大兴安岭白桦林和兴安落叶松林土壤活性有机碳动态特征1)

李书杨 满秀玲 魏红

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤活性有机碳是指在一定时空条件下受植物、微生物影响强烈，具有一定溶解性，在土壤中移动变化快，易氧化分解，易矿化，对植物及土壤微生物来说活性较高的碳组分[1]，对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持具有重要意义[2]。土壤碳库的变化主要发生在活性碳库里，土壤活性有机质相对非活性有机质更加敏感，它直接参与土壤生物化学转化过程，是土壤生物活动能源和土壤养分的驱动力[3-4]，且土壤活性碳库的变化很大程度影响着土壤碳库[5]。对土壤活性有机碳的研究是了解森林土壤碳库动态及其调控因子的重要方面[6]。相关研究表明，不同森林林型活性有机碳季节变化规律不完全相同，易受植被类型影响[7]，同时，由于承载的凋落物与根系分泌物不同，不同森林类型间形成的土壤碳库尤其是活性有机碳库也会产生差异[8]，且土壤各组分碳的质量分数早已成为土壤肥力和现代碳循环的重要研究内容[9]。因此，研究同一地区不同森林类型活性有机碳质量分数及其分配比例以及响应因子对揭示森林植被对土壤碳库的影响具有重要意义。

近几年，有关土壤碳的研究主要集中在不同土地利用类型[10-12]、不同植被类型[13]及不同人为干扰强度[14-15]土壤活性有机碳的差异及影响因子。大兴安岭是我国重要的林业生产基地，目前有关该地区活性有机碳的研究还比较少[16]。本文以大兴安岭地区地带性植被兴安落叶松(Larixgmelini)林和典型的天然次生林，即白桦林(Betulaplatyphalla)为研究对象，探讨大兴安岭地区兴安落叶松林和白桦林土壤活性有机碳质量分数与分配比例。旨在揭示大兴安岭地区兴安落叶松林和白桦林土壤活性有机碳质量分数变化特征及响应因子，为大兴安岭地区森林演替初期和顶级阶段土壤碳蓄存潜力的研究、土壤碳素在生态系统循环中的作用以及缓解温室效应的研究提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江漠河森林生态系统国家定位观测研究站，地理坐标为53°17′～53°30′N，122°6′～122°27′E，本区属我国高纬度寒温带季风区，冬季漫长寒冷，夏季短暂湿热。日温持续≥10 ℃的时期(生长季)自5月上旬开始，至8月末结束。全年温差较大，1月平均气温-30.9 ℃，极端最低气温在漠河为-52.3 ℃，年平均气温-4.9 ℃。≥10 ℃的积温为1 436～2 062 ℃，无霜期90 d左右。大兴安岭地区冬季在寒冷干燥的蒙古高压控制下以西北风为主，只有在强烈的冷锋过境时，才会产生降雪。全年降水量不大，年均降水量430 mm左右。土壤主要有棕色针叶林土、草甸土、沼泽土和冲积土等。棕色针叶林土是大兴安岭地区最具有代表性的土壤类别。主要森林类型有兴安落叶松林、白桦林、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)林和山杨(Populusdavidiana)林[17-18]。

2 试验方法

2.1 样地设置与样品采样

目前测定活性有机碳方法，化学方法中KMnO4氧化法(易氧化有机碳)、物理方法中密度分离法(轻组有机碳)以及湿筛法(颗粒有机碳)被认为是简单易行且广泛应用于土壤碳库的方法，它们均为土壤活性有机碳的重要指标[6]。实验依据典型性与代表性原则，在前期走访和踏查的基础上，选取典型地段设置3块白桦林样地和3块兴安落叶松林样地，面积为20 m×30 m，进行每木检尺，测定胸径、树高、郁闭度和密度，同时调查林下主要灌木种类(见表1)。分别在每一样地内沿对角线设置3个采样点，挖土壤剖面，采集0～5、>5～10 cm的土样，样品采集后带回实验室，去除土壤中植物根系、小枝干及石块等杂物，置于干燥阴凉处风干，一部分过0.15 mm筛供土壤总有机碳、全氮分析，一部分过2 mm筛供土壤易氧化有机碳、轻组有机碳及颗粒有机碳分析。

表1 样地林分基本特征

2.2 样品测定

土壤易氧化有机碳的测定：称2 g取过0.25 mm土壤筛的土壤样品置于150 mL塑料瓶内(控制在25 ℃条件下)，加入25 mL KMnO4溶液(浓度333 mmol/L)，密封瓶口，以200 r/min振荡1 h，4 000 r/min离心5 min，然后吸取上清液用去离子水按1/250稀释，在565 nm波长处进行比色，根据高锰酸钾浓度变化求出易氧化有机碳质量分数[19]。

土壤轻组有机碳的测定：将过2 mm筛的风干土样放在装有50 mL 1.8 g·cm-3NaI溶液的离心管中，搅拌后离心(4 200 r·min-1)、所得样品用0.01 mol·L-1CaCl2洗涤3次，抽滤后在60 ℃下烘干至恒质量，获得轻组物质干质量。根据轻组物质质量分数与总有机碳质量分数推算轻组有机碳质量分数[6]。

土壤颗粒有机碳的测定：取10.00 g过2 mm筛的干土，放入250 mL三角瓶，加入100 mL 5%的(NaPO3)6溶液，先手摇3 min，再用振荡器(200 r/min)振荡18 h。把土壤悬液过53 μm筛，反复用蒸馏水冲洗，将所有留在筛子上的物质在60 ℃下烘48 h至恒质量，根据颗粒占土壤的百分质量分数与总有机碳质量分数推算颗粒有机碳质量分数[6]。

土壤理化性质的测定：土壤各项理化指标的测定均采用常规方法，并作3次平行。其中，土壤有机碳质量分数采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮质量分数采用半微量凯氏法测定，pH采用电位法测定(V(水)∶V(土)=2.5∶1.0)土壤水分采用(105±2)℃烘箱烘干测定计算公式为：

W=(Wf-Wd)/(Wd-W0)。

式中：Wf为湿土和铝盒的总质量(g)，Wd为干土和铝盒的总质量(g)，W0为铝盒的质量(g)。

2.3 数据分析

采用SPSS单因素方差分析(one-way ANOVA)与LSD和DUNCAN相结合分析方法，比较不同数据组间差异。

3 结果与分析

3.1 土壤易氧化有机碳质量分数特征

易氧化有机碳是土壤有机碳中最具活性的组分之一，是土壤碳库变化快慢的指示性指标。由表2可知，不同森林类型易氧化有机碳质量分数随月变化呈现不同升降趋势。5—10月，白桦林0

表2 不同森林类型下土壤活性有机碳各组分质量分数的垂直分布及月动态g·kg-1

月份不同森林类型土层深度土壤轻组有机碳质量分数白桦林土层深度0

月份不同森林类型土层深度土壤颗粒有机碳质量分数白桦林土层深度0

注：同列不同大写字母表示同种林分相同土层随月差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同月份相同土层不同林分之间差异显著(P<0.05);表中数据为平均值±标准差。

3.2 土壤轻组有机碳质量分数特征

如表2所示，白桦林不同土层轻组有机碳质量分数均在8月出现最大值，兴安落叶松林0

3.3 土壤颗粒有机碳质量分数特征

由表2可以看出，白桦林在0

3.4 土壤活性有机碳组分分配比例

土壤活性有机碳占总有机碳的比例能很好地反映森林植被对土壤碳行为的影响结果[9]。结果表明，3种活性有机碳分配比例在生长季表现出良好的随土层深度增加而降低的特征。如表3所示，2种林型在0

不同森林类型轻组有机碳在生长季内呈现出单峰变化趋势，峰值出现的月份不近相同。如表4所示，白桦林在0

表3 不同森林类型下土壤易氧化有机碳分配比例的垂直分布及月动态%

注：同列不同大写字母表示同种林分相同土层随月差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同月份相同土层不同林分之间差异显著(P<0.05)；表中数据为平均值±标准差。

表4 不同森林类型下土壤轻组有机碳分配比例的垂直分布及月动态%

注：同列不同大写字母表示同种林分相同土层随月差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同月份相同土层不同林分之间差异显著(P<0.05)，表中数据为平均值±标准差。

由表5可以发现，生长季内土壤颗粒有机碳分配比例在白桦林和兴安落叶松林0

表5 不同森林类型下土壤颗粒有机碳分配比例的垂直分布及月动态%

注：同列不同大写字母表示同种林分相同土层随月差异显著(P<0.05)，同行不同小写字母表示相同月份相同土层不同林分之间差异显著(P<0.05)；表中数据为平均值±标准差。

3.5 土壤活性有机碳与土壤理化性质的相关性

土壤活性有机碳占总有机碳质量分数较少，但它可以在土壤总碳发生变化前反映土壤碳库的微小变化[32]。表6表明，易氧化有机碳、轻组有机碳、颗粒有机碳之间及其与总有机碳间均呈极显著正相关(P<0.01)，与前人研究结果一致[28-29]，说明3种活性有机碳从不同的角度诠释了土壤碳库的变化特征，且活性有机碳在很大程度上依赖总有机碳(69.99%～91.72%)，呈极显著正相关(P<0.01)，与氮、碳氮比也表现出了极显著的正相关性(P<0.01)且与全氮相关程度较大[6，29，33]，土壤全氮质量分数对衡量氮素供应状况至关重要，而碳氮比能够影响土壤微生物的代谢活动及有机质的矿化，两者直接影响植物生长发育[34-36]。本研究结果一方面说明了一定程度范围内，较高的碳氮比相比较高的氮元素质量分数更能反映出土壤状况，间接影响土壤有效碳的质量分数，另一方面也可以得出氮的矿化与各活性有机碳的分解转化是密切相关的。各活性有机碳与pH值呈显著性负相关(P<0.05)，说明各林分活性有机碳的积累在一定程度上会降低土壤pH值。土壤含水率(W)与兴安落叶松林土壤活性有机碳具有极显著正相关性(P<0.01)，但对白桦林影响不明显，仅颗粒有机碳呈显著相关(P<0.05)，且相关程度较低(0.391)，可能是由于土壤理化性质对不同森林类型土壤有机碳库的影响程度不同，是多种因素的共同作用[32，37]。

表6 不同林分类型土壤活性有机碳与土壤理化性质相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关；** 表示在0.01水平上极显著相关。

4 结论与讨论

本文对大兴安岭地区地带性植被兴安落叶松林和典型次生林(白桦林)土壤活性有机碳进行研究。结果表明，生长季旺期白桦林活性有机碳质量分数较高，而兴安落叶松林则表现出生长季初期和末期较高。2种林型各组分活性有机碳质量分数生长季动态的差异不同。生长季末期兴安落叶松林土壤活性有机碳质量分数均有明显回升的趋势(P<0.05)，且在10月回升幅度较大，这可能是由于生长季末期林内凋落物的堆积、针叶较慢的分解速率以及林下有机酸对土壤矿化的抑制使兴安落叶松林内各组分活性有机碳在10月发生大量积累[23-24，31]，而白桦林土壤活性有机碳变化规律各不相同。不同森林类型土壤活性有机碳质量分数随土层深度增加而减少[6，38-39]，且易氧化有机碳、轻组有机碳、颗粒有机碳生长季内在兴安落叶松林土壤波动范围分别为2.14～8.93、1.41～28.18、2.27～17.27 g·kg-1；白桦林则为3.73～6.86、4.25～23.39、6.08～19.53 g·kg-1。

土壤易氧化有机碳分配比例在不同森林类型0

不同组分活性有机碳之间及其与土壤理化性质的相关性中，各活性有机碳间均达到较高程度(0.793～0.932)极显著相关(P<0.01)，说明不同组分活性有机碳的来源存在差异，但它们均能够敏感地反映出土壤碳库的变化趋势。研究结果还表明，不同森林类型活性有机碳均与土壤总碳、氮以及碳氮比呈极显著正相关(P<0.01)，与pH值呈显著或极显著负相关，但土壤水分在不同森林类型内表现不同，这与前人研究结果一致[32，37]，本研究兴安落叶松林与土壤含水率表现出了更好的相关性。

由此可见，生长季内兴安落叶松林相比白桦林更利于土壤碳库的积累，且生长季旺期活性有机碳库较为稳定，揭示了大兴安岭地区次生白桦林向顶极群落(兴安落叶松林)演替的必然趋势。而2种林型对土壤碳库及其稳定性贡献的大小，有待进一步研究。