大興安嶺北端地形因子對針葉林土壤黑碳儲量的影響

王明哲，崔曉陽，李斯雯，張偉波，趙華晨

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

森林土壤碳庫約占全球土壤有機(jī)碳庫的70%，是森林生物量碳庫的 2～3 倍和大氣碳庫的 1.4 倍，其有機(jī)碳庫的變化可引起大氣CO2濃度的明顯改變[1]，森林土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中占有至關(guān)重要的地位。準(zhǔn)確評估森林土壤碳儲量的大小及其穩(wěn)定性，對我國森林碳匯管理具重要理論和現(xiàn)實(shí)意義[2]。黑碳(BC)是生物質(zhì)或化石燃料不完全燃燒[3]或巖石風(fēng)化[4]形成的一種含有芳香環(huán)的高聚物，普遍存在于大氣和土壤中[5-6]，因其具有高度芳香化結(jié)構(gòu)，生物和化學(xué)穩(wěn)定性較高，并能夠以千年的時間尺度存在，因此被認(rèn)為是陸地緩慢碳庫的重要組成部分[7]。已有一些研究表明，BC與有機(jī)碳(OC)的比例為5%～45%[8-9]。黑碳的化學(xué)惰性使其具有較強(qiáng)的抗降解能力，在森林生態(tài)系統(tǒng)固碳方面發(fā)揮著很大的作用[7]。如Lehmann等[10]發(fā)現(xiàn)在模擬2個澳大利亞稀樹草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對氣候變化響應(yīng)時，若考慮黑碳的作用，碳排放可減少18%～25%。黑碳具有超強(qiáng)的吸附能力，可以吸附有機(jī)污染物與重金屬以降低污染物的環(huán)境風(fēng)險，同時吸附營養(yǎng)鹽以增加土壤肥力[11]。有研究表明[4,12]，黑碳可以作為良好的指示劑，以記錄歷史上發(fā)生在沉積物及冰芯中較大規(guī)模的火災(zāi)事件。另外，黑碳在生物地球化學(xué)循環(huán)及全球氣候變化中也有著不可或缺的作用[13]。

林火可使土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌y以分解的碳形式(如黑碳，BC)，顯著提升土壤碳儲存[14]。Chapin等[15]發(fā)現(xiàn)在此之前的20年里，森林火燒區(qū)域在北方增加了1倍，由于火燒大量的CO2被排放到大氣中，同時也產(chǎn)生了一部分極為穩(wěn)定的BC[16]，土壤黑碳長時間的存在和積累有助于減緩大氣CO2濃度[6]。大興安嶺地處我國寒溫帶，該地區(qū)森林群落演替和生態(tài)系統(tǒng)功能受到林火的影響不容忽視。迄今為止，國內(nèi)外已經(jīng)對大氣[17]、農(nóng)田[8,18]、城市[19]、草地[9]等的黑碳含量進(jìn)行了測定，但該區(qū)域森林土壤碳庫中黑碳的重要性尚未引起高度重視。因此，本研究在區(qū)域氣候、土壤性質(zhì)和植被較為一致的條件下，深入調(diào)查大興安嶺森林土壤黑碳儲量及地形因子對其產(chǎn)生的影響，為準(zhǔn)確評估我國寒溫帶森林的碳匯功能提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)為黑龍江省大興安嶺北端(122°36′06″～125°04′11″ E，51°57′46″～53°20′15″ N)地區(qū)，涵蓋十八站、圖強(qiáng)、阿木爾、塔河等林業(yè)區(qū)域，南部與呼中、新林等林業(yè)區(qū)域相鄰。區(qū)域夏季炎熱，持續(xù)時間短，冬季寒冷，持續(xù)時間長，屬寒溫帶大陸性氣候，最高和最低氣溫分別出現(xiàn)在6—7月和1月，年平均氣溫為-4.94 ℃，降水一般集中在7—8月，興安落葉松(Larixgmelinii)為主的針葉林為該區(qū)的地帶性植被。該區(qū)原始森林曾在20世紀(jì)60—80年代被大面積采伐，導(dǎo)致原始興安落葉松針葉林十分罕見。經(jīng)過采伐干擾后的林分恢復(fù)，除殘留或更新后的興安落葉松外，還有部分白樺(Betulaplatyphylla)(占30%～50%)，其林相比原始針葉林更為稀疏。區(qū)內(nèi)地形相對緩和，坡度一般為10°～25°，海拔主要在300～500 m。寒溫帶針葉林下發(fā)育的棕色針葉林土(暗瘠寒凍雛形土，CST)是該區(qū)地帶性土壤類型，其母質(zhì)大多為片麻巖風(fēng)化坡積物或花崗巖。

土壤黑碳積累受成土因素及火燒歷史的多方面影響。據(jù)研究，火燒在該區(qū)發(fā)生次數(shù)較多[6]，林火周期十分漫長，故被認(rèn)為是影響森林生態(tài)系統(tǒng)演替的重要因素之一。因此，在具有“普遍性”的林火干擾歷史背景下，地形因子進(jìn)一步被認(rèn)為與土壤黑碳積累和散布關(guān)系緊密。為研究與地形因素之間的聯(lián)系，在此區(qū)域內(nèi)，依據(jù)上、下坡位和陰、陽坡向的不同選擇有代表性的興安落葉松林地，對稱選取20塊樣地(規(guī)格為20 m × 20 m)。該區(qū)域內(nèi)海拔引起的差異較小，故不予探討。

1.2 樣品采集與分析

于2014年8月進(jìn)行采樣。在各樣地代表性區(qū)域設(shè)置1個主剖面，除去枯枝落葉后按發(fā)生層分別取樣，依次為凋落物層(O)、腐殖質(zhì)層(A)、過渡層(AB)、淀積層(B)、母質(zhì)層(C)。由于O、A層有較大的空間變異性，故在這兩層另隨機(jī)選取兩個輔助樣點(diǎn)。將土壤樣品帶回并取出根系，無損風(fēng)干，將每塊樣地3個重復(fù)的剖面樣品進(jìn)行整合，每層3個重復(fù)樣品(1主+2輔)研磨過孔徑2 mm的篩，細(xì)土混勻后作為代表該樣地的混合樣。

土壤黑碳的分離方法參照文獻(xiàn)[5,20-21]，采用HF/HCl處理的重鉻酸鹽氧化方法。土壤黑碳和有機(jī)碳含量用CHN元素分析儀 (Heraeus Elementar Vario EL, Hanau, Germany) 測定，單位換算成 g/kg。各層土體的BC密度(面密度)按下式計(jì)算：

E=H×d×D×(1-G)×10-2。

(1)

式中：E表示土體的BC密度(面密度)，kg/m2；H表示土壤樣品中的BC含量，g/kg；d表示土壤體積質(zhì)量，g/cm3；D表示發(fā)生層厚度，cm；G表示土體土壤中>2 mm的石礫量占比，%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 16.0和Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用Sigmaplot 10.0軟件作圖，不同坡位、坡向的土壤黑碳采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，對土壤黑碳與坡度變量做線性回歸分析，判定土壤黑碳積累的主控因素采用多元逐步回歸分析的方法：坡位、坡向?yàn)榉诸愖兞?，使用啞變?dummy variable)為其賦值[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡位對針葉林土壤黑碳儲量的影響

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖1)，各土層BC含量變化范圍為0.24～59.13 g/kg，隨土層深度增加而不斷降低，各土層BC密度(面密度)變化范圍為0.02～3.64 kg/m2，A層密度最大(占全剖面的50.3%)，具有明顯表層集聚效應(yīng)；但不隨土層深度的增加而下降，B層高于AB層，O層顯著低于A層。1 m剖面土壤BC密度為1.21～6.85 kg/m2，平均值為3.06 kg/m2。各土層黑碳與有機(jī)碳的比率(BC/OC)為3.7%～42.5%，隨土層深度增加呈不斷增加的趨勢(除C層)。從圖1可知，不同土層BC含量均顯示下坡位高于上坡位，且A層差異達(dá)到顯著水平；坡位對BC密度影響更加顯著，從1 m剖面來看，下坡位BC密度比上坡位高47.6%，可見，BC分布受坡位的影響較大；各土層BC/OC均表現(xiàn)出下坡位高于上坡位的趨勢，但差異均未達(dá)到顯著水平，說明坡位對BC/OC值的影響不大。

O.凋落物層litter layer;A.腐殖質(zhì)層humus horizon;AB.過渡層transition horizon;B.淀積層illuvial horizon;C.母質(zhì)層parent material horizon。下同The same below.不同大寫字母表示相同土層不同坡位間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同坡位不同土層間差異顯著(P<0.05) Different capital letters indicate significant differences (P<0.05) among different slope positions in the same soil layer, and different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among different soil layers in the same slope position.圖1 不同坡位對各土層黑碳含量、密度及黑碳與有機(jī)碳比率的影響 Fig.1 Effects of different slope positions on the black carbon content, black carbon density and the ratio of BC to OC (BC/OC) in each soil layer

2.2 坡向?qū)︶樔~林土壤黑碳儲量的影響

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖2)，各土層BC含量(除O層、C層)，BC密度(除O層)，黑碳與有機(jī)碳比率(除C層)，均表現(xiàn)出陽坡高于陰坡的趨勢，但均未達(dá)到顯著差異水平，說明坡向?qū)C分布影響較小。1 m剖面陽坡BC密度比陰坡高10.5%，可見坡向?qū)C儲量影響不及坡位大。

不同大寫字母表示相同土層不同坡向間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同坡向不同土層間差異顯著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant differences (P<0.05) among different slope aspects in the same soil layer, and different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among different soil layers in the same slope aspect.圖2 不同坡向?qū)Ω魍翆雍谔己?、黑碳密度及黑碳與有機(jī)碳比率的影響Fig.2 Effects of different slope aspects to the black carbon content, black carbon density and theratio of BC to OC (BC/OC) in each soil layer

2.3 坡度對針葉林土壤黑碳儲量的影響

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖3)，A層土壤BC密度與坡度無顯著相關(guān)，然而若上下坡分組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，雖然上下坡點(diǎn)據(jù)分布不集中，但有明顯分群的趨勢，這會在一定程度上導(dǎo)致整體相關(guān)關(guān)系的顯著性。而比較B層和全部1 m剖面，則下坡BC密度與坡度呈顯著正相關(guān)(df=9，F(xiàn)=22.20、5.70，P<0.05)，上坡BC密度與坡度無顯著相關(guān)性。從本研究所得數(shù)據(jù)看，下坡位坡度明顯小于上坡位，因此坡位可能是由于坡度、水分等間接因素的不同從而影響土壤黑碳含量的。

圖3 不同土層的土壤黑碳密度與坡度的相關(guān)性分析Fig.3 The correlation analysis between the soil black carbon density and slope in different soil layers

2.4 土壤黑碳分布的主控因素

將坡度、坡向和坡位作為自變量，土壤BC密度作為因變量，參照全部樣地的數(shù)據(jù)做逐步回歸分析，根據(jù)判定系數(shù)大小量化不同因子對其變異的綜合解釋能力與變異影響的相對重要性。由于該研究區(qū)域坡向?qū)谔挤植加绊戄^小、坡度與坡位呈負(fù)相關(guān)，故坡向與坡度未進(jìn)入方程，坡位可獨(dú)立解釋A層變異的42.1%、1 m剖面的46.0%。由偏相關(guān)分析(表1)可以看出，坡位對A層與1 m剖面土壤黑碳密度的影響比坡度大。綜上可得，研究區(qū)內(nèi)各地形因子中坡位是影響土壤BC密度差異的主控因素。

表1 土壤黑碳密度與坡位、坡度的相關(guān)性分析

3 討 論

研究表明，大興安嶺北端土壤黑碳(BC)儲量具有明顯表層集聚效應(yīng)，一般是表土層高于枯枝落葉層，這與Deluca等[23]的報(bào)道一致。Lynch等[24]和Carcaillet[25]的研究也發(fā)現(xiàn)，表層中黑碳含量在整個土壤層中占比最高。干濕交替、凍融交替和動物活動等可使BC向下發(fā)生遷移，在熱帶沙質(zhì)氧化土的研究中發(fā)現(xiàn)，將BC混合添加到土壤中后會緩慢發(fā)生向下遷移的現(xiàn)象，分析認(rèn)為土壤動物擾動以及土壤水分流動等現(xiàn)象是BC向深層土壤遷移的動力[26]。本區(qū)土壤黑碳沿剖面向下遷移可能有以下幾方面原因：首先，水分流動。生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的黑碳熱轉(zhuǎn)化程度較低，極性較高，且?guī)в性S多官能團(tuán)[27-28]，容易被生物和非生物氧化[29-30]，從而產(chǎn)生更多的羧基和酚基官能團(tuán)，如Knicker等[31]通過13C核磁共振譜發(fā)現(xiàn)在火燒后短時間內(nèi)，BC發(fā)生了氧化反應(yīng)。氧化增加了水溶性，能夠隨水分向下移動，如Hockaday等[32]在火干擾下的森林土壤孔隙水中發(fā)現(xiàn)了BC的存在。第二，可能是由于凍融作用，導(dǎo)致黑碳破碎，為黑碳進(jìn)一步氧化提供了更大的表面積[33]。劉兆云等[34]在研究林地土壤中黑碳出現(xiàn)及分布特點(diǎn)的過程中發(fā)現(xiàn)，土壤中黑碳顆粒大小會隨著剖面深度的增加而向減小的趨勢發(fā)展，并認(rèn)為可能與物理作用有關(guān)。黑碳向下遷移當(dāng)然還可能與動物活動有關(guān)，特別是蚯蚓、白蟻等穴居動物[26,35]。

國際上至今尚無一致的土壤黑碳的分離檢測方法，不同方法對同一樣品測定所得到的數(shù)據(jù)可能有數(shù)倍的差距[5,16,36]，因此導(dǎo)致不同研究者獲取的數(shù)據(jù)很難進(jìn)行比較[37-38]。為了便于討論，本研究僅選用與其分離和測定方法相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。張履勤等[39]研究了土地利用方式對紅壤和黃壤碳黑積累的影響；王陽等[40]研究了不同類型林地土壤黑碳的分布規(guī)律；薛麗佳等[36]研究了武夷山土壤有機(jī)碳與黑碳的分配特征；本研究中所得黑碳與有機(jī)碳的比率(BC/OC)與上述研究結(jié)果吻合。BC/OC的值隨深度的變化說明黑碳含量依土層減小的程度沒有有機(jī)碳含量依土層減少的程度大，可見對比非黑碳成分而言黑碳向下遷移的程度更大。Brodowski等[18]在研究德國耕地土壤中BC對穩(wěn)定腐殖質(zhì)的貢獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，最大的BC密度出現(xiàn)在表層以下。還有一種可能就是由于黑碳的穩(wěn)定性，坡積母質(zhì)剖面較深處的黑碳主要是早期積累的，黑碳占有機(jī)碳總量的比例隨剖面加深呈增長趨勢，表明黑碳比其他有機(jī)組分更穩(wěn)定[34]，有機(jī)碳中黑碳分解速率遠(yuǎn)低于非黑碳成分分解速率。另外，還有一種可能是黑碳和底層礦物的相互作用，加大了底層土壤黑碳對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。據(jù)報(bào)道，黑碳被生物或非生物氧化后不僅增加了水溶性，而且產(chǎn)生的羧酸化芳香結(jié)構(gòu)對深層土壤的礦物相具有強(qiáng)烈的吸引力[33]。Glaser等[35]觀察到大量的黑碳出現(xiàn)在代表有機(jī)-礦物復(fù)合體的中密度組分,特別是黏質(zhì)土壤中；Brodowski等[18]觀察到隨著土層深度增加，黑碳越來越多地出現(xiàn)在粗粉砂和砂質(zhì)及重的礦物組分中，顯示黑碳與此類大小的礦物相互作用，并且被保存。

侵蝕和再堆積過程可改變土壤碳庫在空間上的分布[41]，地形作為成土過程中的重要因素，不但控制著地表和土壤中水熱資源的分布，還改變了土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程和強(qiáng)度[42]。坡位是重要的地形因子之一，地上植被的生長狀況、地下碳輸入、土壤微環(huán)境和理化性質(zhì)等都會受其影響而改變，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳和黑碳的儲量與分布[7]。研究區(qū)各土層BC含量和密度與BC/OC值均表現(xiàn)出下坡高于上坡的趨勢，可能是由于上坡的BC和OC在雨季易受到雨水沖刷而流向下坡，從而導(dǎo)致上坡流失的部分聚集在下坡[43]，如在老撾北部，即使沒有經(jīng)常遭受火燒，在斜坡底部的香蕉種植園的部分剖面上仍出現(xiàn)了BC[20]。在浙江省亞熱帶地區(qū)的堆積區(qū)與侵蝕區(qū)，相同深度的土層中，BC含量前者與后者相差達(dá)數(shù)倍以上，而且沉積區(qū)在較深的土層中仍保留高量BC[41]，而且上坡土壤的有機(jī)質(zhì)可通過凋落物獲得補(bǔ)充，黑碳的輸入?yún)s需要經(jīng)過火燒，無法得到及時補(bǔ)充；相反下坡土壤物理結(jié)構(gòu)性能較好，養(yǎng)分結(jié)構(gòu)合理，較為濕潤，有機(jī)質(zhì)含量也相對較高，火燒后轉(zhuǎn)化成BC的概率大，另外下坡人為活動相對頻繁，因此更容易發(fā)生火燒[43]。對于不同坡向而言，由于陽坡陽光比較充足，溫度相對較高、更干燥，有機(jī)層較薄，其碳庫中碳的周轉(zhuǎn)速度和分解都較快，火燒相對徹底從而產(chǎn)生大量BC進(jìn)入土壤，而陰坡溫度低、濕度大，地表燃燒物不充分，因此可能降低了進(jìn)入土壤中BC的量[43]。另外，溫暖干燥的陽坡土壤中，BC與礦質(zhì)土壤結(jié)合變得更加穩(wěn)定，受后來火燒干擾程度較小，而后來的林火也促進(jìn)了BC儲量的增長[7]。這與Kane等[44]的研究結(jié)果是一致的，但張穎妮[43]在福建省的研究中發(fā)現(xiàn)，不同坡向的黑碳含量為東坡<南坡<西坡<北坡，造成這種截然不同的結(jié)論可能是由于受到地理位置、植被類型、氣候條件、火燒風(fēng)向、火燒頻率、人為活動等的影響。

大興安嶺地區(qū)是林火高發(fā)區(qū)，本研究分析得出坡位是影響大興安嶺北端寒溫帶針葉林森林土壤黑碳分布的主控因子，然而，復(fù)雜地形下森林土壤黑碳儲量比較難以估算，所謂的主控也是相對的。此外，可以歸結(jié)于兩方面原因：一是影響森林土壤黑碳儲量的因素有很多, 如火燒狀況(包括火燒時間、火燒頻率、火燒面積、火燒強(qiáng)度等)、地形因子、土壤性質(zhì)等，而本次研究考慮的因素比較單一，僅包括地形因子；二是實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差，如采樣過程中產(chǎn)生的層界定誤差,洗滌過程中造成的黑碳損失等。本研究在不同地形因子條件下所得的土壤黑碳儲量的信息可部分解釋大興安嶺地區(qū)土壤黑碳分布規(guī)律，可為不同區(qū)域森林土壤黑碳相關(guān)研究提供參考。