東江中下游流域森林土壤有機(jī)碳空間分布特征研究*

孫冬曉 康 劍，2 張中瑞 曲 仡 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.中國科學(xué)院華南植物園，廣東廣州 510650）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林土壤在維系全球生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用[1]。森林土壤有機(jī)碳是森林生態(tài)系統(tǒng)中能夠直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植物根系吸收的礦質(zhì)營養(yǎng)成分[2]，是森林土壤肥力的重要組成部分，是衡量森林土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]，土壤有機(jī)碳主要來源于各類植物凋落物、死亡植物體及根系，能為植物生長提供所需要的養(yǎng)分，對土壤物理化學(xué)性質(zhì)有重要影響，在土壤保肥能力、促進(jìn)植物生長、提高林業(yè)生產(chǎn)等方面有重要影響[4-5]。

摸清東江中下游流域土壤有機(jī)碳空間分布狀況，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，可為東江中下游流域林區(qū)合理施肥、精準(zhǔn)提高質(zhì)量、宏觀經(jīng)營決策、可持續(xù)利用森林與環(huán)境資源等提供理論依據(jù)[6-7]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東江中下游流域，以秋香將江、公莊河和西枝江為主，地勢東北高、西南低。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，光照時間長，年均溫20.4 °C 左右。降雨量充足，年平均降水量在1 500～2 400 mm 之間，西南多、東北少，具有明顯的干濕季節(jié)。地表出露地層主要為花崗巖、砂頁巖和紫紅色砂巖及其上發(fā)育的數(shù)十至數(shù)百米的紅色風(fēng)化殼。成土母質(zhì)以花崗巖和砂頁巖為主，土壤類型主要是地帶性土壤，包括赤紅壤、山地紅壤和山地黃壤[8-9]。流域內(nèi)植被屬于亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林和南亞熱帶草被以及人工營造的針葉林，常年青綠。河岸帶植物物種多樣性豐富，植被以禾本科、菊科、蝶形花科、莎草科為主要組成成分[10]。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)

本次研究采取隨機(jī)布點(diǎn)與專題布點(diǎn)相結(jié)合的方法，在東江中下游流域總共布設(shè)土壤采樣點(diǎn)192個，如圖1 所示，分布于惠州市惠城區(qū)、博羅縣、惠東縣、龍門縣。其中專題布點(diǎn)104 個，隨機(jī)布點(diǎn)88 個。專題布點(diǎn)使得土壤樣點(diǎn)能夠代表研究區(qū)范圍內(nèi)不同地形地貌、水文、植被條件下的土壤狀況，隨機(jī)布點(diǎn)是在專題布點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使得布設(shè)樣點(diǎn)在研究區(qū)域范圍內(nèi)均勻分布。

圖1 東江中下游流域森林土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig. 1 Layout of forest soil samples in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

1.3 樣品采集與化驗(yàn)

2021 年7—8 月，在樣點(diǎn)預(yù)設(shè)點(diǎn)位附近選取選取土壤發(fā)育條件比較穩(wěn)定的位置，去除土壤表面凋落物。按照《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(LY/T 2250-2014)森林土壤調(diào)查技術(shù)規(guī)程[11]，挖掘3 個寬60 cm 深80 cm 的土壤剖面，用剖面刀自上而下進(jìn)行修整，保證土壤剖面垂直、光滑且露出土壤的自然結(jié)構(gòu)。將土壤剖面分為4 層，包括D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），由下至上分層取樣，每個樣品500g，做好剖面記錄。采集好的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，放置于通風(fēng)、陰涼的地方攤開。自然風(fēng)干后，剔除粗枝落葉、根系和碎石，磨細(xì)后過篩，孔徑分別為3 mm、2 mm 和0.25 mm，保存于封口袋中。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法（LY/T 1232—2015）對土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行測定[12-13]。

1.4 分析方法

使用Excel 2010 與SPSS 19 對東江中下游流域森林土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，繪制4個土壤層之間土壤有機(jī)碳含量的差異性分析箱線圖，分析個土壤層之間有機(jī)碳含量的數(shù)據(jù)離散程度。運(yùn)用ArcGIS 10.3，生產(chǎn)4 個土壤層有機(jī)碳含量的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林土壤層有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)

東江中下游流域森林土壤分為4 個土壤層，由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4 土壤層，不同土壤層有機(jī)碳含量的描述性統(tǒng)計(jì)如表1 所示。4 個土壤層有機(jī)碳含量的平均值、最大值和中位數(shù)由表層至深層均依次降低，其中平均值在D1～D4土壤層分別為13.817 g/kg、8.464 g/kg、6.538 g/kg和5.476 g/kg。有機(jī)碳含量的最小值，在D1 土壤層為0.706 g/kg，D2～D4 土壤層含量逐漸減少。標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差由D1～D4 土壤層逐漸降低，其中標(biāo)準(zhǔn)誤差D1～D4 土壤層依次為0.441 g/kg、0.270 g/kg、0.213 g/kg 和0.197 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差D1～D4 土壤層依次為6.109 g/kg、3.746 g/kg、2.954 g/kg 和2.730 g/kg，表明由表層至深層土壤有機(jī)碳含量變化趨于穩(wěn)定。D1～D4 土壤層的峰度值和偏度值顯示，4 個土壤層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布，其中D1 土壤層的偏度和峰度值最低，分別為1.282 和3.653。

表1 東江中下游流域森林土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistical table of forest soil organic carbon content in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.2 不同森林土壤層有機(jī)碳含量對比分析

東江中下游流域森林土壤4 個土壤層有機(jī)碳含量箱線圖如圖2 所示。箱線圖顯示，D1～D4 各土壤層之間有機(jī)碳含量均存在顯著差異，其中D1與D2、D3、D4 土壤層，D2 與D3、D4 土壤層之間的差異性高于D3 與D4 土壤層。有機(jī)碳含量的平均水平在D1 土壤層達(dá)到最高，D2、D3、D4 土壤層逐漸降低。離散程度與平均水平的變化趨勢一致，由D1～D4 土壤層，隨土壤層的加深，離散程度逐漸降低，空間變異性逐漸降低。由上可知，各土壤層之間有機(jī)碳含量均存在顯著性差異，表層土壤有機(jī)碳含量的平均水平及離散程度高于其他土壤層，且隨土壤層深度的增加，有機(jī)碳含量逐漸降低，離散程度逐漸減小，空間變異性逐漸減弱。

圖2 東江中下游流域森林土壤有機(jī)碳含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of soil organic carbon content in forest soil in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.3 各森林土壤層有機(jī)碳含量空間分布特征

東江中下游流域森林土壤4 個土壤層有機(jī)碳含量空間分布如圖3 所示，D1、D2、D3 和D4 土壤層有機(jī)碳含量分別主要分布于0.71～42.07 g/kg、2.21～25.87 g/kg、1.48～22.36 g/kg 和1.25～21.37 g/kg 之間。從水平方向上看，4 個土壤層有機(jī)碳含量的空間分布整體上均呈現(xiàn)西部高東部低的變化趨勢，其中D1 土壤層在流域的東西兩側(cè)土壤有機(jī)碳含量差異大于其他土壤層，存在明顯的空間分布差異。從垂直方向上看，D1～D4 土壤層有機(jī)碳含量整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢；在東江中下游流域東側(cè)，D1 到D2 土壤層、D3 到D4 土壤層有機(jī)碳含量存在略微的增加，考慮是有機(jī)碳在不同土壤層發(fā)生淋溶作用產(chǎn)生的結(jié)果。

圖3 東江中下游流域不同土壤層森林土壤有機(jī)碳含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content in forests of different soil layers in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

3 結(jié)論與討論

3.1 東江中下游流域森林土壤由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4 層，D1～D4 土壤層的平均值分別為13.817 g/kg、8.464 g/kg、6.538 g/kg 和

5.476 g/kg。4 個土壤層有機(jī)碳含量的平均值、最大值和中位數(shù)由表層至深層均呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，其中標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差表明由表層至深層土壤有機(jī)碳含量變化趨于穩(wěn)定。

3.2 D1～D4 各森林土壤層之間有機(jī)碳含量均存在顯著差異，其中D1 與D2、D3、D4 土壤層，D2與D3、D4 土壤層之間的差異性相對高，D3 與D4土壤層之間的差異性相對低。D1 土壤層有機(jī)碳含量的平均水平及離散程度均高于其他3 個土壤層，且隨土壤層的加深，有機(jī)碳含量的平均水平逐漸降低，離散程度逐漸減小，空間變異性逐漸減弱。

3.3 東江中下游流域森林土壤4 個土壤層（D1、D2、D3 和D4）有機(jī)碳含量主要分布于0.71～42.07 g/kg、2.21～25.87 g/kg、1.48～22.36 g/kg和1.25～21.37 g/kg 之間。水平方向上，4 個土壤層有機(jī)碳含量的空間分布整體上均呈現(xiàn)西部高東部低的變化趨勢。垂直方向上，D1～D4 土壤層有機(jī)碳含量整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢。局部地區(qū)表現(xiàn)出有機(jī)碳含量在淺層土壤含量低、深層土壤含量高的現(xiàn)象，考慮是有機(jī)碳在不同土壤層發(fā)生淋溶作用產(chǎn)生的結(jié)果[5]。

3.4 通過對不同森林土壤層有機(jī)碳含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、對比分析和空間作圖，結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的一致性，即D1～D4 土壤層隨土壤深度的增加，有機(jī)碳含量整體降低，空間變異性逐漸減小，與鄧小軍等[14]對亞熱帶廣西山地紅壤區(qū)域的研究結(jié)果一致，主要是由于枯枝落葉和土壤動物、微生物主要處于土壤表層，同時表層土壤通氣、濕熱條件優(yōu)于深層土壤，使得有機(jī)碳在表層積累含量高[15]。