小興安嶺兩種林型的土壤有機(jī)碳研究

沃曉棠, 田松巖, 韓麗冬, 邵英男, 劉玉龍

(黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所)

小興安嶺兩種林型的土壤有機(jī)碳研究

沃曉棠, 田松巖, 韓麗冬, 邵英男, 劉玉龍

(黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所)

為闡明小興安嶺兩種原始紅松林土壤有機(jī)碳變化特征及其影響機(jī)制，采樣分析了云冷杉紅松林與椴樹紅松林土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳及土壤理化性質(zhì)。結(jié)果表明：兩種林型土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳含量垂直分布特征一致，均自上向下逐漸減少；土壤總有機(jī)碳與易氧化碳含量表現(xiàn)為：云冷杉紅松林<椴樹紅松林，同海拔高度變化(云冷杉紅松林<椴樹紅松林)一致(僅10—20 cm土層，云冷杉紅松林的兩個因子高于椴樹紅松林，但差異不顯著)，兩種林型土壤微生物量碳含量的差異在不同土壤層次有所不同，但差異均不顯著；兩種林型間土壤活性碳占總有機(jī)碳比率的差異在不同土層無一致的規(guī)律性；兩種活性碳、總有機(jī)碳與土壤全氮、C/N之間為顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。

椴樹紅松林; 云冷杉紅松林; 土壤有機(jī)碳

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，在全球碳循環(huán)中扮演著源、匯、庫的作用，具有重要地位[1]。在土壤碳庫中，土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，不僅為植物生長提供碳源，維持良好的土壤結(jié)構(gòu)，而且以CO2溫室氣體形式向大氣釋放碳，其積累和分解直接影響著全球碳平衡[2]。森林土壤有機(jī)碳庫占全球土壤有機(jī)碳庫的39%，其貯量的微小變化都可能引起大氣CO2濃度的顯著變化[3]。在全球氣候變化背景下，森林土壤有機(jī)碳庫已成為全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn)之一。不同森林植被下土壤承接其凋落物和根系分泌物類型不同，形成的土壤有機(jī)碳庫亦會有差別[4]。因此，研究同一地區(qū)不同森林植被下土壤有機(jī)碳含量與分布特征，對評價森林土壤質(zhì)量，管理土壤有機(jī)碳，應(yīng)對全球氣候變化具有重要意義。

近年來，一些學(xué)者就植被類型、地形、土壤理化性質(zhì)、土地利用方式、經(jīng)營管理措施對人工林土壤有機(jī)碳庫影響等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[5-9]，并取得了一定的成果, 但關(guān)于我國天然林土壤有機(jī)碳庫的系統(tǒng)研究和實測數(shù)據(jù)相對欠缺，特別是關(guān)于地處全球暖化敏感的中高緯度地區(qū)的小興安嶺林地土壤有機(jī)碳研究尤為欠缺。為此，本文以我國主要林區(qū)小興安嶺地區(qū)頂極群落——闊葉紅松林為研究對象，探討云冷杉紅松林和椴樹紅松林土壤有機(jī)碳含量分布特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，以期為估算區(qū)域森林土壤碳庫及評價該地區(qū)不同森林植被類型對土壤有機(jī)碳庫的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于黑龍江省伊春市豐林國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，地處小興安嶺南坡，海拔300～450 m，該區(qū)屬于中溫帶大陸性濕潤季風(fēng)氣候，地理坐標(biāo)為48°02′—48°12′N，東經(jīng)128°58′—129°15′E，年平均氣溫為-0.5℃，年降水量為680～750 mm，無霜期為100～110 d。地帶性土壤為暗棕壤。豐林國家級自然保護(hù)區(qū)是中國目前保存最完整、最典型的原始紅松林保護(hù)區(qū)，地帶性植被為溫帶針闊葉混交林，主要喬木樹種有：紅松(Pinuskoraiensis)、紫椴(Tiliaamurensis)、紅皮云杉(Pinuckoraiensis)、魚鱗云杉(Piceajezoensisvar.microsperma)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、花楷槭(Acerukurunduense)等。

1.2 樣地設(shè)置與樣本采集

2012年8月在研究區(qū)域內(nèi)確定云冷杉紅松林、椴樹紅松林兩種森林類型。每種森林類型內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個20 m×30 m固定樣地，共計6個樣地，樣地基本情況見表1。在每個固定樣地內(nèi)按對角線蛇形選擇12個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)用土鉆分0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm三層采集土樣。將采集的土樣低溫保存帶回實驗室，分成兩份，一份新鮮土樣去雜后過2 mm篩進(jìn)行微生物生物量碳(MBC)的測定，鮮土樣的測定在1周內(nèi)完成。另一部分自然風(fēng)干、去雜、過100目篩進(jìn)行土壤總有機(jī)碳(TOC)、易氧化碳(EOC)、全氮以及土壤基本理化性質(zhì)等指標(biāo)的測定。

表1 樣地基本情況

1.3 指標(biāo)測定方法

土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[10]。土壤易氧化碳采用高錳酸鉀氧化法測定[10]。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法測定[10]。土壤全氮采用凱氏定氮法測定[10]。土壤pH值采用pH 213型酸度計測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定，烘干法[(105±2)℃，12 h]測定土壤含水率[8]。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用方差分析(one-way ANOVA)檢驗森林類型和土層深度對土壤總有機(jī)碳含量、易氧化碳含量、微生物生物量碳含量的影響顯著性(顯著性水平設(shè)為0.05)。采用(Pearson)相關(guān)性檢驗方法分析土壤總有機(jī)碳含量、易氧化碳含量、微生物生物量碳含量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。應(yīng)用Excel 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型土壤有機(jī)碳含量及垂直分布特征

2.1.1 土壤有機(jī)碳含量分布特征 兩種森林類型土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳垂直分布特征相一致，即隨土層深度增加而逐漸降低(表2)。各林型土壤表層(0—10 cm)總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳含量與其它兩層(10—20 cm，20—30 cm)之間差異顯著(p<0.05)。云冷杉紅松林土壤總有機(jī)碳與易氧化碳在10—20 cm與20—30 cm土層之間差異顯著(p<0.05)，椴樹紅松林在兩層之間差異不顯著。兩種林型土壤微生物生物量碳在10—20 cm層與20—30 cm 層之間的差異相一致，均不顯著。

2.1.2 不同森林類型土壤有機(jī)碳含量 兩種林型土壤總有機(jī)碳、易氧化碳含量與微生物生物量碳含量范圍分別為：29.64±2.08～107.23±10.38 g/kg，4.57±0.27～17.35±1.55 g/kg，149.82±30.16～836.13±60.32 mg/kg。不同森林類型的植物根系分布、凋落物以及利用方式不同，其同一土層不同林型的土壤有機(jī)碳含量不同。土壤易氧化碳與總有機(jī)碳含量因不同森林類型的差異有較好的一致性，即在0—10 cm，20—30 cm土層，椴樹紅松林土壤總有機(jī)碳與易氧化碳含量均高于云冷杉紅松林；在10—20 cm土層則相反。兩種林型間土壤總有機(jī)碳含量差異在各土層中均不顯著；土壤易氧化碳含量差異在土壤表層顯著(p<0.05)，在其它土層不顯著(表2)。

不同土層土壤微生物生物量碳在兩種林型之間差異略有不同。在0—10 cm土層，云冷杉紅松林土壤微生物量碳含量(836.13 mg/kg)較高，椴樹紅松林(814.91 mg/kg)較低；在10—20 cm，20—30 cm土層，椴樹紅松林土壤微生物量碳含量均大于云冷杉紅松林，但差異均不顯著(表2)。

表2 不同森林類型土壤有機(jī)碳含量

注：表中所列為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，其后小寫字母不同表示同一林分不同土層之間差異水平，大寫字母不同表示同一土層不同林分之間差異水平(p<0.05)。下表同。

2.2 土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比率

兩種林型土壤易氧化碳占總有機(jī)碳比例為15.25%～18.00%，土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率為0.54%～0.94%，易氧化碳占總有機(jī)碳比例高于微生物量碳所占比例。易氧化碳占總有機(jī)碳比例在垂直分布上的差異因森林類型而有所不同，云冷杉紅松林沿土層垂直向下逐漸減少，且0—10 cm，10—20 cm土層顯著高于20—30 cm土層(p<0.05)；椴樹紅松林在不同土層變化趨勢不顯著。兩種林型土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率在垂直分布上有一致的變化規(guī)律，均沿土層垂直向下逐漸減少，其中，云冷杉紅松林0—10 cm土層微生物量碳占總有機(jī)碳比率顯著高于10—20 cm，20—30 cm土層(p<0.05)，椴樹紅松林土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率在不同土層差異不顯著(表3)。

兩種林型間土壤易氧化碳占總有機(jī)碳比率的差異因土壤深度而有所不同。在0—10 cm土層，云冷杉紅松林顯著高于椴樹紅松林(p<0.05)；在10—20 cm土層，云冷杉紅松林高于椴樹紅松林，但差異不顯著；在20—30 cm土層，椴樹紅松林顯著高于云冷杉紅松林(p<0.05)。兩種林型間土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率的差異在不同土層無一致規(guī)律，在土壤表層(0—10 cm)，云冷杉紅松林高于椴樹紅松林；在10—20 cm與20—30 cm土層則相反。各土層，椴樹紅松林與云冷杉紅松林之間土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率差異均不顯著(表3)。

表3 不同森林類型土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比率 %

2.3 土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

不同林型土壤全N、碳氮比(C/N)、pH、土壤容重分析結(jié)果見表4。隨著土層的加深，兩種林型土壤容重增大，土壤全氮減少。兩種林型土壤pH、C/N垂直分布無一致規(guī)律性。各土層中，云冷杉紅松林土壤全氮含量均低于椴樹紅松林，而土壤C/N、容重則相反。

土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳之間及二者與土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)分析表明，土壤易氧化碳與微生物生物量碳及二者與總有機(jī)碳均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與C/N呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。土壤總有機(jī)碳與pH相關(guān)關(guān)系不顯著，易氧化碳、微生物生物量碳與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)(表5)。

表4 不同森林類型土壤主要生態(tài)因子

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

表5 土壤各指標(biāo)的相關(guān)分析

**在0.01水平上顯著相關(guān)；*在0.05水平上顯著相關(guān)。

3 討 論

3.1 不同森林類型土壤有機(jī)碳含量的變化

林地土壤有機(jī)碳含量具有“表聚作用”[11]。本文中同一林型0—10 cm土層的土壤總有機(jī)碳含量是10—20 cm土層的2倍，是20—30 cm土層的3倍，說明兩種林型土壤有機(jī)碳含量的分布有很強(qiáng)的表聚性。路翔等[12]研究發(fā)現(xiàn)，中亞熱帶4種森林類型SOC含量隨土層深度增加逐漸降低。安曉娟等研究發(fā)現(xiàn)，亞熱帶天然次生林以及更新后4種類型的土壤有機(jī)碳含量都呈現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸降低的趨勢[13]。本文研究結(jié)果與這些研究結(jié)果相一致。本文中兩種林型土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳含量均由土壤表層向下逐漸降低，在剖面上垂直分布差異性顯著(p<0.05)，這主要是由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)主要作用于地表，且隨土壤深度的增加而減弱，因而土壤表層有機(jī)碳含量較高[14]。

馬和平等研究發(fā)現(xiàn)林地土壤總有機(jī)碳、易氧化碳和微生物量碳含量沿海拔梯度具有明顯的變化規(guī)律，即隨海拔升高逐漸增加。海拔升高，溫度降低，土壤動物和微生物群落的活性相對較低，土壤有機(jī)質(zhì)分解較慢，土壤呼吸強(qiáng)度減弱，有利于土壤有機(jī)碳的積累[15]。本文中，土壤總有機(jī)碳與易氧化碳含量變化同海拔高度變化(椴樹紅松林>云冷杉紅松林)一致(僅10—20 cm土層，云冷杉紅松林的兩個指標(biāo)高于椴樹紅松林，但差異不顯著)，即海拔較高的森林類型，其土壤總有機(jī)碳與易氧化碳含量也較高。此結(jié)論同馬和平等[15]關(guān)于土壤易氧化碳與總有機(jī)碳含量隨海拔高度降低而遞減的研究結(jié)果一致，表明海拔和土壤深度對總有機(jī)碳與易氧化碳含量具有顯著影響。另一方面，椴樹紅松林作為針闊混交林，相較于云冷杉紅松林(針葉混交林)具有較多的凋落物數(shù)量和根系分泌物，養(yǎng)分歸還量大，分解轉(zhuǎn)換較快，從而導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳含量較針葉林高。

本文中兩種林型之間差異在不同土壤層次上表現(xiàn)不一致，土壤表層(0—10 cm)云冷杉紅松林土壤微生物量碳含量較高，椴樹紅松林較低，其它土層則相反，這與馬和平等[15]研究結(jié)果不一致，可能與土壤 pH 值高低有關(guān)，從表5可以看出，土壤微生物生物量碳與pH呈顯著負(fù)相關(guān)。另一方面，椴樹紅松林地處海拔較高的山頂?shù)貛?，較低的溫度限制了土壤中好氣性微生物的活動，有機(jī)質(zhì)中能被微生物分解利用的部分相對較少，近而導(dǎo)致土壤微生物量碳較低。這進(jìn)一步證明了，微生物量碳是土壤活性有機(jī)質(zhì)中最活躍和最易變化的部分以及生物活性碳的復(fù)雜多變。綜上，兩種林型土壤微生物量碳含量的差異是森林類型、海拔、土壤環(huán)境等諸多因素共同作用的結(jié)果。今后還需進(jìn)一步加強(qiáng)不同森林類型土壤微生物量碳動態(tài)及調(diào)控機(jī)理研究。

3.2 不同森林類型土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比率

土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比率能充分反映森林土地利用類型對土壤碳行為的影響[16]。朱志建等研究表明易氧化碳是有機(jī)碳中穩(wěn)定性相對較差的碳，易氧化碳占總有機(jī)碳的比率越高，說明養(yǎng)分循環(huán)越快，土壤穩(wěn)定性越差，越不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[17]。本文中，0—10 cm與10—20 cm土層，云冷杉紅松林易氧化碳占總有機(jī)碳比率均高于椴樹紅松林，且在土壤表層差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。這就意味著云冷杉紅松林土壤穩(wěn)定性略遜于椴樹紅松林。

土壤微生物量碳含量與土壤有機(jī)碳總量的比值可以用來指示土壤碳的平衡、積累或消耗，預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)長期變化或監(jiān)測土地退化及恢復(fù)[18]。本文中，兩種林型間土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率的差異在不同土層無一致規(guī)律，在土壤表層(0—10 cm)，云冷杉紅松林高于椴樹紅松林，在10—20 cm與20—30 cm土層則相反，不同土層兩種林型間差異均不顯著。表明云冷杉紅松林與椴樹紅松林土壤碳的平衡、積累或消耗及土地退化、恢復(fù)等能力相當(dāng)，無顯著差別。

3.3 土壤主要指標(biāo)相關(guān)性

本文中易氧化碳與微生物生物量碳之間及二者與有機(jī)碳總量之間相關(guān)性均達(dá)極顯著(p<0.01)，表明不同林分類型土壤活性有機(jī)碳在很大程度上依賴于土壤總有機(jī)碳含量，另一方面，也說明活性碳之間關(guān)系密切。以上研究結(jié)果與姜培坤、朱志建等關(guān)于常綠闊葉林、馬尾松林和人工杉木林土壤有機(jī)碳總量與各活性碳之間以及各類活性碳之間相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平的研究結(jié)果相一致[4,17]。

路翔等研究顯示中亞熱帶4種森林類型SOC含量與全N含量的相關(guān)性均為極顯著[12]。本文相關(guān)分析表明：土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物量碳與土壤全氮、C/N之間相關(guān)性達(dá)顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)。表明，土壤中氮水平的差異會影響微生物的分解、利用速度，在某種程度上控制土壤有機(jī)碳水平，因而，與總有機(jī)碳具有顯著相關(guān)性的活性有機(jī)碳也與土壤全氮含量相關(guān)[19]。另一方面，土壤中微生物通過調(diào)節(jié)凋落物分解速率調(diào)控土壤中碳的周轉(zhuǎn)，是促使土壤中有機(jī)物和植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、循環(huán)的動力因素，土壤C/N是影響其群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因子。因此，土壤C/N勢必會影響土壤碳的形成和分解過程[20-21]。另外，土壤有機(jī)碳含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與相關(guān)研究結(jié)論一致[13,22]。

4 結(jié) 論

(1) 兩種林型土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳含量垂直分布特征一致，隨著剖面深度的增加逐漸降低。

(2) 土壤總有機(jī)碳與易氧化碳含量變化同海拔高度變化(椴樹紅松林>云冷杉紅松林)一致(僅10—20 cm土層，云冷杉紅松林的兩個指標(biāo)高于椴樹紅松林，但差異不顯著)，即海拔較高的森林類型，其土壤總有機(jī)碳與易氧化碳含量也較高。兩種林型土壤微生物量碳含量的差異在不同土壤層次上均不顯著，且無一致規(guī)律性。

(3) 0—10 cm與10—20 cm土層，云冷杉紅松林易氧化碳占總有機(jī)碳比率均高于椴樹紅松林，且在土壤表層差異顯著(p<0.05)。這就意味著云冷杉紅松林土壤穩(wěn)定性略遜于椴樹紅松林。兩種林型間土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率的差異在不同土層無一致規(guī)律，且差異均不顯著。表明小興安嶺地區(qū)云冷杉紅松林與椴樹紅松林土壤碳的平衡、積累或消耗及土地退化、恢復(fù)等能力相當(dāng)，無顯著差別。

(4) 土壤總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物生物量碳與土壤全氮、C/N之間呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。土壤易氧化碳與微生物量碳及二者與總有機(jī)碳均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。

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StudyonSoilOrganicCarbonunderTwoTypesofVegetationinSmallXing′anMountains

WO Xiao-tang, TIAN Song-yan, HAN Li-dong, SHAO Ying-nan, LIU Yu-long

(HeilongjiangForestryEngineeringandEnvironmentInstitute,Harbin150081,China)

To understand the characteristics of soil organic carbon and its correlations with soil properties in the two originalKoreanpineforests in Small Xing′an Mountains,KoreanPineandspruce-fixmixed forests,Tiliaamurensis—Pinuskaraiensismixed forests were selected in this study, and soil samples were analyzed for soil total organic carbon (TOC), easily-oxidized carbon (EOC), microbial biomass carbon (MBC) and basic properties. Results showed that there was the same character in vertical distribution that the contents of soil TOC, EOC and MBC in the two forest types all decreased with soil depth. Exception of the depth of 10—20 cm, the contents of soil TOC and EOC ranged in order as follow:KoreanPineandspruce-fixmixed forests

Tiliaamurensis—Pinuskaraiensismixed forests;KoreanPineandspruce-fixmixedforests; soil organic carbon

2013-11-15

：2014-01-08

黑龍江省省院科技合作項目(HZ201211);國家自然科學(xué)基金面上項目(41275154);黑龍江省財政廳自擬項目(2013-01SCZ);黑龍江省財政廳自擬項目(2013-02SCZ);黑龍江省財政廳自擬項目(2013-06SCZ)

沃曉棠(1976—),女, 黑龍江省齊齊哈爾市人,博士,高級工程師,主要研究方向:森林生態(tài)學(xué)。E-mail:woxiaotang-zhao@163.com

田松巖(1963—),男, 遼寧省大連市人,碩士,研究員,主要研究方向:森林生態(tài)學(xué)。E-mail:Tiansongyan2011@126.com

S714.2

：A

：1005-3409(2014)05-0013-05