本研究以重庆市涪陵区珍溪镇的王家沟(107°31′E，29°53′N)为研究区，其位于长江北岸，地势从北到南逐渐降低并延伸至长江，属亚热带湿润季风气候，无霜期长，年平均气温17~18 ℃，最低气温为-2.5 ℃，年积温5 300~5 600 ℃，年降雨量1 000~1 100 mm.三峡水库蓄水前消落区有大量的旱地和水田分布，土壤类型主要有紫色土和水稻土等，目前175 m高程均已禁耕，但在消落区出露季节仍存在部分耕种.根据三峡工程水位调度方案，水库运行后在每年6-9月将水库水位降至145 m；从10月开始蓄水至高水位175 m，并保持至11-12月；1-4月为供水期，水位逐步降至156 m，5月底降至防洪水位145 m.

通过对研究区水分环境的实地调查和相关资料分析，结合三峡水库水位调度方式，于2015年9月初低水位(145 m)运行时按7个高程(152，157，162，167，172，177，182 m)在研究区进行实地培养试验点位的均匀布设.具体设置：采用400目尼龙网制作土袋进行实地培养试验，以排除土壤动物、根系和植物凋落物等对培养土壤有机碳变化的影响.利用研究区采集的表层土样(水稻土和紫色土)，风干后磨碎过2 mm筛，混匀装入尼龙网袋，并记录装土质量，用封条封紧袋口；为了解三峡水库消落区不同高程水热环境对培养土壤SOC的现实影响，本研究将培养土壤放入马弗炉中，在650 ℃下煅烧5 h去除有机质，装袋作为培养对照.装袋后，按布设的培养点位将培养土袋均放入各高程进行实地表层培养，各培养土样在每个高程培养点布置6个培养土袋(3个供试培养土壤土袋和3个对照土袋).布设后，在培养点旁设置标志物，同时用GPS定位仪记录其坐标和海拔，便于后期采样时寻找培养点.培养土壤的基本理化性质如表 1所示.

于2016年9月初，采集7个高程(152，157，162，167，172，177，182 m)的培养样品，将采集后的土袋放入加冰袋的保鲜箱中保存，带回实验室.同时，按高程150~155，155~160，160~165，165~170，170~175，175~180，180~185 m进行原位土壤剖面样品的采集，用土钻采取深度为0~40 cm剖面土样，采样层次为：0~20，20~40 cm.各高程按随机布点取样法，分别采集3个剖面，共采集21个剖面、42个土样.所有采集样品按研究指标需要进行样品的处理与测定.

各测定项目均依照参考文献[18]进行，具体方法为：土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用半微量开氏法测定；土壤pH值采用酸度计法测定(水:土=2.5:1)；土壤可溶性碳(dissolved organic carbon，DOC)采用TOC仪(multi N/C 2100，Germany)测定.

1) 培养土壤总有机碳变化量(ΔT_SOC)

根据培养前后土壤SOC质量分数变化，计算三峡水库消落区各高程水热环境影响下，培养土壤总有机碳的变化量(ΔT_SOC)，计算公式如下：

式中：ΔT_SOC为培养土壤总有机碳的变化量(g/kg)；Q_SOC，H_SOC分别为培养前后培养土壤的有机碳质量分数(g/kg).

2) 培养土壤老碳损失量(ΔL_SOC)

为分析消落区各高程水热环境对培养土壤老碳(即土壤原有碳)的实际影响，需要扣除培养对照新碳(即新摄入外源碳)的净累积量，计算公式如下：

于是有：

式中：ΔL_SOC为培养土壤老碳的损失量(g/kg)；ΔT_SOC=H_SOC-Q_SOC为供试土壤的总有机碳变化量(g/kg)；ΔN_SOC=DSH_SOC-DSQ_SOC为培养对照新碳的净累积量，其中，DSQ_SOC，DSH_SOC分别为培养前后煅烧土壤有机碳质量分数(g/kg).

3) 老碳损失比例

式中：ΔL_SOC为培养土壤老碳的损失量(g/kg)；SOC_质为培养前供试土壤的有机碳质量分数.

4) 数据统计

采用Origin 8.5和Excel 2010制作图表，利用SPSS 16.0进行数据统计与分析，其中，采用LSD法进行多重比较(p＜0.05).

由公式(1)计算可得，水稻土和紫色土的总有机碳变化量(ΔT_SOC)均为负值.这表明，与培养前两种土壤的SOC初始值相比，在研究区不同高程环境下实地培养1 a后，其SOC质量分数均降低.为方便比较，计算结果用绝对值表示(图 1).由图 1可见，两种培养土壤ΔT_SOC的绝对值均表现为低高程较高，高高程较低的趋势.其中，水稻土总有机碳减少量的最大值出现在152 m高程，且高程152 m处的减少量分别是非消落区177 m和182 m高程的3.7倍和5.7倍；但消落区各高程间水稻土的ΔT_SOC差异无统计学意义.另外，各高程培养下，紫色土ΔT_SOC的变化趋势与水稻土基本一致，其在152 m和157 m高程处的ΔT_SOC显著大于172，177和182 m高程(p＜0.05)，但两高程间的ΔT_SOC无明显差异.由此可见，与≥177 m的高程段相比，消落区低高程段(152 m)的水分环境更有利于SOC的分解，且紫色土SOC对高程的变化更为敏感.

由图 2可知，研究区各高程下，两种培养土壤老碳损失量(ΔL_SOC)的变化趋势与ΔT_SOC大致相同.两种培养土壤ΔL_SOC的最大值均出现在消落区152 m高程，其中，水稻土在152 m高程处的ΔL_SOC显著大于除167 m高程外的其余高程(p＜0.05)，老碳损失比例为14.33%(表 2)；紫色土在152 m高程的ΔL_SOC与其余高程的差异均有统计学意义(p＜0.05)，且该高程的老碳损失比例达44%以上(表 2).这说明在长期淹水高程，老碳更易被分解损失，而紫色土在152 m高程的老碳损失比例是水稻土的3倍以上，其可能主要由于紫色土原始有机碳(SOC)质量分数和可溶性有机碳(DOC)质量分数均大于水稻土.此外，除157 m高程外，水稻土在消落区152，162，167，172 m高程培养下的ΔL_SOC均大于ΔT_SOC；而紫色土在整个消落区(152~172 m)各高程培养下的ΔL_SOC均比ΔT_SOC大；且两培养土壤在152 m高程的ΔL_SOC显著大于该高程的ΔT_SOC(p＜0.05).这表明在消落区低高程下(152 m)，培养土壤有机碳的损失大于积累，且该高程SOC损失量较大的原因也主要归结于老碳损失.

从表 3可知，消落区(150~175m)不同高程段原位表层的SOC质量分数(SOC_0~20)介于20.70~26.40 g/kg之间，其从高到低顺序依次为：160~165，150~155，170~175，155~160，165~170 m，其中，160~165 m高程段的SOC_0~20明显大于165~170 m，而与其余高程段差异无统计学意义；结合消落区培养土壤的老碳损失量分析，在162 m高程培养下两种土壤的老碳损失量均较低，这表明，消落区160~165 m高程段土壤的碳汇效应较强；另外，非消落区175~180 m高程段的SOC_0~20是180~185 m高程段的1.5倍，两者差异有统计学意义，且非消落区175~180 m高程段的SOC_0~20也明显高于消落区的所有高程段.此外，在消落区由于受水分季节性涨落的影响，该区域主要的植被为低矮灌草、木，根系主要分布于0~20 cm的表层，植物根系干物质积累增加，因此随土层的加深，各高程段SOC质量分数显著降低；20~40 cm土层的SOC质量分数在各高程的高低顺序与表层存在差异.另外，SOC_20~40的最大值在高程175~180 m，其显著高于160~165，170~175和180~185 m.

两种类型培养土壤在研究区不同高程下实地培养1 a后，其各高程培养下的SOC质量分数较培养前SOC初始值均有所降低.即ΔT_SOC均为负值，这说明培养水稻土和紫色土的总SOC变化形式为分解损失，其损失量可能部分来源于老碳的分解，还有部分来源于新累积碳的分解.本培养试验中采用的400目尼龙网制作的培养土袋仅允许水分的自由进出，植物凋落物、根系和土壤动物等则无法进入，因此培养土壤有机物质的输入和输出主要受限于培养土袋内的微生物数量和其分解能力，以及培养土袋周围水热环境的变化情况；此外，整个培养期内，152 m高程淹水时间最长(7个月以上)，随高程的升高淹水时间逐渐缩短，172 m高程仅淹水3个月左右，而177 m和182 m为非淹水区；同时，大量研究^[20-22]也表明，水热环境变化会显著影响SOC的分解矿化.故在没有大量外源新鲜碳(植物根系、凋落物等)补充的情况下，各高程培养土壤有机碳呈不同比例的分解损失；且与≥177 m的高程段相比，消落区低高程段(152 m)的水分环境更有利于SOC的分解，这与部分室内培养研究得出的长期淹水会促进SOC的矿化分解的结果一致^[15-16].淹水条件可显著提高SOC的溶出并导致土壤团聚体的裂解、分散，使被团聚体包裹、微生物难以利用的有机物质溶解释放出来，进而增加可溶性有机碳量和提高微生物对SOC的可利用性^[23].李忠佩等^[24]对可溶性有机碳的质量分数动态及其与土壤有机碳矿化的关系研究发现，长期淹水可显著提高土壤可溶性有机碳量从而导致其SOC总矿化量高于其他水分处理.同时，黄哲等^[25]研究也表明，消落带高程越低淹水时间越长，越容易造成土壤碳和可溶性碳的损失.另外，本研究还发现，各高程培养下两种培养土壤的ΔL_SOC变化趋势与ΔT_SOC大致相同，且培养水稻土的ΔL_SOC与ΔT_SOC的正相关极有统计学意义(p＜0.001)；培养紫色土的ΔL_SOC与ΔT_SOC的相关性也有统计学意义(p＜0.05)(表 4)；另外，消落区内，培养土壤在152 m高程的ΔL_SOC均显著大于该高程的ΔT_SOC.这也进一步证明，老碳损失量是导致152 m高程段培养土壤SOC损失量较高的主要原因.

由图 1结果可看出各高程培养下紫色土的SOC损失量均大于水稻土，且紫色土的SOC变化相较于水稻土对高程变化更为敏感，该现象可能主要由两种培养土壤的基本理化性质差异所导致.紫色土初始SOC和可溶性有机碳(DOC)质量分数均较高，供微生物利用的营养物质充足，在没有大量外源新碳补充的情况下，培养土袋内的微生物主要分解利用老碳；同时有研究证明原土DOC质量分数较高的土壤，淹水后更易于提高可溶性有机碳的质量分数^[24]，从而被分解损失.李顺姬等^[26]研究也指出，不同类型土壤的SOC变化量与其SOC和全氮的正相关有统计学意义，而与pH值负相关有统计学意义.

在整个消落区，160~165 m高程段的原位表层土壤有机碳(SOC_0~20)质量分数最大，且显著大于165~170 m(p＜0.05).这与王莲阁等^[27]对三峡库区典型消落带土壤有机碳分布特征的研究结果一致. 160~165 m高程段的SOC_0~20质量分数可能与该高程段植物数量和表层植物根系的分布比例有关，植被凋落物及其地下部分根系的分泌物和细根周转产生的碎屑是土壤有机碳的主要来源之一^[9].刘维暐等^[28]对三峡水库消落区不同海拔的植物群落多样性差异研究表明，消落区中部(156~165 m)植物丰度显著大于下部(145~156 m)，其植物群落为狗牙根－水花生－苍耳－狼杷草的共优群落；在对研究区实地观测也得，三峡水库低水位运行时，消落区160~165 m高程段生长着大量苍耳－狼杷草.蓄水后，这些植物会被淹没，并在相对较长的淹水环境下腐殖化，故消落区该高程段表层土壤有机质的积累量大于其余高程；此外，培养试验结果表明，在160~165 m高程段内两种培养土壤的ΔL_SOC均较低，结合分析可得三峡水库消落区在160~165 m高程段的碳汇效应较强. 150~155 m高程段虽受到淹水胁迫最强，但其在出露期间也有耐水淹的低矮灌草在此生长^[27]，且消落区中上部冲刷的凋落物大部分均沉积在该高程，所以其SOC_0~20仅次于160~165 m高程段.另外，消落区165~170 m高程段的SOC_0~20显著低于其余高程段，其可能由于该高程段落干期仍被耕种，受人为扰动所致.非消落区175~180 m高程段的SOC_0~20显著高于180~185 m高程段，且明显高于消落区的所有高程段(p＜0.05).该现象可能由以下原因所导致：其一，三峡水库蓄水至最高水位175 m后，保持该水位约2个月左右，然而175 m高程上部的邻近区域水分适中，环境稳定；175~180 m高程段全年出露，适宜的水热环境致使该高程植被物种较丰富、群落覆盖度大^[28].且有资料显示，不同高程植被数量及凋落物的腐殖化均会影响到消落区有机质的输入量^[29]；其二，培养试验结果表明，淹水也将显著影响SOC的分解损失.因此非消落区175~180 m高程段SOC_0~20显著高于受淹水胁迫的高程.

1) 两种类型土壤(水稻土和紫色土)在三峡水库消落区不同高程下实地培养1 a后，其SOC质量分数相较于培养前均有所降低；与≥177 m的非消落区高程段相比，消落区低高程段(152 m)的水分环境更有利于SOC的分解，且老碳损失是导致152 m消落区高程段培养土壤SOC损失量较高的主要原因；相较于水稻土，紫色土的SOC分解对消落区高程变化更为敏感.

2) 三峡水库消落区不同高程原位表层SOC质量分数从大到小的分布特征为：160~165，150~155，170~175，155~160，165~170 m，结合各高程下培养土壤老碳损失量的变化分析可得，三峡水库消落区在160~165 m高程段的碳汇效应最强.