全 文 ：秦岭典型林分土壤活性有机碳及
碳储量垂直分布特征*
王摇 棣1 摇 耿增超1**摇 佘摇 雕2 摇 和文祥1 摇 侯摇 琳3
( 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, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学水
土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 3西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 采用野外调查结合室内分析的方法,2013 年 8 月分析了秦岭典型林分锐齿栎(马头
滩林区,玉)、油松(域)、华山松(芋)、松栎混交林(郁)、云杉(吁)、锐齿栎(辛家山林区,遇)
土壤剖面上活性有机碳及碳储量的分布规律. 结果表明: 研究区各林分土壤的有机碳、微生
物生物量碳、水溶性碳、易氧化态碳含量均随着土层深度的增加而不断减小;在整个土壤剖面
(0 ~ 60 cm)上,云杉和松栎混交林的土壤有机碳和水溶性碳含量明显高于其余林分,不同林
分的土壤有机碳和水溶性碳含量的平均值大小均为吁>郁>玉>域>芋>遇;各林分不同土层的
微生物生物量碳在 71. 25 ~ 710. 05 mg·kg-1,不同林分的土壤微生物生物量碳大小依次为玉
>吁>郁>芋>域>遇;整个土壤剖面上,松栎混交林的土壤易氧化态碳含量降幅最大,不同林分
土壤易氧化态碳含量的平均值大小为郁>吁>玉>域>芋>遇. 3 种活性有机碳占有机碳的比例
在不同林分类型中没有表现出一致的规律性.各林分 0 ~ 60 cm土层的有机碳储量大小为吁>
玉>郁>芋>遇>域.各林分的土壤微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化态碳两两之间均表现为
极显著相关,各林分的土壤微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化态碳与土壤有机碳、全氮之间
的相关性均表现为显著或极显著水平,与碳氮比、pH、土壤水分、土壤容重的相关关系不显著.
关键词摇 垂直分布摇 土壤有机碳摇 活性有机碳摇 碳储量摇 秦岭
*国家林业公益性行业科研专项(201304307)资助.
**通讯作者. E鄄mail: gengzengchao@ 126. com
2013鄄11鄄19 收稿,2014鄄03鄄28 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)06-1569-09摇 中图分类号摇 S714摇 文献标识码摇 A
Vertical distribution of soil active carbon and soil organic carbon storage under different for鄄
est types in the Qinling Mountains. WANG Di1, GENG Zeng鄄chao1, SHE Diao2, HE Wen鄄
xiang1, HOU Lin3 ( 1Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri鄄environment
in Northwest China / College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling
712100, Shaanxi, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University,
Yangling 712100, Shaanxi, China; 3College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling
712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(6): 1569-1577.
Abstract: Adopting field investigation and indoor analysis methods, the distribution patterns of soil
active carbon and soil carbon storage in the soil profiles of Quercus aliena var. acuteserrata (Matou鄄
tan Forest, 玉), Pinus tabuliformis (域), Pinus armandii (芋), pine鄄oak mixed forest (郁), Pi鄄
cea asperata (吁), and Quercus aliena var. acuteserrata ( Xinjiashan Forest, 遇) of Qinling
Mountains were studied in August 2013. The results showed that soil organic carbon ( SOC),
microbial biomass carbon (MBC), dissolved organic carbon (DOC), and easily oxidizable carbon
(EOC) decreased with the increase of soil depth along the different forest soil profiles. The SOC
and DOC contents of different depths along the soil profiles of P. asperata and pine鄄oak mixed forest
were higher than in the other studied forest soils, and the order of the mean SOC and DOC along the
different soil profiles was 吁>郁>玉>域>芋>遇. The contents of soil MBC of the different forest
soil profiles were 71. 25-710. 05 mg·kg-1, with a content sequence of 玉>吁>郁>芋>域>遇.
The content of EOC along the whole soil profile of pine鄄oak mixed forest had a largest decline, and
the order of the mean EOC was 郁>吁>玉>域>芋>遇. The sequence of soil organic carbon storage
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 6 月摇 第 25 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2014, 25(6): 1569-1577
of the 0-60 cm soil layer was 吁>玉>郁>芋>遇>域. The MBC, DOC and EOC contents of the dif鄄
ferent forest soils were significanty correlated to each other. There was significant positive correla鄄
tion among soil active carbon and TOC, TN. Meanwhile, there was no significant correlation be鄄
tween soil active carbon and other soil basic physicochemical properties.
Key words: vertical distribution; soil organic carbon; soil active carbon; soil carbon storage; Qin鄄
ling Mountain.
摇 摇 工业革命以来,人类活动致使大气 CO2浓度不
断上升,由此引发的温室效应将使 21 世纪末的地球
表面气温显著增加[1] .通过碳汇作用将大气 CO2固
持在陆地碳库中,已成为目前减缓温室效应的有效
途径之一[2] .
森林是地球上最大的陆地碳库,约占陆地总碳
库的 46% ,对全球碳循环和碳平衡至关重要. 森林
土壤碳库是森林生态系统碳库的主体,包括无机碳
库和有机碳库两部分. 森林土壤无机碳贮量相对较
小且变动不大,森林土壤有机碳储量约为 787 Pg C,
占全球土壤有机碳储量的 39% ,为森林生态系统有
机碳库的 2 / 3[3] . 由于森林土壤有机碳储量的巨大
库容,其较小幅度的变化就可能使大量的碳向大气
排放,并通过温室效应影响全球气候变化.
根据功能、周转时间以及化学属性的不同,土壤
有机碳库可分为活性库、慢性库和惰性库 3 种类
型[4] .土壤碳库的动态变化主要体现在土壤活性碳
库中[5] .土壤活性有机碳指在一定时空条件下受植
被、微生物影响强烈、具有一定溶解性,且在土壤中
移动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化,其形态
和空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分碳
素[6] .以往研究中常见的溶解性有机碳和水溶性有
机碳、轻组有机碳、易氧化性有机碳、潜在可矿化有
机碳、有效碳、微生物生物量碳、热水提取碳、生物可
降解碳等均属此范畴之列[7] . 土壤活性有机碳是土
壤的重要组成部分,也是植物的养分库,可以提供植
物所需的养分,维持土壤团粒结构稳定性[8] . 尽管
土壤活性有机碳只占土壤有机碳总量的较小部分,
但它可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变
化,又可直接参与生物化学转化过程,因此土壤活性
有机碳更能反映土壤碳库的变化[9-10] .此外,土壤碳
库中的活性有机碳与大气 CO2相互反馈作用较频
繁,所以在全球温度升高背景下土壤活性有机碳的
分配特征也受到越来越多的关注[11] .
本文对秦岭典型林分的土壤活性有机碳及其剖
面分布以及土壤有机碳储量进行分析,旨在扩充森
林生态系统碳循环的基础资料,进一步揭示同一地
区不同森林植被下土壤有机碳储量及活性有机碳含
量的分布规律,以期为森林土壤碳库的经营和管理
提供依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区域概况
研究区域包括秦岭马头滩(34毅04忆—34毅35忆 N,
106毅54忆—107毅11忆 E)和辛家山(34毅10忆—34毅20忆 N,
106毅28忆—106毅38忆 E)所辖林区.其中,马头滩林区位
于秦岭西部主梁两侧,属秦岭腹地,林地总面积
34668 hm2,海拔 1500 ~ 2650 m[12] .该区属北亚热带
北缘暖温带山地湿润气候,气候垂直变化明显,小气
候差异大,光热条件不足,降水集中,分布不均;气温
日差大,年均气温 11 益,年降水量 600 ~ 900 mm;林
区森林植被垂直分布明显,构成林分的优势树种有
冷杉(Abies holophylla)、华山松(Pinus armandii)、红
桦(Betula albo鄄sinensis)、栎类(Quercus spp. )等. 辛
家山林区位于秦岭西部南坡、秦岭主梁南侧嘉陵江
上游.该区属暖温带半湿润山地气候,山地高差悬
殊,气候垂直变化明显,小气候差异大,年均气温
7郾 6 益,年均降水量 900 mm,降水集中于 7—9 月.
该区域森林覆盖率 96. 8% ,林区资源丰富,主要树
种为冷杉、云杉 ( Picea asperata)、红桦、锐齿栎
(Quercus aliena var. acuteserrata)、辽东桦 ( Betula
schmidtii)、华山松、油松(Pinus tabuliformis)、漆树
(Toxicodendron succedaneum)、山杨(Populus davidi鄄
ana)等.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 样品的采集和处理摇 在研究区域内进行实地
勘察,依据典型林分的分布情况选定 6 个样地,根据
实际环境条件,确定样地大小为 60 m伊40 m, 林分
起源均为天然次生林,样地基本概况参见表 1.
在各样地内设置 3 个面积为 20 m伊20 m 的样
方,在各个样方内按照“S冶型布点法选择 5 个采样
点,除去地表凋落物后进行采样,采样深度为 60
cm.每个采样点按 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60
cm将土壤剖面分为4层,采用环刀取样,然后测定
0751 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 样地基本概况
Table 1摇 Basic status of sampling plots
林区
Forest zone
林分类型
Forest type
林龄
Age
(a)
海拔
Elevation
(m)
经纬度
Longitude
and latitude
坡位
Slope
position
土壤类型
Soil type
马头滩林区 玉 40 1777 34毅13忆34. 5义 N, 106毅59忆30. 7义 E S 棕壤 Brown soil
Matoutan 域 40 1591 34毅13忆26. 5义 N, 106毅59忆12. 3义 E S 棕壤 Brown soil
芋 40 1605 34毅13忆14. 0义 N, 106毅59忆3. 7义 E S 棕壤 Brown soil
郁 38 1653 34毅13忆18. 5义 N, 106毅59忆15. 1义 E S 棕壤 Brown soil
辛家山林区 吁 40 2175 34毅16忆51. 4义 N, 106毅31忆38. 0义 E S 暗棕壤 Dark brown soil
Xinjiashan 遇 38 1639 34毅12忆46. 0义 N, 106毅35忆12. 0义 E S 棕壤 Brown soil
玉: 锐齿栎(马头滩林区)Q. aliena var. acuteserrata (Matoutan forest); 域: 油松 P. tabuliformis; 芋: 华山松 P. armandii; 郁: 松栎混交林 Pine鄄
oak mixed forest; 吁: 云杉 P. asperata; 遇: 锐齿栎(辛家山林区) Q. aliena var. acuteserrata (Xinjiashan forest) . 下同 The same below. S:南坡
Southern slope.
每层的土壤容重,最后将同一样方内各采样点的土
样按层混合均匀,作为分析样品带回实验室,共 72
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 益的冰箱内,测定土壤
水溶性碳、微生物生物量碳,另一份置于通风、阴凉、
干燥的室内风干,以四分法取样磨细并过筛(孔径:
2、1、0. 25 mm),测定土壤有机碳、全氮、易氧化态碳
以及 pH等指标.
1郾 2郾 2 样品理化指标的测定分析摇 土壤各项理化指
标的测定均采用常规方法,并作 3 次平行. 其中,土
壤容重采用环刀法, pH 采用电位法 (水 颐 土 =
2. 5 颐 1)测定,土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化鄄
外加热法测定,全氮含量采用半微量凯氏法测定.
土壤水分采用(105依2) 益烘箱烘干测定,计算
公式为:
兹=(Wf-Wd) / (Wd-W) (1)
式中:Wf为湿土和铝盒的总质量(g);Wd为干土和铝
盒的总质量(g);W为铝盒质量(g).
土壤砾石体积含量采用排水法[13-14]:测定完土
壤容重后,将环刀内的土壤过 2 mm 筛,然后用清水
洗净砾石表面的土壤颗粒,再将其表面水分凉干后,
用量杯(精度 0. 5 mL)通过排水法测定砾石体积,用
以计算土壤砾石的体积含量.
土壤剖面有机碳储量用下式计算[15-17]:
Cso =CDE(1-G) / 10 (2)
式中:Cso为土壤有机碳储量( t·hm-2);C 为土壤有
机碳含量(g·kg-1);D为土壤容重(g·cm-3); E为
土层厚度(cm);G为直径>2 mm石砾所占体积比例
(% ).
土壤 C / N值的算式如下:
C / N=有机碳 /全氮 (3)
用去离子水振荡浸提新鲜土壤样品(水土质量
比为 2 颐 1) 30 min,高速(4000 r·min-1 )离心 20
min,用 0. 45 滋m 滤膜抽滤,滤液中有机碳含量在
TOC鄄VCPH自动分析仪(岛津,日本)测定水溶性有
机碳含量[18];微生物生物量碳采用氯仿熏蒸鄄K2SO4
提取法,提取液在有机碳分析仪上分析[19];易氧化
态碳采用 KMnO4氧化法测定[20] .
1郾 3摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2007 和 SPSS 18. 0 软件进
行数据处理和制图.应用 one鄄way ANOVA 法分析不
同林分、不同土层间各指标的差异显著性,应用最小
显著差异法(LSD)进行多重比较,采用双变量相关
分析法计算各项理化性质两两间的 Pearson 相关
系数.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同林分土壤有机碳的剖面分布
土壤有机碳不仅影响土壤的物理特性和肥力,
还影响生物的生长和产量,其含量多少能为土壤生
产力、土壤水文特性和以碳为基础的温室气体研究
提供非常重要的信息[21-22] .
摇 摇 由表 2 可知,研究区各个林分的土壤有机碳含
量均随土层深度的增加而不断减小. 除松栎混交林
0 ~ 10 cm与 10 ~ 20 cm土层、锐齿栎(辛家山林区)
20 ~ 40 cm与 40 ~ 60 cm 土层的有机碳含量差异不
显著外,其余林分的土壤有机碳含量在各土层间均
表现为显著差异.松栎混交林 0 ~ 10 cm土层的有机
碳含量为 44. 10 g·kg-1,在所有土层中最大,其他
林分 0 ~ 10 cm 土层的有机碳含量在 22. 73 ~ 42. 37
g·kg-1,华山松 0 ~ 10 cm 土层的有机碳含量最低,
为 22. 73 g·kg-1 .各个林分 0 ~ 10 cm土层有机碳含
量占土壤剖面的 40. 1% ~ 53郾 7% ,明显高于其余 3
个土层,说明土壤有机碳的分布具有比较明显的表
聚现象.
通过对不同林分的比较发现,松栎混交林土壤
17516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 棣等: 秦岭典型林分土壤活性有机碳及碳储量垂直分布特征摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 典型林分不同土层土壤有机碳含量
Table 2摇 SOC content at different soil depths in different forest types (g·kg-1)
土层深度
Soil depth
(cm)
林分类型 Forest type
玉 域 芋 郁 吁 遇
0 ~10 40. 69依2. 16aA 30. 57依1. 66aB 22. 73依1. 14aC 44. 10依0. 45aA 42. 37依1. 25aA 25. 98依1. 42aC
10 ~ 20 22. 75依1. 44bC 15. 71依1. 27bD 14. 98依0. 72bD 43. 83依0. 87aA 33. 38依0. 53bB 11. 70依0. 51bE
20 ~ 40 16. 58依1. 58cB 6. 48依0. 28cD 11. 97依1. 72 cC 12. 09依0. 89bC 21. 05依1. 34cA 8. 22依0. 69cD
40 ~ 60 4. 01依0. 32dB 4. 12依0. 98dB 4. 96依6. 74dB 4. 88依0. 34cB 8. 84依1. 62dA 8. 16依0. 35cA
不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异显著(P<0. 05),不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异显著(P<0. 05) Different lower
case letters indicated significant difference among different soil layers in the same forest type at 0. 05 level, and different capital letters indicated significant
difference among different forest types in the same soil layer at 0. 05 level. 下同 The same below.
剖面的有机碳含量变幅最大,从 0 ~ 10 cm 土层的
44. 10 g · kg-1 减小到 40 ~ 60 cm 土层的 4郾 88
g·kg-1 .不同林分间的土壤有机碳含量存在较大差
异,主要是受到成土过程中环境特点和植被类型等
的影响[23] .在整个土壤剖面上,云杉和松栎混交林
的土壤有机碳含量保持在相对较高的水平,不同林
分土壤有机碳含量平均值大小为:云杉 ( 26郾 41
g·kg-1)>松栎混交林(26. 22 g·kg-1) >锐齿栎(马
头滩林区)(21. 01 g·kg-1)>油松(14. 22 g·kg-1)>
华山松 (13郾 66 g·kg-1 ) >锐齿栎 (辛家山林区)
(13郾 46 g·kg-1).
2郾 2摇 不同林分土壤活性有机碳的剖面分布
由表 3 可知,各个林分的土壤微生物生物量碳
随着土层深度的增加而逐渐减小,除松栎混交林
20 ~ 40 cm土层与 40 ~ 60 cm 土层的微生物生物量
碳差异不显著外,其余林分不同土层间均表现为显
著差异.锐齿栎(马头滩林区)0 ~ 10 cm土层的微生
物生物量碳含量为 710. 05 mg·kg-1,在所有土层中
最大,锐齿栎(辛家山林区)0 ~ 10 cm土层的微生物
生物量碳含量为 357. 91 mg·kg-1,在所有林分 0 ~
10 cm土层中最小.虽然林分类型相同,但两个地区
的微生物生物量碳含量差异较大,主要原因在于土
壤微生物生物量碳含量不仅与土壤有机碳总量有
关,还取决于林地内的微环境、植被覆盖度、光照强
度、微生物的活性和数量等.研究区各土层的微生物
生物量碳在 71. 25 ~710. 05 mg·kg-1;0 ~60 cm土层
的微生物生物量碳平均值由大到小依次为:锐齿栎
(马头滩林区)>云杉>松栎混交林>华山松>油松>锐
齿栎(辛家山林区),其值分别为 1505. 58、1462郾 94、
1306. 83、1219. 85、1167. 94和 763. 47 mg·kg-1 .
摇 摇 研究区各林分的水溶性碳含量随着剖面深度的
增加而不断减小,除锐齿栎(马头滩林区)、云杉各
土层的水溶性碳差异显著外,其余林分不同土层的
水溶性碳之间并没有表现出显著的差异性. 云杉
0 ~ 10 cm土层的水溶性碳含量为 250. 51 mg·kg-1,
在所有土层中最大,锐齿栎(马头滩林区)与松栎混
交林 0 ~ 10 cm 土层的水溶性碳含量较高,与云杉
0 ~ 10 cm土层在一个水平,华山松0 ~ 10 cm土层
表 3摇 典型林分不同土层土壤活性有机碳分布
Table 3摇 Distribution of soil active organic carbon in the soil profile in different forest types
指标
Index
土层
Soil depth
(cm)
林分类型 Forest type
玉 域 芋 郁 吁 遇
MBC 0 ~10 710. 05依11. 32aA 554. 15依6. 46aB 674. 89依6. 94aA 704. 03依38. 89aA 549. 80依6. 94aB 357. 91依16. 12aC
(mg·kg-1) 10 ~20 349. 85依9. 42bB 301. 09依3. 92bC 282. 03依18. 32bC 301. 01依7. 42bC 511. 92依9. 43bA 201. 50依3. 20bD
20 ~40 320. 77依7. 59cA 204. 43依19. 83cB 164. 41依11. 11cC 166. 87依5. 05cC 320. 12依10. 31cA 132. 82依9. 68cD
40 ~60 124. 90依7. 05dAB 108. 26依0. 45dBC 98. 51依9. 59dCD 134. 90依6. 28cA 80. 98依11. 68dDE 71. 23依3. 95dE
DOC 0 ~10 245. 92依19. 85aA 184. 69依20. 85aB 133. 83依14. 35aC 238. 71依36. 93aA 250. 51依16. 85aA 152. 76依12. 59aBC
(mg·kg-1) 10 ~20 147. 91依2. 98bB 125. 73依27. 87bBC 115. 99依14. 88aBC 224. 19依45. 41aA 211. 38依9. 05bA 84. 43依12. 15bC
20 ~40 120. 64依1. 29cB 62. 01依8. 41cD 79. 22依0. 83bC 80. 44依3. 62bC 155. 98依9. 38cA 69. 26依9. 81bcCD
40 ~60 55. 92依12. 56dBC 41. 23依3. 22cC 65. 75依9. 82bAB 58. 87依10. 18bABC 76. 91依3. 61dA 64. 82依2. 27cAB
EOC 0 ~10 11. 39依0. 08aB 7. 98依0. 06aC 5. 31依0. 04aE 11. 91依0. 05aA 11. 35依0. 04aB 5. 46依0. 03aD
(g·kg-1) 10 ~20 5. 42依0. 04bC 3. 44依0. 03bD 2. 79依0. 03bE 9. 79依0. 04bA 7. 31依0. 02bB 2. 02依0. 01bF
20 ~40 2. 79依0. 05cB 1. 08依0. 03cE 1. 62依0. 03cD 1. 93依0. 03cC 3. 41依0. 03cA 0. 93依0. 02cF
40 ~60 0. 42依0. 04dD 0. 42依0. 04dD 0. 41依0. 03dD 0. 51依0. 02dC 0. 83依0. 04dA 0. 67依0. 04dB
MBC: 微生物生物量碳 Microbial biomass carbon; DOC: 水溶性碳 Dissolved organic carbon; EOC: 易氧化态碳 Easily oxidizable carbon. 下同 The
same below.
2751 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
的水溶性碳含量(133. 83 mg·kg-1)在所有林分 0 ~
10 cm土层中最小.各个林分 0 ~ 20 cm 土层的水溶
性碳含量占整个剖面的 63. 3% ~ 76. 9% ,说明水溶
性碳具有较强的表聚性.锐齿栎(马头滩林区)各土
层水溶性碳含量的变幅最大,在 245. 95 ~ 55郾 92
mg·kg-1 .在整个土壤剖面上,不同林分的水溶性碳
含量大小依次为:云杉(694. 81 mg·kg-1) >松栎混
交林(602. 22 mg·kg-1 ) >锐齿栎 (马头滩林区)
(570. 41 mg·kg-1)>油松(413. 67 mg·kg-1)>华山
松(394. 81 mg·kg-1) > 锐齿栎 (辛家山林区 )
(371郾 28 mg·kg-1).这与土壤有机碳在各个林分中
的分布规律相同.
研究区各个林分的易氧化态碳含量随着土层深
度增加而逐渐减小,相同林分不同土层间的易氧化
态碳含量差异显著.松栎混交林 0 ~ 10 cm土层易氧
化态碳含量(11. 90 g·kg-1)最大;锐齿栎(马头滩
林区)和云杉 0 ~ 10 cm 土层易氧化态碳含量其次,
分别为 11. 35 和 11. 39 g·kg-1;华山松 0 ~ 10 cm土
层的易氧化态碳含量(5. 31 g·kg-1 )在所有林分
0 ~ 10 cm 土层中最小. 各林分 0 ~ 10 cm 土层的易
氧化态碳含量占整个剖面的 49% ~ 62% ,说明易氧
化态碳的表聚性相对较强.在整个土壤剖面上,松栎
混交林易氧化态碳含量的降幅最大,由 0 ~ 10 cm土
层的 11. 90 g·kg-1减小到 40 ~ 60 cm 土层的 0郾 51
g·kg-1 .各林分间易氧化态碳含量差异显著,其平
均值大小依次为:松栎混交林(6. 04 g·kg-1) >云杉
(5. 73 g·kg-1) > 锐齿栎 (马头滩林区 ) ( 5郾 01
g·kg-1) >油松 ( 3. 23 g · kg-1 ) >华山松 ( 2郾 54
g·kg-1)>锐齿栎(辛家山林区)(2郾 27 g·kg-1).
2郾 3摇 不同林分土壤活性有机碳分配比例的变化
土壤微生物生物量碳占全碳比例是土壤碳库质
量的敏感指示因子,可以推断碳素的有效性[24] . 由
表 4 可知,研究区各林分不同土层的土壤微生物生
物量碳占有机碳比例为 0. 7% ~ 3. 2% ,且 20 ~ 40、
40 ~ 60 cm土层所占比例较高,在整个土壤剖面的
规律性不强.不同林分 0 ~ 60 cm土层的微生物生物
量碳所占比例的平均值大小为:油松(2. 4% )>锐齿
栎(马头滩林区)(2. 1% )=华山松(2. 1% )>松栎混
交林(1. 6% )>锐齿栎(辛家山林区)(1. 4% )>云杉
(1. 3% ).
除华山松、松栎混交林、锐齿栎(辛家山林区)
的某一特定土层出现减小的情况以外,其他林分土
壤水溶性碳占有机碳比例从上到下基本表现为上
升趋势 . 各林分不同土层的水溶性碳所占比例为
表 4摇 土壤活性有机碳占总有机碳的比率
Table 4 摇 Ratio of active organic carbon to total organic
carbon (%)
指标
Index
土层
Soil depth
(cm)
林分类型 Forest type
玉 域 芋 郁 吁 遇
MBC / SOC 0 ~ 10 1. 8 1. 8 3. 0 1. 6 1. 3 1. 4
10 ~ 20 1. 5 1. 9 1. 9 0. 7 1. 5 1. 7
20 ~ 40 1. 9 3. 2 1. 4 1. 4 1. 5 1. 6
40 ~ 60 3. 1 2. 6 2. 0 2. 8 0. 9 0. 9
DOC / SOC 0 ~ 10 0. 6 0. 6 0. 6 0. 6 0. 6 0. 6
10 ~ 20 0. 7 0. 8 0. 8 0. 5 0. 6 0. 7
20 ~ 40 0. 7 1. 0 0. 7 0. 7 0. 8 0. 8
40 ~ 60 1. 4 1. 0 1. 3 1. 2 0. 9 0. 8
EOC / SOC 0 ~ 10 28. 0 26. 1 23. 4 27. 0 26. 8 21. 0
10 ~ 20 23. 8 21. 9 18. 6 22. 3 21. 9 17. 2
20 ~ 40 16. 8 16. 7 13. 5 16. 0 16. 2 11. 3
40 ~ 60 10. 5 10. 2 8. 3 10. 5 9. 4 8. 2
0. 6% ~1. 4% .不同林分 0 ~ 60 cm土层水溶性碳所
占比例的平均值大小为:油松(0. 84% ) = 锐齿栎
(马头滩林区)(0. 84% )>华山松(0. 83% ) >松栎混
交林(0郾 75% )>锐齿栎(辛家山林区)(0. 73% ) >云
杉(0郾 71% ).这与各个林分 0 ~ 60 cm 土层微生物
生物量碳占有机碳比例的变化规律基本相同.
土壤易氧化态碳与全碳的比值可以度量土壤有
机碳氧化的活性[25] .不同林分土壤易氧化态碳所占
比例随着土壤剖面的深度增加而不断减小. 各林分
不同土层易氧化态碳所占比例在 8. 2% ~ 28. 0% ;
各林分 0 ~ 10、40 ~ 60 cm土层的易氧化态碳所占比
例分别在 21. 0% ~28. 0% 、 8. 2% ~10. 5% ,说明表
层土壤有机碳氧化的活性远大于底层;随着土层深
度的增加,各林分土壤剖面的易氧化态碳所占比例
逐渐减小.各林分 0 ~ 60 cm土层的易氧化态碳所占
比例平均值大小为:锐齿栎(马头滩林区)(20. 0%)>
松栎混交林 ( 18郾 9% ) > 油松 ( 18. 7% ) > 云杉
(18郾 6% )>华山松(15. 9% ) >锐齿栎(辛家山林区)
(14郾 5% ),说明锐齿栎(马头滩林区)土壤碳素活性
大、易转化.
2郾 4摇 不同林分土壤有机碳储量的剖面分布
森林土壤碳库储量巨大,其较小幅度的变化即
可能导致大气中二氧化碳浓度较大幅度的波动. 因
此,对森林土壤碳库的研究具有重要意义.
由表 5 可知,研究区各林分土壤有机碳储量差
异显著,0 ~ 60 cm 土层土壤有机碳储量大小为:云
杉>锐齿栎(马头滩林区) >松栎混交林>华山松>锐
齿栎 (辛家山林区) >油松,其值分别为 150. 94、
135郾 28、124. 93、109. 24、102. 15、96. 62 t·hm-2 . 各
37516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 棣等: 秦岭典型林分土壤活性有机碳及碳储量垂直分布特征摇 摇 摇 摇 摇
林分 0 ~10 cm土层的有机碳储量占各自剖面土壤有
机碳储量所占比例依次为:油松(39. 9%) >锐齿栎
(辛家山林区) (34郾 6%) >锐齿栎 (马头滩林区)
(34郾 3%)>松栎混交林(31. 2%)>华山松(29. 8%)>
云杉(24. 0% ). 各林分 0 ~ 20 cm 土层的土壤有机
碳储量所占比例均在 46%以上,说明土壤有机碳储
量具有比较明显的表聚现象. 除油松的土壤有机碳
储量表现为随土层深度增加而不断减小外,其余林
分随土层的变化规律性较差,各土层有机碳储量变
化幅度不同,且表现出较大的波动性,个别林分的土
壤有机碳储量甚至随着土层深度增加而增加.
2郾 5摇 土壤活性有机碳与土壤基本理化性质的相关性
由表 6可知,各林分的土壤微生物生物量碳、水
溶性碳、易氧化态碳之间均表现为极显著相关;各林
分的土壤微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化态碳与
土壤有机碳、全氮之间的相关性均表现为显著或极显
著水平,说明不同林分的土壤活性有机碳含量高低均
在很大程度上依赖土壤总有机碳含量.除华山松、松
栎混交林的易氧化态碳与土壤 pH 存在显著负相关
性外,其余林分的微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化
态碳与土壤 pH 的相关关系不明显;除锐齿栎(马头
滩林区)、云杉的水溶性碳与土壤水分存在显著相关
关系外,其余林分的土壤微生物生物量碳、水溶性碳、
易氧化态碳与土壤水分无明显相关性;各林分的土壤
微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化态碳与土壤水分、
土壤容重的相关性在不同林分中的表现不一致.各林
分的土壤微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化态碳与
碳氮比、土壤容重的相关关系不显著.
表 5摇 典型林分土壤有机碳储量
Table 5摇 SOC storage at different soil depths in different forest types ( t·hm-2)
土层深度
Soil depth
(cm)
林分类型 Forest type
玉 域 芋 郁 吁 遇
0 ~10 46. 39依2. 46aA 38. 18依2. 07aB 32. 59依1. 63aC 38. 98依0. 41aB 36. 61依1. 14bBC 35. 34依1. 13aBC
10 ~ 20 28. 88依1. 83bC 22. 78依1. 84bD 21. 95依1. 06bD 41. 24依0. 82aA 34. 19依0. 58bcB 17. 32依0. 71dE
20 ~ 40 47. 63依4. 54aA 20. 36依0. 88bD 36. 99依5. 34aB 30. 97依2. 28bBC 56. 99依1. 37aA 22. 94依1. 97cCD
40 ~ 60 12. 38依0. 99cB 14. 31依0. 34cB 17. 07依4. 86bB 13. 72依0. 97cB 25. 66依6. 68cA 27. 53依1. 20bA
表 6摇 土壤活性有机碳与土壤理化性质的相关系数
Table 6摇 Correlations between soil active organic carbon and soil physical and chemical properties
林分类型
Forest type
指标
Index
微生物
生物量碳
MBC
水溶性碳
DOC
有机碳
SOC
全氮
TN
碳氮比
C / N
pH 土壤水分
Soil water
土壤容重
Soil
density
玉 MBC 0. 982** 0. 989* 0. 821 -0. 846 0. 824 -0. 949
DOC 0. 983** 0. 980** 0. 994* 0. 857 -0. 896 0. 875* -0. 970
EOC 0. 982** 0. 980** 0. 986** 0. 989* 0. 807 -0. 898 0. 899 -0. 972
域 MBC 0. 985* 0. 932* 0. 435 -0. 926 0. 982 -0. 995
DOC 0. 946** 0. 937** 0. 915 0. 312 -0. 934 0. 956 -0. 952
EOC 0. 990** 0. 948** 0. 996** -0. 988** 0. 492 -0. 898 0. 965 -0. 988
芋 MBC 0. 926** 0. 827** 0. 681 -0. 838 0. 831 -0. 829
DOC 0. 852** 0. 900* 0. 894* 0. 586 -0. 863 0. 914 -0. 882
EOC 0. 980** 0. 905** 0. 973** 0. 892** 0. 747 -0. 925* 0. 922 -0. 922
郁 MBC 0. 776** 0. 830* 0. 552 -0. 707 0. 991 -0. 805
DOC 0. 773** 0. 961* 0. 954* 0. 799 -0. 826 0. 818 -0. 944
EOC 0. 861** 0. 955** 0. 988** 0. 997** 0. 825 -0. 861* 0. 903 -0. 984
吁 MBC 0. 972* 0. 987* 0. 798 -0. 983 0. 955 -0. 967
DOC 0. 983** 0. 981* 0. 987 0. 820 -0. 983 0. 978* -0. 976
EOC 0. 932** 0. 960** 0. 984** 0. 947** 0. 925 -0. 939 0. 964 -0. 990
遇 MBC 0. 953* 0. 940** 0. 880 -0. 916 0. 979 -0. 903
DOC 0. 946** 0. 972** 0. 961* 0. 748 -0. 814 0. 903 -0. 752
EOC 0. 976** 0. 970** 0. 992** 0. 966** 0. 801 -0. 874 0. 938 -0. 806
* P<0. 05; ** P<0. 01.
4751 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 土壤有机碳的分布特征
秦岭典型林分锐齿栎(马头滩林区)、油松、华
山松、松栎混交林、云杉、锐齿栎(辛家山林区)的土
壤有机碳含量均随着土层深度的增加而降低,且降
幅较大,这与前人的研究结果一致[26-27] . 出现层次
间差异的主要原因在于:土壤不同层次上有机物质
的输入存在规律性差异,即土壤表层积累了大量的
枯枝落叶等植物残体,且植物根系的密度随土层加
深而减小.
土壤有机碳含量反映了进入土壤的、以植物为
主的生物残体等有机物质输入与土壤微生物分解作
用为主的有机物质输出之间的动态平衡[28] .本研究
中,秦岭不同林分土壤有机碳平均值大小依次为:云
杉>松栎混交林>锐齿栎(马头滩林区) >油松>华山
松>锐齿栎(辛家山林区).这与刘瑞英等[29]对辛家
山不同森林类型土壤有机碳的研究结果类似,主要
是因为有机物质的输入很大程度上取决于地上部的
森林类型及其相应的龄级,不同林分类型在根系生
物量、凋落物数量及结构、土壤生物、水分及营养等
方面存在空间差异,导致土壤有机碳的分布差
异[30] .
3郾 2摇 土壤活性有机碳的分布特征
土壤有机质的短暂波动主要发生在活性较高且
易分解的部分[31],因此,研究不同林分土壤活性有
机碳的动态变化有助于更好地了解土壤有机碳的变
化机理.本研究结果表明,秦岭各林分的土壤微生物
生物量碳、水溶性碳含量均随着土层深度的增加而
不断减小,这与李平等[32]对苏南丘陵区 4 种典型人
工林土壤活性有机碳的研究结果一致.
在整个土壤剖面上,云杉和松栎混交林的土壤
水溶性碳含量明显高于其他林分,不同林分土壤水
溶性碳含量平均值大小依次为云杉>松栎混交林>
锐齿栎(马头滩林区) >油松>华山松>锐齿栎(辛家
山林区),这与有机碳含量在各林分中的变化规律
相同,与周焱等[33]对武夷山不同海拔土壤水溶性有
机碳的研究结果类似. 主要是因为水溶性碳含量虽
受地表植被、地表径流以及土壤养分质量、pH值、粘
土矿物、土壤微生物及真菌活动等多种因素的影响,
但其含量主要取决于土壤总有机碳含量[34] .
微生物生物量碳是土壤有机质中最活跃和最易
变化的部分,是土壤中易被植物利用的养分库及有
机物分解和氮矿化的动力,与土壤中 C、N、P、S 等养
分关系密切[35] .各林分不同土层的微生物生物量碳
含量在 71. 25 ~ 710. 05 mg·kg-1,相同林分不同土
层间微生物生物量碳差异显著,这与徐华勤等[36]对
广东省不同土地利用方式对土壤微生物生物量碳的
研究结果不同,具体原因尚有待于进一步探讨.唐国
勇等[37]研究红壤丘陵景观单元土壤有机碳和微生
物生物量碳含量特征时发现,土壤有机碳与微生物
生物量碳含量呈极显著线性相关.然而,研究区不同
林分的微生物生物量碳含量由大到小依次为锐齿栎
(马头滩林区) >云杉>松栎混交林>华山松>油松>
锐齿栎(辛家山林区),与土壤有机碳含量在不同林
分间的分布规律不同. 这主要是因为土壤微生物生
物量碳含量除与土壤有机碳总量有关外,还取决于
林地内的微环境,林下植被的覆盖度、植被根系以及
土壤理化性质如土壤容重、孔隙度、土壤 pH 在不同
程度上影响了土壤微生物活性及数量,进而影响了
土壤微生物生物量碳含量.
土壤易氧化态碳含量是反映土壤碳稳定性的指
标.本研究中各林分易氧化态碳含量随着土层深度
的增加而不断减小,与赖家明等[38]对不同改造措施
对马尾松低效林土壤活性有机碳影响的研究结果相
同.这主要是因为随着土层深度增加,土壤有机碳驻
留时间越长,其有效性越低.不同林分的易氧化态碳
含量平均值大小为松栎混交林>云杉>锐齿栎(马头
滩林区)>油松>华山松>锐齿栎(辛家山林区),主
要原因在于不同林分的凋落物和根系分泌物数量、
化学组成、根系分布情况均不同,形成的土壤碳库特
别是易氧化态碳状况会存在较大差别.
3郾 3摇 土壤活性有机碳分配比例
活性有机碳占土壤有机碳比率较活性有机碳含
量更能体现土壤活性有机碳库的状况,土壤全碳中
活性有机碳分配比例越高,表明土壤有机碳活性越
大,其稳定性就越差[39] . 不同林分由于植物根系和
土壤有机碳含量的差异,土壤易氧化态碳占有机碳
比例、微生物生物量碳占有机碳比例、水溶性碳占有
机碳比例在土壤剖面上的分布也不同.
不同林分土壤易氧化态碳占有机碳比例随着土
壤剖面深度的增加而不断减小.这与姜培坤[40]对不
同林分下土壤活性有机碳库研究结果相同;各林分
0 ~ 60 cm 土层的易氧化态碳占有机碳比例的最大
值为锐齿栎(马头滩林区),说明锐齿栎(马头滩林
区)土壤的有机碳活性最高,稳定性最差,最容易受
到外界干扰而分解变化. 各林分不同土层的土壤微
生物生物量碳占有机碳比例为 0. 7% ~ 3. 2% ,在整
57516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 棣等: 秦岭典型林分土壤活性有机碳及碳储量垂直分布特征摇 摇 摇 摇 摇
个土壤剖面上规律性不强.这与杨继松等[41]对小叶
章湿地土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳分布特
征的研究结果相同,反映了生物活性碳的复杂多变.
各林分不同土层的水溶性碳占有机碳比例为
0郾 6% ~1. 4% ,不同林分土壤水溶性碳所占比例表
现为随土壤层次增加而上升.这与姜培坤[40]的研究
结果一致,原因主要与水溶性碳随着水迁移有关.
3郾 4摇 土壤有机碳储量的分布特征
除油松外,研究区其他林分的土壤有机碳储量
随土层变化的规律性较差,各土层有机碳储量变化
幅度不同,且表现出较大的波动性. 这与崔鸿侠
等[42]的研究结果一致,可能是因为土壤有机碳储量
受土壤有机碳含量、土壤容重、土层厚度、砾石体积
等多个因素的影响,从而导致不同林分不同土层的
土壤有机碳储量变化规律与土壤有机碳、全氮的变
化规律存在一定差异.不同林分 0 ~ 20 cm土层有机
碳储量均占整个土壤剖面的 46%以上.这与梁启鹏
等[43]的研究结果一致,表明森林土壤有机碳储量的
稳定性较差,不合理的人为活动破坏表层,极易引起
水土流失,从而使土壤有机碳储量减少.
3郾 5摇 土壤活性有机碳与土壤基本理化性质的相关性
研究区各林分的微生物生物量碳、水溶性碳、易
氧化态碳两两之间均表现为极显著相关关系. 这与
姜培坤[40]的研究结果一致,说明了土壤中各类活性
碳之间关系密切.它们虽然表述与测定方法不同,但
都在一定程度上表征了土壤中活性较高部分的碳含
量.各林分的微生物生物量碳、水溶性碳、易氧化态
碳与土壤有机碳、全氮之间的相关性均达到显著或
极显著水平.这是因为土壤中的活性有机碳直接参
与了土壤生物化学转化过程,某些活性有机碳与土
壤有机碳处于动态平衡中,在一定条件下实现了相
互转化[44] . 3 种活性有机碳与土壤 pH、土壤水分的
相关关系在各林分中表现不一致,这与李平等[32]的
研究结果一致,说明土壤 pH、土壤水分对土壤有机
碳库的影响是多种因素共同作用的结果.
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作者简介摇 王摇 棣,男,1989 年生,硕士研究生.主要从事森
林土壤养分循环研究. E鄄mail: wangdi_0409@ 126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
77516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 棣等: 秦岭典型林分土壤活性有机碳及碳储量垂直分布特征摇 摇 摇 摇 摇