清遠(yuǎn)市針葉林土壤有機(jī)碳分布特征*

楊海燕 張亞男 李瑩瑩 康 劍，2張志輝 程長(zhǎng)福 丁曉綱

（1. 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2. 中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；3. 清遠(yuǎn)市龍坪林場(chǎng)，廣東 清遠(yuǎn) 513400）

土壤是森林植被的基礎(chǔ)，為森林植物提供必需的水、肥、氣、熱等生存條件，同時(shí)也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的巨大碳庫(kù)。土壤有機(jī)碳是全球碳循環(huán)的重要組成部分，土壤碳含量和儲(chǔ)量的變化可能對(duì)氣候變化起顯著影響，而碳庫(kù)大小與碳固持能力受林分類型、樹(shù)種組成及經(jīng)營(yíng)管理方式等因素制約。森林生態(tài)系統(tǒng)中植物與土壤相互影響、相互作用，充分了解植被與土壤性質(zhì)之間的相互關(guān)系，是森林培育和森林經(jīng)營(yíng)的基礎(chǔ)[1-2]。

研究表明，大規(guī)模、高密度種植單一人工針葉林，容易造成土壤肥力衰退、生物多樣性下降及生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分周轉(zhuǎn)緩慢等問(wèn)題，最終影響土壤養(yǎng)分積累及林地生產(chǎn)力，營(yíng)造針闊混交林是增加生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善土壤肥力及增強(qiáng)林地養(yǎng)分循環(huán)的重要經(jīng)營(yíng)措施[3-4]。

清遠(yuǎn)市地處廣東省中北部，據(jù)2021 年廣東省森林資源變更調(diào)查報(bào)告顯示，清遠(yuǎn)市森林面積為128.08 萬(wàn)hm2,林地面積為138.95 萬(wàn)hm2,森林覆蓋率為69.72%，蓄積量為8 221.71 萬(wàn)m3，森林覆蓋率在廣東省5 個(gè)北部生態(tài)功能區(qū)中排第4 位，低于韶關(guān)、梅州和河源市。目前關(guān)于林地土壤養(yǎng)分的研究已知清遠(yuǎn)市的英德市、清新區(qū)、清城區(qū)和佛岡縣森林土壤碳、磷、氮的空間分布特征[5-7]，以及鄒祖有[8]、張亞男[9]、鄧智文等[10]針對(duì)清遠(yuǎn)市針闊混交林土壤的氮元素、針葉林土壤的磷和氮元素空間分布特征。本研究以清遠(yuǎn)市針葉林土壤為研究對(duì)象，分析其土壤有機(jī)碳含量分布狀況，探究土壤碳分布規(guī)律，為今后清遠(yuǎn)市針葉林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

廣 東 省 清 遠(yuǎn) 市 位 于111°55′17″～113°55′34″E,23°26′56″～25°11′40″N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫20.7 ℃，最低氣溫為1 月份，最高氣溫為7 月份，年平均日照1 662.2 h，年平均降雨量1 900 mm，每年無(wú)霜期平均為314.4 d。研究區(qū)地勢(shì)自西北向東南傾斜，以山地、丘陵為主，平原分布于北江兩岸的南部地區(qū)[11-12]。

1.2 樣品采集及測(cè)定

根據(jù)研究區(qū)植被、地形和氣候特征，采用專題樣點(diǎn)布設(shè)與空間隨機(jī)樣點(diǎn)布設(shè)相結(jié)合的方法，共布設(shè)樣點(diǎn)134 個(gè)[13]，研究區(qū)樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。各樣點(diǎn)均選擇有代表性地段挖掘3 個(gè)土壤剖面（各剖面間距大于10 m），剖面長(zhǎng)1.2～1.5 m，寬0.8～1 m，深1 m。每個(gè)剖面均從上至下依次采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 的土層樣品，用環(huán)刀在各土層中部采集環(huán)刀土，用于測(cè)定土壤容重，每個(gè)樣點(diǎn)共采樣4 層/個(gè)×3 個(gè)（剖面）=12 份，每份不少于500 g，并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)常溫下風(fēng)干，揀出雜物，磨碎并充分混合，過(guò)100 目尼龍篩后采用重鉻酸鉀氧化法檢測(cè)土壤樣品中的有機(jī)碳含量[14]。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[15]。

圖1 清遠(yuǎn)市針葉林樣點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of coniferous forest sampling points in Qingyuan city

土壤碳密度及碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為[16]：

式中：Si為第i層土壤碳密度，kg/m2；Ci為第i層土壤碳含量，g/kg；ρi為第i層土壤容重，g/cm3；di為第i層土層厚度，cm；A為林分面積，hm2；SC為0～100 cm 土壤總碳密度，kg/m2；TC為土壤總碳儲(chǔ)量，t。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel、SPSS 和ArcGIS10.7 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采樣點(diǎn)坐標(biāo)信息及有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)整理于Excel 中進(jìn)行，在ArcGIS10.7 軟件中加載廣東省矢量化地圖，對(duì)坐標(biāo)信息進(jìn)行添加，生成土壤剖面取樣點(diǎn)分布圖（圖1）。利用SPSS進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，得出相關(guān)指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，樣點(diǎn)數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，可采用空間插值法分析；利用ArcGIS 的地統(tǒng)計(jì)模塊中的普通Kriging 空間插值方法繪制土壤有機(jī)碳空間插值圖[17-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 針葉林土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)

清遠(yuǎn)市針葉林土壤有機(jī)碳含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，由表可知，表層土壤有機(jī)碳含量最高，隨土層厚度增加，有機(jī)碳含量大致呈遞減趨勢(shì)。各土層變異系數(shù)由大到小依次為：60～80 cm（67.15%）、0～20 cm（53.38%）、40～60 cm（51.61%）、20～40 cm（51.11%），60～80 cm 土層離散程度最高，最易受到極端值的影響。

表1 清遠(yuǎn)市針葉林有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Descriptive statistics of organic carbon content in coniferous forests of Qingyuan city

2.2 針葉林土壤有機(jī)碳含量分布特征

利用普通Kriging 空間插值法繪制的清遠(yuǎn)市針葉林土壤各土層有機(jī)碳空間插值圖見(jiàn)圖2。由圖可知，不同土層有機(jī)碳含量不同，隨著土層厚度的增加，有機(jī)碳含量逐漸減小。西北部：0～20 cm 土層有機(jī)碳含量在11.54～16.11 g·kg-1之間，20～40 cm 土 層 為10.07～13.79 g·kg-1，40～60 cm 土層為10.16～12.67 g·kg-1，60～80 cm 土層為9.50～14.07 g·kg-1；中部：0～20 cm 土層有機(jī)碳含量 在10.19～19.85 g·kg-1之 間，20～40 cm 土 層 為5.02～16.36 g·kg-1，40～60 cm 土 層 為8.08～14.92 g·kg-1，60～80 cm 土 層 為3.92～11.40 g·kg-1；東南部：0～20 cm 土層有機(jī)碳 含量在13.44～25.11 g·kg-1之間，20～40 cm 土層為7.08～23.59 g·kg-1，40～60 cm 土層為5.83～12.67 g·kg-1，60～80 cm 土層為7.18～11.40 g·kg-1。

圖2 清遠(yuǎn)市針葉林土壤有機(jī)碳分布Fig. 2 Distribution of soil organic carbon in coniferous forest of Qingyuan city

清遠(yuǎn)市針葉林土壤同一土層不同區(qū)域有機(jī)碳含量存在差異。0～20 cm 土層有機(jī)碳含量自西北至東南呈逐漸增加的趨勢(shì)，西北部在11.54～16.11 g·kg-1之間，中部在10.19～19.85 g·kg-1之間，東南部在13.44～25.11 g·kg-1之間；20～40 cm 土層有機(jī)碳含量自西北至東南呈逐漸增加的趨勢(shì)，西北部在10.07～13.79 g·kg-1之間，中部在5.02～16.36 g·kg-1之間，東南部在7.08～23.59 g·kg-1之間；40～60 cm 土層有機(jī)碳含量自西北至東南呈逐漸先增加后遞減的趨勢(shì)，西北部在10.16～12.67 g·kg-1之間，中部在8.08～14.92 g·kg-1之間，東南部在5.83～12.67 g·kg-1之 間；60～80 cm 土 層 有 機(jī)碳含量自西北至東南呈逐漸遞減趨勢(shì)，西北部在9.50～14.07 g·kg-1之間，中部在3.92～11.40 g·kg-1之間，東南部在7.18～11.40 g·kg-1之間。

3 結(jié)論與討論

本研究主要采用空間插值法探索清遠(yuǎn)市針葉林土壤有機(jī)碳含量的分布狀況，結(jié)果顯示，清遠(yuǎn)市針葉林表層土壤有機(jī)碳含量最高，隨土層厚度增加，有機(jī)碳含量大致呈遞減趨勢(shì)，表層土壤（0～20 cm 土層）有機(jī)碳含量約為13.99 g·kg-1。同一土層不同區(qū)域有機(jī)碳含量存在差異，整體而言，西北部有機(jī)碳含量相對(duì)較低，中部和東南部相對(duì)較高。

土壤有機(jī)碳等養(yǎng)分在空間上通常是連續(xù)變化的，其變化可采用一定的函數(shù)來(lái)表示?？臻g插值法采用變異函數(shù)的計(jì)算方式，通過(guò)已知點(diǎn)的空間信息估計(jì)未知點(diǎn)的空間特征，能夠精確、科學(xué)地反映被研究地區(qū)的土壤養(yǎng)分等特性。有研究指出，空間插值法使用在樣點(diǎn)密度大的地區(qū)，插值精度更好，在樣點(diǎn)稀疏的地區(qū)插值效果較差[18-19]。本研究選擇樣點(diǎn)134 個(gè)，涵蓋了清遠(yuǎn)市全部針葉林林分區(qū)，具有一定的代表性，采用Kriging 空間插值法獲取的研究結(jié)果較為可靠。

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大最活躍的部分，不同的土壤類型，其養(yǎng)分狀況不完全一致，養(yǎng)分的積累和流動(dòng)會(huì)影響到碳元素在土壤中的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致碳儲(chǔ)量在不同土壤類型中有差別。在雨水的沖刷下，土壤上層的有機(jī)碳等養(yǎng)分下滲，使得土壤有機(jī)碳隨著土層深度加深逐漸減少[20-22]。本研究得出的清遠(yuǎn)市針葉林表層土壤有機(jī)碳含量最高，隨土層厚度增加，有機(jī)碳含量大致呈遞減趨勢(shì)，與清遠(yuǎn)市的英德市、清新區(qū)、清城區(qū)和佛岡縣林地土壤分布趨勢(shì)一致[6]，與上述結(jié)論相似。

土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于林分地上部分的凋落物和地下部分的分泌物等。有研究表明，針葉林和常綠闊葉林的土壤有機(jī)碳含量差別很大，杉木林和馬尾松林經(jīng)過(guò)補(bǔ)植套種改造成混交林后，土壤有機(jī)碳含量顯著增加。林分結(jié)構(gòu)通過(guò)影響土壤凋落物、分泌物等的數(shù)量、質(zhì)量和分解速率而改變土壤有機(jī)碳的循環(huán)過(guò)程和含量[22-23]。本研究?jī)H涉及清遠(yuǎn)市針葉林林分，未與其他林分進(jìn)行對(duì)照，今后將增加不同林分土壤有機(jī)碳含量的研究，以期為清遠(yuǎn)市森林經(jīng)營(yíng)管理、土壤質(zhì)量提升等提供參考。