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长白山林区是我国重要林区之一,其中的原始阔叶红松林和杨桦次生林作为主要森林类型,在全球变化背景下发挥着巨大的生态效益和经济效益。鉴于森林土壤在全球碳循环中的重要性,对长白山原始阔叶红松林和杨桦次生林土壤有机碳及其组分特征系统研究,对于我国东北森林土壤有机碳稳定性评价具有重要意义。土壤有机碳具有高度的复杂性和异质性,由一系列易分解活性有机碳和难分解惰性有机碳组成[1-2]。活性有机碳可预见土壤理化性质的改变,对土壤变化有着重要的意义[3],活性有机碳包括微生物碳、轻组有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳等;惰性有机碳分解慢,周转时间长,相对稳定,该部分有机碳对长期固碳具有重要影响,惰性有机碳包括重组有机碳和黑碳等。
颗粒有机碳(POC>53 m)是与粉砂结合的土壤有机碳,通常被认为是易被微生物分解的有机碳组分,相对于土壤粘粒,被认为是有机碳中的非保护性部分[4-5],代表一定比例的活性有机碳库[4]。POC属于植物残体向土壤腐殖质转化的活性中间产物,可作为有机碳的表征指标[6],在土壤有机碳积累和循环中起着重要的作用。黑碳(BC),植物残体不完全燃烧的产物,因具有高度芳香化结构,而表现出较高的抗氧化性和抗分解能力,在不同地质载体中可保存上亿年,其周转时间为几千年甚至几万年[7],因此黑碳是土壤惰性碳库的重要组成部分。目前,国内学者对我国个别城市、森林和农业土壤的颗粒有机碳[8-9]和黑碳[10]含量及分布已有部分研究,如不同功能区之间土壤黑碳含量表现出差异性[11],不同利用方式下土壤颗粒有机碳和黑碳数量的差异[12]等等,直接针对不同林型下POC和BC分布及与土壤基本性质相互关系研究尚缺乏。本研究以长白山典型林区原始阔叶红松林和杨桦次生林为对象,在区域气候和土壤类型较一致的前提下,采集了土壤表层和亚表层土壤样品,利用粒径分组方法量化土壤颗粒态有机碳(POC)、黑碳(BC),分析不同林型对土壤POC、BC分布特征,探讨土壤POC和BC与土壤基本性质(有机质、含水量、pH值、粘粒和团聚体等)的关系,以期为我国东北森林土壤有机碳积累和稳定提供理论依据。
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长白山为我国东北主要山脉之一,位于我国吉林省境内,该区域属于受季风影响的温带大陆性气候,其特点是春季干燥多风,夏季短暂多雨,秋季凉爽多雾,冬季漫长严寒,年平均温度3~7℃,降水量丰富,年均600~800 mm,主要集中在夏季,无霜期约110 d。本研究所涉调查区位于长白山北麓天然林区,海拔约为800~850 m。主要地带性植被包括以红松(Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.)为主的原始阔叶红松林,以及原生植被破坏后,乔木层除红松外出现大面积的是山杨(Populus davidiana Dode.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)等次生林(表 1)。土壤类型主要为白浆土(漂白冷凉淋溶土,CST),其成土母质为黄土状粘土和火山玄武岩风化物[13]。
林型
Forest types林龄
Age of forest/a林层Story division 干扰
Jamming乔木层Tree layer 灌木层Shrub layer 草本层Herbaceous layer 原始阔叶红松林
Virgin broad-leaved Korean pine forest200~300 红松(Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.) 忍冬(Lonicera japonica Thunb.) 木贼(Hippochaete hiemale) 无
Nothing水曲柳(Fraxinus mandshurica) 暴马丁香(Syringa reticulate) 蕨类(Pteridophyta spp.) 蒙古栎(Quercus mongolica) 早花忍冬(Lonicera praeflorens) 刺五加(Acanthopanax senticosus) 杨桦次生林
Secondary poplar-birch forest40~50 白桦(Betula platyphylla Suk.) 山梅花
(Philadelphus incanus Koehne)大叶柴胡
(Bupleurum longiradiatum Turcz.)火烧
Fire山杨(Populus davidiana Dode.) 瘤枝卫矛(Euonymus verrucosus) 木贼(Hippochaete hiemale) 放荒
Prescribed burning辽东楤木
(Aralia elata(Miq.) Seem)Table 1. Basic information of study area used in the experiment
在研究区中随机选取20块样地(10 m×10 m),其中原始林、次生林样地各10块。每块样地中部典型部位选择1个主剖面,按照发生层取腐殖质层(A1)样品。并将其分为两个亚层:表层(A11),聚积过程占优势、同时具有淋溶作用,颜色较深的腐殖质层;亚表层(A12),颜色较浅的腐殖质层。采用原位立方土柱法取样:A11、A12分层后现场标记并记录土层深度,然后按自上而下顺序分别采集横截面为10 cm×10 cm的立方土柱,土柱取样深度即为土层厚度。
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土壤湿样品捡去根系,无损风干、称质量(W1),过2 mm筛。制样后将筛出的2 mm以上石砾合并称质量(W2),计算石砾含量;土壤密度根据W1和实际取样体积估算。过2 mm筛的土样在容器内充分混匀,取适量分成6份,其中5份用于颗粒态有机碳、土壤基本性质(有机质、含水量、电导率和pH值)的测定,还有1份用玛瑙球磨碎,过100目筛,混匀,分成两份,装入自封袋中。其中一部分直接用CN分析仪测定总有机碳,另一部分用于土壤黑碳分离。
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粒径分级属于土壤有机质物理分级,步骤如下:
1) 取过2 mm筛土壤或土壤团聚体土样20 g,放入250 mL三角瓶,加入100 mL六偏磷酸钠(50 g·L-1),先手摇3 min,然后在往复式震荡器(180 r·min-1)震荡30 min,搅匀后在超声波分散仪中分散5 min。
2) 将分散土壤悬液过53 μm筛,并用蒸馏水反复冲洗至滤液澄清。把所有留在筛子上方的物质,在50℃下48 h后称质量,分离样品在玛瑙研钵中研磨均匀,过0.149 mm筛后,装入半微量样品管备用。
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土壤黑碳的分离采用HF/HCl处理的重铬酸盐氧化方法[14]。
1) 碳酸盐矿物去除
称取过100目筛的土样1~5 g(因有机质含量而异)于100 mL离心管中,加入25 mL 3 mol·L-1 HCl溶液,超声分散10 min,静置过夜;离心,弃去上清液,加25 mL去离子水震荡10 min,离心洗涤1次,弃去上清液。
2) 硅酸盐矿物释放
离心管残余物中加入25 mL 10 MHF/1 MHCl,振荡2 h,离心弃去上清液;再加入25 mL 10 mol·L-1 HF/1 mol·L-1 HCl,振荡2 h,静置20 h(其间每4 h摇匀1次),离心弃上清液;加入25 mL蒸馏水,漩涡1 min,如此离心洗涤3次;离心管残余物60℃烘干24 h,称质量。
3) 活性有机碳去除
HF处理的烘干样品在玛瑙研钵中研磨混匀并过100目筛,称取0.1~0.3 g于玻璃试管中,加入30 mL 0.1 mol·L-1 K2Cr2O7和2 mol·L-1 H2SO4溶液,超声分散10 min,加盖回流漏斗,恒温水浴中55 ℃±1 ℃反应60 h,其间每12 h置于超声分散器中分散10 min,并适时补充蒸发损失的水分,监测溶液颜色变化(溶液若出现蓝绿色,表明重铬酸钾不足,此时应增加溶液用量);反应完毕,将试管中物质无损转移到100 mL离心管中,离心弃上清液,加30 mL蒸馏水,漩涡1 min,如此离心洗涤3次;将离心管60 ℃烘干24 h,称质量,其中剩余物即为BC样品。
干结BC样品在玛瑙研钵中研磨均匀,装入半微量样品管备用。
全土有机碳(OC)、黑碳(BC)、颗粒有机碳(POC)用自动CN分析仪(Heraeus Elementar Vario EL, Hanau)直接测定,单位统一换算成g·kg-1土。
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有机质: 重铬酸钾外加热法;
含水量:差值法;
pH值:电极法;
粘粒:吸管法测定;
水稳性团聚体(>0.25 mm):土壤湿筛法。
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利用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0软件对试验数据进行分析处理,采用单因素方差分析法(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异,用Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系,并利用SigmaPlot(12.0)软件作图。
1.1. 研究区域与样品采集
1.2. 分析方法
1.2.1. 土壤颗粒态有机碳分离
1.2.2. 土壤黑碳的分离
1.2.3. 土壤基本性质的测定[15]
1.3. 数据处理
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土壤POC含量在A11、A12层分别为31.89~88.00、5.25~19.45 g·kg-1,随深度的增加而显著下降(p < 0.01)。A11、A12层BC含量分别为8.43~22.40、3.39~12.10 g·kg-1,总体趋势为随土层深度显著降低(p﹤0.01)。A11、A12层POC/OC比例分别为0.39、0.20,有随土层深度而显著下降(p﹤0.01);BC/OC比例分别为0.10、0.13,有随土层深度而增加的趋势,差异达到显著水平(p﹤0.01)。另外,土壤POC、BC含量及POC/OC、BC/OC的变异系数表现为A11层﹤A12层,而BC/OC的变异系数在两不同土层间差异大(表 2)。
指标
Indicators土壤层次
Soil horizon范围Range/(g·kg-1) 平均值Mean/(g·kg-1) 标准差Standard deviation/(g·kg-1) 变异系数Coefficient of Variance/% POC A11 31.89~88.00 57.45a 16.84 29.32 A12 5.25~19.45 11.96b 4.11 34.39 BC A11 8.43~22.40 14.54a 4.13 28.40 A12 3.39~12.10 7.53b 2.45 32.56 POC/OC A11 0.27~0.50 0.39a 0.07 16.95 A12 0.11~0.26 0.20b 0.04 21.80 BC/OC A11 0.07~0.13 0.10a 0.02 19.65 A12 0.07~0.24 0.13b 0.05 38.95 注:不同土层间平均值的差异,字母不同代表p=0.01显著水平 Table 2. Soil organic carbon ratios and POC and BC contents (n=20)
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A11、A12层杨桦次生林土壤POC范围分别为44.67~88.00、7.18~19.45 g·kg-1,中位值分别为67.19、15.28 g·kg-1;原始阔叶红松林POC范围分别为31.89~65.23、5.25~13.63 g·kg-1,中位值分别为46.70、9.43 g·kg-1(图 1A)。杨桦次生林表层土壤POC均高于原始林(图 1A)。在A11、A12层,土壤POC次生林比原始林分别高23.02、5.01 g·kg-1(p﹤0.01,图 1)。
杨桦次生林中A11、A12层土壤BC范围分别为12.03~22.41、5.02~12.10 g·kg-1,中位值分别为15.80、7.87 g·kg-1;原始阔叶红松林中A11、A12层土壤BC范围分别为8.43~17.87、3.39~17.75 g·kg-1,中位值分别为11.97、6.21 g·kg-1,两种林型下,总体趋势均为随土层深度显著降低(p﹤0.01)。杨桦次生林表层土壤黑碳含量均高于原始阔叶红松林(图 1)。在A11、A12层,土壤BC杨桦次生林比原始阔叶红松林分别高4.27、2.26 g·kg-1(p < 0.05,图 1B)。
由此可知,在同一土层,林型对土壤POC和BC均具有显著影响(p < 0.05),林型是影响土壤有机碳分布的重要因素。另外,方差分析可知,杨桦次生林和原始阔叶红松林土壤POC和BC均随着土层加深而显著降低,即A11层﹥A12层(p < 0.01)。
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两种林型下,土壤POC和BC与有机质存在线性相关关系(图 2)。POC与有机质相关系数分别为:A11层0.860、A12层0.769(数据未显示),表层和亚表层均为显著性正相关(p1=0.000、p2=0.000,图 2A);BC含量与有机质的相关系数分别为:A11层0.724、A12层0.339(数据未显示),土壤BC与有机质的相关性表层达到显著相关(p1=0.000,图 2B)、亚表层不显著(p2=0.143,图 2B)。相关数据分析可知,两种林型下,土壤POC与有机质的相关性大于BC。
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研究表明,颗粒有机碳含量、黑碳含量与含水量存在线性正相关关系(图 3)。POC与含水量之间的相关系数分别为:A11层0.821、A12层0.792(数据未显示),表层和亚表层均为显著性正相关(p1=0.000、p2=0.000,图 3A);BC与含水量的相关系数分别为:A11层0.640、A12层0.495(数据未显示),表层和亚表层均达到显著相关(p1=0.002、p2=0.027,图 3B)。相关数据分析可知,两种林型土壤POC与含水量的相关性大于BC。
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两种林型下,土壤POC与pH值之间的相关系数为:A11层0.388、A12层0.085(数据未显示),表层和亚表层BC与pH值均不相关(p1=0.091、p2=0.721,图 4A);土壤BC与pH值的相关系数分别为:A11层0.355、A12层0.071(数据未显示),表层和亚表层BC与pH值均不相关(p1=0.124、p2=0.765,图 4B)。
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土壤POC与粘粒之间的相关系数为:A11层0.361、A12层0.038(数据未显示),表层和亚表层土壤POC与粘粒均不相关(p1=0.117、p2=0.873,图 5A);土壤BC与粘粒的相关系数分别为:A11层0.429、A12层0.138(数据未显示),表层和亚表层BC与粘粒相关性均不显著(p1=0.059、p2=0.561,图 5B)。可见,两种林型土壤POC和BC与粘粒均不相关(p>0.05,图 5)
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两种林型下,土壤POC与水稳性团聚体相关系数分别为:A11层0.698、A12层0.700(数据未显示),表层和亚表层均为显著性正相关(p1=0.000、p2=0.000,图 6A);土壤BC含量与有机质的相关系数分别为:A11层0.232、A12层0.369(数据未显示),土壤BC与水稳性团聚体均不相关(p1=0.324、p2=0.110,图 6B)。综上可知,两种林型下,土壤POC与水稳性团聚体的相关性大于土壤BC。
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两种林型下,颗粒有机碳含量与黑碳含量存在线性相关关系(图 7)。A11和A12层相比较,两种林型下土壤BC与POC间的相关系数A11层0.571(p1﹤0.01,图 7A)﹥A12层0.488(p2﹤0.05,图 7B);混合统计(A11+A12)得出,土壤BC与POC之间的相关系数为0.812(p﹤0.000,图 7C),可见A层土壤颗粒有机碳和黑碳存在显著相关。