廣西貓兒山水青岡林土壤剖面有機(jī)碳垂直分布特征及影響因素

王會(huì)利，王紹能，宋賢沖，秦麗玲，唐林峰，葉建平，曹繼釗，鄧小軍

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西桂林貓兒山國家級(jí)自然保護(hù)管理局，廣西 桂林541316；3.桂林市林業(yè)技術(shù)推廣站，廣西 桂林 541001）

森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)和碳平衡中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。在全球氣候變化背景下，森林土壤有機(jī)碳作為土壤碳庫的重要組成部分，已成為森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重點(diǎn)之一[1]，同時(shí)土壤有機(jī)碳的影響因素也備受關(guān)注[2-3]。土壤有機(jī)碳主要來源于植物、動(dòng)物、微生物殘?bào)w和根系分泌物，并處于不斷分解與形成的動(dòng)態(tài)過程中[3]。大量研究表明，不同植被類型土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及其分布存在差異[4-6]，并具有明顯的垂直和水平地帶性分布特征[6-10]。很多學(xué)者也分析土壤有機(jī)碳的植被類型、氣候因子、人為活動(dòng)等影響因素。王秀麗等[11]調(diào)查北京山區(qū)典型土壤類型剖面發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境條件、不同發(fā)生層次、不同植被類型、不同土地利用類型下土壤有機(jī)碳的含量存在差異，土壤表層有機(jī)碳含量與海拔、植被覆蓋度顯著正相關(guān)，與溫度顯著負(fù)相關(guān)。林齡和林分密度也影響土壤有機(jī)碳的累積和分布，有研究表明白樺天然次生林、云南松林和毛竹土壤有機(jī)碳含量和密度均隨林齡的增加而提高[12-14]，而杉木人工林土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量隨林齡先降低后提高[15]。油松人工林不同保留密度對(duì)土壤有機(jī)碳密度影響顯著[16]。此外，火燒[17]、稻草覆蓋翻耕[18]、復(fù)墾模式[19]等人為活動(dòng)均影響土壤有機(jī)碳的累積和分布。目前關(guān)于自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳及影響因素分析方面的研究報(bào)道較少。廣西貓兒山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)作為漓江重要的發(fā)源地，是廣西森林生態(tài)系統(tǒng)中最為復(fù)雜、保護(hù)最為完整的國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)之一。土壤有機(jī)碳的分布及其影響因素具有明顯的地帶性特征，水青岡天然林是廣西貓兒山自然保護(hù)區(qū)典型的地帶性植被類型，其土壤有機(jī)碳研究在區(qū)域碳循環(huán)過程中具有重要地位。本文選擇廣西貓兒山水青岡天然林作為調(diào)查對(duì)象，研究其有機(jī)碳含量和密度的垂直分布特征，通過相關(guān)分析探討土壤容重、總孔隙度、機(jī)械組成等物理性質(zhì)及土壤pH值、速效養(yǎng)分等化學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，旨在為該區(qū)土壤有機(jī)碳的變化規(guī)律研究和碳儲(chǔ)量的估算積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選在廣西貓兒山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，位于廣西東北部（110°19′～ 110°31′E，25°48′～25°58′N），區(qū)內(nèi)氣候涼爽，垂直帶譜明顯，屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫16.4～18.1 ℃，7月均溫26.2～27.6 ℃，1月均溫5.5℃～7.8 ℃，極端低溫-4.8～-6.2 ℃，極端高溫38.3～39.5 ℃；年均降水量1 546.7～1 829.0 mm；年均蒸發(fā)量1 264.1～1 624.1 mm；年均相對(duì)濕度79%～82%；年均日照時(shí)數(shù)1 243.5～1 467.1 h；年均風(fēng)速2.1～3.2 m/s；年均有霜日數(shù)7.3～15.5 d[20-21]。

1.2 調(diào)查樣地設(shè)置

在研究區(qū)域內(nèi)，選擇具有代表性的水青岡天然林為研究對(duì)象，在立地條件基本一致的情況下，設(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地（20 m×20 m），調(diào)查樣地基本情況見表1。

表1 調(diào)查樣地基本情況Table 1 General conditions of sampled plots

1.3 樣品采集與分析

在水青岡林中設(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地設(shè)置3個(gè)土壤剖面，采樣深度為100 cm，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm劃分土壤層次，每層用3個(gè)環(huán)刀采取原狀土樣用于分析土壤容重和總孔隙度，同時(shí)采取土壤樣品，各層次土壤樣品分別等量混合取1 000 g，用于分析土壤有機(jī)碳、機(jī)械組成、pH值、速效氮、速效磷和速效鉀。測(cè)定方法參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[22]，土壤容重和總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定[23]，土壤機(jī)械組成采用比密度計(jì)法測(cè)定[24]，土壤pH值采用電位法測(cè)定[25]，速效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[26]；速效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定[27]；速效鉀采用原子吸收分光光度法測(cè)定[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量[29]，土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式[30]為：SOCDk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/100。式中：SOCDk為第k層土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；Ck為第k層土壤有機(jī)碳含量，g/kg；Dk為第k層土壤密度，g/cm3；Ek為第k層土層厚度，cm；Gk為第k層土層中直徑大于2 mm石礫所占體積百分比，%。

數(shù)據(jù)處理和圖表繪制在Excel 2007和Origin 8.0中完成，顯著性分析和相關(guān)性分析在SPSS 19.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳垂直分布特征

水青岡林地土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征見圖1。根據(jù)土壤有機(jī)碳含量和土壤容重等指標(biāo)計(jì)算土壤有機(jī)碳密度（見圖2）。水青岡林地不同土層土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度變化范圍分別為28.66～76.75 g/kg和5.52～10.77 kg/m2，整個(gè)采樣剖面（0～100 cm）土壤有機(jī)碳總含量和有機(jī)碳密度分別為226.92 g/kg和38.54 kg/m2。不同土層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度所占百分比見圖3，土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的最大值均出現(xiàn)在0～20 cm土層，分別占據(jù)整個(gè)土壤剖面的33.82%和27.94%。從圖1～3中可以看出，水青岡林地土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度及其各土層占整個(gè)采樣剖面的百分比均表現(xiàn)出隨土層深度的增加大致呈逐漸降低的變化趨勢(shì)?？梢娝鄬值赝寥烙袡C(jī)碳含量和有機(jī)碳密度具有明顯的表聚性。

2.2 土壤物理性質(zhì)垂直分布特征及對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.2.1 土壤物理性質(zhì)垂直分布特征

圖1 土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of soil organic carbon content

圖2 土壤有機(jī)碳密度的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of soil organic carbon density

圖3 不同土層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度占整個(gè)采樣剖面的百分比Fig.3 Percentage of soil organic carbon content and density of every layer to the whole soil profiles

圖4和圖5分別顯示了水青岡林地土壤容重和總孔隙度的垂直分布特征，其值變化范圍分別為0.71～1.05 g/cm3和54.58%～73.16%。從圖中可以看出，水青岡林地土壤容重隨土層深度增加而增加，土壤總孔隙度變化趨勢(shì)則相反。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土層土壤容重?zé)o顯著差異（P＞0.05），但均顯著高于0～20 cm和20～40 cm土層，20～40 cm土層土壤容重顯著高于0～20 cm土層（P＜0.05）；0～20 cm土層土壤總孔隙度顯著高于其他各土層（P＜0.05），且其他各土層土壤總孔隙度之間無顯著差異（P＞0.05）。

圖4 土壤容重的垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution of soil bulk density

圖5 土壤總孔隙度的垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution of soil total porosity percentage

根據(jù)美國制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示，水青岡林地各級(jí)粒徑土壤顆粒含量從大到小的排列順序?yàn)樯傲＃?.00～0.05 mm）＞粉粒（0.05～0.002 mm）＞粘粒（＜0.002 mm）。不同土層土壤砂粒、粉粒和粘粒的變化范圍分別為51.64%～57.63%、27.37%～32.84%和14.63%～17.86%，其平均值分別為53.51%、29.93%和16.56%。根據(jù)各級(jí)粒徑土壤顆粒含量，在美國制土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)上查得水青岡林地土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。從圖中可以看出，水青岡林地土壤砂粒（2.00～0.05 mm）含量隨土層深度的增加先降低后升高，80～100 cm土層土壤砂粒含量顯著高于0～20 cm和20～40 cm土層；土壤粉粒（0.05～0.002 mm）含量隨土層深度的增加逐漸降低，0～20 cm土層土壤粉粒含量顯著高于和60～80 cm土層；土壤粘粒（＜0.002 mm）的變化趨勢(shì)與土壤砂粒相反，且不同土層間差異未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

2.2.2 土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

圖6 土壤機(jī)械組成的垂直分布特征Fig.6 Vertical distribution of soil mechanical composition

為了解土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，本文對(duì)土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度、土壤容重、總孔隙度和機(jī)械組成等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。從表中可以看出，水青岡林地土壤有機(jī)碳含量和土壤有機(jī)碳密度之間呈極顯著正相關(guān)（0.942）。土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均與土壤總孔隙度呈顯著正相關(guān)（0.575和0.569），而與土壤粘粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)（-0.624和-0.555）?？梢?，水青岡林地土壤有機(jī)碳主要受土壤物理性質(zhì)中土壤總孔隙度和粘粒含量的影響。此外，水青岡林地土壤物理性質(zhì)之間也相互影響，土壤容重與土壤總孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)（-0.909），土壤粉粒含量與土壤總孔隙度、土壤容重和砂粒含量均呈顯著相關(guān)（0.790、-0.782和-0.542），土壤砂粒和粘粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)（-0.613）。

表2 土壤有機(jī)碳與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系?Table 2 Correlations between soil organic carbon and soil physical properties

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)垂直分布特征及對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.3.1 土壤化學(xué)性質(zhì)垂直分布特征

圖7 土壤pH值的垂直分布特征Fig.7 Vertical distribution of soil pH value

圖8 土壤速效養(yǎng)分的垂直分布特征Fig.8 Vertical distribution of soil available nutrition content

水青岡林地不同土層土壤pH值變化范圍分別為4.11～4.19。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，80～100 cm土層土壤pH值顯著高于0～20 cm土層（P＜0.05）。水青岡林地土壤pH值隨土層深度的增加而增加，但增加幅度很小（圖7）。水青岡林地土壤速效養(yǎng)分的垂直分布特征見圖8。不同土層土壤速效氮、速效磷和速效鉀養(yǎng)分含量分別在 172.43～ 552.32 mg/kg、1.13～ 2.60 mg/kg和29.33～69.47 mg/kg之間變動(dòng)，其隨土層深度的變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度相似，0～20 cm土層土壤有效養(yǎng)分含量最高，同樣表現(xiàn)出明顯的表聚性。

2.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

水青岡林地土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度、pH值、速效氮、速效磷和速效鉀的相關(guān)分析結(jié)果見表3。水青岡林地土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與速效氮、速效磷和速效鉀呈極顯著正相關(guān)?？梢?，水青岡林地土壤有機(jī)碳與土壤化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。此外，水青岡林地土壤化學(xué)性質(zhì)之間也相互影響，土壤pH值與土壤速效養(yǎng)分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤速效養(yǎng)分之間呈極顯著正相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

土壤有機(jī)碳是土壤中較為活躍的部分，是土壤質(zhì)量的決定因素，它在土壤生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用[3,31]。土壤有機(jī)碳含量由土壤有機(jī)碳分解速率、作物殘余物數(shù)量、組成植物根系及返還至土壤中的有機(jī)物等因素決定，其大小決定于土壤有機(jī)碳輸入、輸出及相關(guān)土壤性質(zhì)和過程[1]。水青岡林地0～60 cm各土層土壤有機(jī)碳含量在40.67～76.75 g/kg之間變動(dòng)，明顯高于人工林地土壤有機(jī)碳含量（2.66～23.06 g/kg）[1]和草地土壤有機(jī)碳含量（1.27～38.49 g/kg）[32]。水青岡林地0～100 cm不同土層有機(jī)碳密度變化范圍為5.52～10.77 kg/m2，明顯高于人工林0～90 cm不同土層有機(jī)碳密度（0.76～3.52 kg/m2）[1,29]。這可能是水青岡天然林人為干擾極少、根系發(fā)達(dá)、林下植被豐富、凋落物儲(chǔ)量高和有機(jī)碳分解速率高等多因素綜合作用的結(jié)果。水青岡林地土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度隨土層深度的增加大致呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，這與梁啟鵬等[1]、楊曉梅等[29]、王鑫等[5]的研究結(jié)果類似。其中0～20 cm土層有機(jī)碳總含量和有機(jī)碳密度最大，分別占據(jù)整個(gè)土壤剖面的33.82%和27.94%，具有明顯的表聚性，這可能是因?yàn)榈蚵湮锓植荚谕寥辣韺忧曳纸馑俾矢?、根系分布較多、土壤結(jié)構(gòu)疏松，有利于表層土壤有機(jī)碳的累積。

表3 土壤有機(jī)碳與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlations between soil organic carbon and soil chemical properties

水青岡林地土壤容重和總孔隙度的變化范圍分別為0.71～1.05 g/cm3和54.58%～73.16%，0～20 cm土層其值與其他土層差異顯著。這主要是因?yàn)楸韺痈蛋l(fā)達(dá)、土壤有機(jī)碳含量高，有利于土壤團(tuán)聚體的形成。在整個(gè)土壤剖面，土壤容重隨土層深度增加而增加，土壤總孔隙度變化趨勢(shì)則相反，這與很多研究報(bào)道結(jié)果一致[33-35]。水青岡林地各級(jí)粒徑土壤顆粒含量從大到小的排列順序?yàn)樯傲＃?3.51%）＞粉粒（29.93%）＞粘粒（16.56%），土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。水青岡林地不同土層土壤pH值的平均值為4.16，且土層之間變幅很小；速效氮、速效磷和速效鉀養(yǎng)分含量的平均值分別為309.48 mg/kg、1.61 mg/kg和40.81 mg/kg，其隨土層深度的變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度相似，同樣表現(xiàn)出明顯的表聚性。

水青岡林地土壤有機(jī)碳含量和土壤有機(jī)碳密度之間呈極顯著正相關(guān)。土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與傅華等[32]、張鵬等[36]和祖元?jiǎng)偟萚37]的研究結(jié)論一致，但李丹等[38]的研究結(jié)論相反。傅華等[32]研究發(fā)現(xiàn)阿拉善不同草地類型0～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量與＜0.05 mm顆粒含量呈極顯著正相關(guān)，本研究調(diào)查的林地土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度與土壤粉粒（0.05～0.002 mm）呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，而與土壤粘粒（＜0.002 mm）含量呈顯著負(fù)相關(guān)。史錕和陳卓[3]的調(diào)查結(jié)果表明土壤機(jī)械組成與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系，松樹林和玉米田土壤有機(jī)碳分別與土壤粉粒和砂粒的相關(guān)性最大，與粘粒含量相關(guān)性最小。趙東和高喜榮[31]調(diào)查黃河小浪底庫區(qū)不同恢復(fù)階段土壤機(jī)械組成及碳庫發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量與土壤粘粒呈顯著正相關(guān)。鄧艷林等[39]研究發(fā)現(xiàn)杉、松、竹三類林地土壤黏粒、粉粒、砂粒含量與有機(jī)碳含量相關(guān)性不顯著。水青岡林地土壤有機(jī)碳含量和土壤有機(jī)碳密度與土壤總孔隙度、速效氮、速效磷和速效鉀呈顯著正相關(guān)，這與祖元?jiǎng)偟萚37]的研究結(jié)論一致?？梢?，研究區(qū)域不同土壤有機(jī)碳的影響因素不同，主要是因?yàn)樗疅釥顩r、植被類型和土壤條件等存在差異。此外，不同學(xué)者研究方法比如調(diào)查的土壤深度、土壤顆粒分級(jí)等也不同。就本研究區(qū)域而言，水青岡林地土壤有機(jī)碳主要受土壤物理性質(zhì)中土壤總孔隙度和粘粒含量的影響，且與土壤化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。pH值、粘粒含量、總孔隙度、速效氮等與有機(jī)碳關(guān)系密切，可以用于預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳的變化。