凉水自然保护区森林演替序列土壤水溶性碳水化合物质量分数特征1)

王薪琪 高 菲 崔晓阳

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

责任编辑:程 红。

碳水化合物是土壤有机质中易变库的重要组成部分，约占土壤有机质总量的5%～20%［1］。碳水化合物也是土壤中最易降解的有机成分之一，作为最灵敏的有机质示踪成分，其变化规律可以指示土壤有机质库的总体变化［2］。它的含量和特性则直接影响着土壤中有机和无机物质的转化、迁移和降解，同时对土壤环境质量和土壤中物质的转化与循环有重要影响［3］。研究表明，土壤碳水化合物中以甘露糖和半乳糖为代表的六碳糖主要来源于土壤微生物，而以木糖和阿拉伯糖为代表的五碳糖则主要是来自植物残骸的降解产物［4］，利用碳水化合物的变化来指示土壤有机质总体的变化趋势已经成为常用方法［5］。Yousefi 等［6］研究发现，土壤团聚体的稳定性与热水浸提碳水化合物的相关性强于土壤有机碳，可利用土壤中碳水化合物的变化指示团聚体的变化。碳水化合物在土壤中具有黏合剂的作用，能够将土壤中的微团聚体粘合成为大团聚体，保护了有机质，从而提高土壤的抗侵蚀能力，也增强了土壤结构的稳定性［7］。土壤中的碳水化合物主要来源于植物残体，其次是土壤中的微生物，这三者之间的密切关系，制约了土壤碳库的动态平衡。由于土壤碳水化合物的活泼性质，碳水化合物也容易受到其它众多因素的影响，如土地利用方式、气候变化、降水、施肥、土壤颗粒的密度和粒度等［8－9］。正是因为碳水化合物对外界因素的响应远比有机质更为灵活，土壤中碳水化合物的含量和特性已经成为土壤有机质研究中的重要内容［10］。

虽然用于提取土壤中碳水化合物的浸提剂的种类很多，如酸类和碱类，但是采用这些水解方法通常会使原本紧密的土壤结构遭到破坏，使释放出来的碳水化合物含量增加，从而影响试验结果。本研究将直接用水作为浸提剂，测定值会较常规水解值偏低，但是能够保留森林土壤的原状［11］。本研究以凉水自然保护区的原始红松针阔混交林和阔叶次生林为研究对象，研究这2 种森林类型土壤中的碳水化合物的分布趋势，揭示不同森林植被类型对土壤中碳水化合物的影响，以期为红松针阔混交林的恢复提供科学依据，为森林土壤碳循环源汇功能研究提供参考。

1 研究地自然概况

凉水国家级自然保护区地处我国东北东部山地小兴安岭山脉的东南部——达里带岭支脉的东坡，地理坐标为128°48'30″～128°55'50″E，47°7'39″～47°14'22″N，为典型的低山丘陵地貌。本区具有明显的温带大陆性季风气候特征，年均气温－0.3 ℃，年均最高气温7.5 ℃，年均最低气温－6.6 ℃，年极端最高气温38.7 ℃，年极端最低气温－43.9 ℃，年降水量676.0 mm，年蒸发量805.4 mm，平均相对湿度78%，冻土深2 m 左右，无霜期100～120 d，气候特点是冬长夏短，夏季温凉多雨，冬季严寒干燥多风雪。保护区土壤主要为温带湿润地区针阔混交林下发育的暗棕壤。总面积为12 133 hm2，南北长11 km，东西宽6.25 km。海拔300～707 m。北坡长而缓，南坡陡短，可达25°～40°。森林总蓄积量140.0万m3，森林覆被率96%，现有原始成熟林面积4 100 hm2，其中红松林面积占80%，冷云杉面积占11.2%。区内自然资源丰富，植被群落类型复杂多样，保护区内既有从未采伐过的原始林相，也有经皆伐和火烧后发生的次生林相，有森林发生、演替的各个阶段。

2 研究方法

2.1 样品采集

2013年9月份，在凉水自然保护区选取2 种森林类型(原始红松针阔混交林和阔叶次生林)，根据其林龄、树种组成、海拔等又划分为4 类。样地基本概况见表1。每种林型在坡中下部，阴、阳坡各设3块样地，样地面积10 m×10 m。每块样地设3 个采样点，除去凋落物层，按照0～10 cm 和＞10～20 cm的土层深度，对不同样地进行试验样品采集。所有样品在除去动植物残体等杂质后，迅速装入自封袋内避免二次污染，置于冰箱内4 ℃保存，用于碳水化合物的提取测定。

2.2 样品测定

冷水浸提:称取5.00 g 新鲜土样于150 mL 三角瓶中，加入50 mL 蒸馏水，加塞，室温下往复震荡2 h(180 次·min－1)，转移到100 mL 塑料离心管中，4 600 r·min－1离心10 min，上清液过0.45 μm 滤膜，滤液用50 mL 小三角瓶收集待测。

热水浸提:称取5.00 g 新鲜土样于150 mL 三角瓶中，加入50 mL 蒸馏水，加曲颈漏斗，在水浴锅中100 ℃共沸2 h，冷却至室温后，摇匀，悬液转移到100 mL 塑料离心管中，4 600 r·min－1离心10 min，上清液过0.45 μm 滤膜，滤液用50 mL 具塞小三角瓶收集待测。

碳水化合物测定:取浸提液0.5 mL，加蒸馏水稀释到2 mL，利用硫酸－蒽酮法测定［12］，短期内的待测样品置于冰箱内4 ℃保存。

吸光度值测定:取浸提液1 mL，加蒸馏水稀释10 倍，再采用UV －1100 紫外－可见分光光度计对稀释后的浸提液分别在254、280 nm 波长处测定吸收值。

2.3 数据分析

所得数据用Excel 2003 和SPSS 18.0 软件对其进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 土壤碳水化合物质量分数垂直分布

在不同的植被类型中，2 种浸提方式下提取的碳水化合物质量分数均呈现随土层增加而逐渐递减的变化规律(表2)。原始红松针阔混交林在常温(25 ℃)和高温(100 ℃)2 种浸提方式下测定的碳水化合物质量分数分别为0.045～0.075、0.500～1.597 mg·g－1;阔叶次生林在常温和高温2 种浸提方式下测定的碳水化合物质量分数分别为0.058～0.138、0.716～2.176 mg·g－1。＞10～20 cm 土层的土壤碳水化合物质量分数比0～10 cm 土层的平均下降46.22%。

表2 原始红松针阔混交林和阔叶次生林不同土层深度的土壤碳水化合物质量分数

3.2 原始红松针阔混交林和阔叶次生林土壤碳水化合物质量分数

在不同土层中，原始红松针阔混交林下土壤碳水化合物质量分数普遍低于阔叶次生林(表3)，但差异不显著。就0～10 cm 土层而言，原始红松针阔混交林下土壤碳水化合物质量分数比阔叶次生林平均下降36.34%;在＞10～20 cm 土层中，阔叶次生林土壤比原始红松针阔混交林碳水化合物质量分数平均高出33.63%。2 种林分，100 ℃热水浸提的碳水化合物质量分数均高于25 ℃浸提结果。0～10 cm 土层原始红松针阔混交林和阔叶次生林100 ℃浸提碳水化合物质量分数分别是25 ℃浸提的22.19、16.75 倍，＞10～20 cm 土层原始红松针阔混交林和阔叶次生林100 ℃浸提碳水化合物质量分数分别是25 ℃浸提的10.90、9.75 倍。

表3 2 种浸提方式下的碳水化合物质量分数

3.3 碳水化合物质量分数与吸光值的相关性

将不同温度下提取的森林土壤浸提液在紫外波长254 nm 和280 nm 下进行比色测定，并与浸提液的碳水化合物质量分数进行相关性分析，结果表明，除原始红松针阔混交林下常温(25 ℃)提取的水溶性碳水化合物质量分数与两波长吸光度显著相关外，其他均与特定波长的吸光度呈极显著正相关(表4)。

表4 碳水化合物质量分数与吸光值的相关系数

4 结论与讨论

本研究表明，在不同的植被类型中，2 种浸提方式下提取的碳水化合物质量分数垂直分布均随土层深度增加而逐渐递减，这与一些学者的研究［12］一致，但不同类别土壤碳水化合物下降的幅度有一定差别。碳水化合物质量分数大幅度递减的原因，除与地表凋落物的输入和分解平衡有关外，也与下层土壤的黏粒紧密保护有关。研究表明，土壤碳水化合物影响着土壤的物理条件和其他土壤性质，如离子交换、碳代谢和微生物活动等，这些性质也是影响土壤团聚体稳定性的重要因素［12］。Golchin 等认为，大团聚体主要是通过闭蓄在团聚体中富含碳水化合物的根或植物残体来联结的［13］。表层土壤中的碳水化合物多被团聚体吸附和联结，这也是下层土壤碳水化合物质量分数降低的原因。

植被类型不同，凋落物和根系输入到土壤中碳的质量和数量也随之变化。本研究中，原始红松针阔混交林下土壤碳水化合物质量分数普遍低于阔叶次生林，但差异不显著。因为森林土壤中的有机质主要来源于地表凋落物、根际分泌物和细根周转，碳水化合物参与碳循环过程，与土壤总有机质碳常处于动态平衡之中，因此，植被类型会影响土壤中碳的变化。Kalbitz 等［14］研究表明，凋落物和细根是土壤水溶性碳的主要来源，为土壤微生物的活动提供能源物质。阔叶树下凋落物和细根C/N 小，初始含氮量较高，微生物数量大，能耗多，分解利用快，而土壤微生物是碳水化合物的重要来源之一［15－16］，因此，凋落物和细根的分解可能是影响土壤活性有机碳库的主要因素。

本研究中，热水浸提的碳水化合物质量分数均高于常温浸提结果，表明随着浸提液温度升高，可溶解出的有机碳质量分数增加，碳水化合物质量分数相应提高［17］。土壤热水浸提有机碳主要包括微生物、碳水化合物及构成森林土壤其他活性有机碳的简单化合物质［18］。土壤样本采样正值夏秋交替时节，适宜的水热条件，极大的提高了微生物活性，刺激微生物的大量繁殖，活跃的新陈代谢状态促使土壤活性碳蓄增加，被热水浸提的土壤活性碳质量分数提高。郭景恒等［19］研究发现，碳水化合物的含量变化是其注入量与微生物消耗量之间平衡移动的表现，然而这种平衡容易受到各种因素的影响，如土壤颗粒的粒度和密度、季节变化和微生物活动等。一般而言，土壤颗粒度小、密度轻时，碳水化合物质量分数高;季节变化多体现在对微生物的作用上，从而间接影响碳水化合物变化［18］。此外，气候、土壤结构、农业行为、人为干扰等因素对土壤中的碳水化合物质量分数都有影响。

近年来，众多学者利用紫外吸收光谱参数来表征溶液中有机物质含量。以往研究表明，土壤溶液DOC 的有机质浓度与紫外254 nm 的光吸收值具有极显著的相关性［20－21］。本研究表明，碳水化合物质量分数与吸光值呈显著正相关，与Wang 等［22］和Chin 等［23］对水体中的有机质研究结果一致，即有机质在280 nm 波长下的吸光度与有机物的分子量及腐殖化程度等具有很好的正相关关系。黄懿梅等［24］则采用280 nm 紫外比色法来测定土壤微生物量氮，且两者呈极显著正相关，与其他学者的研究结果［25］一致。虽然土壤水溶性碳是活性碳库的最活跃成分，但仍然受到土壤中碳水化合物的制约，且土壤中碳水化合物与土壤微生物量氮、水溶性碳有机质质量分数均密切相关，原始红松针阔混交林与阔叶次生林都不例外，高温提取后的相关系数都高于常温提取结果。同时表明热水浸提的碳水化合物对微生物的有效程度较高。

不同植被类型森林土壤中，碳水化合物质量分数随土层深度增加而递减。在0～10 cm 和＞10～20 cm 土层内，阔叶次生林土壤的碳水化合物质量分数均高于原始红松针阔混交林。因此，阔叶次生林比原始红松针阔混交林更有利于土壤活性有机碳的积累作用，同时为生物体提供更多的生物有效碳。不同植被类型森林土壤2 个土层中，热水(100 ℃)提取的碳水化合物质量分数显著高于常温(25 ℃)提取;浸提液温度升高，提取的碳水化合物质量分数升高，说明高温有利于活性有机碳的提取。不同植被类型森林土壤中，碳水化合物质量分数与相应浸提液的特定波长(254、280 nm)吸收值都呈显著正相关，碳水化合物是水溶性碳中的活跃成分，与土壤中的其他活性成分有密切关系［26］。此外，除与植被类型有关外，土壤中的碳水化合物还受到季节变化，气候因素等多方面的影响，这将是笔者今后继续研究的方向。

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