全球变化对陆地生态系统的影响及其反馈 ,以及陆地生态系统的未来变化 ,已成为当今全球变化研究迫切需要解决的问题。土壤是陆地生态系统的核心 ,对土壤有机质循环机制的研究 ,是深入理解陆地生态系统对全球变化反应机理的重要基础。土壤有机质动态是土壤有机质循环研究的主要内容 ,迄今 ,对于区域陆地生态系统作为 CO2 源 /汇的研究尚存在很大不确定性 <1,2 > ,一个主要原因是尚缺乏对土壤有机质动态的深入理解。有机质 14 C测试是研究土壤有机质动态的重要手段 <3,4 > ,业已揭示土壤有机质由一系列具不同更新周期 ( Mean Residence Time)的组分 ( Compartments)构成 <5>。但是 ,14 C分析操作复杂 ,分析周期长 ,费用昂贵 ,对遭受核试验成因 14 C(弹 14 C)“污染”的土壤表层样品 ,测量结果需做近似校正 <6 >。土壤有机质 14 C放射性水平受控于大气 14 C放射性水平及土壤有机质年龄 ,因而易受到生物扰动等的影响 ,导致剖面上下样品 14 C表观年龄互相矛盾 ,给数据的分析、利用造成很大困难。在碳的同位素中 ,13C的浓度比14 C高 ,土壤有机质δ13C值取决于地表植被类型及有机质自身分解规律 ,受生物扰动的影响较小。土壤有机质δ13C分析操作简便 ,分析周期短 ,费用比 14 C分析低得多。目前 ,在土壤有机质动态研究中 ,δ13C分析以其方便、快捷、经济的优势 ,已成为一种不可或缺的研究手段 ,是对 14 C分析的重要补充。迄今 ,δ13C分析多用于土壤有机质组成研究 <7> ,国外已有报道 ,国内类似研究尚不多见。描述土壤有机碳累积与更新的模型通常假定土壤有机质由不同更新周期组分构成<8～ 10 > ,模型结果与观测资料符合较好 ,说明这种假定基本合理。土壤有机质14 C及 δ13C分析 <4 ,11,12 > 结果表明土壤有机质很可能由不同更新周期组分构成。已有研究<7,13,14 > 利用物理、化学方法分离得到不同密度或粒级大小的有机组分 ,研究不同有机组分的赋存状态与更新速率。除上述静态研究方法外 ,从土壤剖面发育的时间序列上揭示土壤有机质更新过程及影响因素的动态研究尚鲜见报道。本文尝试利用鼎湖山自然保护区及中国科学院华南植物研究所小良生态站土壤剖面样品有机质 δ13C分析结果 ,结合土壤有机质14 C放射性水平、
有机质含量、粒度特征 ,研究不同层次土壤有机质更新特征及其影响因子 ,为陆地生态系统土壤有机质循环研究提供华南亚热带地区的资料。1 材料与方法1 .1 剖面选择与取样1 .1 .1
鼎湖山自然保护区 1 998年 7月在鼎湖山自然保护区 ( 2 3°0 9′～ 2 3°1 1′ N,1 1 2°30′～ 1 1 2°33′ E)森林植被带以及灌丛 -草甸过渡带各挖掘一土壤剖面 ,进行薄层取样 <15> ,每个样品重约 1 .5～ 2 kg。选取自然土壤剖面 ,可以减少人为因素干扰 ,获得土壤剖面有机质分布与更新的自然规律 ;考虑不同植被带 ,以研究地表植被对土壤有机质更新的影响。森林植被带剖面 ( SL) 位于海拔 662 m山坡 ,坡向为 NE42 .5°,坡度 30°,地表植被以黄杞、蜜花树、短序楠为主 ,剖面厚 1 .1 m,共取得 2 5个样品 (表 1 )。灌丛 -草甸过渡带剖面 ( GC) 位于海拔 90 5 m山坡 ,坡向 NE75°,坡度 1 6°,地表植被以灌木为主 ,可见少量草本植物 ,灌木以荷木为主 ,剖面厚 0 .6m,共取得 1 8个样品 (表 1 )。表 1 土壤剖面取样间距及样品数目Table1 Sampling intervalsand specimen numbers for the study soil profiles剖面Profile取样层段Sampling section(cm)取样间距Sampling interval(cm)样品数目Specimennumber剖面Profile取样层段Sampling section(cm)取样间距Sampling interval(cm)样品数目SpecimennumberSL 0～ 40 2 2 0 HJ740～ 3 0 2 1 540～ 60 2 0 1 3 0～ 40 5 260～ 90 1 0 3 40～ 5 0 1 0 190～ 1 1 0 2 0 1 5 0～ 60 5 260～ 1 2 0 1 0 6GC 0～ 3 0 2 1 5 1 2 0～ 2 0 0 2 0 43 0～ 40 5 2 HJ640～ 3 0 2 1 540～ 60 2 0 1 3 0～ 60 5 660～ 1 2 0 1 0 6CB 0～ 3 0 2 1 5 1 2 0～ 2 0 0 2 0 43 0～ 60 5 6GBD 0～ 1 0 2 560～ 1 2 0 1 0 61 0～ 60 1 0 51 2 0～ 2 0 0 2 0 460～ 1 40 2 0 41 .1 .2 小良野外生态站 1 998年 7月末至 8月初 ,在中国科学院华南植物研究所小良生态站及其附近 ,选择林木早已伐光的光板地、1 974年恢复林地、1 964年恢复林地以及附近那梭村村边原始林四类地点 ,各挖掘一土壤剖面 ,实施薄层取样 ,每个样品重约 1 .5～ 2 kg。在同一地区选择植被覆盖史不同的四类区块 ,目的是对比研究地表植被覆盖史对土壤剖面有机质更新的影响 ,以及退化生态系统恢复过程中土壤有机质动态的特点。光板地剖面 ( GBD) 位于小良生态站野外试验管理房附近 ,海拔约 5 0 m,取样处地势平坦 ,地表仅见少量草本植物。剖面厚 1 .40 m,共取得 1 4个样品。1 974年恢复林地剖面 ( HJ74) 位于 1 974年种植的混交林中 ,取样地点海拔约为 5 0 m,地势平坦 ;林中植被主要是麻楝、砂椤、大叶相思、灰木 ,林下植被主要是芒萁 ,生长茂盛 ;剖面厚 2 .0 m,共取得 30个样品。1 964年恢复林地剖面 ( HJ64) 位于 1 964年种植的混交林中 ,取样处海拔约为 5 0 m,坡向为 NE45°,坡度 1 1°;优势树种有大叶相思、樟树、青冈等 ,灌木以红车为主 ,林窗处草本为芒萁 ,林下枯枝落叶层厚约 1～ 2 cm;剖面厚 2 .0 m,共取得 31个样品。那梭村村边原始林剖面 ( CB) 位于那梭村东南方的村边林中 ,取样处海拔约为 5 0 m;植被以樟树为主 ,可见台湾相思树、鸭脚树 ,少量桉树 ,林下植被发育 ,为细的灌木 ,地表枯枝落叶层厚约 2 cm;剖面厚2 .0 m,共取得 31个样品。上述 4个剖面的取样间隔及取样数目见表 1。1 .2 分析方法1 .2 .1 有机质碳稳定同位素分析 取风干土样 2 0～ 30 g,挑净植屑、植根 ,置于烘箱 ,在 80℃下烘样 2 4 h;之后 ,用普通研钵研细 ,装袋 ,密封。地表树叶以及 14 C分析预处理得到的植物细根 ,先用自来水洗掉泥砂等附着物 ,之后用 1 NHCl浸泡 2 4 h,用蒸馏水冲洗 ,直至呈中性 ,置于沙浴旁 ,烘干水分 ,移入烘箱 ,在 80℃下烘样 2 4 h,自然冷却至室温 ,装袋。将预处理过的土壤样品及植屑、植根样品送中国科学院西安黄土与第四纪地质国家重点实验室 ,用MAT2 5 1型质谱仪测定样品有机质δ13C值 ,测量精度为 0 .2‰。1 .2 .2 土壤有机质 14 C放射性水平 在 2 0 0 0 ml大烧杯中用蒸馏水浸泡土样 ,充分搅拌 ,用 2 mm孔径网筛过滤 ,去除植屑、植根及粗砂粒 ;之后 ,用 1 0 %盐酸浸泡 2 4 h,去除样品中的碳酸盐 ,用蒸馏水洗涤样品 ,直至呈弱酸～中性 ,烘干样品。将预处理过的样品研碎 ,置于石英管 ,在通 O2 状态下 ,高温 ( 80 0℃ )灼烧样品 ,得到的 CO2 经过干冰 -液氮冷阱纯化后 ,通入锂反应器 ,在真空 65 0℃下合成 Li2 C2 。水解 Li2 C2 ,得到C2 H2 ,将 C2 H2 合成苯 ,放置 34d,之后用自瑞典引进的 1 2 0 0 Quantulus超低本底液体闪烁谱仪测量样品 14C放射性比度。本项分析在中国科学院广州地球化学研究所14 C实验室完成。1 .2 .3 土壤有机碳含量 采用重铬酸钾容量法 (或称丘林法 )测定。本项分析在中国科学院华南植物研究所土壤化学实验室完成。1 .2 .4 粒度分析 采用筛析法与沉降法结合 ,分析土壤样品的粒度组成。本项分析在中国科学院华南植物研究所土壤化学实验室完成。2 结果与讨论2 .1 土壤剖面有机质δ13C值一般特征鼎湖山土壤剖面顶部 δ13C值往往最小 ,向下快速增加 ,至一深度达最大值 ,SL剖面的这一深度为 2 4cm(图 1 ) ,该部位有机质 14 C表观年龄为 2 4 0 a,GC剖面这一深度为 1 2 cm(图 2 ) ,对应 14 C表观年龄为 1 70a;再向下 ,δ13C值随深度增加逐渐减小 ,自一深度向下 ,δ13C值变化较小 ,直至稳定 ,SL剖面这一深度为 40cm(图 1 ) ,该部位有机质 14 C表观年龄为 81 0 a,GC剖面这一深度为 30 cm(图 2 ) ,对应 14 C表观年龄为1 40 0 a。 δ13C值由剖面顶部最小值向下迅速增加过程中 ,某深度之上的层段 ,δ13C值深度变率最大 ,SL剖面这一深度为 1 4cm(图 1 ) ,对应有机质14 C表观年龄为 1 30 a,GC剖面这一深度为 6cm(图
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