汲常萍, 王文杰,*, 韓士杰, 祖元?jiǎng)?/p>

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 2 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016

東北次生楊樺林土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)特征

汲常萍1, 王文杰1,*, 韓士杰2, 祖元?jiǎng)?

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 2 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016

土壤分級(jí)組分是研究其碳氮?jiǎng)討B(tài)的基礎(chǔ)，次生楊樺林作為東北地區(qū)主要的天然林類型，目前相關(guān)數(shù)據(jù)的欠缺狀態(tài)要求對(duì)此進(jìn)行深入研究。為此，采集 0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm長(zhǎng)白山次生楊樺林土壤，通過(guò)土壤顆粒組分物理化學(xué)分級(jí)方法，將土壤分成5種組分：沙和穩(wěn)定團(tuán)聚體土壤組分(SA)、酸不溶土壤組分(AI)、易氧化土壤組分(EO)、顆粒態(tài)土壤組分(P)和可溶性土壤組分(S)，進(jìn)而分析了不同組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮含量、碳氮分配比例及紅外光譜5類官能團(tuán)相對(duì)含量，旨在探討次生楊樺林土壤固碳、氮供應(yīng)機(jī)制。結(jié)果顯示，接近90%的土壤質(zhì)量集中在穩(wěn)定組分AI(66.21%)和SA(22.11%)上，導(dǎo)致穩(wěn)定組分中碳截獲量最大(占土壤總碳量的2/3)，而且其C/N比活躍組分(P和EO)大2—9倍；與碳不同，由于活躍組分中N含量比穩(wěn)定組分大4—80倍，致使活躍組分P和EO氮的分配比例最大，分別占土壤總氮的33.1%和26.0%；除了占土壤質(zhì)量很少的P和S外，組分間以及組分內(nèi)的碳氮間多具有顯著相關(guān)關(guān)系。這種土壤碳、氮在不同組分間貯存方式的差異使得土壤碳儲(chǔ)存穩(wěn)定性更高、而N肥力供應(yīng)更快速。伴隨不同組分碳氮儲(chǔ)存的變化，不同組分間紅外官能團(tuán)存在顯著差異，AI組分中絕大多數(shù)官能團(tuán)相對(duì)含量均最低，而P和S組分中絕大多數(shù)官能團(tuán)相對(duì)含量均較高，絕大多數(shù)官能團(tuán)相對(duì)含量與碳含量、氮含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，反映了官能團(tuán)具有維持土壤碳氮的功能。同時(shí)，官能團(tuán)與土壤C/N具有顯著相關(guān)關(guān)系，反映出組分官能團(tuán)相對(duì)含量的高低具有指示組分化學(xué)活性高低的作用。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于林分土壤的碳截獲與氮供應(yīng)的機(jī)制闡明具有重要的科學(xué)意義，這為深入了解東北次生楊樺林碳氮?jiǎng)討B(tài)及對(duì)未來(lái)氣候的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

碳截獲; 土壤氮; 土壤組分區(qū)分; 碳氮比; 紅外線光譜官能團(tuán)組成

東北林區(qū)面積占全國(guó)面積的31.4%，是中國(guó)的主要林區(qū)之一[1]，而作為主要林型之一的楊樺林，在本區(qū)分布了全國(guó)總面積70%左右[2],鑒于森林土壤碳、氮循環(huán)研究已經(jīng)成為持續(xù)熱點(diǎn)，對(duì)楊樺林土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)評(píng)估東北森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力和土壤養(yǎng)分供應(yīng)特點(diǎn)具有重要意義。

在有機(jī)碳周轉(zhuǎn)和營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)中，不同粒級(jí)和密度組分中土壤有機(jī)碳具有不同的特征[3]，而據(jù)此區(qū)分的土壤顆粒組分成為國(guó)內(nèi)外研究者建立了機(jī)理模型的基礎(chǔ)，也是闡明土壤碳氮周轉(zhuǎn)機(jī)理的關(guān)鍵。例如Zimmerman等[4]證明了利用物理化學(xué)方法分離出的5種土壤顆粒組分與土壤碳周轉(zhuǎn)機(jī)理模型(RothC模型)組分具有緊密相關(guān)性：模型中有機(jī)碳兩個(gè)活躍組分與顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和溶解性有機(jī)質(zhì)匹配，兩種慢性組分與顆粒分級(jí)中的團(tuán)聚體組分和與粉砂粘土有關(guān)的有機(jī)質(zhì)緊密相關(guān)，而惰性有機(jī)質(zhì)與模型中的難分解組分一致。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)大量研究證明RothC模型可以很好的模擬耕層土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)，目前已經(jīng)拓展到森林、草地等多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，但是針對(duì)東北地區(qū)典型林分——次生楊樺林這方面的研究顯有報(bào)道，急需深化研究其土壤不同物理化學(xué)組分差異及其碳氮相關(guān)特征差異。選擇適宜的物理化學(xué)方法[4]，對(duì)土壤進(jìn)行分級(jí)，成為楊樺林土壤碳氮循環(huán)研究的重要內(nèi)容。

此外，對(duì)土壤不同物理化學(xué)組分區(qū)分并對(duì)其化學(xué)性質(zhì)，如碳、氮含量、官能團(tuán)組成特征等研究，有利于從機(jī)理上揭示土壤碳氮循環(huán)與貯存的機(jī)制[5]。紅外光譜技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)特征研究成為可能，不同耕作措施及植被恢復(fù)年限對(duì)土壤水溶性有機(jī)質(zhì)組分、腐殖酸的官能團(tuán)組成影響明顯，而且紅外線光譜法官能團(tuán)特征可揭示土壤的肥力狀況[6-7]。在測(cè)定不同土壤組分碳氮含量的基礎(chǔ)上，使用紅外光譜法測(cè)定土壤有機(jī)物組分組成變化，對(duì)其不同官能團(tuán)組成差異進(jìn)行分析，有助于從官能團(tuán)組成角度揭示其碳截獲、肥力周轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)發(fā)生過(guò)程。

本文的科研假設(shè)：土壤組分分級(jí)特征對(duì)于揭示土壤碳截獲、氮養(yǎng)分供應(yīng)的機(jī)制具有科學(xué)意義?；诖耍疚倪x取東北地區(qū)典型次生楊樺林為研究對(duì)象，運(yùn)用物理化學(xué)分級(jí)方法區(qū)分不同功能組分分級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)其組分C、N、紅外線官能團(tuán)組成進(jìn)行分析，對(duì)RothC模型參數(shù)化的基礎(chǔ)上，探討長(zhǎng)白山次生楊樺林土壤碳截獲與肥力(氮)供應(yīng)的機(jī)制差異。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于我國(guó)吉林省東南部中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站(地理坐標(biāo)為42°21′—42°24′ N，127°59′—128°05′ E)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，夏季短暫而溫暖，年平均氣溫3.6 ℃，最冷月為1月，平均氣溫為-15.6 ℃，最熱月為7月，平均氣溫為19.7 ℃，降水較豐富，多集中在植物生長(zhǎng)期，年平均降水量600—900 mm，土壤為山地暗棕色森林土[8]。

根據(jù)地勢(shì)和環(huán)境特征相近原則，在相同坡向、坡位的立地條件下，選取5個(gè)典型次生楊樺林林分，林分主林層山楊、白樺平均年齡40a，胸高直徑30 cm、樹高20 m。坐標(biāo)為42°12′21.3″—42°24′3.1″ N，127°5′54.1″—127°59′0.7″ E，平均海拔為891.8 m，最高海拔為1008 m，最低海拔為763.8 m，地勢(shì)較為平緩。主要喬木樹種為山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla) 等，林下灌木有東北山梅花(Philadelphusschrenkii)、絹毛繡線菊(Spireasericea)、黃花忍冬(Lonicerachrysantha)等，草本植物常見(jiàn)的有山茄子(Brachybotrysparidiformis)、小葉樟(Deyeuxiaagustifolia) 等。

1.2 土壤樣品采集

2011年10月下旬進(jìn)行土樣采集，在上述每個(gè)林分內(nèi)設(shè)置樣地1塊，大小20 m×20 m，隨機(jī)開挖3個(gè)土壤剖面，在去除可分辨的枯枝落葉層后，每個(gè)剖面分層0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm 采集土樣，裝布質(zhì)土壤袋400 cm3左右，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干后，將同一樣地同一深度的3個(gè)土樣混勻，去除根系、可見(jiàn)植物殘?bào)w和石塊等，部分土壤木棍碾碎并過(guò)2 mm篩，裝瓶備用于土壤顆粒組分分級(jí)。剩余部分土壤粉碎機(jī)粉碎，過(guò)0.25 mm篩，得到原始土樣，備用于土壤碳氮含量測(cè)定分析。

1.3 土壤顆粒組分物理化學(xué)分級(jí)方法[4]

本研究方法是將Zimmerman等分離土壤組分的方法略加改進(jìn)而來(lái)，通過(guò)土壤顆粒組分物理化學(xué)分級(jí)方法，可以得到5種具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的組分，即沙和團(tuán)聚體土壤組分(SA)、酸不溶土壤組分(AI)、易氧化土壤組分(EO)、顆粒態(tài)土壤組分(P)和水溶性土壤組分(S)。具體方法如下，(1)30 g風(fēng)干土樣(<2 mm)，置于燒杯，加入150 mL蒸餾水，使用超聲波破碎儀(Scientz—ⅡD，中國(guó))破碎，超聲時(shí)間1 min，頻率6次/min，確保輸出能量約為22 J/mL。(2)過(guò)篩分離：(1)中土壤渾濁液，濕篩(63 μm)，直至篩出水清澈為止；篩內(nèi)為>63 μm土壤，篩下為<63 μm土壤。(3)NaI密度分級(jí)：將100 mL NaI加入到>63 μm的土壤中，緩慢搖勻[9]，靜置2 h，離心(3500 r/min，15 min)，抽吸收回上清液。重復(fù)提取，兩次抽回液體混合抽濾(0.45 μm濾膜)，先后分別用0.01 mol/L CaCl2溶液和蒸餾水離心洗滌數(shù)次，烘干稱重，此為P組分。(4)將上述第一次離心沉淀物加入蒸餾水，先震蕩10 min，再離心洗滌至少3次，烘干稱重，該組分為SA組分。(5)0.45 μm抽濾：上述<63 μm土壤渾濁液，離心(3500 r/min，15 min)，上清液在0.45 μm濾膜下抽濾，濾液為S組分，部分凍干稱重獲得S組分質(zhì)量，部分低溫儲(chǔ)存用于multi N/C3100碳氮分析儀(耶拿，德國(guó))法測(cè)定碳氮含量。(6)將(5)中>0.45 μm的組分，在60 ℃下烘干稱重，得到粉砂粘土。(7)次氯酸鈉氧化：從粉砂粘土中取出7 g，按照每g土壤加入50 mL 6% pH =8 NaClO溶液氧化(18 h)，離心(3500 r/min，15 min)，傾倒上清液，水洗3次，烘干稱重，此為AI組分。EO組分不能直接得到，其質(zhì)量為粉砂粘土減去AI組分的質(zhì)量。

1.4 土壤碳氮指標(biāo)測(cè)定

土壤碳測(cè)定：S土壤組分，在溶液狀態(tài)下使用multi N/C3100碳氮分析儀測(cè)定有機(jī)碳含量(耶拿，德國(guó))[10]。其它4個(gè)組分(粉砂粘土、SA、AI、P組分)和混合土樣(<0.25 mm)采用重絡(luò)酸鉀-外加熱法[11]測(cè)定碳含量。

土壤氮測(cè)定：可溶性土壤組分中氮含量通過(guò)測(cè)定溶液中氮含量來(lái)實(shí)現(xiàn)，所用儀器是multi N/C3100碳氮分析儀(耶拿，德國(guó))，其它3個(gè)組分(粉砂粘土、SA、AI組分)和原始土樣(<0.25 mm)采用凱氏定氮法測(cè)定氮含量。

易氧化土壤組分(EO)不能直接得到，其碳氮含量通過(guò)計(jì)算得到，為粉砂粘土土壤組分中碳氮含量與AI土壤組分碳氮含量之差。P土壤組分質(zhì)量過(guò)低，凱氏定氮法不易測(cè)得，其氮含量為原始土樣氮含量與其它組分氮含量之差。

上述土壤原樣和每一個(gè)組分樣品中C、N含量測(cè)定3個(gè)重復(fù)。

1.5 紅外光譜官能團(tuán)組成測(cè)定

將溴化鉀置于烘箱中，120 ℃烘干(約4 h)，將充分烘干的土壤組分和溴化鉀置于真空干燥器中干燥48 h左右，待完全干燥后，取1.6 mg 干燥的土壤各組分與200 mg 溴化鉀混合研磨，壓片，然后進(jìn)行紅外光譜觀察。紅外光譜儀型號(hào)為IRAffinity-1(SHIMADZU, Japan)，波譜范圍4000—500 cm-1。

圖1 土壤組分紅外光譜吸收峰位置Fig.1 IR absorption peak position of soil components

1.6 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)土壤組分的質(zhì)量占原始土樣的百分比稱為該組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各組分中C的含量占原土樣C的含量定義為該組分中C的分配比例，各組分N的分配比例與C的定義類似。數(shù)據(jù)整理與計(jì)算在Excel 2007中進(jìn)行。

利用Spss17.0軟件進(jìn)行方差分析與Duncan多重比較統(tǒng)計(jì)，分析同一土層不同土壤組分間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、C/N、碳氮含量的差異及顯著性水平檢驗(yàn)，此方法也同樣用于對(duì)于同一組分不同土層間的各項(xiàng)指標(biāo)差異水平檢驗(yàn)以及同一官能團(tuán)不同土層和不同組分間的差異水平檢驗(yàn)。

對(duì)于各組分C、N之間以及原土樣C、N與各組分C、N之間使用Pearson相關(guān)分析的方法表示；各組分C、N、C/N與各官能團(tuán)之間的關(guān)系使用線性回歸分析的方法表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組分所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)(占總土壤的百分比)比較

不同組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在明顯的差異(表1)。主要表現(xiàn)在：AI組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，在53%—75%之間，平均為66.21%；S組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，多在0.1%—0.4%之間，平均為0.23%；第二大組分為SA，平均達(dá)到22%，其次為EO和P，平均占8.25%和3.20%。不同層AI均與其它組分存在顯著差異，P和S在深層(>10 cm)表現(xiàn)為差異不顯著。

各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直剖面分布有差異(表1)。主要表現(xiàn)在：AI和EO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度增加顯著增加，而SA、P則出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，這種顯著變化多發(fā)生在0—10 cm 和更深層次上(P<0.05)。S隨深度有下降趨勢(shì)，但是未達(dá)到顯著水平。

表1 不同土層各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異

2.2 不同組分碳含量比較

原土樣及其各組分中碳含量的垂直變化規(guī)律(表2)表現(xiàn)為：隨著土壤深度的增加，SA、AI、EO組分含量和原土樣碳含量均顯著降低，表層0—10 cm與深層20—30 cm相比，四者分別下降了83.8%、77.8%、71.9%和83.4%，差異多達(dá)到顯著水平。P和S組分中碳含量較高，但是不同層之間的差異未達(dá)到顯著水平。

不同組分間的碳含量有差異，但是不同層多表現(xiàn)出類似的規(guī)律各土層多表現(xiàn)為P和S>EO≈SA >AI，其中比原土樣碳含量低的只有AI。對(duì)于0—10 cm土層，P和S碳含量顯著高于原土樣和其它組分含量，與原土樣相比，P、S、EO和SA碳含量分別高出3.3倍、2.3倍、21%和19%，而AI碳含量約為原土樣的1/2。在10—20 cm土層，S、P、SA和EO碳含量分別為原土樣的21.4倍、8.0倍、2.4倍和1.9倍，AI碳含量接近原土樣的1/2。在20—30 cm土層，原土樣及其組分碳含量大小順序與0—10 cm相同，即S>P>EO>SA>原土樣>AI，其中S、P、EO和SA碳含量分別是原土樣的20.8倍、15.6倍、2.0倍和1.1倍，AI碳含量比原土樣低約1/3。

綜合0—30 cm平均來(lái)看，S、P、EO和SA碳含量是原土樣的6.2、1.8、1.3和1.4倍，AI碳含量為原土樣的2/3。

表2 不同土層各組分碳含量差異

2.3 不同組分氮含量比較

原土樣及其組分氮含量在土壤剖面上有差異表現(xiàn)為(表3)：隨土層深度的加深，SA、EO、AI和原土樣氮含量均顯著降低。P和S氮含量較高，但是不同土層間差異不顯著。

與不同組分中碳含量的差異相似，不同組分氮含量差異明顯，且不同層表現(xiàn)類似規(guī)律，即P>S>EO>SA，而AI最低(表3)。在表層0—10 cm，與原土樣氮含量相比，S、P和EO含量較高，SA相差不大，而AI含量則降低明顯。10—20 cm土層與0—10 cm結(jié)果類似，P> S >EO>SA >原土樣>AI，高出者分別為原土樣氮含量的54.7倍、13.7倍、5.6倍和1.3倍。在20—30 cm土層，P氮含量顯著高于其它，是原土樣的91.2倍， S、EO和SA氮含量分別為原土樣氮的9.8—1.2倍，AI氮含量為原土樣的17.7%。

從整個(gè)剖面0—30 cm均值來(lái)看，原土樣及其組分氮含量大小次序?yàn)镻>S>EO>SA>原土樣>AI，僅P氮含量顯著高于其它，而SA、AI、EO、原土樣、S中氮含量變化在0.9—17 mg/g，但差異不顯著(表3)。

表3 不同土層各組分氮含量差異

2.4 不同組分碳氮比差異比較

各土壤組分的碳氮比在垂直剖面上的分布有差異，但多不顯著，僅S組分在表層0—10 cm與20—30 cm達(dá)到顯著水平，碳氮比增加80%(表4)。

從不同土壤組分的碳氮比的差異來(lái)看，0—30 cm均值碳氮比最大發(fā)生在AI組分上，其次是S和SA，分別是原土樣的2.7倍、1.5倍和1.3倍，而EO和P為原土樣的65.3%和33.5%。不同土層基本規(guī)律與此一致。

表4 不同土層各組分碳氮比差異

2.5 不同組分中碳、氮量占土壤相應(yīng)值的比例差異(分配比例差異)

AI和EO組分碳的分配比例均隨深度增加而增加，前者由表層的28.9%增加到深層的57%，后者由6.7%增加到18.7%；可溶性組分S中碳的分配比例變化不大(3%)；氮的分配比例垂直變化規(guī)律表現(xiàn)為P組分和SA組分下降明顯，前者由表層37.4%降低為深層的18.7%，后者由27.6%降低為18.0%，隨深度加深而上升的主要是EO，由18%上升到48%(圖2)。

圖2 不同組分中碳、氮對(duì)原土樣的貢獻(xiàn)比較及其不同土壤深度間的差異Fig.2 Contribution of different soil components to intact soil C and N, and their differences in different soil layers

不同組分間比較，30 cm均值SA和AI組分C的分配比例最大(33.5%)和(33.0%)，其次分別為P(19.9%)、EO(9.9%)和S(3.7%)，這一規(guī)律在不同土層基本一致。氮的分配與此不同，SA和AI組分N的分配比例(24.9%和13.4%)較低，最高者為P(33.1%)和EO(26.0%)組分，最低者為S(2.6%)組分，在不同土壤層中基本一致。

2.6 不同組分各官能團(tuán)的相對(duì)含量比較

總而言之，AI組分中絕大多數(shù)官能團(tuán)相對(duì)含量均最低，而P和S組分絕大多數(shù)官能團(tuán)含量均較高。

表5 紅外線光譜法不同組分中各官能團(tuán)峰面積大小比較(0—30 cm均值)

2.7 原土樣及不同組分中碳含量、氮含量、官能團(tuán)相對(duì)含量的相關(guān)關(guān)系比較

Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示，除了P組分外，其它各組分和原土樣中的碳氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。而且，除P和S組分外，原土樣中的碳氮與組分中的碳氮呈現(xiàn)顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系(表6)。

表6 原土樣及不同組分內(nèi)碳、氮含量的Pearson相關(guān)分析

各組分官能團(tuán)含量與相關(guān)組分碳、氮、碳氮比含量的相關(guān)關(guān)系，如表7所示。結(jié)果顯示，與C達(dá)到極顯著正相關(guān)的有官能團(tuán)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，而官能團(tuán)Ⅰ與碳的線性相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到0.714；官能團(tuán)Ⅱ、Ⅲ與N呈顯著正相關(guān)，顯著性最高的是官能團(tuán)Ⅲ，官能團(tuán)Ⅴ與N呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.454；官能團(tuán)Ⅲ與C/N呈顯著正相關(guān)(P<0.05，R2=0.363)，官能團(tuán)Ⅴ與C/N呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，R2=0.471)(表7)。

表7 碳、氮、碳氮比與官能團(tuán)間的線性回歸分析

3 討論

3.1 楊樺林不同組分間碳氮儲(chǔ)存的差異決定了土壤碳截獲、氮肥力供應(yīng)和土壤質(zhì)量維持

利用物理化學(xué)方法對(duì)土壤組分進(jìn)行分級(jí)可以揭示土壤對(duì)植被變化、土地利用方式改變的響應(yīng)機(jī)制。對(duì)草原放牧和不放牧土壤碳氮及相關(guān)組分試驗(yàn)，沒(méi)有放牧地區(qū)，表層0—20 cm有機(jī)碳和總氮保持不變，但是顆粒有機(jī)碳(POC)和顆粒有機(jī)氮(PON)顯著增加，顯示二者對(duì)人為活動(dòng)比有機(jī)碳和總氮更為敏感，是土壤肥力變化的早期指標(biāo)[5]。研究發(fā)現(xiàn)楊樺林不同組分間碳氮差異能夠決定土壤碳截獲質(zhì)量與肥力供應(yīng)的狀況。

長(zhǎng)白山次生楊樺林土壤氮的主體為活躍組分(P和EO)，周轉(zhuǎn)快，供應(yīng)氮的潛力大。有研究表明，一般土壤有機(jī)質(zhì)碳氮比與其分解速度呈反比關(guān)系[13]，有機(jī)物C∶N比值越低，微生物分解速度就越快。易氧化組分(EO)的碳氮比最低(表3)，顯示其為土壤中周轉(zhuǎn)最快的組分[14]。顆粒態(tài)有機(jī)碳(P碳)是進(jìn)入土壤中動(dòng)、植物半分解的產(chǎn)物，具有較高的生物活性，是土壤中不穩(wěn)定的有機(jī)碳庫(kù)[15]，本研究確定P的碳氮比大約為9.0(表4)，僅高于EO組分，反映了P組分的微生物分解速率也較快。本研究中P和EO氮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它土壤組分?jǐn)?shù)十倍甚至數(shù)幾十倍(4—80倍)(表3)，導(dǎo)致其氮的分配比例最大(33.1%和26.0%)(圖2)，成為土壤氮的主體，由于P和EO組分自身的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)活躍，不穩(wěn)定易礦化分解，說(shuō)明長(zhǎng)白山次生楊樺林土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮素)周轉(zhuǎn)快。

長(zhǎng)白山次生楊樺林土壤碳氮結(jié)構(gòu)有利于土壤碳的長(zhǎng)期累積。AI是一種不被酸分解的惰性土壤組分，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其碳氮比最大(表4)，這與它不易被分解的化學(xué)性質(zhì)吻合。SA組分是一種受物理保護(hù)的土壤組分，能夠抵制微生物的分解[4]，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。本研究中AI碳的分配比例為33.5%，SA碳的分配比例僅次于AI組分(33.0%)(圖2)，鑒于二者是土壤中難分解的組分，說(shuō)明楊樺林土壤碳主要截獲于穩(wěn)定組分，固碳潛力大。本研究中，P碳氮比呈現(xiàn)隨土層加深而減小的趨勢(shì)，AI和S碳氮比隨土層加深而增大，其它組分碳氮比沒(méi)有顯著變化(表4)。所以，作為土壤氮的主體之一的P氮(圖2)，隨根系的加深越來(lái)越容易被吸收利用，而有機(jī)碳主體之一的AI碳隨土層深度的加深，越不容易分解，利于累積，說(shuō)明土壤碳氮結(jié)構(gòu)不僅適宜植物生長(zhǎng)而且有利于碳的長(zhǎng)期累積。產(chǎn)生這種碳截獲結(jié)構(gòu)主要是由AI和SA較高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)所決定。本研究中，AI和SA組分碳含量很低，比原土樣小了50%左右(表3)，這與Golchin等[16]的研究結(jié)果相似。但是兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近90%(表2)，致使AI和SA土壤組分碳的分配比例最大(33.5%和33.0%)(圖2)。王文穎等[17]對(duì)高寒草甸研究發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定組分占土壤質(zhì)量的比例比活躍組分高了近3倍，而本研究高出近9倍(表1)，進(jìn)一步說(shuō)明楊樺林土壤有機(jī)碳主要禁錮在穩(wěn)定組分是由其很高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)所決定。

長(zhǎng)白山次生楊樺林S土壤組分中碳占原土樣的比例及其含量高于一般森林生態(tài)系統(tǒng)和耕地生態(tài)系統(tǒng)。新近凋落物，土壤腐殖質(zhì)、植物殘?bào)w、根系分泌物及微生物的代謝產(chǎn)物是土壤S碳的重要來(lái)源[18- 20]。有研究表明森林土壤S碳含量一般不超過(guò)表層土壤總有機(jī)碳含量的2%[21]，而東北地區(qū)落葉松林0—40 cm土壤S組分碳的分配比例多在1.1%—1.7%之間[22]，本研究中，S碳的分配比例在3.5%—4.0%之間(圖2)，超出耕地和一般森林生態(tài)系統(tǒng)近1倍。本研究中S組分中碳含量平均為335.40 mg/g，顯著高于其它組分(表2)。為了便于與前人研究結(jié)果相比較，將S組分中碳含量換算為占總土壤質(zhì)量的碳含量，為(738±471) mg/kg。這一含量明顯高于其它研究，如Sinsabaugh等[23]報(bào)道美國(guó)密歇根州馬尼斯蒂國(guó)家森林的糖楓椴木林土壤溶液介于60—100 mg/kg，王連峰等[24]測(cè)定廬山森林生態(tài)系統(tǒng)(落葉闊葉林和次生針葉林)土壤溶液S碳含量為(289.85±111.04) mg/kg。較高的可溶性組分可能來(lái)自于較多的新進(jìn)凋落物和腐殖質(zhì)及其快速周轉(zhuǎn)[25]，對(duì)于較多的腐殖質(zhì)這一點(diǎn)也可從本研究中的土壤團(tuán)聚體組分含量較高(表1)看出，較多的新進(jìn)凋落物可能是與長(zhǎng)白山次生楊樺林迅速更新代謝有關(guān)[26- 28]。土壤可溶性有機(jī)碳含量與土壤質(zhì)量密切相關(guān)[29]，這種高可溶性碳含量也有助于楊樺林土壤質(zhì)量的維持。

3.2 紅外光譜官能團(tuán)特征與不同組分碳氮及化學(xué)活性緊密相關(guān)

利用紅外線光譜方法對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行官能團(tuán)區(qū)分能夠反映耕作措施的影響機(jī)理以及土壤肥力變化的深層原因。如：不同耕作措施對(duì)水溶性土壤有機(jī)質(zhì)組分的紅外光譜特征受種植作物影響明顯，而不同土壤腐殖酸具有特征吸收峰，但是相對(duì)含量差異明顯。土壤腐殖酸及其組分(富里酸和胡敏酸)的紅外線光譜特征峰受植被恢復(fù)年限的影響明顯[6]，對(duì)耕地土壤中疏水和親水有機(jī)組分的紅外線光譜官能團(tuán)特征可揭示土壤的肥力狀況[7]。結(jié)果顯示紅外光譜官能團(tuán)特征與不同組分碳氮及化學(xué)活性具有緊密相關(guān)關(guān)系，對(duì)不同組分的化學(xué)特征具有一定的指示作用。

紅外線光譜法能夠?qū)衔飪?nèi)官能團(tuán)的量和組成進(jìn)行分析[30]，這些小分子官能團(tuán)的多少能夠反映物質(zhì)化學(xué)活性的高低。根據(jù)物理化學(xué)分組法，可以確定不同穩(wěn)定性組分的多少[4]，這些組分中官能團(tuán)的多少可以一定程度上反映出官能團(tuán)與土壤穩(wěn)定性組分的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：土壤穩(wěn)定最高組分AI中，官能團(tuán)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域面積最小，而Ⅴ區(qū)域面積最大。而活性較高組分(P、S)中，表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)：對(duì)于S組分而言，5個(gè)官能團(tuán)面積均最大，對(duì)于P組分，官能團(tuán)Ⅱ、Ⅲ區(qū)域面積最大，官能團(tuán)Ⅴ面積最小。可以看出，特征官能團(tuán)相對(duì)含量越少，土壤組分化學(xué)活性越低，尤其表現(xiàn)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ紅外官能團(tuán)區(qū)域(圖2)。針對(duì)土壤而言，紅外光譜法可以區(qū)分出很多官能團(tuán)區(qū)域，這些官能團(tuán)的大小與土壤物理化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)系，至今尚沒(méi)有明確結(jié)論，上述定量化結(jié)果對(duì)此有一定指示意義。

官能團(tuán)具有土壤碳、氮含量指示的功能，同時(shí)還能反映土壤組分的性質(zhì)也是本研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。土壤碳與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ官能團(tuán)相對(duì)含量呈極顯著正相關(guān)，但是與Ⅴ官能團(tuán)不相關(guān)(P>0.05)，而且與Ⅰ官能團(tuán)相對(duì)含量相關(guān)性最高(R2=0.714，P<0.01)；土壤氮與Ⅱ、Ⅲ官能團(tuán)顯著正相關(guān)，與官能團(tuán)Ⅴ呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.454，P<0.01)；土壤C/N與Ⅲ官能團(tuán)顯著負(fù)相關(guān)，與Ⅴ官能團(tuán)呈極顯著正相關(guān)(表7)。因此，可以基于紅外線光譜法官能團(tuán)的半定量分析可對(duì)碳、氮含量及C/N大小進(jìn)行初步判斷，這對(duì)于研究土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

4 結(jié)論

長(zhǎng)白山次生楊樺林的土壤碳氮在不同組分中的分布特征揭示了土壤養(yǎng)分供應(yīng)與碳的長(zhǎng)期累積的機(jī)制。SA、AI碳氮比都比P、EO碳氮比高出幾倍到幾十倍，說(shuō)明前者難于分解易于碳庫(kù)長(zhǎng)期維持，而后者易于微生物分解、養(yǎng)分快速供應(yīng)。雖然穩(wěn)定組分(AI和SA)內(nèi)含碳量在所有組分中最低，但是土壤質(zhì)量接近90%集中在穩(wěn)定組分(SA和AI)中，導(dǎo)致穩(wěn)定組分SA 和AI組分碳的分配比例分別為33.5%和33%，成為土壤有機(jī)碳累積的主體，而且隨土壤深度的加深，AI組分作為有機(jī)碳累積的重要性進(jìn)一步提高。由于化學(xué)性質(zhì)相對(duì)活躍的組分(P和EO)中的氮含量比其它組分高出4—80倍，導(dǎo)致活躍組分(P和EO)氮的分配比例分別為33.1%和26.0%，而且隨土層深度的加深，P組分中的氮的分配比例增大，顯示活躍組分是林分土壤肥力(氮庫(kù))的主體。S土壤組分碳的分配比例和含量高于一般森林生態(tài)系統(tǒng)和耕地生態(tài)系統(tǒng)，說(shuō)明長(zhǎng)白山次生楊樺林土壤質(zhì)量?jī)?yōu)于一般森林生態(tài)系統(tǒng)和耕地生態(tài)系統(tǒng)。此外，紅外光譜結(jié)果顯示，不同組分內(nèi)官能團(tuán)相對(duì)含量的高低可以反映各組分的化學(xué)活性高低；官能團(tuán)含量具有維持土壤碳氮的功能，同時(shí)還能反映土壤組分的化學(xué)性質(zhì)，這對(duì)于研究土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

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Features of soil C and N dynamics in a typical secondary poplar-birch forest in Northeast China

JI Changping1, WANG Wenjie1,*, HAN Shijie2, ZU Yuangang1

1KeyLaboratoryofForestPlantEcology,MinistryofEducation,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China2ResearchInstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China

Precise classification of soil organic fractions is the basis for studying soil organic carbon (C) and nitrogen (N) dynamics. However, relevant information about the secondary poplar-birch forest (SPBF) is scarce, although it is one of the main natural forests in Northeast China. In this study, we discuss the potential of soil C sequestration and soil fertility in this forest. For this purpose, soils were sampled from layers at depths of 0—10, 10—20, and 20—30 cm in a typical SPBF in Changbai Mountain. Collected soils were divided into five fractions according to their physicochemical stabilities, which included sand and stable aggregates soil fraction (SA), acid insoluble soil fraction (AI), easily oxidized soil fraction (EO), particle soil fraction (P), and soluble soil fraction (S). Mass fraction (percentage of each component in the intact soil), concentration of organic C and N, allocation proportions of organic C and N, C/N ratio, and five infrared functional groups in all fractions were analyzed. Results showed that nearly 90% of all soil fractions was classified as AI (66.21%) and SA (22.11%), which resulted in the highest amount of soil C sequestration (about 2/3 of the entire soil C). This amount was occluded in stable fractions of soil with a 2—9 fold higher C/N ratio than the active fractions of P and EO. The 4—80 fold higher N concentration in the active fractions of P and EO resulted in higher allocation proportion of N in these two fractions (33.1% and 26.0%, respectively). Close correlation between organic C and N was generally found among fractions or within each of the fractions, with the exception of those in the P and S fractions owing to their extremely low proportion in the total intact soil. This difference in storage pattern of organic C and N among different fractions favors the long-term storage of C in soil with rapid N supply for plant growth. Together with the changes in organic C and N in different soil fractions, different infrared functional groups were observed in different soil fractions. The relative contents of most of infrared functional groups in the AI fraction were the lowest, while the relative contents of most of infrared functional groups in the P and S fractions were higher than those in other groups. Significant positive correlations among each couple of organic C, N, and most of the infrared functional groups in the same fraction were determined, indicating that the infrared functional groups can probably maintain the functions of soil C and N. Otherwise, significant correlations between the infrared functional groups and C/N ratio indicated the relative contents of infrared functional groups of the soil fractions, revealing various chemical activities of different soil fractions. Our findings indicate the importance of clarifying the mechanism of soil C sequestration and N availability in soils in SPBF. These data provide a basis for understanding changes in soil C and N dynamics in the SPBF and their possible performance in response to global warming process.

carbon sequestration; soil N; soil components fraction; soil C/N; infra-red spectrum and functional group identification

國(guó)家“973”課題資助項(xiàng)目(2011cb403205); 中央高校業(yè)務(wù)資金項(xiàng)目(dl12da03); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41373075)

2013- 10- 07;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201310072410

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wjwang225@hotmail.com

汲常萍, 王文杰, 韓士杰, 祖元?jiǎng)?東北次生楊樺林土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5675- 5685.

Ji C P, Wang W J, Han S J, Zu Y G.Features of soil C and N dynamics in a typical secondary poplar-birch forest in Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5675- 5685.