秦岭辛家山典型植被类型土壤活性有机碳分布特征

王 强，韩 欢，耿增超*，侯 琳，和文祥，张彤彤，王志康

(1.西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨陵 712100；2.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100)

全球气候变暖及影响是人类面临的最为严重的环境问题之一[1-2]，森林生态系统是陆地中最大的碳库，约占陆地总碳库的46%，在全球气候变化中发挥着重要作用，对全球碳循环和碳平衡至关重要[3]。而森林土壤碳库作为森林生态系统碳库的主体，其微小变化能引起大气中CO2浓度的较大波动[4]，森林土壤碳库包括无机碳库和有机碳库两部分，土壤无机碳贮量相对较小且变动不大[5]，土壤有机碳库可分为活性库、慢性库和惰性库3种类型[6]，而土壤碳库的动态变化主要体现在一定时空条件下受植被和微生物影响强烈，具有一定溶解性、移动性、易矿化的活性有机碳库中[7]，通常可用微生物生物量碳、易氧化碳、水溶性有机碳、颗粒有机碳等来表征[8]，活性有机碳直接参与土壤生物化学反应，是土壤微生物活动的能源来源，在土壤养分循环中具有重要作用，并且能够快速反映气候变化和土地管理方式改变所引起的土壤细微变化[9-10]。因此，研究森林土壤活性有机碳是森林土壤碳库动态变化及调控机理研究的重要方面[11]。

秦岭作为我国东西走向的大山脉，是长江和黄河两大水系的分水岭，也是南北气候和地理的天然分界线，在中国陆地生态系统碳循环中发挥着重要作用。近年来，国内对秦岭山区土壤有机碳的研究日益增多，如唐明辉[12]等研究分析了秦岭南坡4个林区红桦原始林和红桦天然次生林土壤有机碳分布状况，结果表明，土壤有机碳与海拔和林龄呈显著正相关，而与坡度呈显著负相关。郭建明[13]等通过分析太白山南坡和北坡不同海拔梯度红杉林土壤有机碳密度得出有机碳与海拔、容重呈显著负相关，且随年降水量的增加呈下降趋势。康博文[14]等采用土壤碳循环分室模型研究得出秦岭火地塘林区油松林土壤有机碳储量为146.071 t·hm-2。但对位于秦岭西部南坡辛家山林区不同海拔梯度植被类型土壤有机碳及其活性组分的研究鲜有报道，研究该林区典型林分下土壤活性有机碳含量和分配比例对于揭示辛家山林区不同森林类型对土壤碳循环的调控和影响具有重要意义。本文选取辛家山林区(南坡)2个海拔梯度下5种植被类型(云杉林、灌木林、红桦林、落叶松林和锐齿栎林)土壤为研究对象，测定分析了不同植被类型土壤有机碳及其活性组分，旨在揭示不同海拔梯度下各植被类型土壤有机碳及活性有机碳的分布状况和影响因子，以期为秦岭地区生态环境研究和森林土壤碳库管理提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辛家山林区位于秦岭西部南坡，地理坐标为106°26′-106°38′E，34°10′-34°20′N，海拔1 400～2 700 m，东西长 24 km，南北宽22 km，总经营面积25 317 hm2，均为林业用地，森林覆盖率为96.8%，林区境内土壤以棕壤、暗棕壤和山地草甸土为主，土层厚薄不一，一般台地、阶地、窝趟土层深厚，陡险坡面土层较薄，呈中酸至微酸性反应。林区属北亚热带北缘暖温带山地湿润气候区，由于山地高差悬殊，气候垂直变化明显，小气候差异大，年平均气温11℃，降水多集中于7-9月，不均匀分布，年降雨量600～900 mm。林区资源丰富，物种繁多，现有各种植物500余种，野生动物280余种，森林昆虫1 400多种，主要树种为冷杉(Abiesholophylla)、云杉(Piceaasperata)、红桦(Betulaalbo-sinensisBurk)、锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、华山松(Pinusarmandii)、油松(Pinustabulaeformis)、漆树(Toxicodendronsuccedaneum)、山杨(Populusdavidiana)、落叶松(Larixsp.)等。

1.2 研究方法

以辛家山林区低海拔区域(1 700～1 720 m)锐齿栎林(简称QU)、落叶松林(简称LA)和高海拔区域(2 130～2 150 m)云杉林(简称PI)、灌木林(Shrub，简称SH)、红桦林(简称BE)5种典型植被类型下土壤为研究对象，划分样地大小为60 m×40 m，其中4种乔木植被按林相整齐、林木分布均匀且平均林龄相近的成熟林选取样地。基本概况见表1。

1.3 样品采集与分析

2016年7月下旬，在每个样地内设置3个具有代表性的样方(20 m×20 m)作为重复，各个样方内除去地表凋落物后按机械分层进行采样并记录经纬度、海拔和坡度。采样深度为60 cm，按0～10、10～20、20～40、40～60 cm将土壤剖面分4层，每层用环刀法测定土壤容重并做3个重复，在样方内按照随机布点法选择5个采样点，用土钻在各层取新鲜土样若干，并将每个样方内各采样点的土样按层混合均匀，共计60份土样，土样带回实验室后，分成 2 份，一份新鲜去杂、过 2 mm 钢筛后贮藏于 4℃的冰箱内，测定微生物生物量碳；另一份土样置于通风、阴凉、干燥的室内风干，以四分法取样磨细并过筛(孔径：2 mm、1 mm、0.25 mm)，测定pH、土壤有机碳、全氮(TN)、水溶性碳、易氧化态碳等指标。

土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；水溶性有机碳(DOC)的测定，采用去离子水振荡浸提(水土比为 5∶1)30 min，高速(4 000 r/min)离心 10 min，用 0.45 μm滤膜抽滤，滤液中有机碳含量在TOC-VCPH 自动分析仪(岛津，日本)上测定[15]；土壤易氧化态碳(ROC)测定采用 KMnO4氧化法[16]，称取过0.25 mm筛的风干土，加333 mmol/L的高锰酸钾溶液25 mL，震荡，稀释，在风光光度计565 nm下进行比色；土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法，提取液在TOC-VCPH 自动分析仪(岛津，日本)上测定[17]。土壤全氮采用半微量开氏法测定，土壤容重采用环刀法，土壤水分采用105℃烘干法，土壤pH采用电位法(水∶土=2.5∶1)。基本理化性质如表1所示。

表1 样地基本信息

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2010、Spss18.0进行数据处理和绘制表格，用单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同林分土壤碳氮指标的差异显著性(Duncan)；用双变量相关分析法计算土壤有机碳与活性组分两两之间，及土壤有机碳及活性组分与土壤基本理化性质间的Pearson相关系数；采用OriginPro2016绘制不同植被类型各土层土壤有机碳和全氮含量及各活性有机碳占土壤总有机碳百分比分布图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤有机碳和全氮含量变化

不同植被类型SOC和TN分布如图1所示，各植被类型土壤垂直剖面上SOC和TN均随土层深度的增加而逐渐减小。而在不同植被类型间SOC和TN总体表现出高海拔地区植被类型(PI、SH、BE)高于低海拔地区植被类型(QU、LA)。高海拔地区3种植被类型其SOC和TN表现为SH>PI>BE，各个土层SOC均以SH最大，由上到下依次为62.27、51.06、35.63 g·kg-1和20.20 g·kg-1，显著高于PI和BE，云杉林SOC在0～40 cm各土层显著高于红桦林，各个土层不同植被类型间TN表现为SH最高，显著高于BE；处于低海拔地区的落叶松林SOC在0～20 cm各土层显著高于锐齿栎林，TN在0～60 cm各土层差异不显著。

注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同植被类型土壤活性有机碳分布特征

由表2可知，各活性有机碳组分含量均随土层深度的加深而减小，土壤DOC和MBC总体表现出高海拔地区植被类型高于低海拔地区植被类型。高海拔地区0～20 cm各土层土壤DOC均以PI最高，分别为242.57 mg·kg-1和190.69 mg·kg-1，显著高于SH和BE；在20～60 cm各土层土壤DOC均以SH最高，分别为156.10 mg·kg-1和128.55 mg·kg-1，在20～40 cm土层SH的DOC显著高于BE，在40～60 cm土层显著高于PI和BE；低海拔区域0～10 cm和20～60 cm各土层土壤DOC含量以LA最低，且0～10 cm土层QU土壤DOC含量显著高于LA，10～20 cm土层土壤DOC含量以QU最低。高海拔区域不同植被类型各土层MBC以PI最大，分别为496.24、447.05、266.37 mg·kg-1和144.57 mg·kg-1，且在0～20 cm各土层显著高于SH和BE；低海拔区域各土层MBC表现为QU>LA，且在20～40 cm土层表现出显著差异。

高海拔区域各土层不同植被类型ROC表现为SH>PI>BE，在0～20 cm各土层SH均显著高于PI和BE；低海拔区域各土层LA>QU，且在0～40 cm各土层2种植被类型呈显著差异。

2.3 不同植被类型活性碳组分占土壤有机碳的分配比例

土壤活性有机碳占土壤有机碳的比例较土壤活性有机碳含量更能反映不同植被类型对碳行为的影响结果。由图2可知，各植被类型DOC/SOC均随土层深度的加深而增大，在底层(40～60 cm)达最大。各土层不同植被类型间QU的DOC/SOC最大，分别为0.72%、0.92%、0.94%和0.95%，处于高海拔地区的3种植被类型各土层DOC/SOC均以SH最小。SH和QU在20～40 cm土层MBC/SOC达到最大，PI、BE和LA在亚表层(10～20 cm)达到最大，在10～60 cm土层微生物生物量碳占土壤有机碳的比例均以QU最大，高海拔区域各土层DOC/SOC表现为PI>BE>SH，低海拔区域各土层DOC/SOC表现为QU>LA；不同植被类型ROC/SOC随土层深度的加深逐渐减小，低海拔区域各土层ROC/SOC均以LA最大，在土壤剖面上从上到下依次为33.41%、28.46%、26.35%和25.34%，以QU最小，依次为11.62%、9.64%、5.97%和0.79%。

2.4 土壤活性有机碳与各指标的相关性分析

土壤有机碳及其活性组分之间相关性分析结果如表3所示，不同植被类型土壤有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化碳两两之间均呈极显著正相关(P<0.01)。其中ROC较MBC和DOC，与SOC相关系数为0.943，相关性最强，3种活性有机碳两两之间，MBC和DOC相关性最强，相关系数为0.887。由表3可知，土壤有机碳及其活性组分与TN和土壤含水量均呈极显著正相关关系，与容重存在极显著负相关关系；SOC与pH呈显著正相关。

表2 不同植被类型土壤活性有机碳

注：平均值(标准差)，同列中不同字母表示差异显著(P<0.05)。

表3 土壤有机碳及其活性组分与土壤理化性质的相关性

注：**表示在P<0.01水平上极显著相关；*表示在P<0.05水平上显著相关。

3 结论与讨论

3.1 土壤有机碳和全氮含量分布状况

土壤有机碳含量是气候、土壤、地表植被、人为作用等各种因素综合影响下土壤有机碳输出与输入达动态平衡时土壤中有机碳的定量表示[18]。森林土壤有机碳含量主要取决于凋落物的输入和分解，而植被类型、气候特点以及土壤性质的不同，均会导致土壤有机碳含量分布产生差异。本研究表明，土壤有机碳及其活性组分和全氮均随土壤剖面深度的加深而减小，与以往同类研究结果相符[19]，这主要是由于植被枯枝落叶等有机物质多集中在地表，经微生物分解后形成腐殖质进入土壤，在土壤表层聚集，而且植物根系及其分泌物也随土壤深度的增加而减少，最终导致土壤有机碳及组分和全氮含量随土层的加深而减小[18]。

研究表明高海拔地区植被土壤有机碳和全氮含量明显高于低海拔地区植被土壤，部分土层植被类型间达显著水平，这与周晨霓[20]等对西藏色季拉山高山灌丛、杜鹃林、急尖长苞冷杉林和林芝云杉林4种生态系统类型研究所得结果相近，这是由于随海拔的升高，温度降低，土壤酸性增强，微生物活性减弱导致有机物质分解缓慢造成有机碳大量累积所致[21-22]；研究得出高海拔地区的云杉林SOC和TN大于红桦林，低海拔地区的落叶松林SOC和TN大于锐齿栎林，这主要是由于云杉和落叶松均属针叶林，针叶林枯枝落叶在分解过程中产生酸性物质[21]，使土壤酸性增强，微生物种类受到限制，以真菌为主，从而减缓了有机质的分解[23]，产生积累。

图2 不同土壤活性有机碳占土壤有机碳的百分比

3.2 土壤活性有机碳分布特征

土壤剖面上，处于高海拔地区的云杉林、灌木林和红桦林土壤水溶性有机碳和微生物生物量碳含量高于处于低海拔地区的落叶松林和锐齿栎林，与土壤有机碳在不同植被类型土壤中的分布较为相似，但也存在一定差别，王棣[5]等对秦岭6种典型林分土壤有机碳及活性组分研究显示，不同林分土壤水溶性有机碳分布与土壤总有机碳含量相同，而微生物生物量碳由于林地微环境、植被等因素与土壤总有机碳含量分布规律不同，与本研究结果相似，这是由于土壤水溶性有机碳和微生物生物量碳虽主要取决于土壤总有机碳含量的高低，但其作为土壤有机碳中活性较高且易分解的部分，极易受局部小气候、地表植被、径流、土壤养分状况、微生物种类及数量等外界环境的影响[24]而产生差异。土壤易氧化碳含量反映土壤中碳的稳定性，研究结果显示，不同植被类型间易氧化有机碳分布不同于土壤总有机碳含量分布规律，高海拔地区灌木林表土层(0～10 cm)、亚表土层(10～20 cm)和底土层(40～60 cm)易氧化有机碳显著高于云杉林和红桦林，低海拔地区落叶松林各土层显著高于锐齿栎林，这与王棣[5]等对秦岭不同林分土壤易氧化有机碳研究所得结果相似，土壤易氧化碳含量在取决于土壤总有机碳含量高低的同时，更易受植被类型、地域环境差异、海拔等外界条件的影响。

3.3 活性有机碳组分分配比例

从各活性有机碳组分分配比例来看，水溶性有机碳含量分配比例随土层深度增加而逐渐增加，不同于易氧化有机碳含量分配比例表现为随土层深度增加而逐渐减小，这与姜培坤[25]等对浙江玲珑山常绿阔叶林、马尾松林和人工杉木林土壤活性有机碳的研究结果相同，产生这一结果的原因可能是由于土壤水溶性有机碳随水分向下迁移所致[25]。而易氧化碳随土层深度的增加而增加可能与测定方法有关，因为在氧化不能被微生物所利用的矿质组分颗粒有机质表面的同时，主要依靠攻击土壤颗粒表面，一些大颗粒有机质内部的活性成分因被阻隔而不能被氧化[26]。研究结果显示，土壤微生物生物量碳并没有表现出明显的规律性，杨继松[27]等对三江平原小叶章湿地土壤微生物生物量碳分配比例未见明显规律性，王棣[5]等对秦岭6种典型林分活性有机碳研究也表明，微生物生物量碳分配比例规律性不强，反映了微生物生物量碳的受外界环境因素影响较大，对外界条件变化反应较为灵敏。

3.4 土壤有机碳及其活性组分与土壤基本理化性质的相关性

研究表明，土壤有机碳和水溶性有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳呈极显著正相关关系，说明土壤有机碳活性组分含量主要取决于土壤总有机碳含量的大小，这与前人研究结果一致[18,26,28]，而水溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳两两之间也表现出极显著正相关，一方面，说明土壤有机碳活性组分很大程度上依赖于土壤总有机碳含量；另一方面，也说明3种活性碳组分间关系密切，虽然3种活性碳组分在表述、影响因素和测定方法上存在差异，但在一定程度上都代表了土壤总有机碳中活性较高的那部分有机碳[26]。

土壤有机碳及其活性组分与全氮、土壤含水量表现出极显著正相关，与于洋[29]等和季志平[30]等研究结果一致，且该结果与石福臣[31]等对三江平原典型湿地土壤有机碳和全氮相关性研究结果相同。主要是因为影响微生物活动的因素对土壤全氮也有较大影响，而土壤有机碳及其活性组分是微生物活动的能量来源，所以有机碳含量通过影响土壤微生物活动来影响全氮含量[32]。王宝霞[33]等对闽江河口芦苇和互花米草的研究也表明，土壤有机碳与土壤含水量显著相关，随着土层的加深土壤有机碳含量下降，同时土壤含水量也降低，森林的枯枝落叶层不但为土壤层提供大量有机碳，而且使表层土壤具有较好的水分条件，从而为植物细根向表土层聚集提供了良好的条件，而凋落物和根系分泌物成为土壤有机碳的重要来源[11]。本研究表明，土壤有机碳及其活性组分与容重和pH呈极显著负相关，这与前人研究结果一致[34-35]，土壤pH 可以影响微生物的生长和活动。在酸性土壤中，微生物以真菌存在为主，种类受到限制，从而减缓了有机质的分解，产生积累[23]，相反随土壤pH升高，土壤有机质的溶解、分散和化学水解作用增强，可提高微生物对有机质的利用率，有机质分解加快[20]。因此，土壤有机碳及其活性组分含量是多种因素共同作用的结果。

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