秦嶺辛家山不同林分土壤活性有機碳的季節性分布特征

鄭愛泉，杜 璨，范學科，劉 慧

(楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100)

在森林生態系統中，植被和土壤兩大碳庫中儲存著大約1 240 Pg的碳。土壤中的碳主要以有機碳的形式存在，占全球陸地土壤碳庫的73%，碳含量比大氣和陸地植被碳庫的總和還多。根據有機碳的周轉時間，土壤有機碳庫一般分為活性碳庫、緩性碳庫和惰性碳庫。易氧化有機碳(EOC)、可溶性有機碳(DOC)和土壤微生物量碳(MBC)是土壤活性有機碳庫的重要表征指標。土壤活性有機碳是土壤碳庫中有效性最高的碳，可直接參與土壤生物化學過程。雖然土壤活性有機碳只占土壤有機碳總量的較小部分，但卻能在土壤有機碳變化之前反映出環境變化所引起的土壤有機碳庫的微小變化。因此，常被用作土壤潛在生產力和土壤有機碳庫變化的早期敏感性指標。

土壤活性有機碳對環境具有高度敏感性，因此會表現出明顯的季節變化，但是由于多種生態因素的共同作用以及主導因素的不同，不同地區土壤活性有機碳組分含量的季節變化模式也有所不同。如湖南會同縣不同森林植被下土壤水溶性有機碳春、夏季高于秋、冬季節，土壤微生物量碳含量最高值在秋季，冬季和夏季最低。而在貴州貴陽，土壤微生物量碳最高值在冬季，夏季最低。秦嶺橫貫我國中部，以南屬亞熱帶氣候，以北屬暖溫帶氣候，對我國氣候有顯著影響，在中國陸地生態系統碳循環中起著非常重要的作用。近年對秦嶺地區土壤活性有機碳的研究多集中在不同林分類型土壤活性有機碳的分布特征及土壤活性有機碳在土壤剖面的垂直分布特征[10]方面，對不同植被類型下土壤活性有機碳的季節分布特征研究較少。因此，以秦嶺辛家山云杉林、紅樺林和灌木林為研究對象，研究不同林分類型土壤易氧化有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳含量及其季節分布，以期為森林土壤碳庫動態和調控機理研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省寶雞市西南部的秦嶺辛家山通天河國家森林公園(34°10′～34°20′N，106°28′～106°38′E)[11]。辛家山林區位于秦嶺西部南坡，秦嶺主梁南側嘉陵江上游，境內屬暖溫帶半濕潤山地氣候區，由于山地高差懸殊，氣候垂直變化明顯，小氣候差異大，年平均氣溫 7.6℃，年平均降雨量900 mm，多集中于 7月、8月和9月[12]。地勢西北高、東南低，海拔2 738.7 ～1 580 m。該區域森林覆蓋率 96.8%。

1.2 樣地選擇

研究地選取云杉(PiceaasperataMast.)、紅樺(Betulaalbosinensis)和灌木林3種林分進行土壤樣品的采集。根據美國土壤分類的第2版分類法，3種林分土壤均被分為始成土(Inceptisol)類。不同林分類型樣地概況見表1，樣地不同林分類型土壤基本性質見表2。

1.3 土壤樣品的采集與處理

在云杉、紅樺和灌木林中，各選取3個20 m×20 m的采樣樣方，并記錄經緯度、海拔和坡度。在每個樣方中，隨機選取25個采樣點，用4 cm的土鉆采取土壤樣品。各個樣方內除去地表凋落物后采用土鉆分別于2015年7月、2015年10月、2016年1月、2016年4月按機械分層進行土壤樣品的采集，采樣深度為60 cm，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm將土壤剖面分4層。各林分采樣點互相接近，具有相似的坡度和高程，以保證采樣點溫度和土壤類型相同。

采集的鮮土樣除去石子和根系殘體，將同一樣方內各采樣點的土樣按各土層混合均勻。每個土樣帶回實驗室后分成2份，1份土壤樣品過2 mm 鋼篩后貯藏于4℃ 的冰箱內，用于測定土壤可溶性有機碳和土壤微生物量碳。另一份土樣置于通風、陰涼、干燥的室內風干，用于測定土壤有機碳含量、pH和易氧化有機碳。

表1 不同林分類型樣地概況Table 1 General situation of sample plots from different forest stands

表2 不同林分類型土壤基本性質Table 2 Soil properties of different forest stands

1.4 土壤測定指標

土壤pH采用電位法測定( 水∶土=2.5∶1)[13]，土壤水分含量(SWC)采用烘箱烘干法[(105±2)℃]測定，土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定。

土壤易氧化有機碳(EOC)采用 333 mmol/L K2MnO4氧化-分光光度法測定[14]：稱取過0.25 mm篩的含15 mg碳的自然風干土壤樣品，加333 mmol/L K2MnO4溶液25 mL，25 r/min震蕩1 h，4 000 r/min離心5 min，取上清液用去離子水按1∶500稀釋，在565 nm的分光光度計上比色。根據標準曲線計算易氧化有機碳的含量。土壤可溶性有機碳(DOC)采用冷水浸提法測定：以過2 mm篩的新鮮土壤與蒸餾水按照1∶5的比例混合，在室溫下震蕩30 min、4 000 r/min離心10 min、用 0.45 um濾膜抽濾后，在TOC-VCPH(島津，日本)碳分析儀上測定。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[15]：稱取 20.0 g鮮土均勻平攤在玻璃培養皿上并放入干燥器中，干燥器底部放置一瓶裝有 50 mL無水氯仿的小燒杯并加入少量防爆沸的物質，密閉熏蒸培養 24 h后，按1∶4比例加入提取劑 0.25 mol/L K2SO4溶液 80 mL浸提，過濾后的浸提液采用島津TOC碳分析儀測定，MBC=EC/0.45(式中EC為熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol/L K2SO4提取的總碳之差)。研究期間每個采樣點不同土層的溫度使用地溫記測定，3次重復。

1.5 數據統計分析

采用 Microsoft Excel 2013和 SPSS 20.0進行數據處理，應用多因素方差分析法分析季節變化、林分類型和土層對土壤活性有機碳的影響，應用LSD分析各處理間差異的顯著性。各個測定指標之間采用Pearson相關系數法進行相關性分析。使用Origin繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 不同林分土壤易氧化有機碳含量的季節變化

由圖1可知，3種林分土壤的易氧化碳含量(EOC)以紅樺林較高，各林地不同土層間隨著土層深度的加深而顯著減少(P<0.05)，各林地0～10 cm和10～20 cm土層土壤EOC含量的季節性變化幅度大于20～40 cm和40～60 cm。不同土層中，云杉林0～10 cm土層4個季節的EOC含量均值較10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分別顯著提高79%、299%和996%，紅樺林分別顯著提高44%、148%和313%，灌木林分別顯著提高11%、137%和218%。在同一土層中，EOC含量在秋季和冬季間存在顯著差異(P<0.05)，春季、夏季和秋季3種林分0～60 cm土層土壤EOC含量的平均值變幅分別為4.36～7.43 mg/kg、5.07～8.73 mg/kg和3.04～6.29 mg/kg。各林分土壤EOC的季節性變化均表現為秋季、夏季高于冬季、春季。云杉林土壤EOC的含量冬季較夏季、秋季和春季分別顯著減少15%、41%和7%，紅樺林分別減少54%、60%和42%，灌木林分別減少32%、52%和15%。

注：不同大寫字母表示相同森林類型相同土層不同季節間易氧化有機碳含量達差異水平(P<0.05)，不同小寫字母表示相同森林類型相同季節不同土壤層間易氧化有機碳含量達差異水平(P<0.05)，下同。
Note: Different capital letters indicate significance of difference in EOC content of soil with the same soil layer and forest stand during different season atP<0.05 level. Different lowercase letters indicate significance of difference in EOC content of soil with the same season and forest stand during different soil layer atP<0.05 level. The same below.
圖1不同季節不同林分土壤的易氧化有機碳含量
Fig.1 EOC content in soil from different forest stands during different seasons

2.2 不同林分土壤可溶性有機碳含量的季節變化

由圖2可知，3種林分土壤的可溶性有機碳含量(DOC)以紅樺林最高，不同林分土壤DOC含量各土層間差異顯著，且均隨著土層深度的加深而顯著減少(P<0.05)。云杉林0～10 cm土層4個季節的DOC含量均較10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分別顯著提高31%、88%和156%，紅樺林分別顯著提高22%、89%和175%。灌木林分別顯著提高53%、190%和582%。

在同一土層中，DOC含量在秋季和冬季之間存在顯著性差異(P<0.05)。春、夏、秋、冬4個季節云杉林、紅樺林和灌木林在 0～60 cm土層內土壤 DOC含量的平均值變幅分別為153.11～248.59 mg/kg、182.27～290.27 mg/kg和145.79～173.34 mg/kg，各林分土壤DOC含量的季節性變化均表現為春季最低。其中，云杉林土壤DOC含量春季較夏季、秋季和冬季分別顯著減少38%、30%和17%，紅樺林分別顯著減少37%、28%和28%，灌木林分別顯著減少16%、16%和15%。

2.3 不同林分土壤微生物量碳的季節變化

由圖3可知，與云杉林和灌木林相比，紅樺林具有較高的土壤有機碳含量(MBC)。3種林分類型土壤MBC含量在土層間差異顯著，均隨著土層深度的加深而顯著減少(P<0.05)。云杉林土壤4個季節的MBC含量0～10cm土層均值較10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分別顯著提高53%、190%和582%，紅樺林分別顯著提高63%、173%和494%，灌木林分別顯著提高54%、163%和543%。

在同一土層中，MBC含量在秋季和冬季之間存在顯著性差異(P<0.05)。春、夏、秋、冬4個季節云杉林、紅樺林和灌木林在0～60 cm土層內土壤 MBC含量的平均值變幅分別為134.79～294.95 mg/kg、161.5～333.97 mg/kg和135.86～258.24 mg/kg。各個林分土壤MBC的季節性變化均表現為夏季>秋季>春季>冬季，其中，云杉林土壤冬季MBC含量較夏季、秋季和春季分別顯著減少54%、46%和35%，紅樺林分別減少52%、44%和32%，灌木林分別減少47%、39%和28%。

2.4 土壤理化指標與土壤有機碳的相關性

從表3看出，云杉林土壤中，EOC含量與SOC含量、SWC含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與pH呈顯著負相關(P<0.05)，與ST無顯著關系(P>0.05)；DOC與SOC、SWC含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與土壤溫度(ST)呈顯著正相關(P<0.05)；MBC與SOC、ST、SWC呈極顯著正相關(P<0.01)。紅樺林中，EOC含量與SOC含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與pH呈極顯著負相關(P<0.01)，與SWC和ST呈顯著正相關(P<0.05)；DOC與SOC呈極顯著正相關(P<0.01)，與SWC呈顯著正相關(P<0.05)，與pH呈顯著負相關(P<0.05)，與ST無顯著相關性(P>0.05)；MBC與SOC和ST呈極顯著正相關(P<0.01)，與pH呈顯著負相關(P<0.05)，與SWC無顯著關系(P>0.05)。灌木林中EOC與SOC和SWC含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與ST和pH無顯著關系(P>0.05)；DOC與SOC和SWC呈極顯著正相關(P<0.01)，與pH呈極顯著負相關(P<0.01)，與ST無顯著關系(P>0.05)；MBC與SOC、SWC呈極顯著正相關(P<0.01)，與ST呈顯著正相關(P<0.05)，與pH無顯著關系(P>0.05)。

圖2不同季節不同林分類型土壤的可溶性有機碳含量
Fig.2 DOC content in soil of different forest stands during different season

表3 不同林地土壤活性有機碳含量與土壤性質間的相關性Table 3 Correlations between soil properties and soil active organic carbon content in different forest stands

注： *為相關性顯著(P<0.05)，**為相關性極顯著(P<0.001)。
Note: * and ** indicate significance of difference atP< 0.05 andP< 0.01 level respectively.

3 結論與討論

3.1 結論

研究結果表明：林分類型對土壤有機碳和活性有機碳有顯著影響，紅樺林土壤的EOC含量、DOC含量和MBC含量顯著高于云杉林和灌木林，且3種林分土壤EOC含量、DOC含量和MBC含量均隨土層的加深而減少。季節對土壤有機碳和活性有機碳有顯著影響，3種林分EOC含量均在秋季最高，春季最低；DOC含量在秋季最高，春季最低；MBC含量在夏季最高，冬季最低。3種林分中SOC含量與EOC含量、DOC含量和MBC含量均呈顯著正相關，云杉林的DOC含量和MBC含量、紅樺林的EOC含量和MBC含量、灌木林的MBC含量與ST含量間呈顯著正相關；除紅樺林MBC含量與SWC含量不相關外，3種林分的EOC含量、DOC含量和MBC含量與SWC含量均呈顯著正相關；云杉林的EOC含量、紅樺林的EOC含量和MBC含量、灌木林的DOC含量與pH間呈顯著負相關。

3.2 討論

3．2．1 不同植被類型土壤活性有機碳的分布特征 森林土壤有機碳主要來源于植被地上的凋落物及其地下根系分泌物和死亡根系。因此植被類型影響了森林土壤有機碳的質量、數量和周轉。土壤活性有機碳各組分來源于SOC，土壤活性有機碳含量的高低在很大程度上取決于土壤有機碳的含量[16-18]。本研究中土壤有機碳與土壤活性有機碳顯著相關也證明了這一觀點。與紅樺林(落葉闊葉林)相比，云杉林(常綠針葉林)土壤活性有機碳含量降低，這與大部分研究結果一致[19-20]。與常綠針葉林相比，闊葉林年凋落物量較高，細根生物量較高，死亡細根和凋落物的浸出物較高，有機質輸入量較高。可礦化的有機質含量較高，增加了微生物的生物量和活性，為活性有機碳提供了更多的來源[21]。土壤中的MBC主要來源于土壤中活的微生物和土壤微生物體內所含的碳，在森林土壤中，凋落物數量組成、土壤理化性質的差異是導致不同林型土壤微生物量差異的主要因素[22]，闊葉林種較多的凋落物為土壤微生物提供了大量的碳源物質，有利于微生物的生長和繁殖[23]。由此可見，不同林分凋落物和細根的分解不同，可能是影響土壤活性有機碳的主要因素[24-25]。說明不同森林類型外源碳庫輸入的差異，是導致不同森林類型土壤活性有機碳含量差異的主要原因。

3.2．2 土壤活性有機碳在土壤剖面的分布特征 3種林分類型土壤有機碳及活性有機碳均隨土層深度的加深而減少，這與以往的研究結果[7,26]一致。土壤中EOC含量和DOC含量隨土層深度的增加而減少，一方面，植物根系的分布直接影響土壤有機碳含量的垂直分布，表層(0～10 cm)是植物根系分布的集中區域，根系分布密集、根系分泌物及根系自身的新陳代謝為表層土壤提供了豐富的碳源[27]，因此各林分表層土壤有機碳含量高于下部土層，這與王棣等[10]對秦嶺典型林分的研究結果一致。另一方面，地表具有較多的枯枝落葉和腐殖質，使得土壤表層的有機碳含量和活性有機碳含量顯著高于下部土層。而土壤MBC含量不僅與凋落物和根系分布有關，土壤水熱條件也是影響土壤MBC剖面分布的重要因素。森林土壤表層具有較好的水熱條件和通氣狀況，但是隨著土層深度的加深，土壤通透性變差，不利于土壤微生物的活動和繁殖，從而導致深層土壤微生物碳含量降低。

3.2.3 土壤活性有機碳的季節分布特征 3種林分土壤活性有機碳含量受季節變化的影響。一方面，凋落物數量的季節性變化會影響土壤有機碳含量的變化；另一方面，土壤有機碳含量還受季節性土壤溫度和濕度變化的影響。有研究表明，土壤溫、濕度的季節變化是影響土壤活性有機碳季節波動的主要因子[28]。秋季土壤有機碳含量最高，因為在秦嶺地區9月地表枯落物輸入增多促進有機碳向土壤輸入；1-4月由于溫度低，微生物活性低，有利于有機碳的積累。

EOC、DOC和MBC是有機碳中不穩定的部分，可以作為土壤質量的早期指標，因其控制土壤有機質和養分的有效性并且對環境變化高度敏感[29]。由于土壤活性有機碳來源不同，其對各種因素變化的敏感性不同[30]，所以同一地區不同土壤活性有機碳的季節變化趨勢也不完全一致。EOC是土壤中易被氧化分解、活性組分較高的有機碳[31]，主要來源于凋落物分解及根系分泌物[32]。土壤中EOC含量在秋季最高，冬季最低。研究區7月植被生長旺盛，需要從土壤中獲取更多養分，因此加速了土壤SOC的礦化[33]，使EOC含量有所降低；9月開始進入凋落物大量增加的時期，促進了土壤有機碳的輸入，使土壤EOC含量升高[34]。3種森林土壤DOC含量在夏季最高,春季最低，土壤DOC含量不同于土壤MBC含量和EOC含量,其還受到降水淋失影響，淋失是土壤DOC含量損失的重要途徑，秦嶺地區7-9月降雨集中，4月積雪融化會引發較強的淋失作用，從而導致DOC含量降低，4-7月降雨量少有利于DOC含量的積累。土壤MBC含量不僅與SOC總量相關,同時還與土壤微生物相關[35]。MBC含量在夏季最高，冬季最低，這一結果與JIANG等[36]在雷竹林土壤的研究MBC含量在冬季達到最大值不同，這可能與土壤溫度和濕度的季節性變化有關，因為7-9月溫度高、降水多、植物和微生物進入了生長旺季，植物光合作用和代謝速率快，根系分泌物多[37]，土壤微生物的活動較頻繁[38]。但是從1月開始，隨著氣溫的降低，不利于土壤微生物的活動和繁殖，導致土壤中微生物量碳含量降低[28]，5月開始土壤溫度升高，土壤微生物開始繁殖，使得土壤中微生物生物量呈上升趨勢。綜上所述，土壤活性有機碳的季節變化不僅與研究區的地上植被的生長節律密切相關，同時也和氣候變化規律相關。