雄安“千年秀林”土壤肥力综合评价及碳储量与碳通量研究

刘雨沙，王 琛，朱会营，韩 建，吉艳芝，张丽娟

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省城市森林健康技术创新中心，河北 保定 071000；

2.天域生态环境股份有限公司，上海 200082 )

城市森林在改善城市环境方面发挥着重要作用，其美化城市、净化空气、减少灰尘和噪音、保持水土、涵养水源、调节城市生态平衡等，是城市生态系统的重要组成部分。森林土壤是植被生长的物质基础，是保护森林环境的重要生态屏障，林区土壤的好坏直接关系到森林质量及其生态服务功能的提供［1］。针对不同景观林区进行土壤肥力状况调查，能够更好地反应林区土壤质量差异。目前，运用地统计学和GIS 相结合的方法分析研究区域的土壤养分空间变异特征已经得到广泛应用，该方法能够有效解释空间格局对土壤的影响，有利于探讨土壤养分与环境因子之间的关系，为森林土壤的合理规划和利用提供科学依据及技术支撑［2-3］。

土壤是全球陆地系统中最大的碳库载体，在陆地碳循环研究中，土壤碳扮演着至关重要的角色［4］，森林土壤中的碳约占全球土壤有机碳的73%，输出碳库的主要过程之一就是土壤CO2的排放［5］，森林土壤碳储量及碳排放的变化会对全球碳循环和气候有着重要的影响［6］。

河北雄安新区是国家级新区，，所以新区内生态系统以及生态环境保护与修复工作引起各界重视。研究此区域土壤呼吸动态变化及影响因素，土壤肥力状况及碳储量、碳通量可为今后“千年秀林”的建设与管理提供支撑，进而提升其生态服务功能，推进雄安新区生态文明建设和维护国家生态安全。

本文通过绘制雄安新区“千年秀林”9 号地一区土壤肥力空间分布图，明确各景观类型的土壤肥力状况，结合土壤碳储量、碳通量及其与土壤理化性质之间的相关性，探明影响土壤碳储量及碳通量的主要因素，充分发挥“千年秀林”地区生态效益功能，以期为以后城市森林的建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省雄安新区平王乡镇及雄州镇两镇交界，南侧紧邻白洋淀水域，总面积332.31 hm2。林区属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，年均气温11.7 ℃，最高月（月）平均气温26 ℃，年日照2 685 h，年平均降雨量 551.5 mm。无霜期 185 d 左右。

“千年秀林”工程于2017 年正式启动，9 号地一区是造林的先期启动地块。林区5 大景观类型林区基本同时开始建设，采取多种混交模式，以打造近自然异龄复层混交林为主。生态基础林是指此林区多种植常绿阔叶混交林；多彩花林是指此林区在大面积种植开花亚乔木的基础上搭配常绿树种；森林草原是指在常绿落叶混交林中设置林间草地；森林果园是在常绿落叶混交林中设置果园；近自然林是保留了一部分当地原始种植的植被，其他区域使用常绿阔叶混交林填补。景观中所涉及到的常绿阔叶混交林的种植密度为705 株/hm2，常绿树种的种植密度为795 株/hm2，开花亚乔木的种植密度为1 590 株/hm2，苹果、梨、桃、柿的种植密度为1 500 株/hm2，原始种植的植被多为当地居民种植的杨树，种植密度不一。由于建设“千年秀林”所需树苗数量较多，来源无法统一，无法确定各标段具体苗龄，大部分树苗苗龄多集中在5 ～7 年。

1.2 土壤综合肥力评价

1.2.1 土壤样品采集与测定 造林前土壤样品的采集：造林时在5 个景观林区未种植被的空地采用随机布点的方式采集0 ～30 cm 土壤样品，样本数量具体为：生态基础林6 个、多彩花林9 个、森林草原8 个、森林果园9 个和近自然林8 个，共计40 个。

造林后土壤样品的采集：2020 年9 月在5 个景观林分种植区采用随机布点的方式采集0 ～30 cm土壤样品，样本数量具体为：生态基础林16 个、多彩花林26 个、森林草原19 个、森林果园19 个和近自然林20 个采样点，共计100 个。

以上采样点均利用奥维地图定位并记录（图1）。在每个样点使用土钻采集1 kg 左右土样，装入封口袋做好标记带回实验室；同时另取1 份200 g 左右新鲜土样放入冰盒4 ℃冷藏遮光保存带回实验室，过筛去除石块、动植物残体等备用，用于微生物量碳氮的测定；在0～30 cm 土层中间位置取环刀测定土壤含水率及容重；将1 kg 左右土样带回实验室后，捡去石块、动植物残体，自然风干并研磨，分别过2、1 和0.25 mm 筛备用，过1 mm 筛的土样用于蔗糖酶和过氧化氢酶活性的测定。

图1 造林前（a）、造林后（b）采样点分布图Fig.1 Distribution map of sampling sites beforeafforestation(a)、after afforestation(b)

测定项目及造林前土壤肥力状况如表1 表2 所示，测定方法参照《土壤农化分析》及中国团体标准［7-9］。

表1 造林前不同景观类型土壤有机质与养分状况Table 1 Soil organic matter and nutrient status in different landscape types before planting

表2 造林前不同景观类型土壤生物与物理性状及综合肥力指数Table 2 Biological and physical characteristics and comprehensive fertility index of soil in different landscape types before planting

1.2.2 土壤综合肥力评价及空间分布图的绘制采用主成分分析法对雄安“千年秀林”土壤肥力质量进行综合评价［10］。首先应用极差变换法对数据进行标准化，再应用SPSS 软件通过因子分析首先得出各参评土壤指标主成分特征值和特征向量，根据特征值＞1 选为关键主成分，计算各主成分得分，再利用综合得分公式求出各样点土壤肥力综合分值。此外，由于土壤容重在1.14～1.26 g/cm3时有利于根系的生长，过大或过小都不利于植物的生长，标准化的数值应在1.14～1.26 g/cm3时最大，故对土壤容重的数据做特殊处理，具体方法如下［11］。

设定最适区间［c，d］=［1.14，1.26］，aj0=0.41为无法容忍下限，aj*=1.98 为无法容忍上限［12］

当aij＜0.41 或aij＞1.98 时，bij=0

当0.41≤aij＜1.14 时，bij=1-(1.14-aij)/(1.14-0.41)

当1.14≤aij≤1.26 时，bij=1

当1.26＜aij≤1.98 时，bij=1-(aij-1.26)/(1.98-1.26)

运用ArcGIS 10.2 将样点的土壤肥力指标及综合分值进行克里金插值，其中土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、含水率、微生物量碳、微生物量氮、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性插值均划分为6 个等级，容重划分为3 个等级，将土壤肥力综合指数分为4 个等级（＞0.5 为1 级、0 ～0.5 为2 级、-0.5 ～0 为3 级、＜-0.5 为4 级），进而绘制“千年秀林”土壤各肥力指标及综合分值空间分布图。

1.3 土壤碳通量与碳储量

在不同景观林区土壤采样点附近（具体分布见图1），使用LI-8100 土壤呼吸仪测定碳通量季节变化，季节变化测定时间为春（2021 年4 月）、夏（2021 年7 月）、秋（2021 年10 月）3 季，每天测定时段为9:00—11:00，因冬季土壤处于冻土期，CO2排放几乎为零，不予测定［13-14］。测定前将半径10 cm 的PVC 土壤环提前24 h 打入土中，出露地表5 cm，在不扰动土壤的前提下清除表面植物及枯落物。同时在LI-8100 土壤呼吸仪上安装土壤水分及土壤温度探头，在测定碳通量的同时采集土壤温度及土壤水分数据。

本研究利用日均土壤碳通量换算季度土壤CO2通量，进而估算全年土壤CO2排放量［13,15］。计算公式为：

式中：Fluxci—各季节日均排放量（μmol/m2·s）

12—碳的摩尔质量

60×60×24—换算为1 d 的排放量

10-5—换算系数（包括μmol 换算为mol，10-3；g 换算为t，10-6；m2换算为hm2，104）

n—各季节的自然天数

单位面积有机碳储量为有机碳含量、容重、样品采集土层厚度（30 cm）的乘积［16］。

单位面积有机碳储量

(t/hm2)=SOC×ρb×H×10-1

式中：SOC—土壤有机碳含量（g/kg）

Ρb—土壤容重（g/cm3）

H—土壤厚度（30 cm）

10-1—换算系数（包括土壤有机碳换算为每g 土的含量，10-3；g 换算为t，10-6；cm2换算为hm2，108。）

1.4 数据分析

数据使用Excel2020、ArcGIS10.1进行绘图，SPSS21.0对不同景观、树种间土壤理化指标进行方差分析并对林区土壤碳通量及土壤肥力指标进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 林区土壤肥力状况及其空间分布

2.1.1 林区土壤养分状况及其空间分布 由表3 可知，森林果园土壤有机质含量显著高于其余景观；生态基础林的土壤碱解氮含量处于较高水平，显著高于其余景观；土壤有效磷含量表现为生态基础林最高，森林果园次之，多彩花林最低；土壤速效钾含量则是近自然林最高，与其余景观差异显著；森林草原、森林果园的土壤有效铁含量显著低于其他景观；生态基础林、多彩花林、森林果园3 地土壤有效锰含量较高；土壤有效铜以近自然林含量最高，多彩花林和森林草原含量较低；生态基础林、森林果园、近自然林的有效锌含量显著高于多彩花林、森林草原两地。

表3 不同景观类型土壤养分状况比较Table 3 Comparison of soil nutrient status among different landscape types

如图2 所示，林区土壤有机质含量在13 ～18 g/kg范围内，东北部区域土壤有机质含量较高，基本处于16 ～18 g/kg；东北部区域碱解氮含量显著低于其他区域，西部及南部区域大都处于40 mg/kg 以上；土壤有效磷大部分区域分布在30 mg/kg 以上，北部区域含量较高；土壤速效钾含量区域变化显著，由北到南呈逐渐降低的趋势。

图2 不同土壤养分状况空间分布Fig.2 Spatial distribution of different soil nutrient status

土壤有效铁西北部及南部区域含量较高，东北部区域则小于8 mg/kg，含量较低；各区域有效锰含量差异不大，均在6 ～10 mg/kg，仅西南部小部分区域含量低于6 mg/kg；土壤有效铜含量的区域变化较为显著，由北向南含量逐渐增加；土壤有效锌含量西北部区域最高，东北部偏低，南部区域有效锌含量差异较小，均在0.75 ～1.25 mg/kg 之间。

2.1.2 土壤质地、容重、储水量及其空间分布由表4 可知，各景观类型土壤质地均为砂质壤土。其中多彩花林的平均土壤容重为1.37 g/cm3，高于生态基础林（1.26 g/cm3），其余景观类型则在1.29 ～1.32 g/cm3之间。土壤储水量则为多彩花林景观土壤最低，生态基础林和近自然林景观林区较高。

表4 不同景观类型土壤质地、容重、储水量比较Table 4 Comparison of soil texture, bulk density and water storage among different landscape types

由图3 可知，林区土壤容重多在1.25 ～1.35 g/cm3间，只有西部区域小部分高于1.35 g/cm3；土壤储水量方面，林区南部的储水量较高，在80 mm 以上，西部部分区域小于70 mm；土壤质地方面，大部分区域土壤质地为砂质壤土，南部区域多为壤土，仅西北区域小部分为壤质砂土。

图3 不同土壤质地、容重、储水量空间分布Fig.3 Spatial distribution of different soil texture, bulk density and water storage

2.1.3 土壤微生物碳氮、酶活及其空间分布 表5为不同景观类型下土壤生物学性质，各处理间微生物量碳及蔗糖酶活性差异显著（P＜0.05），而微生物量氮、过氧化氢酶活性方面无显著差异（P＞0.05）。其中多彩花林的微生物量碳含量最高，近自然林最低，二者均与其余景观类型达差异显著；蔗糖酶活性方面则为生态基础林最高，森林草原和近自然林活性较差。

表5 不同景观类型土壤微生物碳氮、酶活比较Table 5 Comparison of soil microbial carbon, nitrogen and enzyme activities in different landscape types

如图4 所示，林区土壤微生物量碳含量均在100 mg/kg 以上，西北部区域含量较高，在150 mg/kg以上；微生物量氮方面，大部分区域含量在40 ～50 mg/kg 以上，西南区域含量最低；林区仅有少部分零散区域的蔗糖酶活性较高，在25 mg/g 以上，其他大部分区域的蔗糖酶活性在10 ～20 mg/g；过氧化氢酶活性除多彩花林西北部、森林果园东北部和近自然林中部含量较低外，其他区域的过氧化氢酶活性均大于4 mL/g。

图4 不同土壤微生物碳氮、酶活空间分布Fig.4 Spatial distribution of carbon, nitrogen and enzyme activities of soil microorganisms

2.1.4 综合肥力空间分布 本研究中所有土样数据的KMO 统计量为0.632，Bartlett 的球形检验值小于0.001，说明数据符合主成分分析要求，根据特征值大于1 的原则筛选出的6 种主成分解释了75.80%的结果。综合得分范围在-0.68～1.08 之间，依据综合得分范围，将土壤肥力划分为如下4 个等级：1 级（F＞0.5）、2 级（0＜F＜0.5）、3 级（-0.5＜F＜0）和4 级（F＜-0.5）。

雄安“千年秀林”综合肥力等级的空间分布如图5 所示，西北部区域生态基础林的综合肥力得分较高，土壤综合肥力等级均为2 级及以上；林区大部分土壤综合评价等级为2 ～3 级，占地面积最大，均分布于多彩花林、森林草原、森林果园及近自然林景观；近自然林极少数区域土壤肥力得分＜-0.5，综合肥力较差。各景观类型土壤综合肥力得分较本底值均有提升。

图5 土壤综合肥力指数空间分布Fig.5 Spatial distribution of soil comprehensive fertility index

2.2 碳通量特征及相关性分析

2.2.1 碳储量与碳通量 由表6 可知，多彩花林、森林草原、近自然林3 大景观林区土壤有机碳储量相对于原始储量有一定的提升，但生态基础林和森林果园林区碳储量略低于原始储量。各景观CO2年排放通量由高到低依次为森林果园＞森林草原＞近自然林＞多彩花林＞生态基础林。林区整体季节碳排放为15.61 t/hm2。其中夏季碳排放量最大，为9.44 t/hm2；其次为秋季(4.33 t/hm2)和春季(1.84 t/hm2)。

表6 不同景观类型土壤碳储量及碳排放Table 6 Soil carbon storage and carbon emission in different landscape types

2.2.2 碳通量、碳储量与土壤肥力相关性 通过对林区不同景观的土壤碳通量、碳储量与土壤肥力相关关系进行分析（图6），结果表明，土壤碳通量与土壤有机质含量和微生物量碳含量呈显著正相关，相关系数为r=0.236*、r=0.300*；土壤有机碳储量与土壤有机质含量、土壤容重、土壤蔗糖酶呈显著正相关。其他土壤肥力性质均未表现出与碳通量、碳储量显著的相关关系。

图6 土壤碳通量（a）、碳储量（b）与土壤肥力相关分析Fig.6 Correlation analysis of soil carbonflux(a)、carbon reserve(b)and soil fertility

3 结论

（1）通过对雄安新区“千年秀林”9 号地一区综合肥力空间分布状况分析得出，生态基础林土壤碱解氮、有效磷、有效锰、有效锌含量均高于其余景观，主成分分析综合肥力指数显示生态基础林土壤均处于2 级及以上水平，土壤肥力提升效果最佳。

（2）多彩花林、森林草原、近自然林三大景观林区土壤的固碳能力略有提升，但生态基础林和森林果园林区碳储量略低于原始储量。

（3）不同景观林区土壤碳通量均为夏季高，春秋低。CO2排放速率表现为森林果园＞森林草原＞近自然林＞多彩花林＞近自然林，这与土壤有机质含量、微生物量碳含量指标含量显著相关。

本研究发现此区域生态基础林景观在提升土壤综合肥力方面效果显著，而多彩花林能够在增加土壤固碳能力的同时减少土壤碳排放，因此建议9 号地块进行林地管理时在其他景观合理混植春季开花的亚乔木或灌木，后期建设的其他地块也应考虑打造生态基础林、多彩花林景观。雄安“千年秀林”大部分林区土壤的固碳能力略有提升。今后应加强对林区土壤条件的监测以优化林区管理，提高林区土壤固碳能力。此外，本研究明确了不同景观林区碳通量及其影响因素，发现林区土壤碳通量除受土壤水热条件的影响外，景观类型、植被种类对土壤呼吸也有一定的影响，因此关于不同景观类型的土壤异养呼吸以及不同植物根系呼吸的研究还有待于进一步加强。