李涵诗毛艳玲†邹双全

（1 福建农林大学资源与环境学院，福州 350002）

（2 福建省土壤环境健康与调控重点实验室，福州 350002）

（3 福建农林大学林学院，福州 350002）

δ13C标记林木残体碳在土壤团聚体中的分布*

李涵诗1，2毛艳玲1，2†邹双全3

（1 福建农林大学资源与环境学院，福州 350002）

（2 福建省土壤环境健康与调控重点实验室，福州 350002）

（3 福建农林大学林学院，福州 350002）

应用脉冲标记法标记富集13C的杉木幼苗残体；采集在桔园、杉木人工林、米槠次生林和细柄阿丁枫天然林等不同土地利用方式的土壤表层样品，通过室内短期培养实验（20 ℃，培养90 d）研究残体在＞250 µm、53～250 µm和＜53 µm等三个水稳性团聚体粒级组中的分配。结果表明：在添加13C标记杉木残体下，不同粒级团聚体的δ13C值均显著升高，但以桔园土壤幅度最大；不同土地利用的土壤中，δ13C丰度值在＜53 µm团聚体中最小，53～250 µm团聚体中最高。随着外源碳输入量的增加，进入土壤的新碳含量也随之升高；C/N较大的外源有机残体在短期内更有利于新碳的积累。外源新碳在土壤团聚体中的分配比例由小到大顺序依次为＞250 µm、53～250 µm、＜53 µm，这表明短期培养有利于微团聚体新碳的积累。

δ13C；外源碳；土壤团聚体；土地利用方式

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，全球1 m深土层的有机碳贮量约是陆地植被碳贮量的3倍，是大气碳贮量的2倍，在全球碳循环中扮演着重要角色［1］。土壤净碳量取决于碳输入和输出间的平衡，外源有机植物残体是土壤有机碳的主要来源，是影响土壤有机碳含量的关键因素［2］。外源碳添加能抑制或促进土壤有机碳的矿化［3］。Helal和Sauerbeck［4］发现添加玉米根系显著促进土壤有机碳的分解；尹云锋和蔡祖聪［5］研究结果表明施入玉米秸秆可促进土壤原有机碳分解，且随施用量的增多，分解速度加快。但是劳秀荣等［6］也研究报道秸秆还田会使土壤有机碳含量增加约30%。因此，明确外源碳在土壤中的周转规律，对阐明土壤对大气CO2的“源/汇”效应具有重要意义。

δ13C方法是研究土壤有机碳分配、转化及迁移的一种新方法，不仅可以示踪土壤原有机碳的转化，还能监测外源碳在土壤不同组分中的动态变化［5，7］。但目前该方法的研究多集中在外源碳对土壤有机碳数量、分解速率的影响等方面［5，8-9］，而土壤不同粒级团聚体间的物理结构存在差异，会影响外源碳在土壤不同组分中的周转和稳定［10］。此外，在研究材料选择上，国内外的学者大多以水稻、玉米、小麦等农田作物作为外源植物材料进行同位素标记［5，8，11］，而木本植物作为外源标记植物的报道甚少。在林地土壤中，添加农田作物凋落物研究土壤有机质分解规律，难以表征林地土壤有机质分解的实际过程。因此，为使外源残体符合森林立地条件，本文选取杉木作为外源植物残体，对杉木幼苗进行富集13C标记，研究其在不同立地土壤中的分解和转化，探讨外源碳在土壤团聚体中的分配规律，为亚热带森林土壤有机碳稳定机制提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

富集13C杉木幼苗标记及残体制备：采用脉冲标记法对盆栽杉木幼苗进行13C同位素富集标记。在杉木生长旺盛期7月至12月，每月标记1次，每次在上午8∶00至12∶00间进行。具体方法是：在长×高×宽为1.6 m×1.1 m×1.2 m的特制密闭有机玻璃生长箱中放置10盆杉木幼苗，通入由Ba13CO3（99 atom%13C）与40%乳酸进行反应产生的13CO2气体，通过光合作用使标记碳进入杉木体内碳水化合物［12］。6个月后将收获的杉木根与茎叶分开，采用四分法取样后烘干粉碎过5 mm筛，制成富集13C茎叶残体和根残体。茎叶残体的有机碳含量为417.3 g kg-1，全氮含量为5.88 g kg-1，C / N比为70.97，δ13C值为104.40 ‰；根残体的有机碳含量为411.9 g kg-1，全氮含量为3.47 g kg-1，C / N比为118.83，δ13C值为91.27 ‰。

供试土壤：土壤样品采自福建省建瓯市万木林自然保护区（118° 08′ 22″ E～118° 09′ 23″ E， 27° 02′ 28″～27° 03′ 32″ N）。以桔园（Citrus aurantiumL.）、杉木［Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.］人工林、米槠［Castanopsis carlesii（Hemsl.）Hay.］次生林和细柄阿丁枫［Altingia gracilipesHemsl.］天然林等4种土地利用方式下的土壤为研究对象。其中桔园是1980年砍伐杂木林后种植的，平均树高4 m，胸径17.7 cm，定期施化肥并辅施有机肥，适时喷洒农药，干旱季节适当灌溉；杉木人工林是在1969年砍伐后造林形成的，平均树高18 m，平均胸径18.3 cm；米槠林平均树高23 m，平均胸径29.4 cm；天然林是历时600多年自然演替形成的，建群种主要为细柄阿丁枫，细柄阿丁枫平均树高28 m，平均胸径45.2 cm。不同利用方式下的土壤本底条件一致，土壤类型为山地红壤，气候属亚热带季风型气候区，海拔234～556 m，年均气温19.4 ℃，年均降水量1 670 mm，年均相对湿度81%。表土采集时间为2011年1月，采样深度为0～20 cm，按“S”形随机设定5个取样点，多点混合后带回实验室除去植物残体，自然风干，采用玛瑙研钵研磨过2 mm筛备用。土壤理化性质如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil studied

1.2 培养实验

实验设4个处理，分别为0%（不加杉木残体，CK）、0.2%和1.2%标记茎叶残体（简称叶残体）及1.2%标记根残体；每个处理重复3次。分别称取0、0.2和1.2 g标记茎叶残体和1.2 g标记根残体，与相当于100 g烘干土重的风干土样充分混匀，置于500 ml塑料杯中，加水使土壤含水量至土壤持水量（Water holding capacity，WHC）的60%，用透气的塑料薄膜封口，置于20 ℃的培养箱中培养，每隔48 h称重并补加水分，90 d后取出土壤，自然风干备用。

1.3 土壤团聚体的分离

土壤团聚体分离采用湿筛法，参照Elliott［12］的方法略作修改。称取50 g风干土样，于水中浸泡5 min，利用筛分仪（EML 200 digital plus T，德国）震荡5 min，依次分出＞250 µm、53～250 µm和 ＜ 53 µm三个不同粒级的土壤团聚体，置于烘箱中（50 ℃），24 h后烘干称重。

1.4 样品分析及方法

杉木残体全碳与全氮含量采用元素分析仪（Elementar Vario ELⅢ，Elementar，德国）测定；土壤和杉木残体的δ13C值用同位素比质谱分析仪（MAT 253，Thermo Fisher，德国）测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸法；土壤全氮含量采用半微量开氏法；土壤pH采用电位法（水土比2.5∶1）；土壤容重采用环刀法；土壤颗粒组成分析采用吸管法［13］测定。

1.5 计算及数据处理

培养结束时全土或团聚体有机碳来源于杉木残体的比例，按如下方程计算［7-8］：

式中，δCSL为培养结束时添加标记杉木残体的土壤δ13C值；δCCK为不加杉木残体的土壤δ13C值；δCL为杉木残体的δ13C值。

培养后土壤样品中来自杉木残体有机碳数量CN由下式估计：

式中，C为土壤样品的有机碳含量。

数据处理采用 Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理；运用 SPSS 18.0 统计分析软件进行单因素方差分析和独立样本 T 检验，用最小显著差数法（Least significant difference，LSD）作多重比较，显著性水平为p＜0.05。

2 结果与讨论

2.1 外源碳培养后土壤团聚体分布特征

图1 外源碳培养后桔园（a）、杉木人工林（b）、米楮次生林（c）和细柄阿丁枫天然林（d）土壤不同粒级团聚体质量百分数Fig. 1 Mass percentages of different fractions of soil aggregates in the topsoil layers of the citrus orchard（a），the fir plantation（b），the secondary forest（c）and the natural forest（d）

由图1可知，加入不同数量与质量外源碳培养90 d后，不同土地利用方式下土壤水稳性团聚体分布特征发生变化，＜53 µm团聚体含量最高，含量为59.5%～69.3%，较对照平均增加了6.3%～20.1%；＞250 µm大团聚体显著下降，平均下降了7.9%～18.5%。不同利用方式的土壤＜250 µm的微团聚体占团聚体总量的80%以上，是大团聚体数量的4.2倍～6.3倍。在同种土地利用方式下，残体数量增加有助于提高大团聚体的数量（杉木除外）。＜53 µm团聚体含较多腐殖化有机物，受到土壤黏粒和粉粒的保护，结构稳定，在土壤中的比例较高。研究结果与谭文峰等［14］在江汉平原不同土地利用土壤团聚体的结果相似，其研究发现在不同土地利用方式下土壤＜50 µm团聚体占团聚体总量比例高达80.8%～94.1%，是其他粒径团聚体的4.2倍～16.0倍。但李辉信等［15］采用干筛法筛分团聚体，在水稻土中发现团聚体以＞3 mm粒径团聚体为主，＜50 µm团聚体含量最少，且达显著性差异。这与土壤团聚体分组方法、培养时间、土壤母质及土地利用方式等有关。

2.2 外源碳培养后土壤δ13C值的变化

δ13C值反映的是土壤中不同来源有机碳的变化。δ13C标记方法最早用于长期培养条件下土壤有机质周转的研究，但很多研究表明该方法也可用于短期培养条件下土壤有机质动态过程的分析［5，7］。由图2可知，输入外源残体培养90 d结束后，不同土地利用方式下的土壤δ13C值均呈显著提高趋势，其中桔园土壤幅度最大，是原土的75倍，这与在暗棕壤中加入13C较高的玉米秸秆明显增加土壤δ13C的研究结果相类似［7］。在培养期间，加入标记富集13C外源植物残体，随培养时间的增加，δ13C值也随之下降，但在短期培养结束（90 d）时，土壤有机质δ13C值仍然较高。同时由于桔园土壤初始有机碳含量最低，外源碳进入桔园土壤的空间较大，土壤δ13C值增加的幅度最大。

图2 外源碳培养后桔园（a）、杉木人工林（b）、米楮次生林（c）和细柄阿丁枫天然林（d）土壤不同粒级团聚体δ13C值的变化Fig. 2 Change in δ13C in soil aggregates of different fractions in the topsoil layers of the citrus orchard（a），the fir plantation（b），the secondary forest（c）and the natural forest（d）amended with extraneous carbon and incubated

从图2中还可以看出，不同土地利用方式下土壤δ13C值会随输入碳数量的增加而增大，但输入等量根残体和叶残体时，δ13C值总是呈现出根残体培养高于叶残体培养的趋势。在不同粒径团聚体中，尽管碳输入数量和质量不同，不同土地利用方式下的4种土壤的δ13C值，总是＜53 µm团聚体中最小，而53～250 µm团聚体中最大（除米槠次生林土壤外），这与慈恩等［16］在长期耕作水稻土中发现的土壤δ13C最小值在＞250 µm团聚体不同，造成这种差异的原因主要可能与本试验的培养周期较短有关。很多研究认为，有机物在降解过程中，不同土壤粒级间的迁移次序为：粗砂→细砂→粗粉→黏土→细粉［17］，同时外源残体C/N不同也会影响有机物的周转，C/N较小的残体分解速率较高，而本研究中杉木残体C/N远高于其他研究中所添加的秸秆C/N［18］，因此在本研究短期培养条件下，外源杉木残体尚未降解充分进入更小粒级土壤组分中，而更多残留在较大粒级中。

2.3 外源碳培养后土壤及团聚体中新碳的残留

表2是根据式（2）估计的培养后来自标记残体碳的数量。输入外源叶残体0.2%和1.2%培养90 d后，新碳在桔园土壤中的含量分别为0.50 g kg-1和5.34 g kg-1，而在杉木人工林土壤中分别为0.74 g kg-1和4.72 g kg-1；新碳在米槠次生林土壤中的含量（0.80 g kg-1和4.04 g kg-1）与在细柄阿丁枫天然林土壤中的含量（0.92 g kg-1和4.17 g kg-1）相当。方差分析结果表明，随着添加量的增加，新碳含量显著提高。这与其他研究结果相似，王志明等［19］在田间试验时发现随秸秆还田量的增加，土壤原有机碳分解速率增加，即新碳残留量增加；Jenkinson［20］在14C标记的土壤中输入新有机碳，发现源于土壤的14C量随新碳输入量的增加而降低。但并非外源碳的添加量越高越好，达到饱和点时土壤有机碳不增加甚至会出现下降。如路文涛等［21］通过添加不同秸秆归还量的田间试验发现，培养3年结束后土壤有机碳（SOC）含量呈现出中量秸秆 ＞ 低量秸秆 ＞ 高量秸秆 ＞ CK的趋势。因此，有关土壤有机碳与外源碳添加量之间的关系有待进一步探讨。

表2结果还表明，不同土地利用方式下输入等量不同残体培养90 d结束后，来源于根残体的新碳含量显著高于叶残体（p＜0.05），除细柄阿丁枫和米槠中的＜53 µm团聚体无显著性差异外。李玉进和王百群［22］研究发现施用相同量的柳枝稷茎和叶时，由于叶分解率较茎的高，因此柳枝稷茎在土壤中的周转期更长，更易于促进土壤有机碳的积累。Sariyildiz和Anderson［23］发现外源碳的C/N越大，耐分解化合物含量越高，其分解率低，残留量高。本研究中的根残体C/N较大，分解较慢，而叶残体的主要成分为多糖、纤维素、木质素等，较易分解。因此根残体在土壤中的残留量较叶高，更有利于土壤有机碳的固定。这是由于外源碳作为土壤物质和能量的主要来源，不同的外源物料对土壤有机质的激发效应是不同的。不同的植物残体通过影响土壤生物活性、数量和组成等，从而影响土壤有机碳的周转进程［24］。添加高量外源残体培养结束后，进入桔园土壤中的新碳含量最高，与其他土地利用方式达显著性差异（p＜0.05），且呈现出：桔园 ＞ 杉木人工林 ＞ 细柄阿丁枫天然林 ＞ 米槠次生林的规律，其主要原因是土壤有机碳含量主要取决于土壤初始有机碳与外源碳分解之间的平衡［4］，而桔园土壤初始有机碳含量最低，新碳可进入的空间则较大。

2.4 外源碳培养后残留碳的土壤团聚体分配

在培养90 d后，不同土地利用方式下外源新碳主要集中在土壤粒级＜53 µm的微团聚体中，含量高达50.5%～70.5%。细柄阿丁枫天然林与米槠次生林土壤残留碳在土壤粒级中的分布特征相同，比例从小到大为：＞250µm、53～250 µm、＜53 µm，且差异达显著水平（p＜0.05）。杉木人工林和桔园土壤均表现出在加入根残体时，新碳分配比例是随着粒径的增加而减小，与天然林、次生林相同；但加入叶残体，新碳在团聚体中残留比例最小的53～250 µm粒级，含量为14.7%～18.5%，但杉木人工林土壤在＞250µm 与53～250 µm粒级之间并没有显著差异（p＜0.05）。虽然短期培养后，大团聚体有机碳浓度较微团聚体高，但由于微团聚体质量比例占优势，因而土壤团聚体粒级越细，其新碳分配比例越高，这也与其他很多研究者的结果接近。薛丽佳［25］研究发现，培养360 d结束后土壤中外源新碳含量与土壤黏粒呈显著正相关；黄耀等［26］研究表明土壤黏粒含量增加10%，小麦秸秆的分解量会大约减少7.4 mg。主要是因为土壤黏粒可以保持碳稳定，由于在＜53 µm团聚体中含较多的黏粒，物理保护作用强，微生物活性弱，有机残体分解受到限制，故有更多的新碳残留在该组团聚体中。而一些学者发现与本研究并不一致。如吕元春等［8］在红壤、黄红壤和草甸土三种类型土壤中添加1%秸秆于20 ℃下培养360 d结束后，新碳在＞250 µm大团聚体中残留率高达56.8%～59.6%。Helfrich等［27］添加0.5%玉米叶和根在15 ℃下培养84 d后，新碳在团聚体中分配比例从小到大的顺序

均为：53～250 µm、＜53 µm、＞250 µm。这说明外源新碳在土壤团聚体中的分配动态并不一致，主要原因可能是土壤理化性质、培养条件（时间、温度和水分等）、外源碳数量和质量等方面的差异，其中培养时间不同可能是更重要的原因。

表2 培养后土壤不同粒级团聚体中来自标记残体的碳含量Table 2 Content of the carbon derived from labeled residue in soil aggregates different in fraction after incubation（g kg-1）

图3 外源碳培养后残留碳在桔园土壤（a）、杉木土壤（b）、米楮土壤（c）和细柄阿丁枫土壤（d）不同粒级团聚体的分配比例Fig. 3 Proportion of fresh carbon in soil aggregates different in fraction after incubation of the soil samples amended with13C labeled wood residue relative to land use

土地利用方式影响了外源新碳在土壤团聚体中的分配。在＞250 µm团聚体中，桔园土壤新碳比例平均为20.9%，杉木人工林土壤平均为14.8%，米槠次生林土壤平均为15.8%，细柄阿丁枫天然林土壤平均为18.0%；新碳在53～250 µm团聚体中的平均分配比例，桔园、杉木人工林、米槠次生林和细柄阿丁枫天然林土壤分别为18.5%、14.7%、26.6%、31.4%；在＜53 µm团聚体中的平均分配比例，分别为60.1%、70.5%、57.7%、50.4%。除53～250 µm团聚体外，新碳进入团聚体的比例均表现为园地、人工林、次生林高于天然林。这可能是由于天然林转换为其他土地利用方式后，林地覆盖率减少，土壤有机质含量下降［28］，因此外源新碳可进入的空间增大。

3 结 论

通过添加13C标记杉木残体培养90 d结束后，不同土地利用方式下的土壤团聚体δ13C值显著增加；不同粒级团聚体中的δ13C值最小的是＜53 µm团聚体，最大为53～250 µm团聚体。进入土壤团聚体的新碳含量随外源输入碳的增加而增加；输入等量不同外源残体时，来源于根残体的新碳含量显著高于叶残体。此外，新碳在＞250 µm团聚体中残留的比例平均为14.8%～20.9%，残留在微团聚体（＜250 µm）中的比例平均在80%以上，这表明90 d短期培养时间内微团聚体对于新碳的积累贡献更大。

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Distribution of δ13C-labeled Wood Residue Carbon in Soil Aggregates

LI Hanshi1，2MAO Yanling1，2†ZOU Shuangquan3
（1 College of Resources and Environment，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）
（2 Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation（Fujian Agriculture and Forestry University），Fuzhou 350002，China）
（3 College of Forestry，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）

The pulse labeling technique was used to label13C-enriched wood residue of Cunninghamia lanceolata sapling，which was then mixed，separately，with soil samples collected from the topsoil layers of a citrus orchard（Citrus aurantium），a fir plantation（Cunninghamia lanceolata），a secondary forest of Castanopsis carlesii，and a natural forest of Altingia gracilipes）. To trace dynamics of fresh carbon in soil aggregates，the mistures were incubated at 20 ℃ for 90 d and then analyzed for distribution of13C-labeled wood residue carbon in the three fractions of soil aggregates，i.e. ＞250 µm，53～250 µm and ＜53 µm. Results show that in the soil samples amended with13C-labeled wood residue，δ13C value increased in all the fractions of soil aggregates，especially in the soil samples of the orchard. In all the soil samples，regardless of land use，δ13C value was the lowest in the ＜53 µm fraction of soil aggregates，and the highest in the 53～250 µm fraction. Once extraneous carbon was amended into the soil samples，the content of fresh carbon therein increased instantly. And the content of fresh carbon and δ13C value was higher in the root than in the leaf，as the ratio of C/N is higher in the former. In terms of content of fresh carbon，the three fractions of soil aggregates displayed an order of ＜53 µm ＞ 53～250 µm ＞ ＞250 µm，which indicates that a short term of incubation facilitates accumulation of fresh carbon in micro soil aggregates.

δ13C；Exogenous carbon；Soil aggregates；Land use types

S153

A

（责任编辑：陈德明）

10.11766/trxb201610150572

* 国家自然科学基金项目（30972346）、国家科技支撑计划（2014BAD15B01）和福建省自然科学基金项目（2011J01087）资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 30972346），National Key Technology R&D Program of China（No. 2014BAD15B01），Natural Science Foundation of Fujian Province，China（No. 2011J01087）

† 通讯作者 Corresponding author，E-mail：fafum@126.com

李涵诗（1990—），女，福建连江人，硕士研究生，从事土壤碳循环研究。E-mail:lhs0922@126.com

2016-10-15；收到修改稿：2017-04-09；优先数字出版日期（www.cnki.net）：2017-04-18