粵北不同林分類型土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ)量垂直分布特征研究*

王 洋 何超銀 齊 也 江 瑤,2孫冬曉 趙志明 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）

“碳達(dá)峰、碳中和”是目前全球范圍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，2021 年，中國(guó)政府作出“力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和”的重大戰(zhàn)略決策。眾多研究表明，陸地生態(tài)系統(tǒng)是重要的碳匯，在維持全球碳收支平衡中起著關(guān)鍵的作用[1]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫(kù)，儲(chǔ)存的碳量約占全球陸地碳庫(kù)的3/4[2]。作為土壤的重要組成部分，森林土壤中儲(chǔ)存著全球土壤2/3 以上的有機(jī)碳[3]，對(duì)于有效調(diào)節(jié)碳平衡，實(shí)現(xiàn)雙碳目的具有重要的作用。

森林土壤中有機(jī)碳主要來(lái)自于凋落物和根系，其固碳速率受森林類型、氣候、生境、樹(shù)齡和人為干擾等多種因素的影響[4]。不同類型的森林土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)量可以豐富區(qū)域水平碳匯數(shù)據(jù)資源，為碳循環(huán)研究提供數(shù)據(jù)支撐。研究不同植被的土壤有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量及其相關(guān)規(guī)律成為近年來(lái)的熱點(diǎn)問(wèn)題，已有學(xué)者對(duì)杉木Cunninghamia lanceolata、桉樹(shù)、馬尾松Pinus massoniana、落葉混交林等植被類型下土壤的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究，也有關(guān)于粵北生態(tài)公益林區(qū)杉木林與其它典型林分碳儲(chǔ)量的研究[5-7]，但主要側(cè)重于不同林分和齡組之間碳儲(chǔ)量的差異比較，未揭示不同林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的垂直分布特征。

本文通過(guò)對(duì)粵北3 種林分類型的土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行調(diào)查研究，旨在分析不同林分類型下土壤有機(jī)碳含量及垂直空間分布特征，以豐富區(qū)域水平碳匯數(shù)據(jù)資源，評(píng)估不同林分類型土壤肥力狀況和森林碳匯能力，也為預(yù)測(cè)不同植被森林碳儲(chǔ)量、科學(xué)選擇碳匯樹(shù)種、提升區(qū)域森林碳匯水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

仁化縣隸屬于韶關(guān)市，位于廣東省北部，即粵北地區(qū)。坐標(biāo)為113°75′E，25°09′N，總面積2 223 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為19.9 ℃，年平均降雨量為1 661 mm，無(wú)霜期308天。地貌大體北高南低，地形復(fù)雜，以山地丘陵為主，其中山地約占70%、丘陵約占20%、小平原占10%，總體走向?yàn)闁|南向。仁化縣處赤紅壤地帶，土壤類型復(fù)雜多樣，成土母巖多為花崗巖，小部分為玄武巖，山地丘陵為母巖風(fēng)化形成的赤紅壤，土壤普遍呈酸性。

2 研究方法

2.1 土壤樣點(diǎn)布設(shè)

調(diào)查仁化縣3 種主要林分類型：杉木林、闊葉混交林和針闊混交林的土壤有機(jī)碳含量。采用專題布點(diǎn)和空間隨機(jī)布點(diǎn)相結(jié)合的方式，依據(jù)土壤屬性空間分布預(yù)測(cè)模型質(zhì)量要求，在仁化縣3 種主要林分類型的土壤調(diào)查區(qū)域內(nèi)生成抽樣網(wǎng)格，并進(jìn)行無(wú)人機(jī)踏查及各調(diào)查專題點(diǎn)的高分辨率DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，確定土壤樣點(diǎn)布設(shè)位置及調(diào)查線路[8]，共布設(shè)58 個(gè)樣點(diǎn)，其中杉木林、針闊混交林、闊葉混交林分別布設(shè)27、19、12 個(gè)樣點(diǎn)。

2.2 土壤樣品采集

將布設(shè)樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)定位到林相圖上的地籍小班，借助GPS 找到樣點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)樣點(diǎn)布設(shè)要求信息，如地籍號(hào)、植被類型、坡位、坡向、坡度、坐標(biāo)點(diǎn)等，在誤差允許范圍內(nèi)（所在小班距離樣點(diǎn)坐標(biāo)半徑100 m 內(nèi)）選擇土壤發(fā)育條件穩(wěn)定，沒(méi)有經(jīng)過(guò)挖溝、整修等人為擾動(dòng)的地方，確定剖面點(diǎn)位置，進(jìn)行調(diào)查。

在每個(gè)樣點(diǎn)挖掘3 個(gè)土壤剖面（長(zhǎng)1.2～1.5 m，寬0.8～1.0 m，高1.0～1.2 m），分5 層取樣，由上至下依次為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，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；另在每層均勻采集土壤（不少于500 g），裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

2.3 樣品測(cè)定方法

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[9]，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[10]。

2.4 土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算

土壤碳密度及碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為[6]：

式中：C為一定深度土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Di為第i層土壤容重，g·cm-3；Mi為第i層土壤碳含量，g·kg-1；Hi為第i層土層厚度，cm；n為土層數(shù)。

2.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和匯總，應(yīng)用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用單因素方差分析不同層次土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量的差異，用LSD 法進(jìn)行顯著性多重比較,然后根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查規(guī)定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 3 種林分類型土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征

在0～100 cm 土層深度中，3 種林分類型土壤有機(jī)碳含量介于12.89～14.25 g·kg-1之間（表1），對(duì)應(yīng)土壤肥力III 級(jí)。其中杉木林的有機(jī)碳含量最高，為14.25 g·kg-1，其次為闊葉混交林和針闊混交林，有機(jī)碳含量分別為13.87 g·kg-1、12.89 g·kg-1。對(duì)于同一林分類型來(lái)說(shuō)，0～20 cm 土層有機(jī)碳含量最高，并與其他土層之間差異性顯著，除杉木林80～100 cm 土層有機(jī)碳含量略高于60～80 cm 土層外，其他林分類型各土層有機(jī)碳含量均隨著土層的加深而逐漸降低。

圖1 3 種林分類型土壤有機(jī)碳垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil organic carbon of three stand types

表1 3 種主要林分類型土壤有機(jī)碳含量Tab.1 The state of soil organic carbon on forest land of three stand types

3.2 3 種林分類型土壤碳儲(chǔ)量

由表2 和圖2 可知，3 種林分類型中，杉木林的碳儲(chǔ)量最高，為171.58 t·hm-2，其次為闊葉混交林和針闊混交林，碳儲(chǔ)量分別為163.34 t·hm-2、152.09 t·hm-2。對(duì)于同一林分類型來(lái)說(shuō)，0～20 cm 土層碳儲(chǔ)量最高，約占全部土層碳儲(chǔ)量的25%～30%，并與其他土層之間差異顯著，除杉木林80～100 cm 土層碳儲(chǔ)量略高于60～80 cm 土層外，其他林分類型各土層碳儲(chǔ)量均隨著土層的加深而逐漸降低。

圖2 3 種林分類型不同深度土壤碳儲(chǔ)量Fig.2 Soil organic carbon stock of main stand types among different depth

表2 3 種主要林分類型土壤碳儲(chǔ)量垂直分布特征Tab.2 The vertical distribution of soil carbon density on forest land of three stand types

4 結(jié)論與討論

3 種主要林分類型土壤1 m 剖面內(nèi)，杉木林的有機(jī)碳含量最高，其次為闊葉混交林和針葉混交林，猜測(cè)主要因?yàn)椴煌址诸愋偷臉?shù)種生長(zhǎng)特性不同。杉木人工林在林齡5 a 左右林冠郁閉，5～19 a 期間杉木有大量枯死枝[12]，隨后大量脫落經(jīng)腐殖分解后轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳分布于土壤中，故杉木林有機(jī)碳含量最高。與杉木林相比，闊葉混交林和針闊混交林枯枝落葉較少，且生物多樣性相對(duì)較高。此外，不同林分類型下，森林植被的凋落物、林下植被、根系范圍、土壤微生物生活環(huán)境、人為干擾等一系列因素均會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳的含量產(chǎn)生影響[13]。

本研究3 種林分類型土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的垂直變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為表層即0～20 cm 土壤有機(jī)碳含量最高，且與其他層次土壤差異性顯著。隨著土層深度的加深，土壤有機(jī)碳含量逐漸減少，且變化幅度逐漸減弱。這與前人研究結(jié)果一致[14-15]，這是因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)碳的來(lái)源主要是枯枝落葉、地表凋落物和植物根系，這些枯落物集中分布在表層土壤中，加之此層微生物活動(dòng)及一些生化反應(yīng)活躍，枯落物在腐殖化過(guò)程中釋放的有機(jī)碳進(jìn)入了表層土壤。隨著土層的加深，受到生物和外界環(huán)境的影響逐漸減小，因而深層土壤有機(jī)碳含量較低，且變化幅度逐漸減緩。需要指出的是，杉木林80～100 cm 土層有機(jī)碳含量略高于60～80 cm 土層，這可能因?yàn)樯寄救斯ち质艿饺藶橐蛩馗蓴_較大，部分樣點(diǎn)存在水土流失現(xiàn)象，或受到不同環(huán)境因素的制約，產(chǎn)生了輕微差異。

3 種林分類型中，杉木林土壤1 m 剖面內(nèi)碳儲(chǔ)量最高，其次為闊葉混交林和針葉混交林，這與三者有機(jī)碳含量的變化規(guī)律基本一致。杉木林土壤碳儲(chǔ)量高于其他兩種林分類型的原因可能是杉木林種植密度相對(duì)較大，且枯枝落葉較多，林下凋落物積累量大。另外，杉木林受人為活動(dòng)，如施肥等干擾較大，這都會(huì)對(duì)土壤碳儲(chǔ)量產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于同一林分類型而言，0～20 cm 土層碳儲(chǔ)量最高，約占全部土層碳儲(chǔ)量的25%～30%，并與其他土層之間差異性顯著，除杉木林80～100 cm土層碳儲(chǔ)量略高于60～80 cm 土層外，其他林分類型各土層碳儲(chǔ)量均隨著土層的加深而逐漸降低，這說(shuō)明土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有表聚現(xiàn)象[16]。但不同于以往研究的37%～49%，表層土中碳儲(chǔ)量的比重僅占整個(gè)土壤有機(jī)碳含量的約25%～30%，這可能與研究區(qū)域所處的氣候、降雨和環(huán)境因素有關(guān)，需要進(jìn)行再深入的研究。

本研究對(duì)粵北3 種林分類型土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ)量的垂直分布特征進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ)量的垂直分布具有表聚性，且不同林分類型的碳匯能力表現(xiàn)為杉木林＞闊葉混交林＞針闊混交林。事實(shí)上，除林分類型、土壤深度外，土壤有機(jī)碳含量及碳儲(chǔ)量還受到海拔、林齡、經(jīng)營(yíng)方式等多方面的影響。因本文旨在較大尺度上衡量粵北地區(qū)3 種林分類型的整體有機(jī)碳含量及碳儲(chǔ)量，故綜合了海拔、坡度、坡向、林齡、郁閉度等多方面的因素，選取了各具代表性的樣點(diǎn)。下一步可控制其他干擾因素，研究各因素對(duì)土壤有機(jī)碳和碳儲(chǔ)量分布的影響，為提升森林的碳匯能力提供理論指導(dǎo)。