境差異對(duì)結(jié)果的影響，樣地的海拔、坡度、坡向和坡位等立地因子基本一致。每個(gè)樣地按S型選取5個(gè)采樣點(diǎn)，分別按0～5 cm、5～15 cm深度取樣。取樣時(shí)保持土壤原狀，用塑料盒帶回實(shí)驗(yàn)室。剔除石礫及肉眼可見的動(dòng)植物殘?bào)w，陰涼處自然風(fēng)干。利用四分法，部分樣品保持原狀進(jìn)行團(tuán)聚體分組，部分研磨過100目篩，編號(hào)備用。

1.3 測(cè)定方法

土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分級(jí)采用干篩法［18-19］。稱取一定量的風(fēng)干土樣，利用孔徑為2、1、0.25 mm的土壤篩將樣品手動(dòng)篩分為＞2、1～2、1～0.25、＜0.25 mm 4個(gè)徑級(jí)的樣品，分別稱重并取部分研磨過100目篩測(cè)定土壤有機(jī)碳。

土壤有機(jī)碳各組分的分離方法參照［20-22］，稱取風(fēng)干土樣20.00 g置于100 ml離心管中，加入密度為 1.85 g/cm3的NaI 溶液,輕輕搖動(dòng)離心管,靜置30 min后，以4 000 r/min離心30 min,采用虹吸法收集游離態(tài)輕組組分（FLF）于孔徑為0.45 μm的微孔濾膜的抽濾器中，重復(fù)操作至無(wú)可見輕組物質(zhì)，用去離子水洗滌，轉(zhuǎn)移至已稱重器皿中50℃低溫烘干、稱重。離心管內(nèi)的沉淀再次加入NaI溶液，搖勻，利用超聲波以460 J/ml的能量分散團(tuán)聚體，團(tuán)聚體破壞后釋放的閉蓄態(tài)輕組組分（OLF）同上進(jìn)行離心、抽濾、重復(fù)、洗滌、烘干、稱重。離心管內(nèi)沉淀的重組（HF）用去離子水離心洗滌、收集、烘干、稱重。將以上得到的各組分樣品研磨過100目篩，用CHN元素分析儀直接測(cè)定有機(jī)碳濃度并將單位統(tǒng)一換算為g/kg土。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進(jìn)行T檢驗(yàn)和相關(guān)分析，單因素方差分析采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。利用Excel2007軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)碳在全土及團(tuán)聚體中的分布特征

兩種林型的全土有機(jī)碳（SOC）含量差異顯著（P＜0.05）。在0～5、5～15 cm土層，楊樺次生林SOC含量分別達(dá)原始紅松林的1.35和1.56倍（表1）。表層土壤總有機(jī)碳含量顯著高于亞表層，兩種林型SOC自表層至亞表層均降低了60%以上。與全土有機(jī)碳相似，各級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量自0～5 cm至5～15 cm也顯著降低。原始紅松林和楊樺次生林不同徑級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量均以1～0.25 mm團(tuán)聚體為主，兩林型層間均值分別為26.2 g/kg和30.0 g/kg，占SOC的37.0%和30.8%。其中原始紅松林＜0.25 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最低層間均值為11.7 g/kg，僅占SOC的15.4%，而楊樺次生林以1～2 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最低層間均值為18.2 g/kg，占SOC的18.1%。綜合兩種林型團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的分布特征，研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的分配比例由高到低依次為1～0.25、＞2、1～2、＜0.25 mm。

表1 兩種森林類型下全土和各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及比例Tab.1 Organic carbon content and proportion in bulk soil and each size of aggregates under two forest types.

2.2 有機(jī)碳在土壤密度組分中的分布特征

兩林型下土壤各密度組分的有機(jī)碳含量由表層至亞表層顯著降低，F(xiàn)LF-C、OLF-C和HF-C原始紅松林分別降低了94.3%、83.9%和51.3%；楊樺次生林分別降低了87.9%、76.2%和34.3%。而各密度組分有機(jī)碳占全土有機(jī)碳的比例，兩林型的FLF-C/SOC、OLF-C/SOC均顯著下降，降幅在原始紅松林可達(dá)82.6%和50.5%；楊樺次生林可達(dá)67.0%和35.1%，但原始紅松林和楊樺次生林的HF-C/SOC隨著土層的加深卻分別升高了48.6%和79.1%（表2）。這說(shuō)明，輕組有機(jī)碳（LF-C）對(duì)表層土壤有機(jī)碳的積累影響顯著，但隨著土層的加深LF-C的影響逐漸減弱，而HF-C則逐漸相對(duì)累積。楊樺次生林土壤各組分有機(jī)碳含量均高于原始紅松林，其中FLF-C和OLF-C均達(dá)到顯著水平，而表層HF-C則差異并不明顯；從各密度組分占SOC的比例來(lái)看，次生林的FLF-C/SOC和OLF-C/SOC較原始林高13.5%和1.1%，而HF-C/SOC則低14.6%，且差異顯著（表2）?？梢姡中筒町悓?dǎo)致了LF-C的積累差異，而對(duì)HF-C的影響較小。

表2 兩種森林類型土壤密度組分的有機(jī)碳含量及比例Tab.2 Organic carbon content and proportion in density fractions separated from soils under two forest types.

圖1 土壤團(tuán)聚體中不同密度組分的有機(jī)碳含量（g·kg-1）和比例（%）Fig.1 Organic carbon content (g·kg-1) and proportion (%) in different density fractions of soil aggregates

2.3 有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體密度組分中的分布特征

如圖1所示，隨著團(tuán)聚體徑級(jí)的減小，0～5 cm和5～15 cm層的各密度組分有機(jī)碳含量的分布規(guī)律一致，但兩林型間卻差異顯著。原始紅松林的FLF-C和HF-C在1～0.25 mm團(tuán)聚體中含量最高，層間均值分別為9.53、17.46 g/kg，OLF則在1～2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高，層間均值為0.89 g/kg；楊樺次生林的FLF-C的峰值出現(xiàn)在＜0.25 mm團(tuán)聚體中，層間均值為17.21 g/kg，OLF和HF則均以＞2 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最高，層間均值分別為1.94 g/kg和17.88 g/kg。從各密度組分在不同徑級(jí)團(tuán)聚體的分布比例上看，兩林型的FLF-C主要分布在＜1 mm的小團(tuán)聚體中，平均占SOC的69.0%，而OLF-C和HF-C則主要分布在大團(tuán)聚體中（＞0.25 mm），平均分別占SOC的87.6%和84.2%。綜合兩種林型土壤團(tuán)聚體中各密度組分有機(jī)碳分布特征，各密度組分表現(xiàn)出隨著團(tuán)聚體徑級(jí)的減小，F(xiàn)LF-C逐漸增大，而OLF-C和HF-C則逐漸降低的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）楊樺次生林表層和亞表層土壤的有機(jī)碳含量均顯著高于原始紅松林，但重組有機(jī)碳（HFC）的比例卻顯著低于后者。這表明即使次生演替促進(jìn)了土壤對(duì)有機(jī)碳的固持，但也降低了土壤有機(jī)碳庫(kù)的整體穩(wěn)定性。因此，在長(zhǎng)白山地區(qū)加強(qiáng)原始森林資源的保護(hù)并促進(jìn)次生林生態(tài)恢復(fù)，對(duì)增加穩(wěn)定性土壤碳庫(kù)具重要意義。

（2）相比于游離態(tài)輕組有機(jī)碳（FLF-C）和閉蓄態(tài)輕組有機(jī)碳（OLF-C），HF-C在兩林型不同團(tuán)聚體中的分配相對(duì)穩(wěn)定，這表明HF-C在穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳的固持中起著主導(dǎo)作用。

（3）OLF-C一般不足總有機(jī)碳的5%，其分配比例隨著團(tuán)聚體粒級(jí)的減小逐漸降低。這部分有機(jī)碳在團(tuán)聚體的保護(hù)下相對(duì)穩(wěn)定，增加了土壤穩(wěn)定性碳庫(kù)的儲(chǔ)量。

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