莽山3种主要林分类型土壤有机碳分布规律

熊 丹，吴立潮，何介南

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

莽山3种主要林分类型土壤有机碳分布规律

熊 丹，吴立潮，何介南

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

为了研究莽山地区3种林分类型土壤有机碳的分布特征，于2013年7月在莽山国家森林公园选择3种不同林分类型不同海拔的9个样地，采集0～100 cm剖面土样，分析土壤有机碳含量和土壤全氮全磷等各肥力指标，研究其土壤有机碳垂直分布特征和与土壤理化性质指标的相关性。结果表明：（1）不同林分土壤有机碳含量及密度的大小顺序为常绿阔叶林＞针阔混交林＞针叶林。（2）不同海拔样地有机碳含量及密度差异显著，且随着海拔的升高而增加，在针叶林和针阔混交林中，高海拔地区有机碳含量显著高于低海拔地区。（3）土壤有机碳含量随剖面增加而降低。对于0～20 cm土层，针叶林有机碳含量频率分布较分散，其次是针阔混交林，常绿阔叶林含量分布相对较集中。且各土层有机碳含量均主要分布在0～50 g·kg-1的范围内。（4）除森林类型的影响外，坡度、坡向和坡位等地形地貌因素也会显著影响森林土壤的有机碳含量，样地Z1有机碳含量显著高于同林分类型其它样地，可能就是受坡度坡位等因素的影响。（5）3种林分类型土壤有机碳含量与土壤不同理化指标间均存在不同的相关性。常绿阔叶林土壤有机碳含量有效镁、全氮含量在0.01水平极显著相关。针叶林土壤有机碳含量与有效镁、全氮和容重在0.01水平极显著相关。针阔混交林土壤有机碳含量与氨氮、有效镁、全氮、全磷以及容重在0.01水平极显著相关，与pH在0.05水平显著相关。

土壤有机碳；林分类型；垂直分布；莽山

土壤有机碳是土壤有机质重要的组成部分，既是土壤肥力的关键指标，可为植物提供多种营养元素（如N、P、K），又是全球碳循环的重要组成部分[1]。土壤有机碳库巨大，特别是森林土壤碳储量占全球土壤碳储量的73%[2]，其含量及动态变化在土壤质量演变和全球碳循环过程中具有重要地位。此外，有机碳能与土壤中其他组分形成不同粒径的团聚体及其他化合物，使得土壤具有通气性、渗透性以及缓冲性，还能够吸附土壤中的重金属以及其他有毒有害物质[3-4]，从而降低这些土壤污染物的毒害作用，故有机碳的研究已涉及到土壤学、环境毒理学和环境化学等诸多领域。

国内外开展了大量的关于土壤有机碳的研究，有研究表明森林土壤有机碳主要分布于0～100 cm深度的土壤内[5-7]。Grand等[8]认为土壤有机碳含量及其活性受成土因素和人为活动长期相互作用的影响，因而能够表征土壤质量；国内分析了多种类型[9]土壤中的有机碳含量分布特征及其影响因素，得到不同土层有机碳分布是具有显著地带性特征的。因此，加强对不同地带性森林土壤有机碳分布特征的研究，对于认识森林土壤有机碳在陆地生态系统碳循环中的地位和作用、防止森林土壤有机碳库损失、土壤肥力退化等具有重要意义[10]。本研究选择典型亚热带地区莽山9个不同海拔高度的森林剖面土壤，测定有机碳含量、密度及土壤理化性质各肥力指标，以揭示不同林分类型土壤有机碳分布规律及其影响因子，为莽山地区森林土壤碳储量合理评测以及土壤肥力保持提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

莽山国家森林公园位于湖南省东南部，南岭山脉北麓，24°43′43″～ 25°03′12″N，112°45′19″～113°0′10″E。莽山的成土母岩是由斑晶和微斑晶花岗岩构成，绝大部分土壤是在花岗岩母质上形成的。成土母质以坡积物各残积物为主，坡积物主要分布在山腰和缓坡地段，残积物主要分布在山脊山峰的陡坡地段。莽山属南岭山地中山地貌，系骑田岭北支南岭山脉受燕山造山运动的影响，地面切割作用强烈，海拔相对高差高达500～800 m。复杂的地形、丰沛的降水、较大的相对高差，使得莽山的土壤、植物呈现出明显的垂直带状分布。自山脚到山顶依次分布着红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地草甸土等土壤类型，并且植被类型呈地带性分布，属中印半岛—华南植物区系的北缘地，亦即华南植物区系与华中植物区系的过渡地带，是中国东南部基本上属原生型常绿阔叶林及中山针阔混交林的最大面积保存地。

1.2 样地设置与样品采集

按森林生态系统土壤定位研究方法，在3种不同海拔高度（即600 m以下，600～1 200 m，1 200 m以上）的有代表性的植被类型内设置标准地，样地面积为600 m2（20 m×30 m），总计有个9标准样地，其中常绿阔叶林、针叶林、针阔混交林样地各3个，根据沿对角线在每个样地设置个4土壤剖面，每个剖面按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm及60～100 cm采土，每层取1 kg以上土，每层打2个环刀，将样品带回实验室，自然风干，用木棒碾碎，过目尼龙筛，装瓶待测。各样地基本情况见表1。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤有机碳测定

本研究在测定土壤有机质时，选取重铬酸钾-分光度法，具体实验过程如下：称取过尼龙蹄的土样于消解管中，分别加入0.1 gHgSO4固体和5 mL（0.27 mol/L）重铬酸钾溶液，摇匀，再缓慢加入浓7.5 mL浓硫酸轻轻摇匀。将试管放入控温消煮炉，设置温度为135 ℃，当温度接近时100 ℃时，将消解管放入加热孔。当温度为135 ℃时开始计时，加热30 min后，关掉消煮炉停止加热，取出消解管水浴冷却至室温，加入约50 mL水，继续冷却至室温，用水定容至100 mL刻线，摇勾。将定容后试液静置，取约80 mL上清液至离心管中，以离心再静置至澄清，于波长585 nm处，用1 cm比色皿，以超纯水为参比测吸光度，然后测定土壤有机碳含量。

表1 样地土壤及植被基本概况Table 1 The basic overview of soil and vegetation

1.3.2 土壤有机碳密度计算

各森林类型土壤层（0～100 cm）有机碳密度(tC/hm2)[11]：

式（1）中，TSOCj为森林土壤层（0～100 cm）平均有机碳密度（tC/hm2），SOCj为j土层有机碳含量（g/kg），γj为j土层容重（g/cm3），Hj为j土层厚度（cm），m为土壤剖面土层数（本研究中，Hj取20 cm和40 cm，m取4层）。

1.3.3 土壤容重、pH值、养分测定

采用环刀法测定土壤容重；采用酸度计法测定土壤pH值；测定全氮采用凯氏定氮法；全磷的测定采用间断化学分析仪，全钾则采用火焰光度计法，土壤氨氮、硝态氮和亚硝态氮采用氯化钾溶液提取－分光光度法测定；有效镁的测定均采用原子吸收分光光度法。

1.4 数据处理

采用SPSS19.0显著性F测验和Duncan 多重比较法（P＜ 0.05）进行分析，图形采用 Origin Pro 8.5.1 进行处理。

2 结果分析

2.1 三种林分类型有机碳含量

由表2可知，莽山各海拔高度的0～100 cm深土壤有机碳含量的算术平均值在16.39～31.11 g·kg-1之间，其中常绿阔叶林土壤平均有机碳含量（26.66 g·kg-1）高于针阔混交林（21.73 g·kg-1），高于针叶林（22.96 g·kg-1）。对于不同林分类型样地，相同深度土层土壤中有机碳含量差异性不同，其中0～20 cm土层的有机碳含量差异最显著，其次是20～40 cm层，40～60 cm土层有机碳含量差异不明显（P＞0.05）。

所有3种林分类型中，同一林分的不同深度土层（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm及60～100 cm）之间有机碳含量均具有极显著性差异（P＜0.01）。而且随着剖面深度的增加，土壤有机碳含量显著下降。

表2 3种林分类型土壤有机碳含量(平均值 ± 标准差)†Table 2 The soil organic carbon content of three kinds forest types (mean ± standard deviation) (g·kg-1)

3种林分样地土壤有机碳含量均随样地海拔增高而增加，其中针叶林有机碳含量变异系数最大（30.59%）。

图1显示，所有的3种林分类型的样地，有机碳含量分布差异最大的部分均出现在0～20 cm土层内。从各层土壤有机碳含量的分布频率看出，常绿阔叶林土壤有机碳含量的分布频率最集中，100%分布在0～50 g·kg-1的范围内，其次是针阔混交林，针叶林分布最分散，且各层有机碳含量均主要分布在0～50 g·kg-1的范围内。

图1 3种林分类型不同土层有机碳含量的频率分布Fig.1 Three kinds of forest types of the organic carbon content frequency distribution

2.2 3种林分类型土壤有机碳密度及垂直分布特征

由图2可知，3种林分类型0～100 cm土壤有机碳密度是常绿阔叶林（119.6～124.4 tC·hm-2）高于针阔混交林（174.89～190.96 tC·hm-2），高于针叶林（65.1～117.9 tC·hm-2）。3种林分类型0～100 cm土壤的有机碳密度均随着海拔的升高而增加。不同海拔的常绿阔叶林样地土壤0～100 cm有机碳密度之间无显著差异，但随着海拔的升高，其有机碳密度略有增加，而针阔混交林与针叶林的有机碳密度因海拔高度不同而差异显著（P＜0.05）。

图2 3种林分类型0～100 cm土壤有机碳密度/(tC·hm2)Fig.2 0-100 cm soil organic carbon density of three kinds of forest types

图3显示，各样地0～100 cm土层有机碳密度均随土层深度的增加而逐渐降低（在图4中60～100 cm土层，有机碳密度略有增加，这是由于有机碳密度的计算公式中引入了土层厚度这一参数，而60～100 cm土壤厚40 cm，是其他土层厚度的2倍，故其数值高于40～60 cm土层的有机碳密度，若其数值除以2则少于40～60 cm土层的）。图中还可以看出，各样地间表层土（0～20 cm）的有机碳密度占0～100 cm有机碳密度比例最高，就不同林分类型而言，常绿阔叶林表层土（0～20 cm）有机碳密度占0～100 cm有机碳密度的41.43%～47.97%，为针阔混交林为45.79%～59.58%，针叶林占比38.62%～51.88%。

图3 不同样地土壤各剖面平均有机碳密度Fig.3 Average soil organic carbon density of each cross-section of different kinds of forest

显著性 F 测验的结果表明，不同林分类型的0～20 cm和20～40 cm土层间有机碳密度差异极显著（P＜0.01），60～100 cm土层间有机碳密度差异显著（P＜0.05）。

同一类型林分各土层有机碳密度随着海拔高度的变化不一，不同海拔高度常绿阔叶林各土层有机碳密度差异不明显；针叶林和针阔混交林的表层土（0～20 cm）有机碳密度随海拔升高而显著增加。

2.3 有机碳含量与土壤容重、pH以及各种养分相关分析

通过建立土壤有机碳含量与土壤容重、pH以及各种养分指标的相关关系得出它们之间的相关系数。由表3可以看出，3种类型林分的土壤有机碳含量均与土壤全氮及有效镁含量在0.01水平极显著相关。对于其他指标而言，不同林分类型中相关性各异。针叶林土壤有机碳含量与容重在0.01水平极显著相关；针阔混交林土壤有机碳含量与氨氮、全磷以及容重在0.01水平极显著相关，与pH在0.05水平显著相关。

表3 有机碳含量与土壤理化性质相关性分析†Table 3 Correlation analysis between organic carbon content and soil physical and chemical properties

3 讨 论

有大量关于土壤有机碳垂直分布的研究发现，有机碳含量随土壤剖面深度的增加而显著降低[11-14]，这是由于地表凋落物和腐殖质层是土壤有机碳的主要来源[15-16]，其分解所形成的有机物质会在土壤表层富集，因而表层土壤有机碳含量明显高于深层土壤，且随着土壤深度增加而逐渐下降。

植被类型直接决定了凋落物的数量和品质，进而导致不同林分类型森林土壤有机碳空间分布的差异，且死根在腐解作用下能直接为土壤提供碳源[17]，故植物根系的分布也会影响土壤中有机碳的垂直分布。本研究中，各林分类型土壤有机碳含量随着土层剖面深度的增加呈显著下降趋势，且由差异性分析可知，有机碳含量的差异最大的部分出现在表层土壤（0～20 cm），表明莽林区森林土壤有机碳含量的分异主要发生在表层土壤（0～20 cm），与已有研究结果[18-19]基本一致。

山体坡位和坡向等地形地貌因素会显著影响土壤有机碳含量分布。周鑫[20]等研究发现，有机碳含量与坡度呈负相关，下坡和阴坡的有机碳含量显著高于上坡和阳坡。这可能是由于下坡与上坡相比，土壤会由上往下逐渐堆积，故下坡土壤质地更密实、土层更厚[21]（见表1），进而导致有机碳含量和密度更高。与上坡相比，下坡拥有数量更大凋落物，这有利于土壤微生物通过新陈代谢，加快凋落物层有机质的分解，促进土壤中有机物质在垂直方向上的迁移转化[22]，进而导致下坡较深层（60～100 cm）土壤的有机碳含量和密度也高于上坡。而且通常上坡通气性好、土壤含水量低，这会加快土壤有机质的分解[23]，不利于有机碳的积累。而且阳坡植被蒸腾量大，光合产物的积累速率慢，土壤有机碳输入量减少[25]。与阴坡相比，阳坡拥有更充足光、热资源，但水分资源较贫乏[24]，这种干暖的环境不利于土壤有机质积累；而阴坡相对冷湿，有利于土壤有机质累积[26]。在本研究中，有机碳含量最高的样地Z3的坡位处于山底部，地貌为山地阴坡，而且坡度为15°，较为平缓，这些地形地貌因素有利于该样地土壤有机碳的积累，故其有机碳含量显著高于同林分类型的其他样地。

莽山林区土壤有机碳含量和密度均随海拔高度的不同而变化显著，有研究表明，不同海拔梯度有机碳密度大小的差异是气候与树高、胸径等共同作用的结果[27]。海拔高度的不同会导致森林生态系统植物种类和繁茂程度存在差异。本研究也发现，对于同种林分类型的土壤而言，不同海拔的各层土壤（特别是表层土壤）有机碳密度差异显著，而且高海拔样地有机碳密度显著高于中、低海拔样地。这可能是由于高海拔地区受常年维持较低温度、气候湿润的影响，有机质分解较慢，有利于土壤有机碳的积累[28]。

本研究中针叶林和针阔混交林土壤容重与土壤有机碳含量呈极显著负相关。这是因为针叶林和针阔混交林土壤容重大。土壤容重越大、毛管孔隙度越低，越不利于土壤团聚体[29]的形成。而有机质缺乏团聚体的物理保护而易于分解，故本研究针叶林和针阔混交林的土壤容重比常绿混交林大，因此这两种林分有机碳含量与土壤容重存在显著的负相关。pH值对森林土壤中物质的存在形态有显著影响，有研究表明[30]，土壤pH值的下降，会削弱土壤中的微生物的活性，进而导致土壤有机碳周转能力下降，有利于有机碳储存的积累。本研究中针阔混交林土壤pH低于针叶林（见图4），因而针阔混交林平均有机碳含量高于针叶林。碳、氮是土壤有机物质中的重要组成部分，镁是组成植物叶绿素的重要元素，磷和钾元素是植物生长的必需元素，因而有机碳与这些指标之间均表现出一定程度的相关性[31]。

图4 不同林分样地土壤pHFig.4 pH of different types of forestsoil

因此，森林土壤的有机碳含量是多方面因素综合作用的结果，特别是凋落物数量和种类，山体地形地貌因素（坡度、坡位、坡向））以及人为因素等等。故本研究结果仅适用于表征莽山地区森林土壤的区域状况，局部反映莽山不同林分类型森林土壤有机碳垂直分布格局。后续研究需从时间空间等多角度来分析，以进一步探究莽山地区土壤有机碳的分布规律及机理。

4 结 论

莽山林区不同林分类型有机碳含量差异显著，基本趋势是常绿阔叶林＞针阔混交林＞针叶林，土壤有机碳含量及密度均随土层深度的增加而降低，且各土层有机碳含量主要分布在0～50 g·kg-1的范围内。且有高海拔样地土壤有机碳含量及密度均高于低海拔样地。

林地土壤有机碳含量除受森林类型影响外，还受坡度坡位等地形地貌因素的影响。本研究中样地，样地Z1有机碳含量显著高于同林分类型其它样地，可能就是受地形地貌因素的影响。

3种林分类型土壤有机碳与土壤不同理化指标间均存在不同的相关性。常绿阔叶林土壤有机碳含量有效镁、全氮含量在0.01水平极显著相关。针叶林土壤有机碳含量与有效镁、全氮和容重在0.01水平极显著相关。针阔混交林土壤有机碳含量与氨氮、有效镁、全氮、全磷以及容重在0.01水平极显著相关，与pH在0.05水平显著相关。特别是不同林分土壤pH的差异会在一定程度上引起土壤有机碳含量的差异。

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Three major stand types of Mangshan’s soil organiccarbon distribution

XIONG Dan, WU Lichao, HE Jienan
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to study the distribution of three major stand types’soil organic carbon in Mangshan area and its in fl uencing factors.We chose 9 plots of three different forest types at different altitudes in July 2013 in Mangshan National Forest Park, and collect 0-100cm sectional soil samples, to analysis the content of soil organic carbon and some soil fertility indicators such as total nitrogen and total phosphorus, etc., and study the SOC distribution and its in fl uencing factors. The results showed that: (1) The order of organic carbon content and density in three stand types was evergreen broad-leaved forest＞ mixed coniferous forest＞ coniferous forest. (2) Organic carbon content and density were signi fi cantly different at different altitudes plots,and increases with increasing altitude .In terms of coniferous forest and mixed coniferous forest, organic carbon content at high altitude was signi fi cantly higher than the low altitude.(3) Soil organic carbon content increases with the depth of pro fi le decreased. For 0-20 cm soil layer, and the organic carbon content in each soil layer was mainly distributed in the range of 0-50g · kg-1, The frequency of Coniferous forest organic carbon content was most dispersed, followed by mixed coniferous forest, and evergreen broad-leaved forest was most concentrated. (4)In addition to the impact of forest type, slope, slope direction, position and other terrain factors can signi fi cantly affect the organic carbon content of forest soils，it may increase or decrease soil organic carbon content in the role of these factors.The content of organic carbon in plot Z1 was signi fi cantly higher than the plot for the same stand type it may be affected by slope and other factors.(5)Soil organic carbon content in three stand types had different correlation with these physical and chemical indicators. Evergreen broad-leaved forest soil’s organic carbon content was signi fi cantly related to available Mg, and total nitrogen content at the level of 0.01. Coniferous forest soil’s organic carbon content was signi fi cantly related to available Mg, total nitrogen and bulk density at the level of 0.01. Mix coniferous forest soil’s organic carbon was signi fi cantly related to ammonia Nitrogen, available Mg, total N, total P and bulk density at the level of 0.01,and was signi fi cantly associated with pH at the 0.05 level.

soil organic carbon; stand types; distribution; Mangshan

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.019

http: //qks.csuft.edu.cn

S714

A

1673-923X(2017)12-0120-07

2016-09-28

国家林业公益性行业项目“典型森林土壤碳储量分布格局及变化规律研究”（201104008）

熊 丹，硕士研究生

何介南，副教授，博士；E-mail：515418148@qq.com

熊 丹,吴立潮,何介南.莽山3种主要林分类型土壤有机碳分布规律[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(12): 120-126.

[本文编校：文凤鸣]