全 文 ：第２８卷第４期
２０１４年８月
水土保持学报
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．４
Ａｕｇ．，２０１４
　
　　收稿日期：２０１４－０２－２４
　　基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＣ０９Ｂ０５）；四川省科技支撑计划项目（２０１０ＮＺ００４９）
　　作者简介：王谢（１９８７—），男，在读博士研究生，主要从事森林资源可持续经营管理研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉｅｃｈａｎｇｄｅ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
　　通讯作者：李贤伟（１９６３—），男，博士，教授，博士生导师，主要从事森林培育与森林生态研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｘｗ＠ｓｉｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
人工开窗面积大小对柏木低效林土壤
有机碳含量及碳库管理的影响
王 谢，李贤伟，范 川，张 军，苏 宇，刘 鸿，李 婷
（四川农业大学 林学院，四川 雅安６２５０１４）
摘要：基于对川中丘陵区柏木低效林人工开窗技术的探索，研究人工开窗面积大小对土壤中有机碳
（ＳＯＣ）、可溶性有机碳（ＤＯＣ）、微生物生物量碳（ＭＢＣ）、易氧化碳（ＲＯＣ）、稳定性有机碳（ＩＯＣ）、碳库活度
（ＣＰＡ）和碳库管理指数（ＣＰＭＩ）的影响，结果表明：（１）开窗处理可显著提高０－５ｃｍ，５－１０ｃｍ和１０－２０
ｃｍ土层的ＳＯＣ、ＲＯＣ和ＩＯＣ含量。（２）当开窗面积在５０～１００ｍ２ 时，ＳＯＣ和ＩＯＣ从上到下都表现出明显
的梯度性，当开窗面积达到１５０～２００ｍ２ 时，５－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ土层ＳＯＣ和ＩＯＣ的含量无显著差异。
（３）０－５ｃｍ表层土壤的ＤＯＣ含量随着开窗面积的增加而减少，但当开窗面积达到１５０～２００ｍ２ 时，５－１０
ｃｍ和１０－２０ｃｍ土层土壤的 ＤＯＣ含量和对照无显著差异。（４）开窗面积大小对 ＭＢＣ无显著影响。
（５）土层之间的ＣＰＡ及活度指数（ＣＰＡＩ）存在显著差异，而开窗处理对ＣＰＡ和ＣＰＡＩ的影响却并不明显。
（６）开窗处理后土壤的ＣＰＭＩ皆表现为从上到下依次增加的趋势。（７）开窗后土壤碳库的增加主要反映在
５－１０ｃｍ土层，而土壤有机碳更新能力的显著提高主要反映在１０－２０ｃｍ土层。（８）ＳＯＣ与ＩＯＣ呈极显
著正相关，而与 ＭＢＣ呈极显著负相关。（９）ＳＯＣ、ＭＢＣ和ＩＯＣ与土壤碳库指数（ＣＰＩ）均呈极显著相关关
系。上述结果显示了人工开窗后表层土壤有机碳的稳定性和深层土壤有机碳的矿化趋势。
关键词：易氧化碳；碳库管理指数；低效林改造；人工开窗；有机质
中图分类号：Ｓ１５７．５；Ｓ１５５．４＋８；Ｓ１５４．１　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００９－２２４２（２０１４）０４－０１７７－０６
Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｎｉｎｇ　Ａｒｅａ　ｗｉｔｈ　Ｇａｐｓ　ｏｎ　Ｓｏｉｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｃｏｎｔｅｎｔ
ａｎｄ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｐｏｏｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ　ｉｎ　Ｌｏｗ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｃｙｐｒｅｓｓ　Ｆｏｒｅｓｔ
ＷＡＮＧ　Ｘｉｅ，ＬＩ　Ｘｉａｎ－ｗｅｉ，ＦＡＮ　Ｃｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＳＵ　Ｙｕ，ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ，ＬＩ　Ｔｉｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａ’ａｎ，Ｓｉｃｈｕａｎ６２５０１４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇａｐ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｓｔａｎｄ　ｏｆ　Ｃｕｐｒｅｓｓｕｓ　ｆｕｎｅｂｒｉｓ　ｉｎ　Ｓｉ－
ｃｈｕａｎ　ｈｉｌｙ　ｂａｓｉｎ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｔｏｔａｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ（ＳＯＣ），ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ（ＤＯＣ），ｍｉｃｒｏｂｉａｌ
ｂｉｏｍａｓｓ　ｃａｒｂｏｎ（ＭＢＣ），ｒｅａｄｉｌｙ　ｏｘｉｄｉｚａｂｌｅ　ｃａｒｂｏｎ（ＲＯＣ），ｓｔａｂｌｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ（ＩＯＣ），ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ａｃｔｉｖｉｔｙ
（ＣＰＡ）ａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ（ＣＰＭＩ）ａｍｏｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗｉｔｈ　ｇａｐｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ：（１）ＳＯＣ，ＲＯＣ　ａｎｄ　ＩＯＣ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ａｔ　０－５ｃｍ，５－１０ｃｍ　ａｎｄ　１０－２０ｃｍ　ｄｅｐｔｈｓ　ｉｎ－
ｃｒｅａｓｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｇａｐ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ．（２）Ａｌｔｈｏｕｇｈ　ｗｈｅｎ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗａｓ　５０～１００ｍ２，ＳＯＣ　ａｎｄ　ＩＯＣ　ｇｒａｄｕａｌｙ　ｒｅ－
ｄｕｃｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｏｐ　ｔｏ　ｂｏｔｔｏｍ，ｗｈｅｎ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗａｓ　１５０～２００ｍ２，ｔｈｅｒｅ　ｗａｓ　ｎｏ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ＳＯＣ
ａｎｄ　ＩＯＣ　ｏｆ　ｓｏｉｌｓ　ａｔ　５－１０ｃｍ　ａｎｄ　１０－２０ｃｍ．（３）Ａｌｔｈｏｕｇｈ　ＤＯＣ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ａｔ　０－５ｃｍ　ｄｅｐｔｈｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎ－
ｃｒｅａｓｉｎｇ　ｇａｐ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｗａｓ　１５０～２００ｍ２，ＤＯＣ　ｏｆ　ｓｏｉｌｓ　ａｔ　５－１０ｃｍ　ａｎｄ　１０－２０ｃｍ　ｏｆ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｆｏｒｅｓｔｓ
ｗｅｒｅ　ｎｏｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒｅｓｔ．（４）Ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗｉｔｈ　ｇａｐｓ　ｈａｄ　ｎｏ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ
ＭＢＣ．（５）ＣＰＡ　ａｎｄ　ＣＰＡＩ（ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ）ｗｅｒｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｍｏｎｇ　ｓｏｉｌ　ｄｅｐｔｈｓ，ｂｕｔ　ｎｏ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ａｒｅａｓ　ｗｉｔｈ　ｇａｐｓ．（６）Ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｓｏｉｌｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆ－
ｆｅｒｅｎｔ　ｇａｐ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ｇｒａｄｕａｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｏｐ　ｔｏ　ｂｏｔｔｏｍ．（７）Ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ｗｉｔｈ　ｇａｐ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ｗａｓ
ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎ　５－１０ｃｍ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｒｅｎｅｗａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ　ｗｉｔｈ　ｇａｐ
ｔｈｉｎｎｉｎｇ　ｗａｓ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎ　１０－２０ｃｍ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ．（８）ＳＯＣ　ｗａｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ
ＩＯＣ，ｂｕｔ　ｉｔ　ｗａｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ＭＢＣ．（９）Ｓｏｉｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ｉｎｄｅｘ（ＣＰＩ）ｗａｓ　ｉｎ　ｈｉｇｈｌｙ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ＳＯＣ，ＭＢＣ　ａｎｄ　ＩＯＣ．Ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ
DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2014.04.033
ｓｏｉｌ　ｈａｄ　ｓｏｍｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｓｏｉｌ　ｓｈｏｗｅｄ　ｓｏｍｅ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅａｄｉｌｙ　ｏｘｉｄｉｚａｂｌｅ　ｃａｒｂｏｎ；ｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ；ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｆｏｒ－
ｅｓｔ；ｇａｐ　ｔｈｉｎｎｉｎｇ；ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ
长江防护林工程建设开始于２０世纪８０年代，受当时造林技术、树种选育、苗木品质及经营管理水平等诸
多因素的制约［１］，形成了大面积的柏木低效林。这些林分的生态系统功能表现出逆向发展趋势，系统组成成分
缺失，林木生长缓慢，质量低劣，林下土壤受到严重侵蚀［２］，导致土壤有机碳流失，整个林分的碳汇功能受到了
极大的限制。现有研究表明，低效林林分碳密度的提高可通过植被的改造来实现［３］。对土壤有机碳而言，林分
冠层结构的贡献是巨大的［４］。林窗的形成更是天然林自然更新与环境改善的重要动力，是森林动态演替与生
态功能优化的自调控自组织过程［５］。如何合理有效的进行人为开窗，以达到促进林下植被更新和土壤有机碳
库调控的目的，是低效林改造中所面临的重要难题。王成等就高密度云杉人工纯林研究发现：疏伐开窗后第１
年，生长季（５－９月）林窗内地表日均温升高而日均湿度降低，林窗内土壤腐殖层有机质增加了１９．６２％，可溶
性有机碳降低了２３．６０％，表明林窗式疏伐有效地改善了高密度云杉人工纯林地表阴湿等不良环境，增强了枯
枝落叶层土壤微生物活性与土壤矿化过程［５］。其中，开窗面积大小是人工开窗技术的重要参数。郝凯婕在研
究人工更新的不同面积云杉人工林林窗下发现，整个生长季内１００ｍ２ 林窗下土壤总有机碳最大，其次是１５０
ｍ２ 和５０ｍ２ 的林窗，对照则最小；在研究自然更新的不同面积云杉人工林林窗下总有机碳时，发现土壤总有机
碳的含量表现为５０ｍ２林窗＞１００ｍ２ 林窗＞１５０ｍ２ 林窗＞对照，表明人工开窗可以增加土壤总有机碳含
量［６］。然而，刘聪在研究辽东山区不同大小林窗土壤养分特征时发现，与非林窗（对照林分）相比，林窗大小对
土壤有机碳无显著影响［７］。何志斌在研究人工采伐形成的林窗斑块（面积０．０２～０．１２ｈｍ２）和半阴坡小斑块林
地（面积０．１７～０．８９ｈｍ２）时，也认为林窗斑块面积的大小并未显著影响土壤有机碳含量［８］。
对于川中丘陵区而言，人工开窗面积的大小对土壤有机碳的影响机制尚不明确。本研究将基于开窗面积
大小对土壤有机碳的影响，来探究该区域土壤有机碳对于林窗大小的响应机制，为该区域碳平衡研究提供一定
的参考依据。此外，研究利用土壤碳库管理指数（Ｃａｒｂｏｎ　Ｐｏｏｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ，ＣＰＭＩ）［９］来量化林地经营
管理水平对森林土壤碳库的影响程度，为川中丘陵区柏木低效林经营措施选择与决策提供重要基础数据。
１　研究区概况与研究方法
１．１　研究区概况
研究区位于德阳市旌阳区永新镇，东邻中江县，西连绵竹市和什邡市，北接罗江县，南靠广汉市，地处川中
丘陵区北部边缘，介于北纬３１°５′－３１°２０′，东经１０４°１５′－１０４°３３′之间。该区属四川盆地中亚热带湿润气候
区，气候温和，四季分明，雨量充沛，日照较少，年均温１６．０℃，年平均日照时数１　２１５．４ｈ，年平均降雨量９０５．９
ｍｍ，全年无霜期２７１ｄ。现阶段，研究区内柏木人工林尚处于为中幼龄林阶段，其平均树高６．５ｍ，平均胸径
８．０ｃｍ，郁闭度大于０．８，单位蓄积量约为４４．７ｍ３／ｈｍ２，远低于全国平均水平８３．６３ｍ３／ｈｍ２［１０］。
１．２　样地设置
在研究区内选择坡向、坡度、坡位等立地条件相近，属同一造林批次的，且生长状况及经营管理水平基本一
致的柏木低效林进行开窗处理，移除柏木地上部分，分别形成面积大小为５０，１００，１５０，２００ｍ２ 的人工林窗。此
外，本研究以不采伐的纯柏木林为对照，共计５个水平，每种水平设３次重复，共建１５个试验样地，每个试验样
地面积均为２０ｍ×２０ｍ，各样地之间留有保留带或过渡带。
１．３　土样采集
在每个样方中，按照Ｓ形在林下布设９个采样点，根据土层深度（２０－３０ｃｍ）和土色（棕色、黄色和紫色）等
特征，将土壤划分为０－５ｃｍ，５－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ等３个土层。研究采用直径为６ｃｍ的土芯取样器采集
土壤后，按层次分割后混匀，最后按四分法选取约１．５ｋｇ土样样品装入封口袋中。其中一部分在室内经自然
风干后用于土壤有机质的分析，另一部分保存在４℃下，２天内送往实验室，去除石头、植物根系及其他杂质后
用于易氧化碳含量、可溶性有机碳和微生物生物量碳的测定。
１．４　室内分析
土壤总有机碳（ＳＯＣ）采用重铬酸钾氧化－外加热法（ＬＹ／Ｔ　１２３７－１９９９）测定；微生物生物量碳（ＭＢＣ）的
提取采用氯仿熏蒸－提取法，其含量大小同可溶性有机碳（ＤＯＣ）含量的测试方法相同，使用总有机碳分析仪
（ＴＯＣ－Ｖ，日本岛津）测定；土壤易氧化有机碳（ＲＯＣ）的测定采样高锰酸钾比色法［１１］。
８７１ 水土保持学报　　　 　　 第２８卷
１．５　计算方法与数据分析
碳库管理指数的计算根据Ｂｌａｉｒ等提出的方法计算［１２－１３］：稳定态有机碳（ＳＯＣ）＝总有机碳（ＳＯＣ）－易氧化
性有机碳（ＲＯＣ）；碳库指数（ＣＰＩ）＝样品全碳含量／参考土壤全碳含量；碳库活度（ＣＰＡ）＝易氧化性有机碳含
量／稳定态有机碳含量；碳库活度指数（ＣＰＡＩ）＝样品碳库活度／参考土壤碳库活度；碳库管理指数（ＣＰＭＩ）＝碳
库指数×碳库活度指数×１００。其中，对照样地ＣＫ作为参考土壤。
本研究所有数据统计、方差分析和ＬＳＤ多重比较皆基于Ｒ　３．０．２软件。
２　结果与分析
２．１　开窗面积对土壤有机碳含量的影响
由表１可知，土层中的ＳＯＣ表现为上层０－５ｃｍ大于下层５－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ的趋势（Ｐ＜０．０１），且
开窗面积的大小对土壤ＳＯＣ含量有显著影响。其中，０－５ｃｍ土层ＳＯＣ含量表现为１５０ｍ２＞５０ｍ２＞１００ｍ２
＞２００ｍ２＞ＣＫ，ＣＫ的ＳＯＣ含量最低，约为２８．８６ｇ／ｋｇ，仅为开窗处理的３８．５７％～６５．２６％，表明开窗处理可
显著提高表层０－５ｃｍ的土层ＳＯＣ的含量。在５－１０ｃｍ土层，５０，１００，１５０，２００ｍ２ 的人工林窗下的ＳＯＣ含
量无显著差异，均值为３４．０３ｇ／ｋｇ，为ＣＫ的２．３～２．６倍。此外，当开窗面积达到１５０ｍ２ 时，１０－２０ｃｍ土层
ＳＯＣ含量和５－１０ｃｍ土层无显著差异，这与ＣＫ一致，但含量确是其１．５～２．０倍。表明开窗可显著提高土壤
０－２０ｃｍ土层ＳＯＣ含量。可能是由于林窗大小不同，林下植被自然更新后的灌木－草本植物群落的差异，导
致了当开窗面积达到１５０～２００ｍ２ 时，５－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ土层ＳＯＣ表现出较好一致性，而开窗面积在５０
～１００ｍ２ 时，从上到下都表现出明显的梯度性。该研究结果同其他森林类型处理后所得结果有较大差异。如
何中声在研究格氏栲天然林时发现，不同面积大小与发育期的林窗内土壤有机碳含量均低于对照［１４］，而刘聪
等则研究发现大、中、小等３种不同面积林窗对辽东山区天然次生林土壤有机碳无显著影响［７］。
表１　不同开窗面积下土壤从上到下各种有机碳组分含量
开窗
面积
土层／
ｃｍ
有机碳／
（ｇ·ｋｇ－１）
可溶性有机碳／
（ｍｇ·ｋｇ－１）
微生物量碳／
（ｍｇ·ｋｇ－１）
易氧化有机碳／
（ｇ·ｋｇ－１）
稳定性有机碳／
（ｇ·ｋｇ－１）
０－５　 ２８．８６±１．６３ｆｇ　 ３７９．８８±１６．５２ａ ６８６．８１±１２３．７５ｇｈ　 １．９５±０．０４ｃ ２６．９１±１．６１ｆｇ
０ｍ２（ＣＫ） ５－１０　 １３．８７±０．９４ｉ ２５７．１８±７．５８ｂ １００１．２２±２５．１５ｄ １．１７±０．０４ｈ １２．７１±０．９３ｉ
１０－２０　 １７．２９±１．３４ｈｉ　 ２１６．９７±９．８５ｃｄ　 ９０３．５４±４１．０８ｄｅｆ　 ０．４４±０．０２ｋ １６．８５±１．３２ｈｉ
０－５　 ４５．５６±３．７６ｂ ２４９．８±７．０３ｂ １４２８．９１±６５．１２ｂ １．７５±０．０７ｅ ４３．８１±３．７５ｂ
５０ｍ２　 ５－１０　 ３５．９６±２．４１ｄｅ　 １７７．７４±１３．５９ｅｆ　 ７６２．３５±７６．４９ｆｇｈ　 １．３７±０．０３ｆ ３４．５９±２．３９ｄｅ
１０－２０　 ２６．４９±２．５５ｇ　 １６８．２３±１２．７４ｆ ６５０．２９±３２．９９ｈ １．００±０．０２ｉ ２５．５０±２．５４ｇ
０－５　 ３８．８１±４．０８ｃｄ　 ２１１．５１±１５．３９ｃｄ　 ９７４．７４±３２．９ｄｅ　 １．９４±０．０７ｃ ３６．８７±４．０３ｃｄ
１００ｍ２　 ５－１０　 ３２．３６±２．１９ｅｆ　 ２２０．５６±１９．２４ｃ ７０２．７３±６０．８４ｇｈ　 １．２７±０．０５ｇ　 ３１．０９±２．１９ｅｆ
１０－２０　 １８．８４±１．３１ｈ １６４．９±１．９２ｆ ８２４．８５±２９．２ｅｆｇ　 ０．８９±０．０２ｊ　 １７．９５±１．３１ｈ
０－５　 ５２．２２±３．９４ａ １９６．１７±１１．９ｄｅ　 １６２７．４７±３０７．２９ａ ２．８８±０．０６ａ ４９．３４±３．９３ａ
１５０ｍ２　 ５－１０　 ３３．０９±２．４７ｅｆ　 ２６０．２±１４．６８ｂ ７７６．５７±１９．９７ｆｇｈ　 ２．４４±０．０１ｂ ３０．６４±２．４８ｅｆ
１０－２０　 ３１．４４±２．４３ｅｆ　 ２０８．９５±１９．７４ｃｄ　 ４０８．４９±５５．１２ｉ １．２８±０．０１ｇ　 ３０．１５±２．４３ｅｆ
０－５　 ４１．５２±４．４８ｂｃ　 ２００．８±１９．９４ｃｄｅ　 １２１５．１１±１５９．７８ｃ １．８９±０．０５ｃｄ　 ３９．６３±４．４５ｂｃ
２００ｍ２　 ５－１０　 ３４．７１±３．１１ｄｅ　 ２６１．７６±７．６６ｂ ６７５．７７±３３．８ｇｈ　 １．８５±０．０４ｄ ３２．８６±３．０８ｄｅ
１０－２０　 ３５．２６±２．２２ｄｅ　 ２１６．６６±２０．２６ｃｄ　 ８２４．０９±６９．３８ｅｆｇｈ　 ０．８５±０．０２ｊ　 ３４．４２±２．２０ｄｅ
　　注：数据结构为均值±标准差，同列相同的字母表示差异性不显著（Ｐ＜０．０５）。
２．２　开窗面积对土壤可溶性有机碳含量的影响
由表１可知，土壤中可溶性有机碳（ＤＯＣ）含量随开窗大小和土层深度的不同存在显著差异（Ｐ＜０．０５）。
在０－５ｃｍ土层中，ＤＯＣ表现为ＣＫ＞５０ｍ２＞１００ｍ２＞１５０ｍ２＞２００ｍ２；５－１０ｃｍ土层中ＤＯＣ表现为（ＣＫ，
１５０ｍ２，２００ｍ２）＞１００ｍ２＞５０ｍ２；１０－２０ｃｍ土层中ＤＯＣ表现为（ＣＫ，１５０ｍ２，２００ｍ２）＞（１００ｍ２，５０
ｍ２）。该结果表明，人工开窗显著减少了土壤表层ＤＯＣ含量，并随着开窗面积的增加，０－５ｃｍ表层土壤的
ＤＯＣ含量会逐渐减少，该结果与王成等的研究［５］相一致。然而，当开窗面积达到１５０～２００ｍ２ 时，５－１０ｃｍ和
１０－２０ｃｍ土层土壤的ＤＯＣ含量的差异不显著。
２．３　开窗面积对土壤微生物生物量碳的影响
由表１可知，土壤中微生物生物量碳（ＭＢＣ）含量随土层深度的不同存在显著差异（Ｐ＜０．０５），而对于开窗
面积大小的响应并不显著（Ｐ＞０．０５）。在０－５ｃｍ土层中，ＭＢＣ表现为１５０ｍ２＞５０ｍ２＞１００ｍ２＞（２００ｍ２，
９７１第４期 　　　 　　王谢等：人工开窗面积大小对柏木低效林土壤有机碳含量及碳库管理的影响
ＣＫ）；５－１０ｃｍ土层中 ＭＢＣ表现为（５０，１００，１５０，２００ｍ２）＜ＣＫ，ＣＫ的 ＭＢＣ含量最高，约为１　００１．２２ｍｇ／
ｋｇ，为开窗处理的０．４８～１．４８倍；１０－２０ｃｍ土层中 ＭＢＣ表现为（ＣＫ，１００ｍ２，２００ｍ２）＞５０ｍ２＞１５０ｍ２。
该现象与王成等在研究云杉人工纯林进行低强度林窗式疏伐的结果相一致，即０－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ土层的
ＭＢＣ显著低于对照林分［５］。表面上，开窗似乎对土壤碳素的转换有所减缓［５］，但整体看来，ＭＢＣ对于开窗行
为及开窗面积的响应则更为复杂。这暗示了微生物群落组成成分在垂直空间上可能存在一个变化的过程，但
这还待进一步研究分析。
２．４　开窗面积对土壤易氧化碳含量的影响
由表１可知，土壤中易氧化有机碳（ＲＯＣ）含量随开窗大小和土层深度的不同存在显著差异（Ｐ＜０．０５）。
在０－５ｃｍ土层中，ＲＯＣ表现为１５０ｍ２＞（１００ｍ２，２００ｍ２，ＣＫ）＞５０ｍ２；５－１０ｃｍ土层中ＲＯＣ表现为１５０
ｍ２＞２００ｍ２＞５０ｍ２＞１００ｍ２＞ＣＫ，ＣＫ 的 ＲＯＣ含量最低，约为１．１７ｇ／ｋｇ，仅为开窗处理的４７．７５％～
９１．８６％；１０－２０ｃｍ土层中ＲＯＣ表现为１５０ｍ２＞１００ｍ２＞２００ｍ２＞５０ｍ２＞ＣＫ，其中１００ｍ２ 和２００ｍ２ 之间
无显著差异，表明人工开窗会显著提高０－５ｃｍ，５－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ土层的土壤ＲＯＣ含量，这可能是因为
土壤ＳＯＣ含量的增加。该结果与郝凯婕的研究相一致［６］。
２．５　开窗面积对土壤稳定性有机碳含量的影响
由表１可知，开窗大小和土层深度对土壤中稳定性有机碳（ＩＯＣ）含量有显著影响（Ｐ＜０．０１）。其中，０－５
ｃｍ土层ＩＯＣ含量表现为１５０ｍ２＞５０ｍ２＞１００ｍ２＞２００ｍ２＞ＣＫ，ＣＫ的ＩＯＣ含量最低，约为２６．９１ｇ／ｋｇ，仅
为开窗处理的３６．７４％～４１．４７％，表明开窗处理可显著提高表层０－５ｃｍ的土层ＳＯＣ的含量。在５－１０ｃｍ
土层，５０，１００，１５０，２００ｍ２ 的人工林窗下的ＩＯＣ含量无显著差异，均值为３２．３０ｇ／ｋｇ，为ＣＫ的２．４～２．７倍。
此外，当开窗面积达到１５０ｍ２ 时，１０－２０ｃｍ土层ＳＯＣ含量和５－１０ｃｍ土层无显著差异，这与ＣＫ一致，但含
量却是其１．７～２．０倍。表明开窗可显著提高土壤０－２０ｃｍ土层ＳＯＣ含量。可能是由于开窗大小不同，林下
植被自然更新后的灌木－草本植物群落的差异，导致了当开窗面积达到１５０～２００ｍ２ 时，５－１０ｃｍ和１０－２０
ｃｍ土层ＳＯＣ表现出较好一致性，而开窗面积在５０～１００ｍ２ 时，从上到下都表现出明显的梯度性。该结果与
ＳＯＣ的结果高度一致，表明开窗后土壤中所增加的有机质的稳定性成分含量在一定范围内是保持不变的。为
此，通过进一步分析土壤碳库的活度指数和碳库指数，将有可能更好地揭示开窗行为对土壤有机碳库的影响
机制。
２．６　开窗面积对土壤碳库活度及活度指数的影响
由表２可知，土层之间的碳库的活度（ＣＰＡ）及活度指数（ＣＰＡＩ）存在显著差异（Ｐ＜０．０１），而开窗处理对
ＣＰＡ和ＣＰＡＩ的影响却并不明显（Ｐ＝０．１７，Ｐ＝０．２４）。但是，其中仍存在一些可见的趋势变化。如开窗后０
－５ｃｍ和５－１０ｃｍ土层的ＣＰＡ相对于ＣＫ显著降低１５％～５８％；当开窗面积在５０～１５０ｍ２ 时，１０－２０ｃｍ
土层的ＣＰＡ相对于ＣＫ则要高出３３％～６６％。这表明表层土壤有机碳的稳定输入和深层土壤有机碳的矿化
趋势。此外，相对于ＣＫ而言，０－５ｃｍ和５－１０ｃｍ土层的ＣＰＡＩ皆小于１，除了２００ｍ２ 外，１０－２０ｃｍ土层的
ＣＰＡＩ皆大于１，最大可达１．９９。
２．７　开窗面积对土壤碳库指数的影响
由表２可知，相对于ＣＫ而言，开窗处理后０－５ｃｍ，５－１０ｃｍ和１０－２０ｃｍ土层的碳库指数都有所增加。
其中０－５ｃｍ土层碳库指数（ＣＰＩ）增加了１．３４～１．８１倍，５－１０ｃｍ土层增加了２．３３～２．５９倍，１０－２０ｃｍ土
层也增加了１．０８～２．０３倍。表明开窗会增加土壤碳库储量，突出反映在５－１０ｃｍ土层。
对比４种不同面积大小的开窗处理发现，０－５ｃｍ土层在开窗面积为１５０ｍ２ 时，碳库指数达到最大；５－
１０ｃｍ土层的碳库指数在５０～２００ｍ２ 的范围内差异不显著；底层１０－２０ｃｍ土层在开窗面积为２００ｍ２ 时，碳
库指数最大（在１５０ｍ２ 无显著差异）。
２．８　开窗面积对土壤碳库管理指数的影响
由表２可知，开窗处理后土壤的碳库管理指数（ＣＰＭＩ）皆表现为从上到下依次增加的趋势。相对于ＣＫ
而言，表层０－５ｃｍ 土层的 ＣＰＭＩ仅为 ＣＫ 的８６．７５％～１４５．８０％，５－１０ｃｍ 土层为 ＣＫ 的１０３．６３％～
２０６．５３％，１０－２０ｃｍ土层可达到最高，为１９１．２９％～２９４．３９％，表明开窗处理显著增加了土壤有机碳的更新
能力，特别是１０－２０ｃｍ土层。
对比４种不同面积大小的开窗处理发现，开窗后０－５ｃｍ土层的有机碳的更新能力在５０～２００ｍ２ 的范围
内差异不显著；５－１０ｃｍ土层则表现为，随着开窗面积的增加土壤有机碳的更新能力不断加强；而底层１０－２０
０８１ 水土保持学报　　　 　　 第２８卷
ｃｍ土层在开窗面积为１５０ｍ２ 时，土壤有机碳的更新能力达到最大。
表２　不同开窗面积下碳库活度及管理指数
开窗面积 土层／ｃｍ 碳库活度 碳库活度指数 碳库指数 碳库管理指数
０－５　 ０．０７３±０．００６ｂ １．０３７±０．０５５ｃｄ　 ０．９４３±０．０５５ｇ　 ９８±２ｈｉ
０ｍ２（ＣＫ） ５－１０　 ０．０９３±０．００６ａ １．０６０±０．０８７ｃ ０．９３３±０．０６５ｇ　 ９９±４ｈｉ
１０－２０　 ０．０３０±０．００１ｇ　 １．０５３±０．０６１ｃｄ　 ０．９３３±０．０７０ｇ　 ９８±２ｈｉ
０－５　 ０．０４０±０．００１ｆ ０．５７０±０．０５２ｈｉ　 １．４９０±０．１２５ｄｅ　 ８５±４ｊ
５０ｍ２　 ５－１０　 ０．０４０±０．００１ｆ ０．４５７±０．０２１ｉ ２．４２０±０．１６０ａ　 １１０±２ｇ
１０－２０　 ０．０４０±０．００１ｆ １．５７３±０．１６７ｂ １．４２７±０．１３０ｅｆ　 ２２３±５ｂ
０－５　 ０．０５３±０．００６ｃｄ　 ０．７５７±０．０７４ｆｇ　 １．２７０±０．１３５ｆ ９６±３ｉ
１００ｍ２　 ５－１０　 ０．０４３±０．００６ｅｆ　 ０．４７３±０．０４２ｉ ２．１７７±０．１４６ｂ １０２±５ｈ
１０－２０　 ０．０５０±０．００１ｄｅ　 １．９８７±０．１２２ａ １．０１３±０．０７１ｇ　 ２０１±４ｃ
０－５　 ０．０６０±０．００１ｃ ０．８３７±０．０６４ｅｆ　 １．７１０±０．１２５０ｃ １４３±４ｆ
１５０ｍ２　 ５－１０　 ０．０８０±０．０１０ｂ ０．９２０±０．０７５ｄｅ　 ２．２２７±０．１０７ａｂ　 ２０４±１ｃ
１０－２０　 ０．０４３±０．００６ｅｆ　 １．７０７±０．１２２ｂ １．６９３±０．１３０ｃｄ　 ２８８±３ａ
０－５　 ０．０５０±０．００１ｄｅ　 ０．６９０±０．０７０ｇｈ　 １．３５７±０．１４６ｅｆ　 ９３±３ｉ
２００ｍ２　 ５－１０　 ０．０５７±０．００６ｃｄ　 ０．６５０±０．０５３ｇｈ　 ２．３３３±０．２１０ａｂ　 １５１±３ｅ
１０－２０　 ０．０２３±０．００６ｇ　 ０．９８７±０．０４６ｃｄ　 １．８９７±０．１２０ｃ １８７±６ｄ
　　注：数据结构为均值±标准差，同列相同的字母表示差异性不显著（Ｐ＜０．０５）。
２．９　相关性分析
由表３可知，对整个土壤碳库而言，ＳＯＣ、ＭＢＣ和ＩＯＣ对于土壤碳库的贡献是至关重要的，其中ＣＰＩ与
ＳＯＣ和ＩＯＣ呈极显著正相关关系（Ｐ＜０．０１），而与 ＭＢＣ呈极显著负相关关系（Ｐ＜０．０１）。此外，ＳＯＣ与ＩＯＣ
呈极显著正相关（Ｐ＜０．０１），而与 ＭＢＣ呈极显著负相关（Ｐ＜０．０１），表明土壤中的ＳＯＣ主要以稳定性有机碳
为主，而微生物分解是其重要的矿化途径。ＭＢＣ与ＣＰＡ和ＣＰＡＩ的显著正相关关系，进一步体现了微生物作
用的重要性。ＣＰＭＩ仅与ＲＯＣ呈极显著正相关（Ｐ＜０．０１），则表明ＲＯＣ在有机碳库研究中具有不可替代的
作用，其含量可较好地反映管理技术对于碳库更新的影响。
３　结 论
综上所述，人工开窗在增加土壤有机碳输入的同时，向土壤输入了一定的易氧化有机碳和稳定性有机碳，
且在开窗面积为１５０ｍ２ 时达到最大本研究还发现人工开窗之后，土壤碳库显著增加，土壤更新机制被激活。
相对于对照ＣＫ而言，开窗后土壤有机碳增加主要反映在５－１０ｃｍ土层，土壤碳库指数增加了２．３～２．５倍，
但土壤有机碳保护机制的激活机制有待进一步探究。此外，开窗后土壤有机碳的更新能力也显著加强，但主要
体现在１０－２０ｃｍ土层，其土壤碳库管理指数为ＣＫ的２～３倍，而这与微生物的作用密不可分。
鉴于整个低效林改造技术实施时间仅１年有余，土壤有机碳库对于人工开窗行为的响应仍然处于初期，部
分趋势尚不完全明确，因此，需进一步的持续观测。在后续的研究中，本课题组应立足于中长期的连续性观测，
进一步探讨土壤碳库对人工开窗技术的响应机制。
表３　５－１０ｃｍ土层土壤有机碳与碳库管理指数之间的相关性
ＳＯＣ　 ＤＯＣ　 ＭＢＣ　 ＲＯＣ　 ＩＯＣ　 ＣＰＡ　 ＣＰＡＩ　 ＣＰＩ　 ＣＰＭＩ
ＳＯＣ　 ｎｓ． ＊＊ ｎｓ． ＊＊ ＊＊ ＊＊ ＊＊ ｎｓ．
ＤＯＣ －０．３０ ｎｓ． ｎｓ． ｎｓ． ＊ ＊ ｎｓ． ｎｓ．
ＭＢＣ －０．８５　 ０．１９ ｎｓ． ＊＊ ＊＊ ＊＊ ＊＊ ｎｓ．
ＲＯＣ　 ０．４４　 ０．４５ －０．３４　 ｎｓ． ｎｓ． ｎｓ． ｎｓ． ＊＊
ＩＯＣ　 ０．９９ －０．３４　 －０．８５　 ０．３９ ＊＊ ＊＊ ＊＊ ｎｓ．
ＣＰＡ －０．７７　 ０．６３　 ０．７３　 ０．２２ －０．８０　 ＊＊ ＊＊ ｎｓ．
ＣＰＡＩ －０．７５　 ０．６５　 ０．７　 ０．２５ －０．７８　 ０．９９ ＊＊ ｎｓ．
ＣＰＩ　 ０．９９ －０．３０　 －０．８５　 ０．４４　 ０．９９ －０．７７　 －０．７５　 ｎｓ．
ＣＰＭＩ　 ０．３９　 ０．４８ －０．２９　 ０．９９　 ０．３４　 ０．２８　 ０．３１　 ０．３９
　　注：上三角为Ｐ值，下三角为相关系数ｒ。其中，＊＊＊表示Ｐ＜０．００１；＊＊表示Ｐ＜０．０１；＊表示Ｐ＜０．０５；ｎｓ．表示Ｐ＞０．０５。
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