广东罗浮山土壤有机碳储量与组分垂直分布特征

秦海龙 贾重建 卢 瑛 郭彦彪 姜 坤 李先霞 杨奇青 温志滔

(1. 华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642; 2. 广东罗浮山省级自然保护区管理处，广东 惠州 516131; 3. 广东省惠州市罗浮山林场，广东 惠州 516131)

土壤碳循环是与全球气候变化密切相关的重要地球表层系统过程，是国际地学和生态学界近年来关注的热点领域，国际社会对全球温室气体减排的需求，驱动着土壤学界对土壤固碳容量与潜力、固碳减排过程与机理的探索[1]。全球土壤碳库是大气碳库的3.3倍，是陆地生物碳库的4.5倍，因此土壤有机碳 (SOC) 的积累与分解影响着陆地生物碳库和全球的碳平衡，在全球气候变化中扮演着非常重要的角色，日益受到广泛关注[2]。森林土壤碳储量约占全球土壤的39%，在调节森林生态系统碳循环和减缓全球气候变化中起着重要作用[3-4]。因此，开展森林土壤碳库的研究，对于减缓大气中CO2浓度持续升高具有重要的意义。研究表明，山地森林土壤有机碳含量和储量受到气温和降雨[5-7]、植被类型[6,8]、坡向[9]、经纬度[10]、海拔[11-12]等因素影响，与土壤的深度[9-10,12]和类型[13]密切相关。由于土壤碳储量空间分布的差异性，对不同地区土壤有机碳储量的估算存在较大的不确定性，因此需要开展更广泛的不同区域土壤有机碳储量研究。

土壤有机碳包括性质和分解程度不同的碳组分，土壤活性有机碳 (POXC) 是重要的土壤碳组分，影响到土壤微生物的活性、温室气体 (如CO2、CH4) 的排放和土壤质量，对环境和管理措施有更大的敏感度，可以作为评价土壤质量的指标[14-16]。Chan等[17 ]提出了根据土壤有机碳被氧化难易程度不同，将有机碳区分为高活性碳 (CF1)、中等活性碳 (CF2)、低活性碳 (CF3)和非活性碳 (CF4) 4个组分。研究表明，土壤有机碳组分CF1可作为评价土壤质量和生产率的合适指标[18-20]，也是表征土壤有机碳质量变化的敏感指标[21]。因此研究有机碳不同组分的变化，有利于揭示环境变化和管理措施对土壤有机碳的影响机制。

近年来我国庐山[5]、天山[7]、大围山[12]、石坑崆[8]、祁连山[9]、季色拉山[22]、鼎湖山[23]、秦岭[24]、武夷山[25]等不同气候区域、海拔、植被类型等山地土壤有机碳含量、储量和活性有机碳分布等已有研究。但由于土壤有机碳库组成的复杂性和影响因素的多样性，山地土壤有机碳的含量、储量和组分等存在很大的差异性。因此本研究以广东省代表性中山山地——罗浮山为研究对象，研究土壤有机碳储量、组分特征及其影响因素，籍以揭示罗浮山不同海拔各土壤剖面有机碳储量与组分的垂直分布规律，为该区域山地土壤碳库储量的准确预测提供参考依据。

1 研究区概况

罗浮山位于北纬23°13′～23°20′，东经113°51′～114°03′，地处广东省博罗、增城、龙门3个县交界处的博罗县境内西北部，总面积9 827.7 hm2，主峰飞云顶海拔1 281.5 m，为广东省南亚热带季风常绿阔叶林及珍稀动植物、天然药用植物等综合性森林生态类型自然保护区。研究区属南亚热带季风气候，全年气候温暖，日照时间长，热量充沛，年均温22.3 ℃，年均降雨量1 923.4 mm，年均日照时数1 860.8 h。植物种类丰富，以热带-亚热带常绿阔叶植物为主。长期受人为影响，原生植被基本被破坏贻尽，现主要为次生的和人工种植的植被。

2 材料与方法

2.1 土样采集

选取罗浮山不同海拔10个代表性土壤样点，挖掘剖面描述和记载土壤景观特征，采集不同深度 (0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm) 的土壤样品，环刀采集测定土壤容重所需土样。土样经室内风干后，碾磨过10目、60目、100目尼龙筛，贮存待测。采样点基本信息见表1。

2.2 土壤理化指标测定

土壤容重采用环刀法测定。土壤pH值采用电位法 (水土质量比2.5∶1) 测定。土壤颗粒组成采用吸管法测定，根据美国农部制按粒径分为砂粒 (0.05～2 mm)、粉粒 (0.002～0.05 mm) 和黏粒 (<0.002 mm)。土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤全磷含量采用HNO3-HF-HClO4酸融-钼锑抗比色法测定；土壤全钾含量采用HNO3-HF-HClO4酸融-火焰光度法测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸加热氧化法[26]测定，土壤活性有机碳含量采用高锰酸钾氧化法[16]测定。土壤有机碳组分含量采用重铬酸钾-不同浓度硫酸氧化法[17]测定，即称适量过0.15 mm筛土壤样品3份分别于150、150、250 mL三角瓶中，同时做空白，每个三角瓶中准确加入5 mL 0.8 mol/L 1/6K2Cr2O7溶液，然后分别加入2.5、5、10 mL浓硫酸 (硫酸浓度分别是6、9、12 mol/L)，冷却后 (约30 min) 分别加入20、40、100 mL蒸馏水，加入5滴邻啡罗琳指示剂，用0.2 mol/L FeSO4滴定，测定的有机碳含量分别表示为C1、C2、C3，组分1 (CF1) 含量即为C1，组分2 (CF2) 含量为C2与C1之差，组分3 (CF3) 含量为C3与C2之差，组分4 (CF4) 含量为有机碳总量与C3之差。

2.3 分析方法

数据处理和分析采用SPSS 20.0和Excel软件。

表1 采样点的基本情况Table 1 Basic information of the sampled sites

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳分布特征

不同海拔土壤有机碳含量及储量分布见表2。由表2可知，不同海拔SOC含量表现出一定的差异，海拔1 210 m处0～20 cm SOC含量最高，达到60.53 g/kg，SOC含量呈现随海拔增加而增高的趋势，0～20 cm SOC含量与海拔呈显著正相关 (P< 0.05)。SOC含量随着土壤深度增加而降低，0～20 cm和20～40 cm土层之间降幅最大，40 cm以下SOC含量均较低。因此SOC集中分布在0～40 cm土层。

SOC储量分布结果表明 (表2)，0～20 cm SOC储量最高，60～80 cm最低，SOC储量随土层深度增加而降低，与SOC含量分布完全一致。0～20 cm SOC储量与海拔呈显著正相关 (P< 0.05)，即随着海拔增高SOC储量也随之增加；20 cm以下土层SOC储量与海拔的相关性均不显著。随着土壤深度增加，有机碳储量在不同海拔土壤之间差异递减。因此，海拔对0～20 cm SOC储量影响显著，对20 cm以下土壤影响较小，且土层越深影响越小。不同海拔土壤0～80 cm深度SOC储量呈现随海拔增加而增加的趋势，SOC储量在海拔1 210 m和280 m处分别为最高 (244.4 t/hm2) 和最低 (52.0 t/hm2)，0～80 cm深度SOC储量与海拔呈显著正相关 (P< 0.05)。不同深度SOC储量占0～80 cm SOC储量比例结果显示 (表2)，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm SOC储量所占比例平均值分别为53.7%、24.1%、13.5%和8.7%，0～40 cm SOC储量占比接近80%，这进一步表明SOC主要储存在0～40 cm的土壤中。

表2 不同海拔土壤有机碳含量和储量分布Table 2 The distribution of SOC contents and stocks in soil horizons at different altitudes

海拔/m0～20cmSOC含量/(g·kg-1)SOC储量/(t·hm-2)SOC储量占比/%20～40cmSOC含量/(g·kg-1)SOC储量/(t·hm-2)SOC储量占比/%40～60cmSOC含量/(g·kg-1)SOC储量/(t·hm-2)SOC储量占比/%60～80cmSOC含量/(g·kg-1)SOC储量/(t·hm-2)SOC储量占比/%0～80cm SOC储量/(t·hm-2)28011.1926.9851.863.5910.2919.782.798.4616.262.046.3012.1152.03 ± 5.6d37015.4741.4043.628.4424.6525.975.3515.7116.554.5413.1513.8694.91 ± 3.6c50010.1428.1651.163.6711.6621.193.229.7717.751.855.459.9055.04 ± 5.7d60023.1862.9966.536.8320.4321.583.5611.2611.89---94.68 ± 3.3c70023.2954.4248.7110.9830.8227.595.1515.7214.073.4210.769.63111.72 ± 6.3bc80025.4759.7762.266.5619.4320.243.7911.5512.031.735.255.4796.00 ± 6.5c90029.0157.6743.1715.2740.2130.107.6222.6516.954.0913.079.78133.60 ± 8.7b100116.4142.3070.443.289.9516.571.384.467.431.043.345.5660.05 ± 4.4d114028.1364.5653.199.4728.5723.544.4314.1211.634.4314.1211.63121.37 ± 5.4b121060.53112.7346.1333.4183.7934.289.6926.7010.937.6621.188.67244.40 ± 9.7a

注：不同小写字母表示差异显著。

3.2 土壤活性有机碳分布特征

不同海拔土壤活性有机碳含量及其在土壤有机碳中的比例见表3。

土壤中POXC含量，在0～20 cm最高，60～80 cm最低，随着土层深度增加而降低。不同深度土层间POXC变幅最大的是海拔1 210 m处土壤，变化范围是1.60～18.33 g/kg；变幅最小的是海拔280 m处土壤，变化范围是0.50～2.52 g/kg。0～20 cm与20～40 cm土壤中 POXC含量在不同海拔间差异显著，变化范围分别是2.52～18.33 g/kg、0.65～9.25 g/kg；40 cm以下各层次土壤之间差异变小。60～80 cm土壤中POXC变幅最小，变化范围是0.20～1.60 g/kg。在相同深度土层中，POXC含量随海拔升高呈增加的趋势。

表3 不同海拔土壤活性有机碳含量及其在土壤有机碳中的比例Table 3 POXC contents and percentage in soil horizons at different altitudes

POXC含量占SOC含量比例在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm土壤中平均值分别为27.75%、24.23%、22.11%和22.44%，呈现随土壤深度增加而降低的规律；在不同海拔土壤中，POXC含量占SOC含量比例平均值变幅为16.60%～31.71%，没有表现出明显的规律性。

3.3 土壤有机碳组分分布特征

能被不同浓度硫酸氧化的SOC组分分布特征，能更清晰地反映SOC可分解的难易程度和稳定性。分析结果表明 (表4)，CF1、CF2、CF3和CF4含量均在0～20 cm土壤中最高，60～80 cm最低，随土层深度的增加而降低。在相同深度土壤中，CF1、CF2、CF3和CF4含量随海拔增加呈增加的趋势，且随土层深度的增加，不同海拔间的差异越来越小。CF1在0～20 cm土壤中从海拔280 m的5.23 g/kg增高到1 210 m的28.77 g/kg，在20～40 cm土壤中从1.35 g/kg增高到15.50 g/kg。CF2、CF3、CF4在不同海拔土壤中变化趋势同CF1相似。CF1、CF2、CF3和CF4含量在40 cm以下土层中不同海拔间的差异均不显著。对相同深度的不同海拔处SOC组分平均统计结果表明，0～20 cm土壤中CF1平均含量分别是CF2、CF3、CF4的2.03、3.76、3.78倍。20～40 cm土壤中CF1平均含量分别是CF2、CF3、CF4的1.79、4.32、2.88倍。40 cm以下土壤中CF1、CF2、CF3与CF4差异变小，CF1>CF2>CF4>CF3。

表4 不同海拔高度土壤有机碳组分含量Table 4 Soil organic carbon fractions content at different altitudes g/kg

不同深度土壤中有机碳组分占SOC含量比例均以CF1最高，CF3最低(图1)。随着土层深度增加CF1所占比例逐渐减小，CF4所占比例逐渐增大，但CF2、CF3所占比例在不同深度土层之间变化很小。由此表明随着土壤深度增加，高活性态有机碳比例降低，非活性态比例增加，土壤有机碳稳定性增加。

不同海拔土壤中 (图2)，CF1、CF2、CF3和CF4占SOC含量比例分别为35.02%～53.30% (平均45.04%)、17.74%～30.11% (平均24.69%)、9.68%～17.15% (平均12.33%)和9.11%～29.99% (平均17.92%)。CF1占SOC含量比例呈现随海拔增加而增加的趋势，而CF4变化趋势相反。这表明随着海拔升高SOC稳定性呈现降低的趋势。

图1不同深度土壤有机碳组分含量占比
Fig.1 The proportion of SOC fractions to SOC content in different soil depths

图2不同海拔高度土壤有机碳组分含量占比
Fig.2 The proportion of SOC fractions to SOC content at different altitudes

3.4 土壤有机碳组分与土壤理化指标相关分析

SOC各组分含量与SOC含量、土壤基本理化指标含量相关分析结果见表5。POXC、CF1、CF2、CF3、CF4与SOC含量均呈极显著正相关 (P< 0.01)，表明SOC不同组分含量均随SOC含量的增加而增加。POXC、CF1、CF2、CF3、CF4与土壤容重呈极显著负相关 (P< 0.01)，与土壤全N、全P以及粉粒含量均呈极显著正相关 (P< 0.01)，而与土壤全K、pH、砂粒和黏粒含量之间的相关性均不显著。

表5 土壤有机碳组分与土壤特性之间的相关系数 (n=39)Table 5 Correlation coefficients between organic carbon fractions and soil properties (n=39)

注：*表示显著相关 (P< 0.05)；**表示极显著相关(P< 0.01)。

4 结论与讨论

罗浮山土壤有机碳集中分布在0～40 cm土壤中，0～20 cm土壤有机碳含量及储量与海拔呈显著正相关，SOC储量呈随海拔上升而逐渐增加的趋势。这是由于不同海拔的气温、降雨量以及植物种类均存在显著差异，植物凋落物量与土壤微生物活性均不同，导致土壤有机质的积累量差异。海拔1 210 m处，优势植物群落为五节芒 (Miscanthusfloridulus)、莎草 (Cyperusmicroiria)、黄茅 (Heteropogoncontortus)、白茅 (Imperatacylindrica) 等草本植物，死亡植物的残体、根系带入土壤的有机物质多，因此SOC含量及储量最高，这与粤北亚热带山地森林SOC[8]、湖南大围山SOC[12]研究结果基本一致。Dieleman等[11]对热带森林土壤研究表明，SOC储量随海拔上升呈线性增加，海拔每升高1 000 m，SOC储量平均增加6.4 kg/m2，并把这种结果归因于气温、降雨等气候因子变化；Du等[5]对江西庐山土壤研究表明在海拔1 268 m处的SOC储量明显高于海拔780、405、219 m处。本研究发现0～20 cm SOC含量及储量与海拔呈显著正相关 (P< 0.05)，20 cm以下SOC含量及储量与海拔相关性不显著，说明环境条件 (植被类型、温度和水分等) 对表层SOC的影响最大，对深层SOC影响减弱。海拔800、1 001 m处SOC含量及储量不高，可能与采样点坡陡、植被破坏导致表层土壤严重侵蚀有关。研究中SOC含量及储量随土层深度增加呈递减的趋势，这是因为地表植被的枯枝落叶等凋落物是SOC的主要来源，通过生物分解转化为土壤有机质，而这些有机物质进入土壤的数量随着土层深度的增加而减少，这就使得SOC含量及储量随土壤深度增加而降低，与前人[7,9,12]对其他区域SOC含量及储量的研究结果相一致。

罗浮山土壤活性有机碳含量随海拔上升呈增加趋势，随土壤深度增加而降低，这与西藏色季拉山[22]、鼎湖山[23]、秦岭山地[24]、武夷山[25]土壤活性有机碳的研究结果基本一致，表明海拔和土壤深度影响到土壤活性有机碳的分布。本研究中POXC占有机碳比例在15.52%～38.74%，而Culman等[16]对农田土壤研究结果为4%左右，表明林地土壤有机质更易分解，对环境变化反应敏感。

Chan[17]等将SOC组分中的CF1与CF2之和定义为活性组分 (Clabile)，CF3与CF4之和定义为惰性组分 (Cinert)。Clabile具有较快的周转速率，影响物质循环过程，Cinert在土壤中周转时间较长，较为稳定。在本研究中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm各土层中，Clabile占SOC含量比例的平均值分别是74%、72%、68%、64%，Cinert分别是26%、28%、32%、36%，即CF1+CF2远大于CF3+CF4；说明罗浮山土壤有机碳的Clabile部分随土壤深度增加呈降低趋势，而Cinert部分随土壤深度增加呈增加趋势；而且有机碳各组分含量均随海拔升高呈增加的趋势。这是因为随着土层加深，土壤微生物活性降低、外界环境对土壤有机碳的分解与转化影响减小，有利于形成稳定态有机含碳化合物，惰性态有机碳所占比例增加。罗浮山土壤中活性有机碳比例高，对土壤管理和环境变化的敏感性高，易分解转化。此外，通过相关分析结果表明，POXC、CF1、CF2、CF3和CF4组分含量与总有机碳含量均呈极显著正相关 (P< 0.01)，表明不同有机碳组分的含量和所占比例取决于SOC的含量，增加SOC积累是提高有机碳各组分含量的主要途径。

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