桂西北喀斯特山区4种森林表土土壤有机碳含量及其养分分布特征

（中国林业科学研究院 热带林业实验中心， 广西 凭祥 532600）

土壤有机碳（Soil organic carbon）是土壤碳库的重要组成部分，在调节森林土壤理化性质、提供植物养分、改善土壤结构和生态性状等方面产生深刻影响[1]。土壤有机碳也是土壤微生物主要营养元素和能量来源，它能够促进土壤生态系统中C、N和P等养分化合物的转化和循环，影响土壤性质以及养分的供给能力[2-3]。由于森林土壤碳库约占全球土壤碳库73%[4]，其在全球碳循环过程中起着不可代替的作用；森林植被与土壤有机碳关系密切，但不同植被类型土壤有机碳间却存在较大的差异，主要受气候、植被类型、林分状况、土壤类型和研究方法等方面的影响[5]，对不同森林类型土壤SOC含量与养分特征加以研究显得尤为必要，为森林土壤质量评价、土壤有机碳管理以及应对全球气候变化均具有重要意义。

我国是喀斯特分布面积最大的国家，主要集中于广西、贵州和云南等省区，属于典型的生态脆弱区[6]。自然条件下，喀斯特山区成土速率慢、土层较为浅薄、土壤持水能力差[7]；因此，该地区森林植被一旦遭受破坏，土壤流失严重，容易出现石漠化，进而加剧喀斯特地区生态环境的恶化。截止目前，国内学者围绕喀斯特山区森林植被和土壤开展了大量研究，比如，在不同土地利用方式对土壤水分、容重以及有机碳空间异质性等[8-10]方面进行研究探索，这些研究成果有效地遏制喀斯特山区植被迅速退化、石漠化，并对当地生态环境的改善起到了积极作用。不过，以往研究多侧重于植被生长或者森林植被受干扰对土壤物理性质及土壤有机碳稳定性的研究[7,11-12]，而二者的关联纽带却没有引起足够重视；在全球气候变化背景下，通过野外实测获得更多土壤基础数据，也有利于精确地评价喀斯特山区森林植被类型土壤的碳汇功能。

基于上述喀斯特山区森林群落土壤有机碳的研究现状，作者拟开展桂西北喀斯特山区4种主要森林类型（灌草丛、针阔叶混交林、常绿落叶阔叶林、常绿阔叶林）表层土壤有机碳及养分特征研究，比较分析其表土SOC含量和肥力变化，并与国内喀斯特山区不同森林植被类型表土SOC含量的研究成果进行比较分析，为该区域天然林管护、生态系统植被恢复与生态重建提供依据。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

研究区位于广西西北部乐业县雅长林区，地理坐标为东经 106°16′～ 106°22′，北纬 24°42′～24°56′。该区域位于云贵高原东南麓，属于我国西南典型的喀斯特地区。研究区域属南亚热带季风气候区，无霜期较长，年平均温度18 ℃左右，极端高温35 ℃，极端低温-5 ℃，年均降水量1 100～1 500 mm，但季节分布不均匀，主要集中4—9月。土壤类型为石灰岩发育的棕色石灰土，土壤厚度10～30 cm，土层浅薄、土地植被不连片，但土壤有机质含量较高。研究区域的植被类型属于南亚热带原生性喀斯特森林，本研究选取的森林植被类型包括灌草丛、针阔叶混交林、常绿-落叶阔叶林、常绿阔叶林。4种森林植被群落概况详见表1。

1.2　土壤样品采集

2012年9月—11月，在研究区域踏查的基础上，根据植被代表性和典型性原则，本研究选取4种不同森林类型，每种森林类型分别设置面积20 m×30 m标准样地，其中，灌草丛5个，针阔混交林6个，常绿-落叶阔叶林6个，常绿阔叶林6个，共计23个。用网格划分法将样地划分为6个10 m×10 m乔木样方，调查胸径（Dbh）≥1 cm的乔木，记录乔木种类、株高、胸径（对株高＜1.3 m的幼树仅测树高）、冠幅和生长势等。每个标准样地内分别于样地四角及中心适当位置设置采样点5个，每个采样点按三角形取3个土样混合均匀，并取土壤环刀；土壤采集时除去表层土上的凋落物和植物，取样深度为0～20 cm，将所取样品风干，研磨并标号记录装入密封塑料袋，组成待测样品。灌草丛25个，针阔混交林30个，常绿-落叶阔叶林30个，常绿阔叶林30个，共采集115土壤样品。

1.3　样品测试与分析

将土样剔除石粒、动植物残体和根系等杂物，风干后研磨并过筛，装自封袋待用。采用环刀法测定土壤密度和烘干法（105 ℃，12 h）测定土壤含水量《LY/1215—1999》；土壤pH用酸度计测定《LY/1239—1999》；有机碳含量采用K2Cr2O7氧化-外加热法测定《LY/1237—1999》，速效N用碱解扩散法测定《LY/1229—1999》，速效P采用HCI-H2SO4浸提-钼锑抗比色法测定《LY/1233-1999》，速效K采用CH3COONH4浸提-火焰光度计法测定《LY/1236—1999》；全N含量采用浓H2SO4-HClO4消化法-自动凯氏定氮仪（KDY-9830，KETUO）测定《LY/1228—1999》，全P含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色-紫外分光光度法测定《LY/1232—1999》，全K采用NaOH熔融-火焰光度计法测定《LY/1234—1999》[13]。每个样品重复测定3次取均值。

采用Excel 2007对土壤数据进行初步整理，利用SPSS16.0对土壤数据进行统计分析，单因素方差分析（one-way ANOVA）以及差异性显著性检验[11]，采用Pearson相关性进行相关关系分析。

表1　不同植被类型的样地基本概况†Table 1　Sample basic situation of different vegetation types

2　结果与分析

2.1　不同植被类型表层土壤有机碳及养分特征

4种森林类型表土（0～20 cm）SOC含量的测定结果如表2所示。从表2可以看出， 表土SOC含量大小依次为：常绿阔叶林（151.31 g/kg）＞常绿落叶阔叶林（145.33 g/kg）＞针阔叶混交林（90.61 g/kg）＞灌草丛（86.92 g/kg）。其中，常绿阔叶林、常绿落叶阔叶林与针阔叶混交林表层土壤有机碳含量差异不显著（P＞0.05），而与灌草丛之间差异显著（P＜0.05）；由于植物群落结构与物种组成差异，在植被—土壤生态系统相互作用下，立地因子产生较大差异，从而对相应的森林植被类型表层土壤有机碳状况造成影响。

由表2可知，4种森林类型表层土壤养分中速效N、速效P、速效K和全N质量分数与土壤SOC含量的变化趋势一致，大小顺序依次为：常绿阔叶林＞常绿-落叶阔叶林＞针阔叶混交林＞灌草丛。其中，常绿-落叶阔叶林和针阔叶混交林土壤速效N含量差异不显著（P＞0.05），与其他2种森林类型差异显著（P＜0.05）。常绿阔叶林和常绿-落叶阔叶林速效P含量差异不显著（P＞0.05），与其他2种森林类型差异显著（P＜0.05），而常绿-落叶阔叶林与针阔叶混交林差异亦不显著（P＞0.05）。灌草丛与其他3种森林类型的土壤速效K和全N差异显著（P＜0.05），而后者之间差异不显著（P＞0.05）。土壤全P和全K的质量分数变化趋势均表现为：常绿阔叶林＞针阔叶混交林＞常绿-落叶阔叶林＞灌草丛；其中，灌草丛与其他3种类型的土壤全K含量差异显著（P＜0.05），而后者之间差异不显著（P＞0.05），4种森林类型的表层土壤全P含量差异不显著（P＞0.05）。

2.2　不同植被类型土壤有机碳与土壤养分相关关系

森林植被类型因植物种类组成、植被盖度状况、群落结构等差异，导致土壤理化性质发生变化，进而影响土壤养分含量及其变异性。从表3可以看出，桂西北喀斯特山区4森林植被类型SOC含量与速效N、全N存在极显著正相关（P＜0.01）；灌草丛SOC含量与速效P、全P呈正相关关系（P＜0.05）；4种森林植被类型SOC含量与速效K呈显著正相关（P＜0.05），而针阔叶混交林和常绿-落叶阔叶林SOC含量与全K呈负相关关系（P＜0.05）。

不同森林类型表层土壤SOC含量与速效N、速效K和全N呈显著或极显著正相关，表明土壤氮素积累与土壤SOC的输入关系密切。以往研究认为，土壤养分的变化可通过影响微生物活动、凋落物分解和有机碳组分以及有机碳的矿化速率来影响土壤SOC含量，特别是土壤氮素的富集可有效地促进森林凋落物的形成和林下植被生物量的积累，从而有利于SOC积累[14]。

表3　土壤有机碳含量与土壤养分的相关分析†Table 3　The correlation analysis between soil organic carbon content and the soil nutrient

3　结论与讨论

土壤有机碳主要来源于枯落物、根系分泌物和细根分解产生的碎屑[15]，而枯落物与根系分泌物及其被微生物分解形成的有机碳首先进入表层土壤，使得林地土壤SOC含量具有明显的“表聚作用”[6]。研究表明，桂西北喀斯特山区4种植被类型的表土具有丰富的土壤有机碳，但不同植被类型土壤SOC含量存在较大差异，土壤SOC含量大小依次为：常绿阔叶林（151.31 g/kg）＞常绿落叶阔叶林（145.33 g/kg）＞针阔叶混交林（90.61 g/kg）＞灌草丛（86.92 g/kg）；其中，常绿阔叶林、常绿落叶阔叶林与针阔叶混交林表层土壤有机碳含量差异不显著（P＞0.05），而与灌草丛之间差异显著（P＜0.05）；这与原生阔叶林土壤SOC含量显著高于针阔叶混交林与灌草丛[16-18]，与本研究结果基本一致。调查亦发现，灌草丛的植被建群种以灌木和草本为主，土壤SOC含量主要来源是少量地表枯落物和残根，不利于有机碳形成和积累[19]；针叶混交林，树种增多，地表枯落物包含有阔叶树种和较难被微生物分解利用硬质针叶[20]，细根生物量增加[21]，使得土壤SOC含量的积累逐渐增多；而阔叶林（常绿-落叶阔叶林和常绿阔叶林），地表枯落物以枯枝阔叶为主，且细根分布密集，质地松软，易于微生物分解，有利于表土土壤有机碳的长期积累，并维持稳定的土壤碳循环，因此，明显高于其他2种植被类型土壤SOC含量，表明该地区植被类型越是复杂，其表土土壤SOC含量越高。

研究结果显示，常绿阔叶林和常绿-落叶阔叶林这2种植被类型，土壤SOC含量增幅不明显，且差异不显著。究其原因，其一，常绿-落叶阔叶林处于生长旺盛的阶段，林内活跃的生命活动使得枯落物量、养分含量较大（表2），由于微生物对枯落物、细根的分解速率较快，有利于土壤SOC含量在较短时间内得到大量积累；其二，常绿阔叶林是经过漫长的演替而来，林分生长趋缓，由于林分的自疏作用，也会使枯落物量以及养分归还量有所减少，养分循环速率降低，土壤有机碳积累和周转趋于稳定状态，尽管如此，长期的原始积累仍使得常绿阔叶林表土存在着丰富的有机质和养分，这些因子的综合作用，导致常绿阔叶林与常绿-落叶阔叶林土壤SOC含量差异不显著。说明土壤SOC含量能够反映植被群落的分布格局和未来的演替趋势，并影响土壤潜在生产力[22]，因此，在特定的气候条件下，森林随着植被生长，土壤碳素形态和碳库之间会逐渐达到动态的稳定状态，可视为生态系统功能发挥的重要标志。

本研究中，从土壤有效肥力（速效N、速效P和速效K）含量大小的状况来看，常绿阔叶林＞常绿-落叶阔叶林＞针阔叶混交林＞灌草丛，这与于扬等[23]对于喀斯特峰丛洼地不同生态系统土壤肥力变化特征的研究结论相似，他们研究认为，随着森林植被的恢复，枯枝落叶等残留物的增加，在各种微生物分解作用下，分解的有机质以及含氮化合物进入土壤，土壤有效肥力得到明显的提高。相关性分析结果显示，4种植被类型的土壤剖面中，土壤SOC含量与速效N、全N、速效K均呈极显著或显著正相关，其中与全N的相关系数最大，与速效N的相关性次之。这4种植被类型土壤SOC含量和全N、速效N表现出显著相关性，表明土壤氮素积累与土壤有机质的输入关系密切。但也有研究发现，土壤质地、土壤持水特性、温度等因素对土壤有机碳分布也有着非常重要的影响[24-25]。

本研究中，4种森林类型的土壤SOC含量与其他喀斯特山区林地土壤SOC含量相比，明显高于袁海伟等[8]对桂西北喀斯特峰丛洼地耕地（19.36 g/kg）、退耕还草（15.31 g/kg）和退耕还林（18.89 g/kg） 以及受干扰林地（46.14 g/kg）等不同土地利用类型；同时，也高于贵州开阳[15]和贵州关岭[6]等森林植被类型土壤SOC含量；与云南曲靖不同森林植被群落土壤SOC含量相比[19]，也存在一定差异。说明桂西北喀斯特山区原始天然林植被与土壤养分之间达到了良好的平衡状态，建议应加强荒山荒地和残次林抚育管理，改善森林环境，增加植物物种多样性，才能保障植物、土壤养分和微生物之间良好的协调关系，促进该区域植被迅速恢复和生态重建。

由于不同植被类型土壤SOC含量的影响因素较为复杂，而且土壤SOC含量和分布，受成土母质、土壤理化性质、立地因子和植被类型等综合影响，这些因子必然会导致土壤SOC积累和周转方面产生差异；同时，研究学者所采用的研究方法、研究尺度、林分状况、土壤类型以及区域性环境因子（温度、降雨量）等因素亦存在较大差异[26]。因此，不同地区的植被类型、立地条件及其利用方式的改变等，对森林土壤有机碳的影响及其机制仍有待深入研究。

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