海拔对杉木人工林土壤活性有机碳组分的影响

刘雅洁，王 亮，樊 伟，马锐豪，王 斐，徐小牛

(安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥 230036)

土壤有机碳库是森林土壤碳库的重要组成部分，也是最为活跃且受人类影响最大的碳库[1]。土壤活性有机碳是指土壤有机质中的活性部分，是土壤中对植物养分供应有最直接作用的那部分有机碳，其对土壤有机碳或土壤质量有重要的指示作用[2-3]。土壤活性有机碳主要包括微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)、可溶性有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)等，可以反映土壤有机碳的有效性，对环境的变化比较敏感[4-5]。作为一种自然的地理变化，海拔可以通过温度、水分等环境因子的变化直接或间接影响土壤性质、微生物活性、土壤有机碳分布等[6-8]。在不同海拔下，土壤活性有机碳是土壤活性碳库的重要指示指标，由于活性有机碳转化速率高，相对于总有机碳而言，其更能反映森林环境随海拔梯度的变化[9]，并直接或间接地影响森林碳库的动态变化。因此，研究不同海拔下的土壤活性有机碳对于全球土壤碳循环具有重要意义。

近年来，围绕海拔高度对土壤养分、土壤微生物、土壤有机碳特征等影响的研究已有很多[10-11]。研究表明，海拔梯度变化会引起山地环境系统的梯度效应，进而影响土壤微生物生物量、活性及其群落结构[12]。其他因素如降水量、土壤湿度、土壤养分(如氮含量)也均会影响土壤碳的转化[13]。总体而言，关于海拔对活性有机碳影响的研究多集中于不同植被类型[14]和不同经营措施[15]等方面，但受自然条件的限制，现有的研究多以不同海拔梯度上不同自然林群落为研究对象[16]，针对不同海拔单一类型植被的土壤活性有机碳研究较少，近几年才有涉及，例如赵盼盼等[17]、宫立等[18]分别对黄山松、冷杉等针叶树种进行了研究，向慧敏等[19]对鼎湖山常绿阔叶林碳组分随海拔的变化进行了研究。杉木(Cunninghamialanceolata)栽培面积占全国人工林总面积的25%，是我国长江流域、秦岭以南地区栽培最广且生长快、经济价值高的树种，杉木人工林在我国人工林碳循环中起着重要作用[20]。目前关于不同海拔杉木人工林的研究还较少，鉴于此，本研究在安徽省金寨马鬃岭自然保护区内，选择不同海拔梯度(750，850，1 000，1 150 m)的杉木人工林进行调查分析，探讨不同海拔杉木人工林土壤POC、EOC、MBC、DOC和稳定性碳同位素(δ13C)以及土壤理化性质的变异规律及其相互关系，旨在揭示土壤活性有机碳组分在不同海拔上的分布特征及其影响因素，为全球土壤碳循环研究以及杉木人工林的可持续经营提供科学依据。

1 试验地概况

研究区位于安徽金寨县马鬃岭自然保护区(31°10′～31°20′ N和115°31′～115°50′ E)，海拔350～1 500 m，坡度25°～40°，总面积约3 500 hm2。海拔800 m以下土壤为山地黄棕壤，800 m以上土壤为山地棕壤；2种土壤的质地为砂壤至轻黏，pH呈弱酸性。研究区属于亚热带湿润季风气候，四季分明，雨量充沛。年均降水量1 315 mm，相对湿度80%，年均气温14～15 ℃。马鬃岭自然保护区是大别山北坡保存较好的具有北亚热带地带性植被特征的森林，名木古树丰富。森林覆盖率达94%，有木本植物140余种。20世纪70年代，该地区营造了大量杉木人工林，目前保存面积约1 500 hm2。森林类型多，主要树种有黄山松(Pinustaiwanensis)、大别山五针松(Pinusdabeshanensis)、马尾松(Pinusmassoniana)、野生山核桃(Juglanscathayensis)、银雀树(Tapisciasinensis)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)、黄檀(Dalbergiahupeana)、紫楠(Phoebesheareri)等。

2 研究方法

2.1 土样采集及测定

2018年7月中旬，在安徽省金寨县马鬃岭自然保护区杉木人工林内，根据林分生长状况，分别在海拔750，850，1 000和1 150 m区域选择成熟林分，每个海拔内设置3个20 m×20 m的重复样地，去除土壤表面的枯枝落叶后，用土钻分层(0～10，10～20，20～30 cm)取样。采用多点混合取样的方法，每个样地采集混合土样3个，共108个土样，带回实验室待测。不同海拔样地的基本情况见表1。

表1 安徽省金寨县马鬃岭自然保护区不同海拔试验样地的基本情况Table 1 Basic situation of sampling plots at different altitudes in the Mazongling Nature Reserve in Jinzhai,Anhui

2.2 指标及测定方法

(1)EOC含量。称取风干土样2 g,装入有塑料旋盖的离心管内，加入333 mmol/L的KMnO4溶液25 mL，密封瓶口，在25 r/min振荡1 h，同时做空白样；将振荡后的样品于2 000 r/min离心5 min，之后取上清液用去离子水按1∶250的体积比稀释。将稀释液在分光光度计上于565 nm下比色，测定吸光率。由空白样与待测土样的吸光率之差，得到KMnO4的浓度变化，根据KMnO4的消耗量，即可计算得样品的EOC含量[21]。

(2)POC含量。将过2 mm钢筛的风干土样，65 ℃烘干24 h，在4 ℃下保存。称取10 g预处理风干土样，放入塑料瓶中，加入30 mL 5 g/L六偏磷酸钠溶液，振荡15 h；取土壤悬液过孔径53 μm筛，反复用蒸馏水冲洗至过滤后水为无色，收集筛上剩余土样(孔径>53 μm)并移到玻璃培养皿上，用65 ℃烘箱烘干48 h直至质量恒定，然后用元素分析仪(EA3000，Vector，Italy)测定POC含量。

(3)DOC和MBC含量。称取30 g新鲜土样，加入50 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液，盖紧瓶盖，置于振荡器上振荡30 min，过滤，滤液用去离子水稀释5倍后，采用总有机碳分析仪(Multi 3100N/C，Analytic Jena，Germany)测定DOC含量，采用氯仿熏蒸浸提法[22]测定MBC含量。

(4)土壤含水率。将新鲜土样在105 ℃的烘箱内烘干48 h至质量恒定，按“土壤含水率=(原土质量-烘干土质量)/烘干土质量×100%”确定土壤含水率；土壤体积质量采用容重环法[23]测定。

(5)土壤pH。按水土质量比为2.5∶1，将土样与蒸馏水充分混合摇匀，静置后用pH计测定。

(6)土壤电导率(EC)。按照水土质量比5∶1，将蒸馏水与土壤样品混合摇匀，静置1 h后，用ExtechⅡ型电导仪测定。

(7)有机碳(SOC)和全氮(TN)。采用元素分析仪(EA3000，Vector，Italy)测定。

(8)土壤稳定性碳同位素(δ13C)。利用同位素质谱仪(Thermo Scientific Delta V Advantage，Germany)测定。

2.3 数据处理与分析

采用Excel 2013软件对试验数据进行统计与分析，用Origin Pro 2018软件制图，图表中的数据为“平均值±标准误”。运用SPSS 22.0软件中的双因素方差分析和LSD法对不同海拔梯度及土层之间的活性有机碳组分和土壤养分含量进行分析；采用皮尔逊(Pearson)相关分析进行不同海拔土壤各指标间的相关性检验，用线性回归法分析土壤有机碳与各活性有机碳组分之间的关系。

3 结果与分析

3.1 海拔对杉木人工林土壤活性有机碳组分含量的影响

海拔对杉木人工林不同土层土壤活性有机碳组分的影响见图1，方差分析结果见表2。由图1可知，同一土层下，土壤POC、EOC含量随海拔的增加变化规律表现一致，即均随着海拔的升高呈先下降后升高的趋势，且最小值均出现在海拔850 m样地。在0～10 cm土层，POC含量在海拔750 与850 m以及850与1 150 m样地之间差异显著(P<0.05)；在10～20 cm土层，EOC含量在海拔750 m与850 m和1 000 m样地之间差异显著(P<0.05)；在其余土层各海拔样地之间，POC和EOC含量差异不显著。

图柱上标不同大写字母表示同一土层不同海拔间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示同一海拔不同土层间差异显著(P<0.05)。下图同 Different uppercase letters indicate significant differences among different altitudes in the same soil layer (P<0.05)，Different lowercase letters indicate significant differences between different soil layers at the same altitude (P<0.05).The same below

表2显示，海拔对土壤活性有机碳组分POC、EOC、DOC、MBC含量存在显著或极显著影响，土层对土壤POC、EOC、MBC含量有极显著影响(P<0.01)，土层与海拔的交互作用对土壤有机碳组分POC、EOC、DOC、MBC含量无明显影响。

表2 海拔和土层对马鬃岭自然保护区杉木人工林土壤活性有机碳组分影响的方差检验结果Table 2 Variance test on influence of altitudes and soil depth on soil active organic carbon components in Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserve

图1还显示，同一土层下，土壤DOC、MBC含量随海拔的升高也呈先降低后升高的趋势，且最小值也均出现在海拔850 m样地。在0～10 cm土层，海拔750 m与海拔850 和1 000 m样地之间、850 m与1 150 m样地之间DOC、MBC含量差异显著。在10～20和20～30 cm土层，海拔850 m与海拔750和1 150 m样地之间DOC、MBC含量差异显著。

由图1可知，同一海拔下，土壤POC、EOC含量随着土层的加深变化规律并不相同。在海拔750，850和1 150 m样地，POC含量随着土层的加深而降低；在海拔1 000 m样地，POC随土层的加深先降低后升高，最低值出现在10～20 cm土层；在海拔750与1150 m样地，0～10与20～30 cm土层之间POC差异显著(P<0.05)。在海拔750 m样地，EOC含量随着土层的加深而降低；在海拔850，1 000和1 150 m样地，EOC含量随土层的加深先降低后升高，最小值均出现在10～20 cm土层；除海拔1 000 m样地之外，在其他海拔0～10与20～30 cm土层间EOC含量差异显著(P<0.05)；除海拔750 m外，其他海拔0～10与10～20 cm土层之间EOC含量差异显著(P<0.05)。同一海拔下，不同土层间DOC含量无显著差异(P=0.062)。

不同海拔土壤MBC含量均随土层深度的增加而降低，但仅在海拔750 m样地的0～10 与10～20 cm土层之间，以及海拔1 150 m样地的0～10 cm土层与10～20，20～30 cm土层之间存在显著差异(P<0.05)。

3.2 海拔对杉木人工林土壤理化性质的影响

海拔对马鬃岭自然保护区不同土层土壤理化性质的影响见图2～3，方差检验结果见表3和表4。

图2 海拔对马鬃岭自然保护区杉木人工林不同土层土壤化学性质的影响Fig.2 Effects of altitude on soil chemical properties at different soil layers of Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserve

图3 海拔对马鬃岭自然保护区杉木人工林不同土层土壤物理性质的影响Fig.3 Effects of altitude on soil physical properties at different soil layers of Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserv

表3 海拔和土层对马鬃岭自然保护区杉木人工林土壤化学性质影响的方差检验结果Table 3 Variance test on effects of different altitudes and soil depths on soil chemical properties of Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserve

表4 海拔和土层对马鬃岭自然保护区杉木人工林土壤物理性质影响的方差检验结果Table 3 Variance test on effects of different altitudes and soil depths on soil physical properties of Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserve

图2～3显示，同一土层下，土壤SOC、TN含量均随着海拔的升高呈先降低后升高的趋势，且最小值均出现在海拔850 m样地。土壤pH均呈酸性，且随着海拔的升高呈先升高后降低的趋势，并在海拔1 000 m样地出现最大值。在0～10 cm 土层，EC随海拔的升高呈先降低后升高再降低的趋势；在10～20和20～30 cm土层，EC随海拔升高呈先降低后升高的趋势，3个土层中均以海拔850 m样地的EC值最小。不同土层土壤δ13C含量随海拔的升高变化规律不一致，在0～10和20～30 cm土层，土壤δ13C含量随海拔的升高而增加；在10～20 cm土层，土壤δ13C含量随海拔的升高先增加后下降。总体来看，随着海拔的升高，土壤含水率先降低后升高。综上可知，同一海拔下，随着土层深度增加，土壤SOC、TN、EC、含水率总体呈下降趋势，土壤pH无显著变化，土壤δ13C含量呈增加趋势，土壤体积质量在不同海拔和土层间均无显著差异性。

表3和表4显示，海拔对pH、EC、δ13C影响极显著(P<0.01)，对SOC、TN影响显著(P<0.05)，对含水率和体积质量无显著影响。海拔与土层交互作用对土壤理化性质均无显著影响。土层对SOC、TN、EC、δ13C、含水率有极显著影响(P<0.01)，而对pH和体积质量影响不显著。

3.3 杉木人工林土壤活性有机碳组分与土壤理化性质之间的相关性

土壤活性有机碳各组分与土壤养分间的相关性分析见表5。

表5 马鬃岭自然保护区杉木人工林土壤活性有机碳组分与土壤理化性质间的相关性 Table 5 Correlation analysis between soil active organic carbon components and soil physical and chemical properties of Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserve

由表5知，土壤活性有机碳各组分之间及其与TN、SOC和土壤含水率之间均存在极显著正相关关系，而与土壤体积质量和δ13C之间均存在极显著负相关关系。土壤pH与各活性有机碳组分之间呈显著或极显著负相关。土壤EC与DOC无显著相关性，但与POC、EOC呈极显著正相关，与MBC呈显著正相关。

图4显示，土壤SOC与MBC、POC、EOC和DOC之间均存在极显著正相关关系，且相关性由大到小表现为EOC>DOC>MBC>POC。

图4 马鬃岭自然保护区杉木人工林土壤有机碳与各活性有机碳组分之间的关系Fig.4 Relationship between soil organic carbon and active organic carbon components in Cunninghamia lanceolata plantations in the Mazongling Nature Reserve

4 讨 论

4.1 不同海拔杉木人工林土壤活性有机碳组分的变化特征

已有研究表明，高海拔地区的活性有机碳含量明显高于低海拔地区[24]。这是因为随着海拔升高，温度逐渐降低，微生物活性受到限制导致其分解效率降低从而促进了土壤活性有机碳的积累。本研究表明，在安徽马鬃岭自然保护区，海拔对土壤MBC、DOC含量有极显著影响(P<0.01)，对POC和EOC含量有显著影响(P<0.05)，影响程度从大到小表现为MBC>DOC>POC>EOC，说明海拔变化对土壤微生物群落影响较大。同一土层下，MBC、DOC、POC、EOC含量均随着海拔升高呈先降低后上升的趋势，且以海拔850 m最低。

不同海拔土壤活性有机碳含量的变化特征与其来源密切相关。土壤活性有机碳各组分均来源于动植物残体，但其在含量、来源及去向等方面存在差异。DOC主要来自有机质的直接溶解和土壤微生物的生命活动[25]。土壤MBC含量是由微生物生命活动直接决定的，是土壤重要的生物学指标，其不仅与土壤有机碳含量有关，还与林地光照条件和土壤通风状况有关[26]。马大龙等[27]、马和平等[28]以及陈涵贞等[29]的研究均表明，随着海拔的升高，MBC含量不断增加；周炎等[30]认为，随着海拔的升高，土壤DOC含量不断增加。这些结论均与本研究结果不一致。本研究中，与海拔750 m样地相比，海拔850 m样地林分密度较高，使得杉木林光照不充足，土壤含水率相对较低，土壤通气状况较差，导致林下植被生长状况较差，从而使得土壤的微生物数量及其活性较低，致使土壤MBC、DOC含量较低。同一海拔下，MBC随着土层的增加而递减，这可能是由于表层土壤凋落物、植物根系分泌物质较多，加速了土壤微生物的繁殖从而导致其活性增强，MBC含量较高，而下层土壤受生物影响较小，MBC含量较低。随着海拔升高，POC、EOC含量变化规律与MBC一致，也以850 m样地最低，说明土壤微生物也是POC、EOC含量的重要影响因子。POC是与土壤矿物颗粒相结合的处于新鲜动植物残体和腐殖化有机物之间的有机质碳[31]。王阳等[32]研究表明，POC稳定性较低，易因环境的影响而变化。EOC是土壤中易被氧化且对植物和微生物具有较高可利用性的活性组分[33]。本研究中，海拔850 m样地的POC、EOC含量较低，其一可能是因为该样地土壤含水率较低。有研究表明，土壤水分和温度等的变化会影响微生物对有机碳的分解和转化，进而影响POC和EOC含量[34]。其二可能由于海拔850 m样地的坡度最大。因为POC稳定性低且密度较小，所以其易随地表径流迁移而流失。另外，表层土壤侵蚀也是造成陡坡土壤POC和EOC含量降低的一个重要原因[35]。

4.2 不同海拔杉木人工林土壤理化性质的变化特征

由于海拔、土层不同，土壤理化性质会呈现出明显差异，从而导致土壤活性有机碳组分发生明显波动[36]。本研究表明，同一土层下，SOC与TN随着海拔的升高先降后升，且均以海拔850 m样地最小；而同一海拔下，随着土层加深SOC与TN含量逐渐减小。这与何友军等[37]、张广帅等[38]的研究结果一致。土壤含水率是影响土壤有机质积累的重要因子。本研究中，海拔850 m样地的土壤含水率最低，且坡度较大，导致该样地土壤有机质积累较慢，养分含量较少。土壤pH 值也是影响土壤有机碳含量的一个重要因素。本研究中，各样地土壤pH均偏酸性，抑制了土壤微生物等对有机质的分解。研究表明，土壤EC能够反映土壤水溶性盐含量的高低[39]。本研究表明，3个土层中均以海拔850 m样地的土壤EC值最小，这可能是由于海拔850 m样地坡度较大，淋溶强度大，土壤盐分明显下降，导致EC值较小。土壤δ13C也能有效揭示土壤碳循环过程中土壤有机质的分解程度[40]。本研究显示，同一海拔下，土壤δ13C含量随着土层加深而递增，说明该地区土壤有机质的降解程度随着土壤深度的加深而更为彻底，这与大多数学者的研究结论[41]一致。因为随着土层加深，易降解物质减少,难降解物质增加，而难降解物质较易降解物质富含δ13C，从而使得δ13C含量增加。

4.3 杉木人工林土壤活性有机碳各组分与土壤理化性质的关系

土壤活性有机碳不仅是土壤微生物活动所需能量的重要来源，而且是土壤养分迁移的重要载体[42]。本研究表明，不同海拔杉木人工林土壤POC、EOC、DOC、MBC含量间存在极显著正相关关系，说明各活性有机碳组分之间关系密切，共同影响土壤中有机碳的周转与功能发挥。各活性有机碳组分与土壤SOC含量之间也均存在极显著正相关关系，说明土壤活性有机碳组分可以直接参与土壤生物化学的转化过程，并在一定条件下与SOC可以相互转化，这与马少杰等[43]的研究结果一致。土壤活性有机碳组分与TN之间呈极显著正相关关系，其耦合效应主要与土壤微生物有关[42]。土壤pH是影响土壤养分状况的重要因子，不仅影响土壤微生物活性，还与土壤养分的形成、转化和有效性密切相关[44]。本研究中，土壤pH与POC、EOC、DOC、MBC之间均存在显著或极显著负相关关系，这可能是由于强酸性的土壤环境抑制了土壤微生物活性，使有机碳分解速率减小。张文敏等[3]对杭州湾湿地土壤的研究亦得出了同样的结论。本研究中，土壤活性有机碳各组分的含量与土壤含水率呈极显著正相关，与土壤体积质量呈极显著负相关，这是因为土壤含水率越高，土壤微生物活性越高，从而导致各活性有机碳组分含量增加；而土壤体积质量越大，则土壤越紧实，不利于土壤与外界的相互流通，导致活性有机碳含量减少。总之，随着海拔的增加，土壤物理性状、养分供应能力、有机碳各组分含量均会发生明显变化，海拔梯度效应是一个极其复杂的过程，受多种因素共同影响，因此还需进一步深入探究。

5 结 论

1)在安徽马鬃岭自然保护区，随着海拔的升高，在同一土层深度条件下，杉木人工林土壤活性有机碳各组分含量均呈先上升后降低的趋势，且均以海拔850 m样地最小。同一海拔下，随着土层深度增加，土壤活性有机碳各组分含量变化规律并不一致。

2)土壤理化性质分析表明，同一土层深度条件下，随着海拔升高，土壤的SOC、TN含量及土壤含水率均呈先降低后升高的趋势，且均以海拔850 m样地最小；土壤pH随着海拔的升高呈先升高后降低的趋势，并在海拔1 000 m样地出现最大值；土壤δ13C含量和EC值随着海拔的升高变化规律并不一致。同一海拔条件下，随着土层深度增加，土壤SOC、TN、EC、含水率总体均呈下降趋势，土壤pH无显著变化，而土壤δ13C含量呈增加趋势，土壤体积质量在不同海拔和土层之间均无显著差异性。

3)土壤4种活性有机碳组分之间及其与土壤含水率、TN、SOC之间均存在极显著正相关关系，与体积质量、δ13C含量之间存在极显著负相关关系，而土壤pH与POC、EOC、DOC、MBC之间存在显著或极显著负相关关系。