西江下游流域森林土壤有機(jī)碳空間分布特征*

齊 也 丁曉綱 王 洋 江 瑤,2康 劍,2 孫冬曉 卓桂珠 張中瑞

(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）

隨著碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)確立，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能成為學(xué)術(shù)界與政府關(guān)注的焦點(diǎn)。土壤有機(jī)碳是陸地生物圈中最大的有機(jī)碳庫(kù)[1]，儲(chǔ)量為大氣碳庫(kù)和陸地生物量碳庫(kù)的3倍左右，其波動(dòng)會(huì)造成CO2濃度發(fā)生大幅變化，進(jìn)而影響全球氣候[2]。土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于各類(lèi)植物凋落物、死亡植物體及根系，能為植物生長(zhǎng)提供所需要的養(yǎng)分，有機(jī)碳不僅是評(píng)價(jià)土壤肥力的至關(guān)因素，而且是全球碳循環(huán)的重要組成部分[3]，對(duì)土壤養(yǎng)分供給、土壤理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)改善和減少環(huán)境負(fù)面影響等具有重要作用。

土壤有機(jī)碳的貯存受到溫度、降水和海拔等因素的影響，土壤碳的變化特征與分布格局仍不確定，因此了解森林土壤中有機(jī)碳空間分布特征，揭示土壤有機(jī)碳含量水平及垂直方向上的空間分布特征，對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)的土壤肥力評(píng)價(jià)、森林土壤資源利用、科學(xué)施肥以及土壤源污染防治等具有重要意義[4-7，11]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

西江是華南地區(qū)最長(zhǎng)的河流，珠江水系中最長(zhǎng)的河流，為中國(guó)第三大河流。研究區(qū)域主要位于西江下游流域途徑的江門(mén)市鶴山市、蓬江區(qū)和新會(huì)區(qū)。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季盛行東北季風(fēng)，夏季是西南季風(fēng)，春秋為轉(zhuǎn)換季節(jié)。冬短夏長(zhǎng)，雨量豐沛，光照充足。無(wú)霜期在360 天以上，全年無(wú)雪。年平均氣溫在23 ℃左右，上川島略高。研究區(qū)域內(nèi)森林植被主要以常綠闊葉植物為主；土壤類(lèi)型多為赤紅壤，土質(zhì)肥沃。

圖1 森林土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 The layout of forest soil samples in the lower reaches of Xijiang River Basin

1.2 土壤樣點(diǎn)調(diào)查、采樣方法及指標(biāo)測(cè)定

2021 年7 月，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的森林植被、地形等特征，采取專(zhuān)題布點(diǎn)與隨機(jī)布點(diǎn)相結(jié)合的方法，依據(jù)土壤屬性空間分布預(yù)測(cè)模型質(zhì)量要求，在西江下游流域最終選取121 個(gè)采樣點(diǎn)。選擇植被、地形條件(坡向、坡位等)具有代表性的地點(diǎn)作為剖面點(diǎn)，為保證土壤調(diào)查結(jié)果科學(xué)可靠，在每個(gè)樣點(diǎn)選擇具有代表性的地帶挖掘3 個(gè)剖面，剖面水平間距不小于10 m。取樣時(shí)每個(gè)剖面分D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm）、D5（80～100 cm），共5 層 由 下至上分別全層取樣，每個(gè)樣品不少于500 g；將采集后的樣品進(jìn)行密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行自然風(fēng)干，研磨篩選后制樣，后采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量[8-10]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及制圖

采用Excel2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理計(jì)算，并用R 軟件進(jìn)行可視化，采用SPSS 26.0 軟件對(duì)森林土壤有機(jī)碳的含量描進(jìn)行述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析等，并采用ArcGIS 10.3 軟件繪制空間分布圖進(jìn)行模型預(yù)測(cè)[11-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層森林土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)

西江下游流域森林土壤分為5 個(gè)土層，由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4、D5 層，不同土層有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)如表1 所示。不同土層森林土壤有機(jī)碳含量從大到小依次為D1（15.57±8.40 g/kg）＞D2（11.29±5.73 g/kg）＞D3（10.80±6.64 g/kg）＞D4（10.04±6.42 g/kg）＞D5（9.57±6.53 g/kg），按照土層從高到低，有機(jī)碳含量依次減少。5 個(gè)土層有機(jī)碳含量的平均值和中位數(shù)由表層至深層均依次降低，平均水平最高的D1土層比平均水平最低的D5 土層高出6 g/kg。有機(jī)碳含量的最小值在D4 土層為2.28 g/kg，有機(jī)碳含量的最大值在D1 土層為49.86 g/kg；有機(jī)碳含量在D1 土層的變化最大，最大值和最小值之間相差47.08 g/kg。根據(jù)D1～D5 土層的偏度值顯示，5 個(gè)土層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布；峰度的最大值在D3 土層為7.34，表明D3 土層的土壤數(shù)據(jù)分布最集中；峰度的最小值在D2 土層為4.51，表明D2 土層的土壤數(shù)據(jù)分布最離散。

表1 西江下游流域森林土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of forest soil organic carbon content in the lower reaches of Xijiang River Basin

2.2 不同土層森林土壤有機(jī)碳含量對(duì)比分析

西江下游流域森林土壤4 個(gè)土層有機(jī)碳含量箱線(xiàn)圖如圖2 所示。根據(jù)有機(jī)碳含量箱線(xiàn)圖顯示，D1 與D2～5 土層之間均存在極顯著差異，D2 與D5 土層之間存在顯著差異。有機(jī)碳含量的平均水平在D1 土層達(dá)到最高，D2～5 土層逐漸降低。其余各土層之間的有機(jī)碳含量均不存在顯著差異，空間變異性小，該區(qū)域土壤有機(jī)碳含量相對(duì)穩(wěn)定。由土壤有機(jī)碳含量箱線(xiàn)圖可知，各層樣點(diǎn)數(shù)據(jù)均存在特異值，本研究采用影響系數(shù)法對(duì)特異值進(jìn)行修改。

圖2 西江下游流域森林土壤有機(jī)碳含量箱線(xiàn)圖Fig. 2 Boxplot of forest soil organic carbon content in the lower reaches of Xijiang River

2.3 各土層森林土壤有機(jī)碳含量空間分布特征

通過(guò)處理分析不同土層森林土壤碳含量的數(shù)據(jù)，對(duì)西江中下游流域森林土壤有機(jī)碳含量分布進(jìn)行模型預(yù)測(cè)（圖3），D1、D2、D3、D4 和D5土層有機(jī)碳含量分別主要分布于2.78～49.86 g/kg、2.34～36.9 g/kg、2.58～43.6 g/kg、2.28～34.89 g/kg和2.42～34.74 g/kg 之間。從水平方向上看，D1-D5土層森林土壤有機(jī)碳含量的空間分布整體上均呈現(xiàn)西南部高東北部低的變化趨勢(shì)，其中東南部有部分地區(qū)的有機(jī)碳含量也較高；東部靠近西江流域森林土壤有機(jī)碳含量分布相對(duì)較低，遠(yuǎn)離水系區(qū)域，有機(jī)碳含量分布相對(duì)較高。從垂直方向上看，D1～D5 土層有機(jī)碳含量整體上呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢(shì)，有機(jī)碳含量在D3 土層最高，在D4～D5 層略有下降，考慮是研究區(qū)域內(nèi)土壤理化性質(zhì)對(duì)有機(jī)碳含量的影響，或是由于有機(jī)碳在不同土層發(fā)生淋溶作用產(chǎn)生的結(jié)果。

圖3 西江下游流域不同土層有機(jī)碳含量空間分布Fig.3 Spatial distribution map of organic carbon content in different soil layers in the lower reaches of Xijiang River Basin

3 結(jié)論與討論

西江下游流域森林土壤有機(jī)碳含量在2.28～49.86 g/kg 之間，平均值為11.45 g/kg。土壤有機(jī)碳由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4 和D5，各土層有機(jī)碳含量分別分布于2.78-49.86 g/kg、2.34-36.9 g/kg、2.58-43.6 g/kg、2.28-34.89 g/kg 和2.42-34.74 g/kg 之間。根據(jù)D1～5 土層的偏度值顯示，5 個(gè)土層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布。D1 與D2～5土層之間均存在極顯著差異，D2 與D5 土層之間存在顯著差異。有機(jī)碳含量的平均水平在D1 土層達(dá)到最高，D2～5 土層逐漸降低。其余各土層之間的有機(jī)碳含量均不存在顯著差異，空間變異性小，該區(qū)域土壤有機(jī)碳含量相對(duì)穩(wěn)定。

從水平方向上看，D1～D5 土層森林土壤有機(jī)碳含量的空間分布整體上均呈現(xiàn)西南部高東北部低的變化趨勢(shì)，其中東南部有部分地區(qū)的有機(jī)碳含量也較高；東部靠近西江流域森林土壤有機(jī)碳含量分布相對(duì)較低，遠(yuǎn)離水系區(qū)域，有機(jī)碳含量分布相對(duì)較高。從垂直方向上看，D1～D5 土層有機(jī)碳含量整體上呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢(shì)，有機(jī)碳含量在D3 土層最高，在D4～D5 層略有下降，考慮是研究區(qū)域內(nèi)土壤理化性質(zhì)對(duì)有機(jī)碳含量的影響，或是由于有機(jī)碳在不同土層發(fā)生淋溶作用產(chǎn)生的結(jié)果；隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，尤其在0～40 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量下降速度較快，隨深度的增加逐漸趨緩[13]。在接下來(lái)的研究中應(yīng)進(jìn)一步對(duì)影響土壤有機(jī)碳含量的因素（地形因子、土壤理化性質(zhì)等）進(jìn)行分析[14]，結(jié)合土壤中有機(jī)碳空間分布特征，更好的為我國(guó)森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。