大兴安岭天然林不同林分溶解有机碳变化特征

2019-10-19张成福程宇琪王雨晴潘思涵杨宇娜

水土保持研究 2019年6期

杜浩, 张成福, 程宇琪, 王雨晴, 潘思涵, 杨宇娜

(内蒙古农业大学沙漠治理学院, 呼和浩特 010010)

随着工业化发展，大气中二氧化碳(CO2)浓度增加引起的温室效应导致全球气候变暖。土壤是地球重要的碳库，其储量约为大气碳储量的2倍、植被储量的3倍[1]。由于土壤有机碳(SOC)储量巨大，其微小增加或减少都会显著影响大气中CO2浓度[2]。植被通过光合作用将大气CO2固定到植物体中，而植物每年以枯落物的形式将碳转移到土壤中，由此增加了植被和土壤的碳汇，相应地减少了大气中CO2的浓度。溶解有机碳(DOC)是SOC的重要来源，每年由土壤吸收的DOC约占矿质土壤层碳总量的19%～50%[3]。因此，研究不同林分中DOC变化对缓解全球变暖以及碳循环具有重要的意义。

森林中DOC动态以及生成DOC是一个复杂的过程，如植物种类对DOC产生的影响，枯枝落叶对DOC生成，不同研究有不同结果：Luan等[4]发现阔叶林比针叶林产生较多的DOC，而Currie等[5]则获得相反结果；熊丽等[6]对米槠天然林不同层DOC作了研究，发现下层土壤比上层土壤吸附DOC能力强；俞元春等[7]研究杉木林土壤DOC浓度与迁移，发现不同林分产生的DOC量不同；Zhang等[8]基于数学模型分析，发现DOC的产生不仅与树种有关，同时与每年森林枯落物的凋量有关，而森林枯落物依赖于森林年龄和树种组成。杨丽丽等[9]研究了在六盘山典型森林生长季的大气降水、穿透水、干流、枯落物渗漏水和主根系层土壤渗漏水的DOC浓度及其相应的通量变化。大部分研究主要集中在土壤中DOC的研究，而以水为载体，通过降雨对北方天然林中DOC变化研究较少。

本研究以大兴安岭3种典型天然林类型为研究对象。大兴安岭作为我国四大林区之一，占全国森林总面积的29.9%，是北方的重要组成部分[10]。而大兴安岭天然林在建国之期就开始大规模开采，出现火烧、整地、改造人工林等措施对森林系统出现干扰，进而使天然林碳含量发生变化，导致DOC出现变化。因此，研究大兴安岭天然林DOC动态变化，对森林生态系统中碳和森林生长有着重要的作用，有利于弄清森林演替对于SOC的形成机制的影响，为我国北方森林土壤碳储量做出科学依据。

1 研究方法

1.1 样地概括

研究区位于大兴安岭北段，内蒙古自治区呼伦贝尔根河林业局境内。地理坐标为50°05′01″—53°33′25″N，121°11′02″—127°01′17″E。属于典型的寒温带湿润季风性气候区，最高海拔1 451 m。年降水量约为400～500 mm，降雨主要集中在7、8月份，9月末—次年5月初为降雪期。年平均气温为-5.5℃，日较差高达20℃(图1)。年无霜期为80～90 d，冻结期210 d以上。地下有永冻层，个别地区30 cm以下为永冻层。林区境内河流较多，主要河流为根河，是林区内最大的河流。土壤类型主要有棕色针叶林土、灰色森林土、河滩森林土、草甸土、沼泽土。

注：数据来源于根河气象站。
图1 研究区月降水量和平均气温

1.2 样地布设

为尽可能保证对比条件的一致性，在野外踏查的基础上，选择坡向基本一致和土壤类型为棕色针叶林土，而只有植被类型有差异的地段作为研究样地。针对大兴安岭天然林，本研究选取有代表性的不同类型的林分，分别选取白桦林(Betulaplatyphylla)、白桦落叶松混交林和落叶松林(Larixgmelinii)3个样地，分别标记为BF，MLB，LF(表1)。在每个样地沿等高线选3条等高线，每条等高线相距50 m，分别布设一个采样点。进而取其有机质层和0—30 cm渗透水，并在每个样地布设树干径流收集装置。各样地植被基本情况见表1。

表1 各样地基本情况和主要植被特征

1.3 水样的采集

为了取树干径流，每个样地每种树木随机选取3棵，根据树的胸径，将聚乙烯塑料布和胶管从树干1.5 m处由上到下缠绕于树干，并用泡沫剂填充塑料布和胶管与树干之间空隙，用玻璃胶带密封塑料布与树干，再将胶管引入密封的塑料容器。在白桦落叶松混交林中，将收集到的白桦树干径流与落叶松树干径流溶液分别进行混合，测其DOC浓度。

为采集有机质层和0—30 cm土层中DOC，自制了内径为30 cm的渗透水收集器。收集器为平底盘，在盘底打孔，通过一定长度的塑料管与DOC溶液采样瓶相连。收集器布设时尽量保持有机质层的自然状态。在布设时先将有机质层整体切割抬起，然后放入收集器，最后将有机质层保持原样放在收集器上。将未扰动的土壤，土层厚度为30 cm，放入收集器，将土层上保留采集原状土上原有的有机质层，生长的草本和小灌木等林下植被。采样瓶放置于比收集器地势较低的地方，通过塑料管将采样瓶与收集器相连，使收集器收集的DOC溶液能够自然流入采样瓶。

DOC溶液收集时间为2016—2017年，为期2 a。每年从当地土壤解冻期6月1日开始到当年土壤冻结期10月1日结束。DOC溶液在每次降雨后及时收集，但在连续降雨超过1周的情况下每周采样1次。每次采样后，将各个样地采集的DOC溶液倒入100 ml的塑料瓶内。在实验室内DOC溶液储存于-4℃的冰箱内。试验期内共232个样品，各样地2 a研究期内野外采集样品数量见表2。

表2 各样地2 a研究期内野外采集样品数量

1.4 室内试验与数据统计分析

DOC溶液首先用0.45 μm滤纸过滤，使用美国TELEDYNE TEKMAR公司生产的TOC—Torch仪器测定DOC浓度。数据统计分析采用微软公司的MS—Excel软件和SPSS 22.0完成，采用单因素方差(ANOVA)分析对不同林分和不同水文分量DOC浓度进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 不同林分之间DOC浓度

从表3可看出，雨水通过林内后，不同林分DOC浓度均发生明显变化。对树干径流DOC浓度表现为:BF(60.12 mg/L)

有机质层中DOC浓度表现为：LF(34.45 mg/L)0.05)。

表3 天然林不同林分DOC平均浓度 mg/L

注：表内同一行不同大写字母表示不同林分之间差异显著(p<0.05);同一列不同小写字母表示不同水文量差异显著(p<0.05)；±标准误差。

2.2 林内各层的DOC浓度

由表3可知，其不同林分内各层中DOC浓度表现为：在BF表现为树干径流(60.12 mg/L)>有机质层(35.32 mg/L)>0—30 cm土层(26.23 mg/L)；在MLB表现为树干径流(172.77 mg/L)>有机质层(39.64 mg/L)>0—30 cm土层(37.08 mg/L)；在LF表现为(205.02 mg/L)>有机质层(34.45 mg/L)>0—30 cm土层(26.53 mg/L)。在不同林分中DOC浓度均表现出树干径流>有机质层>0—30 cm土层，且树干径流和有机质层及0—30 cm土层有显著差异(p<0.05)。

降水经过森林系统，植被表面、有机质层和土壤对雨水中的DOC进行淋洗、吸附和淋失等一系列变化，以及水量的变化，导致天然林不同林分各层DOC浓度产生差别(表4)。树干径流中DOC浓度与有机质层DOC浓度的差值，可反映有机质层输入林地DOC作用程度，其值均为正值，LF树干径流DOC浓度差值比较大(170.57 mg/L)，相比之下，BF差值比较小(24.8 mg/L)，说明落叶松林树干对DOC淋出作用较大。白桦林淋出比较弱，主要因为阔叶树干比针叶树光滑，雨水在树干滞留时间少，也可能阔叶叶面比针叶光滑，拦截和储存干沉降比较少。在不同林分内，有机质层中DOC浓度均高于0—30 cm土层，其差值均为正值，说明土壤层对有机质层输出DOC具有吸附固定作用。

表4 不同林分林内各层DOC平均浓度差别 mg/L

2.3 不同林分中DOC浓度不同月份动态

在不同林分中DOC浓度随月份变化而变化(图2)。不同林分降雨中DOC浓度随着月份变化差异不显著，无明显的变化规律。总体而言，白桦林、白桦落叶松混交林和落叶松林降雨中DOC浓度基本相同，分别为3.17，3.14，3.48 mg/L。在BF中，树干径流DOC浓度最大值出现在7月份，最小值出现在9月份，即表现为7月>6月>8月>9月；有机质层和0—30 cm土层中DOC浓度变化趋势相似，最大值出现在6月份，最小值出现在8月份，即有机质层表现为6月>9月>7月>8月，0—30 cm土层表现为6月>7月>9月>8月，除有机质层9月份，6月份和其他月份均差异显著(p<0.05)。在MLB中，树干径流DOC浓度最大值出现在7月份，最小值出现在9月，即7月>6月>8月>9月,但差异不显著(p>0.05)；有机质层DOC浓度最大值在6月，最小值出现在7月份，即6月>月8>9月>7月，6月份和8月份差异显著(p<0.05)；0—30 cm土层中DOC浓度最大值出现在9月，最小值在6月份，即9月>7月>8月>6月,且6月份和其他月份均差异显著(p<0.05)。在LF中，树干径流DOC浓度最大值出现在7月份，最小值出现在9月，即7月>6月>8月>9月；有机质层DOC浓度最大值出现在6月份，最小值出现在8月份，即有机质层表现为6月>7月>9月>8月；0—30 cm土层中DOC浓度最大值出现在6月，最小值在9月份，即6月>7月>8月>9月,但有机质层和0—30 cm土层各月份差异不显著(p>0.05)。

总之，各个林分中树干径流DOC浓度随着不同月份变化趋势相似，呈现出先升高后降低趋势，最大值在7月份，最小值在9月，且7月份和9月份差异显著(p<0.05)(除MLB)。各个林分中有机质层和0—30 cm土层DOC浓度变化趋势相似，在6月份最高，然后逐月降低，9月份DOC浓度又升高(除MLB中0—30 cm土层)。MLB中有机质层和0—30 cm土层DOC浓度随月份变化规律不明显。

注：不同小写字母表示同一水文量不同月份差异显著(p<0.05)。
图2 不同林分不同水文量DOC浓度月份动态

3 讨论

3.1 不同林分树干径流DOC浓度差异分析

由于降雨对树干、树叶表面的冲刷和淋洗，导致降雨经过树干过程中径流中DOC浓度达到最大，且不同树干径流中DOC浓度也不同。本研究结果表明，落叶松树干径流中DOC浓度明显高于白桦树干径流，且不同林分中树干径流中DOC浓度均明显高于有机质层和0—30 cm土层。这一结果与前人研究结果相似[9,11]。造成不同树种之间树干径流中DOC浓度主要和树皮形态、胸径、树干的粗糙等有关，这些因素会造成雨水在树干滞留时间不同，从而影响树干径流中DOC浓度差异[12]。也可能与沉积在树干表面的可溶性有机材料有关[13]。落叶松树干比较粗糙，有多层的树皮，雨水在落叶松树干停留时间相对较长，雨水对树干的淋洗更突出，其树干径流中的DOC浓度明显高于桦树树干径流。桦树树皮光滑，雨水在树皮滞留时间少，树干径流中DOC浓度相对较低。同时也与降雨对树冠的淋洗强度有关，有研究发现针叶林叶面相比阔叶林容易拦截和储存大量的干沉降，使得针叶林淋洗较强[9]。本研究中，树干径流中DOC浓度均达到最大值，变化范围为60.12～205.02 mg/L。高于温带和亚热带一些地方的针叶林和阔叶林树干径流中DOC浓度[12,14]。造成这些差异可能与森林结构、树种种类和气候条件不同有关。影响树干径流DOC浓度因素复杂，需进一步研究。

3.2 不同林分有机质层和0—30 cm土层中DOC浓度差异分析

造成有机质层和土层中DOC差异，主要因为不同林分内植被类型数量、凋落物量、微生物种类、根系分泌以及雨水对凋落物的冲洗等不同造成的。本研究发现白桦落叶松混交林有机质层和0—30 cm土层中DOC平均浓度均高于白桦林和落叶松林。这与郭璐璐[15]、肖慈英[16]等研究结果相似。土壤矿质层DOC的来源有机质层释放淋溶的DOC、矿质层微生物死亡释放的DOC和根系分解过程中释放的DOC，但有机质层释放淋溶的DOC是土壤矿质层DOC的主要来源[17-18]。森林生物多样性和枯落物凋落量影响了DOC产生。陆地生态系统90%以上的地上部分净生产量通过枯落物的方式返回地表[19]，每年总枯落物碳生产量与陆地生态系统净第一性生产量基本相当[20]。DOC是有机物分解过程中产生的半分解物溶于水的部分，而有机物分解受微生物影响。牛晓燕等[21]基于本研究试验样地分析了大兴安岭天然林演替对于土壤微生物的影响，发现土壤微生物种类呈现先增多后减少的动态变化，即白桦落叶松混交林土壤微生物多样性丰富。另外，白桦落叶松混交林物种丰富(表1)，凋落物组成比较复杂，使得混交林的枯落物混合物易被微生物分解[16]，有机质快速分解导致了有机质层释放更多的DOC，这是造成混交林中DOC浓度最高的原因。落叶松林和白桦林0—30 cm土层中DOC浓度差异不大，影响土壤DOC浓度变化因素不确定，可能环境因素和生物因素同时作用，所以很难确定0—30 cm土层中DOC浓度变化差异主要因素，这些浓度变化的原因比较复杂，值得进一步研究。

本研究发现，不同林分均表现出有机质层DOC平均浓度均高于0—30 cm土层，与前人研究结果一致[6,9,22]。舒洋等[23]对土壤碳密度分布研究发现有机质碳随着土层深度加深而降低。范跃新等[24]发现DOC含量随着土层加深明显降低，并向腐殖质层富集。这主要原因是与土壤中的DOC在一定程度上受土壤总有机碳的影响，随着土壤的加深，总有机碳减少，另外，土壤下层中微生物和有机质层种类不同，且下层受影响比较小，在土壤中有机碳分解时间长，有效性同时也降低[25]。也有可能是大兴安岭土不同林分土层较薄、垂直根系浅以及地下有永冻层，影响着微生物的活性，随着土层深度越明显，造成有机质层DOC平均浓度高于0—30 cm土层。

3.3 不同月份DOC浓度差异分析

本研究发现各林分树干径流中DOC浓度随不同月份变化规律相似，均出现先升高后降低的趋势。吕茂奎等[14]报道过树干径流DOC浓度旱季高于雨季，与本文研究结果相似。造成这不同月份的差异的原因可能是冬季之后，树干比较干燥，可能沉积含有可溶性有机物的干燥有利的物质。6月份开始降雨量少，6—7月份降雨量逐渐增加(图1)，对树干干燥可溶性有机物质进行冲洗，导致了白桦和落叶松树干径流中DOC浓度开始有上升趋势，7月份达到最大。Ciglasch等[13]解释了较低降雨量DOC浓度较高原因，归于浓度效应或累积在干燥季节可溶性有机物质被洗涤。7—8月份降雨量增加，对树干的冲洗增加，大量的雨水对DOC浓度进行稀释，使得树干径流DOC浓度下降。

研究结果表明，不同林分中有机质层和0—30 cm土层DOC浓度总的趋势为6月份最高，7月、8月份最低，9月份又升高。本研究发现各样地有机质层DOC浓度最大值出现在6月份，这是由于冻融作用导致非溶性的有机质转化为DOC，及冬季土壤中积累了较多微生物残体，使得有机质层释放出较多的DOC[26]。有机质层DOC浓度最低值出现在7月、8月份，这可能与当地7月、8月份降雨量大有关。7月、8月份虽然气温较高(图1)，有机质分解快，DOC产生量也大，但由于在7月、8月份降雨量大，致使机质层DOC被稀释而使浓度降低。9月份DOC浓度呈现上升趋势是由于秋季植物枯落物引起[27]。大兴安岭兴安落叶松林枯枝落叶主要集中在9月份，约占全年的62%～66%[28]。新鲜的枯落物中含有大量水溶性有机物，这些可溶性有机物被雨水直接淋溶使有机质层浓度升高[29]。本研究中，个别林分在个别年份中DOC浓度无明显变化规律，这可能与各样地在各月份中降雨量不同有关。

DOC浓度受降雨、微生物、枯落物、温度等因子影响，而这些因子随季节的不同而变化[30]。在不同的地区，土壤中DOC浓度随季节变化的模式不同。有研究者发现土壤溶液中的DOC浓度夏季高[31]；在牛坑垅地区土壤溶液中DOC浓度9月份高于7月份[32]；在中国西南亚高山土壤DOC浓度5月份最高，9月份最低[33]；在三江平原地区，小叶章地表土层DOC浓度5月份较高，7月份最低，9月份最高[34]；Nambu等[35]未发现有机质层下DOC浓度的季节变化。造成不同地区土壤DOC浓度随季节变化呈现不同的规律可能与这些地区气候不同有关。