亚热带不同林分土壤表层有机碳组成及其稳定性

商素云，姜培坤，2，* ，宋照亮，2，李永夫，2，林 琳，2

(1．浙江农林大学环境与资源学院，临安 311300;2．浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，临安 311300)

土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，森林土壤贮藏约787 Pg(1 Pg=1015g)有机碳，约占全球土壤碳储量40%［1］。森林土壤碳库作为全球碳循环重要的组成部分，其积累和分解的变化将对陆地生态系统碳贮藏和全球碳平衡产生直接影响［2］。土壤有机质与土壤众多理化性质和生物特性密切相关［3］，是衡量土壤肥力的一个重要指标，直接影响森林生态系统生产力和稳定性。鉴于森林土壤碳库在全球碳平衡和森林生态系统中的重要作用，林分类型和经营措施对森林土壤碳库的影响一直受到广泛关注［4-6］。

近年来，核磁共振(NMR)技术广泛应用于土壤有机碳结构的研究中。该方法在研究土壤碳库的化学组成方面具有很大的优势，特别是在土壤有机碳分解和腐殖化过程中，可以清晰表明有机碳中各种类型碳的相对分布［7-8］，通过计算不同类型碳组分含量的变化，可以确定有机碳结构特征和稳定性的变化。通过研究不同粒级土壤颗粒物理、化学性质和生物特性的变化，来探讨土壤有机碳的变化过程，被认为是一个很好的方法［8-9］。尽管国内外对土壤总有机碳和粒径组分碳含量进行了大量的研究［10-12］，但应用NMR技术研究亚热带森林土壤，特别是天然林改造成经济林后土壤总有机碳及粒径组分结构特征变化的研究非常少。

本研究选取亚热带代表性的天然林(常绿阔叶林和马尾松林)和目前亚热带经营强度较大的经济林(板栗林和雷竹林)作为研究样地。在测定研究区内不同林分下土壤总有机碳和粒径组分碳含量基础上，利用核磁共振技术研究上述4种林分土壤有机碳结构特征，探讨林分类别和经营措施对土壤总有机碳及粒径组分碳含量、结构和稳定性的影响，为亚热带区域固碳和森林土壤碳库管理提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

研究区设在浙江省临安市玲珑山，地理坐标为119°42'E，30°14'N。该区属中亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。一年之中，1月为最冷月，7月为最热月，年平均气温15．8℃，年均降水量1424 mm，无霜期236 d。土壤为发育于凝灰岩的黄红壤。在研究区内选择坡向(南坡)、坡度(10°—15°)、坡位(中坡)、海拔(330—370 m)基本一致的常绿阔叶林、板栗林、马尾松林和雷竹林。4种林地的基本情况如下:

(1)阔叶林，该地区的顶极群落，主要优势树种有青冈(Cyclobalanopsis glauca)、苦槠(Castanopsis sclerophylla)等，林龄约25a，平均胸径14．3 cm，郁闭度为70%。林下灌木种类有山苍子(Litsea cubeba)、山胡椒(Lindera glauca)等，覆盖度70%，该林地总面积为14．7 hm2。(2)马尾松(Pinus massoniana)林，生长历史在20a以上，平均胸径在10—13 cm，覆盖度在55%—75%，林下植被有连蕊茶(Camellia fraterna)、乌饭(Vaccinium bracteatum)等，该林地总面积为18．5 hm2。(3)板栗(Castanea mollissima)林，由阔叶林和针叶林两类天然林改造而来，林龄14a，种植密度415株/hm2，平均胸径14．4 cm，该林地总面积为4．3 hm2。每年除草2—3次并翻耕，每年施肥3次，年施肥量为1 kg/株复合肥。(4)雷竹(Phyllostachys Praecox)林，林龄14a，胸径3．5 cm，密度1500株/hm2，于1997年由常绿阔叶林幼林改造而来，该林地总面积为6．8 hm2。2003年起实行覆盖促成式栽培，其模式是:每年11月下旬至12月上旬给雷竹林地表覆盖有机物以增温避冷保湿，通常是在雷竹林地表先覆10—15 cm稻草，再在上面覆盖10—15 cm的砻糠，稻草用量40 t/hm2，砻糠用量55 t/hm2，翌年3、4月份揭去未腐烂的砻糠。

1．2 采样及分析方法

2010年3月上旬，在上述四种林地中，各选择面积为20 m×20 m的样地3个。在同一个样地内，分别挖掘3个土壤剖面，取0—20 cm土层样品。将同一样地内3个点取到的土壤混合，作为该样地的土壤样品。样品采集后，带回实验室，在室温下风干，除去砾石和根系后过2 mm钢筛，磨细待测。

(1)土壤基本性质测定 土壤pH值采用水浸提酸度计法(土∶水=1∶5);土壤有机碳用重铬酸钾外加热法测定;土壤全氮采用凯氏定氮;碱解氮用碱解扩散法;有效磷用Bray法;速效钾先用乙酸铵浸提，后在火焰光度计上测定。

(2)土壤粒度分级 超声分散湿筛法，分组方法参照［13-14］。获得粗砂(＞250 μm)，细砂(53—250 μm)，粉黏粒(＜53 μm)3部分，在60℃烘干、称重、磨细，用重铬酸钾外加热法测定各粒级含碳量。

(3)土壤有机碳核磁共振分析 样品在进行固态13C核磁共振波谱分析前进行HF预处理，目的是去除土壤中的Fe3+和Mn2+离子，提高仪器分析的信噪比，进而提高分析效率。HF预处理方法主要参考［15］。将HF预处理过的土壤样品进行固态魔角旋转-核磁共振测定(AVANCE II 300 MH)。实验采用7 mm CPMAS探头，观测评率为100．5 MHz，MAS旋转频率为5000 Hz，接触时间为2 ms，循环延迟时间为2．5 s。化学位移的外标物为六甲基苯(hexamethyl benzene，HMB，甲基17．33ppm(ppm为核磁共振波谱中化学位移的计量单位)。对谱峰曲线进行区域积分，获得各种类型碳组分的相对含量。

1．3 数据处理

所有数据均为3次重复的平均值。数据处理均在Microsoft Excel 2003和DPS7．05软件上完成。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和新复极差法(Duncan's Multiple Range Test)比较不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0．05。

2 结果

2．1 不同林分土壤基本理化性质分析

由表1可知，4种林分表层土壤(0—20 cm)pH值均呈强酸性，介于为4．10—4．47之间，其中马尾松林土壤pH值最高，板栗林最低。雷竹林土壤总有机碳含量在4种林分中最高，显著高于其他林地土壤，其后依次是阔叶林、马尾松林、板栗林，后3种林分土壤有机碳含量不存在显著性差异。4种林分土壤中，雷竹林的全N、碱解N、有效P、速效K含量均显著高于其他林地相应养分含量。土壤中不同粒径颗粒的分布，阔叶林、马尾松林和雷竹林土壤粒级结构相似:以粗砂为主，所占比例超过60%，细砂和粉黏粒含量相近;板栗林土壤仍以粗砂为主，但仅占48．08%，而细砂和粉黏粒含量较高。

2．2 不同林分土壤总有机碳及粒径组分有机碳分布

由图1可知，不同林分土壤相同粒径有机碳含量差异明显。粗砂和细砂粒级含碳量，均以雷竹林最高(分别是37．43 g/kg和36．93 g/kg)，显著高于其他林地，然后依次分别是阔叶林(18．05 g/kg和22．23 g/kg)、马尾松林(10．88 g/kg 和22．20 g/kg)、板栗林(6．14 g/kg 和10．57 g/kg)。粉黏粒的含碳量，则是马尾松林最高(30．25 g/kg)，阔叶林(21．68 g/kg)和雷竹林(19．16 g/kg)接近，板栗林(13．94 g/kg)最低。同一林分下，不同粒径土壤颗粒有机碳含量的差异也比较明显。马尾松林和板栗林不同粒径有机碳含量大小分布均为:粉黏粒＞细砂＞粗砂，存在显著性差异。阔叶林土壤中，细砂和粉黏粒碳含量较高，粗砂的碳含量最低，而雷竹林土壤中，则是粗砂和细砂的碳含量较高，粉黏粒的碳含量最低。

表1 不同林分土壤基本理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of the soils under different forest types

不同林分下粒径组分有机碳占土壤总有机碳的比例差异也很明显(图2):阔叶林、马尾松林和雷竹林土壤中，均为粗砂固定的碳占土壤总有机碳的比例最大，特别是雷竹林其比例高达71．08%，细砂和粉黏粒固定碳所占比例较小。而板栗林土壤中则是粉黏粒固定的碳所占比例最大，为43．83%。

图1 4种林分土壤有机碳在不同粒径中的分布Fig．1 Distribution of organic carbon in different sized particles of the soils under four forest types

图2 4种林分类型中不同粒径颗粒碳占总有机碳的比例Fig．2 The proportions of organic carbon in different sized particles to total organic carbon in the soils under four forest types

2．3 不同林分土壤总有机碳及粒径组分化学结构特征

2．3．1 土壤总有机碳NMR结构的比较

阔叶林、马尾松林、板栗林和雷竹林土壤总有机碳的固态13C核磁共振波谱如图3所示。4种林分土壤有机碳的核磁共振谱均包含4个明显共振区:烷基碳区(0—50 ppm)、烷氧碳区(50—110 ppm)、芳香碳区(110—160 ppm)和羰基碳区(160—220 ppm)，但其土壤有机碳核磁共振的信号强度是有差异的(表2)。阔叶林和马尾松林土壤有机碳中烷基碳的比例最大，分别为52．33%和42．62%;而板栗林和雷竹林则是烷氧碳的比例最高，分别为46．07%和68．26%。相比较而言，4种碳官能团中，芳香碳和羰基碳所占比例较少，其中芳香碳的比例是最小。雷竹林土壤芳香碳比例最高(8．12%)，显著高于其他3种林分。马尾松林的羰基碳显著高于雷竹林，但与阔叶林和板栗林没有显著性差异。土壤有机碳的A/O-A和疏水碳/亲水碳的比值按以下次序递减:阔叶林＞马尾松林＞板栗林＞雷竹林，并且存在显著性差异。雷竹林土壤有机碳的芳香度显著高于其他3种林分。

图3 4种林分土壤总有机碳核磁共振波谱Fig．3 Solid-state13C NMR spectra of total organic carbon in the soils under four forest types

2．3．2 粒径组分土壤有机碳的NMR结构特征

由图4可知，粗砂、细砂和粉黏粒土壤有机碳也都包含4个明显的共振区，其分布与总有机碳大致相似。由粗砂到粉黏粒，4种林分土壤表现出一定的变化趋势(表3)。随着颗粒变细，粒径有机碳中烷基碳的比例增加，烷氧碳比例下降，芳香碳和羰基碳则没有一致的变化趋势，A/O-A和疏水碳/亲水碳的比值呈增加的趋势，而芳香度没有一致的变化趋势。其中，雷竹林土壤，无论是粗砂、细砂还是粉黏粒，都是烷氧碳所占比例最大，烷基碳的比例明显低于其他林地土壤相应粒级，而芳香碳比例明显高于其他林地。在A/O-A值、芳香度和疏水碳/亲水碳这3个指标上，雷竹林土壤各个粒级均与其他林地土壤相应粒级存在较大的差异。

表2 不同林分类型土壤中不同有机碳官能团占总有机碳的比例Table 2 The proportions of different organic carbon groups to total organic carbon in the soils under four forest types

芳香度=芳香碳/(烷基碳+烷氧碳+芳香碳)×100%;疏水碳/亲水碳=(烷基碳+芳香碳)/(烷氧碳+羰基碳)

表3 4种林分类型土壤中不同粒径颗粒不同碳官能团分布Table 3 The proportions of different organic carbon groups to total organic carbon in the soils under four forest types

图4 4种林分土壤中不同粒径有机碳13C NMR图谱Fig．4 Solid-state13C NMR spectra of organic carbon in different sized particles in the soils under 4 forest types

3 讨论与结论

3．1 不同经营方式对土壤总有机碳及粒径组分碳含量的影响

天然林土壤有机碳主要来源于凋落物，人工林土壤有机碳含量则与经营措施密切相关。本研究中阔叶林植物物种丰富，地上生物量大，导致生物归还量大，所以土壤有机碳含量较高;马尾松林枯落物生物量较小，而且比较难分解，导致土壤有机碳含量较低［16］。板栗林和雷竹林均由天然林改造而来，两者的经营措施却不尽相同。雷竹林采取集约经营的管理模式，使土壤有机碳含量大幅增加［17-18］。板栗林处于幼林阶段，凋落物很少，加上每年多次除草并翻耕，使土壤原有的有机碳含量下降［19］，因此其土壤有机碳含量较低。

不同粒径的土壤颗粒，有机碳含量差异很大，一般来说，颗粒越细，有机碳含量越高。而本研究中雷竹林土壤的粗砂和细砂粒级碳含量显著高于粉黏粒，这是因为集约经营使雷竹林土壤有机碳增加的部分，主要固定在大团聚体中［20］。

3．2 不同经营方式对土壤有机碳NMR结构的影响

以往有关不同碳组分占土壤总有机碳比例的研究结果有很大的差异，若干研究结果［4，6-7］显示，烷氧碳在四种碳组分中所占比例最大，而Oades［21］和Chen［22］的研究结果表明，烷基碳所占的比例最高。本研究中不同林分的结果也表现出很大差异:阔叶林和马尾松林土壤中，烷基碳的比例最大，雷竹林和板栗林土壤中则是烷氧碳比例最高。不同的研究结果差异很大，可能与土地利用方式、土壤类型、气候特征以及经营方式有关。Mathers和Xu［4］研究显示，覆盖处理会增加土壤中烷氧碳的相对含量。这与本研究中采用覆盖措施的雷竹林土壤中烷氧碳比例最高是一致的。土壤有机碳的芳香结构组分主要来自枯落物的残留物和根系分泌物［6，23］。覆盖措施和雷竹地下部分大量竹鞭的分泌物使其土壤芳香碳比例显著高于其他林地。而板栗林土壤中烷基碳和芳香碳比例较低可能是除草措施造成的［6］。

本研究中，不同粒径中有机碳核磁共振图谱与土壤总有机碳相似，但表现出一定的变化趋势。随着颗粒变细，烷基碳比例增加，烷氧碳比例下降，这可能与碳水化合物被土壤微生物利用消耗和某些顽固组分(如聚亚甲基等)被保留下来有关［24］。从土壤形成演化的角度来说，随着土壤质地变细，不稳定的碳(烷氧碳)向稳定的碳(烷基碳)转化，土壤碳库渐渐稳定。

3．3 不同经营方式对土壤有机碳稳定性的影响

A/O-A值常作为有机碳分解程度的指标［25］。该比值愈大，土壤有机碳的稳定性愈高。但有学者认为，A/O-A值可能会受输入土壤的有机碳原始结构影响，不能准确体现土壤有机碳的稳定程度［4，24］。因此本研究采用疏水C/亲水C比值(通常该比值越大，表示有机碳和团聚体的稳定性越高［26-27］)和A/O-A值两个指标来表征土壤有机碳的稳定程度。芳香度可以反映有机碳分子结构的复杂程度，该值越大，表明芳香核结构越多，分子结构越复杂。

树种对土壤有机碳的含量和稳定性有一定的影响作用［25，28-29］。有研究表明马尾松人工林比阔叶人工林土壤稳定性高［28］，本研究中阔叶林的A/O-A和疏水C/亲水C值均大于马尾松林，说明阔叶林表层土壤比马尾松林土壤稳定性更高，可能是阔叶林树种组成不同造成的。雷竹林表层土壤有机碳含量虽然很高(34．78 g/kg)，但与砂粒结合的碳占总碳的86．46%，并且A/O-A和疏水C/亲水C值在4种林分中最小，均表明其土壤有机碳活性较大，处于不稳定的状态。这一点从土壤水溶性碳和土壤含烷氧碳含量呈极显著正相关(P＜0．01)也得到证明［30］。同时，雷竹林土壤有机碳的芳香度最大，说明其结构比较复杂。板栗林土壤有机碳含量最小，而且与阔叶林和马尾松相比，A/O-A和疏水C/亲水C值都较小，说明林下除草、翻耕不但减少板栗林土壤有机碳含量，并且降低了其有机碳的稳定性。

粉黏粒的物理保护作用是土壤有机碳保持稳定的一个重要途径。已有研究表明土壤中粉黏粒含量与土壤有机碳含量有较高的正相关性［31］。本研究中各粒径组分有机碳的 A/O-A值:粉黏粒＞细砂＞粗砂，与Chen［32］结果一致。这说明土壤颗粒越细，其结合的有机碳结构越稳定。换言之，粉黏粒中有机碳本身的结构比粗砂和细砂的稳定。而且最新研究表明，相对于高岭土和伊利石，由蒙脱石构成的黏粒土壤有机碳稳定性更高［33］。因此增加土壤中粉黏粒的相对含量，不但可以增加有机碳含量，还有利于提高有机碳的稳定性。土壤中粉黏粒的含量主要取决于成土母质，同时还受气候、土地利用方式、植被类型、经营措施等影响。而针对本研究涉及的4种林分，可通过在林下建立植物拦截，减少翻耕次数或免耕等措施减少水土流失来增大土壤碳储量和提高碳库的稳定性。

由本研究结果可以得出结论，植被类型、管理模式、耕作方式可以显著影响森林土壤有机碳含量及其在不同粒径中的分配和稳定性。对天然林地，树种对土壤有机碳的含量和稳定性有很大的影响作用，人工林除了受树种因素影响外，还与其管理措施密切相关。本研究中阔叶林土壤有机碳含量及稳定性均高于马尾松林，集约经营虽导致雷竹林土壤有机碳含量显著增加，但却降低了其稳定性，而林下除草、翻耕不仅使板栗林土壤有机碳含量下降，还降低了其稳定性。因此实施造林/再造林过程中，选取适当的树种，合理的管理措施，尽量减少水土流失，综合考虑对土壤有机碳储量和结构稳定性的影响，对增加局部地区碳储量，减缓全球气候变化过程意义重大。

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