土壤养分供给及其平衡状况已成为维持与提高人工林生态系统生产力的关键所在 (徐福利等，2014)。施肥是影响土壤质量演化及其可持续利用最为深刻的农业措施之一 (刘恩科等，2010)，对土壤养分、碳贮量、CO₂和N₂O释放、团聚体、微生物群落结构与功能均产生显著影响 (Mack et al., 2004；Skinner，2013；Zhou et al., 2013；Nicolas et al., 2014；Plaza-Bonilla et al., 2014)。毛竹 (Phyllostachys edulis) 生长速度快，可以连续采伐及永续利用，具有高效的固碳能力，对平衡大气CO₂有重要作用 (Zhou et al., 2009；2011)。毛竹经营生产过程中会消耗土壤中的大量养分，需要及时补充养分来维持林地持续生产力 (王意锟等，2014)，毛竹施肥可以提高毛竹林生产力并影响生物量分布格局，进而影响到毛竹林经济和生态效益的发挥 (陈孝丑等，2012；杜满义等，2015)。然而相对于其他森林或土地利用类型，毛竹经营中的频繁干扰造成其土壤有机碳库管理和精确估算更易受到人类活动方式的影响，是碳贮量和碳流失最不确定的森林类型 (漆良华等，2013；李翀等，2015)。近年来有关施肥对毛竹林生长 (朱强根等，2013；王意锟等，2014)、土壤肥力 (郭晓敏等，2007) 及养分循环 (刘广路等，2010；Li et al., 2013) 的研究较多，而有关土壤有机碳含量的土层垂直分布和季节动态变化规律的报道较少。在全球气候变化背景下，如何同时实现毛竹经营的经济效益和土壤碳吸收、碳封存生态效益日益成为关注焦点。

闽北是我国毛竹自然分布的中心产区之一，具有区域代表性，因此本研究以闽西不同施肥处理毛竹林为对象，探讨不同施肥处理毛竹林土壤有机碳含量、垂直分布格局、季节动态变化规律及有机碳含量影响因子，试图揭示毛竹林土壤有机碳的时空格局，以期更全面反映毛竹林林地培肥机制，为毛竹林科学经营提供依据，也为森林生态系统碳平衡估算与模拟提供基础数据。

研究区位于福建省永安市天宝岩国家级自然保护区 (117°31′—117°33.5′E，25°55′—25°58′N)，福建永安素有“中国毛竹之乡”美誉，地处戴云山余脉，属于中低山地貌，海拔580~1 604 m，属于亚热带东南季风气候型，年均气温23 ℃，全年最低气温－11 ℃，全年最高气温40 ℃，全年无霜期290天左右，年均降水量2 000 mm，≥10 ℃年活动积温4 520~5 800 ℃，持续天数为225~250天，空气相对湿度80%左右。竹林主要分布在海拔800 m以下，研究区内竹林覆盖率96.8%，主要为毛竹，其间少量混生江南油杉 (Keteleeria cyclolepis)、杉木 (Cunninghamia lanceolata)、杨梅 (Myrica rubra)、南酸枣 (Choerospondias axillaris)、鹅掌楸 (Liriodendron chinense) 和木荷 (Schima superba) 等树种。

试验区内毛竹通过自身扩鞭繁殖成林，成林时间约25年，自然状态下毛竹林密度为1 600~2 000株· hm^-2，竹林地每年8, 9月份进行砍伐，每年施除草剂1次或劈山1次，林下有少量灌木和杂草。主要土壤类型为红壤，0~100 cm土层平均元素含量为有机质23.45 g·kg^-1，全氮0.63 g·kg^-1，全磷0.23 g·kg^-1，全钾20.05 g·kg^-1，水解氮93.10 mg·kg^-1，有效磷27.08 mg·kg^-1，速效钾65.42 mg·kg^-1，交换性钙53.08 mg·kg^-1，交换性镁11.39 mg·kg^-1，pH值为4.71(杜满义等，2015)。

2011年7月对研究区立地因子和植被状况进行调查，包括立竹度、树高和郁闭度等；用便携式GPS、罗盘仪等测定各样地坡度、坡向、土层厚度、海拔及经纬度等 (表 1)。利用典型样地法与随机区组设计布置相关试验。选取生长良好，具有代表性的典型毛竹林设置18块20 m×20 m样地，6种施肥处理，每处理3次重复。6种施肥处理分别为施5年毛竹专用肥 (Ⅰ)，施5年氮、磷、钾配方肥 (Ⅱ)，施5年有机肥 (Ⅲ)，施1年毛竹专用肥 (Ⅳ)，施1年有机肥 (Ⅴ)，不施肥样地 (Ⅵ)。相邻样地之间设置至少5 m的缓冲带。各处理样地概况见表 1。毛竹林Ⅰ-Ⅲ施肥时间为2007—2011年，Ⅳ和Ⅴ施肥时间为2011年，每年5月份统一施肥，各种施肥当量按N元素施入量相等进行折合计算，专用肥和氮、磷、钾配方施肥在距离毛竹约30 cm处进行穴施，穴施深度为30 cm；有机肥在标准地内开沟6~7条进行沟施，沟施深度为30 cm。专用肥、配方肥和有机肥概况见表 2。

表 1 毛竹林样地基本特征 Tab.1 Basic characteristics of Phyllostachys edulis stand plots

表 1 毛竹林样地基本特征 Tab.1 Basic characteristics of Phyllostachys edulis stand plots 处理 Treatment 海拔 Altitude/m 坡度 Slope/(°) 土层厚度 Soil thickness/cm 平均株高 Mean plant height/m 平均胸径 Mean DBH/cm 密度 Density/ (individual· hm-2) 郁闭度 Canopy density Ⅰ 690~745 15~40 ＞100 13.74 10.92 2 608 0.75 Ⅱ 681~732 15~40 ＞100 13.59 10.71 2 208 0.70 Ⅲ 644~744 15~40 ＞100 14.56 11.28 2 700 0.80 Ⅳ 713~765 15~40 ＞100 13.12 10.72 1 842 0.65 Ⅴ 715~767 15~40 ＞100 13.34 10.74 2 058 0.70 Ⅵ 668~765 15~40 ＞100 13.19 10.38 1 642 0.65

表 2 专用肥、配方肥和有机肥概况 Tab.2 Brief description of different fertilization treatments

表 2 专用肥、配方肥和有机肥概况 Tab.2 Brief description of different fertilization treatments 肥料种类 Fertilization patterns 施肥总量 Total fertilization amount/(kg·hm-2) 元素比例 Elements ratio 元素含量 Elements content/(kg·hm-2) 专用肥 Specialized fertilizer for bamboo 695 kg·hm-2，有效成分≥40%> Effective components≥40% N:P2O5:K2O= 1:0.6:0.7 N, 121；P，72.6；K，85 配方肥 Formula NPK-fertilizer CO (NH2)2，263 kg·hm-2；Ca (H2PO4)2， 200 kg·hm-2；KCl，142 kg·hm-2 N:P2O5:K2O= 1:0.2:0.7 N，121；P，24；K，85 有机肥Organic fertilizer 15 125 kg·hm-2，有机质＞45% Organic matter＞45% N，0.8%；N+P+K＞7% N，121；N+P+K＞1 059

于2012年1，4，7和10月分次取样，每次取样均在每个样地内按照“S”型选取5个样点，采样时先除去地面凋落物，挖取土壤剖面，取0~10，10~20，20~40，40~60，60~80和80~100 cm土层的土样，将每样地相同层次土壤混合，用四分法选出1 kg土样，每次获样品108个，4次取样共计432个。同时，在每个样点，采用容积100 cm³的环刀分层取样，从每层中部取土测定土壤密度。将土壤样品带回实验室，充分混匀并去掉植物根系和残体，室内风干后研磨粉碎，过2和0.149 mm筛，然后装入无菌塑封袋，用于土壤总有机碳和各种养分含量测定。

土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定、土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定、水解氮含量采用碱解扩散法测定、全磷含量采用碱溶-钼锑抗比色法测定、有效磷含量采用氟化铵-盐酸浸提法-钼锑抗比色法测定、全钾含量采用氢氧化钠融熔法-原子吸收光谱法测定、速效钾含量采用中性乙酸铵浸提-原子吸收光谱法测定、交换性钙含量和交换性镁含量采用乙酸铵提取-原子吸收分光光度法测定、脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定、磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定、过氧化氢酶活性采用容量法测定、pH值采用电极法测定、土壤密度采用环刀法测定 (张万儒，1999；鲁如坤，2000)。

根据野外调查资料和室内分析结果，用Excel (2010) 和SPSS (19.0) 统计分析软件进行数据处理分析，不同施肥处理、季节及土层的土壤有机碳数据变量的差异运用One-Way ANOVA分析，LSD进行方差分析，相关性分析采用Peason相关分析。

不同施肥处理毛竹林0~100 cm土层土壤有机碳平均含量无显著差异，分别为11.39，9.83，10.49，10.34，9.83和11.20 g·kg^-1。施肥显著降低浅层土壤有机碳含量 (图 1)，0~10和10~20 cm土层土壤有机碳含量均以不施肥 (Ⅵ) 毛竹林最高，不施肥 (Ⅵ) 毛竹林土壤有机碳含量分别为30.60和21.77 g·kg^-1，显著高于施肥处理Ⅱ-Ⅴ(P＜0.05)；与不施肥毛竹林相比，施肥毛竹林 (Ⅰ-Ⅴ)0~10 cm土层有机碳含量分别降低9.05%，27.33%，28.84%，18.92%和25.37%，10~20 cm土层分别降低1.25%，23.68%，23.47%，20.48%和18.61%。不同施肥处理毛竹林20~40，40~60和60~80 cm土层有机碳含量差异均不显著，但施用5年有机肥 (Ⅲ) 毛竹林土壤有机碳含量随着土层深度增加 (在40~60 cm及以下) 逐渐变为6个处理中最高的，在80~100 cm土层显著高于施肥处理Ⅰ和Ⅴ及Ⅵ(P＜0.05)。与不施肥处理毛竹林相比，施肥毛竹林 (Ⅰ-Ⅴ)80~100 cm土层有机碳含量提高2.72%~37.14%。

图 1 不同施肥处理毛竹林各土层土壤有机碳含量 Fig.1 Soil organic carbon (SOC) content in each soil layer under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

不同施肥处理的毛竹林土壤有机碳含量均随土层加深而降低，其中0~60 cm土层下降剧烈，60~100 cm下降平缓。碳含量标准误差值表现为随土壤加深不断减小，在深层土壤更稳定 (图 2)。不同土层的有机碳含量差异达显著水平 (P＜0.05)。

图 2 不同施肥处理土壤有机碳含量的垂直变化 Fig.2 Vertical distribution of SOC under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

各处理毛竹林0~100 cm土层有机碳含量各季节间均无显著差异，但秋冬季大于春夏季 (图 3)。施肥处理Ⅰ-Ⅵ各季节的土壤剖面有机碳含量分别为10.86~12.33，8.98~10.38，10.14~11.32，9.66~11.29，9.19~10.24和10.40~12.23 g·kg^-1。土壤剖面有机碳含量的季节变异特征不同，其中施肥5年的毛竹林 (Ⅰ-Ⅲ) 和不施肥毛竹林 (Ⅵ) 变异系数大于15%，而施肥1年的毛竹林 (Ⅳ，Ⅴ) 变异系数小于15%，分别为14.65%和8.14%。

图 3 不同施肥处理毛竹林土壤有机碳的季节动态变化 Fig.3 Seasonal dynamics of SOC under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

不同施肥处理毛竹林土壤密度表现出随土层加深而显著增大的趋势 (0.745~1.592 g·cm^-3)；酸性土壤是毛竹较为适应的生境 (pH4.44~5.31)，pH值表现出随土层加深而略微增大的趋势；土壤全K含量在不同土层间未表现出明显规律，数值波动较小；土壤全N、全P、水解N、有效P及速效K含量均表现出随土层加深而显著减小的趋势，但趋势并非完全一致。其中全N、水解N及速效K在0~100 cm土层间随土层加深均降幅明显，而全P和有效P在0~40 cm土层降幅明显，40~100 cm土层变化微小 (图 4)。

图 4 不同施肥处理毛竹林各土层土壤理化指标的变化 Fig.4 The variation of soil physiochemical indicators with depth under different fertilizations in Phyllostachys edulis stands

土壤有机碳含量与大部分土壤理化性质密切相关，与土壤密度和pH值极显著负相关 (P＜0.01)，与土壤全氮、全磷、水解氮、有效磷、速效钾等绝大多数因子极显著正相关 (P＜0.01)(表 3)。

表 3 土壤有机碳含量与土壤理化因子间的Person相关系数^① Tab.3 Person correlation coefficients between SOC and soil physicochemical factors

表 3 土壤有机碳含量与土壤理化因子间的Person相关系数① Tab.3 Person correlation coefficients between SOC and soil physicochemical factors 因子 Factor 有机碳 含量 SOC content 密度 Density pH 全氮 含量 Total N content 全磷 含量 Total P content 全钾 含量 Total K content 水解氮 含量 Hydrolyzable N content 有效磷 含量 Available P content 速效钾 含量 Available K content 有机碳含量SOC content 1.000 密度Density －0.800** 1.000 pH －0.383** 0.368** 1.000 全氮含量Total N content 0.979** －0.757** －0.331** 1.000 全磷含量Total P content 0.434** －0.292** －0.043 0.496** 1.000 全钾含量Total K content －0.186 0.169 0.012 －0.167 0.215* 1.000 水解氮含量Hydrolyzable N content 0.852** －0.687** －0.425** 0.887** 0.632** －0.019 1.000 有效磷含量Available P content 0.318** －0.198* －0.030 0.369** 0.941** 0.210* 0.524** 1.000 速效钾含量Available K content 0.341** －0.306** 0.060 0.401** 0.630** 0.202* 0.514** 0.531** 1.000 ①*：P＜0.05；**：P＜0.01.

本研究中短期施肥导致毛竹林浅层土壤有机碳含量降低的原因是多方面的。首先，毛竹林施肥等集约经营措施虽在一定程度上增加了土壤碳源输入，但施肥过程对表层土壤有较大扰动，使土壤中微生物数量、土壤团聚体结构、酶种类及其活性均发生变化 (徐江兵等，2007；毕明丽等，2010；刘恩科等，2010；钟晓兰等，2015)，导致土壤有机质矿化增强，进而导致浅层土壤碳含量降低。其次，毛竹林施肥后年净生产力迅速提高，竹笋和成竹数量大幅增加，竹林密度显著增大 (杜满义等，2015)，为保持竹林合理密度，施肥毛竹林往往采取更高强度的采伐，这就更容易导致毛竹林结构破坏、表层土壤及有机质大量流失 (徐秋芳等，2003；刘广路，2009；李翀等，2015)。综上所述表明，寻找一种有利于减少表层土壤碳损失的包括施肥方式、采伐强度等措施的综合经营方案，是增强毛竹林固碳作用的有效途径，也是未来的研究方向。

本研究显示，毛竹林短期施肥可以增加深层土壤有机碳含量，且以施用5年有机肥提高幅度最大。目前关于有机物添加对深层土壤有机碳影响的结论并不一致。Sébastien等 (2007)指出新鲜有机物的加入会导致稳定的深层土壤有机碳分解速度加快；Wang等 (2014)认为深层土壤有机碳处于稳定状态是由于缺乏新鲜碳源的输入，添加凋落物可以刺激深层土壤有机碳的矿化。这些研究均表明外源有机质的添加不利于深层有机碳的稳定和积累。相反，有些研究表明施肥能增加土壤微生物生物量碳 (Bhattacharyya et al., 2008)，显著改变土壤真菌结构 (毕明丽等，2010)，氮添加还可抑制有机碳矿化 (Wang et al., 2014)。在我国黄土丘陵区植被恢复导致的有机物增加量大于分解量，最终使深层土壤截留更多的有机碳 (王征等，2010)。本次试验中毛竹林施肥后，尤其是施用5年有机肥的竹林，其深层土壤在未受到翻动干扰的情况下获得更多的碳源，其中氮肥的添加还可以抑制有机碳的矿化作用，最终表现为深层土壤有机碳含量会有小幅提高。对于施肥仅1年的竹林而言，施肥能否在短时间内影响深层土壤碳含量，深层土壤碳含量的小幅提高与施肥措施是否有直接关系，需要进一步研究。

本研究短期施肥虽然造成毛竹林浅层土壤 (0~20 cm) 有机碳含量降低和深层土壤有机碳含量增加，然而并未改变土层中有机碳含量随土层加深而降低的垂直分布规律 (图 2)，这与前人研究结果 (田大伦等，2011；漆良华等，2013；李翀等，2015)。主要是因毛竹的采伐剩余物、凋落物以及鞭根系统大都存于表层或浅层土壤，分解后形成的腐殖质在表层进行积累 (周国模，2006；杜满义，2013)。毛竹林土壤有机碳含量在深层更为稳定 (图 3)，主要是因土壤有机碳含量受扰动影响随土层加深而衰减，而且深层土壤的氧气含量降低不利于有机质分解。土壤中微生物活性和细菌数量均随土壤深度增加而减少，而施肥可以改变微生物的群落特征 (李秀英等，2005；刘晓梅等，2009)。因此，与深层土壤相比，浅层土壤中微生物群落更易受到施肥等经营措施的影响，从而影响到土壤有机质的分解和积累过程，导致浅层土壤有机碳变异更明显 (刘延惠等，2012)。与浅层土壤相比，深层土壤更少受到施肥、翻耕、挖笋、砍竹、除草等人为经营措施的干扰，凋落物和鞭根的不均匀分布以及环境温湿度变化对深层土壤的影响也显著小于浅层土壤，这些因素更利于深层土壤有机碳含量的稳定 (Wang et al., 2014；董莉茹，2014)。

毛竹林土壤剖面有机碳含量季节变化不显著，但呈现出秋冬季高于春夏季的趋势 (图 3)，与已有研究结果 (高志勤等，2006；漆良华等，2013) 相似。在一定范围内，随温度和湿度上升，土壤有机质加速分解 (Kirschbaum，2000；Tang et al., 2015)，春夏季土层温湿度较秋冬季节高，必然导致土壤矿化作用较强，消耗更多有机质，相反秋冬季节土层温湿度低，根系生理代谢缓慢 (范少辉等，2009；陈红等，2013)，微生物利用碳源较少，土壤有机质矿化作用较弱；同时，每年8—9月份伐竹后初期竹根大量死亡，在很短时间内大量补充了土壤有机质；伐竹也导致更多竹叶等凋落物补充土壤有机质 (高志勤等，2007)，因此秋冬季土壤剖面有机碳含量较高。由于土壤有机质含量季节变化并不显著，在毛竹林施肥结束一段时间后，取样季节对土壤有机质测定结果影响甚微。但是，对土壤中活性有机碳的季节动态变化，还需要进一步研究，因为活性有机碳对环境和经营措施的改变更敏感，能指示土壤有机质的早期变化 (杜满义等，2013)。

施肥能显著提高毛竹林生产力，对0~100 cm土层土壤有机碳平均含量无显著影响，然而施肥过程和高强度采伐会破坏竹林结构，尤其是扰动表层土壤，导致浅层土壤有机碳含量显著下降，但深层土壤有机碳含量有小幅上升；林地施肥未明显改变土壤有机碳含量的垂直分布规律；林地施肥或不施肥情况下土壤剖面的有机碳含量均无显著季节变化。

建议在毛竹林经营时尽量减少土壤扰动，合理施肥，及时补充营养元素，适当挖笋与伐竹，使土壤有机碳含量保持较高水平，以利于维持毛竹林地长期生产力及其固碳功能。