郑爱泉，杜 璨，范学科，刘 慧

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

在森林生态系统中，植被和土壤两大碳库中储存着大约1 240 Pg的碳。土壤中的碳主要以有机碳的形式存在，占全球陆地土壤碳库的73%，碳含量比大气和陆地植被碳库的总和还多。根据有机碳的周转时间，土壤有机碳库一般分为活性碳库、缓性碳库和惰性碳库。易氧化有机碳(EOC)、可溶性有机碳(DOC)和土壤微生物量碳(MBC)是土壤活性有机碳库的重要表征指标。土壤活性有机碳是土壤碳库中有效性最高的碳，可直接参与土壤生物化学过程。虽然土壤活性有机碳只占土壤有机碳总量的较小部分，但却能在土壤有机碳变化之前反映出环境变化所引起的土壤有机碳库的微小变化。因此，常被用作土壤潜在生产力和土壤有机碳库变化的早期敏感性指标。

土壤活性有机碳对环境具有高度敏感性，因此会表现出明显的季节变化，但是由于多种生态因素的共同作用以及主导因素的不同，不同地区土壤活性有机碳组分含量的季节变化模式也有所不同。如湖南会同县不同森林植被下土壤水溶性有机碳春、夏季高于秋、冬季节，土壤微生物量碳含量最高值在秋季，冬季和夏季最低。而在贵州贵阳，土壤微生物量碳最高值在冬季，夏季最低。秦岭横贯我国中部，以南属亚热带气候，以北属暖温带气候，对我国气候有显著影响，在中国陆地生态系统碳循环中起着非常重要的作用。近年对秦岭地区土壤活性有机碳的研究多集中在不同林分类型土壤活性有机碳的分布特征及土壤活性有机碳在土壤剖面的垂直分布特征[10]方面，对不同植被类型下土壤活性有机碳的季节分布特征研究较少。因此，以秦岭辛家山云杉林、红桦林和灌木林为研究对象，研究不同林分类型土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳含量及其季节分布，以期为森林土壤碳库动态和调控机理研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省宝鸡市西南部的秦岭辛家山通天河国家森林公园(34°10′～34°20′N，106°28′～106°38′E)[11]。辛家山林区位于秦岭西部南坡，秦岭主梁南侧嘉陵江上游，境内属暖温带半湿润山地气候区，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 7.6℃，年平均降雨量900 mm，多集中于 7月、8月和9月[12]。地势西北高、东南低，海拔2 738.7 ～1 580 m。该区域森林覆盖率 96.8%。

1.2 样地选择

研究地选取云杉(PiceaasperataMast.)、红桦(Betulaalbosinensis)和灌木林3种林分进行土壤样品的采集。根据美国土壤分类的第2版分类法，3种林分土壤均被分为始成土(Inceptisol)类。不同林分类型样地概况见表1，样地不同林分类型土壤基本性质见表2。

1.3 土壤样品的采集与处理

在云杉、红桦和灌木林中，各选取3个20 m×20 m的采样样方，并记录经纬度、海拔和坡度。在每个样方中，随机选取25个采样点，用4 cm的土钻采取土壤样品。各个样方内除去地表凋落物后采用土钻分别于2015年7月、2015年10月、2016年1月、2016年4月按机械分层进行土壤样品的采集，采样深度为60 cm，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm将土壤剖面分4层。各林分采样点互相接近，具有相似的坡度和高程，以保证采样点温度和土壤类型相同。

采集的鲜土样除去石子和根系残体，将同一样方内各采样点的土样按各土层混合均匀。每个土样带回实验室后分成2份，1份土壤样品过2 mm 钢筛后贮藏于4℃ 的冰箱内，用于测定土壤可溶性有机碳和土壤微生物量碳。另一份土样置于通风、阴凉、干燥的室内风干，用于测定土壤有机碳含量、pH和易氧化有机碳。

表1 不同林分类型样地概况Table 1 General situation of sample plots from different forest stands

表2 不同林分类型土壤基本性质Table 2 Soil properties of different forest stands

1.4 土壤测定指标

土壤pH采用电位法测定( 水∶土=2.5∶1)[13]，土壤水分含量(SWC)采用烘箱烘干法[(105±2)℃]测定，土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化外加热法测定。

土壤易氧化有机碳(EOC)采用 333 mmol/L K2MnO4氧化-分光光度法测定[14]：称取过0.25 mm筛的含15 mg碳的自然风干土壤样品，加333 mmol/L K2MnO4溶液25 mL，25 r/min震荡1 h，4 000 r/min离心5 min，取上清液用去离子水按1∶500稀释，在565 nm的分光光度计上比色。根据标准曲线计算易氧化有机碳的含量。土壤可溶性有机碳(DOC)采用冷水浸提法测定：以过2 mm筛的新鲜土壤与蒸馏水按照1∶5的比例混合，在室温下震荡30 min、4 000 r/min离心10 min、用 0.45 um滤膜抽滤后，在TOC-VCPH(岛津，日本)碳分析仪上测定。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[15]：称取 20.0 g鲜土均匀平摊在玻璃培养皿上并放入干燥器中，干燥器底部放置一瓶装有 50 mL无水氯仿的小烧杯并加入少量防爆沸的物质，密闭熏蒸培养 24 h后，按1∶4比例加入提取剂 0.25 mol/L K2SO4溶液 80 mL浸提，过滤后的浸提液采用岛津TOC碳分析仪测定，MBC=EC/0.45(式中EC为熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol/L K2SO4提取的总碳之差)。研究期间每个采样点不同土层的温度使用地温记测定，3次重复。

1.5 数据统计分析

采用 Microsoft Excel 2013和 SPSS 20.0进行数据处理，应用多因素方差分析法分析季节变化、林分类型和土层对土壤活性有机碳的影响，应用LSD分析各处理间差异的显著性。各个测定指标之间采用Pearson相关系数法进行相关性分析。使用Origin绘制图形。

2 结果与分析

2.1 不同林分土壤易氧化有机碳含量的季节变化

由图1可知，3种林分土壤的易氧化碳含量(EOC)以红桦林较高，各林地不同土层间随着土层深度的加深而显著减少(P<0.05)，各林地0～10 cm和10～20 cm土层土壤EOC含量的季节性变化幅度大于20～40 cm和40～60 cm。不同土层中，云杉林0～10 cm土层4个季节的EOC含量均值较10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分别显著提高79%、299%和996%，红桦林分别显著提高44%、148%和313%，灌木林分别显著提高11%、137%和218%。在同一土层中，EOC含量在秋季和冬季间存在显著差异(P<0.05)，春季、夏季和秋季3种林分0～60 cm土层土壤EOC含量的平均值变幅分别为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的季节性变化均表现为秋季、夏季高于冬季、春季。云杉林土壤EOC的含量冬季较夏季、秋季和春季分别显著减少15%、41%和7%，红桦林分别减少54%、60%和42%，灌木林分别减少32%、52%和15%。

注：不同大写字母表示相同森林类型相同土层不同季节间易氧化有机碳含量达差异水平(P<0.05)，不同小写字母表示相同森林类型相同季节不同土壤层间易氧化有机碳含量达差异水平(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.
图1不同季节不同林分土壤的易氧化有机碳含量
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机碳含量的季节变化

由图2可知，3种林分土壤的可溶性有机碳含量(DOC)以红桦林最高，不同林分土壤DOC含量各土层间差异显著，且均随着土层深度的加深而显著减少(P<0.05)。云杉林0～10 cm土层4个季节的DOC含量均较10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分别显著提高31%、88%和156%，红桦林分别显著提高22%、89%和175%。灌木林分别显著提高53%、190%和582%。

在同一土层中，DOC含量在秋季和冬季之间存在显著性差异(P<0.05)。春、夏、秋、冬4个季节云杉林、红桦林和灌木林在 0～60 cm土层内土壤 DOC含量的平均值变幅分别为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含量的季节性变化均表现为春季最低。其中，云杉林土壤DOC含量春季较夏季、秋季和冬季分别显著减少38%、30%和17%，红桦林分别显著减少37%、28%和28%，灌木林分别显著减少16%、16%和15%。

2.3 不同林分土壤微生物量碳的季节变化

由图3可知，与云杉林和灌木林相比，红桦林具有较高的土壤有机碳含量(MBC)。3种林分类型土壤MBC含量在土层间差异显著，均随着土层深度的加深而显著减少(P<0.05)。云杉林土壤4个季节的MBC含量0～10cm土层均值较10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm分别显著提高53%、190%和582%，红桦林分别显著提高63%、173%和494%，灌木林分别显著提高54%、163%和543%。

在同一土层中，MBC含量在秋季和冬季之间存在显著性差异(P<0.05)。春、夏、秋、冬4个季节云杉林、红桦林和灌木林在0～60 cm土层内土壤 MBC含量的平均值变幅分别为134.79～294.95 mg/kg、161.5～333.97 mg/kg和135.86～258.24 mg/kg。各个林分土壤MBC的季节性变化均表现为夏季>秋季>春季>冬季，其中，云杉林土壤冬季MBC含量较夏季、秋季和春季分别显著减少54%、46%和35%，红桦林分别减少52%、44%和32%，灌木林分别减少47%、39%和28%。

2.4 土壤理化指标与土壤有机碳的相关性

从表3看出，云杉林土壤中，EOC含量与SOC含量、SWC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与pH呈显著负相关(P<0.05)，与ST无显著关系(P>0.05)；DOC与SOC、SWC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤温度(ST)呈显著正相关(P<0.05)；MBC与SOC、ST、SWC呈极显著正相关(P<0.01)。红桦林中，EOC含量与SOC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与pH呈极显著负相关(P<0.01)，与SWC和ST呈显著正相关(P<0.05)；DOC与SOC呈极显著正相关(P<0.01)，与SWC呈显著正相关(P<0.05)，与pH呈显著负相关(P<0.05)，与ST无显著相关性(P>0.05)；MBC与SOC和ST呈极显著正相关(P<0.01)，与pH呈显著负相关(P<0.05)，与SWC无显著关系(P>0.05)。灌木林中EOC与SOC和SWC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与ST和pH无显著关系(P>0.05)；DOC与SOC和SWC呈极显著正相关(P<0.01)，与pH呈极显著负相关(P<0.01)，与ST无显著关系(P>0.05)；MBC与SOC、SWC呈极显著正相关(P<0.01)，与ST呈显著正相关(P<0.05)，与pH无显著关系(P>0.05)。

图2不同季节不同林分类型土壤的可溶性有机碳含量
Fig.2 DOC content in soil of different forest stands during different season

表3 不同林地土壤活性有机碳含量与土壤性质间的相关性Table 3 Correlations between soil properties and soil active organic carbon content in different forest stands

注： *为相关性显著(P<0.05)，**为相关性极显著(P<0.001)。
Note: * and ** indicate significance of difference atP< 0.05 andP< 0.01 level respectively.

3 结论与讨论

3.1 结论

研究结果表明：林分类型对土壤有机碳和活性有机碳有显著影响，红桦林土壤的EOC含量、DOC含量和MBC含量显著高于云杉林和灌木林，且3种林分土壤EOC含量、DOC含量和MBC含量均随土层的加深而减少。季节对土壤有机碳和活性有机碳有显著影响，3种林分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种林分中SOC含量与EOC含量、DOC含量和MBC含量均呈显著正相关，云杉林的DOC含量和MBC含量、红桦林的EOC含量和MBC含量、灌木林的MBC含量与ST含量间呈显著正相关；除红桦林MBC含量与SWC含量不相关外，3种林分的EOC含量、DOC含量和MBC含量与SWC含量均呈显著正相关；云杉林的EOC含量、红桦林的EOC含量和MBC含量、灌木林的DOC含量与pH间呈显著负相关。

3.2 讨论

3．2．1 不同植被类型土壤活性有机碳的分布特征 森林土壤有机碳主要来源于植被地上的凋落物及其地下根系分泌物和死亡根系。因此植被类型影响了森林土壤有机碳的质量、数量和周转。土壤活性有机碳各组分来源于SOC，土壤活性有机碳含量的高低在很大程度上取决于土壤有机碳的含量[16-18]。本研究中土壤有机碳与土壤活性有机碳显著相关也证明了这一观点。与红桦林(落叶阔叶林)相比，云杉林(常绿针叶林)土壤活性有机碳含量降低，这与大部分研究结果一致[19-20]。与常绿针叶林相比，阔叶林年凋落物量较高，细根生物量较高，死亡细根和凋落物的浸出物较高，有机质输入量较高。可矿化的有机质含量较高，增加了微生物的生物量和活性，为活性有机碳提供了更多的来源[21]。土壤中的MBC主要来源于土壤中活的微生物和土壤微生物体内所含的碳，在森林土壤中，凋落物数量组成、土壤理化性质的差异是导致不同林型土壤微生物量差异的主要因素[22]，阔叶林种较多的凋落物为土壤微生物提供了大量的碳源物质，有利于微生物的生长和繁殖[23]。由此可见，不同林分凋落物和细根的分解不同，可能是影响土壤活性有机碳的主要因素[24-25]。说明不同森林类型外源碳库输入的差异，是导致不同森林类型土壤活性有机碳含量差异的主要原因。

3.2．2 土壤活性有机碳在土壤剖面的分布特征 3种林分类型土壤有机碳及活性有机碳均随土层深度的加深而减少，这与以往的研究结果[7,26]一致。土壤中EOC含量和DOC含量随土层深度的增加而减少，一方面，植物根系的分布直接影响土壤有机碳含量的垂直分布，表层(0～10 cm)是植物根系分布的集中区域，根系分布密集、根系分泌物及根系自身的新陈代谢为表层土壤提供了丰富的碳源[27]，因此各林分表层土壤有机碳含量高于下部土层，这与王棣等[10]对秦岭典型林分的研究结果一致。另一方面，地表具有较多的枯枝落叶和腐殖质，使得土壤表层的有机碳含量和活性有机碳含量显著高于下部土层。而土壤MBC含量不仅与凋落物和根系分布有关，土壤水热条件也是影响土壤MBC剖面分布的重要因素。森林土壤表层具有较好的水热条件和通气状况，但是随着土层深度的加深，土壤通透性变差，不利于土壤微生物的活动和繁殖，从而导致深层土壤微生物碳含量降低。

3.2.3 土壤活性有机碳的季节分布特征 3种林分土壤活性有机碳含量受季节变化的影响。一方面，凋落物数量的季节性变化会影响土壤有机碳含量的变化；另一方面，土壤有机碳含量还受季节性土壤温度和湿度变化的影响。有研究表明，土壤温、湿度的季节变化是影响土壤活性有机碳季节波动的主要因子[28]。秋季土壤有机碳含量最高，因为在秦岭地区9月地表枯落物输入增多促进有机碳向土壤输入；1-4月由于温度低，微生物活性低，有利于有机碳的积累。

EOC、DOC和MBC是有机碳中不稳定的部分，可以作为土壤质量的早期指标，因其控制土壤有机质和养分的有效性并且对环境变化高度敏感[29]。由于土壤活性有机碳来源不同，其对各种因素变化的敏感性不同[30]，所以同一地区不同土壤活性有机碳的季节变化趋势也不完全一致。EOC是土壤中易被氧化分解、活性组分较高的有机碳[31]，主要来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。研究区7月植被生长旺盛，需要从土壤中获取更多养分，因此加速了土壤SOC的矿化[33]，使EOC含量有所降低；9月开始进入凋落物大量增加的时期，促进了土壤有机碳的输入，使土壤EOC含量升高[34]。3种森林土壤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,其还受到降水淋失影响，淋失是土壤DOC含量损失的重要途径，秦岭地区7-9月降雨集中，4月积雪融化会引发较强的淋失作用，从而导致DOC含量降低，4-7月降雨量少有利于DOC含量的积累。土壤MBC含量不仅与SOC总量相关,同时还与土壤微生物相关[35]。MBC含量在夏季最高，冬季最低，这一结果与JIANG等[36]在雷竹林土壤的研究MBC含量在冬季达到最大值不同，这可能与土壤温度和湿度的季节性变化有关，因为7-9月温度高、降水多、植物和微生物进入了生长旺季，植物光合作用和代谢速率快，根系分泌物多[37]，土壤微生物的活动较频繁[38]。但是从1月开始，随着气温的降低，不利于土壤微生物的活动和繁殖，导致土壤中微生物量碳含量降低[28]，5月开始土壤温度升高，土壤微生物开始繁殖，使得土壤中微生物生物量呈上升趋势。综上所述，土壤活性有机碳的季节变化不仅与研究区的地上植被的生长节律密切相关，同时也和气候变化规律相关。