莽山土壤有机碳及其空间分布格局

何介南，谢寄托，肖毅峰，吴立潮，邓艳林，戴彦焯

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

莽山土壤有机碳及其空间分布格局

何介南，谢寄托，肖毅峰，吴立潮，邓艳林，戴彦焯

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

根据标准样地取样和实验室得出的数据及莽山第二次土壤普查资料，估算莽山土壤有机碳的含量和储量。结果表明，土壤有机碳含量大小顺序为：黄棕壤＞山地黄壤＞红壤＞紫色土。莽山土壤有机碳总储量约为3.436×106t，各类型土壤碳储量从大到小依次为：山地黄壤＞黄棕壤＞红壤＞紫色土＞草甸土，莽山主要土壤类型有机碳平均密度为 195.35 tC·hm-2。莽山不同土壤类型的有机碳平均密度从大到小依次为：草甸土＞黄棕壤＞山地黄壤＞红壤＞紫色土，空间分布在106.85～216.83 tC·hm-2范围内变动。莽山表层土壤(0～20 cm)有机碳密度差异较大，变化范围在41.74～85.67 tC·hm-2之间，面积加权平均值为75.30 tC·hm-2。莽山表层(0～20 cm)土壤有机碳储量为1.493×106t，占莽山土壤有机碳库总碳储量38.55%。

土壤有机碳；土壤有机碳储量；空间分布；莽山

作为温室气体的CO2，地球表面对太阳热量的吸收和散发被其浓度变化直接影响着，进而影响全球气候变化。土壤作为释放CO2的主要源，其碳库储量约是全球陆地碳库的2～3倍，为大气碳库的2倍多，每年释放大约68～75 Pg碳到大气中[1-4]；正因为土壤碳的库容巨大，其微小的变化能导致大气CO2浓度较大的波动，都可能影响到碳向大气的排放情况，导致全球气候变化。我国作为一个发展中国家，既要发展经济，又要兼顾气候和环境的保护[5-8]；随着我国经济和工业飞速发展，每年排到大气中的温室气体在逐年增加，使温室气体减排和经济发展的双重任务越来越具有紧迫性和挑战性[9-15]。因此研究土壤有机碳是有关我国未来的温室效应气体控制谈判中保护我国工业的发展需要，农林业可持续发展的需要，也是造福我国人民，为人民加强生态文明建设提供支持[16-17]。

研究区域位于中国湖南省郴州市南部地区，通过剖面实测数据和莽山第二次土壤普查资料，对莽山地区的土壤有机碳的空间分布特征进行较为深入的分析、讨论和研究，并较为详细的描述土壤有机碳的空间分布特征与分布趋势；并为莽山的生态文明建设和土壤碳循环研究提供重要的基础数据。

1 研究区概况

莽山国家森林公园位于湖南省东南部，南岭山脉北麓，24°43′43″～ 25°03′12″N，112°45′19″～113°0′10″E，海拔均在 1 000 m 以上，地形复杂，山峰尖削，沟壑纵横，山高林密。莽山的成土母岩是由斑晶和微斑晶花岗岩构成，绝大部分土壤是在花岗岩母质上形成的。成土母质以坡积物各残积物为主，坡积物主要分布在山腰和缓坡地段，残积物主要分布在山脊山峰的陡坡地段。莽山国家森林公园保护区的地带性植被，属中印半岛-华南植物区系的北缘地，亦即华南植物区系与华中植物区系的过渡地带，是中国东南部基本上属原生型常绿阔叶林及中山针阔混交林最大面积的保存地。

2 研究方法

2.1 标准地设置

按田大伦的土壤定位研究方法[18]，在莽山国家森林公园不同海拔高度以及典型植被类型内设置标准地并用GPS定位，样地大小设置为20 m×33.3 m，总计28个标准样地。

2.2 土壤有机碳计算方法

文中对土壤有机碳的估算采用土壤模型法，不同土属的土壤有机碳密度和储量计算公式为[19]：

式中：Doci为i类型土壤有机碳密度（t·hm-2），Poci为i类型土壤有机碳储量（t）；Si为i类型土壤面积，Socij为i类型土壤j层的有机碳含量（g·kg-1），Hij为i类型土壤j土层厚度（cm）；rij为i类型土壤j土层的密度（g·cm-3）。

3 结果与分析

3.1 不同土层的土壤有机碳含量

莽山不同土层的土壤有机碳含量如图1所示，从表中数据局很明显可以得出：土壤有机碳含量总体上随着土层的加深而递减，顺序为：0～20 cm层＞20～40 cm层＞40～60 cm层＞60～100 cm层，符合多数人的研究结果[18-20]；最小值、最大值平均值都是随着土层的加深相应土壤有机碳含量在减小。该表中数据显示，莽山土壤表层（0～20 cm）土壤有机碳含量在 7.51 g·kg-1以上，最大值为56.69 g·kg-1。各层有机碳含量平均值分别为：35.31 g·kg-1、20.38 g·kg-1、11.58 g·kg-1、8.67 g·kg-1，呈递减趋势；从表层到20～40 cm层，这两层土壤有机碳含量下降幅度较大，超过73.25%，另外两成下降幅度低于33.56%。由此可见，土层越深，其土壤有机碳含量下降幅度减小，甚至越往下，其含量可能会趋于同一水平值。参考相关文献和参照实地环境及实验数据，造成这种状况的原因，主要是由于土壤有机碳含量在剖面上的分布特征和动植物在本区域的分布和活动密切相关，同时土壤表层积累了大量的动植物腐质层，经过分解，于是在土壤表面就产生了很多有机质，并在 0～20 cm 深的土层范围内集中了大量植被的根系，因此这一层的有机碳含量明显高于其他的土层。随着土层越来越深，植物根系也就越来越少，腐殖质相机表层大幅减少，因此土层越往垂直方法下去，其有机碳含量就越少。另外土壤的下部，受动植物影响相对小很多，且土壤母质比较稳定，因此，土层较深的有机碳含量在随着土层加深，其有机碳含量的变化反而比较小。

图1 土壤有机碳含量Fig.1 Organic carbon contents in different soil layers

3.2 不同土壤类型下的土壤有机碳含量

从表1可以看出，山地黄壤是莽山分布最广的土壤类型，面积为19 735.6 hm2，占莽山土壤总面积的99.486%，平均有机碳含量为19.06 g·kg-1；黄棕壤为第二大土壤类型，占莽山省土壤总面积的0.33%，平均有机碳含量为23.58 g·kg-1；紫色土为为第三大土壤类型，占莽山省土壤总面积的0.12%，平均有机碳含量为13.03 g·kg-1。通过统计分析，得到莽山森林土壤各土层所占面积比例大小依次为：山地黄壤（99.51%）＞黄棕壤（0.33%）＞紫色土（0.12%）＞红壤（0.04%）；土壤有机碳含量大小顺序为：黄棕壤＞山地黄壤＞红壤＞紫色土； 各类土壤有机碳密度在0～60 cm层下降比较明显，其中黄棕壤下降幅度最大，山地黄壤次之，降幅分别为：64.97%、67.36%；在60～100 cm层差距不大。

表1 不同土壤类型的有机碳含量Table 1 Organic carbon contents in different type soils

3.3 莽山土壤有机碳密度的空间分布

根据相关研究表明，土壤类型和土壤有机碳密度的分布取决于气候特征、地形地貌、海拔高度、植被类型和土壤母质等诸多因素。根据统计资料和实验数据，利用相关公式，计算出莽山各层土壤的有机碳密度，见表2。

由表2可以看出，莽山表层（0～20 cm）层土壤有机碳密度最大为147.14 t·hm-2，加权平均有机碳密度为82.86 t·hm-2，20～40 cm层加权平均有机碳密度为 53.67 t·hm-2，40～60 cm层加权平均有机碳密度为31.50 t·hm-2，60～100 cm层加权平均有机碳密度为 54.32 t·hm-2，总体估算，莽山土壤平均有机碳密度较高。

表2 不同土壤类型的有机碳密度Table 2 Organic carbon densities of different type soils

受海拔、坡度、坡向和气候等因素的影响，莽山有机碳密度在空间分布上存在着较大的差异性。根据实验数据，总体上呈现由东南方到西北方递减的特征。土壤有机碳密度较高的类型是草甸土、黄棕壤、山地黄壤、红壤；较低的类型是紫色土。莽山土壤有机碳密度较高的土壤类型占有大部分面积，土壤类型大多是山地黄壤。根据样地实地获取数据，鬼子寨样地最小，为38.69 t·hm-2，有机碳密度较大的范围主要集中在海拔在1 700 m以上的高海拔地区，如：猛坑石护林点和猛坑石顶这些区域的有机碳密度主要在108～140 t·hm-2；土壤有机碳密度为80～108 t·hm-2的区域集中在泽子坪竹林、三坪等海拔在1 400 m以下的样地；土壤有机碳密度在80 t·hm-2以下的区域主要集中在海拔1 000 m以内的山地。根据表4，莽山表层土壤有机碳密度在39.69～109.32 t·hm-2范围内浮动，加权平均值为82.86 t·hm-2，高于湖南省平均水平42.31 t·hm-2。

从表2以及统计数据中，比较同一样地的不同土层的土壤有机碳密度，很明显可以得出：土壤有机碳密度总体上随着土层的加深而递减；土壤有机碳密度较大土层主要集中在0～20 cm、20～40 cm，所占比例超过60%；各样地中，漂流公司所在区域的土壤有机碳密度最大，为277.45 t·hm-2，鬼子寨所在区域最小，为94.56 t·hm-2；其他样地土壤有机碳密度在 94.56 t·hm-2～ 277.45 t·hm-2变化，均值为 188.23 t·hm-2。

3.4 莽山与湖南省及全国土壤有机碳密度比较

由表2可以看出，黄壤是莽山的主要土壤类型，分布面积广，约19 734.12 hm2，占莽山森林公园面积的99.486%，其土壤有机碳密度为195.24 t·hm-2，远高于湖南省 110.11 t·hm-2和全国114.1 t·hm-2的水平（见表3）。莽山另外两种类型的土壤，红壤和黄棕壤的有机碳密度为：181.02和253.96 t·hm-2，同样也高于湖南省的105.62 t·hm-2、144.38 t·hm-2和全国的 101.8 t·hm-2、114.6 t·hm-2。究其原因，可能是由于莽山绝大部是山地，属于亚热带季风湿润气候，气候湿润，降水充沛，土壤长期处于湿润状态，人为活动破坏少，海拔较高，温度常年较低，导致腐殖质的分解和转化慢，有利于有机质的积累。

表3 不同区域的土壤有机碳密度比较Table 3 Comparison of soil organic carbon densities in different regions

3.5 莽山土壤有机碳储量的空间分布格局

根据定义，土壤有机碳的储量是根据该区域有机碳密度与的土壤类型的面积乘积得出的结果。由此计算莽山土壤有机碳的储量，结果表明（见表4），莽山表层有机碳库储量为1.493×106t，占莽山土壤有机碳库总储量的38.55%；莽山表层土壤有机碳库储量的比例超过湖南和全国平均水平。说明了莽山表层土壤的有机碳储量在土壤各层中占的比例很大。

表4 不同土壤类型的有机碳储量Table 4 Organic carbon storage in different type soils

莽山不同土壤类型的碳储量有较大差异，其中以山地黄壤面积最大，储量约为3.852×106t，占莽山土壤有机碳总储量的99.43%，表明山地黄壤在整个莽山土壤有机碳储量中占比较明显的地位，其波动变化都将对莽山有机碳库和碳汇功能产生影响。居于第二的是黄棕壤，其储量约为17 040.71 t，占莽山土壤有机碳总储量的0.43%；红壤、紫色土和草甸土储量分别为1 556.7 t、3 148.82 t和192.70 t，这三者占莽山土壤有机碳总储量的0.14%。

4 结 论

根据莽山第2次土壤普查资料为基础，利用剖面实测数据，初步估算了莽山土壤有机碳储量和密度。

莽山面积约为19 836 hm2，土壤有机碳总储量约为3.874×106t，主要土壤类型有机碳平均密度为 173.24 t·hm-2。莽山主要土壤类型的有机碳密度为 129.05 t·hm-2～ 253.96 t·hm-2之间，有机碳加权平均密度为195.35 t·hm-2，高于湖南省的116.30 t·hm-2， 也 高 于 全 国 的 105.30 t·hm-2以 及 世 界 的107.75 t·hm-2。

山地黄壤作为莽山最主要的土壤类型，其占莽山土壤面积的99.48%，其土壤有机碳密度为195.24 t·hm-2。不同类型的土壤有机碳平均密度大小顺序为：草甸土＞黄棕壤＞山地黄壤＞红壤＞紫色土，空间分布在106.85～216.83 t·hm-2范围内变动。莽山表层土壤(0～20 cm)有机碳密度差异较大，变化范围在41.74～85.67 t·hm-2之间，面积加权平均值为75.30 t·hm-2。莽山表层(0～20 cm)土壤有机碳储量为1.493×106t。

同时由于莽山地区主要土壤类型的分析数据仍相对欠缺，为了更加准确地估算莽山土壤有机碳储量和密度，仍需要获取更多的可靠的实测数据。因此，需要研究者继续充实相应的样地数据以及深入细致的研究。

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Studies of soil organic carbon and its spatial distribution in mountain Mangshan

HE Jie-nan, XIE Ji-tuo, XIAO Yi-feng, WU Li-chao, DENG Yan-lin, DAI Yan-zhuo
(Central South University of Forest and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

According to the fi eld plot sampling and the data derived from laboratory and data from the Second Soil Survey of Hunan Province, the soil organic carbon reserves and density were estimated. The results show that the organic carbon contents in different type soils ordered from big to small were as follows: yellow brown＞mountain yellow＞red＞purple soil, the total amount of soil organic carbon of mountain Mangshan was about 3.436×106t; the carbon stocks in main soil types in the mountain area ranked with the order: mountain yellow＞ yellow brown soil＞red＞purple soil＞meadow soil, and the average value of carbon densities was 195.35 t·hm-2; the soil organic carbon average densities in Mangshan different soil types were in the order: yellow brown soil ＞ meadow soil＞ mountain yellow ＞ red ＞ purple soil, the spatial distribution changed in the range of 106.85～216.83 t·hm-2; the topsoil (0～20 cm) organic carbon densities of each soil layers in Mangshan had larger differences, ranging between 41.74～85.67 t·hm-2, and the area weighted average value was 75.30 t·hm-2; the surface layer (0～20 cm) soil organic carbon reserves was 1.493×106t, accounting for 38.55% of the total carbon stock of the soil organic carbon in Mangshan.

soli organic carbon; soil organic carbon storage; spatial distribution; mountain Mangshan

S714

A

1673-923X(2014)04-0072-05

2013-04-22

国家林业公益性行业项目“典型森林土壤碳储量分布格局及变化规律研究”（201104008）资助

何介南（1965-），男，副教授，硕士研究生导师，博士，主要从事生态学、水土保持与荒漠化防治、土地资源利用的研究

吴立潮（1963-），男，湖北广水人，教授，博士，主要从事森林土壤、森木施肥与营养、水土保持与荒漠化防治等方面的研究；E-mail：wulichao@sina.com

[本文编校：吴 彬]