梅州市林地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及空間分布特征*

張中瑞 趙志明 鄧智文 謝鎮(zhèn)東 鄧澤偉 朱航勇

（廣東省林業(yè)科學(xué)研究院/廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510520）

2021 年，中國(guó)政府作出“力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和”的重大決策。陸地碳匯在中國(guó)“雙碳”政策中占有舉足輕重的作用，能夠?yàn)椤疤贾泻汀睉?zhàn)略目標(biāo)中的工業(yè)減排贏得時(shí)間窗口[1]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地上最大的碳儲(chǔ)庫(kù)和碳吸收匯[2]，在陸地碳匯中占據(jù)主導(dǎo)作用。土壤有機(jī)碳是土壤碳儲(chǔ)量的重要組成部分，也反映了土壤肥力狀況，能作為衡量森林土壤質(zhì)量和土壤碳儲(chǔ)量的重要指標(biāo)[3-4]。我國(guó)各類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量存在高度的空間異質(zhì)性[5-6]，對(duì)于森林土壤碳儲(chǔ)量估算難度較大。區(qū)域尺度森林土壤碳儲(chǔ)量研究為廣東省乃至全國(guó)森林土壤碳儲(chǔ)量研究提供了重要參考依據(jù)。

梅州市地處五嶺山脈以南，主要由武夷山脈、蓮花山脈、鳳凰山脈等三列山脈組成，土壤類(lèi)型復(fù)雜多樣，林地面積達(dá)122.38 萬(wàn)hm2，森林資源豐富。然而，目前關(guān)于梅州市森林土壤有機(jī)碳及其空間分布情況尚未可知。因此，本文通過(guò)對(duì)梅州市各區(qū)（縣）林地土壤進(jìn)行研究，旨在分析土壤有機(jī)碳含量狀況及空間分布特征，評(píng)估其土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，以期為梅州市森林土壤肥力狀況和森林碳匯的研究奠定基礎(chǔ)，也為制定合理的森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃、水土保持措施和森林碳匯調(diào)查與監(jiān)測(cè)策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

梅州市位于廣東省東北部，坐標(biāo)介于東經(jīng)115°18′至116°56′，北緯23°23′至24°56′之間，全市行政面積15 868.33 km2。梅州屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是南亞熱帶和中亞熱帶氣候區(qū)的過(guò)渡地帶。梅州市各縣（區(qū)、市）年平均氣溫為20.7～21.5 ℃，氣溫年變化為1 月最低，7 月最高。梅州市地處低緯度地區(qū)，雨水豐富，年平均降雨量最高的豐順縣為1 877 mm，其他縣（區(qū)、市）均在1 534～1 684 mm 之間，雨水豐盈且集中。梅州地處五嶺山脈以南，地勢(shì)北高南低，主要由武夷山脈、蓮花山脈、鳳凰山脈等三列山脈組成。梅州地處赤紅壤地帶，土壤類(lèi)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；平原為河流沖積土、坑廊為谷底沖積土、臺(tái)崗階地為洪積土。全市山地面積占24.3%，丘陵及臺(tái)地、階地面積占56.6%，平原面積占13.7%，河流和水庫(kù)等水面積占5.4%。

2 研究方法

2.1 土壤樣點(diǎn)調(diào)查與樣品采集

采用專(zhuān)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，在梅州市林地土壤調(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(zhuān)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(xiàn)路[7]，共計(jì)1 092 個(gè)樣點(diǎn)。

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(lèi)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。

2.2 樣品測(cè)定方法

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[8]，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[9]。

2.3 土壤碳密度及碳儲(chǔ)量計(jì)算

土壤碳密度及碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為[3,10]：

式中：Si為第i層土壤碳密度，kg/m2；Ci為第i層土壤碳含量，g/kg；ρi為第i 層土壤容重，g/cm3；di為第i層土層厚度，cm；A為林分面積，hm2；SC為0～100 cm 土壤總碳密度，kg/m2；TC為土壤總碳儲(chǔ)量，t。

2.4 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區(qū)（縣）土壤有機(jī)碳含量、碳密度的差異，用LSD 法進(jìn)行顯著性多重比較。把梅州市林地土壤有機(jī)碳含量換算成有機(jī)質(zhì)含量，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)。利用ArcGis 10.7 進(jìn)行克里金空間插值[12-14]計(jì)算得到土壤有機(jī)碳含量空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 梅州市林地土壤有機(jī)碳描述性統(tǒng)計(jì)

梅州市森林土壤有機(jī)碳含量狀況如表1。由表可知，全市森林土壤有機(jī)碳含量的平均值為8.41 g·kg-1，對(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)為Ⅳ級(jí)，土壤肥力為中等。各區(qū)（縣）森林土壤有機(jī)碳含量的平均值由大到小依次為平遠(yuǎn)縣、蕉嶺縣、興寧縣、梅江區(qū)、大埔縣、梅縣區(qū)、豐順縣和五華縣，分別 為10.48 、10.2、9.46、9.19、8.43、8.14、8.11和6.48 g·kg-1，其中平遠(yuǎn)、蕉嶺、興寧、梅江和大埔高于全市的平均水平，梅縣、豐順和五華低于全市的平均水平。各區(qū)（縣）森林土壤有機(jī)碳含量的平均值對(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)均為Ⅳ級(jí)，土壤肥力均為中等。各區(qū)縣土壤養(yǎng)分等級(jí)跨幅較大，從高（Ⅰ級(jí)）到低（Ⅵ級(jí)）都有分布。梅州市各區(qū)（縣）土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)均屬于中等變異程度，其中大埔縣、五華縣的土壤有機(jī)碳含量變化幅度較大，變異系數(shù)分別為77.62%、62.8%，蕉嶺縣的變化幅度較小，變異系數(shù)為29.24%，其它地區(qū)的變異系數(shù)在45%～60%之間。

表1 梅州市林地土壤有機(jī)碳狀況Tab.1 The state of soil organic carbon on forest land in Meizhou city

3.2 梅州市林地土壤碳密度及碳儲(chǔ)量

由表2 可知，梅州市土壤碳密度平均值為120.44 kg·m-2，梅江區(qū)、平遠(yuǎn)縣、蕉嶺縣、興寧縣的土壤碳密度高于全市平均水平，梅縣區(qū)、豐順縣、五華縣的土壤碳密度低于全市平均水平。不同區(qū)（縣）間土壤碳密度差異顯著，平遠(yuǎn)縣、蕉嶺縣的土壤碳密度相對(duì)較高，分別為150.13 kg·m-2、147.28 kg·m-2，五華縣的土壤碳密度顯著低于其它區(qū)（縣）。梅州市各區(qū)（縣）林地土壤碳密度依次為平遠(yuǎn)縣＞蕉嶺縣＞興寧縣＞梅江區(qū)＞大埔縣＞梅縣區(qū)＞豐順縣＞五華縣。

表2 梅州市林地土壤碳密度與碳儲(chǔ)量分布Tab.2 The distribution of soil carbon density and carbon stock on forest land in Meizhou City

梅州市林地土壤總碳儲(chǔ)量為14 316.62 萬(wàn)t，五華縣、豐順縣、大埔縣和梅縣區(qū)土壤碳儲(chǔ)量相對(duì)較高，占全市碳儲(chǔ)量的64.58%，蕉嶺縣和梅江區(qū)的碳儲(chǔ)量相對(duì)較低，碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)比分別為7.56%、3.75%。梅州市各區(qū)（縣）林地土壤碳儲(chǔ)量依次為豐順縣＞大埔縣＞五華縣＞梅縣區(qū)＞興寧縣＞平遠(yuǎn)縣＞蕉嶺縣＞梅江區(qū)。

3.3 梅州市林地土壤有機(jī)碳空間分布格局

梅州市不同土層土壤有機(jī)碳含量的空間分布如圖1 所示。L1 層（0～20 cm），梅州全境有機(jī)碳含量主要呈東高西低變化趨勢(shì)，且隨著土層的加深，有機(jī)碳含量逐漸減少。東部地區(qū)有機(jī)碳含量普遍大于27.2 g·kg-1，西部各地大部分地區(qū)有機(jī)碳含量低于22.8 g·kg-1，其他地區(qū)多在22.8～27.2 g·kg-1之間。L2 層（20～40 cm），梅州全境有機(jī)碳含量主要呈東高西低變化趨勢(shì)。東部地區(qū)有機(jī)碳含量普遍大于20.2 g·kg-1，西部各地大部分地區(qū)有機(jī)碳含量低于14.0 g·kg-1，其他地區(qū)多在14.0～20.2 g·kg-1之間。L3 層（40～60 cm），梅州全境有機(jī)碳含量主要呈東高西低變化趨勢(shì)。東部地區(qū)有機(jī)碳含量普遍大于17.1 g·kg-1，西部各地大部分地區(qū)有機(jī)碳含量低于10.4 g·kg-1，其他地區(qū)多在10.4～17.1 g·kg-1之間。L4 層（60～80 cm），梅州全境有機(jī)碳含量主要呈東高西低變化趨勢(shì)。東部地區(qū)有機(jī)碳含量普遍大于16.9 g·kg-1，西部各地大部分地區(qū)有機(jī)碳含量低于10.4 g·kg-1，其他地區(qū)多在10.4～16.9 g·kg-1之 間。L5 層（80～100 cm）， 梅州全境有機(jī)碳含量主要呈中部高南北低變化趨勢(shì)。中部地區(qū)有機(jī)碳含量普遍大于13.3 g·kg-1，南北部各地大部分地區(qū)有機(jī)碳含量低于8.6 g·kg-1，其他地區(qū)多在8.6～13.3 g·kg-1之間。

圖1 梅州市土壤有機(jī)碳空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil organic carbon on forest land in Meizhou city

4 結(jié)論與討論

梅州市林地土壤有機(jī)碳含量在6.48～10.48 g·kg-1之間，平均值為8.41 g·kg-1，土壤養(yǎng)分等級(jí)為Ⅰ級(jí)～Ⅳ級(jí)。梅州市各區(qū)（縣）土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)為29%～78%，屬中等變異程度，存在較大的差異，表現(xiàn)為平遠(yuǎn)縣＞蕉嶺縣＞興寧縣＞梅江區(qū)＞大埔縣＞梅縣區(qū)＞豐順縣＞五華縣。本研究中梅州市土壤碳密度在92.78～150.13 kg·m-2之間，平均值為120.44 kg·m-2。遠(yuǎn)高于全國(guó)森林土壤有機(jī)碳密度[2]平均水平10.78 kg·m-2。本研究表明，梅州市林地土壤碳含量空間分布格局為東高西地，且隨著土層的加深，有機(jī)碳含量呈逐漸減少的變化趨勢(shì)。森林土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于林分凋落物的分解轉(zhuǎn)化以及礦化分解[3,15]，梅州市東北部地區(qū)地勢(shì)較高，為生態(tài)保護(hù)區(qū)，相比較西南地區(qū)森林群落受人為活動(dòng)影響小，森林凋落物的轉(zhuǎn)化積累較高，一定程度增加了土壤有機(jī)碳來(lái)源，形成了現(xiàn)有的分布格局。

本研究對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的估算結(jié)果表明，梅州市林地土壤總碳儲(chǔ)量為14 316.62 萬(wàn)t，各區(qū)（縣）碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)值依次為豐順縣＞大埔縣＞五華縣＞梅縣區(qū)＞興寧縣＞平遠(yuǎn)縣＞蕉嶺縣＞梅江區(qū)。森林撫育、造林等經(jīng)營(yíng)措施可以直接影響森林碳庫(kù)，能夠通過(guò)改變掉落物數(shù)量、化學(xué)性質(zhì)及分解速率影響森林土壤碳庫(kù)[2]。因此，有必要采取合理的森林經(jīng)營(yíng)模式，包括樹(shù)種選擇、森林撫育和森林采伐等措施以提高梅州市森林的固碳潛力，服務(wù)國(guó)家森林碳匯政策，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。