川西亞高山云杉低效林林窗改造下土壤水溶性有機碳的季節(jié)動態(tài)*

潘業(yè)田，郝凱婕，張翠翠，李賢偉，王曉虹，范赟（.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川成都 6008；.山西省林業(yè)科學研究院，山西太原 000；.四川農(nóng)業(yè)大學林學院，四川成都 60）

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川西亞高山云杉低效林林窗改造下土壤水溶性有機碳的季節(jié)動態(tài)*

潘業(yè)田1，郝凱婕2，張翠翠1，李賢偉3，王曉虹3，范赟3
（1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川成都 610081；2.山西省林業(yè)科學研究院，山西太原 030012；3.四川農(nóng)業(yè)大學林學院，四川成都 611130）

摘要：本文分析了川西亞高山米亞羅林區(qū)典型云杉低效林經(jīng)不同面積的林窗（50 m2，L1；100 m2，L2；150 m2，L3；對照樣地，CK）改造后土壤總有機碳和水溶性有機碳含量的變化。對4個樣地的不同土層（分0～15 cm，15 cm～30 cm兩層）的土壤總有機碳和水溶性有機碳的變化進行了動態(tài)監(jiān)測，并分析了土壤總有機碳和水溶性有機碳的季節(jié)變化及與其他活性碳和土壤溫度的關(guān)系。結(jié)果表明：土壤總有機碳和水溶性有機碳的含量均是L2＞L3＞L1＞CK，且土壤上層高于下層；在觀測的四個季節(jié)內(nèi)，上、下層土壤水溶性有機碳含量均是夏季最低，以后逐漸升高，100 m2林窗的碳含量最高。

關(guān)鍵詞：亞高山地區(qū)；林窗；云杉人工林；土壤水溶性有機碳

土壤活性有機碳是土壤的重要組成部分，是表征土壤肥力的一個重要參數(shù)，其指標已經(jīng)被用來評價退化生態(tài)系統(tǒng)中的恢復效果［1］。土壤中水溶性有機碳（Water-soluble Organic Carbon，WSOC）作為活性有機碳是土壤微生物可直接利用的有機物質(zhì)，但只占土壤有機碳的很少部分，一般含量不超過200 mg·kg-1［2］。土壤水溶性有機碳容易被土壤微生物分解［3］，它參與了土壤生物化學轉(zhuǎn)化過程，又是土壤微生物生命活動的能源，對土壤養(yǎng)分的有效化也有著十分重要的作用［4～5］。因此研究土壤水溶性有機碳含量及其季節(jié)變化對評價森林土壤質(zhì)量、土壤肥力和土壤碳庫平衡具有重要意義。

川西米亞羅林區(qū)是長江上游森林的主體、長江流域重要的生態(tài)屏障、是全球氣候變化的晴雨表，對維持區(qū)域小氣候、涵養(yǎng)水源和水土保持等具有十分重要的意義。由于現(xiàn)有林分初植密度過大和撫育工作滯后，林分普遍長勢衰弱，并且由單一的樹種組成，層次結(jié)構(gòu)單一，物種多樣性低，土壤肥力退化，成了影響森林生態(tài)效益的發(fā)揮和阻礙森林生態(tài)系統(tǒng)向健康方向演替的瓶頸之一，這種結(jié)構(gòu)不合理的林分極大地削弱了森林的生態(tài)功能。如何提高低效林的生態(tài)服務(wù)功能是全球性的生態(tài)問題，開展川西低效林改造，是切實提高川西地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能的關(guān)鍵，也是四川建設(shè)“長江上游生態(tài)屏障”的重要組成部分。

本文分析了川西米亞羅林區(qū)典型低效林經(jīng)不同林窗改造后，土壤中的總有機碳和水溶性有機碳的季節(jié)變化，為衡量低效林改造的效益評價作一些初步的探討，為云杉人工林的合理經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)域概況

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省西部阿壩藏族、羌族自治州理縣米亞羅林區(qū)，東經(jīng)102°48′～103°02′，北緯31° 43′～31°47′，屬于青藏高原東南邊緣的鄧峽山脈東坡高山峽谷地帶，處于岷江上游支流雜古腦河上游。研究區(qū)海拔2 400 m～4 400 m，地面坡度多在35°以上。氣候受高原地形的決定性影響，屬高山氣候，年均溫6℃～12℃，極端高溫32℃，極端低溫- 16℃，≥10℃的積溫為1 200℃～1 400℃，常年無霜期200 d。總之，該區(qū)氣候特點是氣溫年變幅不大，夏季濕潤多雨，冬季寒冷干燥，屬季風性山地氣候。本研究區(qū)大致處于暗棕壤地帶。

1.2試驗地簡況

試驗地選在川西亞高山米亞羅林區(qū)川西林業(yè)局283 km處，共12小班，小班面積均為20 m×30 m。在實施林窗改造前，林分密度3 500株·hm-2～4 500株·hm-2，郁閉度為0.9，平均直徑17 cm，平均樹高10 m，林木生長不良，衛(wèi)生狀況極差，林下僅有少量草本植物生長，幾乎無灌木，其生態(tài)功能處于退化狀態(tài)，生產(chǎn)功能處于極低效狀態(tài)。2005年，在試驗地實施人工促進近自然林經(jīng)營，每個林窗處理都做3個重復，2009年對樣地進行了調(diào)查，樣地基本特征見表1，樣地的基本理化性質(zhì)見表2。

表1　樣地基本特征Tab.1 　General characteristic of the sampling plots

表2　樣地基本理化性質(zhì)Tab.2 　Chemical and physical properties of soils in the sampling plots

2　研究方法

2.1樣品采集與測試

在各個小班內(nèi)，分別按蛇形選擇3個有代表性地段設(shè)立采樣區(qū)，采樣區(qū)選好后，在每個采樣區(qū)內(nèi)進行分層采樣（0～15 cm，15 cm～30 cm），采集0～30 cm土壤，因為幾個樣地土層深度不足40 cm，因此，統(tǒng)一取樣深度為30 cm。土壤樣品的收集采用挖土壤剖面法，每次取樣是在每個樣地相同的采樣區(qū)進行的，即在前一個樣點附近取樣，盡量保持土壤的均一性。最后將3個采樣區(qū)采集到的同一土層土樣混合作為一個樣品帶回室內(nèi)。土壤帶回實驗室，分成兩份，1份鮮樣去雜、過2 mm鋼篩后貯藏于4℃的冰箱內(nèi)，用于測定水溶性有機碳、微生物生物量碳；另一份自然風干、去雜、過0.15 mm篩，用于測定總有機碳；每個指標的測定都做3個重復。

從2009年4月到2009年12月（整個生長季節(jié)）4月（代表春季）、7月（代表夏季）、9月（代表秋季）、12月（代表冬季）每月下旬各采1次樣，一年共采樣4次。

土壤總有機碳（Soil Total Organic Carbon，TOC）的測定采樣重鉻酸鉀外加熱法［6］；土壤水溶性有機碳（WSOC）的測定采用水提取法［7］；土壤微生物量碳（Soil Microbial Biomass Carbon，SMBC）的測定采用氯仿熏蒸K2SO4提取法［8］；土壤易氧化碳（Readily Oxidizable Carbon，ROC）采用0.333 mmol·L-1的高錳酸鉀氧化法［9］，土壤顆粒碳（Particulate Organic Carbon，POC）采用5 g·L-1六偏磷酸鈉分散法［10］；pH值采用pH計測定。

在設(shè)置樣地的同時，在各個樣地地下5 cm處，埋設(shè)紐扣式溫度計，由儀器自動記錄土壤溫度，在每次采樣時讀取溫度數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)分析采用Office Excel 2003和SPSS16.0統(tǒng)計軟件，進行相關(guān)性（Pearson）分析和單因素方差（One- Way ANOVA）分析，不同處理之間多重比較采用Duncan新復極差法。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤總有機碳含量隨季節(jié)的變化

CK、L1、L2、L3 4個樣地的上下層土壤總有機碳的季節(jié)變化趨勢基本一致（圖1），均表現(xiàn)為夏季＞春季＞冬季＞秋季；都是在夏季土壤總有機碳含量達到最高，秋季降到最低；而且土壤總有機碳含量隨季節(jié)變化幅度比較大。

圖1　不同土層土壤總有機碳含量隨季節(jié)的變化Fig.1 The TOC content change in different-depth soil alongwith the season

方差分析表明除了L1與L3之間在春、夏、秋3個季度差異不顯著（p＞0.05），其余幾個季度各個樣地之間均是差異顯著或極顯著。L2的總有機碳變幅最大，為29.99 g·kg-1～67.20 g·kg-1；其次是L3，為24.96 g·kg-1～59.90 g·kg-1；L1，為23.94 g·kg-1～58.32 g·kg-1；CK的總有機碳變幅最小，為21.32 g·kg-1～53.16 g·kg-1。整個生長季內(nèi)，總有機碳的上下層總和是L2＞L3＞L1＞CK，其中L2的總有機碳含量是CK的1.37倍。

3.2土壤水溶性有機碳含量的季節(jié)變化

CK、L1、L2、L3 4個樣地的上下層土壤水溶性有機碳也均有明顯的季節(jié)性變化，并且變化趨勢是相似的（如圖2），夏秋季土壤水溶性有機碳含量較低，冬春季節(jié)的土壤水溶性有機碳含量較高，即春季開始，水溶性有機碳含量逐漸降低，到夏季時降至最低，隨后不斷升高。

方差分析表明：土壤水溶性有機碳含量在春季：L1與L3之間差異不顯著（p＞0.05），L2與L3差異顯著（p＜0.05），其余各個季度CK、L1、L2、L3之間兩兩差異均極顯著（p＜0.01）。而且在各個季節(jié)土壤水溶性有機碳含量均表現(xiàn)為L2＞L3＞L1＞CK。其中CK的土壤水溶性有機碳含量的變幅最大，為66.70 mg·kg-1～152.77 mg·kg-1；其次是L1，為82.06 mg·kg-1～162.07 mg·kg-1；L3為91.99 mg·kg-1～163.66 mg·kg-1；L2的變幅最小，為105.09 mg·kg-1～169.79 mg·kg-1。而且在整個生長季內(nèi)，土壤水溶性有機碳含量的上下層總和表現(xiàn)為L2＞L3＞L1＞CK。其中L2的土壤水溶性有機碳含量是CK的1.32倍。

3.3土壤水溶性有機碳占總有機碳的比例隨季節(jié)的變化

土壤水溶性有機碳占總有機碳的比率比水溶性有機碳總量更能反映林窗改造對碳行為的影響結(jié)果。從圖3可以看出，CK、L1、L2、L3等4個樣地的上下層土壤水溶性有機碳占總有機碳的比率的季節(jié)變化均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，春季開始，水溶性有機碳占總有機碳的比率逐漸降低，到夏季時降至最低，隨后不斷升高（如圖3）。

圖3　不同土層土壤水溶性有機碳占總有機碳的比例隨季節(jié)的變化Fig.3 The WSOC/ TOC change in different-depth soil along with the season

方差分析表明，在整個生長季節(jié)內(nèi)CK、L1、L2、L3的土壤水溶性有機碳占總有機碳的比率兩兩之間差異均是極顯著（p＜0.01）。其中CK的變幅最大，為0.0025～0.0090；其次是L1，變幅為0.0027～0.0089；L3的變幅為0.0031～0.0090；L2的變幅最小，為0.0031～0.0090。而且在整個生長季節(jié)內(nèi)，土壤水溶性有機碳占總有機碳的比率四個季節(jié)的平均值為L1＞L3＞CK＞L2。

3.4云杉人工林土壤TOC、WSOC、MBC、林窗面積、土壤溫度之間的關(guān)系

如表3所示，林窗面積與土壤總有機碳含量是在0.05水平上相關(guān)，與土壤水溶性有機碳含量是極相關(guān)（p＜0.01）；溫度與總有機碳、水溶性有機碳均是負的極相關(guān)（p＜0.01）。

表3　總有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳、顆粒碳、林窗面積及土壤pH值、溫度之間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 　Correlation coefficient among TOC、MBC、WSOC、Forest gaps' area and Soil temperatures

總有機碳與水溶性有機碳（WSOC）、微生物量碳（SMBC）、顆粒有機碳均極相關(guān)（p＜0.01），與易氧化碳是0.05水平相關(guān)；水溶性有機碳（WSOC）與微生物量碳（SMBC）、易氧化碳、顆粒有機碳均是極相關(guān)（p＜0.01）。

4　結(jié)論與討論

在本研究中，整個生長季內(nèi)，CK、L1、L2、L3 4個樣地的土壤總有機碳、水溶性有機碳含量均是上層高于下層。不同土層總有機碳含量高低各不相同，這與何功秀等［11］的研究結(jié)果一致。分析原因一方面可能是由于枯枝落葉在表層的積累和轉(zhuǎn)化，促進了表土層有機質(zhì)的積累，從而使上層土壤有機碳含量較下層高；隨著土層深度的增加，土壤中空氣含量、水分含量及土壤溫度均降低，進而導致土壤微生物含量降低且微生物的新陳代謝活動減弱［12］，有機質(zhì)消耗減少；另一方面有研究表明隨著土層深度的增加，植物根系尤其是草本植物的根系分布減少［13～14］，而草本植物根系的殘體是土壤有機質(zhì)來源之一。這與姜培坤［15］以及張潔，姚宇卿［16］研究結(jié)果一致。

土壤活性有機碳的季節(jié)性動態(tài)變化是一個復雜過程，不同森林生態(tài)系統(tǒng)土壤活性有機碳的季節(jié)變化不同［17］。同一生態(tài)系統(tǒng)，即使氣候條件相同，不同植被下土壤活性有機碳的季節(jié)變化也不相同［18］。土壤有機碳的形成和積累是個復雜的過程，受很多因素的影響，根系生物量和植物殘體以及微生物為土壤有機碳的形成提供了物質(zhì)來源，但不是唯一的來源［19］。同時，林地的土壤狀況（土壤溫濕度、土壤微生物、土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)等）也影響土壤有機質(zhì)的分解，從而影響土壤有機碳含量。

春季到夏季，植物生長逐漸旺盛，云杉和林下植物的根系發(fā)育固定了更多的有機碳，使有機碳大量積累，所以春季和夏季土壤有機碳的含量較高；氣溫逐漸升高，降雨增加，適宜的水熱條件，使得土壤微生物活性增加，處于活躍的新陳代謝狀態(tài)，土壤微生物的周轉(zhuǎn)速率提高，能耗加快，同時增加水溶性有機碳的生物降解和礦化量，大量的土壤微生物消耗水溶性有機碳，導致土壤水溶性有機碳含量下降［20］。

夏季到秋季，土壤的溫度一直很高，土壤微生物活性持續(xù)增加，導致土壤有機質(zhì)分解加速，且碳的消耗量增加［21］，所以土壤有機碳含量下降。到秋季微生物消耗水溶性碳的同時，林下枯落物和死亡草本增加，根系分泌物增加，又使得土壤水溶性有機碳含量增加［22］，此時土壤水溶性有機碳產(chǎn)生量大于消耗量，所以到秋季水溶性碳含量升高。

秋季到冬季，溫度持續(xù)下降，植物生長停滯、林下草本死亡、凋落物增多，促進了總有機碳和水溶性有機碳的積累，而且溫度持續(xù)下降，微生物活性降低，使得水溶性有機碳的消耗減少，冬季土壤中積累的大量易利用組分，使得冬春季水溶性有機碳生物可利用性明顯高于夏秋季［23～24］，所以總有機碳和水溶性有機碳含量升高。

本研究表明，整個生長季內(nèi)，CK、L1、L2、L3 4個樣地，溫度與總有機碳、水溶性碳均相關(guān)（p＜0.05），說明溫度對土壤有機碳的積累有顯著的影響。

由于林窗面積不同使得不同的小班在根系生物量、凋落物、土壤生物、土壤溫濕度等方面存在的空間差異，導致了土壤有機碳的含量產(chǎn)生了一定的差異。本研究中，土壤總有機碳、水溶性有機碳含量均與林窗面積極相關(guān)（p＜0.01）。整個生長季內(nèi)均表現(xiàn)為，總有機碳的平均含量是L2＞L3＞L1＞CK，說明林窗面積對土壤碳含量的影響比較大，而且面積是100 m2的林窗更有利于土壤有機碳的固存，在森林經(jīng)營管理過程中優(yōu)先借鑒和采用。

因此，可以看出，在氣候和土壤等自然條件基本相同的情況下，林窗面積、土層深度、及土壤溫度都會對土壤有機碳的含量產(chǎn)生影響。

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Seasonal Dynamics of Soil Water Soluble Organic Carbon in Forest Gaps of the Low Efficiency Spruce Plantation in the Subalpine Region of Western Sichuan

PAN Ye-tian1HAO Kai-jie2ZHANG Cui-cui1LI Xian-wei3WANG Xiao-hong3FAN Yun3
（1.Sichuan Forest Inventory and Plan Institute，Chengdu 610081，Sichuan，China；2.Shanxi Academy of Forestry Science，Taiyuan 030012，Shanxi，China；3.Forestry College of Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，Sichuan，China）

Abstract：In this paper，analysis was made of the content changes of the soil organic carbon and water soluble organic carbon through different gaps（50 square meters，L1；100 square meters，L2；150 square meters，L3；control plot，CK）in typical low-efficiency spruce forest gaps of Miyaluo forest area in Western Sichuan .Dynamic monitoring was conducted on changes in soil organic carbon and water soluble organic carbon in four plots in different soil layers（0～15 cm and 15 cm～30 cm layers），and analysis was made of seasonal variation of soil organic carbon and water soluble organic carbon and thier relationship with other activated carbon and soil temperature.The results showed that total organic carbon and dissolved organic carbon content of the soil were L2＞L3＞L1＞CK，and those of the upper layer of soil were higher than those of the lower layer.In four seasons observations，water-soluble organic carbon content in the upper and lower layer soil was the lowest in summer，then gradually increased，and the carbon content of 100 square meters of forest gap was the highest.

Key words：Subalpine region，F(xiàn)orest gap，Spruce plantation，Soil water soluble organic carbon

作者簡介：潘業(yè)田（1987-），男，四川資中人，碩士學位，從事森林培育研究，四川林業(yè)勘察設(shè)計研究院，E-mail：284032169@ qq.com。

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目（2011BAC09B05）；四川省科技支撐計劃重點項目（2010NZ0049）。

收稿日期：2015-10-13

doi：10.16779/ j.cnki.1003-5508.2016.01.005

中圖分類號：S714

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5508（2016）01-0027-06