周 紅, 何忠俊, 肖 蒙, 秋新選, 梁社往

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650201; 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 昆明 650201; 3.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 昆明650051)

土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要存在形態(tài)，由于腐殖質(zhì)復(fù)雜芳香結(jié)構(gòu)的存在，使其具有明顯的微生物抗性，因此土壤腐殖質(zhì)是有機碳庫中比較穩(wěn)定的組分[1]，被認(rèn)為是影響森林土壤碳庫的重要參考指標(biāo)。以往對土壤腐殖質(zhì)各組分的研究多集中于土壤腐殖酸組分(富里酸、胡敏酸)，而對胡敏素組分相關(guān)報道較少，但近年來人們在對土壤腐殖質(zhì)各組分研究時發(fā)現(xiàn)胡敏素占土壤腐殖質(zhì)中絕大部分，且在碳截獲、土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分保持、生物地球化學(xué)循環(huán)等方面都有著重要作用[2]。胡敏素被定義為任何pH值條件下都不可溶的腐殖質(zhì)組分，但竇森[3]利用腐殖質(zhì)組成法與Pallo修改法結(jié)合能夠?qū)M進一步分組為鐵結(jié)合胡敏素(HMi)、黏粒結(jié)合胡敏素(HMc)、不溶性胡敏素(HMr)，這一分組方法對土壤胡敏素組分更深入的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于土壤胡敏素的研究多集中于不同施肥措施[4]、耕作措施[5]、土地利用方式[6]等方面，除此之外，胡敏素在重金屬及有機污染物修復(fù)[7-8]方面的作用也不可小覷，而從不同林型植被對土壤胡敏素組分性質(zhì)影響的研究少有報道。因此研究不同林型植被下土壤胡敏素組分特征對維持森林土壤碳平衡具有重要作用。

橫斷山脈縱谷地區(qū)主要包括滇西北的怒江州、迪慶州、麗江市、大理州的部分地區(qū)。由于特殊的地理、氣候條件，該區(qū)被認(rèn)為是全球生態(tài)景觀類型和生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一[9]；同時它也是典型生態(tài)脆弱區(qū)之一[10]，因此也一直備受研究者關(guān)注。但近些年來，由于自然因素與人為因素的綜合作用，橫斷山脈縱谷區(qū)森林資源受到了不同程度的破壞，質(zhì)量下降，數(shù)量減少，森林生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)退化，有的甚至退化為荒山荒地[11]。這已嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳婧桶l(fā)展，因此加強該區(qū)域森林資源的保護對生態(tài)環(huán)境的建設(shè)及當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展都具有重要意義。

因此，本研究以橫斷山脈縱谷區(qū)白樺林(BetulaplatyphyllaSuk.)、麗江云杉林(Picealikiangensis)、大果紅杉林(Larixpotaniniivar.macrocarpa)、川滇高山櫟林(Quercusaquifolioides)、麗江鐵杉林(TsugaforrestiiDownie)下暗棕壤為研究對象，探討不同林型下土壤腐殖質(zhì)組分分布特征，以期從土壤胡敏素組分含量、光學(xué)性質(zhì)和土壤腐殖質(zhì)穩(wěn)定性角度揭示不同林型植被固碳能力，為橫斷山脈縱谷地區(qū)植被恢復(fù)工作篩選適宜的碳匯造林模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究采樣地位于滇西北橫斷山脈縱谷地區(qū)，境內(nèi)地勢北高南低，海拔高差懸殊，垂直氣候和立體生態(tài)環(huán)境特征明顯。境內(nèi)水熱差異顯著，氣候?qū)贉貛А疁貛夂?，年平均氣?.7～16.5℃，年極端最高氣溫25.1℃，最低氣溫-27.4℃；年日照平均時數(shù)為1 740～2 190 h；年降雨量600～1 000 mm，土地利用方式以林地為主，主要土壤類型為暗棕壤，土壤質(zhì)地為黏土。

1.2 采樣點地上植被狀況

供試土壤采自橫斷山脈縱谷區(qū)，該地區(qū)植被類型主要有寒溫性針葉林、寒溫性闊葉林，優(yōu)勢樹種主要有白樺林、麗江云杉林、川滇高山櫟林、麗江鐵杉林、大果紅杉林等。林下主要植被有柳葉忍冬(LoniceralanceolataWall.)、箭竹(FargesiaspathaceaFranch.)、亮葉杜鵑(RhododendronvernicosumFranch.)、冬青(IlexchinensisSims)、鼠尾草(Salviaofficinalis)、羽葉鬼針草(Bidensmaximowicziana)、鳳尾蕨(Spiderbrake)、蛇莓(Duchesneaindica(Andr.) Focke)。

1.3 樣品采集與分析

本研究土樣于2016年4月進行采集，在橫斷山脈縱谷區(qū)范圍內(nèi)預(yù)先進行森林類型、森林土壤的類型調(diào)查，選擇該區(qū)具有代表性的森林類型(白樺林、麗江云杉林、川滇高山櫟林、麗江鐵杉林、大果紅杉林)設(shè)置樣方，樣方大小設(shè)置為20 m×20 m，每個樣方內(nèi)采用對角線5點混合采樣法，去掉表面枯枝落物，按土壤發(fā)生層(Ah，E，B，C)分別采集，最后各層按比例混合均勻，放于袋內(nèi)帶回實驗室，經(jīng)風(fēng)干、過0.25 mm篩制樣，供試驗分析，每個樣本做3次重復(fù)。采樣點地理環(huán)境狀況詳見表1。

土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量(外加熱法)測定；土壤腐殖質(zhì)采用腐殖質(zhì)分組修改法測定[12]；土壤胡敏素各組分的分離：按腐殖質(zhì)組成修改法提取胡敏酸(HA)、富里酸(FA)之后剩下的殘渣HM，用0.5 mol/L H2SO4溶解鐵、鋁氧化物和氫氧化物，然后用稀堿提取出鐵結(jié)合胡敏素(HMi)，再通過HF/HCl破壞土壤黏土物與土壤腐殖質(zhì)的緊密結(jié)合，用稀堿提取出黏粒結(jié)合胡敏素(HMc)，最后的殘余物為不溶性胡敏素(HMr)；用722 W分光光度計在波長400，600，465，665 nm分別測定富里酸、胡敏酸的吸光值，并計算E4/E6和色調(diào)系數(shù)(ΔlgK)。

采用Excel分析軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖表制作，SPSS 17.0對各指標(biāo)進行單因素方差分析，文中統(tǒng)計值均為3次重復(fù)下的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型土壤腐殖質(zhì)組成分析

由表2可得出不同林型下土壤腐殖質(zhì)組成不同，同一林型不同土層間腐殖質(zhì)組分皆達到顯著性差異(p<0.05)。其中，除白樺林、麗江云杉林外，土壤腐殖酸、富里酸垂直變化趨勢為：即Ah(腐殖質(zhì)層)>E(淋溶層)>B(淀積層)>C(母質(zhì)層)。5種林型土壤腐殖酸含量變化趨勢為：麗江云杉林(84.02 g/kg)>川滇高山櫟林(68.54 g/kg)>大果紅杉林(42.15 g/kg)>白樺林(40.76 g/kg)>麗江鐵杉林(16.77 g/kg)，其中麗江云杉林腐殖酸含量顯著高于其他4種林型，麗江鐵杉林(16.77 g/kg)的5倍。綜上所述，從整個剖面土壤腐殖酸的分布來看，相對于我國其他區(qū)域土壤[13]，橫斷山脈縱谷區(qū)不同林型暗棕壤腐殖酸含量較高，這主要是由于橫斷山脈縱谷區(qū)森林茂密，枯枝凋落物大量累積于土壤表層，再加上冬干夏雨、干濕明顯的氣候環(huán)境的影響，使得土壤腐殖質(zhì)含量較高。

胡敏酸、富里酸作為腐殖酸的組成部分，胡敏酸與富里酸的比值(HA/FA)可用來表示土壤腐殖化程度，HA/FA比值越大，土壤腐殖化程度越高，質(zhì)量越好。從圖1可看出，同一林型間不同土層HA/FA差異顯著(p<0.05)；不同森林類型下土壤腐殖質(zhì)層HA/FA皆高于其他土層；且各林型土層間表現(xiàn)為差異顯著(p<0.05)。分析得出，不同林型土壤腐殖化程度隨著土壤發(fā)生層深度增加呈降低趨勢，HA/FA值在B層、C層基本趨于穩(wěn)定，5種不同林型下B層土壤HA/FA分別為0.17，0.03，0.18，0.39，0.46，C層土壤HA/FA分別為0.13，0.03，0.19，0.19，0.39。綜合分析得出，不同林型植被下各土層HA/FA值為0.03～0.79，即最高為大果紅杉林的腐殖質(zhì)層，最低為麗江云杉林的淀積層、母質(zhì)層，這說明大果紅杉林下土壤腐殖化程度較高，形成良好土壤結(jié)構(gòu)能力強，反之麗江云杉林較低。

表2 不同林型土壤腐殖質(zhì)組分含量 g/kg

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同大寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著，不同小寫字母表示不同林型同一土層間差異顯著(p<0.05，Ducan法)。

注：圖中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著，不同大寫字母表示不同林型同一土層間差異顯著(p<0.05，Ducan法)。

圖1 不同林型土壤腐殖化程度

2.2 不同林型土壤胡敏素組分?jǐn)?shù)量分析

分析表3發(fā)現(xiàn)，不同林型土壤胡敏素各組分中不溶性胡敏素組分皆高于可溶性組分(鐵溶性胡敏素、黏粒結(jié)合胡敏素)。同一林型土壤剖面胡敏素各組分含量差異性表現(xiàn)為顯著(p<0.05)，其中4種林型(白樺林、麗江云杉林、大果紅杉林、麗江鐵杉林)土壤剖面變化規(guī)律均表現(xiàn)為Ah層>E層>B層>C層。從不同林型同一土層來看，各林型間胡敏素各組分含量表現(xiàn)為差異性顯著(p<0.05)，除各林型C層的HMi外。其中HMi最高值出現(xiàn)在麗江云杉林的Ah層(6.22 g/kg)，最低值為大果紅杉林的C層(0.25 g/kg)；HMc最高值出現(xiàn)在麗江云杉林的Ah層(4.54 g/kg)，最低值為大果紅杉林的C層(0.13 g/kg)；HMr最高值出現(xiàn)在川滇高山櫟林的Ah層(187.40 g/kg)，最低值為大果紅杉林的C層(4.84 g/kg)。綜上所述，5種不同林型中麗江云杉林胡敏素組分含量普遍高于其他4種林型。

表3 不同林型土壤胡敏素組分情況 g/kg

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著，不同大寫字母表示不同林型同一土層間差異顯著(p<0.05，Ducan法)。

2.3 不同林型土壤可溶性胡敏素光學(xué)性質(zhì)分析

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，土壤腐殖質(zhì)的顏色與土壤腐殖化程度一一對應(yīng)，因此，色調(diào)系數(shù)(ΔlgK)、光密度值(E4/E6)被用來表征土壤腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，色調(diào)系數(shù)與光密度值呈正相關(guān)關(guān)系，色調(diào)系數(shù)越高，光密度值越高，化學(xué)穩(wěn)定性越高，其分子結(jié)構(gòu)越簡單[14]。因此，本文采用ΔlgK，E4/E6作為參考指標(biāo)來探討可溶性胡敏素組分分子結(jié)構(gòu)。從圖2可以看出，不同林型土層HMi，HMc色調(diào)系數(shù)各不相同，除川滇高山櫟林C層外，其他林型各土層HMc的色調(diào)系數(shù)皆高于HMi色調(diào)系數(shù)，這可說明土壤HMc的分子結(jié)構(gòu)比HMi分子結(jié)構(gòu)簡單，但其復(fù)雜程度相差不大。E4/E6所表現(xiàn)的變化趨勢與色調(diào)系數(shù)并不全然一致(圖3)，除麗江鐵杉林各土層表現(xiàn)為E4/E6表現(xiàn)為HMc大于HMi外，其他林型土層間E4/E6未表現(xiàn)明顯變化規(guī)律。除川滇高山櫟林外，其他林型土層間都達到了顯著差異(p<0.05)。從Ah層來看，除白樺林外，其他林型皆表現(xiàn)為HMi

3 討 論

3.1 不同林型土壤腐殖質(zhì)組分分布特征

土壤有機碳主要來源于植物殘體等地表凋落物的輸入[15]，土壤腐殖質(zhì)作為有機碳主體，在土壤固碳方面發(fā)揮著重要作用。本研究中不同林型土壤腐殖酸(HE)大小變化為：麗江云杉林(84.02 g/kg)>川滇高山櫟林(68.54 g/kg)>大果紅杉林(42.15 g/kg)>白樺林(40.76 g/kg)>麗江鐵杉林(16.77 g/kg)，其中麗江云杉林含量顯著高于其他4種林型。有研究表明[16]，土壤剖面腐殖酸的垂直分布主要受植被類型、根系分布的影響。這可能是因為麗江云杉林下植物殘體量較高，根系固碳能力較強，進而提高了土壤有機碳的輸入。隨著土壤剖面深度的增加，土壤腐殖酸含量逐漸降低，表層枯枝落葉和根系分解為土壤提供了豐富的碳源，而深層土壤相對表層土壤缺乏碳源、能量，微生物活性降低，從而影響了土壤有機碳腐殖化過程，進而影響土壤腐殖質(zhì)含量。胡敏酸、富里酸是土壤腐殖酸的組成部分，而腐殖質(zhì)各組分含量高低取決于形成量和分解量的大小，即取決植被類型和根系分布、微生物活性等因素。不同林型土壤胡敏酸(HA)含量變化規(guī)律與腐殖酸一致，而富里酸則表現(xiàn)為麗江云杉林>川滇高山櫟林>白樺林>大果紅杉林>麗江鐵杉林，其中白樺林富里酸含量高于大果紅杉林,這可能是因為不同林型植被下土壤微生物數(shù)量、多樣性差異及凋落物分解速率不同。有研究表明，土壤腐殖質(zhì)的形成主要靠微生物的聚合作用，土壤微生物能利用富里酸組分中氨基酸等含氮化合物，不斷地轉(zhuǎn)化成胡敏酸[17]。

土壤胡敏酸較富里酸更為活躍，分子量較大，微生物抗性較強，對良好土壤結(jié)構(gòu)形成、養(yǎng)分保持方面占重要地位。HA/FA是衡量土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，即胡敏酸含量越高，分子量越大，分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腐殖質(zhì)品質(zhì)越好。本研究中，不同林型土壤HA/FA大小變化為：大果紅杉林>川滇高山櫟林>麗江云杉林>白樺林>麗江鐵杉林，其中大果紅杉林最高，且皆高于其他4種林型。這說明大果紅杉林下土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)相對其他4種林型較好，此外，5種不同林型土壤HA/FA均小于1，其變化范圍為0.03～0.79，綜合來看，5種土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)總體較差，主要為富里酸型土壤。隨著土壤剖面深度的增加，HA/FA總體呈下降趨勢，其中土壤Ah的腐殖化程度明顯高于其他土層，這與黨亞愛等[13]研究結(jié)果不一致，這可能與橫斷山脈縱谷區(qū)夏季溫暖多雨、冬季寒冷干旱的氣候環(huán)境有關(guān)，其次森林植被覆蓋度高，人類活動干擾少有關(guān)，因此表層土壤有機質(zhì)腐殖化過程進行加快。

注：圖中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同小寫字母表示不同林型同一土層各組分差異顯著，不同大寫字母表示不同林型同一土層各組分差異顯著(p<0.05，Ducan法)。

圖2 不同林型土壤可溶性胡敏素的色調(diào)系數(shù)

3.2 不同林型土壤胡敏素組分分布特征

土壤胡敏素(HM)是不同于HA，F(xiàn)A的獨立的腐殖物質(zhì)組分,它占土壤有機碳的絕大部分，在土壤肥力、生態(tài)環(huán)境方面都占有重要地位。本研究中土壤胡敏素各組分?jǐn)?shù)量各有差異，從不同層次土壤胡敏素組分主要分布情況分析，不溶性胡敏素組分含量占胡敏素絕大多數(shù)，其次是鐵結(jié)合胡敏素、黏粒結(jié)合胡敏素。腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)與土壤酸堿度有關(guān)[18]，本研究供試土壤pH值范圍在3.99～5.53，酸性土壤中鐵鋁氧化物成為土壤主要膠結(jié)物質(zhì)，從而鐵結(jié)合態(tài)胡敏素相對黏粒結(jié)合態(tài)胡敏酸較高。從不同土壤發(fā)生層來看，胡敏素各組分含量隨著土層深度增加而降低，其主要變化規(guī)律為：腐殖質(zhì)層>淀積層>淋溶層>母質(zhì)層。從不同森林類型來看，白樺林、麗江云杉林、大果紅杉林、川滇高山櫟林的黏粒結(jié)合胡敏素(HMc)含量表現(xiàn)為差異顯著(p<0.05)，其中白樺林、麗江云杉林皆大于大果紅杉林、川滇高山櫟林，即泥質(zhì)頁巖坡積物母質(zhì)發(fā)育的土壤黏粒結(jié)合胡敏素高于花崗巖坡積物母質(zhì)。這是因為胡敏素在腐殖質(zhì)組分中的占比大小，一般與土壤中的黏土礦物和無定形鐵、鋁氧化物的含量呈正相關(guān)。由此可知當(dāng)土壤成土母質(zhì)相同時，不同林型對土壤胡敏素組分的影響不大。

注：圖中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同小寫字母表示不同林型同一土層各組分差異顯著，不同大寫字母表示不同林型同一土層各組分差異顯著(p<0.05，Ducan法)。

圖3 不同林型土壤可溶性胡敏素的E4/E6

3.3 不同林型土壤可溶性胡敏素光學(xué)性質(zhì)特征

從色調(diào)系數(shù)指標(biāo)來看，5種不同林型植被下大部分土壤鐵結(jié)合胡敏素(HMi)的色調(diào)系數(shù)值小于黏粒結(jié)合胡敏素(HMc)色調(diào)系數(shù)，HMi色調(diào)系數(shù)大小與HMc相差不大；但從E4/E6來看，HMi與HMc在不同林型土壤間變化規(guī)律不明顯。綜合ΔlgK，E4/E6變化規(guī)律分析，土壤Ah層HMi與HMc的分子結(jié)構(gòu)較其他土層復(fù)雜，這與張志春等[19]研究結(jié)果不一致，有研究表明隨著土壤溫度、含水量增高更有利于HMi，HMc的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。但從其他土層HMi與HMc光學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律來看，HMi，HMc的分子結(jié)構(gòu)不僅僅主要受溫度、含水量的影響[20]，可能和時間作用長短因素有關(guān)。此外，即不同林型植被所產(chǎn)生有機物與土壤腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有關(guān)，本研究中數(shù)據(jù)也僅是驗證了這一觀點，不同植被所產(chǎn)生的有機物與土壤腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)間影響機制還有待深一步研究。各林型間HMi，HMc分子結(jié)構(gòu)變化規(guī)律不明顯，其中HMc的分子結(jié)構(gòu)在川滇高山櫟林的C層最為復(fù)雜，而HMi的分子結(jié)構(gòu)在麗江云杉林的Ah層最為復(fù)雜。總而言之，土壤腐殖化進程是一個復(fù)雜且受到多種因素共同作用且長久的變化過程。從兩個參考指標(biāo)的變化規(guī)律看，E4/E6值在不同林型土壤間的變化幅度比色調(diào)系數(shù)大,E4/E6值對各種影響因素的響應(yīng)能力較色調(diào)系數(shù)更高。

4 結(jié) 論

(1) 橫斷山脈縱谷區(qū)5種不同林型暗棕壤麗江云杉林下腐殖酸含量顯著高于其他4種林型。不同林型暗棕壤HA/FA表現(xiàn)為大果紅杉林>川滇高山櫟林>麗江云杉林>白樺林>麗江鐵杉林，大果紅杉林相對于其他林型土壤腐殖質(zhì)聚合度較高、品質(zhì)較好。

(2) 橫斷山脈縱谷區(qū)5種不同林型暗棕壤胡敏素組分中不溶性胡敏素占絕大部分。麗江云杉林下胡敏素組分含量最高。相對于其他4種林型，麗江云杉林更有利于土壤碳的積累。

(3) 橫斷山脈縱谷區(qū)5種不同林型暗棕壤Ah層HMi，HMc的分子結(jié)構(gòu)較其他土層復(fù)雜，各林型間HMi，HMc分子結(jié)構(gòu)變化規(guī)律不明顯，除川滇高山櫟林的C層外，各林型土層ΔlgK皆表現(xiàn)為HMc>HMi，但E4/E6變化規(guī)律并不總是表現(xiàn)為HMc>HMi；其中HMc的分子結(jié)構(gòu)在川滇高山櫟林的C層最為復(fù)雜，而HMi的分子結(jié)構(gòu)在麗江云杉林的Ah層最為復(fù)雜。

綜上所述，大果紅杉林、麗江云杉林更有利橫斷山脈縱谷區(qū)碳素的利用、積累，該研究結(jié)果可為提高橫斷山脈縱谷區(qū)森林固碳能力提供參考。本文僅就橫斷山脈縱谷區(qū)5種主要林型腐殖質(zhì)特征進行研究，具有一定的局限性。不同林型土壤固碳量有所差異，因此加強篩選相對維持高碳水平的樹種對增匯減排具有重要意義。