秦嶺辛家山不同林分土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)性分布特征

鄭愛泉，杜 璨，范學(xué)科，劉 慧

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植被和土壤兩大碳庫(kù)中儲(chǔ)存著大約1 240 Pg的碳。土壤中的碳主要以有機(jī)碳的形式存在，占全球陸地土壤碳庫(kù)的73%，碳含量比大氣和陸地植被碳庫(kù)的總和還多。根據(jù)有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)時(shí)間，土壤有機(jī)碳庫(kù)一般分為活性碳庫(kù)、緩性碳庫(kù)和惰性碳庫(kù)。易氧化有機(jī)碳(EOC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)和土壤微生物量碳(MBC)是土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的重要表征指標(biāo)。土壤活性有機(jī)碳是土壤碳庫(kù)中有效性最高的碳，可直接參與土壤生物化學(xué)過(guò)程。雖然土壤活性有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳總量的較小部分，但卻能在土壤有機(jī)碳變化之前反映出環(huán)境變化所引起的土壤有機(jī)碳庫(kù)的微小變化。因此，常被用作土壤潛在生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的早期敏感性指標(biāo)。

土壤活性有機(jī)碳對(duì)環(huán)境具有高度敏感性，因此會(huì)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，但是由于多種生態(tài)因素的共同作用以及主導(dǎo)因素的不同，不同地區(qū)土壤活性有機(jī)碳組分含量的季節(jié)變化模式也有所不同。如湖南會(huì)同縣不同森林植被下土壤水溶性有機(jī)碳春、夏季高于秋、冬季節(jié)，土壤微生物量碳含量最高值在秋季，冬季和夏季最低。而在貴州貴陽(yáng)，土壤微生物量碳最高值在冬季，夏季最低。秦嶺橫貫我國(guó)中部，以南屬亞熱帶氣候，以北屬暖溫帶氣候，對(duì)我國(guó)氣候有顯著影響，在中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著非常重要的作用。近年對(duì)秦嶺地區(qū)土壤活性有機(jī)碳的研究多集中在不同林分類型土壤活性有機(jī)碳的分布特征及土壤活性有機(jī)碳在土壤剖面的垂直分布特征[10]方面，對(duì)不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)分布特征研究較少。因此，以秦嶺辛家山云杉林、紅樺林和灌木林為研究對(duì)象，研究不同林分類型土壤易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量及其季節(jié)分布，以期為森林土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)和調(diào)控機(jī)理研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省寶雞市西南部的秦嶺辛家山通天河國(guó)家森林公園(34°10′～34°20′N，106°28′～106°38′E)[11]。辛家山林區(qū)位于秦嶺西部南坡，秦嶺主梁南側(cè)嘉陵江上游，境內(nèi)屬暖溫帶半濕潤(rùn)山地氣候區(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 7.6℃，年平均降雨量900 mm，多集中于 7月、8月和9月[12]。地勢(shì)西北高、東南低，海拔2 738.7 ～1 580 m。該區(qū)域森林覆蓋率 96.8%。

1.2 樣地選擇

研究地選取云杉(PiceaasperataMast.)、紅樺(Betulaalbosinensis)和灌木林3種林分進(jìn)行土壤樣品的采集。根據(jù)美國(guó)土壤分類的第2版分類法，3種林分土壤均被分為始成土(Inceptisol)類。不同林分類型樣地概況見表1，樣地不同林分類型土壤基本性質(zhì)見表2。

1.3 土壤樣品的采集與處理

在云杉、紅樺和灌木林中，各選取3個(gè)20 m×20 m的采樣樣方，并記錄經(jīng)緯度、海拔和坡度。在每個(gè)樣方中，隨機(jī)選取25個(gè)采樣點(diǎn)，用4 cm的土鉆采取土壤樣品。各個(gè)樣方內(nèi)除去地表凋落物后采用土鉆分別于2015年7月、2015年10月、2016年1月、2016年4月按機(jī)械分層進(jìn)行土壤樣品的采集，采樣深度為60 cm，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm將土壤剖面分4層。各林分采樣點(diǎn)互相接近，具有相似的坡度和高程，以保證采樣點(diǎn)溫度和土壤類型相同。

采集的鮮土樣除去石子和根系殘?bào)w，將同一樣方內(nèi)各采樣點(diǎn)的土樣按各土層混合均勻。每個(gè)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后分成2份，1份土壤樣品過(guò)2 mm 鋼篩后貯藏于4℃ 的冰箱內(nèi)，用于測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳和土壤微生物量碳。另一份土樣置于通風(fēng)、陰涼、干燥的室內(nèi)風(fēng)干，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量、pH和易氧化有機(jī)碳。

表1 不同林分類型樣地概況Table 1 General situation of sample plots from different forest stands

表2 不同林分類型土壤基本性質(zhì)Table 2 Soil properties of different forest stands

1.4 土壤測(cè)定指標(biāo)

土壤pH采用電位法測(cè)定( 水∶土=2.5∶1)[13]，土壤水分含量(SWC)采用烘箱烘干法[(105±2)℃]測(cè)定，土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定。

土壤易氧化有機(jī)碳(EOC)采用 333 mmol/L K2MnO4氧化-分光光度法測(cè)定[14]：稱取過(guò)0.25 mm篩的含15 mg碳的自然風(fēng)干土壤樣品，加333 mmol/L K2MnO4溶液25 mL，25 r/min震蕩1 h，4 000 r/min離心5 min，取上清液用去離子水按1∶500稀釋，在565 nm的分光光度計(jì)上比色。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算易氧化有機(jī)碳的含量。土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)采用冷水浸提法測(cè)定：以過(guò)2 mm篩的新鮮土壤與蒸餾水按照1∶5的比例混合，在室溫下震蕩30 min、4 000 r/min離心10 min、用 0.45 um濾膜抽濾后，在TOC-VCPH(島津，日本)碳分析儀上測(cè)定。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定[15]：稱取 20.0 g鮮土均勻平攤在玻璃培養(yǎng)皿上并放入干燥器中，干燥器底部放置一瓶裝有 50 mL無(wú)水氯仿的小燒杯并加入少量防爆沸的物質(zhì)，密閉熏蒸培養(yǎng) 24 h后，按1∶4比例加入提取劑 0.25 mol/L K2SO4溶液 80 mL浸提，過(guò)濾后的浸提液采用島津TOC碳分析儀測(cè)定，MBC=EC/0.45(式中EC為熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol/L K2SO4提取的總碳之差)。研究期間每個(gè)采樣點(diǎn)不同土層的溫度使用地溫記測(cè)定，3次重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用 Microsoft Excel 2013和 SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用多因素方差分析法分析季節(jié)變化、林分類型和土層對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響，應(yīng)用LSD分析各處理間差異的顯著性。各個(gè)測(cè)定指標(biāo)之間采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析。使用Origin繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤易氧化有機(jī)碳含量的季節(jié)變化

由圖1可知，3種林分土壤的易氧化碳含量(EOC)以紅樺林較高，各林地不同土層間隨著土層深度的加深而顯著減少(P<0.05)，各林地0～10 cm和10～20 cm土層土壤EOC含量的季節(jié)性變化幅度大于20～40 cm和40～60 cm。不同土層中，云杉林0～10 cm土層4個(gè)季節(jié)的EOC含量均值較10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分別顯著提高79%、299%和996%，紅樺林分別顯著提高44%、148%和313%，灌木林分別顯著提高11%、137%和218%。在同一土層中，EOC含量在秋季和冬季間存在顯著差異(P<0.05)，春季、夏季和秋季3種林分0～60 cm土層土壤EOC含量的平均值變幅分別為4.36～7.43 mg/kg、5.07～8.73 mg/kg和3.04～6.29 mg/kg。各林分土壤EOC的季節(jié)性變化均表現(xiàn)為秋季、夏季高于冬季、春季。云杉林土壤EOC的含量冬季較夏季、秋季和春季分別顯著減少15%、41%和7%，紅樺林分別減少54%、60%和42%，灌木林分別減少32%、52%和15%。

注：不同大寫字母表示相同森林類型相同土層不同季節(jié)間易氧化有機(jī)碳含量達(dá)差異水平(P<0.05)，不同小寫字母表示相同森林類型相同季節(jié)不同土壤層間易氧化有機(jī)碳含量達(dá)差異水平(P<0.05)，下同。
Note: Different capital letters indicate significance of difference in EOC content of soil with the same soil layer and forest stand during different season atP<0.05 level. Different lowercase letters indicate significance of difference in EOC content of soil with the same season and forest stand during different soil layer atP<0.05 level. The same below.
圖1不同季節(jié)不同林分土壤的易氧化有機(jī)碳含量
Fig.1 EOC content in soil from different forest stands during different seasons

2.2 不同林分土壤可溶性有機(jī)碳含量的季節(jié)變化

由圖2可知，3種林分土壤的可溶性有機(jī)碳含量(DOC)以紅樺林最高，不同林分土壤DOC含量各土層間差異顯著，且均隨著土層深度的加深而顯著減少(P<0.05)。云杉林0～10 cm土層4個(gè)季節(jié)的DOC含量均較10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分別顯著提高31%、88%和156%，紅樺林分別顯著提高22%、89%和175%。灌木林分別顯著提高53%、190%和582%。

在同一土層中，DOC含量在秋季和冬季之間存在顯著性差異(P<0.05)。春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)云杉林、紅樺林和灌木林在 0～60 cm土層內(nèi)土壤 DOC含量的平均值變幅分別為153.11～248.59 mg/kg、182.27～290.27 mg/kg和145.79～173.34 mg/kg，各林分土壤DOC含量的季節(jié)性變化均表現(xiàn)為春季最低。其中，云杉林土壤DOC含量春季較夏季、秋季和冬季分別顯著減少38%、30%和17%，紅樺林分別顯著減少37%、28%和28%，灌木林分別顯著減少16%、16%和15%。

2.3 不同林分土壤微生物量碳的季節(jié)變化

由圖3可知，與云杉林和灌木林相比，紅樺林具有較高的土壤有機(jī)碳含量(MBC)。3種林分類型土壤MBC含量在土層間差異顯著，均隨著土層深度的加深而顯著減少(P<0.05)。云杉林土壤4個(gè)季節(jié)的MBC含量0～10cm土層均值較10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分別顯著提高53%、190%和582%，紅樺林分別顯著提高63%、173%和494%，灌木林分別顯著提高54%、163%和543%。

在同一土層中，MBC含量在秋季和冬季之間存在顯著性差異(P<0.05)。春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)云杉林、紅樺林和灌木林在0～60 cm土層內(nèi)土壤 MBC含量的平均值變幅分別為134.79～294.95 mg/kg、161.5～333.97 mg/kg和135.86～258.24 mg/kg。各個(gè)林分土壤MBC的季節(jié)性變化均表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季，其中，云杉林土壤冬季MBC含量較夏季、秋季和春季分別顯著減少54%、46%和35%，紅樺林分別減少52%、44%和32%，灌木林分別減少47%、39%和28%。

2.4 土壤理化指標(biāo)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性

從表3看出，云杉林土壤中，EOC含量與SOC含量、SWC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與ST無(wú)顯著關(guān)系(P>0.05)；DOC與SOC、SWC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤溫度(ST)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；MBC與SOC、ST、SWC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。紅樺林中，EOC含量與SOC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與SWC和ST呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；DOC與SOC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SWC呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與ST無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)；MBC與SOC和ST呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與SWC無(wú)顯著關(guān)系(P>0.05)。灌木林中EOC與SOC和SWC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ST和pH無(wú)顯著關(guān)系(P>0.05)；DOC與SOC和SWC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與ST無(wú)顯著關(guān)系(P>0.05)；MBC與SOC、SWC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ST呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH無(wú)顯著關(guān)系(P>0.05)。

圖2不同季節(jié)不同林分類型土壤的可溶性有機(jī)碳含量
Fig.2 DOC content in soil of different forest stands during different season

表3 不同林地土壤活性有機(jī)碳含量與土壤性質(zhì)間的相關(guān)性Table 3 Correlations between soil properties and soil active organic carbon content in different forest stands

注： *為相關(guān)性顯著(P<0.05)，**為相關(guān)性極顯著(P<0.001)。
Note: * and ** indicate significance of difference atP< 0.05 andP< 0.01 level respectively.

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

研究結(jié)果表明：林分類型對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳有顯著影響，紅樺林土壤的EOC含量、DOC含量和MBC含量顯著高于云杉林和灌木林，且3種林分土壤EOC含量、DOC含量和MBC含量均隨土層的加深而減少。季節(jié)對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳有顯著影響，3種林分EOC含量均在秋季最高，春季最低；DOC含量在秋季最高，春季最低；MBC含量在夏季最高，冬季最低。3種林分中SOC含量與EOC含量、DOC含量和MBC含量均呈顯著正相關(guān)，云杉林的DOC含量和MBC含量、紅樺林的EOC含量和MBC含量、灌木林的MBC含量與ST含量間呈顯著正相關(guān)；除紅樺林MBC含量與SWC含量不相關(guān)外，3種林分的EOC含量、DOC含量和MBC含量與SWC含量均呈顯著正相關(guān)；云杉林的EOC含量、紅樺林的EOC含量和MBC含量、灌木林的DOC含量與pH間呈顯著負(fù)相關(guān)。

3.2 討論

3．2．1 不同植被類型土壤活性有機(jī)碳的分布特征 森林土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于植被地上的凋落物及其地下根系分泌物和死亡根系。因此植被類型影響了森林土壤有機(jī)碳的質(zhì)量、數(shù)量和周轉(zhuǎn)。土壤活性有機(jī)碳各組分來(lái)源于SOC，土壤活性有機(jī)碳含量的高低在很大程度上取決于土壤有機(jī)碳的含量[16-18]。本研究中土壤有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳顯著相關(guān)也證明了這一觀點(diǎn)。與紅樺林(落葉闊葉林)相比，云杉林(常綠針葉林)土壤活性有機(jī)碳含量降低，這與大部分研究結(jié)果一致[19-20]。與常綠針葉林相比，闊葉林年凋落物量較高，細(xì)根生物量較高，死亡細(xì)根和凋落物的浸出物較高，有機(jī)質(zhì)輸入量較高?？傻V化的有機(jī)質(zhì)含量較高，增加了微生物的生物量和活性，為活性有機(jī)碳提供了更多的來(lái)源[21]。土壤中的MBC主要來(lái)源于土壤中活的微生物和土壤微生物體內(nèi)所含的碳，在森林土壤中，凋落物數(shù)量組成、土壤理化性質(zhì)的差異是導(dǎo)致不同林型土壤微生物量差異的主要因素[22]，闊葉林種較多的凋落物為土壤微生物提供了大量的碳源物質(zhì)，有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖[23]。由此可見，不同林分凋落物和細(xì)根的分解不同，可能是影響土壤活性有機(jī)碳的主要因素[24-25]。說(shuō)明不同森林類型外源碳庫(kù)輸入的差異，是導(dǎo)致不同森林類型土壤活性有機(jī)碳含量差異的主要原因。

3.2．2 土壤活性有機(jī)碳在土壤剖面的分布特征 3種林分類型土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳均隨土層深度的加深而減少，這與以往的研究結(jié)果[7,26]一致。土壤中EOC含量和DOC含量隨土層深度的增加而減少，一方面，植物根系的分布直接影響土壤有機(jī)碳含量的垂直分布，表層(0～10 cm)是植物根系分布的集中區(qū)域，根系分布密集、根系分泌物及根系自身的新陳代謝為表層土壤提供了豐富的碳源[27]，因此各林分表層土壤有機(jī)碳含量高于下部土層，這與王棣等[10]對(duì)秦嶺典型林分的研究結(jié)果一致。另一方面，地表具有較多的枯枝落葉和腐殖質(zhì)，使得土壤表層的有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳含量顯著高于下部土層。而土壤MBC含量不僅與凋落物和根系分布有關(guān)，土壤水熱條件也是影響土壤MBC剖面分布的重要因素。森林土壤表層具有較好的水熱條件和通氣狀況，但是隨著土層深度的加深，土壤通透性變差，不利于土壤微生物的活動(dòng)和繁殖，從而導(dǎo)致深層土壤微生物碳含量降低。

3.2.3 土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)分布特征 3種林分土壤活性有機(jī)碳含量受季節(jié)變化的影響。一方面，凋落物數(shù)量的季節(jié)性變化會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量的變化；另一方面，土壤有機(jī)碳含量還受季節(jié)性土壤溫度和濕度變化的影響。有研究表明，土壤溫、濕度的季節(jié)變化是影響土壤活性有機(jī)碳季節(jié)波動(dòng)的主要因子[28]。秋季土壤有機(jī)碳含量最高，因?yàn)樵谇貛X地區(qū)9月地表枯落物輸入增多促進(jìn)有機(jī)碳向土壤輸入；1-4月由于溫度低，微生物活性低，有利于有機(jī)碳的積累。

EOC、DOC和MBC是有機(jī)碳中不穩(wěn)定的部分，可以作為土壤質(zhì)量的早期指標(biāo)，因其控制土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的有效性并且對(duì)環(huán)境變化高度敏感[29]。由于土壤活性有機(jī)碳來(lái)源不同，其對(duì)各種因素變化的敏感性不同[30]，所以同一地區(qū)不同土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)變化趨勢(shì)也不完全一致。EOC是土壤中易被氧化分解、活性組分較高的有機(jī)碳[31]，主要來(lái)源于凋落物分解及根系分泌物[32]。土壤中EOC含量在秋季最高，冬季最低。研究區(qū)7月植被生長(zhǎng)旺盛，需要從土壤中獲取更多養(yǎng)分，因此加速了土壤SOC的礦化[33]，使EOC含量有所降低；9月開始進(jìn)入凋落物大量增加的時(shí)期，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的輸入，使土壤EOC含量升高[34]。3種森林土壤DOC含量在夏季最高,春季最低，土壤DOC含量不同于土壤MBC含量和EOC含量,其還受到降水淋失影響，淋失是土壤DOC含量損失的重要途徑，秦嶺地區(qū)7-9月降雨集中，4月積雪融化會(huì)引發(fā)較強(qiáng)的淋失作用，從而導(dǎo)致DOC含量降低，4-7月降雨量少有利于DOC含量的積累。土壤MBC含量不僅與SOC總量相關(guān),同時(shí)還與土壤微生物相關(guān)[35]。MBC含量在夏季最高，冬季最低，這一結(jié)果與JIANG等[36]在雷竹林土壤的研究MBC含量在冬季達(dá)到最大值不同，這可能與土壤溫度和濕度的季節(jié)性變化有關(guān)，因?yàn)?-9月溫度高、降水多、植物和微生物進(jìn)入了生長(zhǎng)旺季，植物光合作用和代謝速率快，根系分泌物多[37]，土壤微生物的活動(dòng)較頻繁[38]。但是從1月開始，隨著氣溫的降低，不利于土壤微生物的活動(dòng)和繁殖，導(dǎo)致土壤中微生物量碳含量降低[28]，5月開始土壤溫度升高，土壤微生物開始繁殖，使得土壤中微生物生物量呈上升趨勢(shì)。綜上所述，土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)變化不僅與研究區(qū)的地上植被的生長(zhǎng)節(jié)律密切相關(guān)，同時(shí)也和氣候變化規(guī)律相關(guān)。