長白山兩種森林類型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳分布特征

孫金兵，高 菲，宋金鳳，崔曉陽

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

長白山兩種森林類型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳分布特征

孫金兵，高 菲，宋金鳳，崔曉陽*

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

顆粒態(tài)有機(jī)碳；黑碳；分布特征；土壤基本性質(zhì)

長白山林區(qū)是我國重要林區(qū)之一，其中的原始闊葉紅松林和楊樺次生林作為主要森林類型，在全球變化背景下發(fā)揮著巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。鑒于森林土壤在全球碳循環(huán)中的重要性，對長白山原始闊葉紅松林和楊樺次生林土壤有機(jī)碳及其組分特征系統(tǒng)研究，對于我國東北森林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性評價具有重要意義。土壤有機(jī)碳具有高度的復(fù)雜性和異質(zhì)性，由一系列易分解活性有機(jī)碳和難分解惰性有機(jī)碳組成[1-2]。活性有機(jī)碳可預(yù)見土壤理化性質(zhì)的改變，對土壤變化有著重要的意義[3]，活性有機(jī)碳包括微生物碳、輕組有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等；惰性有機(jī)碳分解慢，周轉(zhuǎn)時間長，相對穩(wěn)定，該部分有機(jī)碳對長期固碳具有重要影響，惰性有機(jī)碳包括重組有機(jī)碳和黑碳等。

顆粒有機(jī)碳( POC>53 m)是與粉砂結(jié)合的土壤有機(jī)碳，通常被認(rèn)為是易被微生物分解的有機(jī)碳組分，相對于土壤粘粒，被認(rèn)為是有機(jī)碳中的非保護(hù)性部分[4-5]，代表一定比例的活性有機(jī)碳庫[4]。POC屬于植物殘體向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的活性中間產(chǎn)物，可作為有機(jī)碳的表征指標(biāo)[6]，在土壤有機(jī)碳積累和循環(huán)中起著重要的作用。黑碳(BC)，植物殘體不完全燃燒的產(chǎn)物，因具有高度芳香化結(jié)構(gòu)，而表現(xiàn)出較高的抗氧化性和抗分解能力，在不同地質(zhì)載體中可保存上億年，其周轉(zhuǎn)時間為幾千年甚至幾萬年[7]，因此黑碳是土壤惰性碳庫的重要組成部分。目前，國內(nèi)學(xué)者對我國個別城市、森林和農(nóng)業(yè)土壤的顆粒有機(jī)碳[8-9]和黑碳[10]含量及分布已有部分研究，如不同功能區(qū)之間土壤黑碳含量表現(xiàn)出差異性[11]，不同利用方式下土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳數(shù)量的差異[12]等等，直接針對不同林型下POC和BC分布及與土壤基本性質(zhì)相互關(guān)系研究尚缺乏。本研究以長白山典型林區(qū)原始闊葉紅松林和楊樺次生林為對象，在區(qū)域氣候和土壤類型較一致的前提下，采集了土壤表層和亞表層土壤樣品，利用粒徑分組方法量化土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)、黑碳(BC)，分析不同林型對土壤POC、BC分布特征，探討土壤POC和BC與土壤基本性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、含水量、pH值、粘粒和團(tuán)聚體等)的關(guān)系，以期為我國東北森林土壤有機(jī)碳積累和穩(wěn)定提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

在研究區(qū)中隨機(jī)選取20塊樣地(10 m×10 m)，其中原始林、次生林樣地各10塊。每塊樣地中部典型部位選擇1個主剖面，按照發(fā)生層取腐殖質(zhì)層(A1)樣品。并將其分為兩個亞層：表層(A11)，聚積過程占優(yōu)勢、同時具有淋溶作用，顏色較深的腐殖質(zhì)層；亞表層(A12)，顏色較淺的腐殖質(zhì)層。采用原位立方土柱法取樣：A11、A12分層后現(xiàn)場標(biāo)記并記錄土層深度，然后按自上而下順序分別采集橫截面為10 cm×10 cm的立方土柱，土柱取樣深度即為土層厚度。

表1 研究區(qū)樣地的基本情況

1.2 分析方法

土壤濕樣品撿去根系，無損風(fēng)干、稱質(zhì)量(W1)，過2 mm篩。制樣后將篩出的2 mm以上石礫合并稱質(zhì)量(W2)，計算石礫含量；土壤密度根據(jù)W1和實際取樣體積估算。過2 mm篩的土樣在容器內(nèi)充分混勻，取適量分成6份， 其中5份用于顆粒態(tài)有機(jī)碳、土壤基本性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、含水量、電導(dǎo)率和pH值)的測定，還有1份用瑪瑙球磨碎，過100目篩，混勻，分成兩份，裝入自封袋中。其中一部分直接用CN分析儀測定總有機(jī)碳，另一部分用于土壤黑碳分離。

1.2.1 土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳分離 粒徑分級屬于土壤有機(jī)質(zhì)物理分級，步驟如下：

1)取過2 mm篩土壤或土壤團(tuán)聚體土樣20 g，放入250 mL三角瓶，加入100 mL六偏磷酸鈉(50 g·L-1)，先手搖 3 min，然后在往復(fù)式震蕩器(180 r·min-1)震蕩30 min，攪勻后在超聲波分散儀中分散5 min。

2)將分散土壤懸液過53 μm篩，并用蒸餾水反復(fù)沖洗至濾液澄清。把所有留在篩子上方的物質(zhì)，在50℃下48 h后稱質(zhì)量，分離樣品在瑪瑙研缽中研磨均勻，過0.149 mm篩后，裝入半微量樣品管備用。

1.2.2 土壤黑碳的分離 土壤黑碳的分離采用HF/HCl處理的重鉻酸鹽氧化方法[14]。

1)碳酸鹽礦物去除

2)硅酸鹽礦物釋放

離心管殘余物中加入25 mL 10 MHF/1 MHCl，振蕩2 h，離心棄去上清液；再加入25 mL 10 mol·L-1HF/1 mol·L-1HCl，振蕩2 h，靜置20 h(其間每4 h搖勻1次)，離心棄上清液；加入25 mL蒸餾水，漩渦1 min，如此離心洗滌3次；離心管殘余物60℃烘干24 h，稱質(zhì)量。

3)活性有機(jī)碳去除

干結(jié)BC樣品在瑪瑙研缽中研磨均勻，裝入半微量樣品管備用。

全土有機(jī)碳(OC)、黑碳(BC)、顆粒有機(jī)碳(POC)用自動CN分析儀(Heraeus Elementar Vario EL, Hanau)直接測定，單位統(tǒng)一換算成g·kg-1土。

1.2.3 土壤基本性質(zhì)的測定[15]

有機(jī)質(zhì):重鉻酸鉀外加熱法；

含水量：差值法；

pH值：電極法；

粘粒： 吸管法測定；

水穩(wěn)性團(tuán)聚體(>0.25 mm)：土壤濕篩法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用單因素方差分析法(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同因子間的相關(guān)關(guān)系，并利用SigmaPlot(12.0)軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒有機(jī)碳和黑碳總體數(shù)量特征及與土壤有機(jī)碳比例

表2 土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳含量及土壤有機(jī)碳比例(n=20)

注：不同土層間平均值的差異，字母不同代表p=0.01顯著水平

2.2 林型對顆粒有機(jī)碳和黑碳的影響

由此可知，在同一土層，林型對土壤POC和BC均具有顯著影響(p<0.05)，林型是影響土壤有機(jī)碳分布的重要因素。另外，方差分析可知，楊樺次生林和原始闊葉紅松林土壤POC和BC均隨著土層加深而顯著降低，即A11層﹥A12層(p<0.01)。

2.3 顆粒有機(jī)碳和黑碳與土壤基本性質(zhì)的關(guān)系

2.3.1 有機(jī)質(zhì) 兩種林型下，土壤POC和BC與有機(jī)質(zhì)存在線性相關(guān)關(guān)系(圖2)。POC與有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.860、A12層0.769(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均為顯著性正相關(guān)(p1=0.000、p2=0.000，圖2A)；BC含量與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.724、A12層0.339(數(shù)據(jù)未顯示)，土壤BC與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性表層達(dá)到顯著相關(guān)(p1=0.000，圖2B)、亞表層不顯著(p2=0.143，圖2B)。相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，兩種林型下，土壤POC與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性大于BC。

2.3.2 含水量 研究表明，顆粒有機(jī)碳含量、黑碳含量與含水量存在線性正相關(guān)關(guān)系(圖3)。POC與含水量之間的相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.821、A12層0.792(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均為顯著性正相關(guān)(p1=0.000、p2=0.000，圖3A)；BC與含水量的相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.640、A12層0.495(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均達(dá)到顯著相關(guān)(p1=0.002、p2=0.027，圖3B)。相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，兩種林型土壤POC與含水量的相關(guān)性大于BC。

(圖中相同林型不同土層方差分析結(jié)果,字母不同代表p=0.01顯著差異；相同土層原始闊葉紅松林與楊樺次生林的比較，F(xiàn)值標(biāo)注*表示p=0.05顯著差異，F(xiàn)值標(biāo)注**表示p=0.01顯著差異)圖1 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳含量Fig.1 Contents of POC and BC of two forest types

(注： “○”和“☆”分別代表楊樺次生林和原始闊葉紅松林A11層顆粒有機(jī)碳含量；“●”和“★”分別代表楊樺次生林、原始闊葉紅松林A12層顆粒有機(jī)碳含量)圖2 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳含量與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系(n=20)Fig.2 Relationship between soil POC and BC contents and soil organic matter of two forest types (n=20)

圖3 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳含量與含水量的關(guān)系(n=20)(注：同上)Fig.3 Relationship between soil POC and BC contents and soil water contents of two forest types (n=20)

2.3.3 pH值 兩種林型下，土壤POC與pH值之間的相關(guān)系數(shù)為：A11層0.388、A12層0.085(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層BC與pH值均不相關(guān)(p1=0.091、p2=0.721，圖4A)；土壤BC與pH值的相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.355、A12層0.071(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層BC與pH值均不相關(guān)(p1=0.124、p2=0.765，圖4B)。

圖4 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳含量與pH值的關(guān)系(n=20)(注：同上)Fig.4 Relationship between soil POC and BC contents and soil pH value of two forest types (n=20)

2.3.4 粘粒 土壤POC與粘粒之間的相關(guān)系數(shù)為：A11層0.361、A12層0.038(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層土壤POC與粘粒均不相關(guān)(p1=0.117、p2=0.873，圖5A)；土壤BC與粘粒的相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.429、A12層0.138(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層BC與粘粒相關(guān)性均不顯著(p1=0.059、p2=0.561，圖5B)?？梢?，兩種林型土壤POC和BC與粘粒均不相關(guān)(p>0.05，圖5)

圖5 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳含量和黑碳含量與粘粒的關(guān)系(n=20)(注：同上)Fig.5 Relationship between soil POC and BC contents and soil clay contents of two forest types (n=20)

2.3.5 水穩(wěn)性團(tuán)聚體 兩種林型下，土壤POC與水穩(wěn)性團(tuán)聚體相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.698、A12層0.700(數(shù)據(jù)未顯示)，表層和亞表層均為顯著性正相關(guān)(p1=0.000、p2=0.000，圖6A)；土壤BC含量與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)分別為：A11層0.232、A12層0.369(數(shù)據(jù)未顯示)，土壤BC與水穩(wěn)性團(tuán)聚體均不相關(guān)(p1=0.324、p2=0.110，圖6B)。綜上可知，兩種林型下，土壤POC與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的相關(guān)性大于土壤BC。

圖6 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的關(guān)系(n=20)(注：同上)Fig.6 Relationship between soil POC and BC contents and water stable aggregates of two forest types (n=20)

2.4 土壤顆粒有機(jī)碳與黑碳關(guān)系

兩種林型下，顆粒有機(jī)碳含量與黑碳含量存在線性相關(guān)關(guān)系(圖7)。A11和A12層相比較，兩種林型下土壤BC與POC間的相關(guān)系數(shù)A11層0.571(p1﹤0.01，圖7A)﹥A12層0.488(p2﹤0.05，圖7B)；混合統(tǒng)計(A11+A12)得出，土壤BC與POC之間的相關(guān)系數(shù)為0.812(p﹤0.000，圖7C)，可見A層土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳存在顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 兩種林型土壤顆粒有機(jī)碳含量、黑碳含量及其分布特征

研究區(qū)域內(nèi)，兩種林型A11層、A12層土壤POC含量為57.45和11.96 g·kg-1，均表現(xiàn)為隨土層加深而逐漸遞減，這與其他研究結(jié)果一致[16-17]。土壤POC含量高于其他區(qū)域研究結(jié)果[18-19]，主要與研究區(qū)森林凋落物和植物根系有關(guān)，有機(jī)物質(zhì)輸入量高，各組分有機(jī)碳含量必然增加；其次，顆粒有機(jī)碳屬于活性有機(jī)碳，雖然穩(wěn)定性較低、但天然林區(qū)受外界干擾較小，使該區(qū)域POC尚處于不敏感期，一旦周圍環(huán)境改變，如土地利用發(fā)生變化，必然導(dǎo)致顆粒有機(jī)碳含量下降[20]?？傮w來看，兩種林型下土壤BC在本區(qū)域中含量也很高，A11層、A12層土壤BC達(dá)14.54、7.53 g·kg-1，高于我國其他區(qū)域的研究結(jié)果[21-22]。這應(yīng)該與近代的火山噴發(fā)有關(guān)，火山爆發(fā)可以改變成土母質(zhì)、地形、水文等自然條件，研究表明火山灰與浮石形成疏松的成土母質(zhì)[23]，間接地對土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生持續(xù)性的影響，最主要的原因火山可以引發(fā)森林火災(zāi)，而林火是黑碳產(chǎn)生的必要條件，森林植被發(fā)生不完全燃燒產(chǎn)生大量的黑碳顆粒。同樣，黑碳同有機(jī)碳一樣具有表層富集，自上而下明顯降低[24]，這與Rumpel[25]、劉兆云[10]等研究結(jié)果一致。

在氣候、成土母質(zhì)和地形等因素基本一致的條件下，凋落物是土壤有機(jī)碳的主要補(bǔ)充，進(jìn)入土壤的植物枯枝落葉多少和分解速率是由地上植被決定的。不同森林類型的樹種組成不同，直接導(dǎo)致凋落物的種類、產(chǎn)量和質(zhì)量不同[27]，同時也間接地影響土壤微生物活動的微環(huán)境[28]，而顆粒有機(jī)碳由正在腐解的植物殘體和微生物體構(gòu)成[29]，因此森林類型必然影響土壤POC含量和分布。本研究兩種林型土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳結(jié)果為，楊樺次生林各層土壤POC含量高于原始闊葉紅松林。一方面長白山楊樺次生林林分結(jié)構(gòu)完整、環(huán)境較穩(wěn)定，地表植被豐富，林下凋落物多于原始闊葉紅松林；另一方面可能是由于長白山原始闊葉紅松林以紅松為優(yōu)勢樹種，而過熟林(>200 a)樣地的優(yōu)勢樹已達(dá)到該立地類型樹種的平均預(yù)期壽命，林分生物量不再增加，甚至有所下降[30]。表層POC含量受母質(zhì)影響較小，主要由進(jìn)入土壤枯枝落葉多少決定，當(dāng)進(jìn)入土壤的生物殘體越多時，形成的顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)也越多[31]，兩種林型POC含量A11層、A12層均達(dá)到顯著差異(p<0.05)。本研究區(qū)兩楊樺次生林土壤BC顯著高于原始闊葉紅松林(p<0.01，圖1B)。這是因為黑碳的增加依賴于系統(tǒng)中底物碳的輸入[32]，楊樺次生林較原始闊葉紅松林郁閉度高，凋落物層厚，根系積累多，火燒后焦化的植物殘體量大，進(jìn)而產(chǎn)生土壤黑碳相對較多。

3.2 土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳與土壤基本性質(zhì)的關(guān)系

土壤性質(zhì)通過直接和間接作用共同影響土壤有機(jī)碳含量及其變化特征[33]。研究區(qū)域內(nèi)森林凋落物層較厚，分解后回歸土壤的有機(jī)碳也較豐富，易于有機(jī)質(zhì)積累。土壤有機(jī)質(zhì)是植物生長和微生物生命活動的物質(zhì)和能量來源，調(diào)控著土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)。本研究中POC與有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)(p<0.01)。這是因為有機(jī)質(zhì)作為有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，可改善土壤結(jié)構(gòu)，易于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和顆粒有機(jī)質(zhì)的形成。另外，土壤微生物與有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)，其數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)隨著有機(jī)質(zhì)含量增加而增加，直接影響顆粒態(tài)有機(jī)碳構(gòu)成(腐解的植物殘體和微生物體)。結(jié)果表明，在A11層BC與有機(jī)質(zhì)關(guān)系顯著正相關(guān)(p<0.01)。這可能是因為森林枯落物層火燒后變脆或炭化，易呈細(xì)碎顆粒狀與表層土壤混合，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[34]，同時植物殘體不完全燃燒時又會形成土壤黑碳。在A12層BC與有機(jī)質(zhì)不相關(guān)，這可能與與黑碳的降解和遷移方式等有關(guān)。

本研究中表層和亞表層的POC均隨含水量增加而增加，二者具有顯著正相關(guān)(p<0.01)，這與張文敏[35]、陸昕[36]不同碳組分與含水量關(guān)系研究結(jié)果一致。土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳分布受植物分布影響較大，而植物分布受光、溫、水分等條件限制。在同一氣候區(qū)、相同海拔的地方，水分是植物分布的重要限制因子[37-38]?？梢?，土壤水分對POC和BC影響更為直接。另外，土壤濕度、溫度可以通過影響根系和微生物分解速度間接影響土壤有機(jī)碳含量。土壤濕度大不利于有機(jī)質(zhì)的礦化，部分區(qū)域還存在季節(jié)性積水，產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)的泥炭化現(xiàn)象，因而有利于顆粒有機(jī)質(zhì)的形成[6]。兩種林型下A11層和A12層中BC與含水量均為線性顯著正相關(guān)(p<0.05)，這是因為各種強(qiáng)度林火所致有機(jī)殘體顆粒物和炭化顆粒物混入，包括植被死有機(jī)殘體顆粒物和炭化顆粒物、枯落物層細(xì)碎化和炭化顆粒物、半腐爛死細(xì)根混入等，這需要有后期的水分機(jī)械淋移作用。可見，含水量對黑碳的影響極為重要?；谒謱OC和BC的重要影響，在今后研究工作需要考慮動態(tài)變化等綜合因素。

土壤pH 通過影響微生物的活性、水解作用等影響土壤碳氮的固定和累積能力，它是影響土壤有機(jī)碳和全氮空間分布的環(huán)境因子之一[39]。本研究中，POC與pH值相關(guān)性不顯著(p>0.05)，這主要由研究區(qū)土壤性質(zhì)決定，該區(qū)域內(nèi)土壤均呈弱酸性，pH值數(shù)據(jù)變化不明顯，在這樣的區(qū)間僅能體現(xiàn)變化趨勢，未到達(dá)顯著影響。而對于研究區(qū)域BC，一般認(rèn)為，火燒后產(chǎn)生黑碳的土壤中，pH值會增加，這是由于林火殘留灰分中含有的大量可溶性堿性金屬氧化物[40]，能很快合成碳酸鹽，中和土壤的酸性，導(dǎo)致火燒后土壤pH值升高[41]，二者應(yīng)具備正相關(guān)關(guān)系，但由于黑碳形成受諸多因素影響，所以與pH值相關(guān)性不顯著(p>0.05)。

一般認(rèn)為粘粒具有較大的比表面積和電荷密度，能夠強(qiáng)烈吸附土壤有機(jī)物質(zhì)，并能與腐殖質(zhì)形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，降低微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的分解[42]。本研究中POC和BC與粘粒含量相關(guān)性均不顯著。粘粒主要是吸附和固定有機(jī)質(zhì)，而POC、BC均不以粘粒為結(jié)合態(tài)存在，二者與粘粒之間無顯著相關(guān)。

土壤團(tuán)聚體形成作用是土壤碳蓄積的重要機(jī)制，本研究中，表層和亞表層的POC均隨團(tuán)聚體增加而增加，二者具有顯著正相關(guān)(p<0.01)。這是因為土壤中游離顆粒有機(jī)碳被膠結(jié)劑包裹形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體形成后內(nèi)部孔隙降低，有機(jī)碳與礦物顆粒的接觸更緊密[43]，即團(tuán)聚體有利于POC的形成。研究區(qū)域的BC與團(tuán)聚體之間相關(guān)性不顯著，一方面本實驗沒有把團(tuán)聚體按粒徑組分劃分[44]；另一方面由于土壤自身生物學(xué)和理化性質(zhì)的復(fù)雜性，及它們在團(tuán)聚過程中的強(qiáng)烈交互作用[45]，所以探討二者的關(guān)系需要考慮綜合因素系統(tǒng)研究。

POC和BC與土壤基本性質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體相關(guān)性不一致，其可能原因分別為：一是火燒后黑碳和有機(jī)碳富集在表層，黑碳和有機(jī)碳主要是通過土壤動物、水等作用淋溶至下層，黑碳和有機(jī)碳淋溶下層的量不成比例，導(dǎo)致黑碳和有機(jī)質(zhì)在下層不相關(guān)；二是本研究中團(tuán)聚體是>0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，這些團(tuán)聚體內(nèi)部可能含有黑碳，但由于黑碳密度較小，質(zhì)量較輕，黑碳質(zhì)量在水穩(wěn)定大團(tuán)聚體質(zhì)量中甚至可能忽略不計，所以導(dǎo)致黑碳質(zhì)量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量不相關(guān)。

3.3 土壤顆粒有機(jī)碳和黑碳的關(guān)系

土壤黑碳與顆粒有機(jī)碳存在顯著正相關(guān)關(guān)系。通常認(rèn)為，BC具有高度芳香性，是土壤惰性碳庫的重要組成部分[46]；而POC主要由未分解或半分解的動植物和根系殘體組成，是土壤活性碳庫的一部分[47]。然而，本研究中土壤POC和BC顯著正相關(guān)，可能是因為分離的顆粒有機(jī)碳主要是粒徑>53μm的顆粒，其中可能包含了大量黑碳顆粒。可見，在東北森林土壤中顆粒有機(jī)碳組分中不完全是活性有機(jī)碳，下一步研究將進(jìn)一步分離顆粒有機(jī)碳中的黑碳。

4 結(jié)論

(1)在長白山地區(qū)林型顯著影響土壤POC和BC，楊樺次生林土壤POC和BC顯著高于原始闊葉紅松林，這很可能與楊樺次生林遭受的采伐和火燒有關(guān)。

(2)兩種林型土壤A11層顆粒有機(jī)碳和黑碳含量均高于A12層。

(3)原始闊葉紅松林和楊樺次生林土壤POC和BC分布格局是土壤基本理化性質(zhì)綜合作用的結(jié)果。

(4)土壤POC和BC存在顯著正相關(guān)關(guān)系，初步認(rèn)為可能與顆粒有機(jī)碳中含有較多黑碳有關(guān)，具體原因還有待于進(jìn)一步驗證。

[1] 趙 鑫,宇萬太,李建東, 等. 不同經(jīng)營管理條件下土壤有機(jī)碳及其組分研究進(jìn)展[J] . 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2006, 17( 11) : 22032-22209.

[2] Parton W J, Schimel D S, Cole C V,etal. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great plains grasslands[J]. Soil Science Society of America Journal, 1987, 51(5): 1173-1179.

[3] Parton W J, Schimel D S, Cole C V,etal. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in Great Plains grasslands[J]. Soil Science Society of America Journal, 1987, 51(5): 1173-1179.

[4] Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56(3): 777-783.

[5] Franzluebbers A J, Arshad M A. Particulate organic carbon content and potential mineralization as affected by tillage and texture[J]. Soil Science Society of America Journal, 1997, 61(5): 1382-1386.

[6] 土地利用方式對紅壤和黃壤顆粒有機(jī)碳和碳黑積累的影響[J]. 土壤通報, 2006, 37(4):662)665 .

[7] Brodowski S, John B, Flessa H,etal. Aggregate-occluded black carbon in soil[J]. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4): 539-546.

[8]周彩云, 魏宗強(qiáng), 顏 曉,等. 不同施肥處理對水稻土顆粒有機(jī)碳與磷的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 38(2):20-27.

[9] 方華軍, 楊學(xué)明, 張曉平, 等. 東北黑土區(qū)坡耕地表層土壤顆粒有機(jī)碳和團(tuán)聚體結(jié)合碳的空間分布[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(9): 2847-2854.

[10] 劉兆云, 章明奎. 林地土壤中黑碳的出現(xiàn)及分布特點[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報, 2009, 26(3): 341-345.

[11] 何 躍, 張甘霖. 城市土壤有機(jī)碳和黑碳的含量特征與來源分析[J]. 土壤學(xué)報, 2006, 43 (2): 177-182.

[12] 張履勤, 章明奎. 土地利用方式對紅壤和黃壤顆粒有機(jī)碳和碳黑積累的影響[J]. 土壤通報, 2006, 37(4): 662-665.

[13] 李昌華. 長白山露水河施業(yè)區(qū)的土壤條件及其與林型分布和林木生長的關(guān)系[J]. 林業(yè)科學(xué), 1963, 8(2):93-104.

[14] Lim B, Cachier H. Determination of black carbon by chemical oxidation and thermal treatment in recent marine and lake sediments and Cretaceous-Tertiary clays[J]. Chemical Geology, 1996, 131(1): 143-154.

[15] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,1999.

[16] 杜有新,吳從建,周賽霞,等.廬山不同海拔森林土壤有機(jī)碳密度及分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(7):1675-1681.

[17] 劉 偉,程積民,高 陽,等.黃土高原草地土壤有機(jī)碳分布及其影響因素[J].土壤學(xué)報,2012,49(1):68-75.

[18] 張履勤, 章明奎. 土地利用方式對紅壤和黃壤顆粒有機(jī)碳和碳黑積累的影響[J]. 土壤通報, 2006, 37(4): 662-665.

[19] 方華軍, 楊學(xué)明, 張曉平, 等. 東北黑土區(qū)坡耕地表層土壤顆粒有機(jī)碳和團(tuán)聚體結(jié)合碳的空間分布[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(9): 2847-2854.

[20] 章明奎,鄭順安,王麗平. 利用方式對砂質(zhì)土壤有機(jī)碳, 氮和磷的形態(tài)及其在不同大小團(tuán)聚體中分布的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 40(8): 1703-1711.

[21] 薛麗佳,高 人,楊玉盛, 等. 武夷山土壤有機(jī)碳和黑碳的分配規(guī)律研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2011, 24(3): 399-403.

[22] 劉兆云,章明奎.林地土壤中黑碳的出現(xiàn)及分布特點[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報, 2009, 26(3): 341-345.

[23]靳英華, 許嘉巍, 梁 宇,等. 火山干擾下的長白山植被分布規(guī)律[J]. 地理科學(xué), 2013, 33(2):203-208.

[24] 于小玲, 佟小剛, 楊學(xué)云, 等. 長期施肥對 (土婁) 土黑碳積累的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 18(6) : 1404 -1411.

[25] Rumpel C, Alexis M, Chabbi A,etal. Black carbon contribution to soil organic matter composition in tropical sloping land under slash and burn agriculture[J]. Geoderma, 2006, 130(1): 35-46.

[26] 孫金兵,桑 英,宋金鳳, 等. 長白山典型森林土壤黑碳含量及不同組分中的分布特征[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2016, 29(1): 34-40.

[27] 楊萬勤,鄧仁菊,張 健. 森林凋落物分解及其對全球氣候變化的響應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2007,28(12):2889-2895.

[28] Wynn J G, Bird M I,Vellen L,etal. Continental-scale measurement of the soil organic carbon pool with climatic,edaphic，and biotic controls[J]. Global Biogeochemical Cycles，2006，20:GB1007:doi:10.1029/2005GB002576.

[29] Tissen H, Stewart J W B. Particle2size fractions and their use in studies of soil organic matter. Π. Cultivation effects on organic matter composition in size fraction[J]. Soil Science Society of America Journal, 1983, 47: 509-514.

[30] 胡 嵩,張 穎,史榮久,等. 長白山原始紅松林次生演替過程中土壤微生物生物量和酶活性變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24(2):366-372.

[31] 王 陽,章明奎.不同類型林地土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳和黑碳的分布特征[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報: 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版, 2011, 37(2): 193-202.

[32] 郭劍芬, 楊玉盛, 陳光水,等. 火燒對森林土壤有機(jī)碳的影響研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2015(9):2800-2809.

[33] 安曉娟,李 萍,戴 偉,等.亞熱帶幾種林分類型土壤有機(jī)碳變化特征及與土壤性質(zhì)的關(guān)系[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2012,28(22):53-58.

[34] 崔曉陽,郝敬梅,趙山山,等.大興安嶺北部試驗林火影響下土壤有機(jī)碳含量的時空變化[J]. 水土保持學(xué)報,2012,26(5):195-200.

[35] 張文敏,吳 明,王 蒙, 等. 杭州灣濕地不同植被類型下土壤有機(jī)碳及其組分分布特征[J]. 土壤學(xué)報, 2014, 51(6): 1351-1360.

[36] 陸 昕,孫 龍,胡海清. 森林土壤活性有機(jī)碳影響因素[J]. 森林工程, 2013 (1): 9-14.

[37] 何其華, 何永華, 包維楷. 干旱半干旱區(qū)山地土壤水分動態(tài)變化[J]. 山地學(xué)報, 2003, 21(2): 149-156.

[38] 王 臏, 錢曉剛, 彭 熙. 花江峽谷不同植被類型下土壤水分時空分布特征[J]. 水土保持學(xué)報, 2006, 20(5): 139-141.

[39] 趙銳鋒, 張麗華,趙海莉, 等. 黑河中游濕地土壤有機(jī)碳分布特征及其影響因素[J]. 地理科學(xué), 2013, 33(3): 363-370.

[40] 田 昆. 火燒跡地土壤磷含量變化的研究[J]. 西南林學(xué)院學(xué)報, 1997, 17(1): 21-25.

[41] 張玉紅, 孫銘隆, 劉 彤.林火對大興安嶺典型植被土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2012, 40(6): 41-44.

[42] 解宏圖，鄭立臣，何紅波，等. 東北黑土有機(jī)碳、全氮空間分布特征[J].土壤通報，2006，37(6):1058-1061.

[43] 陳建國，田大倫，閆文德，等. 土壤團(tuán)聚體固碳研究進(jìn)展[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(5):74-80.

[44] Skjemstad J O, Reicosky D C, Wilts A R,etal. Charcoal carbon in US agricultural soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(4): 1249-1255.

[45] Blanco-Canqui H, La l R. Mechanism of C sequestration in soil aggregates[J]. Critical Review in Plant Science, 2004, 23: 481-504.

[46] Brodowski S, John B, Flessa H,etal. Aggregate-occluded black carbon in soil[J]. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4): 539-546.

[47] 彭新華, 張 斌, 趙其國. 土壤有機(jī)碳庫與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系的研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報, 2004, 41(4): 618-623.

(責(zé)任編輯：彭南軒)

Distributions of Soil Particulate Organic Carbon and Black Carbon of Two Forest Types in Changbai Mountain

SUNJin-bing,GAOFei,SONGJin-feng,CUIXiao-yang

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

particulate organic carbon; black carbon; distribution characteristic; soil basic properties

2016-05-10 基金項目： 國家科技支撐計劃項目(2011BAD37B01)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2011CB403202)資助. 作者簡介： 孫金兵，女，博士生，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 63389950@qq.com。 * 通訊作者：崔曉陽，E-mail: c_xiaoyang@126.com

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.006

S714

A

1001-1498(2017)02-0222-10