大兴安岭北端地形因子对针叶林土壤黑碳储量的影响

王明哲，崔晓阳，李斯雯，张伟波，赵华晨

(东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

森林土壤碳库约占全球土壤有机碳库的70%，是森林生物量碳库的 2～3 倍和大气碳库的 1.4 倍，其有机碳库的变化可引起大气CO2浓度的明显改变[1]，森林土壤在陆地生态系统碳平衡中占有至关重要的地位。准确评估森林土壤碳储量的大小及其稳定性，对我国森林碳汇管理具重要理论和现实意义[2]。黑碳(BC)是生物质或化石燃料不完全燃烧[3]或岩石风化[4]形成的一种含有芳香环的高聚物，普遍存在于大气和土壤中[5-6]，因其具有高度芳香化结构，生物和化学稳定性较高，并能够以千年的时间尺度存在，因此被认为是陆地缓慢碳库的重要组成部分[7]。已有一些研究表明，BC与有机碳(OC)的比例为5%～45%[8-9]。黑碳的化学惰性使其具有较强的抗降解能力，在森林生态系统固碳方面发挥着很大的作用[7]。如Lehmann等[10]发现在模拟2个澳大利亚稀树草原生态系统碳循环对气候变化响应时，若考虑黑碳的作用，碳排放可减少18%～25%。黑碳具有超强的吸附能力，可以吸附有机污染物与重金属以降低污染物的环境风险，同时吸附营养盐以增加土壤肥力[11]。有研究表明[4,12]，黑碳可以作为良好的指示剂，以记录历史上发生在沉积物及冰芯中较大规模的火灾事件。另外，黑碳在生物地球化学循环及全球气候变化中也有着不可或缺的作用[13]。

林火可使土壤有机碳转变为其他难以分解的碳形式(如黑碳，BC)，显著提升土壤碳储存[14]。Chapin等[15]发现在此之前的20年里，森林火烧区域在北方增加了1倍，由于火烧大量的CO2被排放到大气中，同时也产生了一部分极为稳定的BC[16]，土壤黑碳长时间的存在和积累有助于减缓大气CO2浓度[6]。大兴安岭地处我国寒温带，该地区森林群落演替和生态系统功能受到林火的影响不容忽视。迄今为止，国内外已经对大气[17]、农田[8,18]、城市[19]、草地[9]等的黑碳含量进行了测定，但该区域森林土壤碳库中黑碳的重要性尚未引起高度重视。因此，本研究在区域气候、土壤性质和植被较为一致的条件下，深入调查大兴安岭森林土壤黑碳储量及地形因子对其产生的影响，为准确评估我国寒温带森林的碳汇功能提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究区为黑龙江省大兴安岭北端(122°36′06″～125°04′11″ E，51°57′46″～53°20′15″ N)地区，涵盖十八站、图强、阿木尔、塔河等林业区域，南部与呼中、新林等林业区域相邻。区域夏季炎热，持续时间短，冬季寒冷，持续时间长，属寒温带大陆性气候，最高和最低气温分别出现在6—7月和1月，年平均气温为-4.94 ℃，降水一般集中在7—8月，兴安落叶松(Larixgmelinii)为主的针叶林为该区的地带性植被。该区原始森林曾在20世纪60—80年代被大面积采伐，导致原始兴安落叶松针叶林十分罕见。经过采伐干扰后的林分恢复，除残留或更新后的兴安落叶松外，还有部分白桦(Betulaplatyphylla)(占30%～50%)，其林相比原始针叶林更为稀疏。区内地形相对缓和，坡度一般为10°～25°，海拔主要在300～500 m。寒温带针叶林下发育的棕色针叶林土(暗瘠寒冻雏形土，CST)是该区地带性土壤类型，其母质大多为片麻岩风化坡积物或花岗岩。

土壤黑碳积累受成土因素及火烧历史的多方面影响。据研究，火烧在该区发生次数较多[6]，林火周期十分漫长，故被认为是影响森林生态系统演替的重要因素之一。因此，在具有“普遍性”的林火干扰历史背景下，地形因子进一步被认为与土壤黑碳积累和散布关系紧密。为研究与地形因素之间的联系，在此区域内，依据上、下坡位和阴、阳坡向的不同选择有代表性的兴安落叶松林地，对称选取20块样地(规格为20 m × 20 m)。该区域内海拔引起的差异较小，故不予探讨。

1.2 样品采集与分析

于2014年8月进行采样。在各样地代表性区域设置1个主剖面，除去枯枝落叶后按发生层分别取样，依次为凋落物层(O)、腐殖质层(A)、过渡层(AB)、淀积层(B)、母质层(C)。由于O、A层有较大的空间变异性，故在这两层另随机选取两个辅助样点。将土壤样品带回并取出根系，无损风干，将每块样地3个重复的剖面样品进行整合，每层3个重复样品(1主+2辅)研磨过孔径2 mm的筛，细土混匀后作为代表该样地的混合样。

土壤黑碳的分离方法参照文献[5,20-21]，采用HF/HCl处理的重铬酸盐氧化方法。土壤黑碳和有机碳含量用CHN元素分析仪 (Heraeus Elementar Vario EL, Hanau, Germany) 测定，单位换算成 g/kg。各层土体的BC密度(面密度)按下式计算：

E=H×d×D×(1-G)×10-2。

(1)

式中：E表示土体的BC密度(面密度)，kg/m2；H表示土壤样品中的BC含量，g/kg；d表示土壤体积质量，g/cm3；D表示发生层厚度，cm；G表示土体土壤中>2 mm的石砾量占比，%。

1.3 数据统计

采用SPSS 16.0和Excel进行数据统计，利用Sigmaplot 10.0软件作图，不同坡位、坡向的土壤黑碳采用独立样本t检验，对土壤黑碳与坡度变量做线性回归分析，判定土壤黑碳积累的主控因素采用多元逐步回归分析的方法：坡位、坡向为分类变量，使用哑变量(dummy variable)为其赋值[22]。

2 结果与分析

2.1 坡位对针叶林土壤黑碳储量的影响

经测定发现(图1)，各土层BC含量变化范围为0.24～59.13 g/kg，随土层深度增加而不断降低，各土层BC密度(面密度)变化范围为0.02～3.64 kg/m2，A层密度最大(占全剖面的50.3%)，具有明显表层集聚效应；但不随土层深度的增加而下降，B层高于AB层，O层显著低于A层。1 m剖面土壤BC密度为1.21～6.85 kg/m2，平均值为3.06 kg/m2。各土层黑碳与有机碳的比率(BC/OC)为3.7%～42.5%，随土层深度增加呈不断增加的趋势(除C层)。从图1可知，不同土层BC含量均显示下坡位高于上坡位，且A层差异达到显著水平；坡位对BC密度影响更加显著，从1 m剖面来看，下坡位BC密度比上坡位高47.6%，可见，BC分布受坡位的影响较大；各土层BC/OC均表现出下坡位高于上坡位的趋势，但差异均未达到显著水平，说明坡位对BC/OC值的影响不大。

O.凋落物层litter layer;A.腐殖质层humus horizon;AB.过渡层transition horizon;B.淀积层illuvial horizon;C.母质层parent material horizon。下同The same below.不同大写字母表示相同土层不同坡位间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同坡位不同土层间差异显著(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.图1 不同坡位对各土层黑碳含量、密度及黑碳与有机碳比率的影响 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 坡向对针叶林土壤黑碳储量的影响

经测定发现(图2)，各土层BC含量(除O层、C层)，BC密度(除O层)，黑碳与有机碳比率(除C层)，均表现出阳坡高于阴坡的趋势，但均未达到显著差异水平，说明坡向对BC分布影响较小。1 m剖面阳坡BC密度比阴坡高10.5%，可见坡向对BC储量影响不及坡位大。

不同大写字母表示相同土层不同坡向间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同坡向不同土层间差异显著(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.图2 不同坡向对各土层黑碳含量、黑碳密度及黑碳与有机碳比率的影响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 坡度对针叶林土壤黑碳储量的影响

经测定发现(图3)，A层土壤BC密度与坡度无显著相关，然而若上下坡分组进行统计，虽然上下坡点据分布不集中，但有明显分群的趋势，这会在一定程度上导致整体相关关系的显著性。而比较B层和全部1 m剖面，则下坡BC密度与坡度呈显著正相关(df=9，F=22.20、5.70，P<0.05)，上坡BC密度与坡度无显著相关性。从本研究所得数据看，下坡位坡度明显小于上坡位，因此坡位可能是由于坡度、水分等间接因素的不同从而影响土壤黑碳含量的。

图3 不同土层的土壤黑碳密度与坡度的相关性分析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

将坡度、坡向和坡位作为自变量，土壤BC密度作为因变量，参照全部样地的数据做逐步回归分析，根据判定系数大小量化不同因子对其变异的综合解释能力与变异影响的相对重要性。由于该研究区域坡向对黑碳分布影响较小、坡度与坡位呈负相关，故坡向与坡度未进入方程，坡位可独立解释A层变异的42.1%、1 m剖面的46.0%。由偏相关分析(表1)可以看出，坡位对A层与1 m剖面土壤黑碳密度的影响比坡度大。综上可得，研究区内各地形因子中坡位是影响土壤BC密度差异的主控因素。

表1 土壤黑碳密度与坡位、坡度的相关性分析

3 讨 论

研究表明，大兴安岭北端土壤黑碳(BC)储量具有明显表层集聚效应，一般是表土层高于枯枝落叶层，这与Deluca等[23]的报道一致。Lynch等[24]和Carcaillet[25]的研究也发现，表层中黑碳含量在整个土壤层中占比最高。干湿交替、冻融交替和动物活动等可使BC向下发生迁移，在热带沙质氧化土的研究中发现，将BC混合添加到土壤中后会缓慢发生向下迁移的现象，分析认为土壤动物扰动以及土壤水分流动等现象是BC向深层土壤迁移的动力[26]。本区土壤黑碳沿剖面向下迁移可能有以下几方面原因：首先，水分流动。生物质燃烧产生的黑碳热转化程度较低，极性较高，且带有许多官能团[27-28]，容易被生物和非生物氧化[29-30]，从而产生更多的羧基和酚基官能团，如Knicker等[31]通过13C核磁共振谱发现在火烧后短时间内，BC发生了氧化反应。氧化增加了水溶性，能够随水分向下移动，如Hockaday等[32]在火干扰下的森林土壤孔隙水中发现了BC的存在。第二，可能是由于冻融作用，导致黑碳破碎，为黑碳进一步氧化提供了更大的表面积[33]。刘兆云等[34]在研究林地土壤中黑碳出现及分布特点的过程中发现，土壤中黑碳颗粒大小会随着剖面深度的增加而向减小的趋势发展，并认为可能与物理作用有关。黑碳向下迁移当然还可能与动物活动有关，特别是蚯蚓、白蚁等穴居动物[26,35]。

国际上至今尚无一致的土壤黑碳的分离检测方法，不同方法对同一样品测定所得到的数据可能有数倍的差距[5,16,36]，因此导致不同研究者获取的数据很难进行比较[37-38]。为了便于讨论，本研究仅选用与其分离和测定方法相同的数据进行比较。张履勤等[39]研究了土地利用方式对红壤和黄壤碳黑积累的影响；王阳等[40]研究了不同类型林地土壤黑碳的分布规律；薛丽佳等[36]研究了武夷山土壤有机碳与黑碳的分配特征；本研究中所得黑碳与有机碳的比率(BC/OC)与上述研究结果吻合。BC/OC的值随深度的变化说明黑碳含量依土层减小的程度没有有机碳含量依土层减少的程度大，可见对比非黑碳成分而言黑碳向下迁移的程度更大。Brodowski等[18]在研究德国耕地土壤中BC对稳定腐殖质的贡献中发现，最大的BC密度出现在表层以下。还有一种可能就是由于黑碳的稳定性，坡积母质剖面较深处的黑碳主要是早期积累的，黑碳占有机碳总量的比例随剖面加深呈增长趋势，表明黑碳比其他有机组分更稳定[34]，有机碳中黑碳分解速率远低于非黑碳成分分解速率。另外，还有一种可能是黑碳和底层矿物的相互作用，加大了底层土壤黑碳对有机碳的贡献。据报道，黑碳被生物或非生物氧化后不仅增加了水溶性，而且产生的羧酸化芳香结构对深层土壤的矿物相具有强烈的吸引力[33]。Glaser等[35]观察到大量的黑碳出现在代表有机-矿物复合体的中密度组分,特别是黏质土壤中；Brodowski等[18]观察到随着土层深度增加，黑碳越来越多地出现在粗粉砂和砂质及重的矿物组分中，显示黑碳与此类大小的矿物相互作用，并且被保存。

侵蚀和再堆积过程可改变土壤碳库在空间上的分布[41]，地形作为成土过程中的重要因素，不但控制着地表和土壤中水热资源的分布，还改变了土壤生态系统的物质循环过程和强度[42]。坡位是重要的地形因子之一，地上植被的生长状况、地下碳输入、土壤微环境和理化性质等都会受其影响而改变，进而影响土壤有机碳和黑碳的储量与分布[7]。研究区各土层BC含量和密度与BC/OC值均表现出下坡高于上坡的趋势，可能是由于上坡的BC和OC在雨季易受到雨水冲刷而流向下坡，从而导致上坡流失的部分聚集在下坡[43]，如在老挝北部，即使没有经常遭受火烧，在斜坡底部的香蕉种植园的部分剖面上仍出现了BC[20]。在浙江省亚热带地区的堆积区与侵蚀区，相同深度的土层中，BC含量前者与后者相差达数倍以上，而且沉积区在较深的土层中仍保留高量BC[41]，而且上坡土壤的有机质可通过凋落物获得补充，黑碳的输入却需要经过火烧，无法得到及时补充；相反下坡土壤物理结构性能较好，养分结构合理，较为湿润，有机质含量也相对较高，火烧后转化成BC的概率大，另外下坡人为活动相对频繁，因此更容易发生火烧[43]。对于不同坡向而言，由于阳坡阳光比较充足，温度相对较高、更干燥，有机层较薄，其碳库中碳的周转速度和分解都较快，火烧相对彻底从而产生大量BC进入土壤，而阴坡温度低、湿度大，地表燃烧物不充分，因此可能降低了进入土壤中BC的量[43]。另外，温暖干燥的阳坡土壤中，BC与矿质土壤结合变得更加稳定，受后来火烧干扰程度较小，而后来的林火也促进了BC储量的增长[7]。这与Kane等[44]的研究结果是一致的，但张颖妮[43]在福建省的研究中发现，不同坡向的黑碳含量为东坡<南坡<西坡<北坡，造成这种截然不同的结论可能是由于受到地理位置、植被类型、气候条件、火烧风向、火烧频率、人为活动等的影响。

大兴安岭地区是林火高发区，本研究分析得出坡位是影响大兴安岭北端寒温带针叶林森林土壤黑碳分布的主控因子，然而，复杂地形下森林土壤黑碳储量比较难以估算，所谓的主控也是相对的。此外，可以归结于两方面原因：一是影响森林土壤黑碳储量的因素有很多, 如火烧状况(包括火烧时间、火烧频率、火烧面积、火烧强度等)、地形因子、土壤性质等，而本次研究考虑的因素比较单一，仅包括地形因子；二是实验中可能产生实验误差，如采样过程中产生的层界定误差,洗涤过程中造成的黑碳损失等。本研究在不同地形因子条件下所得的土壤黑碳储量的信息可部分解释大兴安岭地区土壤黑碳分布规律，可为不同区域森林土壤黑碳相关研究提供参考。