廣東羅浮山土壤有機碳儲量與組分垂直分布特征

秦海龍 賈重建 盧 瑛 郭彥彪 姜 坤 李先霞 楊奇青 溫志滔

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642; 2. 廣東羅浮山省級自然保護區(qū)管理處，廣東 惠州 516131; 3. 廣東省惠州市羅浮山林場，廣東 惠州 516131)

土壤碳循環(huán)是與全球氣候變化密切相關的重要地球表層系統(tǒng)過程，是國際地學和生態(tài)學界近年來關注的熱點領域，國際社會對全球溫室氣體減排的需求，驅(qū)動著土壤學界對土壤固碳容量與潛力、固碳減排過程與機理的探索[1]。全球土壤碳庫是大氣碳庫的3.3倍，是陸地生物碳庫的4.5倍，因此土壤有機碳 (SOC) 的積累與分解影響著陸地生物碳庫和全球的碳平衡，在全球氣候變化中扮演著非常重要的角色，日益受到廣泛關注[2]。森林土壤碳儲量約占全球土壤的39%，在調(diào)節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和減緩全球氣候變化中起著重要作用[3-4]。因此，開展森林土壤碳庫的研究，對于減緩大氣中CO2濃度持續(xù)升高具有重要的意義。研究表明，山地森林土壤有機碳含量和儲量受到氣溫和降雨[5-7]、植被類型[6,8]、坡向[9]、經(jīng)緯度[10]、海拔[11-12]等因素影響，與土壤的深度[9-10,12]和類型[13]密切相關。由于土壤碳儲量空間分布的差異性，對不同地區(qū)土壤有機碳儲量的估算存在較大的不確定性，因此需要開展更廣泛的不同區(qū)域土壤有機碳儲量研究。

土壤有機碳包括性質(zhì)和分解程度不同的碳組分，土壤活性有機碳 (POXC) 是重要的土壤碳組分，影響到土壤微生物的活性、溫室氣體 (如CO2、CH4) 的排放和土壤質(zhì)量，對環(huán)境和管理措施有更大的敏感度，可以作為評價土壤質(zhì)量的指標[14-16]。Chan等[17 ]提出了根據(jù)土壤有機碳被氧化難易程度不同，將有機碳區(qū)分為高活性碳 (CF1)、中等活性碳 (CF2)、低活性碳 (CF3)和非活性碳 (CF4) 4個組分。研究表明，土壤有機碳組分CF1可作為評價土壤質(zhì)量和生產(chǎn)率的合適指標[18-20]，也是表征土壤有機碳質(zhì)量變化的敏感指標[21]。因此研究有機碳不同組分的變化，有利于揭示環(huán)境變化和管理措施對土壤有機碳的影響機制。

近年來我國廬山[5]、天山[7]、大圍山[12]、石坑崆[8]、祁連山[9]、季色拉山[22]、鼎湖山[23]、秦嶺[24]、武夷山[25]等不同氣候區(qū)域、海拔、植被類型等山地土壤有機碳含量、儲量和活性有機碳分布等已有研究。但由于土壤有機碳庫組成的復雜性和影響因素的多樣性，山地土壤有機碳的含量、儲量和組分等存在很大的差異性。因此本研究以廣東省代表性中山山地——羅浮山為研究對象，研究土壤有機碳儲量、組分特征及其影響因素，籍以揭示羅浮山不同海拔各土壤剖面有機碳儲量與組分的垂直分布規(guī)律，為該區(qū)域山地土壤碳庫儲量的準確預測提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

羅浮山位于北緯23°13′～23°20′，東經(jīng)113°51′～114°03′，地處廣東省博羅、增城、龍門3個縣交界處的博羅縣境內(nèi)西北部，總面積9 827.7 hm2，主峰飛云頂海拔1 281.5 m，為廣東省南亞熱帶季風常綠闊葉林及珍稀動植物、天然藥用植物等綜合性森林生態(tài)類型自然保護區(qū)。研究區(qū)屬南亞熱帶季風氣候，全年氣候溫暖，日照時間長，熱量充沛，年均溫22.3 ℃，年均降雨量1 923.4 mm，年均日照時數(shù)1 860.8 h。植物種類豐富，以熱帶-亞熱帶常綠闊葉植物為主。長期受人為影響，原生植被基本被破壞貽盡，現(xiàn)主要為次生的和人工種植的植被。

2 材料與方法

2.1 土樣采集

選取羅浮山不同海拔10個代表性土壤樣點，挖掘剖面描述和記載土壤景觀特征，采集不同深度 (0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm) 的土壤樣品，環(huán)刀采集測定土壤容重所需土樣。土樣經(jīng)室內(nèi)風干后，碾磨過10目、60目、100目尼龍篩，貯存待測。采樣點基本信息見表1。

2.2 土壤理化指標測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤pH值采用電位法 (水土質(zhì)量比2.5∶1) 測定。土壤顆粒組成采用吸管法測定，根據(jù)美國農(nóng)部制按粒徑分為砂粒 (0.05～2 mm)、粉粒 (0.002～0.05 mm) 和黏粒 (<0.002 mm)。土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤全磷含量采用HNO3-HF-HClO4酸融-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量采用HNO3-HF-HClO4酸融-火焰光度法測定。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸加熱氧化法[26]測定，土壤活性有機碳含量采用高錳酸鉀氧化法[16]測定。土壤有機碳組分含量采用重鉻酸鉀-不同濃度硫酸氧化法[17]測定，即稱適量過0.15 mm篩土壤樣品3份分別于150、150、250 mL三角瓶中，同時做空白，每個三角瓶中準確加入5 mL 0.8 mol/L 1/6K2Cr2O7溶液，然后分別加入2.5、5、10 mL濃硫酸 (硫酸濃度分別是6、9、12 mol/L)，冷卻后 (約30 min) 分別加入20、40、100 mL蒸餾水，加入5滴鄰啡羅琳指示劑，用0.2 mol/L FeSO4滴定，測定的有機碳含量分別表示為C1、C2、C3，組分1 (CF1) 含量即為C1，組分2 (CF2) 含量為C2與C1之差，組分3 (CF3) 含量為C3與C2之差，組分4 (CF4) 含量為有機碳總量與C3之差。

2.3 分析方法

數(shù)據(jù)處理和分析采用SPSS 20.0和Excel軟件。

表1 采樣點的基本情況Table 1 Basic information of the sampled sites

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機碳分布特征

不同海拔土壤有機碳含量及儲量分布見表2。由表2可知，不同海拔SOC含量表現(xiàn)出一定的差異，海拔1 210 m處0～20 cm SOC含量最高，達到60.53 g/kg，SOC含量呈現(xiàn)隨海拔增加而增高的趨勢，0～20 cm SOC含量與海拔呈顯著正相關 (P< 0.05)。SOC含量隨著土壤深度增加而降低，0～20 cm和20～40 cm土層之間降幅最大，40 cm以下SOC含量均較低。因此SOC集中分布在0～40 cm土層。

SOC儲量分布結(jié)果表明 (表2)，0～20 cm SOC儲量最高，60～80 cm最低，SOC儲量隨土層深度增加而降低，與SOC含量分布完全一致。0～20 cm SOC儲量與海拔呈顯著正相關 (P< 0.05)，即隨著海拔增高SOC儲量也隨之增加；20 cm以下土層SOC儲量與海拔的相關性均不顯著。隨著土壤深度增加，有機碳儲量在不同海拔土壤之間差異遞減。因此，海拔對0～20 cm SOC儲量影響顯著，對20 cm以下土壤影響較小，且土層越深影響越小。不同海拔土壤0～80 cm深度SOC儲量呈現(xiàn)隨海拔增加而增加的趨勢，SOC儲量在海拔1 210 m和280 m處分別為最高 (244.4 t/hm2) 和最低 (52.0 t/hm2)，0～80 cm深度SOC儲量與海拔呈顯著正相關 (P< 0.05)。不同深度SOC儲量占0～80 cm SOC儲量比例結(jié)果顯示 (表2)，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm SOC儲量所占比例平均值分別為53.7%、24.1%、13.5%和8.7%，0～40 cm SOC儲量占比接近80%，這進一步表明SOC主要儲存在0～40 cm的土壤中。

表2 不同海拔土壤有機碳含量和儲量分布Table 2 The distribution of SOC contents and stocks in soil horizons at different altitudes

海拔/m0～20cmSOC含量/(g·kg-1)SOC儲量/(t·hm-2)SOC儲量占比/%20～40cmSOC含量/(g·kg-1)SOC儲量/(t·hm-2)SOC儲量占比/%40～60cmSOC含量/(g·kg-1)SOC儲量/(t·hm-2)SOC儲量占比/%60～80cmSOC含量/(g·kg-1)SOC儲量/(t·hm-2)SOC儲量占比/%0～80cm SOC儲量/(t·hm-2)28011.1926.9851.863.5910.2919.782.798.4616.262.046.3012.1152.03 ± 5.6d37015.4741.4043.628.4424.6525.975.3515.7116.554.5413.1513.8694.91 ± 3.6c50010.1428.1651.163.6711.6621.193.229.7717.751.855.459.9055.04 ± 5.7d60023.1862.9966.536.8320.4321.583.5611.2611.89---94.68 ± 3.3c70023.2954.4248.7110.9830.8227.595.1515.7214.073.4210.769.63111.72 ± 6.3bc80025.4759.7762.266.5619.4320.243.7911.5512.031.735.255.4796.00 ± 6.5c90029.0157.6743.1715.2740.2130.107.6222.6516.954.0913.079.78133.60 ± 8.7b100116.4142.3070.443.289.9516.571.384.467.431.043.345.5660.05 ± 4.4d114028.1364.5653.199.4728.5723.544.4314.1211.634.4314.1211.63121.37 ± 5.4b121060.53112.7346.1333.4183.7934.289.6926.7010.937.6621.188.67244.40 ± 9.7a

注：不同小寫字母表示差異顯著。

3.2 土壤活性有機碳分布特征

不同海拔土壤活性有機碳含量及其在土壤有機碳中的比例見表3。

土壤中POXC含量，在0～20 cm最高，60～80 cm最低，隨著土層深度增加而降低。不同深度土層間POXC變幅最大的是海拔1 210 m處土壤，變化范圍是1.60～18.33 g/kg；變幅最小的是海拔280 m處土壤，變化范圍是0.50～2.52 g/kg。0～20 cm與20～40 cm土壤中 POXC含量在不同海拔間差異顯著，變化范圍分別是2.52～18.33 g/kg、0.65～9.25 g/kg；40 cm以下各層次土壤之間差異變小。60～80 cm土壤中POXC變幅最小，變化范圍是0.20～1.60 g/kg。在相同深度土層中，POXC含量隨海拔升高呈增加的趨勢。

表3 不同海拔土壤活性有機碳含量及其在土壤有機碳中的比例Table 3 POXC contents and percentage in soil horizons at different altitudes

POXC含量占SOC含量比例在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm土壤中平均值分別為27.75%、24.23%、22.11%和22.44%，呈現(xiàn)隨土壤深度增加而降低的規(guī)律；在不同海拔土壤中，POXC含量占SOC含量比例平均值變幅為16.60%～31.71%，沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

3.3 土壤有機碳組分分布特征

能被不同濃度硫酸氧化的SOC組分分布特征，能更清晰地反映SOC可分解的難易程度和穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明 (表4)，CF1、CF2、CF3和CF4含量均在0～20 cm土壤中最高，60～80 cm最低，隨土層深度的增加而降低。在相同深度土壤中，CF1、CF2、CF3和CF4含量隨海拔增加呈增加的趨勢，且隨土層深度的增加，不同海拔間的差異越來越小。CF1在0～20 cm土壤中從海拔280 m的5.23 g/kg增高到1 210 m的28.77 g/kg，在20～40 cm土壤中從1.35 g/kg增高到15.50 g/kg。CF2、CF3、CF4在不同海拔土壤中變化趨勢同CF1相似。CF1、CF2、CF3和CF4含量在40 cm以下土層中不同海拔間的差異均不顯著。對相同深度的不同海拔處SOC組分平均統(tǒng)計結(jié)果表明，0～20 cm土壤中CF1平均含量分別是CF2、CF3、CF4的2.03、3.76、3.78倍。20～40 cm土壤中CF1平均含量分別是CF2、CF3、CF4的1.79、4.32、2.88倍。40 cm以下土壤中CF1、CF2、CF3與CF4差異變小，CF1>CF2>CF4>CF3。

表4 不同海拔高度土壤有機碳組分含量Table 4 Soil organic carbon fractions content at different altitudes g/kg

不同深度土壤中有機碳組分占SOC含量比例均以CF1最高，CF3最低(圖1)。隨著土層深度增加CF1所占比例逐漸減小，CF4所占比例逐漸增大，但CF2、CF3所占比例在不同深度土層之間變化很小。由此表明隨著土壤深度增加，高活性態(tài)有機碳比例降低，非活性態(tài)比例增加，土壤有機碳穩(wěn)定性增加。

不同海拔土壤中 (圖2)，CF1、CF2、CF3和CF4占SOC含量比例分別為35.02%～53.30% (平均45.04%)、17.74%～30.11% (平均24.69%)、9.68%～17.15% (平均12.33%)和9.11%～29.99% (平均17.92%)。CF1占SOC含量比例呈現(xiàn)隨海拔增加而增加的趨勢，而CF4變化趨勢相反。這表明隨著海拔升高SOC穩(wěn)定性呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖1不同深度土壤有機碳組分含量占比
Fig.1 The proportion of SOC fractions to SOC content in different soil depths

圖2不同海拔高度土壤有機碳組分含量占比
Fig.2 The proportion of SOC fractions to SOC content at different altitudes

3.4 土壤有機碳組分與土壤理化指標相關分析

SOC各組分含量與SOC含量、土壤基本理化指標含量相關分析結(jié)果見表5。POXC、CF1、CF2、CF3、CF4與SOC含量均呈極顯著正相關 (P< 0.01)，表明SOC不同組分含量均隨SOC含量的增加而增加。POXC、CF1、CF2、CF3、CF4與土壤容重呈極顯著負相關 (P< 0.01)，與土壤全N、全P以及粉粒含量均呈極顯著正相關 (P< 0.01)，而與土壤全K、pH、砂粒和黏粒含量之間的相關性均不顯著。

表5 土壤有機碳組分與土壤特性之間的相關系數(shù) (n=39)Table 5 Correlation coefficients between organic carbon fractions and soil properties (n=39)

注：*表示顯著相關 (P< 0.05)；**表示極顯著相關(P< 0.01)。

4 結(jié)論與討論

羅浮山土壤有機碳集中分布在0～40 cm土壤中，0～20 cm土壤有機碳含量及儲量與海拔呈顯著正相關，SOC儲量呈隨海拔上升而逐漸增加的趨勢。這是由于不同海拔的氣溫、降雨量以及植物種類均存在顯著差異，植物凋落物量與土壤微生物活性均不同，導致土壤有機質(zhì)的積累量差異。海拔1 210 m處，優(yōu)勢植物群落為五節(jié)芒 (Miscanthusfloridulus)、莎草 (Cyperusmicroiria)、黃茅 (Heteropogoncontortus)、白茅 (Imperatacylindrica) 等草本植物，死亡植物的殘體、根系帶入土壤的有機物質(zhì)多，因此SOC含量及儲量最高，這與粵北亞熱帶山地森林SOC[8]、湖南大圍山SOC[12]研究結(jié)果基本一致。Dieleman等[11]對熱帶森林土壤研究表明，SOC儲量隨海拔上升呈線性增加，海拔每升高1 000 m，SOC儲量平均增加6.4 kg/m2，并把這種結(jié)果歸因于氣溫、降雨等氣候因子變化；Du等[5]對江西廬山土壤研究表明在海拔1 268 m處的SOC儲量明顯高于海拔780、405、219 m處。本研究發(fā)現(xiàn)0～20 cm SOC含量及儲量與海拔呈顯著正相關 (P< 0.05)，20 cm以下SOC含量及儲量與海拔相關性不顯著，說明環(huán)境條件 (植被類型、溫度和水分等) 對表層SOC的影響最大，對深層SOC影響減弱。海拔800、1 001 m處SOC含量及儲量不高，可能與采樣點坡陡、植被破壞導致表層土壤嚴重侵蝕有關。研究中SOC含量及儲量隨土層深度增加呈遞減的趨勢，這是因為地表植被的枯枝落葉等凋落物是SOC的主要來源，通過生物分解轉(zhuǎn)化為土壤有機質(zhì)，而這些有機物質(zhì)進入土壤的數(shù)量隨著土層深度的增加而減少，這就使得SOC含量及儲量隨土壤深度增加而降低，與前人[7,9,12]對其他區(qū)域SOC含量及儲量的研究結(jié)果相一致。

羅浮山土壤活性有機碳含量隨海拔上升呈增加趨勢，隨土壤深度增加而降低，這與西藏色季拉山[22]、鼎湖山[23]、秦嶺山地[24]、武夷山[25]土壤活性有機碳的研究結(jié)果基本一致，表明海拔和土壤深度影響到土壤活性有機碳的分布。本研究中POXC占有機碳比例在15.52%～38.74%，而Culman等[16]對農(nóng)田土壤研究結(jié)果為4%左右，表明林地土壤有機質(zhì)更易分解，對環(huán)境變化反應敏感。

Chan[17]等將SOC組分中的CF1與CF2之和定義為活性組分 (Clabile)，CF3與CF4之和定義為惰性組分 (Cinert)。Clabile具有較快的周轉(zhuǎn)速率，影響物質(zhì)循環(huán)過程，Cinert在土壤中周轉(zhuǎn)時間較長，較為穩(wěn)定。在本研究中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm各土層中，Clabile占SOC含量比例的平均值分別是74%、72%、68%、64%，Cinert分別是26%、28%、32%、36%，即CF1+CF2遠大于CF3+CF4；說明羅浮山土壤有機碳的Clabile部分隨土壤深度增加呈降低趨勢，而Cinert部分隨土壤深度增加呈增加趨勢；而且有機碳各組分含量均隨海拔升高呈增加的趨勢。這是因為隨著土層加深，土壤微生物活性降低、外界環(huán)境對土壤有機碳的分解與轉(zhuǎn)化影響減小，有利于形成穩(wěn)定態(tài)有機含碳化合物，惰性態(tài)有機碳所占比例增加。羅浮山土壤中活性有機碳比例高，對土壤管理和環(huán)境變化的敏感性高，易分解轉(zhuǎn)化。此外，通過相關分析結(jié)果表明，POXC、CF1、CF2、CF3和CF4組分含量與總有機碳含量均呈極顯著正相關 (P< 0.01)，表明不同有機碳組分的含量和所占比例取決于SOC的含量，增加SOC積累是提高有機碳各組分含量的主要途徑。

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