秦嶺辛家山典型植被類型土壤活性有機(jī)碳分布特征

王 強(qiáng)，韓 歡，耿增超*，侯 琳，和文祥，張彤彤，王志康

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

全球氣候變暖及影響是人類面臨的最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1-2]，森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地中最大的碳庫，約占陸地總碳庫的46%，在全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用，對全球碳循環(huán)和碳平衡至關(guān)重要[3]。而森林土壤碳庫作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主體，其微小變化能引起大氣中CO2濃度的較大波動[4]，森林土壤碳庫包括無機(jī)碳庫和有機(jī)碳庫兩部分，土壤無機(jī)碳貯量相對較小且變動不大[5]，土壤有機(jī)碳庫可分為活性庫、慢性庫和惰性庫3種類型[6]，而土壤碳庫的動態(tài)變化主要體現(xiàn)在一定時空條件下受植被和微生物影響強(qiáng)烈，具有一定溶解性、移動性、易礦化的活性有機(jī)碳庫中[7]，通?？捎梦⑸锷锪刻?、易氧化碳、水溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等來表征[8]，活性有機(jī)碳直接參與土壤生物化學(xué)反應(yīng)，是土壤微生物活動的能源來源，在土壤養(yǎng)分循環(huán)中具有重要作用，并且能夠快速反映氣候變化和土地管理方式改變所引起的土壤細(xì)微變化[9-10]。因此，研究森林土壤活性有機(jī)碳是森林土壤碳庫動態(tài)變化及調(diào)控機(jī)理研究的重要方面[11]。

秦嶺作為我國東西走向的大山脈，是長江和黃河兩大水系的分水嶺，也是南北氣候和地理的天然分界線，在中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。近年來，國內(nèi)對秦嶺山區(qū)土壤有機(jī)碳的研究日益增多，如唐明輝[12]等研究分析了秦嶺南坡4個林區(qū)紅樺原始林和紅樺天然次生林土壤有機(jī)碳分布狀況，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳與海拔和林齡呈顯著正相關(guān)，而與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)。郭建明[13]等通過分析太白山南坡和北坡不同海拔梯度紅杉林土壤有機(jī)碳密度得出有機(jī)碳與海拔、容重呈顯著負(fù)相關(guān)，且隨年降水量的增加呈下降趨勢?？挡┪腫14]等采用土壤碳循環(huán)分室模型研究得出秦嶺火地塘林區(qū)油松林土壤有機(jī)碳儲量為146.071 t·hm-2。但對位于秦嶺西部南坡辛家山林區(qū)不同海拔梯度植被類型土壤有機(jī)碳及其活性組分的研究鮮有報道，研究該林區(qū)典型林分下土壤活性有機(jī)碳含量和分配比例對于揭示辛家山林區(qū)不同森林類型對土壤碳循環(huán)的調(diào)控和影響具有重要意義。本文選取辛家山林區(qū)(南坡)2個海拔梯度下5種植被類型(云杉林、灌木林、紅樺林、落葉松林和銳齒櫟林)土壤為研究對象，測定分析了不同植被類型土壤有機(jī)碳及其活性組分，旨在揭示不同海拔梯度下各植被類型土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳的分布狀況和影響因子，以期為秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境研究和森林土壤碳庫管理提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

辛家山林區(qū)位于秦嶺西部南坡，地理坐標(biāo)為106°26′-106°38′E，34°10′-34°20′N，海拔1 400～2 700 m，東西長 24 km，南北寬22 km，總經(jīng)營面積25 317 hm2，均為林業(yè)用地，森林覆蓋率為96.8%，林區(qū)境內(nèi)土壤以棕壤、暗棕壤和山地草甸土為主，土層厚薄不一，一般臺地、階地、窩趟土層深厚，陡險坡面土層較薄，呈中酸至微酸性反應(yīng)。林區(qū)屬北亞熱帶北緣暖溫帶山地濕潤氣候區(qū)，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11℃，降水多集中于7-9月，不均勻分布，年降雨量600～900 mm。林區(qū)資源豐富，物種繁多，現(xiàn)有各種植物500余種，野生動物280余種，森林昆蟲1 400多種，主要樹種為冷杉(Abiesholophylla)、云杉(Piceaasperata)、紅樺(Betulaalbo-sinensisBurk)、銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、華山松(Pinusarmandii)、油松(Pinustabulaeformis)、漆樹(Toxicodendronsuccedaneum)、山楊(Populusdavidiana)、落葉松(Larixsp.)等。

1.2 研究方法

以辛家山林區(qū)低海拔區(qū)域(1 700～1 720 m)銳齒櫟林(簡稱QU)、落葉松林(簡稱LA)和高海拔區(qū)域(2 130～2 150 m)云杉林(簡稱PI)、灌木林(Shrub，簡稱SH)、紅樺林(簡稱BE)5種典型植被類型下土壤為研究對象，劃分樣地大小為60 m×40 m，其中4種喬木植被按林相整齊、林木分布均勻且平均林齡相近的成熟林選取樣地?；靖艣r見表1。

1.3 樣品采集與分析

2016年7月下旬，在每個樣地內(nèi)設(shè)置3個具有代表性的樣方(20 m×20 m)作為重復(fù)，各個樣方內(nèi)除去地表凋落物后按機(jī)械分層進(jìn)行采樣并記錄經(jīng)緯度、海拔和坡度。采樣深度為60 cm，按0～10、10～20、20～40、40～60 cm將土壤剖面分4層，每層用環(huán)刀法測定土壤容重并做3個重復(fù)，在樣方內(nèi)按照隨機(jī)布點法選擇5個采樣點，用土鉆在各層取新鮮土樣若干，并將每個樣方內(nèi)各采樣點的土樣按層混合均勻，共計60份土樣，土樣帶回實驗室后，分成 2 份，一份新鮮去雜、過 2 mm 鋼篩后貯藏于 4℃的冰箱內(nèi)，測定微生物生物量碳；另一份土樣置于通風(fēng)、陰涼、干燥的室內(nèi)風(fēng)干，以四分法取樣磨細(xì)并過篩(孔徑：2 mm、1 mm、0.25 mm)，測定pH、土壤有機(jī)碳、全氮(TN)、水溶性碳、易氧化態(tài)碳等指標(biāo)。

土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；水溶性有機(jī)碳(DOC)的測定，采用去離子水振蕩浸提(水土比為 5∶1)30 min，高速(4 000 r/min)離心 10 min，用 0.45 μm濾膜抽濾，濾液中有機(jī)碳含量在TOC-VCPH 自動分析儀(島津，日本)上測定[15]；土壤易氧化態(tài)碳(ROC)測定采用 KMnO4氧化法[16]，稱取過0.25 mm篩的風(fēng)干土，加333 mmol/L的高錳酸鉀溶液25 mL，震蕩，稀釋，在風(fēng)光光度計565 nm下進(jìn)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 自動分析儀(島津，日本)上測定[17]。土壤全氮采用半微量開氏法測定，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤水分采用105℃烘干法，土壤pH采用電位法(水∶土=2.5∶1)?；纠砘再|(zhì)如表1所示。

表1 樣地基本信息

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010、Spss18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪制表格，用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同林分土壤碳氮指標(biāo)的差異顯著性(Duncan)；用雙變量相關(guān)分析法計算土壤有機(jī)碳與活性組分兩兩之間，及土壤有機(jī)碳及活性組分與土壤基本理化性質(zhì)間的Pearson相關(guān)系數(shù)；采用OriginPro2016繪制不同植被類型各土層土壤有機(jī)碳和全氮含量及各活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳百分比分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型土壤有機(jī)碳和全氮含量變化

不同植被類型SOC和TN分布如圖1所示，各植被類型土壤垂直剖面上SOC和TN均隨土層深度的增加而逐漸減小。而在不同植被類型間SOC和TN總體表現(xiàn)出高海拔地區(qū)植被類型(PI、SH、BE)高于低海拔地區(qū)植被類型(QU、LA)。高海拔地區(qū)3種植被類型其SOC和TN表現(xiàn)為SH>PI>BE，各個土層SOC均以SH最大，由上到下依次為62.27、51.06、35.63 g·kg-1和20.20 g·kg-1，顯著高于PI和BE，云杉林SOC在0～40 cm各土層顯著高于紅樺林，各個土層不同植被類型間TN表現(xiàn)為SH最高，顯著高于BE；處于低海拔地區(qū)的落葉松林SOC在0～20 cm各土層顯著高于銳齒櫟林，TN在0～60 cm各土層差異不顯著。

注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同植被類型土壤活性有機(jī)碳分布特征

由表2可知，各活性有機(jī)碳組分含量均隨土層深度的加深而減小，土壤DOC和MBC總體表現(xiàn)出高海拔地區(qū)植被類型高于低海拔地區(qū)植被類型。高海拔地區(qū)0～20 cm各土層土壤DOC均以PI最高，分別為242.57 mg·kg-1和190.69 mg·kg-1，顯著高于SH和BE；在20～60 cm各土層土壤DOC均以SH最高，分別為156.10 mg·kg-1和128.55 mg·kg-1，在20～40 cm土層SH的DOC顯著高于BE，在40～60 cm土層顯著高于PI和BE；低海拔區(qū)域0～10 cm和20～60 cm各土層土壤DOC含量以LA最低，且0～10 cm土層QU土壤DOC含量顯著高于LA，10～20 cm土層土壤DOC含量以QU最低。高海拔區(qū)域不同植被類型各土層MBC以PI最大，分別為496.24、447.05、266.37 mg·kg-1和144.57 mg·kg-1，且在0～20 cm各土層顯著高于SH和BE；低海拔區(qū)域各土層MBC表現(xiàn)為QU>LA，且在20～40 cm土層表現(xiàn)出顯著差異。

高海拔區(qū)域各土層不同植被類型ROC表現(xiàn)為SH>PI>BE，在0～20 cm各土層SH均顯著高于PI和BE；低海拔區(qū)域各土層LA>QU，且在0～40 cm各土層2種植被類型呈顯著差異。

2.3 不同植被類型活性碳組分占土壤有機(jī)碳的分配比例

土壤活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的比例較土壤活性有機(jī)碳含量更能反映不同植被類型對碳行為的影響結(jié)果。由圖2可知，各植被類型DOC/SOC均隨土層深度的加深而增大，在底層(40～60 cm)達(dá)最大。各土層不同植被類型間QU的DOC/SOC最大，分別為0.72%、0.92%、0.94%和0.95%，處于高海拔地區(qū)的3種植被類型各土層DOC/SOC均以SH最小。SH和QU在20～40 cm土層MBC/SOC達(dá)到最大，PI、BE和LA在亞表層(10～20 cm)達(dá)到最大，在10～60 cm土層微生物生物量碳占土壤有機(jī)碳的比例均以QU最大，高海拔區(qū)域各土層DOC/SOC表現(xiàn)為PI>BE>SH，低海拔區(qū)域各土層DOC/SOC表現(xiàn)為QU>LA；不同植被類型ROC/SOC隨土層深度的加深逐漸減小，低海拔區(qū)域各土層ROC/SOC均以LA最大，在土壤剖面上從上到下依次為33.41%、28.46%、26.35%和25.34%，以QU最小，依次為11.62%、9.64%、5.97%和0.79%。

2.4 土壤活性有機(jī)碳與各指標(biāo)的相關(guān)性分析

土壤有機(jī)碳及其活性組分之間相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示，不同植被類型土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳和易氧化碳兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。其中ROC較MBC和DOC，與SOC相關(guān)系數(shù)為0.943，相關(guān)性最強(qiáng)，3種活性有機(jī)碳兩兩之間，MBC和DOC相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.887。由表3可知，土壤有機(jī)碳及其活性組分與TN和土壤含水量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與容重存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；SOC與pH呈顯著正相關(guān)。

表2 不同植被類型土壤活性有機(jī)碳

注：平均值(標(biāo)準(zhǔn)差)，同列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

表3 土壤有機(jī)碳及其活性組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

注：**表示在P<0.01水平上極顯著相關(guān)；*表示在P<0.05水平上顯著相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤有機(jī)碳和全氮含量分布狀況

土壤有機(jī)碳含量是氣候、土壤、地表植被、人為作用等各種因素綜合影響下土壤有機(jī)碳輸出與輸入達(dá)動態(tài)平衡時土壤中有機(jī)碳的定量表示[18]。森林土壤有機(jī)碳含量主要取決于凋落物的輸入和分解，而植被類型、氣候特點以及土壤性質(zhì)的不同，均會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量分布產(chǎn)生差異。本研究表明，土壤有機(jī)碳及其活性組分和全氮均隨土壤剖面深度的加深而減小，與以往同類研究結(jié)果相符[19]，這主要是由于植被枯枝落葉等有機(jī)物質(zhì)多集中在地表，經(jīng)微生物分解后形成腐殖質(zhì)進(jìn)入土壤，在土壤表層聚集，而且植物根系及其分泌物也隨土壤深度的增加而減少，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)碳及組分和全氮含量隨土層的加深而減小[18]。

研究表明高海拔地區(qū)植被土壤有機(jī)碳和全氮含量明顯高于低海拔地區(qū)植被土壤，部分土層植被類型間達(dá)顯著水平，這與周晨霓[20]等對西藏色季拉山高山灌叢、杜鵑林、急尖長苞冷杉林和林芝云杉林4種生態(tài)系統(tǒng)類型研究所得結(jié)果相近，這是由于隨海拔的升高，溫度降低，土壤酸性增強(qiáng)，微生物活性減弱導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)分解緩慢造成有機(jī)碳大量累積所致[21-22]；研究得出高海拔地區(qū)的云杉林SOC和TN大于紅樺林，低海拔地區(qū)的落葉松林SOC和TN大于銳齒櫟林，這主要是由于云杉和落葉松均屬針葉林，針葉林枯枝落葉在分解過程中產(chǎn)生酸性物質(zhì)[21]，使土壤酸性增強(qiáng)，微生物種類受到限制，以真菌為主，從而減緩了有機(jī)質(zhì)的分解[23]，產(chǎn)生積累。

圖2 不同土壤活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的百分比

3.2 土壤活性有機(jī)碳分布特征

土壤剖面上，處于高海拔地區(qū)的云杉林、灌木林和紅樺林土壤水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量高于處于低海拔地區(qū)的落葉松林和銳齒櫟林，與土壤有機(jī)碳在不同植被類型土壤中的分布較為相似，但也存在一定差別，王棣[5]等對秦嶺6種典型林分土壤有機(jī)碳及活性組分研究顯示，不同林分土壤水溶性有機(jī)碳分布與土壤總有機(jī)碳含量相同，而微生物生物量碳由于林地微環(huán)境、植被等因素與土壤總有機(jī)碳含量分布規(guī)律不同，與本研究結(jié)果相似，這是由于土壤水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳雖主要取決于土壤總有機(jī)碳含量的高低，但其作為土壤有機(jī)碳中活性較高且易分解的部分，極易受局部小氣候、地表植被、徑流、土壤養(yǎng)分狀況、微生物種類及數(shù)量等外界環(huán)境的影響[24]而產(chǎn)生差異。土壤易氧化碳含量反映土壤中碳的穩(wěn)定性，研究結(jié)果顯示，不同植被類型間易氧化有機(jī)碳分布不同于土壤總有機(jī)碳含量分布規(guī)律，高海拔地區(qū)灌木林表土層(0～10 cm)、亞表土層(10～20 cm)和底土層(40～60 cm)易氧化有機(jī)碳顯著高于云杉林和紅樺林，低海拔地區(qū)落葉松林各土層顯著高于銳齒櫟林，這與王棣[5]等對秦嶺不同林分土壤易氧化有機(jī)碳研究所得結(jié)果相似，土壤易氧化碳含量在取決于土壤總有機(jī)碳含量高低的同時，更易受植被類型、地域環(huán)境差異、海拔等外界條件的影響。

3.3 活性有機(jī)碳組分分配比例

從各活性有機(jī)碳組分分配比例來看，水溶性有機(jī)碳含量分配比例隨土層深度增加而逐漸增加，不同于易氧化有機(jī)碳含量分配比例表現(xiàn)為隨土層深度增加而逐漸減小，這與姜培坤[25]等對浙江玲瓏山常綠闊葉林、馬尾松林和人工杉木林土壤活性有機(jī)碳的研究結(jié)果相同，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是由于土壤水溶性有機(jī)碳隨水分向下遷移所致[25]。而易氧化碳隨土層深度的增加而增加可能與測定方法有關(guān)，因為在氧化不能被微生物所利用的礦質(zhì)組分顆粒有機(jī)質(zhì)表面的同時，主要依靠攻擊土壤顆粒表面，一些大顆粒有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的活性成分因被阻隔而不能被氧化[26]。研究結(jié)果顯示，土壤微生物生物量碳并沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，楊繼松[27]等對三江平原小葉章濕地土壤微生物生物量碳分配比例未見明顯規(guī)律性，王棣[5]等對秦嶺6種典型林分活性有機(jī)碳研究也表明，微生物生物量碳分配比例規(guī)律性不強(qiáng)，反映了微生物生物量碳的受外界環(huán)境因素影響較大，對外界條件變化反應(yīng)較為靈敏。

3.4 土壤有機(jī)碳及其活性組分與土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)性

研究表明，土壤有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳、易氧化有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明土壤有機(jī)碳活性組分含量主要取決于土壤總有機(jī)碳含量的大小，這與前人研究結(jié)果一致[18,26,28]，而水溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳兩兩之間也表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，一方面，說明土壤有機(jī)碳活性組分很大程度上依賴于土壤總有機(jī)碳含量；另一方面，也說明3種活性碳組分間關(guān)系密切，雖然3種活性碳組分在表述、影響因素和測定方法上存在差異，但在一定程度上都代表了土壤總有機(jī)碳中活性較高的那部分有機(jī)碳[26]。

土壤有機(jī)碳及其活性組分與全氮、土壤含水量表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，與于洋[29]等和季志平[30]等研究結(jié)果一致，且該結(jié)果與石福臣[31]等對三江平原典型濕地土壤有機(jī)碳和全氮相關(guān)性研究結(jié)果相同。主要是因為影響微生物活動的因素對土壤全氮也有較大影響，而土壤有機(jī)碳及其活性組分是微生物活動的能量來源，所以有機(jī)碳含量通過影響土壤微生物活動來影響全氮含量[32]。王寶霞[33]等對閩江河口蘆葦和互花米草的研究也表明，土壤有機(jī)碳與土壤含水量顯著相關(guān)，隨著土層的加深土壤有機(jī)碳含量下降，同時土壤含水量也降低，森林的枯枝落葉層不但為土壤層提供大量有機(jī)碳，而且使表層土壤具有較好的水分條件，從而為植物細(xì)根向表土層聚集提供了良好的條件，而凋落物和根系分泌物成為土壤有機(jī)碳的重要來源[11]。本研究表明，土壤有機(jī)碳及其活性組分與容重和pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與前人研究結(jié)果一致[34-35]，土壤pH 可以影響微生物的生長和活動。在酸性土壤中，微生物以真菌存在為主，種類受到限制，從而減緩了有機(jī)質(zhì)的分解，產(chǎn)生積累[23]，相反隨土壤pH升高，土壤有機(jī)質(zhì)的溶解、分散和化學(xué)水解作用增強(qiáng)，可提高微生物對有機(jī)質(zhì)的利用率，有機(jī)質(zhì)分解加快[20]。因此，土壤有機(jī)碳及其活性組分含量是多種因素共同作用的結(jié)果。

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