王薪琪 高 菲 崔曉陽(yáng)

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:程 紅。

碳水化合物是土壤有機(jī)質(zhì)中易變庫(kù)的重要組成部分，約占土壤有機(jī)質(zhì)總量的5%～20%［1］。碳水化合物也是土壤中最易降解的有機(jī)成分之一，作為最靈敏的有機(jī)質(zhì)示蹤成分，其變化規(guī)律可以指示土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)的總體變化［2］。它的含量和特性則直接影響著土壤中有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、遷移和降解，同時(shí)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與循環(huán)有重要影響［3］。研究表明，土壤碳水化合物中以甘露糖和半乳糖為代表的六碳糖主要來(lái)源于土壤微生物，而以木糖和阿拉伯糖為代表的五碳糖則主要是來(lái)自植物殘骸的降解產(chǎn)物［4］，利用碳水化合物的變化來(lái)指示土壤有機(jī)質(zhì)總體的變化趨勢(shì)已經(jīng)成為常用方法［5］。Yousefi 等［6］研究發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與熱水浸提碳水化合物的相關(guān)性強(qiáng)于土壤有機(jī)碳，可利用土壤中碳水化合物的變化指示團(tuán)聚體的變化。碳水化合物在土壤中具有黏合劑的作用，能夠?qū)⑼寥乐械奈F(tuán)聚體粘合成為大團(tuán)聚體，保護(hù)了有機(jī)質(zhì)，從而提高土壤的抗侵蝕能力，也增強(qiáng)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［7］。土壤中的碳水化合物主要來(lái)源于植物殘?bào)w，其次是土壤中的微生物，這三者之間的密切關(guān)系，制約了土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)平衡。由于土壤碳水化合物的活潑性質(zhì)，碳水化合物也容易受到其它眾多因素的影響，如土地利用方式、氣候變化、降水、施肥、土壤顆粒的密度和粒度等［8－9］。正是因?yàn)樘妓衔飳?duì)外界因素的響應(yīng)遠(yuǎn)比有機(jī)質(zhì)更為靈活，土壤中碳水化合物的含量和特性已經(jīng)成為土壤有機(jī)質(zhì)研究中的重要內(nèi)容［10］。

雖然用于提取土壤中碳水化合物的浸提劑的種類很多，如酸類和堿類，但是采用這些水解方法通常會(huì)使原本緊密的土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，使釋放出來(lái)的碳水化合物含量增加，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。本研究將直接用水作為浸提劑，測(cè)定值會(huì)較常規(guī)水解值偏低，但是能夠保留森林土壤的原狀［11］。本研究以涼水自然保護(hù)區(qū)的原始紅松針闊混交林和闊葉次生林為研究對(duì)象，研究這2 種森林類型土壤中的碳水化合物的分布趨勢(shì)，揭示不同森林植被類型對(duì)土壤中碳水化合物的影響，以期為紅松針闊混交林的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，為森林土壤碳循環(huán)源匯功能研究提供參考。

1 研究地自然概況

涼水國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處我國(guó)東北東部山地小興安嶺山脈的東南部——達(dá)里帶嶺支脈的東坡，地理坐標(biāo)為128°48'30″～128°55'50″E，47°7'39″～47°14'22″N，為典型的低山丘陵地貌。本區(qū)具有明顯的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征，年均氣溫－0.3 ℃，年均最高氣溫7.5 ℃，年均最低氣溫－6.6 ℃，年極端最高氣溫38.7 ℃，年極端最低氣溫－43.9 ℃，年降水量676.0 mm，年蒸發(fā)量805.4 mm，平均相對(duì)濕度78%，凍土深2 m 左右，無(wú)霜期100～120 d，氣候特點(diǎn)是冬長(zhǎng)夏短，夏季溫涼多雨，冬季嚴(yán)寒干燥多風(fēng)雪。保護(hù)區(qū)土壤主要為溫帶濕潤(rùn)地區(qū)針闊混交林下發(fā)育的暗棕壤。總面積為12 133 hm2，南北長(zhǎng)11 km，東西寬6.25 km。海拔300～707 m。北坡長(zhǎng)而緩，南坡陡短，可達(dá)25°～40°。森林總蓄積量140.0萬(wàn)m3，森林覆被率96%，現(xiàn)有原始成熟林面積4 100 hm2，其中紅松林面積占80%，冷云杉面積占11.2%。區(qū)內(nèi)自然資源豐富，植被群落類型復(fù)雜多樣，保護(hù)區(qū)內(nèi)既有從未采伐過(guò)的原始林相，也有經(jīng)皆伐和火燒后發(fā)生的次生林相，有森林發(fā)生、演替的各個(gè)階段。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2013年9月份，在涼水自然保護(hù)區(qū)選取2 種森林類型(原始紅松針闊混交林和闊葉次生林)，根據(jù)其林齡、樹種組成、海拔等又劃分為4 類。樣地基本概況見表1。每種林型在坡中下部，陰、陽(yáng)坡各設(shè)3塊樣地，樣地面積10 m×10 m。每塊樣地設(shè)3 個(gè)采樣點(diǎn)，除去凋落物層，按照0～10 cm 和＞10～20 cm的土層深度，對(duì)不同樣地進(jìn)行試驗(yàn)樣品采集。所有樣品在除去動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，迅速裝入自封袋內(nèi)避免二次污染，置于冰箱內(nèi)4 ℃保存，用于碳水化合物的提取測(cè)定。

2.2 樣品測(cè)定

冷水浸提:稱取5.00 g 新鮮土樣于150 mL 三角瓶中，加入50 mL 蒸餾水，加塞，室溫下往復(fù)震蕩2 h(180 次·min－1)，轉(zhuǎn)移到100 mL 塑料離心管中，4 600 r·min－1離心10 min，上清液過(guò)0.45 μm 濾膜，濾液用50 mL 小三角瓶收集待測(cè)。

熱水浸提:稱取5.00 g 新鮮土樣于150 mL 三角瓶中，加入50 mL 蒸餾水，加曲頸漏斗，在水浴鍋中100 ℃共沸2 h，冷卻至室溫后，搖勻，懸液轉(zhuǎn)移到100 mL 塑料離心管中，4 600 r·min－1離心10 min，上清液過(guò)0.45 μm 濾膜，濾液用50 mL 具塞小三角瓶收集待測(cè)。

碳水化合物測(cè)定:取浸提液0.5 mL，加蒸餾水稀釋到2 mL，利用硫酸－蒽酮法測(cè)定［12］，短期內(nèi)的待測(cè)樣品置于冰箱內(nèi)4 ℃保存。

吸光度值測(cè)定:取浸提液1 mL，加蒸餾水稀釋10 倍，再采用UV －1100 紫外－可見分光光度計(jì)對(duì)稀釋后的浸提液分別在254、280 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸收值。

2.3 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)用Excel 2003 和SPSS 18.0 軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直分布

在不同的植被類型中，2 種浸提方式下提取的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)隨土層增加而逐漸遞減的變化規(guī)律(表2)。原始紅松針闊混交林在常溫(25 ℃)和高溫(100 ℃)2 種浸提方式下測(cè)定的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.045～0.075、0.500～1.597 mg·g－1;闊葉次生林在常溫和高溫2 種浸提方式下測(cè)定的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.058～0.138、0.716～2.176 mg·g－1。＞10～20 cm 土層的土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)比0～10 cm 土層的平均下降46.22%。

表2 原始紅松針闊混交林和闊葉次生林不同土層深度的土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 原始紅松針闊混交林和闊葉次生林土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在不同土層中，原始紅松針闊混交林下土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍低于闊葉次生林(表3)，但差異不顯著。就0～10 cm 土層而言，原始紅松針闊混交林下土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)比闊葉次生林平均下降36.34%;在＞10～20 cm 土層中，闊葉次生林土壤比原始紅松針闊混交林碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均高出33.63%。2 種林分，100 ℃熱水浸提的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于25 ℃浸提結(jié)果。0～10 cm 土層原始紅松針闊混交林和闊葉次生林100 ℃浸提碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是25 ℃浸提的22.19、16.75 倍，＞10～20 cm 土層原始紅松針闊混交林和闊葉次生林100 ℃浸提碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是25 ℃浸提的10.90、9.75 倍。

表3 2 種浸提方式下的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.3 碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光值的相關(guān)性

將不同溫度下提取的森林土壤浸提液在紫外波長(zhǎng)254 nm 和280 nm 下進(jìn)行比色測(cè)定，并與浸提液的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，除原始紅松針闊混交林下常溫(25 ℃)提取的水溶性碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與兩波長(zhǎng)吸光度顯著相關(guān)外，其他均與特定波長(zhǎng)的吸光度呈極顯著正相關(guān)(表4)。

表4 碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光值的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

本研究表明，在不同的植被類型中，2 種浸提方式下提取的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直分布均隨土層深度增加而逐漸遞減，這與一些學(xué)者的研究［12］一致，但不同類別土壤碳水化合物下降的幅度有一定差別。碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅度遞減的原因，除與地表凋落物的輸入和分解平衡有關(guān)外，也與下層土壤的黏粒緊密保護(hù)有關(guān)。研究表明，土壤碳水化合物影響著土壤的物理?xiàng)l件和其他土壤性質(zhì)，如離子交換、碳代謝和微生物活動(dòng)等，這些性質(zhì)也是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素［12］。Golchin 等認(rèn)為，大團(tuán)聚體主要是通過(guò)閉蓄在團(tuán)聚體中富含碳水化合物的根或植物殘?bào)w來(lái)聯(lián)結(jié)的［13］。表層土壤中的碳水化合物多被團(tuán)聚體吸附和聯(lián)結(jié)，這也是下層土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的原因。

植被類型不同，凋落物和根系輸入到土壤中碳的質(zhì)量和數(shù)量也隨之變化。本研究中，原始紅松針闊混交林下土壤碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍低于闊葉次生林，但差異不顯著。因?yàn)樯滞寥乐械挠袡C(jī)質(zhì)主要來(lái)源于地表凋落物、根際分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)，碳水化合物參與碳循環(huán)過(guò)程，與土壤總有機(jī)質(zhì)碳常處于動(dòng)態(tài)平衡之中，因此，植被類型會(huì)影響土壤中碳的變化。Kalbitz 等［14］研究表明，凋落物和細(xì)根是土壤水溶性碳的主要來(lái)源，為土壤微生物的活動(dòng)提供能源物質(zhì)。闊葉樹下凋落物和細(xì)根C/N 小，初始含氮量較高，微生物數(shù)量大，能耗多，分解利用快，而土壤微生物是碳水化合物的重要來(lái)源之一［15－16］，因此，凋落物和細(xì)根的分解可能是影響土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的主要因素。

本研究中，熱水浸提的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于常溫浸提結(jié)果，表明隨著浸提液溫度升高，可溶解出的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)提高［17］。土壤熱水浸提有機(jī)碳主要包括微生物、碳水化合物及構(gòu)成森林土壤其他活性有機(jī)碳的簡(jiǎn)單化合物質(zhì)［18］。土壤樣本采樣正值夏秋交替時(shí)節(jié)，適宜的水熱條件，極大的提高了微生物活性，刺激微生物的大量繁殖，活躍的新陳代謝狀態(tài)促使土壤活性碳蓄增加，被熱水浸提的土壤活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。郭景恒等［19］研究發(fā)現(xiàn)，碳水化合物的含量變化是其注入量與微生物消耗量之間平衡移動(dòng)的表現(xiàn)，然而這種平衡容易受到各種因素的影響，如土壤顆粒的粒度和密度、季節(jié)變化和微生物活動(dòng)等。一般而言，土壤顆粒度小、密度輕時(shí)，碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高;季節(jié)變化多體現(xiàn)在對(duì)微生物的作用上，從而間接影響碳水化合物變化［18］。此外，氣候、土壤結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)行為、人為干擾等因素對(duì)土壤中的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有影響。

近年來(lái)，眾多學(xué)者利用紫外吸收光譜參數(shù)來(lái)表征溶液中有機(jī)物質(zhì)含量。以往研究表明，土壤溶液DOC 的有機(jī)質(zhì)濃度與紫外254 nm 的光吸收值具有極顯著的相關(guān)性［20－21］。本研究表明，碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光值呈顯著正相關(guān)，與Wang 等［22］和Chin 等［23］對(duì)水體中的有機(jī)質(zhì)研究結(jié)果一致，即有機(jī)質(zhì)在280 nm 波長(zhǎng)下的吸光度與有機(jī)物的分子量及腐殖化程度等具有很好的正相關(guān)關(guān)系。黃懿梅等［24］則采用280 nm 紫外比色法來(lái)測(cè)定土壤微生物量氮，且兩者呈極顯著正相關(guān)，與其他學(xué)者的研究結(jié)果［25］一致。雖然土壤水溶性碳是活性碳庫(kù)的最活躍成分，但仍然受到土壤中碳水化合物的制約，且土壤中碳水化合物與土壤微生物量氮、水溶性碳有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均密切相關(guān)，原始紅松針闊混交林與闊葉次生林都不例外，高溫提取后的相關(guān)系數(shù)都高于常溫提取結(jié)果。同時(shí)表明熱水浸提的碳水化合物對(duì)微生物的有效程度較高。

不同植被類型森林土壤中，碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而遞減。在0～10 cm 和＞10～20 cm 土層內(nèi)，闊葉次生林土壤的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于原始紅松針闊混交林。因此，闊葉次生林比原始紅松針闊混交林更有利于土壤活性有機(jī)碳的積累作用，同時(shí)為生物體提供更多的生物有效碳。不同植被類型森林土壤2 個(gè)土層中，熱水(100 ℃)提取的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于常溫(25 ℃)提取;浸提液溫度升高，提取的碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，說(shuō)明高溫有利于活性有機(jī)碳的提取。不同植被類型森林土壤中，碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相應(yīng)浸提液的特定波長(zhǎng)(254、280 nm)吸收值都呈顯著正相關(guān)，碳水化合物是水溶性碳中的活躍成分，與土壤中的其他活性成分有密切關(guān)系［26］。此外，除與植被類型有關(guān)外，土壤中的碳水化合物還受到季節(jié)變化，氣候因素等多方面的影響，這將是筆者今后繼續(xù)研究的方向。

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