中亚热带土地利用方式对土壤易氧化有机碳及碳库管理指数的影响

张仕吉，项文化，孙伟军，方晰. 中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 40004；. 中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 40004；3. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 40004

中亚热带土地利用方式对土壤易氧化有机碳及碳库管理指数的影响

张仕吉1，项文化2， 3，孙伟军2，方晰2， 3
1. 中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；3. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004

为了解土地利用方式对中亚热带土壤易氧化有机碳（ROC）及碳库管理指数（CMI）的影响，采用KMnO4氧化法，对湘中丘陵区6种土地利用类型：石栎（Lithocarpus glaber）-青冈（Cyclobalanopsis glauca）次生林、杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林、毛竹（Phyllostachys edulis）林、苗圃、农用旱地、水田土壤ROC含量及其季节动态变化进行测定，以石栎-青冈次生林土壤为参照，计算土壤CMI，分析土壤ROC含量、CMI与土壤理化性状的关系。结果表明，同一土层ROC含量、ROC分配比例在不同土地利用类型之间差异显著，ROC含量表现为石栎-青冈次生林＞毛竹林＞水田＞杉木人工林＞农用旱地＞苗圃，ROC分配比例为水田＞石栎-青冈次生林＞毛竹林＞农用旱地＞苗圃＞杉木人工林；与石栎-青冈次生林相比，毛竹林、水田、杉木人工林、农用旱地、苗圃土壤ROC含量依次下降了9.8%～15.6%、22.0%～36.3%、27.6%～40.1%、47.4%～51.2%、58.0%～65.5%，水田、毛竹林、杉木人工林、农用旱地、苗圃土壤CMI依次下降了11.6%～18.4%、9.1%～20.9%、40.0%～44.1%、48.6%～51.5%和59.3%～66.6%；6种土地利用类型土壤ROC含量的季节变化节律基本一致，表现为春夏季较秋冬季高，夏季最高，冬季或秋季最低；土壤ROC含量、CMI与土壤SOC、全N、全P、水解N、有效P含量之间呈显著或极显著正相关，与土壤pH呈极显著负相关，与土壤含水率、全K、速效K不相关。土地利用方式对土壤ROC含量、CMI影响显著，次生林转变为人工林或农用地后，土壤碳库稳定性和生物可利用性下降。

湘中丘陵区；土地利用方式；易氧化有机碳；次生林；碳库管理指数

引用格式：张仕吉， 项文化， 孙伟军， 方晰. 中亚热带土地利用方式对土壤易氧化有机碳及碳库管理指数的影响［J］. 生态环境学报， 2016， 25（6）: 911-919.

ZHANG Shiji， XIANG Wenhua， SUN Weijun， FANG Xi. Effects of Land Use on Soil Readily Oxidized Carbon and Carbon Management Index in Hilly Region of Central Hunan Province ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（6）: 911-919.

土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）是衡量土壤肥力的一个重要参数，已被用于评价退化生态系统的恢复效果（周国模等，2004），也是当前陆地生态系统碳循环研究的关键之一。在可持续发展系统中，土壤 SOC库是一个很重要的因子，其变化主要发生在易氧化有机碳库里（Conteh et al.，1997；沈宏等，1999）。土壤易氧化有机碳（Readily oxidized carbon，ROC）是SOC库中易氧化、易分解的活性有机碳（Active organic carbon）组分，测定比较迅速，适用于大批样品的分析，测定结果与土壤可矿化有机碳有较好的相关性，比其它变量更能灵敏反映不同土地利用方式对 SOC库的影响，是SOC库早期微小变化的敏感指标（Conteh et al.，1997；沈宏等，1999），常用于指示人类干扰及全球变化背景下SOC库稳定性及其动态（吴建国等，2004）。

土壤碳库管理指数（Carbon management index，CMI）是表征SOC库变化的量化指标（徐明岗等，2006）。该指标结合了人为影响下土壤碳库指数和土壤碳库活度，能较全面和动态地反映 SOC及其组分在数量和质量上的变化以及土壤经营管理的科学性（徐明岗等，2006），常用于监测和评价SOC库动态的有效性和土壤质量的管理水平（龚伟等，2008）。土壤CMI升高，表明经营方式对土壤有培肥作用，土壤结构向良性发展；反之，土壤则向恶性演变（龚伟等，2008）。

免耕各处理和传统耕作秸秆翻埋处理可比传统耕作增加 SOC含量1.2%～7.2%，ROC含量5.3%～16.6%（李琳等，2006）。在北方水蚀风蚀交错带，农田转变为人工草地，以及人工草地向次生天然草地演替过程中，土壤呈现出明显的碳汇（李裕元等，2007）。而林地转变为农用地后，5 a内SOC损失40%（Delwier，1986），天然常绿阔叶林人工更新后土壤ROC含量、CMI和土壤肥力下降，且不同人工林下降程度不同（龚伟等，2008）。杉木林采伐后不同更新方式对林地 SOC的数量和质量产生了较大的影响，自然更新林地CMI最高，板栗林地最低（张仕吉等，2009）。SOC及其组分因不同耕作措施而改变是一个长期过程，地表承接的凋落物和根系分泌物类型随土地利用方式不同而不同，土壤 SOC库，特别是活性有机碳库差异显著（龚伟等，2008）。国内针对 SOC组分的测定方法（王晶等，2003；龚伟等，2008；段正锋等，2009），耕作措施对农业用地土壤活性有机碳、CMI的影响及其与土壤养分的关系（徐明岗等，2006；李琳等，2006；龚伟等，2008）进行了一些试验研究。

我国中亚热带地区水热条件优越，农业相对发达，土地利用方式丰富多样，但有关中亚热带土地利用方式对土壤 ROC、CMI的影响仍缺乏较为系统的研究（Zhang，2010；Mandal et al.，2011；王国兵等，2013）。本研究以与湘中丘陵区地域毗邻的6种土地利用方式（石栎Lithocarpus glaber-青冈Cyclobalanopsis glauca次生林、杉木Cunninghamia lanceolata人工林、毛竹 Phyllostachys heterocycla林、苗圃、农用旱地、水田）为对象，研究不同土地利用方式土壤ROC含量、CMI的变化特征及其与土壤理化性质之间的关系，揭示人类活动对SOC库的影响机制，以期为该地区土地资源开发利用和管理提供科学依据。

1　研究地概况

研究地设在湖南省长沙县大山冲林场及其附近（113°17′～113°19′E，28°23′～28°24′N），地处幕阜山余脉的西缘，低山丘陵区，海拔55～350 m，相对高度在100～150 m；属亚热带湿润季风气候，夏热冬冷，水热同季，季节变化明显，年均温度17.0 ℃，月平均气温最高为30.7 ℃（7月），最低为6.2 ℃（1月），年均降水量约1500 mm，集中分布在4—7月；地带性植被为亚热带常绿阔叶林，但由于人类活动的影响，天然植被破坏严重，经 50多年封山育林，林场内保存了由不同演替阶段树种组成的多种次生林和杉木人工林、马尾松（Pinus massonana）人工林、国外松（Pinus elliottii Engelm）人工林、毛竹林等，林场附近有水田（粮田）、农用旱地（菜地）、苗圃等土地利用类型，土壤以板岩和页岩发育而成的红壤为主。

本研究在 6种土地利用类型（石栎-青冈次生林、杉木人工林、毛竹林、苗圃、农用旱地、水田）上各设置1个1 hm2的固定大样地，进行样地基本调查，其基本概况如下：

（1）石栎-青冈次生林（记为 No.1）：20世纪60年代初，按30%间伐强度对天然林择伐后，自然恢复为由53%常绿阔叶树（37%石栎+16%青冈）、16%针叶树马尾松和 31%其他树种组成的石砾-青冈常绿阔叶次生林，密度为1340 株·hm-2，平均胸径为12.7 cm，平均树高为10.30 m，郁闭度0.90。林下有少量灌木和草本植物。海拔225～254 m。西北坡，坡度22°。

（2）杉木人工林（记为No.2）：1965年冬炼山，人工全垦整地；1966年春营造杉木人工纯林，经营期间无施肥历史。每年秋、冬季进行修枝、砍杂和清除林下地被物层，密度为625株·hm-2，平均胸径为23.54 cm，平均树高为19.51 m，郁闭度0.85。林下少量灌木和草本植物。海拔223～258 m。东南坡，坡度24°。

（3）毛竹林（记为No.3）：栽植年限为30 a，毛竹密度8452株·hm-2，平均胸径13.54 cm，平均树高9.25 m。林下少量灌木和草本植物，每年秋末清除林下植物和枯死木。人工翻耕并施用农家肥。郁闭度0.85。海拔130～200 m。东南坡，坡度15°。

（4）苗圃（记为No.4）：栽植年限为25 a，栽有油茶（Camellia oleifera）、女贞（Ligustrum lucidum）、红檵木（Loropetalum chinense var.rubrum）等苗木，海拔130～200 m，东南坡，坡度5°。

（5）农用旱地（记为No.5）：种植南瓜（Semen cucurbitae）、辣椒（Capsicum annuum）、红薯（Ipomoea batatas Lam）、玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max）等不定农作物，具有长期耕作史，栽植年限为30 a。海拔130～200 m。东南坡，坡度10°。

（6）水田（记为No.6）：栽植双季水稻（Oryza sativa），具有长期耕作史，栽植年限为30 a。海拔100～150 m。东南坡，坡度5°。

6种土地利用类型土壤理化性质如表1所示。

2　研究方法

2.1土壤样品采集

在每个固定样地内，按典型方式分别设置 10 m×10 m的固定样方3个，即每一种土地利用方式构成3个重复，每个固定样方随机设置固定采样点3个。分别于2011年12月下旬（冬季）、2012年3月下旬（春季）、2012年6月下旬（夏季）和2012 年 9月下旬（秋季）采集土壤样品。为保证土壤样品的一致性，每次采样均在采样点附近重新挖土壤剖面，按0～15、15～30 cm分层取样，装入塑料袋密封后，置于便携式冷藏箱，带回实验室。

在室内，除去土壤动植物残体和石砾后，将同一固定样方的3个采样点相同土层土壤等量混合均匀组成1个样品，采集约2 kg土壤样品。每1个鲜土样品再分成2份：1份立即过2 mm土壤筛，用于测定土壤自然含水率；另1份自然风干，过0.25 mm土壤筛，用于测定土壤ROC、SOC、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、水解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）含量和土壤pH。每种土地利用类型每次的最终测定结果为3个固定样方的算术平均值。

2.2分析方法

土壤ROC含量用KMnO4氧化-比色法测定（徐明岗等，2006；龚伟等，2008）。称取过0.25 mm土壤筛的风干土样2 g（含有机碳15～30 mg，精确到0.0001 g）于100 mL旋塞聚乙烯离心管中，加入25 mL 333 mmol·L-1KMnO4，在25 ℃ 40 rpm的条件下恒温振荡1 h，然后在2500 rpm下离心5 min，取上清液按1∶250稀释，在分光光度计565 nm波长处测定稀释样品的吸光度，重复3次，同时测定空白样，用不加土壤的空白样品与土壤样品的吸光度之差，计算出高锰酸钾浓度的变化。根据 KMnO4浓度的变化求出样品的易氧化有机碳（氧化过程中 1 mmol·L-1MnO4-消耗 0.75 mmol·L-1或9 mg碳）。

土壤自然含水率用 105 ℃烘干法测定，SOC含量用重铬酸钾-浓硫酸容量法测定，TN含量用KN580全自动凯氏定氮仪测定，TP含量用碱熔-钼锑抗比色法测定，TK含量用火焰分光光度计法测定，AN用碱解扩散法测定，AP用盐酸氟化铵浸提比色法测定，AK用醋酸铵浸提火焰分光光度计法测定，pH用pH计测定（水土比2.5∶1）（鲁如坤，2000）。

表1　不同土地利用方式土壤基本性质Table 1　Soil basic properties under different land uses

2.3数据处理

土壤ROC分配比例是指土壤ROC含量占土壤 SOC含量的百分比（沈宏等，1999），计算公式如下：

以石栎-青冈次生林土壤为参照土壤，土壤CMI计算公式如下（龚伟等，2008）：

式中，NL为非活性有机碳含量（mg·g-1）；SOC为有机碳含量（mg·g-1）；ROC为易氧化有机碳含量（mg·g-1）；CPI为碳库指数；SOC样品为样品总有机碳含量（mg·g-1）；SOC参考为参考土壤总有机碳含量（mg·g-1）；L为碳库活度，即碳的不稳定性；LI为碳库活度指数；L样品为样品碳库活度；L参考为参考土壤碳库活度；CMI为碳库管理指数。

用Excel 2003统计各项指标平均值、标准差并制作季节变化图。用SPSS 10.0软件包中的单因素方差分析（One-way ANOVA）检验不同土地利用方式土壤SOC、ROC含量以及ROC分配比例、CMI的差异显著性（P＜0.05），用Tukey-Kramer检验不同土地利用方式之间、土层之间、季节之间各项指标的差异显著性（P＜0.05），用Person计算土壤ROC含量、CMI与土壤理化指标之间的相关系数。

3　结果与分析

3.1土壤SOC的含量

如表2所示，6种土地利用方式SOC含量均表现为0～15 cm土层高于15～30 cm土层，0～15 cm土层 SOC质量分数为 10.24～25.79 mg·g-1，平均为17.39 mg·g-1，变异系数为31.9%；15～30 cm土层为9.56～18.48 mg·g-1，平均为14.34 mg·g-1，变异系数为21.9%。除3种林地（石栎-青冈次生林、杉木人工林、毛竹林）外，苗圃、农用旱地、水田两土层间的差异不显著（P＞0.05）。不同土地利用方式同一土层SOC含量差异显著（P＜0.05），其高低顺序在两土层间均为：石栎-青冈次生林＞杉木人工林＞毛竹林＞水田＞农用旱地＞苗圃。与石栎-青冈次生林相比，杉木人工林、毛竹林下降幅度较小，分别为18.9%～23.5%、13.2%～24.5%，水田、农用旱地分别下降了 19.0%～36.4%、35.3%～50.7%，苗圃下降幅度最大，为48.3%～60.3%。0～15 cm土层，石栎-青冈次生林与其他5种土地利用方式之间，杉木人工林、毛竹林与苗圃、农用旱地、水田之间，苗圃、农用旱地与水田之间差异显著（P＜0.05）；此外，不同土地利用方式之间差异不显著（P＞0.05）。15～30 cm土层，除石栎-青冈次生林与苗圃、农用旱地、水田之间，杉木人工林、毛竹林、水田与苗圃、农用旱地之间差异显著（P＜0.05）外，其它土地利用方式之间差异不显著（P＞0.05）。表明土地利用方式明显地影响SOC含量及其分布。

表2　不同土地利用方式土壤SOC含量Table 2　Contents of soil SOC in different land-use types

表3　不同土地利用方式土壤ROC含量及其分配比例Table 3　Contents of soil ROC and the proportion of ROC to total SOC in different land-use types

3.2土壤ROC的含量及其分配比例

从表3可知，不同土地利用方式0～15 cm土层ROC含量高于15～30 cm土层，0～15 cm土层ROC质量分数为2.40～6.95 mg·g-1，平均为4.56 mg·g-1，变异系数为 43.4%；15～30 cm 土层为 2.02～4.80 mg·g-1，平均为3.46 mg·g-1，变异系数为41.2%。其中，石栎-青冈次生林差异最大，其次是毛竹林、杉木人工林，苗圃最小；除苗圃外，其他土地利用方式在两土层间的差异显著（P＜0.05）。同一土层ROC含量在不同土地利用方式间差异显著（P＜0.05），其高低顺序在两土层间均为：石栎-青冈次生林＞毛竹林＞水田＞杉木人工林＞农用旱地＞苗圃。与SOC相比，杉木人工林、农用旱地、苗圃土壤 ROC含量较石栎-青冈次生林下降幅度更大，毛竹林、水田、杉木人工林、农用旱地、苗圃土壤 ROC含量较石栎-青冈次生林依次下降了9.8%～22.0%、15.6%～27.6%、36.3%～40.1%、47.4%～51.2%、58.0%～65.5%。0～15 cm土层，石栎-青冈次生林与其他5种土地利用方式之间，毛竹林、水田、杉木人工林与农用旱地、苗圃之间，农用旱地与苗圃之间差异显著（P＜0.05），但毛竹林、水田、杉木人工林两两之间差异不显著（P＞0.05）；15～30 cm土层，除石栎-青冈次生林、毛竹林、水田与杉木人工林、农用旱地、苗圃之间，杉木人工林与苗圃之间差异显著（P＜0.05）外，其他土地利用方式间差异不显著（P＞0.05）。由此表明，土地利用方式对土壤ROC含量的影响比对土壤SOC的影响更为明显，但随着土壤深度增加，其影响程度明显减弱。

0～15cm 土层 ROC 分配比例为 21.02%～32.54%，15～30 cm土层为21.10%～28.49%，不同土地利用方式之间差异显著（P＜0.05），高低顺序为：杉木人工林＜苗圃＜农用旱地＜毛竹林＜石栎-青冈次生林＜水田。除杉木人工林、苗圃、农用旱地与毛竹林、石栎-青冈次生林、水田之间差异显著（P＜0.05）外，其他土地利用方式两两之间差异不显著（P＞0.05）。除毛竹林外，其他土地利用方式均表现为0～15 cm土层高于15～30 cm土层，但差异均不显著（P＞0.05）（表 3）。由此表明，土地利用方式对土壤ROC分配比例影响明显。

图1　不同土地利用方式土壤ROC含量的季节变化Fig. 1　Seasonal variation of soil ROC concentrations under different land-use types

3.3土壤ROC含量的季节变化

从图1可知，不同土地利用方式两土层ROC含量的季节变化趋势基本一致，即春夏季高于秋冬季，夏季最高，冬季最低（除农用旱地0～15 cm土层、水田秋季最低外），夏季与冬、秋季差异显著（P＜0.05），春季与冬季差异显著（除水田外）（P＜0.05），秋季与冬季差异不显著（除水田0～15 cm土层、石栎-青冈次生林、毛竹林外）（P＞0.05）。0～15 cm土层的季节变化较15～30 cm土层明显，0～15 cm土层，毛竹林ROC含量季节波动最大（最高与最低之差为4.16 mg·g-1），15～30 cm土层，农用旱地季节波动最大（最高与最低之差为 3.34 mg·g-1），杉木人工林两土层ROC含量季节波动最小（0～15、15～30 cm土层ROC含量最高与最低之差分别为2.01、1.28 mg·g-1）。同一季节，0～15 cm土层ROC含量高于15～30 cm土层，特别是3种林地（石栎-青冈次生林两土层间春季差异最大，杉木人工林、毛竹林两土层间夏季差异最大）。

3.4土壤CMI的变化

以石栎-青冈次生林0～15、15～30 cm土层土壤为参照土壤，分别计算不同土地利用方式 0～15、15～30 cm土层土壤碳库指数（CPI）、碳库活度（L）、碳库活度指数（LI）、碳库管理指数（CMI），结果如表4所示。从表4可知，非活性有机碳（NL）含量也表现为0～15 cm土层高于15～30 cm土层，不同土地利用方式同一土层NL含量、CPI的变化趋势与SOC一致。6种土地利用方式土壤碳库活度（L）和碳库活度指数（LI）一致，与土壤 ROC分配比例的变化趋势基本一致。

如表4所示，6种土地利用方式0～15、15～30 cm土层的 CMI变化范围分别为 33.37～100和40.67～100，同一土层CMI不同土地利用方式之间差异显著（P＜0.05），两土层CMI高低顺序与土壤ROC含量一致，毛竹林、水田、杉木人工林、农用旱地、苗圃较石栎-青冈次生林分别下降了9.1%～20.9%、11.6%～18.4%、40.0%～44.1%、48.6%～51.5%和 59.3%～66.6%。表明土地利用方式对土壤CMI影响显著，特别是土壤0～15 cm土层，不同人工林和农业用地因人为干扰程度不同，土壤 CMI下降程度不同。

3.5土壤ROC含量、CMI与土壤理化性状的相关性

分析结果（表5）表明，土壤ROC含量与CMI呈极显著正相关（P＜0.01）。土壤ROC含量、CMI 与SOC、全N、全P、水解N、有效P含量呈极显著正相关（P＜0.01），与全K、速效K之间不存在显著相关关系（P＞0.05），与土壤自然含水率不存在显著相关关系（P＞0.05），与pH呈极显著负相关（P＜0.01）。

表4　不同土地利用方式土壤碳库管理指数Table 4　Soil carbon management index in different land-use types

4　讨论

由于地表植物残留物分解形成的有机碳首先进入土壤表层，随土壤深度增加，有机碳输入量减少，因而0～15 cm土层SOC含量高于15～30 cm土层。也由于农用旱地、水田、苗圃定期耕作等人为干扰较林地多，破坏了土壤原有的层次结构，使上下层土壤充分混合，导致其上下土层间的 SOC含量差异不明显。

SOC含量取决于进入土壤的动植物残体数量与其在土壤微生物分解作用下的损失量之间动态平衡的结果。地表地被物和经营过程因土地利用方式不同而异，导致土壤外源碳库输入量的差异，进而引起不同土地利用方式 SOC含量差异显著。本研究中，石栎-青冈次生林两土层SOC含量显著高于杉木人工林、毛竹林（除15～30 cm土层外）、苗圃、农用旱地、水田相应土层，与王晓君等（2011）、方丽娜等（2011）的研究结果基本一致。究其原因，主要是：（1）杉木人工林、毛竹林凋落物分解缓慢，每年秋冬季清除林下植物和人工整枝、清除林内枯死木等，导致SOC输入量明显减少；（2）毛竹林采取集约经营措施，每年劈山、复垦，虽施入一定数量的有机肥，但也由于土壤扰动比较频繁，土壤呼吸作用增加，加速了SOC的消耗；（3）林地转变为农用地后，地表植被净初级生产量（NPP）降低或地表残留物被移除，减少了 SOC输入量；同时，地表植被类型的改变以及频繁的耕作活动致使土壤团聚体的破坏、土壤温度升高而促进 SOC的分解，原来稳定的有机碳不稳定化并加大了渗透量（Beata et al.，2005）；（4）亚热带地区，农业耕作方式除了耕作和施肥以外，农作物秸杆还田很普遍，其正激发效应更有利于土壤原有有机碳的分解矿化（杨林章等，2005；唐国勇等，2006）。水田位于下坡洼地，田面平整，侵蚀轻微，以双季水稻为主，施肥和作物生产力水平较高，淹水条件下有机质分解速度较慢（文启孝等，1983），故水田SOC含量高于苗圃、农用旱地。由此表明，土地利用方式对 SOC含量及其分布产生了显著的影响，天然次生林转变为人工林、农用地后，SOC含量明显下降。此外，除石栎-青冈次生林为西北坡外，其他土地利用方式均为东南坡，且石栎-青冈次生林坡度较大，导致土壤温度和土壤自然含水率的差异。一般情况下，东南坡土壤温度、含水率高于西北坡，有利于土壤有机质的分解，进而影响土壤 SOC的积累，这可能也是石栎-青冈次生林SOC含量高于其他土地利用方式的原因之一。

不同土地利用方式显著改变了 SOC输入的数量和质量，影响土壤生物的功能类群和数量（Thorburn et al.，2012），进而显著影响土壤活性有机碳含量（Dupont et al.，2010）；也由于SOC的输入主要集中在土壤表层，且随土层深度的增加输入量减少，土壤ROC含量也呈递减趋势（王国兵等，2013）。本研究中，石栎-青冈次生林树种多，细根生物量大，每年有大量枯落物归还土壤，且易分解，在地表形成明显枯落物层，外源碳输入量高，有利于 SOC积累；杉木人工林、毛竹林树种单一，每年虽也有枯落物归还土壤，以及秋冬季都会进行砍杂、修枝、清理林下植物和地表枯死木等，但枯落物等分解速度缓慢，外源碳库的补给和 SOC均明显低于石栎-青冈次生林（表2）；而苗圃、农用旱地、水田进入土壤的新鲜有机质明显少于石栎-青冈次生林、杉木人工林、毛竹林，且耕作引起土壤物理环境的改变加速了SOC的分解。因此，6种土地利用方式土壤ROC含量差异显著，特别是在0～15 cm土层。与0～15 cm土层相比，15～30 cm土层ROC含量显著下降，部分土地利用方式间的差异逐渐减弱或消失，与 SOC含量的变化趋势基本一致，分析也表明，土壤ROC含量与SOC含量呈极显著相关（表5）。由此表明，不同土地利用方式导致外源碳库投入和土壤理化性质的变化显著地影响土壤SOC含量及其空间分布，进而影响土壤ROC含量及其空间分布。

土壤ROC的分配比例可用来反映土壤有机碳的质量，土壤ROC的分配比例越高，SOC活性越大，越容易被植物和微生物利用和分解，质量也就越高（Wang et al.，2010；Mandal et al.，2011）。土壤ROC的分配比例一般在15%～25%之间，但在不同生态系统中有所不同（王晶等，2003），随土壤深度增加呈下降趋势（Mandal et al.，2011；王晓君等，2011；王国兵等，2013）。本研究中，6种土地利用方式土壤ROC的分配比例在21.02%～32.54%之间，随土层加深呈下降趋势，与王国兵等（2013）的研究结果基本一致。其中水田、石栎-青冈次生林、毛竹林各土层ROC的分配比例显著高于农用旱地、苗圃、杉木人工林，表明水田、石栎-青冈次生林、毛竹林土壤碳库的生物可利用性和质量均高于农用旱地、苗圃、杉木人工林。

不同土地利用方式两土层ROC含量表现出基本一致的季节变化规律，与王莹等（2010）、王国兵等（2013）的研究结果基本一致。主要是由于不同季节外源碳输入量和土壤微生物活性发生了明显变化所致。春夏季节，水热条件适宜，植物生长旺盛，为土壤提供充足的新鲜碳源，提高了土壤微生物数量、活性和植物代谢速率，枯落物分解加快，根系生长和分泌物增多，促进SOC的分解和转化，有利于土壤ROC的累积（王莹等，2010；王国兵等，2013）；而秋季（9月）气温仍较高，降水量明显减少，出现“秋燥”而导致大部分土壤微生物难以耐受土壤干燥，因而土壤微生物活性大幅减弱（Kandeler et al.，1999），土壤ROC含量随之降低；冬季温度降低，植物处于休眠状态，土壤微生物活性及其生物量明显下降，土壤ROC含量下降。

研究表明，活性有机碳如果被结合在土壤团聚体内部则失去活性而变成非活性有机碳（Blair et al.，2000）。土地利用方式变化，一方面SOC输入量的变化影响土壤活性有机碳含量，另一方面SOC稳定性和质量的变化导致土壤活性有机碳与非活性有机碳相互转变（Six et al.，2002）。林地转变为农用地或草地后，由于土壤活性有机碳含量以及SOC稳定性和质量下降，使部分非活性有机碳转变为活性有机碳（Blair et al.，2000）；而造林后土壤活性有机碳含量增加，SOC稳定性和质量提高，一部分活性有机碳可能变为非活性有机碳，即活性有机碳被结合在土壤团聚体内部使其分解受阻而变成非活性部分（Nelson et al.，1998）。本研究中，杉木人工林、毛竹林、水田、农用旱地、苗圃土壤ROC和NL含量均显著低于石栎-青冈次生林，原因可能也是 SOC输入量明显减少，为维持植物生长和土壤微生物活性，必须使 SOC库维持较高的活跃度，人为干扰较大的毛竹林、水田、农用旱地、苗圃土壤碳库活度（L）和碳库活度指数（LI）高于天然的石栎-青冈次生林和人为干扰相对较少的杉木人工林（表 5），以高速低效率的运转状态来补偿人类对生态系统的胁迫，使结合在土壤团聚体内部的非活性有机碳被释放，打破原有的活性碳与非活性碳之间的平衡，使非活性碳不断地被转化和分解，存在NL向ROC转化的作用，从而表现出SOC、ROC和NL含量均下降的变化趋势。

土壤ROC、CMI与SOC呈极显著正相关，表明土壤ROC既不同于有机碳又与有机碳紧密相连，是土壤 SOC的一部分，明显依赖于地表碳源的输入、固定、转化和分解。土壤 ROC、CMI与土壤全N、全P、水解N、有效P呈显著正相关，是由于土壤N、P含量影响土壤微生物对其的分解和利用（徐侠等，2008），影响植物生长以及植物向土壤输入的有机质的数量和质量，进而影响土壤ROC含量（Chen et al.，2012；Chen et al.，2014）。土壤pH可以影响土壤微生物类群和活性，从而影响土壤ROC的周转（Acea et al.，1990）。土壤ROC、CMI与全K、速效K不存在相关关系，其原因有待于进一步深入研究。以上结果表明，不同土地利用方式土壤pH、SOC、N、P的变化是导致不同土地利用方式间土壤 ROC、CMI差异的主要因素，同时进一步证实了土壤 ROC是土壤养分的主要供给库（张付申，1996），土壤 ROC、CMI能客观地反映土壤的管理情况，能敏感和直观地指示土壤养分的变化，也说明了次生林转变为人工林、农用地后，SOC、ROC含量下降，是土壤肥力下降的重要原因。

5　结论

土地利用方式对土壤SOC、ROC含量、CMI及其空间分布产生了显著的影响，但对土壤 ROC含量的季节变化节律没有明显影响，天然次生林转变为人工林或农用地后，土壤碳库处于高速低效率运转状态，土壤SOC、ROC含量和CMI显著下降。不同土地利用方式外源碳库输入量、土壤理化性质的变化是导致不同土地利用方式土壤 SOC、ROC含量、CMI及其分布差异的主要原因。因此，保护天然常绿阔叶林，科学合理地经营和利用林地资源，对稳定土壤碳库、提高土壤肥力具有重要的作用和意义。

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Effects of Land Use on Soil Readily Oxidized Carbon and Carbon Management Index in Hilly Region of Central Hunan Province

ZHANG Shiji1， XIANG Wenhua2， 3， SUN Weijun2， FANG Xi2， 3
1. School of Material science and Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China；2. School of Life science and technology， Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004， China；
3. State Key Laboratory of Ecological Applied technology in Forest Area of South China， Changsha 410004， China

In order to understand the effects of land use types on soil readily oxidized carbon （ROC） and carbon management index （CMI） in the mid-subtropical zone， KMnO4chemical oxidation method was used to study the seasonal variations of soil ROC concentration， calculate soil CMI by using Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca secondary forest as contrast， and investigate correlation of soil ROC concentration and soil CMI with soil physicochemical properties in six adjacent land use types: （1） L. glaber-C. glauca secondary forest. （2） Cunninghamia lanceolata plantation. （3） Phyllostachys edulis stands. （4） Seedling nursery lands. （5） Slope farmland. And （6） paddy field in hilly areas of central Hunan， China. The results showed that soil ROC concentrations and the proportion of ROC to total SOC in the 0～15， 15～30 cm soil depth were significantly different with the land use types， soil ROC concentration ranked in an order L. glaber-C. glauca secondary forest ＞ C. lanceolata plantation ＞P. edulis stands ＞ paddy field ＞ slope farmland ＞ seedling nursery lands， the proportions of ROC to total SOC were in the order as follow: paddy field ＞ L. glaber-C. glauca secondary forest ＞P. edulis stands ＞ slope farmland ＞ seedling nursery lands ＞ C. lanceolata plantation. Compared with L. glaber-C. glauca secondary forest， soil ROC concentrations decreased by 9.8%～15.6%， 22.0%～36.3%，27.6%～40.1%， 47.4%～51.2%， 58.0%～65.5% in P. edulis stands， paddy field， C. lanceolata plantation， slope farmland and nursery，respectively， soil CMI decreased by 11.6%～18.4%， 9.1%～20.9%， 40.0%～44.1%， 48.6%～51.5% and 59.3%～66.6% in paddy field， P. edulis stands， C. lanceolata plantation， slope farmland and seedling nursery lands， respectively. Seasonal variations of ROC concentrations were considerable but a similar change patterns were found in different land use types. Soil ROC concentrations were significantly higher in spring， summer than in autumn and winter， the highest was in summer， the lowest in winter or autumn. Positive correlations were found between soil ROC concentrations， soil CMI and soil SOC， total N， total P， hydrolysis N， available P，negative correlation was found between soil ROC concentrations， soil CMI and soil pH， however no correlation was found between soil ROC concentrations， soil CMI and soil moisture content， total K， available K. The results demonstrated that effects of land use types on soil ROC concentration and CMI were significant. Stability， bioavailability of soil carbon pool， soil ROC concentration and the soil CMI were significantly reduced when secondary forests were converted to plantations or agricultural lands.

hilly region of central Hunan Province； land use types； readily oxidized carbon （ROC）； secondary forest； carbon management index （CMI）

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.001

S154.1； X144

A

1674-5906（2016）06-0911-09

国家林业公益性行业科研专项（201504411）；中南林业科技大学引进高层次人才科研启动基金项目（2014YJ019）作者简介：张仕吉（1967年生），男，副研究员，博士，研究方向为森林生态学。E-mail: zhangshiji430202@163.com

2016-03-10