环境科学  2014, Vol. Issue (3): 1105-1110   PDF    
引用本文
杨添, 戴伟, 安晓娟, 庞欢, 邹建美, 张瑞. 天然林土壤有机碳及矿化特征研究[J]. 环境科学, 2014, (3): 1105-1110.
YANG Tian, DAI Wei, AN Xiao-juan, PANG Huan, ZOU Jian-mei, ZHANG Rui. Organic Carbon and Carbon Mineralization Characteristics in Nature Forestry Soil[J]. Environmental Science, 2014, (3): 1105-1110.
天然林土壤有机碳及矿化特征研究
杨添1, 戴伟1, 安晓娟2, 庞欢1, 邹建美1, 张瑞1    
1. 北京林业大学林学院, 北京 100083;
2. 内蒙古乌海市农业产业化指导服务中心, 乌海 016012
收稿日期: 2013-7-19; 修订日期: 2013-10-30.
基金项目： 国家重点基础研究发展规划（973）项目（2011CB403201）
作者简介：杨添(1988~),女,硕士研究生,主要研究方向为森林土壤,E-mail:361045349@qq.com
通讯联系人,E-mail:daiw163@163.com
摘要：通过野外调查和室内分析培养，研究了马尾松林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、红松林和油松林这6种天然林林下土壤有机碳含量及有机碳矿化特征. 结果表明，林下土壤有机碳含量都表现出随土壤深度增加而逐渐降低的趋势；双指数方程可以很好拟合出天然林土壤有机碳的矿化过程，准确反映出各天然林土壤的矿化反应特征. 天然林各层土壤矿化反应趋势相同，但强度各异. 其中，红松林0~10 cm土壤反应强度最为强烈，其下各层土壤的矿化反应强度也显著高于其他天然林的同层土壤；对落叶阔叶林和针阔混交林土壤矿化特征比较发现，凋落物种类差异对土壤活性有机碳含量产生较强烈影响，因此呈现出不同的矿化反应特征.
关键词： 天然林土壤     有机碳     矿化碳     双指数方程     活性碳    
Organic Carbon and Carbon Mineralization Characteristics in Nature Forestry Soil
YANG Tian1, DAI Wei1 , AN Xiao-juan2, PANG Huan1, ZOU Jian-mei1, ZHANG Rui1    
1. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
2. Inner Mongolia Wuhai Agriculture Industrialization Guidance and Service Center, Wuhai 016012, China
Abstract: Through field investigation and indoor analysis, the organic carbon content and organic carbon mineralization characteristics of six kinds of natural forest soil were studied, including the pine forests, evergreen broad-leaved forest, deciduous broad-leaved forest, mixed needle leaf and Korean pine and Chinese pine forest. The results showed that the organic carbon content in the forest soil showed trends of gradual decrease with the increase of soil depth; Double exponential equation fitted well with the organic carbon mineralization process in natural forest soil, accurately reflecting the mineralization reaction characteristics of the natural forest soil. Natural forest soil in each layer had the same mineralization reaction trend, but different intensity. Among them, the reaction intensity in the 0-10 cm soil of the Korean pine forest was the highest, and the intensities of mineralization reaction in its lower layers were also significantly higher than those in the same layers of other natural forest soil; comparison of soil mineralization characteristics of the deciduous broad-leaved forest and coniferous and broad-leaved mixed forest found that the differences of litter species had a relatively strong impact on the active organic carbon content in soil, leading to different characteristics of mineralization reaction.
Key words: soil of nature forests     organic carbon     mineralization carbon     double exponential equation     activated carbon    

森林土壤是森林生态系统中重要的碳源和碳汇. 我国天然林面积占森林总面积的65.99%，其土壤固碳功能和潜力在我国碳循环中具有不可替代的作用[1]. 矿化过程分析是研究土壤有机碳特征的有效方法之一，一些学者以此为基础开展了土壤有机碳相关问题的研究[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. 例如，Jones[10]通过矿化分析研究了土壤活性有机碳含量及变化特征. 为了能够更加清晰了解土壤有机碳的矿化特点，Juma等[11]利用单指数方程、 双指数方程和指数加线性方程拟合土壤活性碳的矿化过程，并对拟合效果进行了分析. Wedin等[12]应用指数模型对草地土壤矿化过程和特点进行了描述. Fernández等[13]还探讨了火烧后森林土壤中碳的矿化动力学. 我国也有部分学者针对天然次生杂灌林、 山杨(Populus davidanda)林和辽东栎(Quercus liaotungensis)林等林下土壤以及农田和草地土壤开展了相关工作[14, 15, 16, 17]. 但迄今，针对天然林土壤开展的相关研究仍显不足，对不同天然林土壤矿化特征还缺乏深入地认识. 为此，本试验选择马尾松(Pinus massoniana)林、 常绿阔叶林、 落叶阔叶林、 针阔混交林、 红松(Korean pine)林和油松(Chinese pine forest)林等6种代表性的天然林为研究对象，在比较土壤有机碳含量的基础上，利用双指数方程拟合各层土壤有机碳的矿化过程，分析和探讨了6种天然林土壤有机碳矿化反应特点，以期为深入了解天然林土壤有机碳的分解转化特征提供依据.

1 材料与方法
1.1 研究地区概况

研究区分别位于中国江西省大岗山国家级生态站、 庐山生态站、 河南省信阳鸡公山生态站以及辽宁省白石砬子国家级自然保护区和医巫闾山国家级自然保护区. 大岗山国家级生态站(114°30′~114°45′E，27°30′~27°50′N)和庐山生态站(115°50′~116°10E′，29°28′~29°45′N)属亚热带季风气候，年均温19.3~17.7℃，年平均降水量1 076~1 472 mm，土壤类型为红黄壤； 鸡公山生态站(114°01′~114°06′E，31°46′~31°52′N)属亚热带季风气候与大陆性季风气候交界区，年均温15.2℃，年均降雨量1 118 mm，土壤类型为黄棕壤； 白石砬子国家级自然保护区(124°44′~124°57′E，40°50′00″~40°57′N)和医巫闾山国家级自然保护区(121°31′~121°46′E，41°26′~41°46′N)属温带大陆性季风气候，年均温为5.3~8.2℃，年降雨量为1 349~572.5 mm，土壤类型为暗棕壤.

1.2 样地布设与土壤样品采集

在研究区分别设置3个样地，样地内另设20 m×20 m的3个标准地，以“S”形采样法，分层采取0~10、 10~20、 20~40、 40~60和60~100 cm的土壤混合样品，风干后，过2 mm和0.149 mm筛，用于土壤有机碳含量和矿化过程CO2累积释放量的测定，另取部分新鲜样品于-4℃保存，用于土壤微生物碳测定. 研究样地基本概况见表1.

表1 样地基本概况 1) Table 1 General situation of the study area

1.3 测定方法

土壤有机碳含量：重铬酸钾容量法-外加热法[18]； 土壤微生物碳含量：氯仿薰蒸浸提法[19]； 土壤惰性碳含量：酸水解法[20]； 土壤有机碳矿化过程中CO2累积释放量：室内恒温培养、 碱液吸收法[21]. 称取过2 mm的风干土100 g放于培养瓶底部，调节土壤含水量至田间持水量的60%. 在2℃下闭光预培养一周，然后将盛有25 mL 0.4mol ·L-1NaOH的吸收瓶置于培养瓶内用于吸收土壤呼吸产生的CO2. 同时设置装有相同重量的石英砂的培养瓶的空白对照. 将所有的培养瓶放在28℃下避光培养. 在培养的第1、 4、 7、 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 100 d取出吸收瓶测定CO2含量. 其原理是用过量的BaCl2溶液沉淀吸收瓶里NaOH溶液中的HCO-3和CO2-3，再加入两滴酚酞指示剂，用0.4 mol ·L-1HCl滴定到粉红色消失，根据消耗的盐酸含量计算CO2释放量，矿化碳就是在培养过程中释放的那部分碳量.

1.4 土壤有机碳矿化过程拟合方程

Boyle和Paul双指数方程[22]：

式中，Cmin：经过t时间后土壤CO2累积释放量(g ·kg-1)； Co：土壤活性有机碳含量(g ·kg-1)； ko：活性有机碳库周转速率(d-1)； CS：土壤缓效性有机碳含量(g ·kg-1)； ks：缓效性有机碳库周转速率(d-1).

1.5 数据处理

所得数据采用SPSS 17.0进行方差分析和相关分析； 土壤有机碳矿化过程的拟合采用Origin 8.6软件进行.

2 结果与分析
2.1 土壤有机碳含量特征

不同林分类型土壤有机碳含量呈现出随土壤深度增加而逐渐降低的趋势(图 1). 0~10 cm土层的有机碳含量变化范围为16.55~138.71 g ·kg-1，是10~20 cm土层的2~3倍，和下层土壤达到显著差异水平(P<0.01)，表现出强烈的表层富集现象. 6种林下土壤有机碳含量垂直变异较大，变异系数均在63%以上，其中，红松林土壤变异最为强烈，层间变异系数为101.86%(表2).

图 1 土壤有机碳含量特征 Fig.1 Characteristics of soil organic carbon content a、b、c表示不同土层间含量差异水平显著(P＜0.01)

表2 土壤有机碳含量垂直变异系数 Table 2 Coefficients of vertical variation in soil organic carbon content

6种林分同层土壤有机碳含量比较发现(图 1)，红松林各层土壤有机碳含量显著高于其他5种天然林同层土壤，达到极显著差异水平. 而马尾松林、 常绿阔叶林、 针阔混交林、 落叶阔叶林和油松林同层土壤有机碳含量虽有一定差异，但差异不显著； 与10~20 cm和20~40 cm土层相比，0~10 cm土壤有机碳含量具有更大的变异性.

2.2 土壤有机碳矿化特征及双指数方程拟合效果评价 拟合曲线均显示出拟合趋势线和测定数据很好贴合(图 2)，相关系数达到0.96~1.00(表3)，表明双指数方程能够很好拟合出天然林土壤的有机碳矿化特征.

双指数方程拟合曲线(图 2)表明，6种天然林各层土壤有机碳矿化过程都显示出相同的变化趋势，CO2累计释放量在反应初期增加较快，之后逐渐趋于平缓. 表3进一步表明，6种林型土壤活性碳主要集中在0~10 cm土壤中. 矿化反应100 d时，除红松林外土壤外，其他林分0~10 cm土壤的CO2累计释放量均低于土壤活性碳(C0)含量，为C0含量的57%~92%，但其他各层土壤CO2累计释放量，除落叶阔叶林10~20 cm土壤外，均已超出活性碳含量2%~80%.

图 2 土壤有机碳矿化过程双指数方程拟合曲线 Fig.2 Double exponential curve fitting equation of mineralization of soil organic carbon

同一林分不同层次土壤有机碳矿化强度不同. 0~10 cm土壤有机碳矿化过程最为强烈，除落叶阔叶林外，其他天然林土壤的最高CO2累计释放量与下层土壤均达到差异极显著水平(表3)，随着土壤深度增加，矿化强度虽然逐层减弱，但层间矿化强度均未表现出明显差异(表3). 针阔混交林10~20 cm和20~40 cm土壤有机碳矿化强度的垂直变化有所不同，没有表现出随土壤深度增加而减弱的特征. 研究表明，松栎混交林植被结构林分类型的根系多集中在20~40 cm的土层中[23]，有利于该层次土壤碳素分解释放活性有机碳.

6种天然林同层土壤有机碳矿化强度比较发现，红松林各层土壤与其他林分同层土壤间都达到显著差异水平. 其中，0~10 cm土壤矿化反应强度表现最为强烈，CO2最高累计释放量为4.12 g ·kg-1，远高于油松林土壤的2.04 g ·kg-1、 落叶阔叶林土壤的1.88 g ·kg-1、 马尾松林土壤的1.87 g ·kg-1、 常绿阔叶林土壤的1.75 g ·kg-1和针阔混交林土壤的1.73 g ·kg-1. 和0~10 cm土层相比，虽然10~20 cm土壤矿化强度明显减低，CO2最高累计释放量仅为2.11 g ·kg-1，降幅达2.01 g ·kg-1，但仍显著高于其他林分同层土壤的1.02~1.47 g ·kg-1. 其他5种天然林同层土壤间有机碳矿化强度虽有差异，但都没有达到显著差异水平.

3 讨论

各林分类型土壤有机碳含量都表现出随土壤深度增加而逐渐降低的变化趋势，0~10 cm土壤有机碳表层富集现象强烈. 10 cm以下各层土壤有机碳含量虽有差异，但变化不明显. 除红松林土壤外，其他5种林分同层土壤间有机碳含量没有表现出明显的变化.

Alvarez等[24]利用单指数方程、 双指数方程、 指数+常数方程和指数+直线方程拟合了不同管理方式(牧场和农田)、 不同耕作系统、 不同作物循环及不同采样深度下土壤的矿化过程，结果也表明双指数方程具有更好的拟合效果.

各天然林土壤具有相同的矿化反应特征. 首先，初期强度较大，但随着反应进行，反应强度减弱，曲线趋于平缓. 说明在矿化初期，土壤中易分解的活性有机碳类物质，如单糖等，被迅速分解，随着这类物质的分解和消耗，导致微生物在矿化后期，被迫分解较难分解的有机碳类物质，分解速率逐渐降低，CO2释放量减少[25]； 其次，由于6种天然林土壤中活性有机碳类物质主要集中在0~10 cm表层土壤中(表3)，加之该层微生物活动强烈(图 3)，导致该层土壤矿化反应强度大、 时间长，矿化过程反应始终保持着强烈的增长趋势.

10 cm以下土壤中由于有机碳含量降低，活性有机碳类物质含量较少，微生物活动相对较弱(图 3)，造成矿化反应强度较低、 层间差异不明显以及在反应中后期土壤中活性有机碳就已被消耗，开始对土壤中较难分解有机碳类物质进行分解等特征； 除红松林外，其他5种天然林同层土壤矿化反应强度差异不大，均未达到显著性差异水平.

表3 不同林分类型土壤矿化特征 1) Table 3 Soil mineralization characteristics of different forest types

图 3 不同林分土壤微生物碳含量 Fig.3 Microbial carbon content in different forestry types of soil

在6种天然林中，红松林土壤显示出明显的独特性，不仅0~10 cm土壤表现出最为强烈的矿化反应强度，其下各层土壤的矿化反应强度也都明显高于其他天然林的同层土壤. 这可能和多种因素有关，有研究表明，0~10 cm的土壤是红松细根主要分布区，凋落物1.6倍的细根死亡量是红松林土壤有机碳的主要来源[26]. 本研究中，红松平均林龄95 a，高出其他5种天然林30~45 a(表1)，发达的细根为土壤和微生物活动提供大量碳源. 此外，白石砬子国家级自然保护区是我国成立最早的自然保护区之一，自1981年成立至今，长达30余年的严格保护措施，形成了该地区良好的土壤生态环境，这不仅有利于红松生长，促进土壤有机碳的积累，也导致土壤微生物活动较为强烈，显示出各层土壤微生物碳生物量显著高于其他天然林土壤的微生物特征(图 3).

本研究的落叶阔叶林和针阔混交林的调查样地基本状况极为一致(表1)，不同点只是落叶阔叶林是麻栎-栓皮栎混交，而针阔混交林为麻栎-栓皮栎和马尾松混交. 在55 a的生长过程中，不同种类的凋落物并没有使两种林分土壤间有机碳总量和矿化反应CO2释放量产生显著差异(表3),但进一步分析发现，两种林分土壤间活性碳含量和矿化反应特征存在明显不同. 落叶阔叶林0~20 cm土壤中C0总量较高，100 d矿化后土壤中仍残存有大量的活性碳(C/C0=0.57/0.69). 因此，土壤矿化反应强度在一定时期内会继续维持在较高的水平； 而针阔混交林0~20 cm土壤中含量较低的C0在矿化反应前期或中期被迅速分解(C/C0=1.41/1.51)，较难分解的有机碳类物质成为后期的主要分解对象，表现出反应强度逐渐降低的变化趋势(表3). 根据上述分析判断，在相同地区，由于混交方式不同所引起的凋落物种类差异可能对土壤有机碳总量影响不大，但对活性有机碳含量却会产生较为强烈影响，导致有机碳矿化呈现出不同的反应特征.

4 结论

(1) 6种天然林林下土壤有机碳含量都表现出随土壤深度增加而逐渐降低的趋势； 双指数方程可以很好拟合出天然林各层土壤有机碳的矿化过程，完全可以反映出研究土壤的矿化特征.

(2)天然林各层土壤矿化强度均呈现出随土壤深度增加而降低的趋势，红松林各层土壤矿化强度显著高于其他天然林的同层土壤； 落叶阔叶林和针阔混交林土壤矿化特征比较表明，凋落物种类差异对土壤活性有机碳含量产生较强烈影响，呈现出不同的矿化反应特征.

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