北江流域森林土壤碳養(yǎng)分特征及分布格局*

許窕孜 盧奇鋒 康 劍 何 茜 丁曉綱

（1. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520；2.華南農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642； 3.中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650）

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的關(guān)鍵指標，不僅為植物的生長發(fā)育提供各種營養(yǎng)物質(zhì)，還為保持良好的土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用[1]。森林土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，存儲了陸地生態(tài)系統(tǒng)73 %以上的碳[2]，約占森林生態(tài)系統(tǒng)有機碳庫的2/3[3]，是維持全球碳收支平衡中不可或缺的一部分。土壤有機碳含量和垂直分布是重要的碳庫指標[4]，土壤有機碳主要來自于動植物及微生物的遺體、排泄物及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)，其含量分布受林分特征、地形因子、人類活動等因素的影響，而這些環(huán)境因子和人為因素在區(qū)域上存在較大的空間變異性，因此土壤有機碳含量也隨之存在高度的空間異質(zhì)性[5]。聶浩亮等[6]對海坨山不同林分類型下的土壤有機碳含量和有機碳密度的垂直分布特征進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同林分類型土壤有機碳含量垂直變化趨勢相同：從表層向下逐漸降低，表聚性明顯。張中瑞等[7]探究了梅州市林地土壤有機碳儲量和空間分布特征，研究結(jié)果表明梅州市林地土壤碳含量空間分布格局為東高西低，且隨著土層的加深，有機碳含量呈逐漸減少的變化趨勢。正確評估區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳含量，掌握其空間分布格局和垂直尺度變異特征，是調(diào)整森林碳匯、實現(xiàn)森林生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)[8]。

北江作為珠江水系干流之一，其流域面積很廣，覆蓋了大面積的森林，近年來針對珠江水系土壤有機碳的研究已有不少，包括不同地類的土壤有機碳分布[9]、常綠闊葉林土壤有機碳組分研究[10]、土壤碳儲量及有機碳時空變化規(guī)律[11]等，但關(guān)于其干流北江流域的森林土壤碳養(yǎng)分特征研究還存在空白。因此，本研究以北江流域為研究區(qū)域，通過對其流域面積內(nèi)的森林土壤進行調(diào)查，測定不同土壤層次（0～20 、20～40、40～60 和60～80cm）土壤有機碳含量，探究其碳養(yǎng)分含量特征及空間分布格局，旨在為評估北江流域森林土壤肥力狀況、制定合理的森林經(jīng)營規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持，也為森林碳匯研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北江是珠江流域第二大水系，發(fā)源于江西省贛州市信豐縣石碣大茅坑，主流流經(jīng)廣東省韶關(guān)市、清遠市至佛山市三水區(qū)思賢滘，與西江相通后匯入珠江三角洲。干流長573 km，集水面積52 068 km2，占珠江流域總面積的10.3%。區(qū)域地貌以山地丘陵為主，主要的土壤類型為山地黃壤、紅壤、赤紅壤、石灰土等。北江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L型氣候，季風影響顯著，陽光充足，熱量豐富。大氣環(huán)流隨季節(jié)變化，夏季盛吹東南風和偏南風，冬季常為北風和偏北風。四季的主要特點為春季陰雨，雨日較多；夏季高溫濕熱，水氣含量大，暴雨集中；秋季常有熱雷和臺風雨；冬季低溫，雨量稀少。流域覆蓋森林面積十分廣泛，主要的森林植被類型為常綠闊葉林、落葉闊葉林、山地常綠闊葉林和針葉林等，以殼斗科、樟科、山茶科、木蘭科等為主要科[12]。

1.2 調(diào)查及采樣方法

根據(jù)研究區(qū)森林植被、地形、氣候特征等狀況，采用專題樣點布設(shè)和空間隨機樣點布設(shè)相結(jié)合的方式，依據(jù)土壤屬性空間分布預測模型質(zhì)量要求，在清遠市英德市、清城區(qū)、清新區(qū)、佛岡縣，韶關(guān)市林地土壤調(diào)查區(qū)域內(nèi)生成抽樣網(wǎng)格，并進行無人機踏查及各調(diào)查專題點的高分辨率DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，確定土壤樣點布設(shè)位置及調(diào)查線路[13]，共計174 個樣點，樣點分布如圖1 所示。韶關(guān)市調(diào)查時間為2020 年7—9 月，清遠市為2021 年7—9 月。根據(jù)樣點布設(shè)情況，結(jié)合林相圖的地籍小班號進行現(xiàn)場踏查，在所在樣點坐標半徑100 m 內(nèi)，選取具有代表性的位置挖取剖面。

圖1 研究區(qū)位置及樣點分布Fig. 1 Location and sample distribution of the study area

每個樣點挖取3 個土壤剖面，各剖面水平距離 應(yīng) 大 于10 m。 每 個 剖 面 長1.2～1.5 m， 寬0.8～1.0 m，各剖面每隔20 cm 分層取樣，每個樣點3 個剖面共采集樣品4 層/個×3 個（剖面）=12 份。采集后的土壤樣品用封口袋盛裝，并及時帶回實驗室，風干、過篩后以用于測定土壤有機碳含量。

1.3 指標測定方法

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2021 軟件進行數(shù)據(jù)處理和匯總，用SPSS 25.0 計算Kolmogorov-Smirnov 值以檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布（顯著水平α=0.05），用ArcGis 10.7 進行克里金空間插值[15]計算得到土壤有機碳含量空間分布特征，用R 繪制有機碳箱線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 北江流域森林土壤有機碳描述性統(tǒng)計

北江流域森林土壤有機碳含量狀況如表1。由表可知，該區(qū)域森林土壤有機碳含量在垂直剖面上呈現(xiàn)隨土層加深逐漸降低的規(guī)律，各土層土壤有機碳含量均值不同，其中，0～20 cm 土層有機碳含量（18.91 g·kg-1）約為60～80 cm 土層有機 碳 含 量（9.81 g·kg-1）的 兩 倍，20～40 cm 和40～60 cm 土層有機碳含量介于兩者之間，分別為13.57 g·kg-1和11.40 g·kg-1。就峰度和偏度而言，40～80 cm 土層略高于0～40 cm 土層。各土層土壤有機碳含量變異系數(shù)均屬于中等程度變異，變異程度由大到小依次為60～80 cm（52.85 %）＞46～60 cm（51.06 %）＞20～40 cm（46.48 %）＞0～20 cm（41.80 %）。

表1 北江流域森林土壤有機碳含量Table 1 The status of forest soil organic carbon in Beijiang River Basin

2.2 北江流域森林土壤有機碳含量垂直分布特征

不同土層土壤有機碳含量垂直分布情況如圖2所示，總體規(guī)律表現(xiàn)為有機碳含量隨土層深度加深逐漸降低，0～20 cm 土層土壤有機碳含量顯著高于其它土層（P＜0.05），20～40 cm 土層土壤有機碳含量顯著高于40～60 cm 土層和60～80 cm 土層，并且40～60 cm 土層土壤有機碳含量與60～80 cm土層間也有顯著差異。

圖2 0～80 cm 土層土壤有機碳含量分布Fig. 2 Distribution of soil organic carbon content in 0～80 cm soil layer

2.3 北江流域森林土壤有機碳空間分布格局

北江流域不同土層土壤有機碳含量的空間分布如圖3 所示?？傮w來看，土壤有機碳含量呈現(xiàn)隨土層加深逐漸減少的現(xiàn)象。0～20 cm 土層，北江流域有機碳含量主要分布特征為西高東低、南高北低、中部較高，其中，西部和中部地區(qū)有機碳含量普遍大于19.94 g·kg-1，北部地區(qū)有機碳含量普遍低于14.87 g·kg-1，其他地區(qū)多在14.87～19.94 g·kg-1之間。20～40 cm 土層，北江流域土壤有機碳含量主要呈南高北低、中部較高的現(xiàn)象，南部和中部地區(qū)土壤有機碳含量普遍大于13.92 g·kg-1，北部和東南部地區(qū)土壤有機碳含量普遍低于10.58 g·kg-1，其他地區(qū)多在10.58～13.92 g·kg-1之間。40～60 cm 土層，北江流域土壤有機碳含量總體分布格局為中部高、西高東低、南高北低，其中，中部、南部和西部大部分地區(qū)土壤有機碳含量高于12.54 g·kg-1，北部和東部大部分地區(qū)土壤有機碳含量低于7.09 g·kg-1，其他地區(qū)多在7.09～12.54 g·kg-1之間。60～80 cm 土層，北江流域有機碳含量主要呈現(xiàn)趨勢與40～60 cm 土層相似，西南部絕大部分地區(qū)土壤有機碳含量高于10.76 g·kg-1，其他地區(qū)普遍為7.17～10.76 g·kg-1，僅有北部少部分地區(qū)土壤有機碳含量低于7.17 g·kg-1。

圖3 北江流域土壤有機碳空間分布Fig. 3 Spatial distribution of soil organic carbon in Beijiang River Basin

3 結(jié)論與討論

森林土壤有機碳庫在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力等方面發(fā)揮著重要作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分。北江流域森林土壤有機碳含量在0～80 cm 土層上的變化范圍為9.81～18.91 g·kg-1，而全國土壤有機碳養(yǎng)分的平均水平為11.13 g·kg-1[16]，可見，北江流域表層土壤的有機碳含量較豐富，碳養(yǎng)分充足。研究區(qū)各土層土壤有機碳含量變異系數(shù)范圍為41.80 %～52.85 %，屬中等變異程度，各土層之間土壤有機碳含量變化不大?？傮w而言，北江流域森林土壤有機碳含量在垂直剖面上的分布隨土層深度加深逐漸降低，呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。這與程浩等[17]對武夷山不同海拔高度土壤有機碳含量變化特征的研究結(jié)果一致，胡正超等[18]關(guān)于天山北坡中段土壤有機碳含量的研究結(jié)果也與之相似。其主要原因與地表凋落物的聚集和分解有關(guān)，還與植物根系分布和土壤微生物活動有關(guān)。一方面，植被的凋落物主要聚集在土壤表層，加上表層土壤的溫度、濕度、土壤質(zhì)地等環(huán)境因子會加速凋落物的分解，其分解產(chǎn)物首先在表層累積，腐殖質(zhì)也隨之堆積，隨著土層加深，土壤質(zhì)地更緊實，導致有機質(zhì)等分解產(chǎn)物向深層土壤的輸送有所限制，進而使土壤有機碳含量減少[19]；另一方面，植物根系大量分布在表層土壤，只有部分深根系植物會分布在深層次的土壤中，且土壤微生物因表層土壤的通氣性較好等因素，在表層的活動更加頻繁，加速表層土壤的有機質(zhì)分解[20]。

森林土壤的空間分布格局主要受地形、氣候和土壤條件的影響[21]，其次，森林植被類型、土壤微生物活動等也會對其空間分布造成影響。本研究表明，北江流域森林土壤有機碳含量空間分布格局總體為西高東低、南高北低。這可能是北江流域各林區(qū)的森林植被有所差別，導致植被生產(chǎn)力差異，造成地下和地上生物分配格局不同，進而影響到森林土壤的空間分布格局[22]。其次，還可能是由于流域區(qū)域土壤砂質(zhì)和人為因素的原因，在降雨和微生物的共同作用下，由于土壤滲透性強，土壤有機質(zhì)垂直運輸較快，該地區(qū)的有機碳含量隨深度降低就慢[8]?？梢?，造林樹種的選擇和森林撫育措施通過改變凋落物數(shù)量，進而影響土壤有機質(zhì)分解速率，對森林土壤碳庫造成影響[4]，因此，需采取合理的森林經(jīng)營措施，以提高北江流域森林的固碳能力，提高森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。