基于Kriging插值的連州市森林土壤有機碳含量的空間特征*

程長福 張志輝 康 劍 丁曉綱

（1.廣東省清遠市龍坪林場，廣東 連州513438；2.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；3.中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650）

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的基礎，是動植物生存的必要條件[1-3]。同時，森林土壤又是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，生物殘體進入土壤，經(jīng)過微生物等分解者分解，部分重新釋放到大氣中，一部分分解形成有機碳存儲于土壤中[4-5]。土壤是森林碳庫的重要組成部分，對土壤肥力及碳循環(huán)有著重要的作用[6-7]。因此，明確森林土壤有機碳的空間分布格局，有利于開展更具有針對性的森林經(jīng)營管理措施。

本研究基于全域尺度的森林土壤樣品分層采集，使得土壤更具有代表性。通過測定土壤有機碳含量，基于空間分析等手段，對連州市森林土壤有機碳含量進行分析研究，揭示連州市土壤有機碳的水平、垂直空間格局。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

連州市位于廣東省西北部，小北江的上游。東南毗鄰陽山縣，西南連接連南縣，西北與湖南省藍山、江華縣相連，北與湖南省臨武縣交界，東北臨湖南省宜章縣境。其地理坐標為112°47’～112°07’E， 24°37’～ 25°12’N。主峰天堂嶺，海拔1 712 m。全市地貌類型以山地為主，氣候屬于中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫19.4℃，無霜期306 d，平均年總降雨量1 603 mm。全市有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人口53 萬，林地面積19.13 萬hm2（不含龍坪林場1.1 萬hm2），森林覆蓋率68.21%，活立木蓄積量1 195.95 萬m3[8]。

1.2 樣品采集及有機碳測定

根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，連州市共采集182 個樣點，使得樣點隨機均勻分布在不同地形、地貌、水文、植被狀況的區(qū)域，且對于土壤信息狀況有一定的代表性。選擇樣點內挖剖面，每隔 20 cm 分層取樣，共取3 層分別為0～20 cm（I-F-1）、20～40 cm（I-F-2）、40～60 cm（I-F-3）。將分層采樣的土壤帶回實驗室，風干、過篩后以便后續(xù)分析。后參照《土壤有機碳的測定重鉻酸鉀氧化-分光光度法》HJ 615-2011進行土壤有機碳含量測定[9]。

圖1 連州市林地土壤采樣點分布Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in Lianzhou city

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過Excel 對土壤養(yǎng)分含量進行描述性統(tǒng)計，運用R 進行數(shù)據(jù)分層差異分析。本研究運用Arc-GIS 10.3 軟件對土壤氮元素進行空間克里格插值（Kriging），進而分析連州市林地土壤有機碳空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 連州市森林土壤各層有機碳含量統(tǒng)計分析

調查統(tǒng)計結果表明（表1），連州市森林土壤中表層有機碳含量為4.25～44.86 g/kg，平均值為13.05±7.01 g/kg，差別較大；20～40 cm 的有機碳含量為3.49～38.29 g/kg，平均值為11.81±6.01 g/kg；40～60 cm 的有機碳含量為3.19～38.56 g/kg，平均值為11.30±5.86 g/kg。整體來看，按照土層從高到低，有機碳含量依次減少。

表1 連州市森林土壤各層有機碳統(tǒng)計值 g/kgTable 1 Statistical values of organic carbon in forest soil layers in Lianzhou city

2.2 不同土層土壤有機碳含量差異

結果顯示（圖2），I-F-1 層與I-F-3 層之間土壤有機碳含量有顯著差異（P＜0.05），其它土層之間沒有顯著差異。結果表明，盡管隨著土層深度的增加，有機碳含量在減少，但其減少幅度不明顯，土層間的差異不顯著。

圖2 連州市森林土壤不同土層有機碳含量差異Fig. 2 Difference of organic carbon content in different soil layers of forest soil in Lianzhou city

2.3 土壤有機碳各層含量空間分布特征

結果顯示（圖3），連州市森林表層土有機碳含量空間差異顯著，市域內整體呈現(xiàn)南高北低的分布格局。在東南部區(qū)域出現(xiàn)高值區(qū)域，最大值44.86 g/kg，I-F-2 層土有機碳含量空間差異顯著，市域內整體呈現(xiàn)南高北低的分布格局。在東南部區(qū)域出現(xiàn)高值區(qū)域，低值區(qū)域主要集中在中北地區(qū)。有機碳含量在第三層土壤中仍存在空間差異，主要表現(xiàn)為東南部高，其余區(qū)域中低水平的分布格局。從第一層到第三層，高值區(qū)域的范圍不斷縮小。

圖3 連州市森林土層有機碳空間分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of organic carbon in the forest soil layer of Lianzhou city

3 討論與結論

研究結果顯示，連州市土壤有機碳在水平和垂直尺度均存在明顯的空間差異。隨著土層的加深，有機碳含量降低，這一結果與類似研究的結果相一致[10-11]。隨著土層的加深，土壤有機質的輸入量、積累量不斷減少，再加上氧氣含量的降低，有機質分解減緩，因此，有機碳含量較低[12-13]。而表層土可以更快的接收來自森林的凋落產物，在水分、氧氣充足的條件下，微生物活性增強，分解產量增加[14]。

從水平層面看，有機碳分布顯示明顯的北低南高分布格局?？赡苁且驗檫B州市北部主要分布連江及其支流，土壤含水率較高。有研究表明，土壤含水率與土壤有機碳含量密切相關，高含水率土壤不利于有機碳存儲[15-16]。而連州市南部，尤其是東南地區(qū)，是龍坪林場所在區(qū)域，林場林分密度大，且山地較多，森林生物量豐富，有機碳的來源更為廣泛。

綜上所述，連州市森林土壤有機碳含量在空間上存在明顯差異，隨著土層的加深，土壤有機碳含量降低。連州市東南部是有機碳的高值區(qū)域，中北部地區(qū)含量較低。