商素云，姜培坤，2，* ，宋照亮，2，李永夫，2，林 琳，2

(1．浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，臨安 311300;2．浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨安 311300)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，森林土壤貯藏約787 Pg(1 Pg=1015g)有機(jī)碳，約占全球土壤碳儲(chǔ)量40%［1］。森林土壤碳庫作為全球碳循環(huán)重要的組成部分，其積累和分解的變化將對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯藏和全球碳平衡產(chǎn)生直接影響［2］。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤眾多理化性質(zhì)和生物特性密切相關(guān)［3］，是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。鑒于森林土壤碳庫在全球碳平衡和森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，林分類型和經(jīng)營(yíng)措施對(duì)森林土壤碳庫的影響一直受到廣泛關(guān)注［4-6］。

近年來，核磁共振(NMR)技術(shù)廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的研究中。該方法在研究土壤碳庫的化學(xué)組成方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，特別是在土壤有機(jī)碳分解和腐殖化過程中，可以清晰表明有機(jī)碳中各種類型碳的相對(duì)分布［7-8］，通過計(jì)算不同類型碳組分含量的變化，可以確定有機(jī)碳結(jié)構(gòu)特征和穩(wěn)定性的變化。通過研究不同粒級(jí)土壤顆粒物理、化學(xué)性質(zhì)和生物特性的變化，來探討土壤有機(jī)碳的變化過程，被認(rèn)為是一個(gè)很好的方法［8-9］。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤總有機(jī)碳和粒徑組分碳含量進(jìn)行了大量的研究［10-12］，但應(yīng)用NMR技術(shù)研究亞熱帶森林土壤，特別是天然林改造成經(jīng)濟(jì)林后土壤總有機(jī)碳及粒徑組分結(jié)構(gòu)特征變化的研究非常少。

本研究選取亞熱帶代表性的天然林(常綠闊葉林和馬尾松林)和目前亞熱帶經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度較大的經(jīng)濟(jì)林(板栗林和雷竹林)作為研究樣地。在測(cè)定研究區(qū)內(nèi)不同林分下土壤總有機(jī)碳和粒徑組分碳含量基礎(chǔ)上，利用核磁共振技術(shù)研究上述4種林分土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)特征，探討林分類別和經(jīng)營(yíng)措施對(duì)土壤總有機(jī)碳及粒徑組分碳含量、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，為亞熱帶區(qū)域固碳和森林土壤碳庫管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在浙江省臨安市玲瓏山，地理坐標(biāo)為119°42'E，30°14'N。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明。一年之中，1月為最冷月，7月為最熱月，年平均氣溫15．8℃，年均降水量1424 mm，無霜期236 d。土壤為發(fā)育于凝灰?guī)r的黃紅壤。在研究區(qū)內(nèi)選擇坡向(南坡)、坡度(10°—15°)、坡位(中坡)、海拔(330—370 m)基本一致的常綠闊葉林、板栗林、馬尾松林和雷竹林。4種林地的基本情況如下:

(1)闊葉林，該地區(qū)的頂極群落，主要優(yōu)勢(shì)樹種有青岡(Cyclobalanopsis glauca)、苦櫧(Castanopsis sclerophylla)等，林齡約25a，平均胸徑14．3 cm，郁閉度為70%。林下灌木種類有山蒼子(Litsea cubeba)、山胡椒(Lindera glauca)等，覆蓋度70%，該林地總面積為14．7 hm2。(2)馬尾松(Pinus massoniana)林，生長(zhǎng)歷史在20a以上，平均胸徑在10—13 cm，覆蓋度在55%—75%，林下植被有連蕊茶(Camellia fraterna)、烏飯(Vaccinium bracteatum)等，該林地總面積為18．5 hm2。(3)板栗(Castanea mollissima)林，由闊葉林和針葉林兩類天然林改造而來，林齡14a，種植密度415株/hm2，平均胸徑14．4 cm，該林地總面積為4．3 hm2。每年除草2—3次并翻耕，每年施肥3次，年施肥量為1 kg/株復(fù)合肥。(4)雷竹(Phyllostachys Praecox)林，林齡14a，胸徑3．5 cm，密度1500株/hm2，于1997年由常綠闊葉林幼林改造而來，該林地總面積為6．8 hm2。2003年起實(shí)行覆蓋促成式栽培，其模式是:每年11月下旬至12月上旬給雷竹林地表覆蓋有機(jī)物以增溫避冷保濕，通常是在雷竹林地表先覆10—15 cm稻草，再在上面覆蓋10—15 cm的礱糠，稻草用量40 t/hm2，礱糠用量55 t/hm2，翌年3、4月份揭去未腐爛的礱糠。

1．2 采樣及分析方法

2010年3月上旬，在上述四種林地中，各選擇面積為20 m×20 m的樣地3個(gè)。在同一個(gè)樣地內(nèi)，分別挖掘3個(gè)土壤剖面，取0—20 cm土層樣品。將同一樣地內(nèi)3個(gè)點(diǎn)取到的土壤混合，作為該樣地的土壤樣品。樣品采集后，帶回實(shí)驗(yàn)室，在室溫下風(fēng)干，除去礫石和根系后過2 mm鋼篩，磨細(xì)待測(cè)。

(1)土壤基本性質(zhì)測(cè)定 土壤pH值采用水浸提酸度計(jì)法(土∶水=1∶5);土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤全氮采用凱氏定氮;堿解氮用堿解擴(kuò)散法;有效磷用Bray法;速效鉀先用乙酸銨浸提，后在火焰光度計(jì)上測(cè)定。

(2)土壤粒度分級(jí) 超聲分散濕篩法，分組方法參照［13-14］。獲得粗砂(＞250 μm)，細(xì)砂(53—250 μm)，粉黏粒(＜53 μm)3部分，在60℃烘干、稱重、磨細(xì)，用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定各粒級(jí)含碳量。

(3)土壤有機(jī)碳核磁共振分析 樣品在進(jìn)行固態(tài)13C核磁共振波譜分析前進(jìn)行HF預(yù)處理，目的是去除土壤中的Fe3+和Mn2+離子，提高儀器分析的信噪比，進(jìn)而提高分析效率。HF預(yù)處理方法主要參考［15］。將HF預(yù)處理過的土壤樣品進(jìn)行固態(tài)魔角旋轉(zhuǎn)-核磁共振測(cè)定(AVANCE II 300 MH)。實(shí)驗(yàn)采用7 mm CPMAS探頭，觀測(cè)評(píng)率為100．5 MHz，MAS旋轉(zhuǎn)頻率為5000 Hz，接觸時(shí)間為2 ms，循環(huán)延遲時(shí)間為2．5 s?；瘜W(xué)位移的外標(biāo)物為六甲基苯(hexamethyl benzene，HMB，甲基17．33ppm(ppm為核磁共振波譜中化學(xué)位移的計(jì)量單位)。對(duì)譜峰曲線進(jìn)行區(qū)域積分，獲得各種類型碳組分的相對(duì)含量。

1．3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)處理均在Microsoft Excel 2003和DPS7．05軟件上完成。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和新復(fù)極差法(Duncan's Multiple Range Test)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0．05。

2 結(jié)果

2．1 不同林分土壤基本理化性質(zhì)分析

由表1可知，4種林分表層土壤(0—20 cm)pH值均呈強(qiáng)酸性，介于為4．10—4．47之間，其中馬尾松林土壤pH值最高，板栗林最低。雷竹林土壤總有機(jī)碳含量在4種林分中最高，顯著高于其他林地土壤，其后依次是闊葉林、馬尾松林、板栗林，后3種林分土壤有機(jī)碳含量不存在顯著性差異。4種林分土壤中，雷竹林的全N、堿解N、有效P、速效K含量均顯著高于其他林地相應(yīng)養(yǎng)分含量。土壤中不同粒徑顆粒的分布，闊葉林、馬尾松林和雷竹林土壤粒級(jí)結(jié)構(gòu)相似:以粗砂為主，所占比例超過60%，細(xì)砂和粉黏粒含量相近;板栗林土壤仍以粗砂為主，但僅占48．08%，而細(xì)砂和粉黏粒含量較高。

2．2 不同林分土壤總有機(jī)碳及粒徑組分有機(jī)碳分布

由圖1可知，不同林分土壤相同粒徑有機(jī)碳含量差異明顯。粗砂和細(xì)砂粒級(jí)含碳量，均以雷竹林最高(分別是37．43 g/kg和36．93 g/kg)，顯著高于其他林地，然后依次分別是闊葉林(18．05 g/kg和22．23 g/kg)、馬尾松林(10．88 g/kg 和22．20 g/kg)、板栗林(6．14 g/kg 和10．57 g/kg)。粉黏粒的含碳量，則是馬尾松林最高(30．25 g/kg)，闊葉林(21．68 g/kg)和雷竹林(19．16 g/kg)接近，板栗林(13．94 g/kg)最低。同一林分下，不同粒徑土壤顆粒有機(jī)碳含量的差異也比較明顯。馬尾松林和板栗林不同粒徑有機(jī)碳含量大小分布均為:粉黏粒＞細(xì)砂＞粗砂，存在顯著性差異。闊葉林土壤中，細(xì)砂和粉黏粒碳含量較高，粗砂的碳含量最低，而雷竹林土壤中，則是粗砂和細(xì)砂的碳含量較高，粉黏粒的碳含量最低。

表1 不同林分土壤基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of the soils under different forest types

不同林分下粒徑組分有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例差異也很明顯(圖2):闊葉林、馬尾松林和雷竹林土壤中，均為粗砂固定的碳占土壤總有機(jī)碳的比例最大，特別是雷竹林其比例高達(dá)71．08%，細(xì)砂和粉黏粒固定碳所占比例較小。而板栗林土壤中則是粉黏粒固定的碳所占比例最大，為43．83%。

圖1 4種林分土壤有機(jī)碳在不同粒徑中的分布Fig．1 Distribution of organic carbon in different sized particles of the soils under four forest types

圖2 4種林分類型中不同粒徑顆粒碳占總有機(jī)碳的比例Fig．2 The proportions of organic carbon in different sized particles to total organic carbon in the soils under four forest types

2．3 不同林分土壤總有機(jī)碳及粒徑組分化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

2．3．1 土壤總有機(jī)碳NMR結(jié)構(gòu)的比較

闊葉林、馬尾松林、板栗林和雷竹林土壤總有機(jī)碳的固態(tài)13C核磁共振波譜如圖3所示。4種林分土壤有機(jī)碳的核磁共振譜均包含4個(gè)明顯共振區(qū):烷基碳區(qū)(0—50 ppm)、烷氧碳區(qū)(50—110 ppm)、芳香碳區(qū)(110—160 ppm)和羰基碳區(qū)(160—220 ppm)，但其土壤有機(jī)碳核磁共振的信號(hào)強(qiáng)度是有差異的(表2)。闊葉林和馬尾松林土壤有機(jī)碳中烷基碳的比例最大，分別為52．33%和42．62%;而板栗林和雷竹林則是烷氧碳的比例最高，分別為46．07%和68．26%。相比較而言，4種碳官能團(tuán)中，芳香碳和羰基碳所占比例較少，其中芳香碳的比例是最小。雷竹林土壤芳香碳比例最高(8．12%)，顯著高于其他3種林分。馬尾松林的羰基碳顯著高于雷竹林，但與闊葉林和板栗林沒有顯著性差異。土壤有機(jī)碳的A/O-A和疏水碳/親水碳的比值按以下次序遞減:闊葉林＞馬尾松林＞板栗林＞雷竹林，并且存在顯著性差異。雷竹林土壤有機(jī)碳的芳香度顯著高于其他3種林分。

圖3 4種林分土壤總有機(jī)碳核磁共振波譜Fig．3 Solid-state13C NMR spectra of total organic carbon in the soils under four forest types

2．3．2 粒徑組分土壤有機(jī)碳的NMR結(jié)構(gòu)特征

由圖4可知，粗砂、細(xì)砂和粉黏粒土壤有機(jī)碳也都包含4個(gè)明顯的共振區(qū)，其分布與總有機(jī)碳大致相似。由粗砂到粉黏粒，4種林分土壤表現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)(表3)。隨著顆粒變細(xì)，粒徑有機(jī)碳中烷基碳的比例增加，烷氧碳比例下降，芳香碳和羰基碳則沒有一致的變化趨勢(shì)，A/O-A和疏水碳/親水碳的比值呈增加的趨勢(shì)，而芳香度沒有一致的變化趨勢(shì)。其中，雷竹林土壤，無論是粗砂、細(xì)砂還是粉黏粒，都是烷氧碳所占比例最大，烷基碳的比例明顯低于其他林地土壤相應(yīng)粒級(jí)，而芳香碳比例明顯高于其他林地。在A/O-A值、芳香度和疏水碳/親水碳這3個(gè)指標(biāo)上，雷竹林土壤各個(gè)粒級(jí)均與其他林地土壤相應(yīng)粒級(jí)存在較大的差異。

表2 不同林分類型土壤中不同有機(jī)碳官能團(tuán)占總有機(jī)碳的比例Table 2 The proportions of different organic carbon groups to total organic carbon in the soils under four forest types

芳香度=芳香碳/(烷基碳+烷氧碳+芳香碳)×100%;疏水碳/親水碳=(烷基碳+芳香碳)/(烷氧碳+羰基碳)

表3 4種林分類型土壤中不同粒徑顆粒不同碳官能團(tuán)分布Table 3 The proportions of different organic carbon groups to total organic carbon in the soils under four forest types

圖4 4種林分土壤中不同粒徑有機(jī)碳13C NMR圖譜Fig．4 Solid-state13C NMR spectra of organic carbon in different sized particles in the soils under 4 forest types

3 討論與結(jié)論

3．1 不同經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤總有機(jī)碳及粒徑組分碳含量的影響

天然林土壤有機(jī)碳主要來源于凋落物，人工林土壤有機(jī)碳含量則與經(jīng)營(yíng)措施密切相關(guān)。本研究中闊葉林植物物種豐富，地上生物量大，導(dǎo)致生物歸還量大，所以土壤有機(jī)碳含量較高;馬尾松林枯落物生物量較小，而且比較難分解，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量較低［16］。板栗林和雷竹林均由天然林改造而來，兩者的經(jīng)營(yíng)措施卻不盡相同。雷竹林采取集約經(jīng)營(yíng)的管理模式，使土壤有機(jī)碳含量大幅增加［17-18］。板栗林處于幼林階段，凋落物很少，加上每年多次除草并翻耕，使土壤原有的有機(jī)碳含量下降［19］，因此其土壤有機(jī)碳含量較低。

不同粒徑的土壤顆粒，有機(jī)碳含量差異很大，一般來說，顆粒越細(xì)，有機(jī)碳含量越高。而本研究中雷竹林土壤的粗砂和細(xì)砂粒級(jí)碳含量顯著高于粉黏粒，這是因?yàn)榧s經(jīng)營(yíng)使雷竹林土壤有機(jī)碳增加的部分，主要固定在大團(tuán)聚體中［20］。

3．2 不同經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤有機(jī)碳NMR結(jié)構(gòu)的影響

以往有關(guān)不同碳組分占土壤總有機(jī)碳比例的研究結(jié)果有很大的差異，若干研究結(jié)果［4，6-7］顯示，烷氧碳在四種碳組分中所占比例最大，而Oades［21］和Chen［22］的研究結(jié)果表明，烷基碳所占的比例最高。本研究中不同林分的結(jié)果也表現(xiàn)出很大差異:闊葉林和馬尾松林土壤中，烷基碳的比例最大，雷竹林和板栗林土壤中則是烷氧碳比例最高。不同的研究結(jié)果差異很大，可能與土地利用方式、土壤類型、氣候特征以及經(jīng)營(yíng)方式有關(guān)。Mathers和Xu［4］研究顯示，覆蓋處理會(huì)增加土壤中烷氧碳的相對(duì)含量。這與本研究中采用覆蓋措施的雷竹林土壤中烷氧碳比例最高是一致的。土壤有機(jī)碳的芳香結(jié)構(gòu)組分主要來自枯落物的殘留物和根系分泌物［6，23］。覆蓋措施和雷竹地下部分大量竹鞭的分泌物使其土壤芳香碳比例顯著高于其他林地。而板栗林土壤中烷基碳和芳香碳比例較低可能是除草措施造成的［6］。

本研究中，不同粒徑中有機(jī)碳核磁共振圖譜與土壤總有機(jī)碳相似，但表現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。隨著顆粒變細(xì)，烷基碳比例增加，烷氧碳比例下降，這可能與碳水化合物被土壤微生物利用消耗和某些頑固組分(如聚亞甲基等)被保留下來有關(guān)［24］。從土壤形成演化的角度來說，隨著土壤質(zhì)地變細(xì)，不穩(wěn)定的碳(烷氧碳)向穩(wěn)定的碳(烷基碳)轉(zhuǎn)化，土壤碳庫漸漸穩(wěn)定。

3．3 不同經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

A/O-A值常作為有機(jī)碳分解程度的指標(biāo)［25］。該比值愈大，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性愈高。但有學(xué)者認(rèn)為，A/O-A值可能會(huì)受輸入土壤的有機(jī)碳原始結(jié)構(gòu)影響，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定程度［4，24］。因此本研究采用疏水C/親水C比值(通常該比值越大，表示有機(jī)碳和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越高［26-27］)和A/O-A值兩個(gè)指標(biāo)來表征土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定程度。芳香度可以反映有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，該值越大，表明芳香核結(jié)構(gòu)越多，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

樹種對(duì)土壤有機(jī)碳的含量和穩(wěn)定性有一定的影響作用［25，28-29］。有研究表明馬尾松人工林比闊葉人工林土壤穩(wěn)定性高［28］，本研究中闊葉林的A/O-A和疏水C/親水C值均大于馬尾松林，說明闊葉林表層土壤比馬尾松林土壤穩(wěn)定性更高，可能是闊葉林樹種組成不同造成的。雷竹林表層土壤有機(jī)碳含量雖然很高(34．78 g/kg)，但與砂粒結(jié)合的碳占總碳的86．46%，并且A/O-A和疏水C/親水C值在4種林分中最小，均表明其土壤有機(jī)碳活性較大，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。這一點(diǎn)從土壤水溶性碳和土壤含烷氧碳含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0．01)也得到證明［30］。同時(shí)，雷竹林土壤有機(jī)碳的芳香度最大，說明其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。板栗林土壤有機(jī)碳含量最小，而且與闊葉林和馬尾松相比，A/O-A和疏水C/親水C值都較小，說明林下除草、翻耕不但減少板栗林土壤有機(jī)碳含量，并且降低了其有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

粉黏粒的物理保護(hù)作用是土壤有機(jī)碳保持穩(wěn)定的一個(gè)重要途徑。已有研究表明土壤中粉黏粒含量與土壤有機(jī)碳含量有較高的正相關(guān)性［31］。本研究中各粒徑組分有機(jī)碳的 A/O-A值:粉黏粒＞細(xì)砂＞粗砂，與Chen［32］結(jié)果一致。這說明土壤顆粒越細(xì)，其結(jié)合的有機(jī)碳結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。換言之，粉黏粒中有機(jī)碳本身的結(jié)構(gòu)比粗砂和細(xì)砂的穩(wěn)定。而且最新研究表明，相對(duì)于高嶺土和伊利石，由蒙脫石構(gòu)成的黏粒土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性更高［33］。因此增加土壤中粉黏粒的相對(duì)含量，不但可以增加有機(jī)碳含量，還有利于提高有機(jī)碳的穩(wěn)定性。土壤中粉黏粒的含量主要取決于成土母質(zhì)，同時(shí)還受氣候、土地利用方式、植被類型、經(jīng)營(yíng)措施等影響。而針對(duì)本研究涉及的4種林分，可通過在林下建立植物攔截，減少翻耕次數(shù)或免耕等措施減少水土流失來增大土壤碳儲(chǔ)量和提高碳庫的穩(wěn)定性。

由本研究結(jié)果可以得出結(jié)論，植被類型、管理模式、耕作方式可以顯著影響森林土壤有機(jī)碳含量及其在不同粒徑中的分配和穩(wěn)定性。對(duì)天然林地，樹種對(duì)土壤有機(jī)碳的含量和穩(wěn)定性有很大的影響作用，人工林除了受樹種因素影響外，還與其管理措施密切相關(guān)。本研究中闊葉林土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性均高于馬尾松林，集約經(jīng)營(yíng)雖導(dǎo)致雷竹林土壤有機(jī)碳含量顯著增加，但卻降低了其穩(wěn)定性，而林下除草、翻耕不僅使板栗林土壤有機(jī)碳含量下降，還降低了其穩(wěn)定性。因此實(shí)施造林/再造林過程中，選取適當(dāng)?shù)臉浞N，合理的管理措施，盡量減少水土流失，綜合考慮對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，對(duì)增加局部地區(qū)碳儲(chǔ)量，減緩全球氣候變化過程意義重大。

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