雷雨雨 辛 穎 趙雨森 陳 璐 王麗紅

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

責任編輯:王廣建。

黑碳(BC)是生物質(zhì)或化石燃料不完全燃燒所形成的一種含有芳香環(huán)的高聚物，普遍分布于大氣、土壤、冰雪和水體以及沉積物中［1］。黑碳具有較高的生物和化學穩(wěn)定性，在全球碳循環(huán)中占有重要的地位［2］。森林土壤有機碳(SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，火干擾是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要影響因子，整個系統(tǒng)的碳循環(huán)過程與碳分布格局，隨著火燒后土壤結(jié)構(gòu)和功能的變化而發(fā)生著劇烈變化［3］。植物在燃燒的過程中，釋放CO2、CO、CH4、NOx、N2及SO2到空氣中，還產(chǎn)生了一部分黑碳［4］。這些生物體燃燒后的殘體轉(zhuǎn)化成為小部分的土壤黑碳，對形成穩(wěn)定的土壤有機碳庫具有重要作用［5］，進而對生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生潛在的長期影響。因此，對黑碳的地球化學循環(huán)研究，備受國內(nèi)外學者的關注，但主要集中于對大氣氣溶膠、海洋沉積物和雪冰中黑碳的研究［1］，有關土壤黑碳的研究較少，特別是國內(nèi)的研究少見報道［1，6］。

大興安嶺地區(qū)是我國東北森林分布最集中的地區(qū)，森林面積達6.54 ×106hm2，森林蓄積達5.07 ×108m3，是我國開發(fā)最早、規(guī)模最大的林業(yè)生產(chǎn)基地。然而大興安嶺是林火高發(fā)區(qū)，林火是影響該地區(qū)森林群落演替和生態(tài)系統(tǒng)功能的一種優(yōu)勢因素［7－9］。目前，火干擾對于大興安嶺地區(qū)有機碳的影響已有大量研究，但對黑碳影響的研究鮮見報道。本研究以大興安嶺重度火燒跡地為研究對象，研究火干擾對大興安嶺天然林土壤有機碳和黑碳的影響，為正確評價火干擾對土壤碳庫的影響以及大興安嶺森林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地位于黑龍江上游的阿木爾林業(yè)局(122°38'～124°05'E，52°15'～53°33'N)。該區(qū)域東鄰塔河林業(yè)局，南與呼中林業(yè)局、內(nèi)蒙的滿歸林業(yè)局接壤，西與圖強林業(yè)局毗鄰，北以黑龍江主航道為界與俄羅斯隔江相望。阿木爾林業(yè)局地處大興安嶺山脈的北坡，額木爾流域。本區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候，冬季漫長而嚴寒，夏季短暫而濕熱，年平均氣溫－4.94℃，最高氣溫31.4 ℃，發(fā)生在6～7月間;最低溫度－47.2 ℃，發(fā)生在1月份。降水量432.0 mm，降水集中在7～8月間。平均無霜期93 d，最長可達109 d，最短為82 d。年日照時間為2 630 h。主風向為西北風。海拔最高為1 369.7 m，最低為247.6 m。主要土壤類型為棕色針葉林土。主要喬木樹種有興安落葉松(Larix gmelinii)、白樺(Betula platyphylla)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、山楊(Populus davidiana)等。灌木主要有興安杜鵑(Rhododendron dauricum)、杜香(Ledum palustre)、越橘(Vaccinium vitis-idaea)、刺玫(Rosa davurica)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等。草本主要有鹿蹄草(Pyrola calliantha)、蚊子草(Filipendula palmata)、小葉章(Calamagrostis angustifolia)等。

2 研究方法

2.1 樣品采集

本文選取2011年10月重度火燒跡地為研究對象，面積約0.5 hm2左右，火燒前是落葉松天然林。同時選取與重度火燒跡地立地條件基本一致的、與之毗鄰的沒有受到火燒影響的落葉松天然林地作為對照樣地。樣地基本概況(見表1)。2013年8月在2 個樣地內(nèi)分別隨機設置3 個20 m × 30 m 的臨時標準樣地。在每一標準地內(nèi)按S 形布設5 個采樣點，按0～5、＞5～10、＞10～20 cm 分層采集土樣，相同層次等量混合，去除石礫和根系，自然風干后過0.149 mm 的土壤篩待用。

表1 試驗樣地基本概況

2.2 土壤有機碳和黑碳的測定

黑碳指土壤用0.1 mol/L K2Cr2O7+ 2 mol/LH2SO4在55 ℃下氧化60 h 后殘余的碳［10］，測定方法如下:稱0.5 g 過0.149 mm 篩的土樣置于離心管中，加入0.1 mol/L K2Cr2O7+2 mol/LH2SO4混合液25 mL，用漩渦混合儀來拌勻試劑和樣品，在55 ℃水浴恒溫震蕩器中反應60 h。離心、烘干后，得到的剩余物即為黑碳樣品。土壤有機碳和黑碳質(zhì)量分數(shù)用multi N/C 2100 分析儀測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007 軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，采用SPSS17.0 軟件進行單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 重度火燒對天然林土壤有機碳的影響

由表2可見，不同土層范圍內(nèi)，對照樣地和重度火燒跡地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)分別在31.43～87.88 和31.18～124.40 g/kg。兩種林分土壤的有機碳質(zhì)量分數(shù)都隨土層深入而降低，表聚性特征顯著。對照樣地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)0～5 cm 層分別是＞5～10、＞10～20 cm 層的2.05 倍和2.80 倍，＞5～10 cm 是＞10～20 cm 層的1.36 倍。重度火燒跡地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)0～5 cm 層分別是＞5～10、＞10～20 cm 層的2.89 倍和3.99 倍，＞5～10 cm 是＞10～20 cm 層的1.38 倍。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，2 種林分土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)0～5 cm 與＞5～10 cm、＞10～20 cm 層之間的差異達顯著水平(p ＜0.05)。

與對照樣地相比，重度火燒跡地0～5 cm 層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)增加了36.52 g/kg，是對照樣地的1.42 倍，＞5～10 cm 層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)增加了0.10 g/kg，＞10～20 cm 層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)降低了0.25 g/kg，但是與對照樣地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的差異性未達顯著水平。雖然重度火燒會造成表層土壤中的有機碳燃燒損失或高溫揮發(fā)損失，但也使植被和枯落物層有機殘體顆粒物、炭化顆粒物以及半腐爛死細根等混入土壤中［7］，從而對土壤有機碳進行了補充。趙彬等［8］研究發(fā)現(xiàn)隨著火燒強度的增大，興安落葉松林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，重度火燒后土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著增大。而尹云鋒等［1］研究表明杉木人工林皆伐火燒后表層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)略微下降。郭愛雪等［9］表明隨著火燒強度的增強，林下土壤有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。導致這種截然不同的結(jié)論與研究地域、火燒類型、火燒頻率、火燒強度、立地條件、可燃物數(shù)量和質(zhì)量以及火燒時的氣候條件等因素有關［11］。

表2 重度火燒對天然林土壤有機碳的影響

3.2 重度火燒對天然林土壤黑碳的影響

生物質(zhì)和化石燃料的不完全燃燒就會產(chǎn)生黑碳［2］，這就說明黑碳與火燒過程有著緊密的聯(lián)系。據(jù)估算，每年由生物質(zhì)燃燒所形成的黑碳約0.05～0.20 Pg 進入到土壤中［2］。土壤黑碳具有高度惰性和耐分解特性，是大氣中CO2的重要碳匯，也可能是全球碳收支中的重要組成部分［12］。由表3可以看出0～20 cm 土層內(nèi)，對照樣地土壤和重度火燒跡地黑碳質(zhì)量分數(shù)分別在4.27～13.66 和5.42～35.03 g/kg 之間。兩種林分土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)都隨土層的深入而降低，這和土壤有機碳的變化規(guī)律一致。對照樣地土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)0～5 cm 層分別是＞5～10、＞10～20 cm 層的1.79 倍和3.20 倍，＞5～10 cm 是＞10～20 cm 層的1.79 倍。重度火燒跡地土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)0～5 cm 層分別是＞5～10、＞10～20 cm 層的3.94 倍和6.46 倍，＞5～10 cm 是＞10～20 cm 層的1.64 倍。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，2 種林分土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)0～5 cm 與＞5～10 cm、＞10～20 cm 層之間的差異達顯著水平(p ＜0.05)。

重度火燒跡地不同土層土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)均高于對照樣地。與對照樣地相比，重度火燒跡地0～5 cm 層黑碳質(zhì)量分數(shù)增加了21.37 g/kg，是對照樣地的2.56 倍，增加幅度較大，差異達顯著水平(p＜0.05)，＞5～10 cm 層和＞10～20 cm 層黑碳質(zhì)量分數(shù)分別增加了1.25 和1.15 g/kg。Carcaillet［13］和Lynch 等［14］研究表明，土壤中黑碳主要集中分布在0～30 cm 的土層，其中70%以上的黑碳集中分布在0～10 cm 的土層中。對照樣地83.3%的黑碳分布在0～10 cm 土層，重度火燒跡地89.0%的黑碳分布在0～10 cm 土層。這也可以說明火燒中土壤表面焦化不完全燃燒的植物枯落物殘體對表層黑碳積累起了重要的貢獻。

表3 重度火燒對天然林土壤黑碳的影響

3.3 重度火燒對天然林BC/SOC 的影響

已有研究表明，土壤中BC/SOC 的比例為5%～45%［1］，由表4可知，不同土層BC/SOC 的比例在14.0%～28.0%。對照樣地土壤BC/SOC 的比例在14.0%～18.1%，隨土層深入表現(xiàn)出先升后降的趨勢。重度火燒跡地土壤BC/SOC 的比例在17.3%～28.0%，隨土層深入表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。重度火燒跡地土壤BC/SOC 的比例高于對照樣地，0～5 cm 層BC/SOC 由15.7%增至28.0%，＞5～10 cm BC/SOC 由18.1%增至20.6%，＞10～20 cm BC/SOC 由14.0%增至17.3%。這與Dai 等［12］研究結(jié)果一致。火燒會造成土壤有機碳和黑碳質(zhì)量分數(shù)的變化，其變化程度會受到火燒前地上生物量與地被可燃物載量的影響，還與燃燒的溫度和燃燒程度有關，這些都會不同程度的引起土壤有機碳和黑碳質(zhì)量分數(shù)的變化，進而導致土壤BC/SOC 的比例變化的不同。大興安嶺屬于高寒區(qū)，地面枯落物分解慢，積累較厚，火燒期間形成的黑碳較多，使得BC/SOC 的比例加大。

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，對照樣地土壤BC/SOC 的比例0～5 cm 與＞5～10 cm、＞10～20 cm 層相互之間的差異均未達顯著水平。重度火燒跡地土壤BC/SOC 的比例0～5 cm 與＞5～10 cm、＞10～20 cm 層之間的差異達顯著水平(p ＜0.05)，而＞5～10 cm 和＞10～20 cm 層土壤BC/SOC 的比例差異性不顯著。兩種林分0～5 cm 層土壤BC/SOC 的比例表現(xiàn)為差異性顯著(p ＜0.05)，＞5～10 cm 層和＞10～20 cm層土壤BC/SOC 的比例都表現(xiàn)為差異性不顯著。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是重度火燒主要改變了0～5 cm層土壤SOC 和BC 的質(zhì)量分數(shù)，則兩種林分0～5 cm層土壤BC/SOC 的比例表現(xiàn)為差異性顯著，對下層土壤SOC 和BC 的質(zhì)量分數(shù)影響不大，則兩種林分＞5～10 cm 層和＞10～20 cm 層土壤BC/SOC 的比例表現(xiàn)為差異性不顯著。

表4 重度火燒對天然林BC/SOC 的影響

3.4 土壤有機碳和黑碳的關系

回歸分析表明(見圖1)，對照樣地和重度火燒跡地土壤中的有機碳質(zhì)量分數(shù)和黑碳質(zhì)量分數(shù)之間均存在極顯著的線性關系。這種良好的線性關系表明黑碳對大興安嶺森林土壤有機碳有著重要的貢獻，在土壤有機碳的固定過程中黑碳扮演了重要的作用。出現(xiàn)這種關系的原因可能在于，一方面，與有機碳和黑碳的輸入來源有關，即火燒中同時增加了有機碳和黑碳;另一方面，可能存在特殊的固定積累機制:黑碳具有的高度芳香化結(jié)構(gòu)和較高的生物化學惰性和熱穩(wěn)定性，使得土壤中的有機碳得以保存，其顆粒表面具有的多孔結(jié)構(gòu)和羧基、酚羥基等多種含氧功能團能夠吸附和固定有機物和粘土礦物，能夠固持土壤中的有機碳［15］。此外，這其中可能還與黑碳的降解機制包括無機降解、微生物降解和化學降解［16］有關，從而使得黑碳質(zhì)量分數(shù)與有機碳質(zhì)量分數(shù)保持一定的比例關系。

圖1 土壤中有機碳和黑碳的相關性

4 結(jié)論與討論

對照樣地和重度火燒跡地的土壤有機碳和黑碳質(zhì)量分數(shù)均隨土層深入而降低。重度火燒使天然林土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)及其在有機碳中的比例增加，且在土壤表層顯著增加。對照樣地土壤黑碳在有機碳中的比例隨土層深入表現(xiàn)出先升后降的趨勢，而重度火燒跡地則逐漸下降。土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和黑碳質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)出顯著的相關性，表明黑碳對大興安嶺森林土壤有機碳有著重要的貢獻，在土壤有機碳的固定過程中起著重要作用。

通過對照樣地和重度火燒跡地的土壤有機碳和黑碳質(zhì)量分數(shù)的對比研究，有助于正確評價火燒對土壤碳庫的影響。黑碳在土壤的垂直方向和坡地的遷移是影響土壤黑碳質(zhì)量分數(shù)的重要因素。因此，還需要開展對火燒后不同時期、不同坡位黑碳質(zhì)量分數(shù)變化的研究。大興安嶺地區(qū)是林火高發(fā)區(qū)，森林火災造成巨大碳排放和經(jīng)濟損失的同時，生物質(zhì)的燃燒形成和積累了大量的黑碳。在國際社會需要減緩大氣CO2濃度的形勢下，具有化學惰性的黑碳對碳儲存具有重要意義，但是這一地區(qū)土壤黑碳有待繼續(xù)探討。

［1］ 尹云鋒，楊玉盛，高人.皆伐火燒對杉木人工林土壤有機碳和黑碳的影響［J］.土壤學報，2009，46(2):353 －355.

［2］ Kuhlbusch T A J.Enhanced:Black carbon and the carbon cycle［J］.Science，1998，280:1903 －1904.

［3］ 呂愛鋒，田漢勤，劉永強.火干擾與生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)［J］.生態(tài)學報，2005，25(10):2734 －2743.

［4］ Czimczik C I，Schmidt M W I，Schulze E D.Effects of increasing fire frequency on black carbon and organic matter in Podzols of Siberian Scots pine forests［J］.European Journal of Soil Science，2005，56(3):417 －428.

［5］ 張旭東，梁超，諸葛玉平，等.黑碳在土壤有機碳生物地球化學循環(huán)中的作用［J］.土壤通報，2003，34(4):349 －355.

［6］ 何躍，張甘霖.城市土壤有機碳和黑碳的質(zhì)量分數(shù)特征與來源分析［J］.土壤學報，2006，43(2):177 －182.

［7］ 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碳質(zhì)量分數(shù)的時空變化［J］.水土保持學報，2012，26(5):195 －200.

［8］ 趙彬，孫龍，胡海清，等.興安落葉松林火后對土壤養(yǎng)分和土壤微生物生物量的影響［J］.自然資源學報，2011，26(3):450 －459.

［9］ 郭愛雪，郭亞芬，崔曉陽.大興安嶺馬尾松林下土壤在不同火燒強度下的養(yǎng)分變化［J］.東北林業(yè)大學學報，2011，39(5):69－71.

［10］ Aiken G R，Mc Knight D M，Wershaw R L.Humic Substances in Soils，Sediment and Water:Geochemistry，Isolation and Characterization［M］.New York:John Wiley ＆ Sons，1985:329 －370.

［11］ Yang Y S，Guo J，Chen G，et al.Carbon and nitrogen pools in Chinese fir and evergreen broadleaved forests and changes associated with felling and burning in mid － subtropical China［J］.Forest Ecology and Management，2005，216(1):216 －226.

［12］ Dai X，Boutton T W，Glaser B，et al.Black carbon in a temperate mixed-grass savanna［J］.Soil Biology＆ Biochemtry，2005(37):1879 －1881.

［13］ Carcaillet C.Are Holocene wood-charcoal fragments stratified in alpine and subalpine soils?Evidence from the Alps based on AMS 14C dates［J］.The Holocene，2001，11(2):231 －242.

［14］ Lynch J A，Clark J S，Stocks B J.Charcoal production，dispersal，and deposition from the Fort Providence experimental fire:interpreting fire regimes from charcoal records in boreal forests［J］.Canadian Journal of Forest Research，2004，34(8):1642 －1656.

［15］ Glaser B，Balashov E，Haumaier L，et al.Black Carbon in density fractions of anthropogenic soils of the Brazilian Amazon region［J］.Organic Geochemistry，2000，31(7):669 －678.

［16］ Goldberg E D.Black Carbon in the Environment:Properties and Distribution［M］.New York:JohnWiley ＆ Sons，1985:1 －7.