北京松山不同堆積處理枯枝落葉分解特征的研究

孫昊冉　高麗　袁靜　郭賢達

摘要 [目的]研究森林植被之下地表枯枝落葉層對土壤發育過程、保持水土與涵養水源的作用。[方法]通過野外采樣調查和實驗室分析，研究了北京市松山自然保護區油松林下不同堆積方式下，油松枯枝落葉被分解的特征。[結果]在人工露天堆積、油松林下自然堆積、人工林下堆積條件下，隨著深度的增加，枯枝落葉層中碳、氮含量逐漸減少，灰分含量逐漸增加；在人工露天堆積處理下，枯枝落葉表層有機碳含量最高，可達44.63%，而在人工林下堆積30～40 cm處有機碳含量最低，只有30.27%。在3種處理下，枯枝落葉層中碳氮比值都大于25，人工林下堆積最接近最佳碳氮比。[結論]3種處理方式下枯枝落葉分解程度從大到小依次是：人工林下堆積、自然林下堆積、人工露天堆積。

關鍵詞 不同堆積方式；枯枝落葉；分解

中圖分類號 S718.53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-147-03

土壤圈-生物圈-大氣圈之間的碳儲量-遷移-聚集及其對全球氣候變化的影響，是當今國際學術界關注的熱點。已有的研究成果表明，全球碳儲量的分布特征為大氣圈碳庫儲量為7.6×1017 g、水圈為3.8×1019 g、陸地生物圈為6.2×1017 g、土壤圈為2.5×1018 g、巖石圈為2.7×1022 g；在微生物驅動下，土壤-生物與大氣之間的碳遷移轉化速度快且通量大，其對全球氣候變化影響顯著[1-5]?？葜β淙~層不屬于森林植被層，是森林土壤的附屬層次，也是森林生態系統的一個重要組成部分，在全球的碳循環中有重要的作用和地位，但是在研究陸地生態系統的碳儲量及其循環的過程中尚未得到足夠的重視。作為森林植被與土壤之間的特殊界面物質層，枯枝落葉層不僅是森林生態系統中物質遷移轉換、森林植被歸還養分于土壤、土壤有機質積累的樞紐，還對維持土壤肥力與生物活性、保持水土資源和維持生態系統穩定性等具有重要的作用[6-7]。有研究指出枯枝落葉層及其所包含的生物碳通過增加養分和菌根微生物多樣性，已經成為逆轉退化土壤或改良自然界貧瘠土壤的重要調節器；在自然條件下物質被分解的速率序列依次為：枯枝落葉類原料（feedstock）、碳水化合物經熱水熱碳化所形成固體物（hydrochar）、生物碳（biochar）；在自然條件下生物碳通過強化甲烷優化過程可以緩解土壤向大氣釋放CO2和N2O的速率。眾多研究表明生物碳、熱水固化碳及其土壤腐殖質對于吸附和保持土壤中重金屬和持久性有機物等污染物具有顯著的效益[8-10]。Angst等[11]在2014年綜合研究了美國加州的松樹殘體生物碳對土壤排放溫室氣體與土壤養分轉化的影響機理，其結果表明：將松樹殘體在550 ℃條件下產生的灰分含量為17%的生物碳與家畜糞便混合添加于堿性土壤中，對土壤中代換性的氮磷鉀淋失過程有影響，但未見有促進土壤溫室氣體排放的潛能。該文在綜合調查北京市松山國家級自然保護區油松 （Pinus tabuliformis Carrière）林下枯枝落葉層特征的基礎上，通過采樣分析不同時段油松落葉殘體被分解特征及其速率，探討了森林植被之下地表枯枝落葉層對土壤發育過程、保持水土與涵養水源的作用，為城市自然保護區的生態管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇與樣品采集 北京松山國家級自然保護區位于北京延慶縣海坨山南麓。這里年均氣溫約6.8 ℃，年均降水量約580 mm，屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候類型。其地表植被為次生闊葉林和人工油松林類型，土壤為山地棕壤（或中國系統土壤分類表中的簡育干潤淋溶土）[12]。主要的保護對象是天然油松林為主的溫帶森林生態系統。2014年6月下旬，在自然保護區內海拔1 260～1 300 m的東坡坡腳平緩地段，從人工油松林區中選擇3種不同類型的油松枯枝落葉層，即油松林下自然凋落的枯枝落葉層、2013年秋季人工露天堆積的油松枯枝落葉層和人工林下堆積的枯枝落葉層，分別觀測并采集枯枝落葉層中的未分解層、半分解層和已分解層的枯枝落葉樣品。并按照枯枝落葉形態將其劃分為：①未分解層，由新的油松落葉組成，落葉保持其固有的形態，顏色變黃或灰黃色，落葉外表無分解的痕跡；②半分解層，落葉多數已沒有完整外觀輪廓，多數凋落物已經粉碎，葉肉被分解成碎屑狀；③完全分解層，已不能辨識落葉的原形，多數呈現為松散氈狀的纖維碎屑物。分別采集上述不同區域的各種層次的枯枝落葉層樣品24份，每份樣品采集約100 g，分別裝入干凈的塑料袋并密封帶回實驗室進行處理與分析。

1.2 樣品處理 將采集回實驗室的樣品首先風干，在每份樣品中隨機選取松針30根，在50倍放大鏡下分別觀測油松落葉（松針）的長度，并分別記錄測量數值；然后將所有風干樣品分別放置在烘箱中105 ℃條件下烘干至恒重，粉碎過0.25 mm標準篩備用。

1.3 元素分析 運用德國Elementar公司生產的Vario EL cube CHNOS 元素分析儀測定油松落葉樣品粉末中C、N、H、O含量。

1.4 灰分測定 用高溫灰化法測定油松落葉樣品的灰分含量。即從每份樣品中稱取約1 g于坩堝中，采用萬分之一電子天平稱量坩堝及樣品質量M1并記錄；將坩堝及樣品放置于馬弗爐中，在600 ℃條件下灼燒6 h以使其完全灰化；將坩堝取出放置于干燥器中冷卻4 h至室溫；采用萬分之一電子天平稱量坩堝及灰分的質量至恒定，最后計算油松落葉樣品的灰分含量。

2 結果與分析

在自然條件下，處于森林植被與土壤系統界面的枯枝落葉被分解的生物化學過程強度，主要受環境溫度、濕度、微生物多樣性和種類組成等因素控制。實地調查觀測發現枯枝落葉層被分解狀況與其層內油松松針的長度具有一定的關系。從表1可以看出：隨著堆積深度的增加，松針長度逐漸減小，分解程度依次增加。自然林下10～20 cm和人工林下堆積30～40 cm處的松針已基本完全分解，呈碎屑狀。在同一深度，不同堆積處理下松針的平均長度為：人工露天堆積處理松針長度>自然林下堆積處理松針長度>人工林下堆積處理松針長度，說明這3種堆積方式處理下松針分解程度依次增加。

2.1 不同堆積處理下元素分析結果

2.1.1 不同堆積處理下碳含量變化。森林枯枝落葉中的碳主要是有機碳，主要是由微生物分解動植物殘體的結果所致。土壤中的有機質有一部分也是由于枯枝落葉的淋溶而帶入土壤中的。由表2可知，在3種堆積處理方式下，隨著深度的增加，碳含量逐漸顯小，分解程度逐漸增加，這是因為凋落物的主要成分是纖維素，纖維素的降解是自然界中碳素的主要來源之一。在分解的過程中，有機碳逐漸被分解轉化為CO2釋放到大氣中，這一結果與楊添等[13]的研究結果相似。在同一深度下，3中處理方式下碳含量大小依次為：人工露天堆積碳含量>自然林下堆積碳含量>人工林下堆積碳含量，說明這3種堆積方式處理下枯枝落葉的分解程度依次增大。

2.1.2 不同堆積處理下氮含量變化。由表2可知，在人工林下堆積處理下0～40 cm處氮含量變化范圍為1.28%～1.38%，自然林下堆積處理下0～20 cm處氮含量為1.23%～1.29%，人工露天堆積處理下0～40 cm處氮含量為1.33%～1.48%?？傮w來看，隨著堆積深度的增加，N含量呈遞減趨勢。Casals等[14]的研究表明松樹林中淋溶物中的大多數有機氮主要來自新近凋落物和枯枝落葉層的半分解層。在垂直剖面中，下層氮還與下滲水的淋溶、遷移和微生物的活動有關。在自然條件下，森林中枯枝落葉在表層堆積最多，向下逐漸減少，因此氮含量也隨之減少[15]，與該研究的結果一致。

2.1.3 不同堆積處理下灰分含量變化。熱值能反映植物的能量水平，灰分含量直接影響著植物的可燃性[16]?；曳趾渴怯绊懙蚵湮锓纸獾闹匾蜃?，灰分含量越高，凋落物分解的初始速度就越快。從圖1可以看出，人工露天堆積處理下的灰分含量變化范圍很較小，為3.73%～5.83%，人工林下堆積處理下灰分含量在4.29%～13.61%；林下自然堆積處理灰分變化范圍是11.14%～13.38%。人工林下30～40 cm處和自然林下10～20 cm處灰分含量較高，接近土壤的枯枝落葉灰分含量很高。推測出現這種現象的原因可能有2個，一是因為在最下層枯枝落葉碳含量很低；二是最下層接近土壤層，枯枝落葉中含有部分泥土，而泥土灰分含量本身就高，導致近地枯枝落葉灰分含量升高，胡海清等[17]也有相似的結論。

2.2 不同處理下枯枝落葉中碳氮比 碳氮比是土壤總碳含量和氮含量的比值，是判斷枯枝落葉分解速度的重要指標。C/N越小，枯枝落葉分解失重及元素釋放、遷移率就越高，分解速度越快[19-20]。通常，土壤中最佳C/N比值約為25，即C/N比值越接近25，越有利于有機質的轉化分解；C/N比值小于25時，有機質轉化的同時還可以為土壤提供足夠的氮素；當C/N 比值大于25時，有機質較難轉化無機物，也不利于微生物的分解活動[21]。因此，對比各處理下C/N比值可知（圖2），對于同一種堆積處理方法，隨著深度的增加，枯枝落葉的分解速度增加。

不同種處理方法下枯枝落葉分解速度快慢程度為：人工林下堆積分解速率>自然林下堆積分解速率>人工露天堆積分解速率。人工林下C/N比值的變化范圍是27.59～32.36；自然林下C/N比值的變化范圍是32.87～33.08；人工露天C/N比值范圍是34.33～35.18，人工林下堆積最接近最佳C/N，說明人工林下堆積油松松針的處理方法最適合微生物的分解活動。這與郭繼勛等[22]的結論相似，他們指出由于地表溫度較高，蒸發量大，使枯枝落葉持水量相對減少。地下的水分比地上更容易保持，因此有利于微生物的分解。

2.3 不同處理下的范氏圖

C、H、O是枯枝落葉最主要的成分，其相對含量反映了有機質的組成，范氏圖可以較準確地表示枯枝落葉的腐熟程度（圖3）。一般來說，O/C、H/C越小，成熟度越高[23]。從表2可以看出，人工林下O/C、H/C的范圍分別是1.07～1.33和0.47～1.71；自然林下O/C、H/C的范圍分別是0.95～1.06和0.61～1.50，人工露天O/C、H/C的變化范圍很小，分別是0.75～0.93和1.48～1.63。人工林下和自然林下的分析結果與元素分析結果有差異，這可能是由于該研究中只采集了自然保護區中一小部分松針，以及在處理過程中松針選擇的不均勻性造成。相同深度H/C、O/C的比值大小順序為：人工林下>自然林下>人工露天，這說明人工露天堆積的松針的成熟度比較高，自然林下堆積次之，人工林下堆積處理下松針成熟度最低。

3 結論

總體來看，松山國家級自然保護區碳含量隨著堆積深度的增加逐漸減少，其中表層的碳含量明顯高于下層；氮含量隨著深度的增加而減少；隨著堆積深度的增加，灰分含量逐漸增加，C/N比減小，枯枝落葉的分解速度增加。在同一堆積深度，各處理枯枝落葉分解速度快慢程度為：人工林下堆積處理>自然林下堆積處理>人工露天堆積處理。在3種堆積方式中，人工林下堆積枯枝落葉的方法最適合微生物的分解活動。

參考文獻

[1] LAL R.World soils and the greenhouse effect[J].IGBP Global Change Newsletter，1999，37（1）：4-5.

[2] MONTGOMERY C.Environmental geology[M].10th ed.New York：McGraw-Hill，2014：1-24.

[3] 趙燁.環境地學[M].2版.北京：高等教育出版社，2014：208-212.

[4] 張健，馮瑞芳，楊萬勤.森林土壤有機層生化特性及其對氣候變化的響應研究進展[J].應用與環境生物學報，2006（5）：734-739.

[5] 常順利，楊洪曉，吳波張，等.森林生態系統的固碳功能和碳儲量研究進展[J].北京師范大學學報：自然科學版，2005（2）：172-177.

[6] 劉勇，李國雷.不同林齡油松人工林葉凋落物分解特性[J].林業科學研究，2008，21（4）：500-505.

[7] 張銀龍，王月菡，王亞超，等.南京市典型森林群落枯枝落葉層的生態功能研究[J].生態與農村環境學報，2006，22（1）：11-14.

[8] 周凌云，趙燁，王水鋒，等.土壤中生物質炭礦化行為研究進展[J].北京師范大學學報：自然科學版，2013（5）：517-522.

[9] 李飛躍，汪建飛.生物炭對土壤 N2O排放特征影響的研究進展[J].土壤通報，2013，44（4）：1005-1009.

[10] SONJA S，CHRISTOPH M，LUDGER G，et al.Biochar，hydrochar and uncarbonized feedstock application to permanent grassland——Effects on greenhouse gas emissions and plant growth[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2014，191：39-52.

[11] ANGST T E，SIX J，REAY D S，et al.Impact of pine chip biochar on trace greenhouse gas emissions and soil nutrient dynamics in an annual ryegrass system in California[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2014，191：17-26.

[12] 趙燁.土壤環境科學與工程[M].北京：北京師范大學出版社，2014：138-180.

[13] 楊添，戴偉，安曉娟，等.天然林土壤有機碳及礦化特征研究[J].環境科學，2014，35（3）：1105-1110.

[14] CASALS P，ROMANYA J，CORTINA J，et al.Nitrogen supply rate in scots pine （Pinus sylvestris L.） forests of contrasting slope aspect[J].Plant and Soil，1995，168/169（1）：67-73.

[15] 劉西軍，黃慶豐，聶昌偉，等.肖坑不同森林類型土壤氮，磷含量研究[J].安徽農業大學學報，2008，35（1）：124-127.

[16] 鄧光瑞，胡海清.大興安嶺主要喬木灰分含量的試驗分析[J].東北林業大學學報，2006，34（3）：16-18.

[17] 胡海清，彭徐劍，劉雪峰，等.大興安嶺幾種主要可燃物類型地被物灰分含量比較分析[J].東北林業大學學報，2009（7）：55-57.

[18] 楊曾獎，曾杰，徐大平，等.森林枯枝落葉分解及其影響因素[J].生態環境，2007，16（2）：649-654.

[19] 胡肄慧，陳靈芝，陳清朗，等.幾種樹木枯葉分解速率的試驗研究[J].植物生態學與地植物學學報，1987，11（2）：124-132.

[20] 胡肄慧，陳靈芝，孔繁志，等.油松和栓皮櫟枯葉分解作用的研究[J].植物學報，1986，28（1）：102-110.

[21] 李珊珊，耿增超，姜林，等.秦嶺火地塘林區土壤剖面碳氮垂直分布規律的研究[J].西北林學院學報，2011，26（4）：1-6.

[22] 郭繼勛，祝廷成.羊草草原枯枝落葉分解的研究——主要優勢植物的分解速率和損失率[J].生態學報，1992，12（4）：295-301.

[23] 孫可. 珠江三角洲地區土壤和沉積物中凝聚態有機質及其對有機污染物吸附行為的影響[D].廣州：中國科學院研究生院（廣州地球化學研究所），2007.