大興安嶺白樺林和興安落葉松林土壤活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)特征1)

李書楊 滿秀玲 魏紅

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤活性有機(jī)碳是指在一定時(shí)空條件下受植物、微生物影響強(qiáng)烈，具有一定溶解性，在土壤中移動(dòng)變化快，易氧化分解，易礦化，對(duì)植物及土壤微生物來(lái)說(shuō)活性較高的碳組分[1]，對(duì)土壤碳庫(kù)平衡和土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力保持具有重要意義[2]。土壤碳庫(kù)的變化主要發(fā)生在活性碳庫(kù)里，土壤活性有機(jī)質(zhì)相對(duì)非活性有機(jī)質(zhì)更加敏感，它直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，是土壤生物活動(dòng)能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力[3-4]，且土壤活性碳庫(kù)的變化很大程度影響著土壤碳庫(kù)[5]。對(duì)土壤活性有機(jī)碳的研究是了解森林土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)及其調(diào)控因子的重要方面[6]。相關(guān)研究表明，不同森林林型活性有機(jī)碳季節(jié)變化規(guī)律不完全相同，易受植被類型影響[7]，同時(shí)，由于承載的凋落物與根系分泌物不同，不同森林類型間形成的土壤碳庫(kù)尤其是活性有機(jī)碳庫(kù)也會(huì)產(chǎn)生差異[8]，且土壤各組分碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)早已成為土壤肥力和現(xiàn)代碳循環(huán)的重要研究?jī)?nèi)容[9]。因此，研究同一地區(qū)不同森林類型活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分配比例以及響應(yīng)因子對(duì)揭示森林植被對(duì)土壤碳庫(kù)的影響具有重要意義。

近幾年，有關(guān)土壤碳的研究主要集中在不同土地利用類型[10-12]、不同植被類型[13]及不同人為干擾強(qiáng)度[14-15]土壤活性有機(jī)碳的差異及影響因子。大興安嶺是我國(guó)重要的林業(yè)生產(chǎn)基地，目前有關(guān)該地區(qū)活性有機(jī)碳的研究還比較少[16]。本文以大興安嶺地區(qū)地帶性植被興安落葉松(Larixgmelini)林和典型的天然次生林，即白樺林(Betulaplatyphalla)為研究對(duì)象，探討大興安嶺地區(qū)興安落葉松林和白樺林土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分配比例。旨在揭示大興安嶺地區(qū)興安落葉松林和白樺林土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征及響應(yīng)因子，為大興安嶺地區(qū)森林演替初期和頂級(jí)階段土壤碳蓄存潛力的研究、土壤碳素在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中的作用以及緩解溫室效應(yīng)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，地理坐標(biāo)為53°17′～53°30′N，122°6′～122°27′E，本區(qū)屬我國(guó)高緯度寒溫帶季風(fēng)區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短暫濕熱。日溫持續(xù)≥10 ℃的時(shí)期(生長(zhǎng)季)自5月上旬開(kāi)始，至8月末結(jié)束。全年溫差較大，1月平均氣溫-30.9 ℃，極端最低氣溫在漠河為-52.3 ℃，年平均氣溫-4.9 ℃?！?0 ℃的積溫為1 436～2 062 ℃，無(wú)霜期90 d左右。大興安嶺地區(qū)冬季在寒冷干燥的蒙古高壓控制下以西北風(fēng)為主，只有在強(qiáng)烈的冷鋒過(guò)境時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生降雪。全年降水量不大，年均降水量430 mm左右。土壤主要有棕色針葉林土、草甸土、沼澤土和沖積土等。棕色針葉林土是大興安嶺地區(qū)最具有代表性的土壤類別。主要森林類型有興安落葉松林、白樺林、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)林和山楊(Populusdavidiana)林[17-18]。

2 試驗(yàn)方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采樣

目前測(cè)定活性有機(jī)碳方法，化學(xué)方法中KMnO4氧化法(易氧化有機(jī)碳)、物理方法中密度分離法(輕組有機(jī)碳)以及濕篩法(顆粒有機(jī)碳)被認(rèn)為是簡(jiǎn)單易行且廣泛應(yīng)用于土壤碳庫(kù)的方法，它們均為土壤活性有機(jī)碳的重要指標(biāo)[6]。實(shí)驗(yàn)依據(jù)典型性與代表性原則，在前期走訪和踏查的基礎(chǔ)上，選取典型地段設(shè)置3塊白樺林樣地和3塊興安落葉松林樣地，面積為20 m×30 m，進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定胸徑、樹(shù)高、郁閉度和密度，同時(shí)調(diào)查林下主要灌木種類(見(jiàn)表1)。分別在每一樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，挖土壤剖面，采集0～5、>5～10 cm的土樣，樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室，去除土壤中植物根系、小枝干及石塊等雜物，置于干燥陰涼處風(fēng)干，一部分過(guò)0.15 mm篩供土壤總有機(jī)碳、全氮分析，一部分過(guò)2 mm篩供土壤易氧化有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳分析。

表1 樣地林分基本特征

2.2 樣品測(cè)定

土壤易氧化有機(jī)碳的測(cè)定：稱2 g取過(guò)0.25 mm土壤篩的土壤樣品置于150 mL塑料瓶?jī)?nèi)(控制在25 ℃條件下)，加入25 mL KMnO4溶液(濃度333 mmol/L)，密封瓶口，以200 r/min振蕩1 h，4 000 r/min離心5 min，然后吸取上清液用去離子水按1/250稀釋，在565 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行比色，根據(jù)高錳酸鉀濃度變化求出易氧化有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[19]。

土壤輕組有機(jī)碳的測(cè)定：將過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣放在裝有50 mL 1.8 g·cm-3NaI溶液的離心管中，攪拌后離心(4 200 r·min-1)、所得樣品用0.01 mol·L-1CaCl2洗滌3次，抽濾后在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量，獲得輕組物質(zhì)干質(zhì)量。根據(jù)輕組物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)推算輕組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[6]。

土壤顆粒有機(jī)碳的測(cè)定：取10.00 g過(guò)2 mm篩的干土，放入250 mL三角瓶，加入100 mL 5%的(NaPO3)6溶液，先手搖3 min，再用振蕩器(200 r/min)振蕩18 h。把土壤懸液過(guò)53 μm篩，反復(fù)用蒸餾水沖洗，將所有留在篩子上的物質(zhì)在60 ℃下烘48 h至恒質(zhì)量，根據(jù)顆粒占土壤的百分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)推算顆粒有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[6]。

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定：土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)的測(cè)定均采用常規(guī)方法，并作3次平行。其中，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用半微量凱氏法測(cè)定，pH采用電位法測(cè)定(V(水)∶V(土)=2.5∶1.0)土壤水分采用(105±2)℃烘箱烘干測(cè)定計(jì)算公式為：

W=(Wf-Wd)/(Wd-W0)。

式中：Wf為濕土和鋁盒的總質(zhì)量(g)，Wd為干土和鋁盒的總質(zhì)量(g)，W0為鋁盒的質(zhì)量(g)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS單因素方差分析(one-way ANOVA)與LSD和DUNCAN相結(jié)合分析方法，比較不同數(shù)據(jù)組間差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤易氧化有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

易氧化有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳中最具活性的組分之一，是土壤碳庫(kù)變化快慢的指示性指標(biāo)。由表2可知，不同森林類型易氧化有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨月變化呈現(xiàn)不同升降趨勢(shì)。5—10月，白樺林0

表2 不同森林類型下土壤活性有機(jī)碳各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布及月動(dòng)態(tài)g·kg-1

月份不同森林類型土層深度土壤輕組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)白樺林土層深度0

月份不同森林類型土層深度土壤顆粒有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)白樺林土層深度0

注：同列不同大寫字母表示同種林分相同土層隨月差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同月份相同土層不同林分之間差異顯著(P<0.05);表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 土壤輕組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

如表2所示，白樺林不同土層輕組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在8月出現(xiàn)最大值，興安落葉松林0

3.3 土壤顆粒有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

由表2可以看出，白樺林在0

3.4 土壤活性有機(jī)碳組分分配比例

土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例能很好地反映森林植被對(duì)土壤碳行為的影響結(jié)果[9]。結(jié)果表明，3種活性有機(jī)碳分配比例在生長(zhǎng)季表現(xiàn)出良好的隨土層深度增加而降低的特征。如表3所示，2種林型在0

不同森林類型輕組有機(jī)碳在生長(zhǎng)季內(nèi)呈現(xiàn)出單峰變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)的月份不近相同。如表4所示，白樺林在0

表3 不同森林類型下土壤易氧化有機(jī)碳分配比例的垂直分布及月動(dòng)態(tài)%

注：同列不同大寫字母表示同種林分相同土層隨月差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同月份相同土層不同林分之間差異顯著(P<0.05)；表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

表4 不同森林類型下土壤輕組有機(jī)碳分配比例的垂直分布及月動(dòng)態(tài)%

注：同列不同大寫字母表示同種林分相同土層隨月差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同月份相同土層不同林分之間差異顯著(P<0.05)，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

由表5可以發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)季內(nèi)土壤顆粒有機(jī)碳分配比例在白樺林和興安落葉松林0

表5 不同森林類型下土壤顆粒有機(jī)碳分配比例的垂直分布及月動(dòng)態(tài)%

注：同列不同大寫字母表示同種林分相同土層隨月差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同月份相同土層不同林分之間差異顯著(P<0.05)；表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.5 土壤活性有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，但它可以在土壤總碳發(fā)生變化前反映土壤碳庫(kù)的微小變化[32]。表6表明，易氧化有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳之間及其與總有機(jī)碳間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與前人研究結(jié)果一致[28-29]，說(shuō)明3種活性有機(jī)碳從不同的角度詮釋了土壤碳庫(kù)的變化特征，且活性有機(jī)碳在很大程度上依賴總有機(jī)碳(69.99%～91.72%)，呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與氮、碳氮比也表現(xiàn)出了極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)且與全氮相關(guān)程度較大[6，29，33]，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)衡量氮素供應(yīng)狀況至關(guān)重要，而碳氮比能夠影響土壤微生物的代謝活動(dòng)及有機(jī)質(zhì)的礦化，兩者直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育[34-36]。本研究結(jié)果一方面說(shuō)明了一定程度范圍內(nèi)，較高的碳氮比相比較高的氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)更能反映出土壤狀況，間接影響土壤有效碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另一方面也可以得出氮的礦化與各活性有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化是密切相關(guān)的。各活性有機(jī)碳與pH值呈顯著性負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說(shuō)明各林分活性有機(jī)碳的積累在一定程度上會(huì)降低土壤pH值。土壤含水率(W)與興安落葉松林土壤活性有機(jī)碳具有極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，但對(duì)白樺林影響不明顯，僅顆粒有機(jī)碳呈顯著相關(guān)(P<0.05)，且相關(guān)程度較低(0.391)，可能是由于土壤理化性質(zhì)對(duì)不同森林類型土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響程度不同，是多種因素的共同作用[32，37]。

表6 不同林分類型土壤活性有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；** 表示在0.01水平上極顯著相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)大興安嶺地區(qū)地帶性植被興安落葉松林和典型次生林(白樺林)土壤活性有機(jī)碳進(jìn)行研究。結(jié)果表明，生長(zhǎng)季旺期白樺林活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而興安落葉松林則表現(xiàn)出生長(zhǎng)季初期和末期較高。2種林型各組分活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)的差異不同。生長(zhǎng)季末期興安落葉松林土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有明顯回升的趨勢(shì)(P<0.05)，且在10月回升幅度較大，這可能是由于生長(zhǎng)季末期林內(nèi)凋落物的堆積、針葉較慢的分解速率以及林下有機(jī)酸對(duì)土壤礦化的抑制使興安落葉松林內(nèi)各組分活性有機(jī)碳在10月發(fā)生大量積累[23-24，31]，而白樺林土壤活性有機(jī)碳變化規(guī)律各不相同。不同森林類型土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而減少[6，38-39]，且易氧化有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳生長(zhǎng)季內(nèi)在興安落葉松林土壤波動(dòng)范圍分別為2.14～8.93、1.41～28.18、2.27～17.27 g·kg-1；白樺林則為3.73～6.86、4.25～23.39、6.08～19.53 g·kg-1。

土壤易氧化有機(jī)碳分配比例在不同森林類型0

不同組分活性有機(jī)碳之間及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性中，各活性有機(jī)碳間均達(dá)到較高程度(0.793～0.932)極顯著相關(guān)(P<0.01)，說(shuō)明不同組分活性有機(jī)碳的來(lái)源存在差異，但它們均能夠敏感地反映出土壤碳庫(kù)的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果還表明，不同森林類型活性有機(jī)碳均與土壤總碳、氮以及碳氮比呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH值呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，但土壤水分在不同森林類型內(nèi)表現(xiàn)不同，這與前人研究結(jié)果一致[32，37]，本研究興安落葉松林與土壤含水率表現(xiàn)出了更好的相關(guān)性。

由此可見(jiàn)，生長(zhǎng)季內(nèi)興安落葉松林相比白樺林更利于土壤碳庫(kù)的積累，且生長(zhǎng)季旺期活性有機(jī)碳庫(kù)較為穩(wěn)定，揭示了大興安嶺地區(qū)次生白樺林向頂極群落(興安落葉松林)演替的必然趨勢(shì)。而2種林型對(duì)土壤碳庫(kù)及其穩(wěn)定性貢獻(xiàn)的大小，有待進(jìn)一步研究。