论析针叶林土壤有机碳分布特征——以清远市为例

刘锐邦

（清远市笔架山林场，广东 清远 511500）

0 引言

森林是陆地生态系统的主体，其中具有巨大的碳库对大气和气候有重要影响。土壤碳库是陆地生态系统的重要组成部分，对全球碳循环具有重要作用。森林生态系统具有固碳能力强、固碳能力大、生态服务功能突出等特点。全球森林面积和蓄积量分别占全球陆地总面积和总蓄积量的50%和60%以上，森林土壤碳库约占陆地生态系统碳库的70%～80%。近年来随着全球气候变暖等问题的出现，森林碳库研究越来越受到人们的重视。土壤有机碳是森林生态系统最重要的组成部分，其中与森林碳循环密切相关，研究土壤有机碳含量、空间分布特征及其影响因素对于制定森林经营策略、提高森林生态系统固碳能力具有重要意义。本文研究选取了广东省清远市典型针叶林土壤为研究对象，对不同植被类型下的土壤有机碳含量、空间分布特征及其影响因素进行研究，以期为区域森林生态系统的可持续发展提供科学依据。

1 研究地点

1.1 自然气候概况

清远市位于广东省中部偏北，介于东经111°55′17″—113°55′34″，北纬23°26′56″—25°11′40″，南北相距190km，东西相距约20km，边界线长1200 余km，属中亚热带季风气候，日照充足，雨量充沛。其年平均气温21.4℃，年平均降雨量为1836.6mm，年均无霜期347d。全市地貌可分为山区、丘陵和平原3 种类型。山地面积约占总面积的78%，以中低山为主；丘陵面积约占21%；平原面积约占11%。

1.2 森林生态系统

清远市的森林生态系统包括常绿阔叶林森林生态系统、落叶阔叶林森林生态系统、常绿与落叶阔叶混交林森林生态系统、针阔混交林森林生态系统和暖性针叶林森林生态系统5 种类型，以常绿阔叶林和针阔混交林为主，主要分布在交通不便的边陲地带和中部崇山峻岭狭谷间，多为天然阔叶林和针阔叶混交林，这是全市的主要水源林资源。

常绿阔叶林以壳斗科、樟科、山茶科、金缕梅科科等为主，乔木以红锥、白锥、木荷、红润楠、甜锥及阿丁枫、亮叶猴耳环和山杜英为多数。

落叶阔叶林在清远市保护地分布较少，主要由枫香、圆叶乌桕群落构成，层间分布有华南朴、小栾树、白背叶等，林下分布有四射景天、豺皮樟等。

针阔混交林一般是常绿阔叶林被砍伐后或者人工栽种的马尾松、杉木等近自然化，形成的混交林，大多由松树、杉木等针叶林和喜光向阳的阔叶树种如黧蒴栲、木荷、鸭脚木、枫香等共同构成，群落结构简单，属于群落演替中的过渡阶段。另外，还有部分由华南五针松、南方铁杉、福建柏、大果马蹄荷、五列木、甜锥和青冈等组成。

常绿与落叶阔叶混交林在清远市分布范围较小，呈现出过渡地带性，为群落多样性的一个重要表现，主要由常绿的榕树、假苹婆、秋枫、阴香、粗糠柴和落叶的青檀、圆叶乌桕、黄连木、南酸枣、任豆等为优势物种。

暖性针叶林是半自然及人工的植被类型，主要分在保护区边缘地带。多数是常绿阔叶林遭受破坏后，由人工栽培马尾松或侵入迹地天然更新生长起来的常绿针叶林，林下灌木既有桃金娘和岗松，又有檵木，充分反映了南亚热带与中亚热带的过渡特征。此外还有人工栽培的杉木常绿针叶林。人工营林的生态系统面积较大；松树适应性广，耐旱耐瘠，粗生快长，全市各地都有分布，这是一种先锋常绿针叶林系统。

2 研究方法

2.1 样点选取

本次研究选根据研究区植被、地形和气候特征，采用专题样点布设与空间随机样点布设相结合方式，共布设样点134 个，具体分布如图1 所示。

图1 清远市针叶林样品分布

样品采集方法采用人工挖掘法，将土壤样品取出后在室内自然风干，然后将风干的土壤放入塑料袋中保存待用。采用空间代替时间的方法对土壤有机碳含量进行分析，将采集的样品按5m×5m 的网格进行编号，每个网格面积为1m2，每个样方设置4 个重复，每个重复设置3 个土壤表层（0～20cm）样品。完成样品采集后即用塑料袋分装好带回实验室进行分析。土壤样品经研磨后装入塑料瓶，放置在烘箱中，在80℃条件下烘干至恒重。完成相关准备工作后，取各土层土样30g，加入4g 重铬酸钾溶液（pH=12）搅拌均匀，再加入25g 氢氧化钠溶液（pH=12）搅拌均匀后放入塑料瓶中，继续振荡1h，静置24h 后过滤待用。将过滤液与上清液混合后再用水稀释至100mL 左右取上清液测定有机碳含量[1]。

2.2 数据处理与分析

在ArcGIS9.2 软件中利用地图投影功能将采样点数据投影到0°、30°、60°、90°和120°角下，将采样点数据投影到同一坐标系中。采用ArcGIS9.0 软件对数据进行栅格化，栅格化后的数据用DepositionImage 插件进行处理，通过Mapinfo 对不同地形部位（即坡向和坡向）进行分析，根据采样点的分布特征绘制地形部位图，利用GeoHy 对植被类型进行分析，并在ArcGIS 软件中绘制出不同植被类型的分布图。利用地统计学中的克立格法、插值法和克里格法计算土壤有机碳密度，通过比较不同地形部位、植被类型和土壤有机碳密度的空间变异情况来分析不同地形部位和土壤有机碳密度的空间分布特征。此外由于土壤有机碳密度与土壤厚度密切相关，因此对不同地形部位、植被类型和土壤有机碳密度的空间变异特征进行研究。在相同地形部位，地形越高，土壤厚度越薄，土壤有机碳密度越小；在相同植被类型下，植物多样性指数较高的区域其土壤有机碳密度也较大；在相同植物多样性下，草本覆盖度较大的区域其土壤有机碳密度也较大。最后在空间自相关性分析方面主要采用常规统计分析方法对土壤有机碳密度的空间变异特征进行分析。利用普通Kriging 插值方法对不同地形部位、植被类型和土壤有机碳密度的空间相关性进行研究。以平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）为评价标准，对不同地形部位、植被类型和土壤有机碳密度的空间自相关性进行分析[2]。

3 结果分析

从上述研究方法最后可以判断出，土壤有机碳含量随土层深度增加呈指数函数递减，0～20cm 土层有机碳含量最高，20～40cm 次之，＞40cm 最低。不同海拔高度间土壤有机碳含量差异显著（P＜0.05），海拔600m 处土壤有机碳含量最高，为166.28g/kg。0～20cm 土层有机碳含量与海拔高度呈极显著负相关（P＜0.01），20～40cm 土层与海拔高度呈极显著正相关（P＜0.01）。而不同植被类型间土壤有机碳含量差异显著（P＜0.05），具体表现为阔叶林＞针叶林＞灌丛。从总体来看，针叶林土壤有机碳密度最大为21.26t/hm2，灌丛最小为0.22t/hm2；阔叶林最大为0.35t/hm2；针叶林最小为0.22t/hm2。不同植被类型土壤有机碳值的空间变异性较大。具体表现为阔叶林＞针叶林＞灌丛。具体碳含量描述内容如表1 所示。

表1 清远市针叶林有机碳含量描述统计

3.1 土壤有机碳空间分布概括

结合清远市地形以及气候特点来看，土壤有机碳密度整体呈东南向西北递减趋势，其中针叶林、阔叶林和灌丛土壤有机碳密度分别为5.16t/hm2、5.49t/hm2和6.45t/hm2，均属于较高水平；而海拔600m 处土壤有机碳密度最高，为18.34t/hm2，随着海拔升高土壤有机碳密度呈递减趋势，这与前人研究结果一致。海拔600m处土壤有机碳密度大于700m 处，原因可能是海拔600m 处为山体的顶部，受重力作用影响较大，而海拔700m 处为山体的中部，受地形限制较小，海拔700～1000m 处为山体的中部，地势平坦开阔。海拔1000～2000m 处为山体的中部，地势较高且坡度较缓。可判断土壤有机碳密度与海拔、坡度呈显著负相关关系。

3.2 影响因素分析

土壤有机碳是土壤养分的重要组成部分，直接影响着植物的生长和发育，进而影响着土壤肥力的形成和发展。随着全球气候变暖，我国的气温也呈现出逐渐上升的趋势，气温的升高必然导致土壤温度的升高，导致土壤中微生物活性增强，植物吸收营养物质和水分的能力增强，从而导致土壤有机碳含量不断增加。同时温度升高也会促进植物根系对养分的吸收，提高了植物体内碳含量。随着全球变暖加剧，温度每升高1℃，我国每年约有40 万t 有机碳释放到大气中。本研究表明海拔、坡度对土壤有机碳含量有显著影响，海拔越高土壤有机碳含量越低；坡度对土壤有机碳密度有显著影响，坡度越大其土壤有机碳密度越大。因此在实际生产中要因地制宜地进行森林经营管理。同时应注意适当采伐针叶林地减少养分流失、控制林地水土流失、保护生物多样性。此外不同森林类型和不同地形部位在相同年份间土壤有机碳库及其各组成均存在显著差异。针叶林和阔叶林0～20cm 土层的C/N 比范围在12～19，均大于灌丛和灌草林0～20cm 土层的C/N 比；针叶林0～20cm 土层C/N 比为10.67～19.97，高于阔叶林和灌丛0～20cm 土层的C/N 比，，针叶林和阔叶林0～20cm 土层的C/N 比均小于灌丛和灌草林[3]。

4 讨论

不同植被类型的土壤有机碳含量具有明显差异，阔叶林、灌丛和针叶林土壤有机碳含量分别为6.36g/kg、5.98g/kg 和5.42g/kg，3 种植被类型土壤有机碳密度分别为10.17g/kg、10.08g/kg 和9.72g/kg，这表明土壤有机碳含量与植被类型有关。各土层有机碳含量均为粘粉粒（0～20cm）＞细砂粒（20～40cm）＞粗砂粒（40～80cm）。随着土层深度增加，0～20cm 土壤有机碳含量呈现先增加后减少的趋势，而＞20cm 土壤有机碳含量呈持续增加的趋势。在本研究中影响土壤有机碳的因素有很多种，如地形、气候、土壤类型、植被类型等。在以往的研究中主要是研究某一区域的森林植被对区域内生态环境的影响[4]。本研究首次从空间角度研究了广东省清远市针叶林土壤碳库分布特征及影响因素。通过野外调查和室内分析相结合的方式获取了清远市针叶林土壤理化性质和碳库分布数据，分析了清远市针叶林土壤碳库的空间分布特征及影响因素。结果表明：①清远市针叶林0～20cm 土层的有机碳含量最高（7.47g/kg），20～40cm土层次之（5.92g/kg），＞40cm 土层最低（2.85g/kg）。②清远市针叶林土壤碳库密度和空间变异程度均为：阔叶林＞针叶林＞灌丛；针叶林碳库密度和空间变异程度最大（146.89g/kg）。③不同地形部位的植被类型对区域内生态环境的影响存在显著差异（P＜0.05）；在海拔600m处的植被类型对区域内生态环境影响最大（12.26g/kg）。④不同地形部位的土壤碳库密度和空间变异程度存在显著差异（P＜0.05），海拔600m 处的植被类型对区域内生态环境影响最大（146.89g/kg）。⑤不同植被类型的土壤碳库密度和空间变异程度存在显著差异（P＜0.05），阔叶林＞针叶林＞灌丛；在海拔600m 处的植被类型对区域内生态环境影响最大（12.26g/kg）。研究结果可为清远市乃至广东省地区森林植被的科学经营管理和碳固存提供理论依据，同时也为广东省乃至全国范围内的森林植被恢复和生态环境保护提供科学依据[5]。

5 结语

综上所述，清远市针叶林土壤有机碳分布具有一定的空间和时间特征。从空间上看，海拔高度和土壤类型对有机碳含量产生显著影响。高海拔地区由于气候条件限制，土壤有机碳含量较低，而中低海拔地区因为更好的生态条件，土壤有机碳含量相对较高。不同的土壤类型也会导致有机碳分布的差异。在时间上看，森林演替过程、自然因素和人为活动均对土壤有机碳积累和变化产生影响。因此需要通过全面了解清远市针叶林土壤有机碳分布特征，采取有效的管理措施，实现土壤有机碳的平衡和增加，促进生物多样性的保护和生态系统的可持续发展。