杜 浩, 張成福, 程宇琪, 王雨晴, 潘思涵, 楊宇娜

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010010)

隨著工業(yè)化發(fā)展，大氣中二氧化碳(CO2)濃度增加引起的溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖。土壤是地球重要的碳庫，其儲量約為大氣碳儲量的2倍、植被儲量的3倍[1]。由于土壤有機碳(SOC)儲量巨大，其微小增加或減少都會顯著影響大氣中CO2濃度[2]。植被通過光合作用將大氣CO2固定到植物體中，而植物每年以枯落物的形式將碳轉(zhuǎn)移到土壤中，由此增加了植被和土壤的碳匯，相應(yīng)地減少了大氣中CO2的濃度。溶解有機碳(DOC)是SOC的重要來源，每年由土壤吸收的DOC約占礦質(zhì)土壤層碳總量的19%～50%[3]。因此，研究不同林分中DOC變化對緩解全球變暖以及碳循環(huán)具有重要的意義。

森林中DOC動態(tài)以及生成DOC是一個復(fù)雜的過程，如植物種類對DOC產(chǎn)生的影響，枯枝落葉對DOC生成，不同研究有不同結(jié)果：Luan等[4]發(fā)現(xiàn)闊葉林比針葉林產(chǎn)生較多的DOC，而Currie等[5]則獲得相反結(jié)果；熊麗等[6]對米櫧天然林不同層DOC作了研究，發(fā)現(xiàn)下層土壤比上層土壤吸附DOC能力強；俞元春等[7]研究杉木林土壤DOC濃度與遷移，發(fā)現(xiàn)不同林分產(chǎn)生的DOC量不同；Zhang等[8]基于數(shù)學(xué)模型分析，發(fā)現(xiàn)DOC的產(chǎn)生不僅與樹種有關(guān)，同時與每年森林枯落物的凋量有關(guān)，而森林枯落物依賴于森林年齡和樹種組成。楊麗麗等[9]研究了在六盤山典型森林生長季的大氣降水、穿透水、干流、枯落物滲漏水和主根系層土壤滲漏水的DOC濃度及其相應(yīng)的通量變化。大部分研究主要集中在土壤中DOC的研究，而以水為載體，通過降雨對北方天然林中DOC變化研究較少。

本研究以大興安嶺3種典型天然林類型為研究對象。大興安嶺作為我國四大林區(qū)之一，占全國森林總面積的29.9%，是北方的重要組成部分[10]。而大興安嶺天然林在建國之期就開始大規(guī)模開采，出現(xiàn)火燒、整地、改造人工林等措施對森林系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，進而使天然林碳含量發(fā)生變化，導(dǎo)致DOC出現(xiàn)變化。因此，研究大興安嶺天然林DOC動態(tài)變化，對森林生態(tài)系統(tǒng)中碳和森林生長有著重要的作用，有利于弄清森林演替對于SOC的形成機制的影響，為我國北方森林土壤碳儲量做出科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣地概括

研究區(qū)位于大興安嶺北段，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾根河林業(yè)局境內(nèi)。地理坐標(biāo)為50°05′01″—53°33′25″N，121°11′02″—127°01′17″E。屬于典型的寒溫帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)，最高海拔1 451 m。年降水量約為400～500 mm，降雨主要集中在7、8月份，9月末—次年5月初為降雪期。年平均氣溫為-5.5℃，日較差高達20℃(圖1)。年無霜期為80～90 d，凍結(jié)期210 d以上。地下有永凍層，個別地區(qū)30 cm以下為永凍層。林區(qū)境內(nèi)河流較多，主要河流為根河，是林區(qū)內(nèi)最大的河流。土壤類型主要有棕色針葉林土、灰色森林土、河灘森林土、草甸土、沼澤土。

注：數(shù)據(jù)來源于根河氣象站。
圖1 研究區(qū)月降水量和平均氣溫

1.2 樣地布設(shè)

為盡可能保證對比條件的一致性，在野外踏查的基礎(chǔ)上，選擇坡向基本一致和土壤類型為棕色針葉林土，而只有植被類型有差異的地段作為研究樣地。針對大興安嶺天然林，本研究選取有代表性的不同類型的林分，分別選取白樺林(Betulaplatyphylla)、白樺落葉松混交林和落葉松林(Larixgmelinii)3個樣地，分別標(biāo)記為BF，MLB，LF(表1)。在每個樣地沿等高線選3條等高線，每條等高線相距50 m，分別布設(shè)一個采樣點。進而取其有機質(zhì)層和0—30 cm滲透水，并在每個樣地布設(shè)樹干徑流收集裝置。各樣地植被基本情況見表1。

表1 各樣地基本情況和主要植被特征

1.3 水樣的采集

為了取樹干徑流，每個樣地每種樹木隨機選取3棵，根據(jù)樹的胸徑，將聚乙烯塑料布和膠管從樹干1.5 m處由上到下纏繞于樹干，并用泡沫劑填充塑料布和膠管與樹干之間空隙，用玻璃膠帶密封塑料布與樹干，再將膠管引入密封的塑料容器。在白樺落葉松混交林中，將收集到的白樺樹干徑流與落葉松樹干徑流溶液分別進行混合，測其DOC濃度。

為采集有機質(zhì)層和0—30 cm土層中DOC，自制了內(nèi)徑為30 cm的滲透水收集器。收集器為平底盤，在盤底打孔，通過一定長度的塑料管與DOC溶液采樣瓶相連。收集器布設(shè)時盡量保持有機質(zhì)層的自然狀態(tài)。在布設(shè)時先將有機質(zhì)層整體切割抬起，然后放入收集器，最后將有機質(zhì)層保持原樣放在收集器上。將未擾動的土壤，土層厚度為30 cm，放入收集器，將土層上保留采集原狀土上原有的有機質(zhì)層，生長的草本和小灌木等林下植被。采樣瓶放置于比收集器地勢較低的地方，通過塑料管將采樣瓶與收集器相連，使收集器收集的DOC溶液能夠自然流入采樣瓶。

DOC溶液收集時間為2016—2017年，為期2 a。每年從當(dāng)?shù)赝寥澜鈨銎?月1日開始到當(dāng)年土壤凍結(jié)期10月1日結(jié)束。DOC溶液在每次降雨后及時收集，但在連續(xù)降雨超過1周的情況下每周采樣1次。每次采樣后，將各個樣地采集的DOC溶液倒入100 ml的塑料瓶內(nèi)。在實驗室內(nèi)DOC溶液儲存于-4℃的冰箱內(nèi)。試驗期內(nèi)共232個樣品，各樣地2 a研究期內(nèi)野外采集樣品數(shù)量見表2。

表2 各樣地2 a研究期內(nèi)野外采集樣品數(shù)量

1.4 室內(nèi)試驗與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

DOC溶液首先用0.45 μm濾紙過濾，使用美國TELEDYNE TEKMAR公司生產(chǎn)的TOC—Torch儀器測定DOC濃度。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用微軟公司的MS—Excel軟件和SPSS 22.0完成，采用單因素方差(ANOVA)分析對不同林分和不同水文分量DOC濃度進行差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分之間DOC濃度

從表3可看出，雨水通過林內(nèi)后，不同林分DOC濃度均發(fā)生明顯變化。對樹干徑流DOC濃度表現(xiàn)為:BF(60.12 mg/L)

有機質(zhì)層中DOC濃度表現(xiàn)為：LF(34.45 mg/L)0.05)。

表3 天然林不同林分DOC平均濃度 mg/L

注：表內(nèi)同一行不同大寫字母表示不同林分之間差異顯著(p<0.05);同一列不同小寫字母表示不同水文量差異顯著(p<0.05)；±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2.2 林內(nèi)各層的DOC濃度

由表3可知，其不同林分內(nèi)各層中DOC濃度表現(xiàn)為：在BF表現(xiàn)為樹干徑流(60.12 mg/L)>有機質(zhì)層(35.32 mg/L)>0—30 cm土層(26.23 mg/L)；在MLB表現(xiàn)為樹干徑流(172.77 mg/L)>有機質(zhì)層(39.64 mg/L)>0—30 cm土層(37.08 mg/L)；在LF表現(xiàn)為(205.02 mg/L)>有機質(zhì)層(34.45 mg/L)>0—30 cm土層(26.53 mg/L)。在不同林分中DOC濃度均表現(xiàn)出樹干徑流>有機質(zhì)層>0—30 cm土層，且樹干徑流和有機質(zhì)層及0—30 cm土層有顯著差異(p<0.05)。

降水經(jīng)過森林系統(tǒng)，植被表面、有機質(zhì)層和土壤對雨水中的DOC進行淋洗、吸附和淋失等一系列變化，以及水量的變化，導(dǎo)致天然林不同林分各層DOC濃度產(chǎn)生差別(表4)。樹干徑流中DOC濃度與有機質(zhì)層DOC濃度的差值，可反映有機質(zhì)層輸入林地DOC作用程度，其值均為正值，LF樹干徑流DOC濃度差值比較大(170.57 mg/L)，相比之下，BF差值比較小(24.8 mg/L)，說明落葉松林樹干對DOC淋出作用較大。白樺林淋出比較弱，主要因為闊葉樹干比針葉樹光滑，雨水在樹干滯留時間少，也可能闊葉葉面比針葉光滑，攔截和儲存干沉降比較少。在不同林分內(nèi)，有機質(zhì)層中DOC濃度均高于0—30 cm土層，其差值均為正值，說明土壤層對有機質(zhì)層輸出DOC具有吸附固定作用。

表4 不同林分林內(nèi)各層DOC平均濃度差別 mg/L

2.3 不同林分中DOC濃度不同月份動態(tài)

在不同林分中DOC濃度隨月份變化而變化(圖2)。不同林分降雨中DOC濃度隨著月份變化差異不顯著，無明顯的變化規(guī)律。總體而言，白樺林、白樺落葉松混交林和落葉松林降雨中DOC濃度基本相同，分別為3.17，3.14，3.48 mg/L。在BF中，樹干徑流DOC濃度最大值出現(xiàn)在7月份，最小值出現(xiàn)在9月份，即表現(xiàn)為7月>6月>8月>9月；有機質(zhì)層和0—30 cm土層中DOC濃度變化趨勢相似，最大值出現(xiàn)在6月份，最小值出現(xiàn)在8月份，即有機質(zhì)層表現(xiàn)為6月>9月>7月>8月，0—30 cm土層表現(xiàn)為6月>7月>9月>8月，除有機質(zhì)層9月份，6月份和其他月份均差異顯著(p<0.05)。在MLB中，樹干徑流DOC濃度最大值出現(xiàn)在7月份，最小值出現(xiàn)在9月，即7月>6月>8月>9月,但差異不顯著(p>0.05)；有機質(zhì)層DOC濃度最大值在6月，最小值出現(xiàn)在7月份，即6月>月8>9月>7月，6月份和8月份差異顯著(p<0.05)；0—30 cm土層中DOC濃度最大值出現(xiàn)在9月，最小值在6月份，即9月>7月>8月>6月,且6月份和其他月份均差異顯著(p<0.05)。在LF中，樹干徑流DOC濃度最大值出現(xiàn)在7月份，最小值出現(xiàn)在9月，即7月>6月>8月>9月；有機質(zhì)層DOC濃度最大值出現(xiàn)在6月份，最小值出現(xiàn)在8月份，即有機質(zhì)層表現(xiàn)為6月>7月>9月>8月；0—30 cm土層中DOC濃度最大值出現(xiàn)在6月，最小值在9月份，即6月>7月>8月>9月,但有機質(zhì)層和0—30 cm土層各月份差異不顯著(p>0.05)。

總之，各個林分中樹干徑流DOC濃度隨著不同月份變化趨勢相似，呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢，最大值在7月份，最小值在9月，且7月份和9月份差異顯著(p<0.05)(除MLB)。各個林分中有機質(zhì)層和0—30 cm土層DOC濃度變化趨勢相似，在6月份最高，然后逐月降低，9月份DOC濃度又升高(除MLB中0—30 cm土層)。MLB中有機質(zhì)層和0—30 cm土層DOC濃度隨月份變化規(guī)律不明顯。

注：不同小寫字母表示同一水文量不同月份差異顯著(p<0.05)。
圖2 不同林分不同水文量DOC濃度月份動態(tài)

3 討 論

3.1 不同林分樹干徑流DOC濃度差異分析

由于降雨對樹干、樹葉表面的沖刷和淋洗，導(dǎo)致降雨經(jīng)過樹干過程中徑流中DOC濃度達到最大，且不同樹干徑流中DOC濃度也不同。本研究結(jié)果表明，落葉松樹干徑流中DOC濃度明顯高于白樺樹干徑流，且不同林分中樹干徑流中DOC濃度均明顯高于有機質(zhì)層和0—30 cm土層。這一結(jié)果與前人研究結(jié)果相似[9,11]。造成不同樹種之間樹干徑流中DOC濃度主要和樹皮形態(tài)、胸徑、樹干的粗糙等有關(guān)，這些因素會造成雨水在樹干滯留時間不同，從而影響樹干徑流中DOC濃度差異[12]。也可能與沉積在樹干表面的可溶性有機材料有關(guān)[13]。落葉松樹干比較粗糙，有多層的樹皮，雨水在落葉松樹干停留時間相對較長，雨水對樹干的淋洗更突出，其樹干徑流中的DOC濃度明顯高于樺樹樹干徑流。樺樹樹皮光滑，雨水在樹皮滯留時間少，樹干徑流中DOC濃度相對較低。同時也與降雨對樹冠的淋洗強度有關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)針葉林葉面相比闊葉林容易攔截和儲存大量的干沉降，使得針葉林淋洗較強[9]。本研究中，樹干徑流中DOC濃度均達到最大值，變化范圍為60.12～205.02 mg/L。高于溫帶和亞熱帶一些地方的針葉林和闊葉林樹干徑流中DOC濃度[12,14]。造成這些差異可能與森林結(jié)構(gòu)、樹種種類和氣候條件不同有關(guān)。影響樹干徑流DOC濃度因素復(fù)雜，需進一步研究。

3.2 不同林分有機質(zhì)層和0—30 cm土層中DOC濃度差異分析

造成有機質(zhì)層和土層中DOC差異，主要因為不同林分內(nèi)植被類型數(shù)量、凋落物量、微生物種類、根系分泌以及雨水對凋落物的沖洗等不同造成的。本研究發(fā)現(xiàn)白樺落葉松混交林有機質(zhì)層和0—30 cm土層中DOC平均濃度均高于白樺林和落葉松林。這與郭璐璐[15]、肖慈英[16]等研究結(jié)果相似。土壤礦質(zhì)層DOC的來源有機質(zhì)層釋放淋溶的DOC、礦質(zhì)層微生物死亡釋放的DOC和根系分解過程中釋放的DOC，但有機質(zhì)層釋放淋溶的DOC是土壤礦質(zhì)層DOC的主要來源[17-18]。森林生物多樣性和枯落物凋落量影響了DOC產(chǎn)生。陸地生態(tài)系統(tǒng)90%以上的地上部分凈生產(chǎn)量通過枯落物的方式返回地表[19]，每年總枯落物碳生產(chǎn)量與陸地生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)量基本相當(dāng)[20]。DOC是有機物分解過程中產(chǎn)生的半分解物溶于水的部分，而有機物分解受微生物影響。牛曉燕等[21]基于本研究試驗樣地分析了大興安嶺天然林演替對于土壤微生物的影響，發(fā)現(xiàn)土壤微生物種類呈現(xiàn)先增多后減少的動態(tài)變化，即白樺落葉松混交林土壤微生物多樣性豐富。另外，白樺落葉松混交林物種豐富(表1)，凋落物組成比較復(fù)雜，使得混交林的枯落物混合物易被微生物分解[16]，有機質(zhì)快速分解導(dǎo)致了有機質(zhì)層釋放更多的DOC，這是造成混交林中DOC濃度最高的原因。落葉松林和白樺林0—30 cm土層中DOC濃度差異不大，影響土壤DOC濃度變化因素不確定，可能環(huán)境因素和生物因素同時作用，所以很難確定0—30 cm土層中DOC濃度變化差異主要因素，這些濃度變化的原因比較復(fù)雜，值得進一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同林分均表現(xiàn)出有機質(zhì)層DOC平均濃度均高于0—30 cm土層，與前人研究結(jié)果一致[6,9,22]。舒洋等[23]對土壤碳密度分布研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)碳隨著土層深度加深而降低。范躍新等[24]發(fā)現(xiàn)DOC含量隨著土層加深明顯降低，并向腐殖質(zhì)層富集。這主要原因是與土壤中的DOC在一定程度上受土壤總有機碳的影響，隨著土壤的加深，總有機碳減少，另外，土壤下層中微生物和有機質(zhì)層種類不同，且下層受影響比較小，在土壤中有機碳分解時間長，有效性同時也降低[25]。也有可能是大興安嶺土不同林分土層較薄、垂直根系淺以及地下有永凍層，影響著微生物的活性，隨著土層深度越明顯，造成有機質(zhì)層DOC平均濃度高于0—30 cm土層。

3.3 不同月份DOC濃度差異分析

本研究發(fā)現(xiàn)各林分樹干徑流中DOC濃度隨不同月份變化規(guī)律相似，均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢。呂茂奎等[14]報道過樹干徑流DOC濃度旱季高于雨季，與本文研究結(jié)果相似。造成這不同月份的差異的原因可能是冬季之后，樹干比較干燥，可能沉積含有可溶性有機物的干燥有利的物質(zhì)。6月份開始降雨量少，6—7月份降雨量逐漸增加(圖1)，對樹干干燥可溶性有機物質(zhì)進行沖洗，導(dǎo)致了白樺和落葉松樹干徑流中DOC濃度開始有上升趨勢，7月份達到最大。Ciglasch等[13]解釋了較低降雨量DOC濃度較高原因，歸于濃度效應(yīng)或累積在干燥季節(jié)可溶性有機物質(zhì)被洗滌。7—8月份降雨量增加，對樹干的沖洗增加，大量的雨水對DOC濃度進行稀釋，使得樹干徑流DOC濃度下降。

研究結(jié)果表明，不同林分中有機質(zhì)層和0—30 cm土層DOC濃度總的趨勢為6月份最高，7月、8月份最低，9月份又升高。本研究發(fā)現(xiàn)各樣地有機質(zhì)層DOC濃度最大值出現(xiàn)在6月份，這是由于凍融作用導(dǎo)致非溶性的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOC，及冬季土壤中積累了較多微生物殘體，使得有機質(zhì)層釋放出較多的DOC[26]。有機質(zhì)層DOC濃度最低值出現(xiàn)在7月、8月份，這可能與當(dāng)?shù)?月、8月份降雨量大有關(guān)。7月、8月份雖然氣溫較高(圖1)，有機質(zhì)分解快，DOC產(chǎn)生量也大，但由于在7月、8月份降雨量大，致使機質(zhì)層DOC被稀釋而使?jié)舛冉档汀?月份DOC濃度呈現(xiàn)上升趨勢是由于秋季植物枯落物引起[27]。大興安嶺興安落葉松林枯枝落葉主要集中在9月份，約占全年的62%～66%[28]。新鮮的枯落物中含有大量水溶性有機物，這些可溶性有機物被雨水直接淋溶使有機質(zhì)層濃度升高[29]。本研究中，個別林分在個別年份中DOC濃度無明顯變化規(guī)律，這可能與各樣地在各月份中降雨量不同有關(guān)。

DOC濃度受降雨、微生物、枯落物、溫度等因子影響，而這些因子隨季節(jié)的不同而變化[30]。在不同的地區(qū)，土壤中DOC濃度隨季節(jié)變化的模式不同。有研究者發(fā)現(xiàn)土壤溶液中的DOC濃度夏季高[31]；在?？盂獾貐^(qū)土壤溶液中DOC濃度9月份高于7月份[32]；在中國西南亞高山土壤DOC濃度5月份最高，9月份最低[33]；在三江平原地區(qū)，小葉章地表土層DOC濃度5月份較高，7月份最低，9月份最高[34]；Nambu等[35]未發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)層下DOC濃度的季節(jié)變化。造成不同地區(qū)土壤DOC濃度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律可能與這些地區(qū)氣候不同有關(guān)。

4結(jié) 論

(1) 不同林分中有機質(zhì)層和0—30 cm土層中DOC濃度呈現(xiàn)：白樺落葉松混交林>白樺林、落葉松林，但差異不顯著；落葉松林樹干徑流中DOC濃度明顯高于白樺林，差異性顯著。

(2) 各林分DOC濃度呈現(xiàn)出樹干徑流>有機質(zhì)層>0—30 cm土層，且樹干徑流和有機質(zhì)層及0—30 cm土層有顯著差異；有機質(zhì)層和土層對DOC有吸附固定作用，且落葉松樹干比白樺樹干淋溶DOC強。

(3) 在不同月份中，樹干徑流DOC濃度最大，9月份最小，呈先升高后降低；有機質(zhì)層和0—30 cm土層DOC濃度總體變化趨勢為6月份最高，7月、8月最低，9月份又升高。