莽山不同次生林土壤有机碳分布与土壤物理性质的相关性

邓艳林　陈芳芳　张景　唐菲菲　何介南　吴立潮

摘要：【目的】探討湖南莽山国家级自然保护区三类次生林土壤有机碳（SOC）分布特征与土壤物理性质的关系，为该地区森林土壤碳储量的准确计量及森林土壤固碳增汇提供参考依据。【方法】在海拔1230～1300 m区域内的杉木、粤松林和竹林内设9个固定标准地，采集不同层次土壤样品32个，测定其SOC、土壤容重及田间持水量，运用方差分析、相关分析及回归分析法研究不同植被类型SOC分布特征及其与土壤容重和田间持水量间的关系。【结果】杉、松、竹三类林地不同土层SOC含量存在显著差异（P<0.05，下同），随土壤深度增加呈递减趋势；不同林分变化幅度差异不同，且各土层间的差异达显著水平。三类林地0～40 cm土层SOC存贮有机碳在整个土层所占比重不同，分别为77.7%、77.1%和85.9%。经回归分析发现，杉、松、竹三类林地SOC和土壤容重拟合值R分别为0.632、0.727和0.615，杉木林SOC含量与土壤容重呈极显著相关（P<0.01，下同）；三类林地SOC含量与田间持水率均呈极显著或显著正相关。方差分析结果表明，黏粒、粉粒、砂粒含量在同一土层中的三类林地间存在极显著差异；黏粒、粉粒、砂粒含量与SOC含量相关不显著（P>0.05），而砂粒与黏粒、粉粒存在极显著负相关。杉、松、竹三类林地砂粒含量在土壤垂直剖面各层均高于黏粒、粉粒含量。【结论】莽山不同次生林SOC与土壤物理性质密切相关，土壤容重、田间持水量、土壤机械组成等物理性质可作为营林和增加森林土壤碳汇的参考指标。

关键词： 次生林；土壤有机碳（SOC）；土壤物理性状；莽山国家森林公园

中图分类号： S714.8 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）04-0616-07

Abstract：【Objective】The relationship between soil organic carbon（SOC） distribution and physical properties of three types of secondary forests in Mangshan National Forest Park， Hunan， in order to provide reference for soil carbon storage calculation and soil carbon sequestration in the forests. 【Method】Thirty-two soil samples in nine treatment plots had been collected which were set up in three types of secondary forests including Chinese fir， Pinus kwangtungensis and bamboo at altitude of 1230-1300 m. SOC， bulk density and field capacity of the samples were measured. Variance analysis， correlation analysis and regression analysis were conducted to study distribution characteristics and its relation with bulk density and field capacity. 【Result】SOC content in different layers of the three forests were significantly different（P<0.05， the same below）. With the increase of soil depth，SOC generally decreased， but the variation range of SOC was different among these three types of secondary forests. There was a significant difference in variation between different soil layers. The proportions of SOC in 0-40 cm layer of Chinese fir（77.7%）， P. kwangtungensis（77.1%） and bamboo（85.9%） forests were different. According to regression analysis， SOC-bulk density fitted value R for Chinese fir， P. kwangtungensis and bamboo forests were 0.632， 0.727 and 0.615 respectively. For Chinese fir forest， there was extremely significant correlation between SOC and bulk density（P<0.01， the same below）. There was extremely significant difference or significant difference between SOC and field capacity in three types of forests. Variance analysis showed that there was extremely significant difference in clay， silt and sand contents at the same layer between different types of forests. Clay， silt and sand contents were not significantly correlated with SOC content（P>0.05）， but there was extremely significant correlation between sand and clay， silt. At all vertical layers， sand content was higher than those of clay and silt in three types of forests. 【Conclusion】SOC of different types of secondary forests in Mangshan is closely related with soil physical properties. Bulk density， field capacity， soil mechanical composition can serve as indexes for forest management and increasing forest soil carbon sequestration.

Key words： secondary forest； soil organic carbon（SOC）； soil physical property； Mangshan National Forest Park

0 引言

【研究意义】森林土壤是陆地生态系统中最大的碳库，森林的土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）储量库容巨大，其较小幅度的变化就可能有大量碳向大气排放，并通过温室效应影响全球气候变化（王棣，2015）。因此，充分发挥森林土壤固碳增汇功能以应对全球气候变化显得尤为重要。研究森林SOC与土壤物理性质的关系既是国内外土壤肥力和土壤质量研究与评价的主要内容，又是全球气候变化研究关注的焦点问题之一。我国南方地区碳汇量占全国碳汇总量的65%以上，其中大面积的人工造林起到重要作用（Piao et al.，2009）。湖南莽山国家自然保护区是我国中现存中亚热带的最典型常绿阔叶林，其森林土壤能吸收大量碳，充分发挥着亚热带森林土壤碳汇功能。因此，研究莽山国家级自然保护区林地SOC分布特点及其与土壤物理性质的相关性，探讨我国亚热带森林土壤碳储量分布格局及其变化规律，对应对气候变化下的森林经营和生态建设具有重要意义。【前人研究进展】近十年来，我国已有不少学者研究了SOC与土壤物理性质的关系。蔡晓布和周进（2009）利用网格采样法研究全球变化敏感的藏北退化高寒草原SOC变化及其与土壤物理性质的关系，结果表明，SOC与土壤容重、含水量均呈极显著或显著正相关。王云琦和王玉杰（2010）分析三峡库区马尾松阔叶混交林、常绿阔叶林、楠竹林和常绿阔叶灌丛4种典型林分林地SOC含量特征及其与土壤物理性质关系，认为SOC含量对土壤物理性质有直接作用，与土壤容重也存在明显的线性关系。魏强等（2012）以甘肃兴隆山青杄林、青杄—白桦林、山杨—白桦林、灌丛林、落叶松林和油松林6种森林类型0～60 cm土壤层为研究对象，得出有机质与全氮、水解氮、最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈显著正相关，而与容重呈显著负相关。苗蕾等（2015）选取太行山南麓20年生侧柏、刺槐、栓皮栎人工次生林为研究对象，发现土壤容重与森林土壤碳表现出一定的负相关，仅侧柏人工林的有机碳、铵态氮、硝态氮与土壤容重的相关性达显著水平。【本研究切入点】至今有关莽山森林SOC与土壤物理性质关系的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以莽山典型的杉木、粤松和竹三类人工林为研究对象，探讨位于较高海拔区三类不同人工林植被类型对SOC剖面分布特征的影响及其与土壤容重、田间持水量等物理性质相关性，以期掌握该区域人工林SOC的存储情况，为我国区域性森林土壤碳库估算及中亚热带地区应对气候变化下的森林经营和生态建设提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

莽山国家自然保护区位于我国湖南省东南部与广东省北部交接处（东经112°45′19″～113°0′10″，北纬24°43′43″～25°3′12″），是我国南方典型的常绿阔叶林区，是湖南省最大的国家森林公园之一，保存有我國中亚热带最典型的常绿阔叶林，森林覆盖率92.8%，现有乔木纯林地18467.3 ha，其中竹林地83.4 ha、杉木林地1587.9 ha、松林地2543.2 ha，被誉为“富丽完好的森林博物馆”，1999年实行全面禁伐，2001年保护区近2万ha森林被国家林业局划定为生态公益林。

研究区地处中亚热带湿润气候区，年平均气温17.2 ℃，年平均日照天数250 d，最冷月（1月）和最热月（7月）平均温度分别为5.2和22.7 ℃。全年无霜期290～300 d，年降水量1710.4～2555 mm，年均降水量分布不均，降水多集中于春末夏初，其集中程度随海拔的增高而减弱。莽山地形复杂，山高林密，成土母岩由斑晶和微斑晶花岗岩构成，绝大部分土壤在花岗岩母质上形成，pH 4.5～5.6，海拔1200～1700 m为山地黄棕壤。

莽山林地土层厚薄因位置不同而变化，泽子坪竹林腐殖质层3 cm；杉木林腐殖质4 cm；哨所优势树种粤松属珍贵树木（已列为国家保护树种）腐殖质4 cm，分布于向阳陡峭的山壁上，林下枯枝落叶较厚，分解缓慢，草本层稀疏。

1. 2 标准地设置与样品采集

在海拔1200～1300 m设杉木林、粤松林、竹林标准地，在每类林地中分别设3个20 m×30 m标准样地进行群落调查，共9个样地，在每个样地内沿对角线设3个土壤样方并挖掘土壤剖面，剖面深度视不同样地土层厚度而定，以100 cm为最大深度（土层厚度不足100 cm，深至母岩层为止），按照0～20、20～40、40～60和60～100 cm分层采样，因竹林土层厚度不足100 cm，最大深度取至60 cm。每层取3个环刀（100 g/cm3）样品测定土壤容重和田间持水量，同时各层取约1 kg土样装入样品袋，用于SOC测定。

1. 3 样品分析与测定

将样品带回实验室，分别对环刀样品及各层次样品进行处理。田间持水量测定采用威尔科克斯法（江培福等，2006）。每个土壤样品选择2个100 cm3环刀，其中一个环刀装上过1 mm筛风干土样作为下环刀，另一环刀装入与下环刀同种土样原状土，作为上环刀。上环刀土样放入水面略低于环刀上缘的水盆中浸泡24 h，之后将上环刀取底盖放置滤纸后与下环刀对接，并用环状橡皮圈固定。排水8 h后称取上层环刀中的原状土15～20 g放入铝盒，立即称量，精确至0.01 g。经105 ℃烘干后再次称量，计算前后2次质量差，重复2～3次，取其平均值，得出土样田间持水量。SOC测定采用重铬酸钾—分光光度法测定（中华人民共和国环境保护部，2011）。

1. 4 土壤碳密度和碳贮量计算

有机碳密度指单位面积的有机碳储量。某一土壤剖面的有机碳密度为该剖面各土层有机碳密度之和，一般用t/ha或kg/m2表示（王绍强等，2000；周玉荣等，2000）。本研究中各土壤剖面的碳密度是各土壤剖面的土壤容重、SOC含量（仅包含土壤颗粒直径<2 mm）和实际土层厚度三者的乘积，如某一剖面由k层组成，该剖面有机碳密度（SOCD，t/ha）计算公式如下：

1. 5 数据分析

利用Excel 2003和SPSS 13.0进行数据处理和制图。对三类林地不同土层间及不同林地间SOC含量、容重、田间持水量、土壤机械组成采用单因素方差分析法；SOC含量与土壤容重、田间持水量、土壤机械组成关系用Pearson相关分析；三类林地SOC含量与土壤容重、田间持水量相关性分析采用回归分析法，用F检验检验回归关系显著性。

2 结果与分析

2. 1 莽山不同次生林SOC分布特征

由图1可知，杉、松、竹三类林地土壤SOC含量与SOCD变化规律基本一致，两者在相同林地不同土层内均存显著差异（P<0.05，下同）。SOC含量和SOC密度在垂直剖面由上往下呈递减趋势，各土层SOC含量和SOC密度均为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm。由图1-A可知，杉、松、竹三类林地0～20 cm土壤SOCD在整个土层所占比重分别为37.00%、46.94%和40.57%，0～40 cm为62.74%、82.24%和67.56%。由图1-B可知，0～40 cm土层杉、松、竹三类林地的SOC含量在整个土层所占比重分别为77.7%、77.1%和85.9%。0～20 cm土层SOCD为竹林>杉木林>粤松林，但在同一土层上的三类林地未达显著差异（P>0.05，下同）。

2. 2 土壤容重特征及其与SOC含量的关系

由表1可知，杉、松、竹三类林地土壤容重与SOC含量呈极显著负相关（P<0.01，下同），Pearson相关系数分别为-0.795、-0.892、-0.853。在0～60 cm土层垂直剖面3个不同土层土壤容重为杉木林<粤松林<竹林，而在60～100 cm土层土壤容重为杉木林>粤松林。三类林地在0～20和20～40 cm土层土壤容重介于1.03～1.13 g/cm3；40～60 cm杉、松、竹三类林地平均容重为1.19、1.20和1.39 g/cm3，该土层中竹林土壤容重增加幅度最大，比20～40 cm土层增加20%，而同层粤松林地土壤容重增大8%。杉、松、竹三类林地土壤容重随土层加深而增大，同一林地不同土层容重差异显著。对SOC含量与土壤容重进行回归分析，结果表明两者遵循线性回归模型，拟合值（R）分别为0.632、0.727和0.615（表2），三类林地相关度排序为竹林<杉木林<粤松林。

2. 3 杉、松、竹三类林地田间持水量特征及其与SOC含量的关系

由图2可知，杉、松、竹三类林地不同土层间的土壤田间持水量存在显著差异，随土层深度的增加，土壤田间持水量逐渐减小。0～20 cm杉、松、竹三类林地田间持水量平均值分别为46.08%、46.14%和45.04%，三类林地0～20和40～60 cm土壤田间持水量均为粤松林>杉木林>竹林，20～40 cm土层为杉木林>粤松林>竹林，60～100 cm土层为粤松林>杉木林。由表3可知，杉木林和粤松林的SOC含量与田间持水量均呈极显著正相关，竹林的SOC含量与田间持水量呈显著正相关；三类林地SOC含量与田间持水量的相关度排序为竹林<粤松林<杉木林。

2. 4 土壤机械组成与SOC含量的关系

由表4可知，杉、松、竹三类林地土壤黏粒含量在整个土层均为粤松林>杉木林>竹林。由表5可知，土壤黏粒、粉粒和砂粒含量在各垂直剖面不同土层内均存在极显著差异。由表6可知，三类林地土壤砂粒与黏粒和粉粒均呈极显著负相关，黏粒含量与SOC含量的相关性不显著。由表4可知，在整个土层中，杉、松、竹三类林地土壤机械组成中砂粒含量最高。据试验结果，在0～20 cm土层土壤砂粒含量分别为67%、43%和71%，即砂粒含量排序为杉木林>竹林>粤松林，其中杉、竹两类林地土壤砂粒含量均超过50%；在0～20 cm土层杉、松、竹三类林地土壤黏粒和粉粒含量分别为17%、31%、15%和16%、26%、14%。

3 讨论

3. 1 森林植被类型对人工林SOC的影响

本研究发现，在三类林地中竹林的0～20 cm土层SOC含量最高，可能是SOC含量与凋落物数量、质量、凋落物分解速率存在差異有关。杉木和粤松两类针叶林凋落物含单宁、木质素、树脂类物质较多，纤维素含量高，透水性差，分解速度比阔叶树慢，难以腐烂（梁宏温，1994），因此，杉、松两类针叶林的土壤表层SOC含量低于竹林。

植物根系分布格局差异是影响SOC垂直分布格局的一个重要因素（武小钢等，2011）。本研究在取样中发现竹林根系为特有的竹鞭根，地下鞭根比其他两类针叶林杉、松分布较浅，且会随着鞭根的死亡腐烂，生物归还量较大，有机碳多积累在上层土壤。随土层深度增加竹林根系减少幅大最大，杉木林次之；相对其他两类人工林，粤松的根系在土层中扎根最深，可能是在60～100 cm土层粤松容重小于杉木林原因之一。凋落物、植被根系影响SOC和土壤容重的原理有待进一步探讨。

莽山森林土壤有机质随深度的加深而逐渐变小，SOC表聚效应明显，三类林地的SOCD均表现为0～20 cm土层最大，且均随土壤深度增加而逐渐降低，与方运霆等（2004）、刘鸿雁和黄建国（2005）、程瑞梅等（2010）的研究结果一致。本研究中莽山三类林地SOCD表层贡献率0～20 cm高于Detwiler（1986）的研究结果，与同处亚热带的江西庐山（杜有新等，2011）森林SOC相应土层有机碳贡献率（庐山平均值50.5%）接近，也接近于Jobbágy和Jackson（2000）研究全球土壤剖面SOC的垂直分布状况，即森林SOCD 0～20 cm土层占l m土层SOC总量的50%，略低于广东鼎湖山森林土壤0～20 cm土层SOCD的贡献率（鼎湖山平均值52.3%）（方运霆等，2004）。相较之下，我国莽山森林表层土壤所储存的有机碳较多。另外，本研究所选样地位于地势较平坦且土层较厚的区域，由于森林土壤具有空间异质性，不同林地土层厚度不一，为便于比较研究，需进一步考察其他地形复杂区域有机碳具体存储情况。

3. 2 土壤容重、土壤颗粒组成、田间持水量对SOC含量的影响

本研究结果表明，杉、松、竹三类林地SOC含量与土壤容重存在显著负相关，杉、松、竹三类林地土壤田间持水量与SOC含量呈显著正相关。随土层深度增加土壤容重增大，SOC含量变小，土壤容重直接影响土壤通气性和孔隙度、根系穿透阻力及根系的生长和发育，土壤容重是影响SOC垂直分布的重要物理性质之一。随土壤容重增大，土壤孔隙度变小，通气性变差，不利于根系生长发育，也不能为动植物和微生物提供更好的生存环境，因而下层SOC含量减少与土壤容重增大植物根系分布减少、有机质补充减少有关。竹林在40～60 cm土层SOC含量随土壤深度增加急剧下降，其下降幅度大于其他两类针叶林；土壤容重在这一土层增加的幅度也大于其他两类林地，究其原因可能与采样中发现竹林根系到该层急剧减少有关。本研究与张鹏等（2009）等研究祁连山得出的土壤容重随土层深度增加而增大、SOC含量变小的结论一致。根据本研究野外调查和试验数据分析结果，若要提高杉木林、粤松林和竹林土壤固碳作用，可考虑通过改善土壤物理性状，降低土壤容重，使水分等营养物质能顺利向下输送，使植物根系数量得以增加，增强土壤透气性及微生物活性，从而增强SOC含量。

本研究结果还表明，三类林地土壤田间持水量与SOC含量呈显著正相关，杉木林和粤松两类针叶林呈极显著正相关。莽山森林土壤田间持水量随土壤深度的变深而不断减小，与方伟东等（2011）研究结果相似。三类林地0～20 cm土层的土壤田间持水量平均为45.09%，高于北京西山油松栓皮栎混交林的土壤田间持水量（聂立水等，2007）。土壤质地是影响田间持水量的一个重要因素，研究区域位于较高海拔区，温度相对较低，林地地表凋落物层较厚，土壤蒸发量较少，土壤贮水能力较好。

本研究通过对杉、松、竹三类林地土壤机械组成简单描述性分析，并根据国际制土壤质地分类标准对土壤质地划分，分别得出杉树林属于砂质黏壤土，粤松属于黏壤土，竹林土壤主要属于砂质壤土。三类林地土壤砂粒含量与黏粒和粉粒极显著负相关。杉、松、竹三类林地整个土层土壤机械组成砂粒含量最高，砂粒含量在整个土层垂直剖面各层含量接近（松）或超过（杉、竹）50%，与湖南花岗岩风化物发育的土壤砂粒含量占52.1%的结论相近（湖南省农业厅，1989），可能是三类林地土壤母质同属于花岗岩，均由粗晶花岗岩发育而来。土壤机械组成是土壤中各种粒级所占的重量百分比，是土壤最重要的物理性质之一，直接影响土壤的肥力状况（史锟和陈卓，2008），即土壤机械组成是研究SOC含量的重要因素。本研究发现，土壤中粉黏和黏粒含量均为粤松林>杉木林>竹林。本研究中三类林地土壤黏粒、粉粒和砂粒含量与SOC含量无显著相关性，但相对来说SOC含量与黏粒含量相关性较大（表6）。本研究中莽山的杉、松、竹三类林地海拔相近或相同，气温或水热条件相近，三类植被土壤成土母质相同，均由粗晶花岗岩发育而来，这些因素或许与土壤机械组成与SOC含量不显著相关有一定关系。因此，研究杉、松、竹三类林地土壤黏、粉、砂三类土壤颗粒SOC含量的分布情况也许能更准确地分析出土壤機械组成对SOC含量的影响。土壤黏粒、粉粒、砂粒的有机碳具体含量及其在三类林地土壤有机碳含量所占比重将有待进一步研究。

4 结论

莽山不同次生林SOC与土壤物理性质密切相关，土壤容重、田间持水量、土壤机械组成等物理性质可作为营林和增加森林土壤碳汇的重要参考指标。

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（责任编辑 邓慧灵）