全 文 ：林业科学研究　２０１６，２９（１）：３４ ４０
ＦｏｒｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈ
　　文章编号：１００１１４９８（２０１６）０１００３４０７
长白山典型森林土壤黑碳含量及不同
组分中的分布特征
孙金兵，桑　英，宋金凤，崔晓阳
（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨　１５００４０）
收稿日期：２０１５０３１０
基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＤ３７Ｂ０１）和国家重点基础研究发展计划项目（２０１１ＣＢ４０３２０２）资助．
作者简介：孙金兵，女，博士生，主要从事土壤生态学研究。Ｅｍａｉｌ：６３３８９９５０＠ｑｑ．ｃｏｍ
 通讯作者：崔晓阳，Ｅｍａｉｌ：ｃ＿ｘｉａｏｙａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ
摘要：［目的］通过实地采样对黑碳进行量化研究。［方法］利用相对密度分组方法探讨了长白山典型森林土壤黑碳
含量及在不同有机碳组分中的分布特征。［结果］表明：黑碳（ＢＣ）含量在表层（Ａ１１）、亚表层（Ａ１２）分别为６３９
１６．５５ｇ·ｋｇ－１、１．４４ ６．１６ｇ·ｋｇ－１，随土壤深度的增加而显著下降（ｐ
"
０．０１）。在 Ａ１１、Ａ１２层中，轻组有机碳
（ＬＦＯＣ）平均含量分别为６６．６６ｇ·ｋｇ－１、６．６５ｇ·ｋｇ－１，轻组黑碳（ＬＦＢＣ）平均含量分别为５．６３ｇ·ｋｇ－１、１．２１ｇ·
ｋｇ－１，同时，ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ在Ａ１２层（１０．０２％ ３４．８９％）显著高于Ａ１１层（６．９９％ １４．４５％）（ｐ"０．０１）；Ａ１１、Ａ１２层重
组有机碳（ＨＦＯＣ）平均含量分别为４９．１６ｇ·ｋｇ－１、３６．５５ｇ·ｋｇ－１，重组黑碳（ＨＦＢＣ）平均含量分别为２．６９ｇ·ｋｇ－１、
１．４４ｇ·ｋｇ－１，ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ在Ａ１１层（３．３６％ ８．０８％）和Ａ１２层（３．２１％ ７．５８％）之间没有显著差异（ｐ＞００５）。
另外，土壤中ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ显著高于ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ（ｐ
"
０．０１），ＬＦＢＣ／ＢＣ显著高于ＨＦＢＣ／ＢＣ（ｐ
"
０．０１）。［结论］长
白山典型森林土壤中黑碳的含量、比例均较高；土壤表层（Ａ１１）有机碳、黑碳含量及各组分有机碳、黑碳含量均高于
亚表层（Ａ１２），均随着土层加深而显著降低；轻组、重组有机碳中均含有一定比例的黑碳，黑碳主要分布在轻组分中；
轻组、重组有机碳与组分中黑碳均显著相关，轻组中相关系数大于重组。
关键词：长白山；森林土壤；黑碳；轻组；重组；分布特征
中图分类号：Ｓ７１４ 文献标识码：Ａ
ＣｏｎｔｅｎｔａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＢｌａｃｋＣａｒｂｏｎｉｎＴｙｐｉｃａｌＦｏｒｅｓｔＳｏｉｌｓｉｎ
ＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓ
ＳＵＮＪｉｎｂｉｎｇ，ＳＡＮＧＹｉｎｇ，ＳＯＮＧＪｉｎｆｅｎｇ，ＣＵＩＸｉａｏｙａｎｇ
（ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４０，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｌａｃｋＣａｒｂｏｎ（ＢＣ）ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｐｏｏｌａｎｄｐｌａｙｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｉｎｔｈｅ
ｌｏｎｇｔｅｒｍｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｃｈｅｍｉｃａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｅｖｅｎｔｈｏｕｇｈｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｅｃｔｓｔｈｅｑｕａｎ
ｔｉｔｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｉｎｆｏｒｅｓｔｓｏｉｌ，ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｆｅｗｓｔｕｄｉｅｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｄｉｓｔｒｉ
ｂｕｔｉｏｎｏｆｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎ．ＴｈｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎｉｎｔｙｐｉｃａｌｆｏｒｅｓｔｓｏｉｌｓｉｎＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎ
Ｍｏｕｎｔａｉｎｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＢＣｉｎｓｕｒｆａｃｅｓｏｉｌ
ｌａｙｅｒ（Ａ１１）ａｎｄｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｓｏｉｌｌａｙｅｒ（Ａ１２）ｗｅｒｅ６．３９ １６．５５ａｎｄ１．４４ ６．１６ｇ·ｋｇ
－１ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｔｈｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｏｉｌｄｅｐｔｈ（ｐ＜０．０１）．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｌｉｇｈｔｆｒａｃｔｉｏｎｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ
（ＬＦＯＣ）ｉｎＡ１１ａｎｄＡ１２ｗａｓ６６．６６ａｎｄ６．６５ｇ·ｋｇ
－１ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｌｉｇｈｔｆｒａｃｔｉｏｎｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎ
（ＬＦＢＣ）ｗａｓ５．６３ｇ·ｋｇ－１ｉｎＡ１１ａｎｄ１．２１ｇ·ｋｇ
－１ｉｎＡ１２；ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆＬＦＢＣ／ＬＦＯＣｉｎＡ１２（１０．０２％ ３４．８９％）
ｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎＡ１１（６．９９％ １４．４５％）（ｐ＜０．０１）．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｈｅａｖｙｆｒａｃｔｉｏｎ
第１期 孙金兵，等：长白山典型森林土壤黑碳含量及不同组分中的分布特征
ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ（ＨＦＯＣ）ｉｎＡ１１ａｎｄＡ１２ｗｅｒｅ４９．１６ａｎｄ３６．５５ｇ·ｋｇ
－１ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｈｅａｖｙ
ｆｒａｃｔｉｏｎｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎ（ＨＦＢＣ）ｗａｓ２．６９ｇ·ｋｇ－１ｉｎＡ１１ａｎｄ１．４４ｇ·ｋｇ
－１ｉｎＡ１２；ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆＨＦＢＣ／ＨＦＯＣｗａｓ
３．３６％ ８．０８％ ｉｎＡ１１ａｎｄ３．２１％ ７．５８％ ｉｎＡ１２ａｎｄｔｈｅｄｉｆｅｒｅｎｃｅｗａｓｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ（ｐ＞０．０５）．Ｉｎａｄｄｉ
ｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＬＦＢＣ／ＬＦＯＣｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ（ｐ＜０．０１）ａｎｄＬＦＢＣ／ＢＣｗａｓｓｉｇｎｉｆｉ
ｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎＨＦＢＣ／ＢＣ（ｐ＜０．０１），ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｔｈａｔＢＣｍａｉｎｌｙｗａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎｔｈｅｌｉｇｈｔｆｒａｃｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒ
ｍｏｒｅ，ｔｈｅＬＦＯＣａｎｄＨＦＯＣｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｃｏｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＬＦＢＣａｎｄＨＦＢＣｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ（ｐ＜
００１），ａｎｄｔｈｅｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｏｒｅｌａｔｉｏｎｗａｓｇｒｅａｔｅｒｂｅｔｗｅｅｎＬＦＯＣａｎｄＬＦＢＣ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓ；ｆｏｒｅｓｔｓｏｉｌ；ｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎ；ｌｉｇｈｔｆｒａｃｔｉｏｎ；ｈｅａｖｙｆｒａｃｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒ
森林土壤在全球碳平衡中起关键作用，对全球
气候变化具有重要影响。由于天然森林火灾和人为
用火等原因，每年在森林生态系统中形成了大量的
黑碳（ＢｌａｃｋＣａｒｂｏｎ，ＢＣ）。据统计，全球黑碳形成的
速度是５０ ２００Ｔｇ·ａ－１，大量的黑碳主要存留在
地球表面［１］，其中有２０％的碳是由于树木发生不完
全燃烧［２］，使部分碳以木炭或焦化碳的形式固定下
来［３－４］；黑碳的这个形成速度将使因经常毁林产生
的净ＣＯ２的量减少２％ １８％
［５］。自从２０世纪８０
年代Ｇｏｌｄｂｅｒｇ的著作《ＢｌａｃｋＣａｒｂｏｎｉｎｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎ
ｍｅｎｔ》［６］发表以来，土壤黑碳研究在许多领域得到了
迅速发展。研究表明，黑碳与高芳香土壤腐植酸的
光谱及化学组成具有很大相似性［７］，其化学性质稳
定，不易分解，在长时间尺度上具有稳定土壤有机碳
库作用。
长白山阔叶红松 （ＰｉｎｕｓｋｏｒａｉｅｎｓｉｓＳｉｅｂ．ｅｔ
Ｚｕｃｃ．）林是我国东北东部山区的地带性森林植被，
是温带针阔混交林的典型代表，在森林生态系统碳
平衡中占有重要地位［８－９］。长白山地处火山口，早
年由于火山喷发引起的林火，可能形成大量的森林
土壤黑碳。因此，量化该区域的土壤黑碳对准确评
估森林生态系统碳储量及其稳定性具有重要科学意
义。目前，长白山阔叶红松林区的相关研究多集中
土壤有机碳特征［１０］、地下生物量与碳贮量［１１］、土壤
微生物量碳与土壤有机碳含量［１２］及采伐［１３］、经营
方式［１４－１５］对生态系统碳密度和收支平衡的影响等，
直接针对该区域森林土壤黑碳相关研究尚缺乏。本
文选择长白山北坡设置研究样地，通过相对密度分
组法，测定了森林土壤各组分碳含量（ＢＣ、ＬＦＯＣ、
ＬＦＢＣ、ＬＦＯＣ和ＬＦＢＣ），研究了组分中黑碳所占比例
（ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ、ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ、ＬＦＢＣ／ＢＣ、ＨＦＢＣ／ＢＣ），
分析了各组分有机碳间的相关关系，探讨了森林土
壤黑碳的累积机理和分布特征，旨在为我国温带地
区森林土壤碳储量的科学估算和森林土壤固碳功能
的定量评估提供科学依据。
１　研究方法
１．１　研究区域与样品采集
研究区位于长白山北麓（４２°２４′３２″ ４２°２７′１４″
Ｎ，１２７°５３′４０″ １２７°５９′１２″Ｅ），主要地貌单元为孤
立山丘和玄武岩台地，其中以黄土状粘土构成的高
阶地为主［１６］，海拔约为８００ ８６０ｍ。该区具明显
的季风性大陆山地气候，冬季漫长寒冷，夏季短暂温
润，年平均温度３℃ ７℃，降水量丰富，年均６００
８００ｍｍ，主要集中在夏季，无霜期约１１０ｄ。地带性
植被主要是以红松（ＰｉｎｕｓｋｏｒａｉｅｎｓｉｓＳｉｅｂ．ｅｔＺｕｃｃ．）
为主的针阔混交林（简称红松阔叶林），其乔木层除
红松外还有白桦（ＢｅｔｕｌａｐｌａｔｙｐｈｙｌａＳｕｋ．）、山杨
（ＰｏｐｕｌｕｓｄａｖｉｄｉａｎａＤｏｄｅ．）、黄菠萝（Ｐｈｅｌｏｄｅｎｄｒｏｎ
ａｍｕｒｅｎｓｅＲｕｐｒ．）、沙松（ＡｂｉｅｓｈｏｌｏｐｈｙｌａＭａｘｉｍ．）、水
曲柳（ＦｒａｘｉｎｕｓｍａｎｄｓｈｕｒｉｃａＲｕｐｒ．）、蒙古栎（Ｑｕｅｒｃｕｓ
ｍｏｎｇｏｌｉｃａＦｉｓｃｈｅｒｅｘＬｅｄｅｂ．）、紫椴（Ｔｉｌｉａａｍｕｒｅｎｓｉｓ
Ｒｕｐｒ．）等，灌木层有毛槭（ＡｃｅｒｈｙｐｏｌｅｕｃｕｍＨａｙａ
ｔａ．）、暴马丁香（ＳｙｒｉｎｇａｒｅｔｉｃｕｌａｔｅＢｌｕｍｅ．）、瘤枝卫矛
（ＥｕｏｎｙｍｕｓｖｅｒｕｃｏｓｕｓＳｃｏｐ．ｖａｒ．ｃｈｉｎｅｎｓｉｓＭａｘｉｍ．）、
早花忍冬（ＬｏｎｉｃｅｒａｐｒａｅｆｌｏｒｅｎｓＢａｔａｌｉｎ．）、刺五加（Ａｃ
ａｎｔｈｏｐａｎａｘｓｅｎｔｉｃｏｓｕｓ（Ｒｕｐｒ．Ｍａｘｉｍ．）Ｈａｒｍｓ）等，草
本层为蕨类（Ｐｔｅｒｉｄｏｐｈｙｔａｓｐｐ．）、木贼（Ｈｉｐｐｏｃｈａｅｔｅ
ｈｉｅｍａｌｅ（Ｌ．）Ｂｏｅｒｎｅｒ．）、山茄子（Ｂｒａｃｈｙｂｏｔｒｙｓｐａｒｉｄｉ
ｆｏｒｍｉｓａｘｉｍ．ｅｘＯｌｉｖ．）等。土壤类型主要为白浆土
（漂白冷凉淋溶土，ＣＳＴ）和暗棕壤（暗沃冷凉淋溶
土，ＣＳＴ）。白浆土分布于稍有起伏的高阶地平面
上，其成土母质为黄土状粘土和火山玄武岩风化物，
质地比较粘重，具有较薄的腐殖质层，其下为淡黄色
的白浆层，再下为淀积层［１６］；暗棕壤分布在花岗岩
山地或高阶地的玄武岩风化物上，成土母质主要为
花岗岩、玄武岩的坡积物，成土过程主要为弱酸性淋
溶过程和温带湿润森林下腐殖质积累过程［１７］。在
５３
林　业　科　学　研　究 第２９卷
研究区典型红松阔叶林中选取２０块样地（１０ｍ×１０
ｍ），其中白浆土、暗棕壤样地各１０块。每块样地中
部典型部位选择１个主剖面，按照发生层取腐殖质
层（Ａ１）样品。并将其分为两个亚层：表层（Ａ１１），聚
积过程占优势、同时具有淋溶作用，颜色较深的腐殖
质层；亚表层（Ａ１２），颜色较浅的腐殖质层。采用原
位立方土柱法取样：Ａ１１、Ａ１２分层后现场标记并记录
土层深度，然后按自上而下顺序分别采集横截面为
１０ｃｍ×１０ｃｍ的立方土柱，土柱取样深度即为土层
厚度。
１．２　分析方法
土壤湿样品捡去根系，无损风干、称质量（Ｗ１），
过２ｍｍ筛。制样后将筛出的２ｍｍ以上石砾合并
称质量（Ｗ２），计算石砾含量；土壤密度根据Ｗ１和实
际取样体积估算。过２ｍｍ筛的土样在容器内充分
混匀，取适量进一步用玛瑙球磨碎，过１００目筛，混
匀，分成两份，装入自封袋中。其中一部分直接用
ＣＮ分析仪测定总有机碳，另一部分用于土壤黑碳
分离。
１．２．１　土壤黑碳的分离　土壤黑碳的分离采用
ＨＦ／ＨＣｌ处理的重铬酸盐氧化方法［１８］。
１）碳酸盐矿物去除
称取过１００目筛的土样１ ５ｇ（因有机质含量
而异）于１００ｍＬ离心管中，加入２５ｍＬ３ｍｏｌ·Ｌ－１
ＨＣｌ溶液，超声分散１０ｍｉｎ，静置过夜；离心，弃去上
清液，加 ２５ｍＬ去离子水震荡 １０ｍｉｎ，离心洗涤 １
次，弃去上清液。
２）硅酸盐矿物释放
离心管残余物中加入２５ｍＬ１０ｍｏｌ·Ｌ－１ＨＦ／１
ｍｏｌ·Ｌ－１ＨＣｌ，振荡２ｈ，离心弃去上清液；再加入２５
ｍＬ１０ｍｏｌ·Ｌ－１ＨＦ／１ｍｏｌ·Ｌ－１ＨＣｌ，振荡２ｈ，静置
２０ｈ（其间每４小时摇匀１次），离心弃上清液；加入
２５ｍＬ蒸馏水，漩涡１ｍｉｎ，如此离心洗涤３次；离心
管残余物６０℃烘干２４ｈ，称质量。
３）活性有机碳去除
ＨＦ处理的烘干样品在玛瑙研钵中研磨混匀并
过１００目筛，称取０．１ ０．３ｇ于玻璃试管中，加入
３０ｍＬ０．１ｍｏｌ·Ｌ－１Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７和２ｍｏｌ·Ｌ
－１Ｈ２ＳＯ４
溶液，超声分散１０ｍｉｎ，加盖回流漏斗，恒温水浴中
５５℃±１℃反应６０ｈ，其间每１２ｈ置于超声分散器
中分散１０ｍｉｎ，并适时补充蒸发损失的水分，监测溶
液颜色变化（溶液若出现蓝绿色，表明重铬酸钾不
足，此时应增加溶液用量）；反应完毕，将试管中物质
无损转移到１００ｍＬ离心管中，离心弃上清液，加３０
ｍＬ蒸馏水，漩涡１ｍｉｎ，如此离心洗涤３次；将离心
管６０℃烘干 ２４ｈ，称质量，其中剩余物即为 ＢＣ
样品。
干结ＢＣ样品在玛瑙研钵中研磨均匀，装入半
微量样品管备用。
１．２．２　土壤有机质密度分级　目前有多种土壤有
机质分级方法，包括化学分级、物理分级和生物学分
级等［１９］。密度分级属于土壤有机质物理分级，即设
定一定密度值（１．６ ２．０ｇ·ｃｍ－３）作为临界密度
值，密度小于此值的土壤组分定义为轻组（Ｌｉｇｈｔ
ｆｒａｃｔｉｏｎ，ＬＦ），而大于此临界密度的土壤组分定义为
重组（Ｈｅａｖｙｆｒａｃｔｉｏｎ，ＨＦ）［２０］，根据其密度划分为结
构和功能不同的两个库，然后采用氢氟酸／盐酸处理
的重铬酸盐氧化方法分离出 ＢＣ［１８］，得到 ＬＦＢＣ和
ＨＦＢＣ。本研究在 Ｊａｎｚｅｎ等 ［２１］的分离方法基础上
加以改进：称取过２ｍｍ筛的风干土样２５．０ｇ于１００
ｍＬ离心管中，加入５０ｍＬＮａＩ重液（密度１．８０ｇ·
ｃｍ－３），振荡 ｌｈ（２００ｒ·ｍｉｎ－１），然后在４０００ｒ·
ｍｉｎ－１条件下离心２０ｍｉｎ（如果悬液浑浊则加大离心
机的转速或增加离心时间），混合物表面悬浮的轻组
有机物包括上清液轻轻倒入装有０．４５μｍ尼龙滤膜
的砂芯过滤装置中抽气过滤；重复上述过程２ ３
次，直至没有可见的轻组有机物质，最后用去离子水
冲洗轻组有机物至重液被淋洗干净，将收集的轻组
用７５ｍＬ０．０１ｍｏｌ·Ｌ－１的 ＣａＣｌ２进行滤洗，再用去
离子水滤洗３ ４次，滤纸上的轻组有机物洗到预
先称质量的器皿中，在６０℃下烘干７２ｈ，称质量，这
一组分为轻组；上述离心管内沉淀加５０ｍＬ蒸馏水，
震荡０．５ｈ（２００ｒ·ｍｉｎ－１），然后在４０００ｒ·ｍｉｎ－１
条件下离心２０ｍｉｎ，弃去上清液，重复洗涤３次，管
内沉淀用９５％乙醇反复洗涤至无色，洗出，烘干、称
质量，这一组分为重组；各组分中的黑碳提取过程同
１．２．１。以上组分用玛瑙研钵研磨，过０．１４９ｍｍ筛
后备用。
１．２．３　样品中碳的测定　全土有机碳（ＯＣ）、全土
黑碳（ＢＣ）、轻组有机碳（ＬＦＯＣ）、轻组黑碳（ＬＦＢＣ）、
重组有机碳（ＨＦＯＣ）、重组黑碳（ＨＦＢＣ）含量分别用
自动 ＣＮ分析仪 （ＨｅｒａｅｕｓＥｌｅｍｅｎｔａｒＶａｒｉｏＥＬ，
Ｈａｎａｕ）直接测定，单位统一换算成ｇ·ｋｇ－１土。
１．３　数据处理
利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ２０１０和 ＳＰＳＳ１８．０软件对
试验数据进行分析处理，采用单因素方差分析法
６３
第１期 孙金兵，等：长白山典型森林土壤黑碳含量及不同组分中的分布特征
（ＡＮＯＶＡ）和最小显著差异法（ＬＳＤ）比较不同数据
组间的差异，用Ｐｅａｒｓｏｎ相关系数评价不同因子间的
相关关系，并利用ＳｉｇｍａＰｌｏｔ（１２．０）软件作图。
２　结果与分析
２．１　全土黑碳含量
土壤ＢＣ含量在Ａ１１、Ａ１２层分别为６．３９ １６．５５、
１．４４ ６．１６ｇ·ｋｇ－１，随深度的增加而显著下降（ｐ
"
０．０１）。Ａ１１、Ａ１２层有机碳含量分别为 ７０．０４
１６４３３、１９．４８ ８２．２３ｇ·ｋｇ－１，总体趋势为随土层
深度显著降低（ｐ
"
０．０１）。Ａ１１、Ａ１２层 ＢＣ／ＯＣ比例
分别为７．９４％、８．１４％，有随土层深度而增加的趋
势，但差异未达显著水平（ｐ
#
０．０５）。另外，土壤
ＢＣ、ＯＣ含量的变异系数表现为 Ａ１１层" Ａ１２层，而
ＢＣ／ＯＣ的变异系数在两不同土层间差异不大（表
１）。
表１　样地土壤有机碳、黑碳有机碳的含量及
ＢＣ／ＯＣ比例（ｎ＝２０）
指标
土壤
层次
范围／
（ｇ·ｋｇ－１）
平均值／
（ｇ·ｋｇ－１）
标准差／
（ｇ·ｋｇ－１）
变异系
数／％
黑碳含量 Ａ１１ ６．３９ １６．５５ １０．２５ａ２ ２．３４ ２２．８４
（ＢＣ） Ａ１２ １．４４ ６．１６ ３．９７ｂ２ １．４０ ３５．２９
有机碳含量 Ａ１１ ７０．０４ １６４．３３ １３１．２７ａ２ ２５．９３ １９．７５
（ＯＣ） Ａ１２ １９．４８ ８２．２３ ４９．７１ｂ２ １７．５３ ３５．２６
ＢＣ／ＯＣ Ａ１１ ５．９５ １４．０９ ７．９４ａ１ １．７８ ２２．４６
Ａ１２ ４．９２ １２．０７ ８．１４ａ１ １．７７ ２１．７６
　　 注：不同土层间平均值的差异，后缀为１的小写字母不同代表ｐ
＝０．０５显著水平，后缀为２的小写字母不同代表ｐ＝０．０１显著水平。
２．２　密度组分中黑碳含量
２．２．１　ＬＦＯＣ和ＬＦＢＣ的含量　Ａ１１、Ａ１２层土壤轻组
黑碳（ＬＦＢＣ）含量范围分别为８．６９ ３．６２、１．９４
０６８ｇ·ｋｇ－１，中位值分别为５．６３、１．２１ｇ·ｋｇ－１；轻组
有机碳（ＬＦＯＣ）含量范围分别为７９．４３ ３２．０１、１２．７３
２．５７ｇ·ｋｇ－１，中位值分别为 ６６．６６、６．６５ｇ·ｋｇ－１
（图１）。方差分析可知，土壤轻组有机碳、轻组黑碳
的含量均随着土层加深而显著降低（ｐ＜００１）。
２．２．２　ＨＦＯＣ和ＨＦＢＣ的含量　土壤重组黑碳（ＨＦ
ＢＣ）含量范围，在Ａ１１、Ａ１２层分别为５．８０ １４５、３．４６
０．４３ｇ·ｋｇ－１，其中位值分别为 ２．６９、１４４ｇ·
ｋｇ－１。土壤重组有机碳（ＨＦＯＣ）含量范围，在Ａ１１、Ａ１２
层分别为７８．３１ ３０．３５、５９．９８ １０．２０ｇ·ｋｇ－１，其
中位值分别为４９．１６、３６．５５ｇ·ｋｇ－１。方差分析表明，
土壤重组有机碳、重组黑碳的含量均随着土层加深而
显著降低，即Ａ１１层#Ａ１２层（ｐ＜００１）。
（图中不同土层方差分析结果：Ｆ值标注表示ｐ"０．０５，
表示ｐ"０．０１）
图１　土壤轻组有机碳和轻组黑碳的含量
（图中不同土层方差分析结果：Ｆ值标注表示ｐ"０．０５，
表示ｐ"０．０１）
图２　土壤重组有机碳和重组黑碳的含量
２．３　黑碳在不同密度组分中的分布特征
２．３．１　密度组分中黑碳所占比例　ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ为
Ａ１１层６．９９％ １４．４５％，Ａ１２层１０．０２％ ３４．８９％，
随土层加深而增高（ｐ
"
０．０１）；其变异系数 Ａ１１层
（１９．０４）
"
Ａ１２（２９．５２）层，可见下层的变化幅度较
大（表２）。ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ为Ａ１１层３．３６％ ８．０８％，
Ａ１２层３．２１％ ７．５８％，呈随土层加深而降低的趋
势，但差异未达显著水平（ｐ
#
０．０５）；其变异系数
Ａ１１层（２６．３２）与Ａ１２层（２５．９０）接近（表２）。另外，
ＬＦＢＣ／ＢＣ为 Ａ１１层 ４０．８９％ ７１．００％，Ａ１２层
２０７０％ ５３．７６％，随土层加深而显著降低（ｐ
"
００１）；其变异系数Ａ１１层（１３．１１）"Ａ１２层（２１．４６），
即下层的变异幅度较大。ＨＦＢＣ／ＢＣ为 Ａ１１层
１４５９％ ３８．６６％，Ａ１２层２６．４２％ ５６．１９％，随土
层加深而显著增高（ｐ
"
０．０１）；但其变异系数Ａ１１层
（３２．９３）
#
Ａ１２层（２０．５７），即上层变异程度较高。
Ａ１１层中 ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ（９．４７％）# ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ
（５．２７％），Ａ１２层 ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ（２０．１３％）# ＨＦＢＣ／
７３
林　业　科　学　研　究 第２９卷
ＨＦＯＣ（４．５６％），均达到显著差异（ｐ
"
０．０１）（表
２）。由此可见，轻组、重组分有机碳中均含有一定比
例的黑碳，其中轻组分中黑碳占有更高的比例。从
轻组、重组分中黑碳占全土黑碳的百分比来看（表
２），在 Ａ１１层中 ＬＦＢＣ／ＢＣ（５８．７２％）# ＨＦＢＣ／ＢＣ
（２８．０３％），Ａ１２层 ＬＦＢＣ／ＢＣ（３３．３４％）" ＨＦＢＣ／ＢＣ
（４１．７４％）；而整个腐殖质层（Ａ１１＋Ａ１２）混合统计，
ＬＦＢＣ／ＢＣ（４６．３６％）
#
ＨＦＢＣ／ＢＣ（３４．７１％）（ｐ
"
０．０１），进一步表明黑碳主要分布在轻组组分中。
表２　样地土壤ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ和ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ及ＬＦＢＣ／ＢＣ和ＨＦＢＣ／ＢＣ的比例
指标 土壤层次 范围／％ 平均值／％ 标准差／％ 变异系数／％
ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ Ａ１１ ６．９９ １４．４５ ９．４７ｂ２，Ａ２ １．８０ １９．０４
Ａ１２ １０．０２ ３４．８９ ２０．１３ａ２，Ａ２ ５．９４ ２９．５２
ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ Ａ１１ ３．３６ ８．０８ ５．２７ａ１，Ｂ２ １．３９ ２６．３２
Ａ１２ ３．２１ ７．５８ ４．５６ａ１，Ｂ２ １．１８ ２５．９０
ＬＦＢＣ／ＢＣ Ａ１１ ４０．８９ ７１．００ ５８．７２ａ２，Ａ２ ７．７０ １３．１１
Ａ１２ ２０．７０ ５３．７６ ３３．３４ｂ２，Ａ１ ７．１６ ２１．４６
ＨＦＢＣ／ＢＣ Ａ１１ １４．５９ ３８．６６ ２８．０３ｂ２，Ｂ２ ９．２３ ３２．９３
Ａ１２ ２６．４２ ５６．１９ ４１．７４ａ２，Ａ１ ８．５９ ２０．５７
　　注：不同土层间各指标平均值的差异，后缀为１的小写字母不同代表ｐ＝０．０５显著水平，后缀为２的小写字母不同代表ｐ＝０．０１显著水平；
相同土层ＬＦＢＣ／ＬＦＯＣ与ＨＦＢＣ／ＨＦＯＣ的比较，或ＬＦＢＣ／ＢＣ与ＨＦＢＣ／ＢＣ的比较，后缀为１的大写字母不同代表ｐ＝０．０５显著差异，后缀为２的
大写字母不同代表ｐ＝０．０１显著差异。
２．３．２　各组分有机碳、黑碳间的相关性　轻组、重
组中黑碳含量与轻组、重组有机碳含量存在显著的
正相关关系（图３）。Ａ１１和 Ａ１２层相比较，轻组组分
中ＬＦＢＣ与 ＬＦＯＣ间的相关系数 Ａ１１层０．７２８（ｐ"
０．０１，图３ａ）
#
Ａ１２层０．６５９（ｐ"０．０１，图３ｃ）；重组
组分中 ＨＦＢＣ与 ＬＦＯＣ的相关系数与轻组相反，Ａ１１
层０．８０２（ｐ
"
０．０１，图 ２ｂ）
"
Ａ１２层 ０．８２４（ｐ"
００１，图３ｄ）。而混合统计（Ａ１１＋Ａ１２）得出，轻组组
分中ＬＦＢＣ与ＬＦＯＣ之间的相关系数为０．９５９（ｐ
"
００１，图３ｅ），重组组分中 ＨＦＯＣ与 ＨＦＢＣ的相关系
数为０．８５６（ｐ
"
０．０１，图３ｆ），可见Ａ层轻组组分中
黑碳与有机碳的相关性大于重组组分。
另外，混合统计中，轻组分中黑碳点据集群特征
明显，可以很清楚的分出 Ａ１１和 Ａ１２层为两组集群数
值（图３ｅ）；而重组分中，Ａ１１和 Ａ１２层数据值没有清
晰的分界（图３ｆ）。
图３　不同土壤组分中有机碳与黑碳之间的相关性
８３
第１期 孙金兵，等：长白山典型森林土壤黑碳含量及不同组分中的分布特征
３　讨论
总体来看，研究区 Ａ层土壤中均含有较高量的
黑碳，可能与近代火山活动导致的林火有一定关系。
ＢＣ呈现随土层加深而递减的趋势，这与Ｒｕｍｐｅｌ［２２］、
于小玲［２３］、刘兆云［２４］等研究结果一致。有研究表
明，浅层有机碳的积累可增加黑碳的积累［２３］，黑碳
同有机碳一样具有表层富集，自上而下明显降
低［２３］。Ｌｙｎｃｈ发现，加拿大森林土壤中 ０ １０ｃｍ
土层的黑碳积累量可占整个土壤的 ７０％以上［２５］。
另外，黑碳占总有机碳的比例随土层深度增加而递
增，这可能有几方面原因：其一，表层土壤有机碳的
大量积累对黑碳起到了“稀释”作用；其二，向下迁
移的黑碳和非黑碳成分在下层土壤中的稳定性不
同，在长期成土过程中，前者的平均存留率可能远高
于后者；其三，黑碳和非黑碳成分向下迁移的程度不
同，前者可能大于后者。研究表明，黑碳与高芳香土
壤腐植酸的化学组成及性质十分相似［７］，而且森林
土壤随着土层加深，其烷基碳和芳香碳的比例增
加［２６］，提示黑碳随土层深度减少的程度低于总有机
碳随土层深度减少的程。Ｈａｍｍｅｓ研究了俄罗斯草
原土壤整个剖面上黑碳的相对浓度（即ＢＣ／ＯＣ），发
现最大黑碳浓度是在表层以下出现，即３０ ５０ｃｍ
处黑碳占有机碳的最大比例约为１０％［２７］。另有文
献报道，表层黑碳占有机碳的比例为 １１．９％
１３１％，而在８７ １１４ｃｍ处则增加到３５％ ±７％，
最高增加至５０％［２８］。有数据表明，黑碳在垂直方向
上迁移速度达每年０．６３ １．１６ｃｍ［２９］；对热带氧化
土的研究发现，添加混合到０．１ｍ深的黑碳在２ａ内
有０．４５％移动到０．１５ ０．３ｍ深度之间，有０．０２％
移动到０．３ｍ深度以下，并认为土壤水分流动和土
壤动物扰动是黑碳向深层土壤迁移的动力［３０］。可
见，黑碳对土壤有机碳的贡献与土壤深度成正
比［３１］。此外，样地中 ＢＣ、ＯＣ含量及 ＢＣ／ＯＣ比例，３
个指标变幅均较大（表１），可能是因为森林火灾是
黑碳产生的诱因，而其发生具有不确定性；其次，因
黑碳本身的理化性质特殊，使其受侵蚀、搬运以及沉
积等诸多因素的影响也具有不确定性，所以各指标
在不同土层的变幅均较大。
长白山典型森林土壤中轻组、重组有机碳含量
均较高，可能是因为红松阔叶林郁闭度高，凋落物层
厚，且下木盖度和地被植物盖度大，分解后回归土壤
的有机碳也较丰富；同时，相应的水热条件易于有机
质积累，因此其各组分中有机碳含量也高。重组、轻
组有机碳及二者中提取的黑碳均具有表聚特征（Ａ１１
层
#
Ａ１２层），同样是因为 Ａ１１层土壤中的生物量比
较富集，是凋落物分解、腐殖化作用以及微生物分解
活动的主要区域，土壤有机质丰富，因而土壤各组分
碳储量均高于Ａ１２层
［３２］。
本研究中黑碳在轻组、重组中均占有一定的比
例，而且黑碳在轻组中所占比例显著高于重组。这
可能是因为黑碳在土壤主要以微观或宏观的木炭颗
粒形式存在［３３］。有研究者利用电子扫描显微法鉴
定出森林土壤轻组（
"
１．６５ｇ·ｍ－３）中存在大量木
炭［３４］。在非洲南部热带草原土壤黑碳形成过程中，
火烧后土壤中依然存在着超过９０％的木炭［３５］；在德
国黑钙土中，木炭占土壤有机碳的比例达４５％［３６］。
一般认为，木炭不能在土壤中持久存在，因为木炭较
轻很容易被风和水侵蚀，或是悬浮在土壤溶液中并
被水带走；而事实上通过对土壤剖面的分析发现，木
炭在整个土壤剖面中都有分布（即黑碳在土壤中容
易移动），木炭碎片可直接随粉粒沉积、或是通过生
物扰动、冻融包裹等作用进入土层中，极细小的木炭
碎片和黏粒一起迁移到下层土壤［４］。Ｇｌａｓｅｒ等利用
苯多环羟酸（ＢＰＣＡｓ）方法研究了亚马逊黑土中黑碳
在不同密度组分中的分配，结果发现黑碳大多存在
于轻组分中（
"
２．０ｇ·ｃｍ－３）［３７］；Ｂｒｏｄｏｗｓｋｉ等也采
用苯多环羟酸方法研究了德国土壤中的黑碳对土壤
腐殖质的贡献，结果表明 ＢＣ也主要存在于轻组分
中（
"
２．０ｇ·ｃｍ－３）［３８］，这与本研究结果相似。
此外，本文土壤轻组、重组有机碳与各组分中黑
碳存在显著正相关关系。通常认为，重组有机碳是
惰性的，属于土壤碳中的保护性碳组分［３９］；本研究
的ＨＦＢＣ是由 ＨＦＯＣ中提取获得，应该属于难氧化
的、化学性质及其稳定的惰性碳。轻组有机碳被认
为是主要由植物残体分解后形成的一种过渡性有机
碳，即通常所谓活性碳库的一部分［４０］；然而，主要存
在于轻组分中的黑碳，尤其ＬＦＢＣ与ＬＦＯＣ间的正相
关关系，将使我们重新认识轻组有机碳的稳定性。
４　结论
（１）长白山典型森林土壤中黑碳的含量、比例
均较高，在生态系统碳固存中具有重要意义。
（２）土壤表层（Ａ１１）有机碳、黑碳含量及各组分
有机碳、黑碳含量均高于亚表层（Ａ１２），均随着土层
加深而显著降低。
（３）轻组、重组有机碳中均含有一定比例的黑
碳，其在ＬＦＯＣ所占比例显著高于 ＨＦＯＣ，黑碳主要
分布在轻组分中；轻组、重组有机碳与组分中黑碳均
显著相关，轻组中相关系数大于重组。
９３
林　业　科　学　研　究 第２９卷
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（责任编辑：彭南轩）
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