西江下游流域森林土壤有机碳空间分布特征*

齐 也 丁晓纲 王 洋 江 瑶,2康 剑,2 孙冬晓 卓桂珠 张中瑞

(1. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2.中国科学院华南植物园，广东广州 510650）

随着碳达峰和碳中和目标确立，陆地生态系统碳汇功能成为学术界与政府关注的焦点。土壤有机碳是陆地生物圈中最大的有机碳库[1]，储量为大气碳库和陆地生物量碳库的3倍左右，其波动会造成CO2浓度发生大幅变化，进而影响全球气候[2]。土壤有机碳主要来源于各类植物凋落物、死亡植物体及根系，能为植物生长提供所需要的养分，有机碳不仅是评价土壤肥力的至关因素，而且是全球碳循环的重要组成部分[3]，对土壤养分供给、土壤理化性质、土壤结构改善和减少环境负面影响等具有重要作用。

土壤有机碳的贮存受到温度、降水和海拔等因素的影响，土壤碳的变化特征与分布格局仍不确定，因此了解森林土壤中有机碳空间分布特征，揭示土壤有机碳含量水平及垂直方向上的空间分布特征，对于研究区域内的土壤肥力评价、森林土壤资源利用、科学施肥以及土壤源污染防治等具有重要意义[4-7，11]。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

西江是华南地区最长的河流，珠江水系中最长的河流，为中国第三大河流。研究区域主要位于西江下游流域途径的江门市鹤山市、蓬江区和新会区。属亚热带季风气候，冬季盛行东北季风，夏季是西南季风，春秋为转换季节。冬短夏长，雨量丰沛，光照充足。无霜期在360 天以上，全年无雪。年平均气温在23 ℃左右，上川岛略高。研究区域内森林植被主要以常绿阔叶植物为主；土壤类型多为赤红壤，土质肥沃。

图1 森林土壤样点布设Fig.1 The layout of forest soil samples in the lower reaches of Xijiang River Basin

1.2 土壤样点调查、采样方法及指标测定

2021 年7 月，根据研究区域内的森林植被、地形等特征，采取专题布点与随机布点相结合的方法，依据土壤属性空间分布预测模型质量要求，在西江下游流域最终选取121 个采样点。选择植被、地形条件(坡向、坡位等)具有代表性的地点作为剖面点，为保证土壤调查结果科学可靠，在每个样点选择具有代表性的地带挖掘3 个剖面，剖面水平间距不小于10 m。取样时每个剖面分D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm）、D5（80～100 cm），共5 层 由 下至上分别全层取样，每个样品不少于500 g；将采集后的样品进行密封保存，带回实验室后进行自然风干，研磨筛选后制样，后采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳含量[8-10]。

1.3 数据处理及制图

采用Excel2010 对数据进行初步整理计算，并用R 软件进行可视化，采用SPSS 26.0 软件对森林土壤有机碳的含量描进行述性统计、相关性分析等，并采用ArcGIS 10.3 软件绘制空间分布图进行模型预测[11-12]。

2 结果与分析

2.1 不同土层森林土壤有机碳含量描述性统计

西江下游流域森林土壤分为5 个土层，由表层至深层依次为D1、D2、D3、D4、D5 层，不同土层有机碳含量描述性统计如表1 所示。不同土层森林土壤有机碳含量从大到小依次为D1（15.57±8.40 g/kg）＞D2（11.29±5.73 g/kg）＞D3（10.80±6.64 g/kg）＞D4（10.04±6.42 g/kg）＞D5（9.57±6.53 g/kg），按照土层从高到低，有机碳含量依次减少。5 个土层有机碳含量的平均值和中位数由表层至深层均依次降低，平均水平最高的D1土层比平均水平最低的D5 土层高出6 g/kg。有机碳含量的最小值在D4 土层为2.28 g/kg，有机碳含量的最大值在D1 土层为49.86 g/kg；有机碳含量在D1 土层的变化最大，最大值和最小值之间相差47.08 g/kg。根据D1～D5 土层的偏度值显示，5 个土层均呈现偏正态分布；峰度的最大值在D3 土层为7.34，表明D3 土层的土壤数据分布最集中；峰度的最小值在D2 土层为4.51，表明D2 土层的土壤数据分布最离散。

表1 西江下游流域森林土壤有机碳含量统计Table 1 Statistics of forest soil organic carbon content in the lower reaches of Xijiang River Basin

2.2 不同土层森林土壤有机碳含量对比分析

西江下游流域森林土壤4 个土层有机碳含量箱线图如图2 所示。根据有机碳含量箱线图显示，D1 与D2～5 土层之间均存在极显著差异，D2 与D5 土层之间存在显著差异。有机碳含量的平均水平在D1 土层达到最高，D2～5 土层逐渐降低。其余各土层之间的有机碳含量均不存在显著差异，空间变异性小，该区域土壤有机碳含量相对稳定。由土壤有机碳含量箱线图可知，各层样点数据均存在特异值，本研究采用影响系数法对特异值进行修改。

图2 西江下游流域森林土壤有机碳含量箱线图Fig. 2 Boxplot of forest soil organic carbon content in the lower reaches of Xijiang River

2.3 各土层森林土壤有机碳含量空间分布特征

通过处理分析不同土层森林土壤碳含量的数据，对西江中下游流域森林土壤有机碳含量分布进行模型预测（图3），D1、D2、D3、D4 和D5土层有机碳含量分别主要分布于2.78～49.86 g/kg、2.34～36.9 g/kg、2.58～43.6 g/kg、2.28～34.89 g/kg和2.42～34.74 g/kg 之间。从水平方向上看，D1-D5土层森林土壤有机碳含量的空间分布整体上均呈现西南部高东北部低的变化趋势，其中东南部有部分地区的有机碳含量也较高；东部靠近西江流域森林土壤有机碳含量分布相对较低，远离水系区域，有机碳含量分布相对较高。从垂直方向上看，D1～D5 土层有机碳含量整体上呈现出先升高后下降的变化趋势，有机碳含量在D3 土层最高，在D4～D5 层略有下降，考虑是研究区域内土壤理化性质对有机碳含量的影响，或是由于有机碳在不同土层发生淋溶作用产生的结果。

图3 西江下游流域不同土层有机碳含量空间分布Fig.3 Spatial distribution map of organic carbon content in different soil layers in the lower reaches of Xijiang River Basin

3 结论与讨论

西江下游流域森林土壤有机碳含量在2.28～49.86 g/kg 之间，平均值为11.45 g/kg。土壤有机碳由表层至深层依次为D1、D2、D3、D4 和D5，各土层有机碳含量分别分布于2.78-49.86 g/kg、2.34-36.9 g/kg、2.58-43.6 g/kg、2.28-34.89 g/kg 和2.42-34.74 g/kg 之间。根据D1～5 土层的偏度值显示，5 个土层均呈现偏正态分布。D1 与D2～5土层之间均存在极显著差异，D2 与D5 土层之间存在显著差异。有机碳含量的平均水平在D1 土层达到最高，D2～5 土层逐渐降低。其余各土层之间的有机碳含量均不存在显著差异，空间变异性小，该区域土壤有机碳含量相对稳定。

从水平方向上看，D1～D5 土层森林土壤有机碳含量的空间分布整体上均呈现西南部高东北部低的变化趋势，其中东南部有部分地区的有机碳含量也较高；东部靠近西江流域森林土壤有机碳含量分布相对较低，远离水系区域，有机碳含量分布相对较高。从垂直方向上看，D1～D5 土层有机碳含量整体上呈现出先升高后下降的变化趋势，有机碳含量在D3 土层最高，在D4～D5 层略有下降，考虑是研究区域内土壤理化性质对有机碳含量的影响，或是由于有机碳在不同土层发生淋溶作用产生的结果；随着土壤深度的增加，土壤有机碳含量呈现出逐渐降低的趋势，尤其在0～40 cm土层中，土壤有机碳含量下降速度较快，随深度的增加逐渐趋缓[13]。在接下来的研究中应进一步对影响土壤有机碳含量的因素（地形因子、土壤理化性质等）进行分析[14]，结合土壤中有机碳空间分布特征，更好的为我国森林土壤有机碳储量的研究提供数据基础。