间伐对松栎混交林土壤活性有机碳的影响

窦艳星，侯 琳，马红红，张硕新，田瑞选

（1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100；2.陕西省龙草坪林业局，陕西 杨凌712100）

间伐对松栎混交林土壤活性有机碳的影响

窦艳星1，侯 琳1，马红红1，张硕新1，田瑞选2

（1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100；2.陕西省龙草坪林业局，陕西 杨凌712100）

为探讨抚育间伐对林地土壤活性有机碳的影响，以秦岭火地塘林区松栎混交林为研究对象，通过野外采样和室内分析，对不同间伐强度和间伐残留物移除强度下土壤活性有机碳特征进行了研究。结果表明：不同间伐强度和间伐残留物移除强度下，土壤水溶性有机碳(DOC)和微生物量碳（MBC）含量分别在42.65 ～86.03 mg·kg-1和91.30 ～510.76 mg·kg-1之间波动，占土壤总有机碳（TOC）的比例范围分别为0.20%～0.39%和0.41%～2.05%；当间伐强度为16.34%～17.05%、间伐残留物移除强为35.86%～40.69%时，土壤DOC和MBC含量在0～10 cm和10～20 cm土层分别可达到最大值84.95 、59.65 mg·kg-1和390.76、293.60 mg·kg-1；间伐强度是影响土壤MBC含量和0～10 cm土层土壤DOC含量的主导因子，间伐残留物移除强度是影响10～20 cm土层土壤DOC含量的主导因子；土壤中有机质含量的有效性达到最佳，间伐强度和间伐残留物移除强度的最适设置范围分别为16.34%～17.05%和35.86%～40.69%。

松栎混交林；间伐；水溶性有机碳；微生物量碳；秦岭

土壤活性有机碳是土壤有机碳的重要组成部分，虽然它在土壤碳库中所占比例很小，但由于它可以直接参与土壤生物化学转化过程并促进土壤养分不断循环，为土壤微生物的生命活动提供能源[1-2]，因而在土壤碳库平衡和肥力保持方面具有重要意义[3]。此外，土壤活性有机碳还是土壤有机碳动态的敏感性指标，已成为进行森林可持续经营可参考的重要依据之一[4-5]。

国内外有关土壤活性有机碳的研究主要集中于不同林分[6-8]、不同土地利用方式[9-12]以及不同演替阶段[13-15]等对土壤活性有机碳的影响。抚育间伐是人为对森林生态系统干扰的主要形式之一[16]，对森林生态系统的结构和功能具有重要影响，而有关间伐对土壤活性有机碳的影响却鲜见报道。

松栎混交林是秦岭中山地带分布较广的林分类型之一，但由于现存林分密度大、郁闭度高，影响了其固碳功能的充分发挥。而适度间伐可改善林内环境，加快土壤有机碳的周转，从而促进养分循环[17]。以往的间伐作业完成后，往往将所有的间伐残余物留在林地以增加土壤养分，但存在增加冬春干旱季节林火等级的风险，因此，确定适宜的间伐强度和间伐残留物移除强度对森林的合理经营具有重要意义。

本研究以秦岭中山地带的典型森林类型松栎混交林为研究对象，通过分析不同间伐强度和间伐残留物移除强度下林地土壤活性有机碳的变化特征，旨在探讨森林抚育对土壤活性有机碳的影响，确定土壤活性有机碳含量最高时，间伐强度和间伐残留物移除强度的最优组合，为制定适宜的森林抚育措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于陕西秦岭森林生态系统国家野外科学研究站的松栎混交林长期定位观测样地内，研究区地处北亚热带北缘，地理位置为33°18'～33°28'N，108°21'～ 108°39'E， 海 拔 1 500 ～ 1 700 m，年均气温9 ℃，年降水量900～1 200 mm，蒸发量800～950 mm。土壤为山地棕壤，土层厚度为30～50 cm。研究区内的松栎混交林是20世纪80年代末人为干扰后，天然更新形成的异龄次生林，优势树种有油松Pinus tabulaeformis、华山松Pinus armandi、锐齿栎Quercus alienavar.acuteserrata等，林分平均高9.80 m，林分郁闭度0.82，平均林龄42 a；林下灌木主要有木姜子Litsea cubeba、白檀Symplocos paniculata和栓翅卫矛Euonymus alatus等；草本层常见种有披针叶苔草Carex lanceolata、升麻Astilbe chinensis和野青茅Deyeuxia sylvatica等。

1.2 试验设计

秦岭林区地形破碎，难以满足随机区组设计试验小区重复数较多的要求，而回归旋转设计则具有试验处理重复少、计算简便、消除了回归系数之间的相关性，可解决生产实际中控制因子最优化问题等优点[18]。本试验采用二次通用旋转组合设计，将间伐强度（X1）和间伐残留物移出强度（X2)作为参试因子，根据《森林抚育规程》GB/T(15781-2009)和《陕西省森林抚育规程》（2010），设置间伐强度上限为25%。

2012年7月在陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站内，选取林龄、林分组成、林分平均高、地形条件等因子接近的林分作为试验林分，共设置9个处理（2个控制因子的不同组合），13个试验小区（见表1），每个试验小区面积为20 m×20 m。在间伐作业后，逐个称取每个样地内间伐残留物的鲜质量，然后按照试验设计（见表2），将间伐残留物移出林外，剩余部分均匀铺于林地土壤表层。间伐强度和间伐残留物移除强度按下式计算：

表1 田间试验布局Table 1 Layout of field trials

表2 间伐强度和间伐残留物移除强度各水平编码Table 2 Various level coding of thinning and residue removed intensity

式中：x1为间伐强度；s为间伐木总断面积；s1为原有林分总断面积；x2为间伐残留物移除强度；m为残留物移除质量；m1为残留物总质量。

1.3 样品采集及处理

2013年7月中旬，在已建成的各个试验小区内，以“S”形布设5个样点，按照分层多点混合取土法分别采集0～10 cm和10～20 cm土样，共计26份，将土样分别放入已编号的无菌土样袋中，用保温盒带回实验室后分成两份，一份鲜样过2 mm筛，在4 ℃冰箱中保存，用于水溶性有机碳和微生物量碳的测定，一份置于室内自然风干，过0.15 mm筛，用于土壤总有机碳的测定。

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[19]进行测定；土壤DOC用水土比5∶1，蒸馏水浸提，在25 ℃下恒温振荡30 min，用0.45 μm滤膜抽滤，滤液直接用岛津TOC-Vcph有机碳分析仪测定[20]；土壤总有机碳采用重铬酸钾外加热法进行测定[21]。

1.4 数据处理

采用Excel 2003对土壤各形态有机碳和土壤活性有机碳占总有机碳比例作图分析；采用DPS7.05软件，对土壤活性有机碳各指标含量与间伐强度和间伐残留物移除强度进行模型拟合；试验设计中各因素均经过无量纲线性编码处理，通过主因子效应分析，由回归系数绝对值的大小比较间伐强度和间伐残留物移除强度对土壤活性有机碳各指标含量的影响；通过频率分析分别确定土壤溶解性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC）含量最高时对应的间伐强度和间伐残留物移除强度组合，进而通过取其交集确定土壤活性有机碳各指标含量同时达到最高时间伐强度和间伐残留物移除强度的最优组合[22]。

2 结果与分析

2.1 不同抚育处理下土壤各形态有机碳含量

9种抚育处理下，0～10 cm和10～20 cm土层土壤TOC含量有所不同，但总体上，0～10 cm土层明显高于10～20 cm土层，且其含量在13.82～32.35 g·kg-1之间波动；在间伐强度为15%、间伐残留物移除强度为50%时，0～10 cm和10～20 cm土层土壤TOC含量分别达到最大值，分别为 35.41 g·kg-1和 27.30 g·kg-1；在间伐强度为 5%、间伐残留物移除强度为50%时，0～10 cm土层TOC含量最小，为19.21 g·kg-1，而10～20 cm土层TOC含量的最小值出现在间伐强度为25%、间伐残留物移除强度为50%（5号处理）（见图1）。

图 1 不同抚育处理下土壤总有机碳含量Fig. 1 The content of soil total organic carbon under different tending treatments

9种抚育处理下，同一土层土壤DOC和MBC含量不同，不同土层其含量也具有差异性，且0～10 cm和10～20 cm土层土壤DOC和MBC含量均呈现出明显的表聚性，其含量范围分别为42.65 ～86.03 mg·kg-1，91.30 ～ 510.76 mg·kg-1；间伐强度为22.07%、间伐残留物移除强度为85.36%（1号处理）时，土壤MBC含量在0～10 cm和10～20 cm土层分别取到最大值（510.76和293.85 mg·kg-1）；在间伐强度为15%、间伐残留物移除强度为50%（9号处理）时，0～10 cm土层土壤DOC含量达到最大值（86.03 mg·kg-1），而10～20 cm土层土壤DOC含量最大值（67.25 mg·kg-1）出现在间伐强度为7.93%、间伐残留物移除强度为85.36%（3号处理）（见图2）。

图 2 不同抚育处理下土壤各形态活性有机碳含量Fig.2 The content of various forms of labile organic carbon under different tending treatments

2.2 不同抚育处理下土壤活性有机碳的分配比例

不同间伐强度和间伐残留物移除强度下，0～10 cm和10～20 cm土层中土壤DOC和MBC含量占TOC含量的比例分别在0.26%～0.39%、0.20%～0.30%和0.66%～2.05%、0.41%～1.44%之间波动，且随土层深度的增加呈下降趋势。在间伐强度为5%、间伐残留物移除强度为50%（6号处理下）时，0～10 cm和10～20 cm土层土壤DOC含量占TOC含量的比例分别达到最大值（0.39%和0.30%）；而0～10 cm和10～20 cm土层土壤MBC含量占TOC含量的比例在间伐强度为22.07%、间伐残留物移除强度为85.36%（1号处理）时分别达到最大值（2.05%和1.44%）（见图3）。

图3 不同抚育处理下土壤各形态活性有机碳占总有机碳比例Fig.3 The proportion of labile organic carbon in soil organic carbon under different tending treatments

2.3 抚育措施的优化

为进一步探究抚育间伐对土壤活性有机碳的影响，采用DPS7.05软件，分别建立不同处理水平下土壤DOC和MBC含量与抚育间伐强度的回归模型：

式中，D0～10 cm、D10～20 cm、M0～10 cm和M10～20 cm分别为不同抚育强度下0～10 cm和10～20 cm土层DOC和MBC的含量；x1、x2分别表示间伐强度和间伐残留物移除强度的不同编码水平。

对所建立的各回归模型进行检验，F1＜1，表明不存在其他显著影响的因素；而F2＞F0.2，表明回归关系显著，回归方程拟合良好，可用于预报。

2.3.1 主因子效应分析

土壤DOC模型回归系数中，0～10 cm土层，一次项系数b1＞b2，表明间伐强度对土壤DOC含量的影响较大；10～20 cm土层，一次项系数b1＜b2，表明间伐残留物移除强度对土壤DOC含量的影响较大。土壤MBC模型回归系数中，2个土层一次项系数均表现为b1＞b2，表明间伐强度对MBC含量的影响较大。

2.3.2 频率分析

对间伐强度和间伐残留物移除强度进行频率分析，当x1∈（-0.55～0.55）、x2∈（-0.49～-0.26），即间伐强度为11.08%～17.05%、间伐残留物移除强度为32.71%～40.69%时，0～10 cm土层土壤DOC含量的最高值为84.95 mg·kg-1；当x1∈（-0.85～0.85）、x2∈（-0.85～0.85），即间伐强度为9.00%～21.01%、残留物移除强度为19.98%～80.02%时，10～20 cm土层土壤DOC含量最高为 59.65 mg·kg-1；当x1∈（0.19～ 0.81）、x2∈（-0.68～0.68），即间伐强度为16.34%～20.72%、间伐残留物移除强度为25.99%～74.01%时，0～10 cm土层土壤MBC含量最高为390.76 mg·kg-1；当x1∈（-0.04 ～ 0.71）、x2∈（-0.40 ～1.00），即间伐强度为14.717%～20.02%时、残留物移除强度为35.86%～85.36%时，10～20 cm土层土壤MBC含量最高为293.60 mg·kg-1。由此可知，土壤DOC和MBC含量在2个土层分别取最大值84.95、59.65 mg·kg-1和 390.76 、293.60 mg·kg-1时，间伐强度和间伐残留物移除强度的最佳范围分别是16.34%～17.05%和35.86%～40.69%。

3 讨 论

3.1 抚育间伐对土壤活性有机碳含量的影响

土壤活性有机碳作为土壤有机碳中活跃的化学组分，对区域微环境的变化响应敏感[23]，其含量易受外界干扰因素的影响。吴波波等[24]的研究指出，土壤微生物量碳含量对不同处理下的采伐剩余物反应比较敏感，可能是由于采伐剩余物的不同处理方式不同程度地增加了微生物的能源物质，从而促使土壤微生物量碳的转化加快。本研究中，主因子效应分析表明，土壤微生物量碳含量受间伐强度的影响较大，可能是由于原有林分经过不同程度的间伐后，林分郁闭度降低，林内光照强度提高，通气状况也得到改善，导致部分好氧微生物活性增加，从而使土壤微生物量碳含量发生变化[25]。吴亚丛等[26]的研究结果表明，0～20 cm土层，土壤溶解性有机碳含量受林地表层凋落物的输入量影响较大，可能是因为凋落物的输入量会影响总有机碳的矿化潜力，进而对土壤溶解性有机碳产生影响。本研究中，土壤溶解性有机碳含量在0～10 cm土层受间伐强度的影响较大，在10～20 cm土层受间伐残留物移除强度较大，可能是因为不同程度的间伐使原有林分密度降低，林内穿透水增加，地表径流量在一定程度上增大，使0～10 cm土层土壤溶解性有机碳的淋溶和迁移过程发生变化，加之林内光照条件发生变化，使林地土壤温度和湿度有所变化，导致微生物对能源物质（土壤溶解性有机碳）的利用程度不同[27-28]。

3.2 不同抚育处理下土壤活性有机碳的分配比例

不同抚育处理下土壤活性有机碳在总有机碳中的分配比例可反映不同抚育处理对土壤有机质的影响[26]，土壤微生物量碳占总有机碳的比例可用来评价不同抚育间伐强度下土壤总有机碳的生物活性程度[29]。本研究中，0～10 cm和10～20 cm土层，土壤微生物量碳占总有机碳含量的比例均在间伐强度为22.07%、间伐残留物移除强度为85.36%（1号处理）下达到最高，表明1号处理下土壤总有机碳的活性高于其他处理，这可能是因为1号处理下，林内土壤湿度、温度等因子更有利于土壤微生物进行生命活动，进而加快了土壤微生物量碳的周转；0～10 cm土层土壤微生物量碳占土壤总有机碳比例明显高于10～20 cm土层，表明0～10 cm土层土壤总有机碳的活性高于10～20 cm土层，这可能与植物根系和土壤微生物数量的垂直分布有关[30-32]。

3.3 抚育措施的优化

在森林经营过程中，由于林分郁闭度过大而影响林内环境因子，进而限制林下其他植被的生长，最终导致生物多样性下降，而适宜强度的间伐则可以改善林内的水热状况，进而促进林木更好地生长。袁喆等[16]的研究表明，对川西人工云杉林进行适度间伐，可增加微生物活性，加快土壤微生物量碳的周转，并且可以将中度间伐强度30%作为抚育间伐的参考指标。本研究中，土壤活性有机碳含量最大时，间伐强度的最佳设置范围为16.34%～17.05%，这可能是因为不同地区、不同树种条件下，研究结果也不同。

4 结 论

不同间伐强度和间伐残留物移除强度下，对不同层次、不同活性有机碳组分而言，其主要影响因素不同，无论是0～10 cm还是10～20 cm土层，间伐强度都是影响土壤微生物量碳含量的主导因子；对于土壤水溶性有机碳，在0～10 cm土层，间伐强度是主导影响因子，而在10～20 cm土层，间伐残留物移除强度是主导影响因子；当间伐强度为16.34%～17.05%、间伐残留物移除强度35.86%～40.69%时，土壤溶解性有机碳和微生物量碳含量在2个土层分别可达到最大值84.95、59.65 mg·kg-1和 390.76、293.60 mg·kg-1，此时土壤有机质的有效性达到最佳。

[1]Wander M M, Traina S J, Stinner B R,et al.The effects of organic and conventional management on biologically active soil organic matter fractions[J]. Soil Science Society America Journal, 1994, 58： 1130-1139.

[2]Coleman D C, Rcid C P P, Cole C. Biological strategies of nutrient cycling in soil systems[J]. Advances in Ecological Research, 1983, 13：1-55.

[3]钟春棋, 曾从盛, 仝 川. 不同土地利用方式对闽江口湿地土壤活性有机碳的影响[J]. 热带资源与环境学报, 2010,5(4)：64-70.

[4]安 静, 邓 波, 韩建国, 等. 土壤有机碳稳定性研究进展[J].草原与草坪, 2009, 23(2)：82-87.

[5]孙海静, 崔红丽, 张选瑞, 等. 华北落叶松林土壤有机碳对择伐及人工更新的响应[J].中南林业科技大学学报,2014, 34(9)： 98-102.

[6]Geng Y Q, Yu X X , Yue Y J,et al.Active organic carbon pool of coniferous and broad-leaved forest soils in the mountainous areas of Beijing[J]. Forestry Studies in China, 2009, 11(4)：225-230.

[7]朱志建, 姜培坤, 徐秋芳. 不同森林植被下土壤微生物量碳和易氧化态碳的比较[J]. 林业科学研究, 2006, 19(4)：523-526

[8]Smolander A, Kitunen V. Soil microbial activities and characteristics of dissolved organic C and N in relation to tree species[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2002, 34(5)：651-660.

[9]李太魁, 朱 波, 王小国, 等. 土地利用方式对土壤活性有机碳含量影响的初步研究[J]. 土壤通报, 2013, 44(1)：46-51.

[10]Zhang G L. Changes of soil labile organic carbon in different land uses in Sanjiang Plain, Heilongjiang Province[J]. Chinese Geographical Science, 2010, 20(2)：139-143.

[11]宇万太, 马 强, 赵 鑫, 等. 不同土地利用类型下土壤活性有机碳库的变化[J]. 生态学杂志, 2007, 26(12)：2013-2016.

[12]张仕吉, 项文化. 土地利用方式对土壤活性有机碳影响的研究进展[J]. 中南林业科技大学学报, 2012, 32(5)：134-144.

[13]范跃新, 杨智杰, 杨玉盛, 等. 中亚热带常绿阔叶林不同演替阶段土壤活性有机碳含量及季节动态[J]. 生态学报, 2013,33(18)： 5752-5760.

[14]孙伟军, 方 晰, 项文化, 等. 湘中丘陵区不同演替阶段森林土壤活性有机碳库特征[J].生态学报, 2013,33(24)：7765-7773.

[15]魏 斌, 张 霞, 吴热风. 生态学中的干扰理论与应用实例[J].生态学杂志, 1996, 15(6)：50-54.

[16]袁 喆, 罗承德, 李贤伟, 等. 间伐强度对川西亚高山人工云杉林土壤易氧化碳及碳库管理指数的影响[J]. 水土保持学报,2010, 24(6)：127-131.

[17]吴 鹏, 陈 俊, 崔迎春, 等. 茂兰喀斯特植被主要演替群落土壤有机碳研究[J].中南林业科技大学学报, 2012, 32(12)： 181-186.

[18]杨义群, 肖俊章, 白厚义. 回归设计及多元分析——在农业中的应用[M]. 陕西：西安天则出版社, 1990： 81-91.

[19]林启美, 吴玉光, 刘焕龙. 熏蒸法测定土壤微生物量碳的改进 [J]. 生态学志 , 1999, 18(2)：63-66.

[20]Liang B C, Mackenzie A F, Schnitzer M,et al. Management induced change in labile soil organic matter under continuous corn in eastern Canadian soils[J]. Biology and Fertility of Soils,1998, 26： 88-94.

[21]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社, 2005：30-34.

[22]袁志发, 贠海燕, 周静芋, 等. 试验设计与分析[M]. 北京：中国农业出版社, 2007： 252-254.

[23]胡海清, 陆 昕, 孙 龙. 土壤活性有机碳分组及测定方法[J].森林工程 , 2012, 28(5)：18-22.

[24]吴波波, 郭剑芬, 吴君君, 等. 采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响[J]. 生态学报, 2014, 34(7)：1645-1651.

[25]龚 伟, 胡庭兴, 王景燕, 等. 川南天然常绿阔叶林人工更新后土壤碳库与肥力的变化[J]. 生态学报, 2008, 28(6)：2534-2545.

[26]吴亚丛, 李正才, 程彩芳, 等. 林下植被抚育对樟树人工林土壤活性有机碳库的影响[J]. 应用生态学报, 2013, 24(12)：3341-3346.

[27]Burford J R, Bremner J M. Relationships between the denitrification capacities of soils and total water-soluble and readily decomposable soil organic matter[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1975, 7：389-394.

[28]Kalbitz K, Solinger S, Park J H,et al. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soil： a review[J]. Soil Science,2000, 165(4)：277-304.

[29]杜满义, 范少辉, 漆良华, 等. 不同类型毛竹林土壤活性有机碳 [J]. 生态学杂志 , 2013, 32(3)：571-576.

[30]杨继松, 刘景双. 小叶章湿地土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳的分布特征[J]. 生态学杂志, 2009, 28(8)：1544-1549.

[31]吴建国, 张小全, 徐德应. 六盘山林区几种土地利用方式下土壤活性有机碳的比较[J]. 植物生态学报, 2004, 28(5)：657-664.

[32]徐明岗, 于 荣, 孙小凤, 等. 长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2006, 12(4)：459-465.

Effects of forest thinning on soil labile organic carbon in a Pine-Oak mixed forest

DOU Yan-xing1, HOU Lin1, MA Hong-hong1, ZHANG Shuo-xin1, TIAN Rui-xuan2
(1.College of Forestry, Northwest Agricultural & Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China;2. Longcaoping Forest Bureau of Shaanxi Province, Yangling 712100, Shaanxi, China)

The experiments were carried out to test the effects of forest thinning on soil labile organic carbon in a Pine-oak mixed forest in the Qinling Mountains. The quadratic general rotary design was applied, and thinning intensity and residue removed intensity were considered as factors in the experiments. Based on field sampling and laboratory analyzing, the characteristics of soil labile organic carbon under different thinning and residue removed intensities were analyzed. The contents of DOC (dissolved organic carbon) and MBC (Microorganism biomass carbon) ranged from 42.65 mg·kg-1to 86.03 mg·kg-1, and from 91.30 mg·kg-1to 510.76 mg·kg-1respectively. The ratio DOC/TOC (total organic carbon) and MBC/TOC ranged from 0.20% to 0.39%, and from 0.41% to 2.05% respectively. When they were maximized as 84.95 mg·kg-1(DOC), 390.76mg·kg-1(MBC) in the depth of 0 ～ 10 cm in soil and 59.65 mg·kg-1(DOC), 293.60 mg·kg-1(MBC) in the depth of 10 to 20 cm soil, the thinning intensity and the residue removed intensity were 16.34%～17.05% and 35.86%～40.69%. The thinning intensity was the key factor to affect MBC and DOC (in the depth of 0～10 cm soil). In the depth of 10 to 20 cm soil, the residue removed intensity changed as the key factor to affect DOC. Providing the availability of soil organic carbon would achieved most fully, the thinning intensity and the residue removed intensity were 16.34%～17.05% and 35.86%～40.69%.

Pine-oak mixed forest; forest thinning; water dissolved organic carbon; microbial biomass carbon; Qinling mountains

S714.3

A

1673-923X(2015)05-0064-06

2014-08-03

国家林业公益性行业科研专项（201004036）

窦艳星，硕士研究生

侯 琳，副研究员；E-mail：houlin1969@163.com

窦艳星，侯 琳，马红红，等. 间伐对松栎混交林土壤活性有机碳的影响[J].中南林业科技大学学报，2015,35(5)：64-69.

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.011

[本文编校：谢荣秀]