北江流域森林土壤碳养分特征及分布格局*

许窕孜 卢奇锋 康 剑 何 茜 丁晓纲

（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.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642； 3.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的关键指标，不仅为植物的生长发育提供各种营养物质，还为保持良好的土壤物理结构发挥了重要作用[1]。森林土壤是陆地生态系统中最大的碳库，存储了陆地生态系统73 %以上的碳[2]，约占森林生态系统有机碳库的2/3[3]，是维持全球碳收支平衡中不可或缺的一部分。土壤有机碳含量和垂直分布是重要的碳库指标[4]，土壤有机碳主要来自于动植物及微生物的遗体、排泄物及其部分分解产物和土壤腐殖质，其含量分布受林分特征、地形因子、人类活动等因素的影响，而这些环境因子和人为因素在区域上存在较大的空间变异性，因此土壤有机碳含量也随之存在高度的空间异质性[5]。聂浩亮等[6]对海坨山不同林分类型下的土壤有机碳含量和有机碳密度的垂直分布特征进行研究，结果发现不同林分类型土壤有机碳含量垂直变化趋势相同：从表层向下逐渐降低，表聚性明显。张中瑞等[7]探究了梅州市林地土壤有机碳储量和空间分布特征，研究结果表明梅州市林地土壤碳含量空间分布格局为东高西低，且随着土层的加深，有机碳含量呈逐渐减少的变化趋势。正确评估区域森林生态系统土壤有机碳含量，掌握其空间分布格局和垂直尺度变异特征，是调整森林碳汇、实现森林生态可持续发展的重要依据[8]。

北江作为珠江水系干流之一，其流域面积很广，覆盖了大面积的森林，近年来针对珠江水系土壤有机碳的研究已有不少，包括不同地类的土壤有机碳分布[9]、常绿阔叶林土壤有机碳组分研究[10]、土壤碳储量及有机碳时空变化规律[11]等，但关于其干流北江流域的森林土壤碳养分特征研究还存在空白。因此，本研究以北江流域为研究区域，通过对其流域面积内的森林土壤进行调查，测定不同土壤层次（0～20 、20～40、40～60 和60～80cm）土壤有机碳含量，探究其碳养分含量特征及空间分布格局，旨在为评估北江流域森林土壤肥力状况、制定合理的森林经营规划提供数据支持，也为森林碳汇研究奠定基础。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

北江是珠江流域第二大水系，发源于江西省赣州市信丰县石碣大茅坑，主流流经广东省韶关市、清远市至佛山市三水区思贤滘，与西江相通后汇入珠江三角洲。干流长573 km，集水面积52 068 km2，占珠江流域总面积的10.3%。区域地貌以山地丘陵为主，主要的土壤类型为山地黄壤、红壤、赤红壤、石灰土等。北江流域属亚热带季风型气候，季风影响显著，阳光充足，热量丰富。大气环流随季节变化，夏季盛吹东南风和偏南风，冬季常为北风和偏北风。四季的主要特点为春季阴雨，雨日较多；夏季高温湿热，水气含量大，暴雨集中；秋季常有热雷和台风雨；冬季低温，雨量稀少。流域覆盖森林面积十分广泛，主要的森林植被类型为常绿阔叶林、落叶阔叶林、山地常绿阔叶林和针叶林等，以壳斗科、樟科、山茶科、木兰科等为主要科[12]。

1.2 调查及采样方法

根据研究区森林植被、地形、气候特征等状况，采用专题样点布设和空间随机样点布设相结合的方式，依据土壤属性空间分布预测模型质量要求，在清远市英德市、清城区、清新区、佛冈县，韶关市林地土壤调查区域内生成抽样网格，并进行无人机踏查及各调查专题点的高分辨率DEM 衍生数据提取，确定土壤样点布设位置及调查线路[13]，共计174 个样点，样点分布如图1 所示。韶关市调查时间为2020 年7—9 月，清远市为2021 年7—9 月。根据样点布设情况，结合林相图的地籍小班号进行现场踏查，在所在样点坐标半径100 m 内，选取具有代表性的位置挖取剖面。

图1 研究区位置及样点分布Fig. 1 Location and sample distribution of the study area

每个样点挖取3 个土壤剖面，各剖面水平距离 应 大 于10 m。 每 个 剖 面 长1.2～1.5 m， 宽0.8～1.0 m，各剖面每隔20 cm 分层取样，每个样点3 个剖面共采集样品4 层/个×3 个（剖面）=12 份。采集后的土壤样品用封口袋盛装，并及时带回实验室，风干、过筛后以用于测定土壤有机碳含量。

1.3 指标测定方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法[14]。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2021 软件进行数据处理和汇总，用SPSS 25.0 计算Kolmogorov-Smirnov 值以检验数据是否符合正态分布（显著水平α=0.05），用ArcGis 10.7 进行克里金空间插值[15]计算得到土壤有机碳含量空间分布特征，用R 绘制有机碳箱线图。

2 结果与分析

2.1 北江流域森林土壤有机碳描述性统计

北江流域森林土壤有机碳含量状况如表1。由表可知，该区域森林土壤有机碳含量在垂直剖面上呈现随土层加深逐渐降低的规律，各土层土壤有机碳含量均值不同，其中，0～20 cm 土层有机碳含量（18.91 g·kg-1）约为60～80 cm 土层有机 碳 含 量（9.81 g·kg-1）的 两 倍，20～40 cm 和40～60 cm 土层有机碳含量介于两者之间，分别为13.57 g·kg-1和11.40 g·kg-1。就峰度和偏度而言，40～80 cm 土层略高于0～40 cm 土层。各土层土壤有机碳含量变异系数均属于中等程度变异，变异程度由大到小依次为60～80 cm（52.85 %）＞46～60 cm（51.06 %）＞20～40 cm（46.48 %）＞0～20 cm（41.80 %）。

表1 北江流域森林土壤有机碳含量Table 1 The status of forest soil organic carbon in Beijiang River Basin

2.2 北江流域森林土壤有机碳含量垂直分布特征

不同土层土壤有机碳含量垂直分布情况如图2所示，总体规律表现为有机碳含量随土层深度加深逐渐降低，0～20 cm 土层土壤有机碳含量显著高于其它土层（P＜0.05），20～40 cm 土层土壤有机碳含量显著高于40～60 cm 土层和60～80 cm 土层，并且40～60 cm 土层土壤有机碳含量与60～80 cm土层间也有显著差异。

图2 0～80 cm 土层土壤有机碳含量分布Fig. 2 Distribution of soil organic carbon content in 0～80 cm soil layer

2.3 北江流域森林土壤有机碳空间分布格局

北江流域不同土层土壤有机碳含量的空间分布如图3 所示。总体来看，土壤有机碳含量呈现随土层加深逐渐减少的现象。0～20 cm 土层，北江流域有机碳含量主要分布特征为西高东低、南高北低、中部较高，其中，西部和中部地区有机碳含量普遍大于19.94 g·kg-1，北部地区有机碳含量普遍低于14.87 g·kg-1，其他地区多在14.87～19.94 g·kg-1之间。20～40 cm 土层，北江流域土壤有机碳含量主要呈南高北低、中部较高的现象，南部和中部地区土壤有机碳含量普遍大于13.92 g·kg-1，北部和东南部地区土壤有机碳含量普遍低于10.58 g·kg-1，其他地区多在10.58～13.92 g·kg-1之间。40～60 cm 土层，北江流域土壤有机碳含量总体分布格局为中部高、西高东低、南高北低，其中，中部、南部和西部大部分地区土壤有机碳含量高于12.54 g·kg-1，北部和东部大部分地区土壤有机碳含量低于7.09 g·kg-1，其他地区多在7.09～12.54 g·kg-1之间。60～80 cm 土层，北江流域有机碳含量主要呈现趋势与40～60 cm 土层相似，西南部绝大部分地区土壤有机碳含量高于10.76 g·kg-1，其他地区普遍为7.17～10.76 g·kg-1，仅有北部少部分地区土壤有机碳含量低于7.17 g·kg-1。

图3 北江流域土壤有机碳空间分布Fig. 3 Spatial distribution of soil organic carbon in Beijiang River Basin

3 结论与讨论

森林土壤有机碳库在改善土壤结构、提高土壤肥力等方面发挥着重要作用，是陆地生态系统中不可或缺的一部分。北江流域森林土壤有机碳含量在0～80 cm 土层上的变化范围为9.81～18.91 g·kg-1，而全国土壤有机碳养分的平均水平为11.13 g·kg-1[16]，可见，北江流域表层土壤的有机碳含量较丰富，碳养分充足。研究区各土层土壤有机碳含量变异系数范围为41.80 %～52.85 %，属中等变异程度，各土层之间土壤有机碳含量变化不大。总体而言，北江流域森林土壤有机碳含量在垂直剖面上的分布随土层深度加深逐渐降低，呈现明显的表聚现象。这与程浩等[17]对武夷山不同海拔高度土壤有机碳含量变化特征的研究结果一致，胡正超等[18]关于天山北坡中段土壤有机碳含量的研究结果也与之相似。其主要原因与地表凋落物的聚集和分解有关，还与植物根系分布和土壤微生物活动有关。一方面，植被的凋落物主要聚集在土壤表层，加上表层土壤的温度、湿度、土壤质地等环境因子会加速凋落物的分解，其分解产物首先在表层累积，腐殖质也随之堆积，随着土层加深，土壤质地更紧实，导致有机质等分解产物向深层土壤的输送有所限制，进而使土壤有机碳含量减少[19]；另一方面，植物根系大量分布在表层土壤，只有部分深根系植物会分布在深层次的土壤中，且土壤微生物因表层土壤的通气性较好等因素，在表层的活动更加频繁，加速表层土壤的有机质分解[20]。

森林土壤的空间分布格局主要受地形、气候和土壤条件的影响[21]，其次，森林植被类型、土壤微生物活动等也会对其空间分布造成影响。本研究表明，北江流域森林土壤有机碳含量空间分布格局总体为西高东低、南高北低。这可能是北江流域各林区的森林植被有所差别，导致植被生产力差异，造成地下和地上生物分配格局不同，进而影响到森林土壤的空间分布格局[22]。其次，还可能是由于流域区域土壤砂质和人为因素的原因，在降雨和微生物的共同作用下，由于土壤渗透性强，土壤有机质垂直运输较快，该地区的有机碳含量随深度降低就慢[8]。可见，造林树种的选择和森林抚育措施通过改变凋落物数量，进而影响土壤有机质分解速率，对森林土壤碳库造成影响[4]，因此，需采取合理的森林经营措施，以提高北江流域森林的固碳能力，提高森林生态系统生产力。