深圳市森林土壤主要类型有机碳分布特征

文 伟 彭友贵 谭一凡 史正军

(1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510640；2.深圳市红桂中学，广东 深圳 518001；3.深圳市仙湖植物园，广东 深圳 518004)

土壤碳库是陆地生态系统三大主要碳库 (土壤、大气和植被) 中最大的碳库[1]，全球土壤有机碳储量约为1 550 Pg[2]，是植被碳库的2～3倍，是大气碳库的2倍[3]。森林是陆地生态系统的主体，是陆地上最大的碳吸收汇，森林土壤碳储量占森林生态系统碳总储量的32%～84%[4-5]，在调节全球碳平衡、缓解大气二氧化碳浓度和气候变化方面具有举足轻重的作用。开展森林土壤有机碳研究，对全球森林生态系统碳循环研究及森林生态系统碳汇管理具有重要意义。目前，已有不少学者对森林土壤有机碳分布进行了研究，但多集中在森林土壤有机碳储量[6-11]、不同林分 (植被) 类型土壤有机碳分布[12-14]以及森林土壤有机碳空间分布[15-19]等方面，对于森林不同土壤类型的有机碳分布研究较少[20-21]。深圳市位于华南沿海，分布有华南沿海地区森林的主要土壤类型，其森林植被具有典型的沿海南亚热带森林生态系统特征，研究深圳市主要森林土壤类型的有机碳分布特征与碳储量，对了解华南沿海地区森林不同土壤类型的有机碳分布特点以及对我国沿海南亚热带森林生态系统的碳储量及碳循环研究具有重要作用。

1 研究区概况

深圳市位于广东省南部沿海、北回归线以南，东经113°45′44″～114°37′21″，北纬22°26′59″～22°51′49″，陆地面积194 963.5 hm2。地貌类型多样，以低山丘陵为主，其次为台地和冲积平原，境内最高峰梧桐山海拔为944 m。2013年有林地面积73 496.3 hm2，国家特别规定灌木林 (以下简称灌木林) 1 393.8 hm2，森林覆盖率41.5%。自然林为物种丰富、结构复杂、景观多样的南亚热带季风常绿阔叶林，壳斗科 (Fagaceae)、桃金娘科 (Myrtaceae)、金缕梅科 (Hamamelidaceae)、山茶科 (Theaceae) 和樟科 (Lauraceae) 等树种为优势种，面积34 750.0 hm2；人工林38 746.3 hm2，主要树种有桉树 (Eucalyptusspp.)、相思 (Acaciaspp.)、荔枝 (Litchichinensis)、龙眼 (Dimocarpuslongan)、杉木 (Cunninghamialanceolata)、马尾松 (Pinusmassoniana) 和木麻黄 (Casuarinaequisetifolia) 等。林地土壤主要有山地黄壤、山地红壤、赤红壤、滨海沙土和滨海盐渍沼泽土等类型，其中赤红壤分布最广。赤红壤分布于海拔300 m以下的丘陵山地和坡地；山地红壤主要分布在海拔300～600 m的山地中上部；山地黄壤主要分布在600 m以上的低山中上部；滨海沙土和滨海盐渍沼泽土分布于西南沿海海岸一带，受海水间歇浸渍和河流冲积演化而成。根据深圳市土壤普查资料 (深圳土壤普查办公室,1985) 和2013年林地地类分布资料 (广东省林业调查规划院,2014)，深圳市有林地和灌木林地中各土壤类型面积见表1。

表1 深圳市森林土壤主要类型的面积与调查样点数Table 1 Area and plot numbers of main forest soil types in Shenzhen City

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

根据各土壤类型的面积，结合林地状况的复杂性，确定各土壤类型的调查样点数，每一土壤类型的调查样点不少于3个，总计91个调查样点 (见表1)，采用任意抽样方法布设样点，样点分布见图1。根据91个土壤调查样点的有机碳含量和碳密度测试分析结果，在95%的概率保证程度下，抽样调查精度分别达到86.0%和90.4%。在每个调查样点挖取长1.5 m、深1.0 m的土壤剖面 (土层深度不足1.0 m时，挖至母质层)，每个剖面按Ⅰ层 (0～10 cm)、Ⅱ层 (10～30 cm)、Ⅲ层 (30～100 cm) 划分土层。土壤容重采用容积为100 cm3的环刀取样，每个土层取环刀样2个。土壤有机碳含量样品按自下而上的顺序逐层在各土层中部采集土壤约500 g带回实验室处理。

2.2 土壤样品测定

土壤pH值测定采用电位法，土壤容重测定采用环刀法，土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化-外加热法[22]。

图1 土壤调查样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites

2.3 数据处理

每个采样点的有机碳含量为各土层测定值按土层厚度的加权平均，碳密度与碳储量计算方法参照 《森林下层植被和土壤碳库调查技术规范》 (试行)[22]，运用Excel和SPSS进行数据处理和方差分析。

3 结果与分析

3.1 土壤pH值与土壤容重

全市森林不同土壤类型的pH介于4.55～5.01之间 (表2)，呈酸性，其中滨海沙土pH最高，与黄壤和红壤的pH差异显著 (P< 0.05)，其他4种类型土壤的pH差异不显著 (P> 0.05)。

表2 不同土壤类型的土壤pH值与容重Table 2 Soil pH value and volume weight of different soil types

注：不同字母表示差异显著(P< 0.05)。

各类型土壤的容重介于0.71～1.47 g/cm3之间 (表2)，其中盐渍沼泽土容重最小，与其他几种类型土壤的容重差异极显著 (P< 0.01)，其余类型土壤容重差异不显著 (P> 0.05)。不同土壤类型各土层的容重随土壤深度的增加而增大。

3.2 土壤有机碳含量及其垂直分布

不同类型土壤的有机碳含量相差较大 (表3)，介于2.76～29.07 g/kg之间，以盐渍沼泽土的有机碳含量最高，滨海沙土的有机碳含量最低，均与其余类型土壤的有机碳含量差异显著 (P< 0.05)。在山地土壤中，有机碳含量为黄壤 > 红壤 > 赤红壤，因为从低海拔至高海拔的土壤垂直分布是赤红壤—红壤—黄壤，随着海拔高度增加，气温下降，有机碳分解速率下降，有机碳含量随之增加。全市森林土壤平均有机碳含量为7.15 g/kg。

各土壤类型不同土层之间的有机碳含量差异明显，随着土层深度的增加有机碳含量减少，土层Ⅱ的有机碳含量比土层Ⅰ减少了23.90%～74.39%，土层Ⅲ的有机碳含量比土层Ⅱ减少了6.11%～61.41%。从各土壤类型来看，随土壤深度增加，土壤有机碳含量下降幅度最小的是红树林滨海盐渍沼泽土，土层Ⅲ比土层Ⅰ只减少了42.57%，表明红树林滨海盐渍沼泽土无论是表层土壤还是深层土壤均富含有机碳；其余土壤类型的降幅均在75.00%以上，其中黄壤降幅最大，达到83.70%。

表3 不同土壤类型有机碳含量Table 3 Soil organic carbon content of different soil types

注：不同字母表示差异显著(P< 0.05)。

3.3 土壤有机碳含量与pH、土壤容重的相关性分析

由于海滨盐渍沼泽土和滨海沙土的pH和有机碳含量受海潮影响大，与山地土壤变化规律不一致。通过黄壤、红壤和赤红壤的有机碳含量 (y，g/kg) 与pH (x) 的相关性分析，两者存在显著负相关性，回归方程为：

y= -2.815x+ 20.22

(R2=0.130,n=84,P< 0.05)

通过全部类型土壤的有机碳含量与容重的相关性分析，两者存在极显著负相关性，其回归方程为：

y= 45.226 - 27.689x

(R2=0.802,n=91,P< 0.01)

3.4 土壤有机碳密度及其垂直分布

各土壤类型的有机碳密度介于3.73～19.44 kg/m2之间 (表4)，其中以盐渍沼泽土的有机碳密度最大，是有机碳密度最小的滨海沙土的5倍。在山地土壤中，有机碳密度大小依次为红壤 > 赤红壤 > 黄壤，彼此之间差异不显著 (P> 0.05)；与有机碳含量不同的是，由于黄壤的土层厚度小于其他2种土壤类型，导致黄壤的有机碳密度比其他2种土壤类型的有机碳密度小。全市森林土壤平均有机碳密度为8.00 kg/m2。

表4 不同土壤类型有机碳密度Table 4 Soil organic carbon density of different soil types

注：不同字母表示差异显著 (P< 0.05)。

各土壤类型相同土层厚度的有机碳密度随土壤深度的增加而降低 (图2)，就10 cm厚土壤的有机碳密度比较，土层Ⅰ是土层Ⅱ的1.2～3.6倍、是土层Ⅲ的1.6～5.9倍。其中以盐渍沼泽土土层Ⅰ的土壤有机碳密度最大，为2.74 kg/m2；海滨砂土土层Ⅲ的土壤碳密度最小，只有0.29 kg/m2。黄壤、红壤和赤红壤不同土层的有机碳密度有明显的梯度，即土层Ⅰ与土层Ⅱ之间降幅为35.46%～48.72%，土层Ⅱ与土层Ⅲ之间降幅为50.44%～68.42%。而盐渍沼泽土各土层的有机碳密度变动幅度相对较小，各土层间降幅分别为18.70%和21.55%，且土层Ⅱ和土层Ⅲ的有机碳密度显著大于其他土壤类型相对应土层的有机碳密度。有机碳密度最小的滨海沙土土层Ⅰ与土层Ⅱ之间降幅达72.21%，而土层Ⅱ与土层Ⅲ之间的降幅仅6.52%。主要因为山地黄壤、红壤和赤红壤具有有机质层、淀积层和母质层的明显发育特征，土壤有机碳密度随不同发育层次而变化明显；盐渍沼泽土的成土母质为滨海沉积物，覆被植物红树林具有高生产率、高回归率和高分解率的特性，整个剖面有机碳含量较高；滨海沙土含沙量高，剖面中没有明显的土壤发生层次，有机碳主要分布在土壤表层，且经常受海水冲刷和海风吹刮，土壤表层枯落物和有机碳容易流失，深层土壤有机碳很难积累。

图2不同土壤类型土壤各层10cm厚度的有机碳密度
Fig.2 Organic carbon density of soil with 10 cm depth of different soil types

3.5 土壤有机碳储量及其垂直分布

深圳市森林各土壤类型的有机碳储量见表5。不同土壤类型的碳储量按大小排序依次为赤红壤 > 红壤 > 黄壤 > 盐渍沼泽土 > 滨海沙土，全市森林土壤有机碳总储量为581.01 × 104Mg。土壤有机碳储量主要受各类型土壤面积和土壤碳密度影响。赤红壤面积占全市森林总面积的89.85%，有机碳储量占全市森林土壤有机碳总储量的88.77%。红树林海滨泥滩碳密度高，其面积占森林总面积的0.13%，碳储量占总储量的0.33%。滨海沙土面积最小，碳密度最低，面积占全市森林总面积的0.04%，碳储量占总储量的0.02%。

表5 不同土壤类型有机碳储量Table 5 Soil organic carbon storage of different soil types

在各土层有机碳储量中，土层Ⅰ有机碳储量占土壤有机碳总储量的27.19%；土层Ⅱ有机碳储量占28.76%；土层Ⅲ有机碳储量占44.06%。土壤有机碳储量大部分储存于0～30 cm的土壤表层。从各土壤类型来看，黄壤、红壤0～30 cm土层的有机碳储量占各自有机碳储量的比例最大，分别为73.15%和63.88%；其次是赤红壤和海滨砂土，0～30 cm土层的有机碳储量所占比例分别为54.88%和45.97%；盐渍沼泽土0～30 cm土层的有机碳储量所占比例最小，只有37.00%。

4 结论与讨论

4.1 森林土壤有机碳分布特征

受成土母质、地形、植被、气候等因素影响，不同土壤类型之间有机碳含量和有机碳密度存在差异，其中盐渍沼泽土、滨海沙土分别与山地黄壤、红壤和赤红壤差异显著。盐渍沼泽土的森林植被为红树林，是生长在热带、亚热带海岸潮间带受周期性潮水浸淹的潮滩湿地木本群落，高的生产量和回归量加上地下根系周转比较缓慢，土壤水分饱和，微生物活动相对较弱，高的沉积速率和低的分解速率导致红树林盐渍沼泽土具有很高的固碳潜力[23]，我国红树林土壤平均有机碳含量为 (30.5 ± 0.7) g/kg[24]，远高于陆地森林土壤有机碳含量的一般水平 (7.25～26.55 g/kg)[9,16,20]。滨海沙土为潮积沙土和水化性风积沙土，土壤有机质和各养分元素含量极低[25-26]，加上经常受到台风和海水的侵蚀，凋落物以及土表输入的有机质很容易流失而得不到积累。黄壤、红壤和赤红壤的有机碳含量分布规律与广西森林土壤的有机碳研究结果一致，为黄壤 > 红壤 > 赤红壤，但有机碳含量和有机碳密度均远小于广西相应的土壤类型[20-21]，可能是因为广西属云贵高原向东南沿海丘陵过渡地带，水热条件良好，林分和林地质量较深圳好。

不同土壤类型对土壤有机碳含量的影响主要表现在土壤表层，随着土壤深度增加，有机碳含量均依次递减，不同土壤类型之间的有机碳含量差异逐渐缩小。除滨海盐渍沼泽土外，其他类型土壤0～10 cm土层有机碳含量最高与最低差值为19.37 g/kg，10～30 cm土层的差值为9.60 g/kg，而30～100 cm土层的差值只有2.45 g/kg。因为植物凋落物和根系对土壤碳库的影响主要集中在土壤表层，随着土层的加深，受凋落物分解输入的影响越来越弱，细根数量也逐渐减少，而细根对土壤碳库的贡献率高达25%～80%[27]，且81%～92%的土壤微生物集中分布在0～30 cm土层[28]，微生物代谢和土壤呼吸速率随土层加深而减弱。

全市森林土壤平均有机碳密度为8.00 kg/m2，远小于我国森林土壤平均有机碳密度 (11.59～19.36 kg/m2)[7,29-30]。深圳森林土壤有机碳密度相对较小的原因主要有以下几个方面：一是深圳位于纬度较低的南亚热带低海拔地区，气温高，雨量充沛，虽植被生产力较高，但土壤动物和微生物代谢活跃，土壤呼吸速率和土壤有机质分解较快，碳输出量较大；二是深圳市森林土壤类型主要为赤红壤，其面积占森林总面积的89.85%，其次是红壤和黄壤，赤红壤的有机碳含量远低于红壤和黄壤[20-21]；三是深圳市森林以人工林以及幼龄林、中龄林居多，林分结构简单，林分质量不高，乔木林单位面积蓄积量只有广东省平均水平的77.4%、全国平均水平的39.0%，再加上人为干扰强度大，经济林下的枯枝落叶和下层植被被定期清理，许多原生植被遭到破坏，影响了土壤有机碳的积累。深圳市森林土壤有机碳密度低，森林土壤碳储量还有很大提升空间。通过对森林植被结构和功能的调控可增加土壤有机碳的固定和储量[16]，如加强人工林的抚育管理，将低产低效林分、树种单一林分和部分经济林改造为多树种、复层结构的混交林，加大种植碳汇功能较强的乡土阔叶树种等。

4.2 土壤pH值和容重对土壤有机碳含量的影响

深圳市山地森林土壤pH分布范围4.13～5.45，为酸性土壤，有机碳含量与pH值呈显著负相关性 (P< 0.05)。土壤pH直接影响土壤微生物的数量、种群结构及其生物活性[31]，从而影响土壤有机质的分解与转化。土壤中大多数微生物活动的最适pH一般在中性附近，过酸或过碱都不适宜微生物活动。深圳市森林土壤呈酸性，pH越小越不适宜微生物活动，土壤有机质的分解与转化越缓慢，土壤中积累的有机碳就越多。本研究与戴万宏等[32]、郭志华等[33]和张慧东等[34]的研究结论一致。但有的研究结果显示，酸性土壤中有机碳含量与土壤pH呈正相关关系[35-36]，这可能与局部区域土壤质地、林分类型等因素影响有关，如吉林蛟河千金榆 (Carpinuscordata) 混交林的土壤有机碳含量与pH值呈显著负相关，而春榆 (Ulmusjaponica) 混交林、白牛槭 (Acermandshuricum) 混交林和色木槭 (Acermono) 混交林的土壤有机碳含量与pH无显著相关性[37]，具体原因有待进一步研究。

深圳市森林土壤有机碳含量与土壤容重呈极显著负相关性 (P< 0.01)，与方运霆等[38]和祖元刚等[39]的研究结论一致。土壤容重反映了土壤的结构、透气性、透水性、保水能力以及土壤肥力等状况，土壤容重越小说明土壤结构、通气透水能力越好，通常腐殖质含量越丰富，有机碳含量和肥力越高。深圳市红树林盐渍沼泽土容重只有森林土壤平均容重 (1.36 g/kg) 的52.20%，而有机碳含量是平均含量的4.07倍。杜有新等[40]研究显示，土壤有机碳含量与土壤容重的相关性受坡向影响，庐山北坡土壤有机碳与土壤容重存在显著的负相关关系，而南坡则没有相关关系。