滇中4種典型公益林土壤活性有機碳分布特征

摘 要：【目的】云南省闊葉林面積遠低于針葉林，闊葉林的生態(tài)功能沒有得到充分重視，因此探究滇中地區(qū)不同公益林土壤活性有機碳空間分布特征和碳儲量，為西南山地森林土壤碳匯管理以及生態(tài)效益評估提供參考依據(jù)?！痉椒ā恳缘嶂械貐^(qū)4種主要林分（旱冬瓜、元江栲、錐連櫟和云南松）為研究對象，分析土壤有機碳、DOC、ROC、MBC含量和碳儲量在不同坡向0～60 cm土層的分布狀況，以及土壤活性有機碳與土壤基本性質(zhì)之間的相互影響。【結(jié)果】1）研究區(qū)3種闊葉樹種土壤活性有機碳含量、碳儲量在不同坡向上表現(xiàn)為陰坡>陽坡；土壤活性有機碳含量、碳儲量具有明顯的表聚現(xiàn)象，均隨土層加深呈下降趨勢；2）元江栲林各坡向0～20 cm土層的SOC、DOC和MBC含量顯著高于其余3種林分（P<0.05），而ROC含量均值的最大值則出現(xiàn)在旱冬瓜林；3）4種林分土壤碳儲量陰坡為116.37～327.10 t·hm-2，陽坡為97.49～263.81 t·hm-2，元江栲林固碳能力最佳，營造人工林或碳匯林可適當(dāng)考慮增加該樹種；4）4種林分SOC與DOC、ROC、MBC兩兩之間均呈正相關(guān)，3種闊葉林土壤活性有機碳含量與TP呈顯著正相關(guān)（P<0.05），在今后森林培育過程中可補充磷肥以促進其生長發(fā)育?！窘Y(jié)論】滇中地區(qū)土壤活性有機碳分布受樹種影響顯著，研究區(qū)內(nèi)元江栲林土壤固碳能力最佳，今后建設(shè)碳匯林或公益林時可優(yōu)先考慮選擇闊葉樹種元江栲。

關(guān)鍵詞：土壤；碳組分；碳儲量；垂直變化；公益林

中圖分類號：S714 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-923X（2025）02-0185-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（31460191）。

Distribution pattern of labile organic carbon in soil of four representative public welfare forests in central Yunnan

WU Sizhenga， LI Xiaoyinga， WANG Yiwena， CHEN Xiaoqina， ZHU Tengdab

（a.College of Soil and Water Conservation； b. Southwest Forestry University， College of Ecology and Environment， Kunming 650224， Yunnan， China）

Abstract：【Objective】In Yunnan Province， the area of coniferous forest is far more than that of broad-leaved forest， and the ecological function of broad-leaved forest has not been fully paid attention to. Therefore， to explore the spatial distribution characteristics and carbon storage of soil active organic carbon in different welfare forests in central Yunnan， and provide reference for soil carbon sink management and ecological benefit assessment of forest in southwest China.【Method】The study analyzed the vertical distribution traits of SOC， DOC， ROC and MBC in the 0-60 cm soil layers of four main stands in central Yunnan （Alnus nepalensis， Castanopsis concolor， Quercus franchetii， and Pinus yunnanensis）， as well as their association with soil physical and chemical characteristics.【Result】1） Soil active organic carbon content and carbon storage of the three broad-leaved tree species in the study area showed that the negative slope was higher than the positive slope. Soil active organic carbon content and carbon storage showed the phenomenon of surface enrichment， and both showed a downward trend with the deepening of soil layer； 2） SOC， DOC and MBC contents in 0-20 cm soil layers of Castanopsis concolor stand were significantly higher than those of the other three stands （P<0.05）， while the maximum of ROC content was found in the Alnus nepalensis stand； 3） The soil carbon storage of the four forest species ranged from 116.37 to 327.10 t·hm-2 on the negative slope and 97.49 to 263.81 t·hm-2 on the positive slope. The carbon sequestration capacity of Castanopsis concolor was the best； 4） Four forest SOC and DOC， ROC， MBC was a positive correlation between the two. Soil active organic carbon content of the three broad-leaved forests was significantly positively correlated with TP （P < 0.05）， and phosphorus fertilizer could be added to promote the growth and development of the forests in the future.【Conclusion】The distribution of labile organic carbon in soil profiles in central Yunnan was found to be significantly influenced by tree species， with the soil carbon sequestration capacity of Castanopsis concolor forest in the study area being the highest. In the future， Castanopsis concolor， a broad-leaved tree species， can be given priority in the construction of carbon sink forests or public welfare forests.

Keywords： soil； carbon component； carbon storage； vertical variation； public welfare forest

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳貯存能力最強的部分，通過對溫室氣體（CO2）的吸收和固定在全球碳循環(huán)的優(yōu)化和溫室效應(yīng)的控制中起到關(guān)鍵作用。同時森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中碳存儲的重要一環(huán)，其碳儲量占陸地土壤碳庫的49.4%[1]，土壤有機碳（SOC）的穩(wěn)定決定著大氣中CO2的濃度，進而影響全球氣候變暖。公益林是指公益性、社會性的森林，承擔(dān)著水土保持、水資源保護和生態(tài)系統(tǒng)改善等重要功能，其蓄積約占中國森林蓄積總量的67%[2]，對維持生態(tài)系統(tǒng)碳平衡具有重要作用。闊葉林較針葉林擁有更大的冠層和更厚的枯落物層，對大氣降水截留、減緩地表徑流的同時還營造了潮濕的林下環(huán)境，使微生物環(huán)境得到進一步改善。而針葉林因缺少林冠庇護導(dǎo)致林下生物多樣性低，枯落物蓄積量少且部分樹種分泌的油脂容易引發(fā)森林火災(zāi)。

在各類森林植被類型中，凋落物的性質(zhì)和根系相關(guān)微生物群落的構(gòu)成與數(shù)量表現(xiàn)出異質(zhì)性，直接影響土壤有機碳的輸入速率及循環(huán)過程，進而改變土壤微環(huán)境，最終造成不同植被覆蓋下土壤活性有機碳含量呈現(xiàn)出明顯差異[3]。土壤活性有機碳含量較少，但周轉(zhuǎn)快、活性高，可直接參與土壤生物的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，能較快地反映土壤有機質(zhì)的變化，因此常用作衡量土壤碳庫變化的指標(biāo)[4]，包括可溶性碳（DOC）、微生物量碳（MBC）和易氧化有機碳（ROC）等。于法展等[5]在研究廬山流域不同林分類型時發(fā)現(xiàn)闊葉林的活性碳組分含量極顯著高于針葉林（P<0.01）；李若南等[6]研究發(fā)現(xiàn)闊葉天然林向杉木林轉(zhuǎn)換后，表層SOC含量降低了39.66%，0～100 cm土壤碳儲量降低了17.56%，森林轉(zhuǎn)換是造成土壤有機碳流失及其穩(wěn)定性下降的主要原因；盛浩等[7]研究亞熱帶山區(qū)天然常綠闊葉林改為木荷杉木人工林后，土壤CO2排放量分別下降了47%。因此，林分的改變對SOC含量及其穩(wěn)定性的影響不完全一致，為了評價不同森林對土壤碳匯的影響，有必要研究不同林分土壤有機碳組分特征。

云南省保留的針葉林面積達680.2萬hm2，占全省有林面積的73.8%，遠高于闊葉林（241.1萬hm2）[8]，過去闊葉樹種被當(dāng)作薪炭用材林遭到大量破壞，碎片化問題日益嚴(yán)重且生態(tài)效益沒有得到充分重視。云南松Pinus yunnanensis作為西南地區(qū)主要的針葉樹種，具有生長快、耐干旱的特點，是山地造林的先鋒樹種[9]，也是云南主要的用材樹種；元江栲Castanopsis concolor為殼斗科錐屬常綠闊葉喬木，對滇中山地的水土保持具有重要作用[10]；錐連櫟Quercus franchetii為殼斗科櫟屬硬葉常綠闊葉喬木，對干熱生態(tài)環(huán)境具有指示作用[11]；旱冬瓜Alnus nepalensis為樺木科榿木屬落葉喬木，生長快、適應(yīng)能力強，是西南地區(qū)山地綠化的優(yōu)良樹種[12]。滇中地區(qū)是我國重要的公益林建設(shè)區(qū)，然而目前關(guān)于該區(qū)域公益林的研究集中在物種多樣性[13]和土壤養(yǎng)分[14]等方面，對不同公益林林分的碳匯貢獻尤其是土壤活性有機碳的相關(guān)研究比較薄弱。因此，本研究以云南省玉溪地區(qū)的旱冬瓜林、元江栲林、錐連櫟林和云南松林為對象，探究4種林分類型在不同坡向0～60 cm土層土壤活性有機碳及碳儲量的分布特征，以期為該地區(qū)公益林土壤碳匯管理以及人工林營造樹種選擇提供參考依據(jù)，為探究西南山地森林土壤的碳儲存潛力提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省中部玉溪市，其典型公益林分布區(qū)域（23°19′～24°53′N、101°16′～103°09′E），屬于亞熱帶氣候區(qū)，分干濕兩季，年均降水量為856.9 mm，年均日照數(shù)為2 115～2 285 h，年均溫為16.3 ℃。地形以山地丘陵為主，海拔集中在1 300～2 200 m。土壤以黃壤為主，土層淺薄，約40～50 cm，呈酸性或弱酸性。植被以人工次生林為主，主要有云南松、元江栲、錐連櫟、旱冬瓜等；由于惡劣的自然條件，陽坡錐連櫟林分常表現(xiàn)為萌生灌叢。4種林分林下零星分布著斑鳩菊Vernonia esculenta、小鐵仔Myrsine africana、華西小石積Osteomeles schwerinae和清香木Pistacia weinmannifolia等灌木，以及紫莖澤蘭Ageratina adenophora、沿階草Ophiopogon bodinieri、求米草Oplismenus undulatifolius和漿果薹草Carex baccans等草本。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2023年7月，在云南省中部的峨山、易門、澄江、新平4個縣（市），選擇具有代表性的云南松、元江栲、錐連櫟、旱冬瓜4種林分，每種林分在空間距離>1 km的陰、陽坡向分別設(shè)置3塊空間距離>50 m的重復(fù)樣地，面積均為10 m×10 m，共24塊樣地。調(diào)查并記錄每塊樣地的郁閉度、胸徑、樹高與林分密度等林分因子。研究樣地的基本概況見表1。

土壤剖面需在每塊樣地按照對角線方向挖掘3個采樣點，去除表面枯落物層避免影響土壤樣品，從表層按0～20、20～40和40～60 cm取樣，部分樣地因土層淺薄只采集到40 cm深。將每塊樣地采集的土樣分層混合并密封，帶回實驗室經(jīng)自然風(fēng)干，分別過1.00 mm和0.25 mm孔徑篩后用于測定化學(xué)性質(zhì)。同時，在每個土層取3個重復(fù)環(huán)刀土樣，用于測定土壤物理性質(zhì)。

1.3 樣品測定與方法

土壤容重、孔隙度、持水量等指標(biāo)采用環(huán)刀法測定；土壤含水量采用烘干法測定；土壤礫石含量通過濕篩法測定，以>2 mm的石礫質(zhì)量與土壤總質(zhì)量的比值進行計算[15]；土壤pH按土水比1∶2.5用pH計測定[14]；SOC采用外加熱-K2Cr2O7氧化法進行測定[16]；DOC采用FeSO4浸提法進行測定[17]；ROC采用KMnO4氧化法（分光光度計）測定[18]；MBC采用氯仿熏蒸浸提法測定[19]。試驗樣品每個重復(fù)3次，且均做空白試驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021軟件對數(shù)據(jù)進行初步處理，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差（One-way ANOVA）分析和Pearson相關(guān)性分析，并運用LSD法進行多重比較（P<0.05，t檢驗）。采用Origin 2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同公益林土壤活性有機碳含量分布特征

如表2所示，林分類型、坡向和土層極顯著影響SOC、DOC、ROC、MBC含量（P<0.01）；林分類型與坡向的交疊效應(yīng)極顯著影響SOC、ROC、MBC含量；林分類型與土層的交疊效應(yīng)極顯著影響SOC、DOC、ROC、MBC含量；坡向和土層的交疊效應(yīng)僅對DOC含量有極顯著影響；而三者的交疊效應(yīng)僅對DOC含量有極顯著影響。

如圖1所示，4種林分SOC及其組分含量均隨土層深度增加呈降低趨勢。3種闊葉林各坡向0～20 cm土層SOC、DOC、ROC含量顯著高于20～40 cm、40～60 cm土層（P<0.05），SOC、DOC、ROC、MBC含量均值表現(xiàn)為陰坡>陽坡（除錐連櫟林DOC含量均值表現(xiàn)為陽坡>陰坡外）。云南松林SOC含量均值表現(xiàn)為陽坡>陰坡， DOC、ROC、MBC含量均值表現(xiàn)為陰坡>陽坡，各坡向0～20 cm土層DOC、ROC、MBC含量顯著高于20～40 cm、40～60 cm土層，SOC含量僅在陽坡存在顯著差異，陰坡不同土層之間無顯著差異（P>0.05）。另外SOC、DOC、MBC含量均值表現(xiàn)為元江栲林大于其余3種林分，而ROC含量均值的最大值出現(xiàn)在旱冬瓜林分。

2.2 不同公益林土壤有機碳儲量分布特征

如圖2所示，滇中4種林分深層土壤（20～60 cm）碳儲量普遍顯著低于表層土壤（P<0.05），呈下降趨勢，其中3種闊葉林土壤有機碳儲量均表現(xiàn)為陰坡>陽坡，云南松林表現(xiàn)為陽坡>陰坡。元江栲林分土壤有機碳儲量在各坡向、各土層均顯著大于其余樹種（P<0.05）。4種林分0～60 cm土層有機碳儲量陰坡為116.37～327.10 t·hm-2和陽坡97.49～263.81 t·hm-2，陰坡由大到小依次為元江栲林（327.10 t·hm-2）>錐連櫟林（166.50 t·hm-2）>旱冬瓜林（136.47 t·hm-2）>云南松林（116.37 t·hm-2），陽坡由大到小表現(xiàn)為元江栲林（263.81 t·hm-2）>云南松林（158.35 t·hm-2）>旱冬瓜林（115.93 t·hm-2）>錐連櫟林（97.49 t·hm-2）。

2.3 不同公益林林分土壤理化性質(zhì)變化

如圖3所示，4種林分TN、TP、自然含水率和總孔隙度隨土層加深呈降低趨勢，而TK、容重和pH值呈增加趨勢，陰坡TN、TP含量皆高于陽坡，而陰坡TK含量在旱冬瓜林和錐連櫟林中高于陽坡，在云南松林和元江栲林中低于陽坡。0～20 cm土層的土壤TN含量在陰坡、陽坡表現(xiàn)為3種闊葉林顯著高于云南松林，3種闊葉林在陰坡為1.13～2.16 g·kg-1和陽坡0.85～1.53 g·kg-1，而云南松林在陰坡為0.81 g·kg-1和陽坡0.79 g·kg-1。各坡向土壤TP、TK含量在0～20 cm土層表現(xiàn)為旱冬瓜林顯著高于其余3種林分，陰坡云南松林、元江栲林和錐連櫟林土壤TP含量在0～20 cm土層無顯著差異。云南松林和錐連櫟林的土壤容重在各坡向0～20 cm、40～60 cm顯著高于元江栲林和旱冬瓜林。元江栲林0～20 cm土層土壤自然含水率和總孔隙度顯著高于其余3種林分。

2.4 土壤活性有機碳與基本理化性質(zhì)的相關(guān)性

相關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示，4種林分SOC與DOC、ROC、MBC兩兩之間均呈正相關(guān)。3種闊葉林SOC及其組分與TP極顯著正相關(guān)（P<0.01），與pH值顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。除此之外，元江栲林分除自然含水率和TK、DOC存在顯著相關(guān)關(guān)系之外，其余理化指標(biāo)兩兩之間都存在極顯著相關(guān)關(guān)系；錐連櫟林分SOC、DOC、ROC和MBC兩兩之間呈顯著正相關(guān)，并與總孔隙度顯著正相關(guān)，與容重極顯著負(fù)相關(guān)；旱冬瓜林分的SOC、DOC、ROC、MBC和TN兩兩之間呈極顯著正相關(guān)；云南松林分SOC、DOC、ROC、MBC與自然含水率顯著正相關(guān)。

3 討 論

3.1 不同林分土壤活性有機碳組分特征

由于不同樹種的功能性狀、空間結(jié)構(gòu)及地下根系等不同，凋落物的產(chǎn)量與組成、微生物分解速率和細根分布均存在差異[22-23]，豐富的根系及其分泌物為微生物提供能量來源[24]，同時枯落物歸還土壤的數(shù)量也影響到闊葉林下土壤微生物活性，促使其分解產(chǎn)生更多的水溶性有機物質(zhì)[5]。本研究中，3種闊葉林0～20 cm土層的SOC、DOC、MBC含量高于云南松林，這可能與闊葉林枯落物蓄積量和微生物群落等生物學(xué)特性有關(guān)。

土壤中有機碳的轉(zhuǎn)化由微生物主導(dǎo)，并在穩(wěn)定SOC中起著關(guān)鍵作用[25]。因受人為樵采影響，植被覆蓋單一，造成土壤微生物群落稀缺，放緩了土壤表層有機碳的分解效率，使多數(shù)轉(zhuǎn)化為更不活躍的惰性碳[26]。這可能是造成本研究中錐連櫟林和旱冬瓜林SOC、DOC和MBC含量與云南松林無顯著差異甚至小于云南松林的原因。云南松因其群落結(jié)構(gòu)簡單，凋落物數(shù)量低于闊葉樹種，又因其凋落物中含有較多單寧、樹脂、蠟質(zhì)等較難分解的物質(zhì)[27]，導(dǎo)致云南松林土壤活性有機碳及其組分含量最低，這與哈文秀等[28]的研究結(jié)果一致。

太陽在各坡向上輻射量有別，導(dǎo)致水熱組合有差異，進而影響植被分布格局[29]，元江栲林、錐連櫟林和旱冬瓜林在陰坡的群落結(jié)構(gòu)更好，凋落物數(shù)量更多。水熱條件的改變也深刻影響微生物對枯落物和土壤中碳的轉(zhuǎn)化，進而對土壤有機碳儲量產(chǎn)生影響。本研究中元江栲林、錐連櫟林和旱冬瓜林SOC及其組分含量均表現(xiàn)為陰坡>陽坡，這與黃葭悅等[30]研究祁連山不同坡向土壤有機碳分布和李楠[31]研究岷江干熱河谷土壤養(yǎng)分空間分布的結(jié)果一致。云南松林SOC及其儲量表現(xiàn)為陽坡>的陰坡，這與賈呈鑫卓等[32]研究普洱市思茅松人工林土壤碳儲量的結(jié)果相似，云南松為陽性樹種，一方面陽坡充足的光照可以促進碳的積累，另一方面陽坡水熱適宜，使微生物更活躍，加速了枯落物的輸入[33]。

3.2 不同林分土壤碳儲量特征

周玉榮等[34]通過整理文獻數(shù)據(jù)得出中國森林土壤碳儲量為193.55 t·hm-2，其中暖溫性針葉林為110.30～189.56 t·hm-2，常綠闊葉林為257.57 t·hm-2，硬葉常綠闊葉林為205.23 t·hm-2，落葉闊葉林為208.90 t·hm-2。孫軻等[35]在玉溪市磨盤山的研究顯示，無枯落物處理的云南松林分0～60 cm土壤碳儲量為168.10 t·hm-2。趙巧巧等[36]在普洱市研究發(fā)現(xiàn)常綠闊葉林的土壤碳儲量為123.6 t·hm-2。本研究中，3種闊葉林土壤有機碳儲量平均值在陰坡為210.02 t·hm-2，陽坡為159.08 t·hm-2。其中，元江栲林為263.81～327.10 t·hm-2，高于全國平均值；錐連櫟林為97.49～166.50 t·hm-2，旱冬瓜林為115.93～136.47 t·hm-2，低于全國平均值，與趙巧巧等的結(jié)果相似。云南松林為116.37～158.35 t·hm-2，處于全國平均值范圍內(nèi)，略低于孫軻等的結(jié)果。

3.3 不同林分土壤基本理化性質(zhì)對活性有機碳組分的影響

相關(guān)性分析結(jié)果表明，除云南松外，SOC與各組分間均呈極顯著正相關(guān)，說明闊葉林土壤碳組分有著與總有機碳高度一致的變化規(guī)律[37]。受土壤密度的影響，隨土層加深，土壤質(zhì)地趨于緊實，土壤透氣性、持水能力和溫度降低，使根系生物量和微生物活性呈下降趨勢[38]，從而使深層土壤碳相較于表層顯著降低。

闊葉林較針葉林的枯落物更多，且針葉林枯落物中含有較難分解的物質(zhì)，造成闊葉林的土壤養(yǎng)分比針葉林高[14，21]，這與本研究結(jié)果中表土層的土壤TN含量表現(xiàn)為3種闊葉林顯著高于云南松林類似。真菌等微生物可以快速吸收鉀，真菌群落的多樣性與鉀含量密切相關(guān)[39]。由圖3可知，云南松、錐連櫟和旱冬瓜3個林分土壤TK含量相較于元江栲林分明顯偏高，側(cè)面反映出元江栲林分土壤微生物量碳較高。

4 結(jié) 論

1）滇中4種典型公益林土壤活性有機碳及其組分含量、儲量具有明顯表聚現(xiàn)象，均表現(xiàn)為隨土層加深呈降低趨勢。受地形造成的水熱差異和微生物活性影響，3種闊葉林土壤有機碳及其儲量表現(xiàn)為陰坡>陽坡，而云南松林表現(xiàn)為陽坡>陰坡。

2）元江栲林各坡向0～20 cm土層的SOC、DOC和MBC含量顯著高于其余3種林分（P<0.05），而ROC含量均值的最大值則出現(xiàn)在旱冬瓜林。

3）各林分土壤碳儲量陰坡為116.37～327.10 t·hm-2，陽坡為97.49～263.81 t·hm-2。元江栲林分的固碳能力最佳，為263.81～327.10 t·hm-2，滇中地區(qū)營造人工林或碳匯林可適當(dāng)考慮增加該樹種。

4）4種林分SOC與DOC、ROC、MBC兩兩之間均呈正相關(guān)，3種闊葉林土壤活性有機碳含量與TP呈顯著正相關(guān)（P<0.05），在今后森林培育過程中可補充磷肥以促進其生長發(fā)育。

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[本文編校：吳 彬]