論析針葉林土壤有機碳分布特征
——以清遠市為例

劉銳邦

（清遠市筆架山林場，廣東 清遠 511500）

0 引言

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其中具有巨大的碳庫對大氣和氣候有重要影響。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對全球碳循環(huán)具有重要作用。森林生態(tài)系統(tǒng)具有固碳能力強、固碳能力大、生態(tài)服務功能突出等特點。全球森林面積和蓄積量分別占全球陸地總面積和總蓄積量的50%和60%以上，森林土壤碳庫約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的70%～80%。近年來隨著全球氣候變暖等問題的出現(xiàn)，森林碳庫研究越來越受到人們的重視。土壤有機碳是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分，其中與森林碳循環(huán)密切相關，研究土壤有機碳含量、空間分布特征及其影響因素對于制定森林經(jīng)營策略、提高森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力具有重要意義。本文研究選取了廣東省清遠市典型針葉林土壤為研究對象，對不同植被類型下的土壤有機碳含量、空間分布特征及其影響因素進行研究，以期為區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究地點

1.1 自然氣候概況

清遠市位于廣東省中部偏北，介于東經(jīng)111°55′17″—113°55′34″，北緯23°26′56″—25°11′40″，南北相距190km，東西相距約20km，邊界線長1200 余km，屬中亞熱帶季風氣候，日照充足，雨量充沛。其年平均氣溫21.4℃，年平均降雨量為1836.6mm，年均無霜期347d。全市地貌可分為山區(qū)、丘陵和平原3 種類型。山地面積約占總面積的78%，以中低山為主；丘陵面積約占21%；平原面積約占11%。

1.2 森林生態(tài)系統(tǒng)

清遠市的森林生態(tài)系統(tǒng)包括常綠闊葉林森林生態(tài)系統(tǒng)、落葉闊葉林森林生態(tài)系統(tǒng)、常綠與落葉闊葉混交林森林生態(tài)系統(tǒng)、針闊混交林森林生態(tài)系統(tǒng)和暖性針葉林森林生態(tài)系統(tǒng)5 種類型，以常綠闊葉林和針闊混交林為主，主要分布在交通不便的邊陲地帶和中部崇山峻嶺狹谷間，多為天然闊葉林和針闊葉混交林，這是全市的主要水源林資源。

常綠闊葉林以殼斗科、樟科、山茶科、金縷梅科科等為主，喬木以紅錐、白錐、木荷、紅潤楠、甜錐及阿丁楓、亮葉猴耳環(huán)和山杜英為多數(shù)。

落葉闊葉林在清遠市保護地分布較少，主要由楓香、圓葉烏桕群落構(gòu)成，層間分布有華南樸、小欒樹、白背葉等，林下分布有四射景天、豺皮樟等。

針闊混交林一般是常綠闊葉林被砍伐后或者人工栽種的馬尾松、杉木等近自然化，形成的混交林，大多由松樹、杉木等針葉林和喜光向陽的闊葉樹種如黧蒴栲、木荷、鴨腳木、楓香等共同構(gòu)成，群落結(jié)構(gòu)簡單，屬于群落演替中的過渡階段。另外，還有部分由華南五針松、南方鐵杉、福建柏、大果馬蹄荷、五列木、甜錐和青岡等組成。

常綠與落葉闊葉混交林在清遠市分布范圍較小，呈現(xiàn)出過渡地帶性，為群落多樣性的一個重要表現(xiàn)，主要由常綠的榕樹、假蘋婆、秋楓、陰香、粗糠柴和落葉的青檀、圓葉烏桕、黃連木、南酸棗、任豆等為優(yōu)勢物種。

暖性針葉林是半自然及人工的植被類型，主要分在保護區(qū)邊緣地帶。多數(shù)是常綠闊葉林遭受破壞后，由人工栽培馬尾松或侵入跡地天然更新生長起來的常綠針葉林，林下灌木既有桃金娘和崗松，又有檵木，充分反映了南亞熱帶與中亞熱帶的過渡特征。此外還有人工栽培的杉木常綠針葉林。人工營林的生態(tài)系統(tǒng)面積較大；松樹適應性廣，耐旱耐瘠，粗生快長，全市各地都有分布，這是一種先鋒常綠針葉林系統(tǒng)。

2 研究方法

2.1 樣點選取

本次研究選根據(jù)研究區(qū)植被、地形和氣候特征，采用專題樣點布設與空間隨機樣點布設相結(jié)合方式，共布設樣點134 個，具體分布如圖1 所示。

圖1 清遠市針葉林樣品分布

樣品采集方法采用人工挖掘法，將土壤樣品取出后在室內(nèi)自然風干，然后將風干的土壤放入塑料袋中保存待用。采用空間代替時間的方法對土壤有機碳含量進行分析，將采集的樣品按5m×5m 的網(wǎng)格進行編號，每個網(wǎng)格面積為1m2，每個樣方設置4 個重復，每個重復設置3 個土壤表層（0～20cm）樣品。完成樣品采集后即用塑料袋分裝好帶回實驗室進行分析。土壤樣品經(jīng)研磨后裝入塑料瓶，放置在烘箱中，在80℃條件下烘干至恒重。完成相關準備工作后，取各土層土樣30g，加入4g 重鉻酸鉀溶液（pH=12）攪拌均勻，再加入25g 氫氧化鈉溶液（pH=12）攪拌均勻后放入塑料瓶中，繼續(xù)振蕩1h，靜置24h 后過濾待用。將過濾液與上清液混合后再用水稀釋至100mL 左右取上清液測定有機碳含量[1]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

在ArcGIS9.2 軟件中利用地圖投影功能將采樣點數(shù)據(jù)投影到0°、30°、60°、90°和120°角下，將采樣點數(shù)據(jù)投影到同一坐標系中。采用ArcGIS9.0 軟件對數(shù)據(jù)進行柵格化，柵格化后的數(shù)據(jù)用DepositionImage 插件進行處理，通過Mapinfo 對不同地形部位（即坡向和坡向）進行分析，根據(jù)采樣點的分布特征繪制地形部位圖，利用GeoHy 對植被類型進行分析，并在ArcGIS 軟件中繪制出不同植被類型的分布圖。利用地統(tǒng)計學中的克立格法、插值法和克里格法計算土壤有機碳密度，通過比較不同地形部位、植被類型和土壤有機碳密度的空間變異情況來分析不同地形部位和土壤有機碳密度的空間分布特征。此外由于土壤有機碳密度與土壤厚度密切相關，因此對不同地形部位、植被類型和土壤有機碳密度的空間變異特征進行研究。在相同地形部位，地形越高，土壤厚度越薄，土壤有機碳密度越?。辉谙嗤脖活愋拖?，植物多樣性指數(shù)較高的區(qū)域其土壤有機碳密度也較大；在相同植物多樣性下，草本覆蓋度較大的區(qū)域其土壤有機碳密度也較大。最后在空間自相關性分析方面主要采用常規(guī)統(tǒng)計分析方法對土壤有機碳密度的空間變異特征進行分析。利用普通Kriging 插值方法對不同地形部位、植被類型和土壤有機碳密度的空間相關性進行研究。以平均絕對誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）為評價標準，對不同地形部位、植被類型和土壤有機碳密度的空間自相關性進行分析[2]。

3 結(jié)果分析

從上述研究方法最后可以判斷出，土壤有機碳含量隨土層深度增加呈指數(shù)函數(shù)遞減，0～20cm 土層有機碳含量最高，20～40cm 次之，＞40cm 最低。不同海拔高度間土壤有機碳含量差異顯著（P＜0.05），海拔600m 處土壤有機碳含量最高，為166.28g/kg。0～20cm 土層有機碳含量與海拔高度呈極顯著負相關（P＜0.01），20～40cm 土層與海拔高度呈極顯著正相關（P＜0.01）。而不同植被類型間土壤有機碳含量差異顯著（P＜0.05），具體表現(xiàn)為闊葉林＞針葉林＞灌叢。從總體來看，針葉林土壤有機碳密度最大為21.26t/hm2，灌叢最小為0.22t/hm2；闊葉林最大為0.35t/hm2；針葉林最小為0.22t/hm2。不同植被類型土壤有機碳值的空間變異性較大。具體表現(xiàn)為闊葉林＞針葉林＞灌叢。具體碳含量描述內(nèi)容如表1 所示。

表1 清遠市針葉林有機碳含量描述統(tǒng)計

3.1 土壤有機碳空間分布概括

結(jié)合清遠市地形以及氣候特點來看，土壤有機碳密度整體呈東南向西北遞減趨勢，其中針葉林、闊葉林和灌叢土壤有機碳密度分別為5.16t/hm2、5.49t/hm2和6.45t/hm2，均屬于較高水平；而海拔600m 處土壤有機碳密度最高，為18.34t/hm2，隨著海拔升高土壤有機碳密度呈遞減趨勢，這與前人研究結(jié)果一致。海拔600m處土壤有機碳密度大于700m 處，原因可能是海拔600m 處為山體的頂部，受重力作用影響較大，而海拔700m 處為山體的中部，受地形限制較小，海拔700～1000m 處為山體的中部，地勢平坦開闊。海拔1000～2000m 處為山體的中部，地勢較高且坡度較緩。可判斷土壤有機碳密度與海拔、坡度呈顯著負相關關系。

3.2 影響因素分析

土壤有機碳是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，直接影響著植物的生長和發(fā)育，進而影響著土壤肥力的形成和發(fā)展。隨著全球氣候變暖，我國的氣溫也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，氣溫的升高必然導致土壤溫度的升高，導致土壤中微生物活性增強，植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)和水分的能力增強，從而導致土壤有機碳含量不斷增加。同時溫度升高也會促進植物根系對養(yǎng)分的吸收，提高了植物體內(nèi)碳含量。隨著全球變暖加劇，溫度每升高1℃，我國每年約有40 萬t 有機碳釋放到大氣中。本研究表明海拔、坡度對土壤有機碳含量有顯著影響，海拔越高土壤有機碳含量越低；坡度對土壤有機碳密度有顯著影響，坡度越大其土壤有機碳密度越大。因此在實際生產(chǎn)中要因地制宜地進行森林經(jīng)營管理。同時應注意適當采伐針葉林地減少養(yǎng)分流失、控制林地水土流失、保護生物多樣性。此外不同森林類型和不同地形部位在相同年份間土壤有機碳庫及其各組成均存在顯著差異。針葉林和闊葉林0～20cm 土層的C/N 比范圍在12～19，均大于灌叢和灌草林0～20cm 土層的C/N 比；針葉林0～20cm 土層C/N 比為10.67～19.97，高于闊葉林和灌叢0～20cm 土層的C/N 比，，針葉林和闊葉林0～20cm 土層的C/N 比均小于灌叢和灌草林[3]。

4 討論

不同植被類型的土壤有機碳含量具有明顯差異，闊葉林、灌叢和針葉林土壤有機碳含量分別為6.36g/kg、5.98g/kg 和5.42g/kg，3 種植被類型土壤有機碳密度分別為10.17g/kg、10.08g/kg 和9.72g/kg，這表明土壤有機碳含量與植被類型有關。各土層有機碳含量均為粘粉粒（0～20cm）＞細砂粒（20～40cm）＞粗砂粒（40～80cm）。隨著土層深度增加，0～20cm 土壤有機碳含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而＞20cm 土壤有機碳含量呈持續(xù)增加的趨勢。在本研究中影響土壤有機碳的因素有很多種，如地形、氣候、土壤類型、植被類型等。在以往的研究中主要是研究某一區(qū)域的森林植被對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響[4]。本研究首次從空間角度研究了廣東省清遠市針葉林土壤碳庫分布特征及影響因素。通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方式獲取了清遠市針葉林土壤理化性質(zhì)和碳庫分布數(shù)據(jù)，分析了清遠市針葉林土壤碳庫的空間分布特征及影響因素。結(jié)果表明：①清遠市針葉林0～20cm 土層的有機碳含量最高（7.47g/kg），20～40cm土層次之（5.92g/kg），＞40cm 土層最低（2.85g/kg）。②清遠市針葉林土壤碳庫密度和空間變異程度均為：闊葉林＞針葉林＞灌叢；針葉林碳庫密度和空間變異程度最大（146.89g/kg）。③不同地形部位的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響存在顯著差異（P＜0.05）；在海拔600m處的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境影響最大（12.26g/kg）。④不同地形部位的土壤碳庫密度和空間變異程度存在顯著差異（P＜0.05），海拔600m 處的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境影響最大（146.89g/kg）。⑤不同植被類型的土壤碳庫密度和空間變異程度存在顯著差異（P＜0.05），闊葉林＞針葉林＞灌叢；在海拔600m 處的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境影響最大（12.26g/kg）。研究結(jié)果可為清遠市乃至廣東省地區(qū)森林植被的科學經(jīng)營管理和碳固存提供理論依據(jù)，同時也為廣東省乃至全國范圍內(nèi)的森林植被恢復和生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，清遠市針葉林土壤有機碳分布具有一定的空間和時間特征。從空間上看，海拔高度和土壤類型對有機碳含量產(chǎn)生顯著影響。高海拔地區(qū)由于氣候條件限制，土壤有機碳含量較低，而中低海拔地區(qū)因為更好的生態(tài)條件，土壤有機碳含量相對較高。不同的土壤類型也會導致有機碳分布的差異。在時間上看，森林演替過程、自然因素和人為活動均對土壤有機碳積累和變化產(chǎn)生影響。因此需要通過全面了解清遠市針葉林土壤有機碳分布特征，采取有效的管理措施，實現(xiàn)土壤有機碳的平衡和增加，促進生物多樣性的保護和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。