粤北不同林分类型土壤有机碳含量和碳储量垂直分布特征研究*

王 洋 何超银 齐 也 江 瑶,2孙冬晓 赵志明 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）

“碳达峰、碳中和”是目前全球范围关注的热点问题，2021 年，中国政府作出“力争2030 年前实现碳达峰，2060 年实现碳中和”的重大战略决策。众多研究表明，陆地生态系统是重要的碳汇，在维持全球碳收支平衡中起着关键的作用[1]。土壤是陆地生态系统的最大碳库，储存的碳量约占全球陆地碳库的3/4[2]。作为土壤的重要组成部分，森林土壤中储存着全球土壤2/3 以上的有机碳[3]，对于有效调节碳平衡，实现双碳目的具有重要的作用。

森林土壤中有机碳主要来自于凋落物和根系，其固碳速率受森林类型、气候、生境、树龄和人为干扰等多种因素的影响[4]。不同类型的森林土壤碳储量的计量可以丰富区域水平碳汇数据资源，为碳循环研究提供数据支撑。研究不同植被的土壤有机质碳储量及其相关规律成为近年来的热点问题，已有学者对杉木Cunninghamia lanceolata、桉树、马尾松Pinus massoniana、落叶混交林等植被类型下土壤的碳储量进行了研究，也有关于粤北生态公益林区杉木林与其它典型林分碳储量的研究[5-7]，但主要侧重于不同林分和龄组之间碳储量的差异比较，未揭示不同林分土壤有机碳储量的垂直分布特征。

本文通过对粤北3 种林分类型的土壤有机碳含量和碳储量进行调查研究，旨在分析不同林分类型下土壤有机碳含量及垂直空间分布特征，以丰富区域水平碳汇数据资源，评估不同林分类型土壤肥力状况和森林碳汇能力，也为预测不同植被森林碳储量、科学选择碳汇树种、提升区域森林碳汇水平提供科学依据。

1 研究区概况

仁化县隶属于韶关市，位于广东省北部，即粤北地区。坐标为113°75′E，25°09′N，总面积2 223 km2，属亚热带季风气候区，年平均气温为19.9 ℃，年平均降雨量为1 661 mm，无霜期308天。地貌大体北高南低，地形复杂，以山地丘陵为主，其中山地约占70%、丘陵约占20%、小平原占10%，总体走向为东南向。仁化县处赤红壤地带，土壤类型复杂多样，成土母岩多为花岗岩，小部分为玄武岩，山地丘陵为母岩风化形成的赤红壤，土壤普遍呈酸性。

2 研究方法

2.1 土壤样点布设

调查仁化县3 种主要林分类型：杉木林、阔叶混交林和针阔混交林的土壤有机碳含量。采用专题布点和空间随机布点相结合的方式，依据土壤属性空间分布预测模型质量要求，在仁化县3 种主要林分类型的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[8]，共布设58 个样点，其中杉木林、针阔混交林、阔叶混交林分别布设27、19、12 个样点。

2.2 土壤样品采集

将布设样点的地理坐标定位到林相图上的地籍小班，借助GPS 找到样点区域。根据样点布设要求信息，如地籍号、植被类型、坡位、坡向、坡度、坐标点等，在误差允许范围内（所在小班距离样点坐标半径100 m 内）选择土壤发育条件稳定，没有经过挖沟、整修等人为扰动的地方，确定剖面点位置，进行调查。

在每个样点挖掘3 个土壤剖面（长1.2～1.5 m，宽0.8～1.0 m，高1.0～1.2 m），分5 层取样，由上至下依次为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，用环刀在各土层中部采集环刀土，用于测定土壤容重；另在每层均匀采集土壤（不少于500 g），装入密封袋带回实验室，用于测定土壤有机碳含量。

2.3 样品测定方法

土壤容重采用环刀法测定[9]，土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[10]。

2.4 土壤碳储量计算

土壤碳密度及碳储量计算公式为[6]：

式中：C为一定深度土层土壤有机碳储量，t·hm-2；Di为第i层土壤容重，g·cm-3；Mi为第i层土壤碳含量，g·kg-1；Hi为第i层土层厚度，cm；n为土层数。

2.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2019 软件进行数据处理和汇总，应用SPSS 25.0 软件进行统计学分析。采用单因素方差分析不同层次土壤有机碳含量、碳储量的差异，用LSD 法进行显著性多重比较,然后根据全国第二次土壤普查规定的土壤养分分级标准[11]进行评价。

3 结果与分析

3.1 3 种林分类型土壤有机碳含量垂直分布特征

在0～100 cm 土层深度中，3 种林分类型土壤有机碳含量介于12.89～14.25 g·kg-1之间（表1），对应土壤肥力III 级。其中杉木林的有机碳含量最高，为14.25 g·kg-1，其次为阔叶混交林和针阔混交林，有机碳含量分别为13.87 g·kg-1、12.89 g·kg-1。对于同一林分类型来说，0～20 cm 土层有机碳含量最高，并与其他土层之间差异性显著，除杉木林80～100 cm 土层有机碳含量略高于60～80 cm 土层外，其他林分类型各土层有机碳含量均随着土层的加深而逐渐降低。

图1 3 种林分类型土壤有机碳垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil organic carbon of three stand types

表1 3 种主要林分类型土壤有机碳含量Tab.1 The state of soil organic carbon on forest land of three stand types

3.2 3 种林分类型土壤碳储量

由表2 和图2 可知，3 种林分类型中，杉木林的碳储量最高，为171.58 t·hm-2，其次为阔叶混交林和针阔混交林，碳储量分别为163.34 t·hm-2、152.09 t·hm-2。对于同一林分类型来说，0～20 cm 土层碳储量最高，约占全部土层碳储量的25%～30%，并与其他土层之间差异显著，除杉木林80～100 cm 土层碳储量略高于60～80 cm 土层外，其他林分类型各土层碳储量均随着土层的加深而逐渐降低。

图2 3 种林分类型不同深度土壤碳储量Fig.2 Soil organic carbon stock of main stand types among different depth

表2 3 种主要林分类型土壤碳储量垂直分布特征Tab.2 The vertical distribution of soil carbon density on forest land of three stand types

4 结论与讨论

3 种主要林分类型土壤1 m 剖面内，杉木林的有机碳含量最高，其次为阔叶混交林和针叶混交林，猜测主要因为不同林分类型的树种生长特性不同。杉木人工林在林龄5 a 左右林冠郁闭，5～19 a 期间杉木有大量枯死枝[12]，随后大量脱落经腐殖分解后转化成有机碳分布于土壤中，故杉木林有机碳含量最高。与杉木林相比，阔叶混交林和针阔混交林枯枝落叶较少，且生物多样性相对较高。此外，不同林分类型下，森林植被的凋落物、林下植被、根系范围、土壤微生物生活环境、人为干扰等一系列因素均会对土壤有机碳的含量产生影响[13]。

本研究3 种林分类型土壤有机碳含量随土层深度的垂直变化规律基本一致，均表现为表层即0～20 cm 土壤有机碳含量最高，且与其他层次土壤差异性显著。随着土层深度的加深，土壤有机碳含量逐渐减少，且变化幅度逐渐减弱。这与前人研究结果一致[14-15]，这是因为土壤中有机碳的来源主要是枯枝落叶、地表凋落物和植物根系，这些枯落物集中分布在表层土壤中，加之此层微生物活动及一些生化反应活跃，枯落物在腐殖化过程中释放的有机碳进入了表层土壤。随着土层的加深，受到生物和外界环境的影响逐渐减小，因而深层土壤有机碳含量较低，且变化幅度逐渐减缓。需要指出的是，杉木林80～100 cm 土层有机碳含量略高于60～80 cm 土层，这可能因为杉木人工林受到人为因素干扰较大，部分样点存在水土流失现象，或受到不同环境因素的制约，产生了轻微差异。

3 种林分类型中，杉木林土壤1 m 剖面内碳储量最高，其次为阔叶混交林和针叶混交林，这与三者有机碳含量的变化规律基本一致。杉木林土壤碳储量高于其他两种林分类型的原因可能是杉木林种植密度相对较大，且枯枝落叶较多，林下凋落物积累量大。另外，杉木林受人为活动，如施肥等干扰较大，这都会对土壤碳储量产生一定的影响。对于同一林分类型而言，0～20 cm 土层碳储量最高，约占全部土层碳储量的25%～30%，并与其他土层之间差异性显著，除杉木林80～100 cm土层碳储量略高于60～80 cm 土层外，其他林分类型各土层碳储量均随着土层的加深而逐渐降低，这说明土壤有机碳储量具有表聚现象[16]。但不同于以往研究的37%～49%，表层土中碳储量的比重仅占整个土壤有机碳含量的约25%～30%，这可能与研究区域所处的气候、降雨和环境因素有关，需要进行再深入的研究。

本研究对粤北3 种林分类型土壤有机碳含量和碳储量的垂直分布特征进行分析研究，结果表明土壤有机碳含量和碳储量的垂直分布具有表聚性，且不同林分类型的碳汇能力表现为杉木林＞阔叶混交林＞针阔混交林。事实上，除林分类型、土壤深度外，土壤有机碳含量及碳储量还受到海拔、林龄、经营方式等多方面的影响。因本文旨在较大尺度上衡量粤北地区3 种林分类型的整体有机碳含量及碳储量，故综合了海拔、坡度、坡向、林龄、郁闭度等多方面的因素，选取了各具代表性的样点。下一步可控制其他干扰因素，研究各因素对土壤有机碳和碳储量分布的影响，为提升森林的碳汇能力提供理论指导。