广西猫儿山水青冈林土壤剖面有机碳垂直分布特征及影响因素

王会利，王绍能，宋贤冲，秦丽玲，唐林峰，叶建平，曹继钊，邓小军

（1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西桂林猫儿山国家级自然保护管理局，广西 桂林541316；3.桂林市林业技术推广站，广西 桂林 541001）

森林生态系统在全球碳循环和碳平衡中发挥着不可替代的作用[1]。在全球气候变化背景下，森林土壤有机碳作为土壤碳库的重要组成部分，已成为森林生态系统碳循环研究的重点之一[1]，同时土壤有机碳的影响因素也备受关注[2-3]。土壤有机碳主要来源于植物、动物、微生物残体和根系分泌物，并处于不断分解与形成的动态过程中[3]。大量研究表明，不同植被类型土壤有机碳含量、储量及其分布存在差异[4-6]，并具有明显的垂直和水平地带性分布特征[6-10]。很多学者也分析土壤有机碳的植被类型、气候因子、人为活动等影响因素。王秀丽等[11]调查北京山区典型土壤类型剖面发现不同环境条件、不同发生层次、不同植被类型、不同土地利用类型下土壤有机碳的含量存在差异，土壤表层有机碳含量与海拔、植被覆盖度显著正相关，与温度显著负相关。林龄和林分密度也影响土壤有机碳的累积和分布，有研究表明白桦天然次生林、云南松林和毛竹土壤有机碳含量和密度均随林龄的增加而提高[12-14]，而杉木人工林土壤有机碳含量和储量随林龄先降低后提高[15]。油松人工林不同保留密度对土壤有机碳密度影响显著[16]。此外，火烧[17]、稻草覆盖翻耕[18]、复垦模式[19]等人为活动均影响土壤有机碳的累积和分布。目前关于自然保护区土壤有机碳及影响因素分析方面的研究报道较少。广西猫儿山国家级自然保护区作为漓江重要的发源地，是广西森林生态系统中最为复杂、保护最为完整的国家级自然保护区之一。土壤有机碳的分布及其影响因素具有明显的地带性特征，水青冈天然林是广西猫儿山自然保护区典型的地带性植被类型，其土壤有机碳研究在区域碳循环过程中具有重要地位。本文选择广西猫儿山水青冈天然林作为调查对象，研究其有机碳含量和密度的垂直分布特征，通过相关分析探讨土壤容重、总孔隙度、机械组成等物理性质及土壤pH值、速效养分等化学性质对土壤有机碳的影响，旨在为该区土壤有机碳的变化规律研究和碳储量的估算积累基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域选在广西猫儿山国家级自然保护区，位于广西东北部（110°19′～ 110°31′E，25°48′～25°58′N），区内气候凉爽，垂直带谱明显，属中亚热带湿润气候区，年均气温16.4～18.1 ℃，7月均温26.2～27.6 ℃，1月均温5.5℃～7.8 ℃，极端低温-4.8～-6.2 ℃，极端高温38.3～39.5 ℃；年均降水量1 546.7～1 829.0 mm；年均蒸发量1 264.1～1 624.1 mm；年均相对湿度79%～82%；年均日照时数1 243.5～1 467.1 h；年均风速2.1～3.2 m/s；年均有霜日数7.3～15.5 d[20-21]。

1.2 调查样地设置

在研究区域内，选择具有代表性的水青冈天然林为研究对象，在立地条件基本一致的情况下，设置3个标准样地（20 m×20 m），调查样地基本情况见表1。

表1 调查样地基本情况Table 1 General conditions of sampled plots

1.3 样品采集与分析

在水青冈林中设置3个标准样地，每个标准样地设置3个土壤剖面，采样深度为100 cm，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm划分土壤层次，每层用3个环刀采取原状土样用于分析土壤容重和总孔隙度，同时采取土壤样品，各层次土壤样品分别等量混合取1 000 g，用于分析土壤有机碳、机械组成、pH值、速效氮、速效磷和速效钾。测定方法参照中华人民共和国林业行业标准，土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定[22]，土壤容重和总孔隙度采用环刀法测定[23]，土壤机械组成采用比密度计法测定[24]，土壤pH值采用电位法测定[25]，速效氮采用碱解扩散法测定[26]；速效磷采用钼锑抗比色法测定[27]；速效钾采用原子吸收分光光度法测定[28]。

1.4 数据处理与分析

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量[29]，土壤有机碳密度计算公式[30]为：SOCDk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/100。式中：SOCDk为第k层土壤有机碳密度，kg/m2；Ck为第k层土壤有机碳含量，g/kg；Dk为第k层土壤密度，g/cm3；Ek为第k层土层厚度，cm；Gk为第k层土层中直径大于2 mm石砾所占体积百分比，%。

数据处理和图表绘制在Excel 2007和Origin 8.0中完成，显著性分析和相关性分析在SPSS 19.0中完成。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳垂直分布特征

水青冈林地土壤有机碳含量的垂直分布特征见图1。根据土壤有机碳含量和土壤容重等指标计算土壤有机碳密度（见图2）。水青冈林地不同土层土壤有机碳含量和有机碳密度变化范围分别为28.66～76.75 g/kg和5.52～10.77 kg/m2，整个采样剖面（0～100 cm）土壤有机碳总含量和有机碳密度分别为226.92 g/kg和38.54 kg/m2。不同土层有机碳含量和有机碳密度所占百分比见图3，土壤有机碳含量和有机碳密度的最大值均出现在0～20 cm土层，分别占据整个土壤剖面的33.82%和27.94%。从图1～3中可以看出，水青冈林地土壤有机碳含量和有机碳密度及其各土层占整个采样剖面的百分比均表现出随土层深度的增加大致呈逐渐降低的变化趋势。可见水青冈林地土壤有机碳含量和有机碳密度具有明显的表聚性。

2.2 土壤物理性质垂直分布特征及对土壤有机碳的影响

2.2.1 土壤物理性质垂直分布特征

图1 土壤有机碳含量的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of soil organic carbon content

图2 土壤有机碳密度的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of soil organic carbon density

图3 不同土层有机碳含量和有机碳密度占整个采样剖面的百分比Fig.3 Percentage of soil organic carbon content and density of every layer to the whole soil profiles

图4和图5分别显示了水青冈林地土壤容重和总孔隙度的垂直分布特征，其值变化范围分别为0.71～1.05 g/cm3和54.58%～73.16%。从图中可以看出，水青冈林地土壤容重随土层深度增加而增加，土壤总孔隙度变化趋势则相反。统计分析结果显示，40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土层土壤容重无显著差异（P＞0.05），但均显著高于0～20 cm和20～40 cm土层，20～40 cm土层土壤容重显著高于0～20 cm土层（P＜0.05）；0～20 cm土层土壤总孔隙度显著高于其他各土层（P＜0.05），且其他各土层土壤总孔隙度之间无显著差异（P＞0.05）。

图4 土壤容重的垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution of soil bulk density

图5 土壤总孔隙度的垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution of soil total porosity percentage

根据美国制土壤颗粒分级标准，如图6所示，水青冈林地各级粒径土壤颗粒含量从大到小的排列顺序为砂粒（2.00～0.05 mm）＞粉粒（0.05～0.002 mm）＞粘粒（＜0.002 mm）。不同土层土壤砂粒、粉粒和粘粒的变化范围分别为51.64%～57.63%、27.37%～32.84%和14.63%～17.86%，其平均值分别为53.51%、29.93%和16.56%。根据各级粒径土壤颗粒含量，在美国制土壤质地分类三角坐标上查得水青冈林地土壤质地为砂质壤土。从图中可以看出，水青冈林地土壤砂粒（2.00～0.05 mm）含量随土层深度的增加先降低后升高，80～100 cm土层土壤砂粒含量显著高于0～20 cm和20～40 cm土层；土壤粉粒（0.05～0.002 mm）含量随土层深度的增加逐渐降低，0～20 cm土层土壤粉粒含量显著高于和60～80 cm土层；土壤粘粒（＜0.002 mm）的变化趋势与土壤砂粒相反，且不同土层间差异未达到显著水平（P＞0.05）。

2.2.2 土壤物理性质对土壤有机碳的影响

图6 土壤机械组成的垂直分布特征Fig.6 Vertical distribution of soil mechanical composition

为了解土壤物理性质对土壤有机碳的影响，本文对土壤有机碳含量、有机碳密度、土壤容重、总孔隙度和机械组成等指标进行相关分析，结果见表2。从表中可以看出，水青冈林地土壤有机碳含量和土壤有机碳密度之间呈极显著正相关（0.942）。土壤有机碳含量和有机碳密度均与土壤总孔隙度呈显著正相关（0.575和0.569），而与土壤粘粒含量呈显著负相关（-0.624和-0.555）。可见，水青冈林地土壤有机碳主要受土壤物理性质中土壤总孔隙度和粘粒含量的影响。此外，水青冈林地土壤物理性质之间也相互影响，土壤容重与土壤总孔隙度呈极显著负相关（-0.909），土壤粉粒含量与土壤总孔隙度、土壤容重和砂粒含量均呈显著相关（0.790、-0.782和-0.542），土壤砂粒和粘粒含量呈显著负相关（-0.613）。

表2 土壤有机碳与土壤物理性质的相关关系†Table 2 Correlations between soil organic carbon and soil physical properties

2.3 土壤化学性质垂直分布特征及对土壤有机碳的影响

2.3.1 土壤化学性质垂直分布特征

图7 土壤pH值的垂直分布特征Fig.7 Vertical distribution of soil pH value

图8 土壤速效养分的垂直分布特征Fig.8 Vertical distribution of soil available nutrition content

水青冈林地不同土层土壤pH值变化范围分别为4.11～4.19。统计分析结果显示，80～100 cm土层土壤pH值显著高于0～20 cm土层（P＜0.05）。水青冈林地土壤pH值随土层深度的增加而增加，但增加幅度很小（图7）。水青冈林地土壤速效养分的垂直分布特征见图8。不同土层土壤速效氮、速效磷和速效钾养分含量分别在 172.43～ 552.32 mg/kg、1.13～ 2.60 mg/kg和29.33～69.47 mg/kg之间变动，其随土层深度的变化趋势与土壤有机碳含量和有机碳密度相似，0～20 cm土层土壤有效养分含量最高，同样表现出明显的表聚性。

2.3.2 土壤化学性质对土壤有机碳的影响

水青冈林地土壤有机碳含量、有机碳密度、pH值、速效氮、速效磷和速效钾的相关分析结果见表3。水青冈林地土壤有机碳含量和有机碳密度均与pH值呈极显著负相关，而与速效氮、速效磷和速效钾呈极显著正相关。可见，水青冈林地土壤有机碳与土壤化学性质密切相关。此外，水青冈林地土壤化学性质之间也相互影响，土壤pH值与土壤速效养分含量呈极显著负相关，土壤速效养分之间呈极显著正相关。

3 结论与讨论

土壤有机碳是土壤中较为活跃的部分，是土壤质量的决定因素，它在土壤生产力和全球碳循环中起着十分重要的作用[3,31]。土壤有机碳含量由土壤有机碳分解速率、作物残余物数量、组成植物根系及返还至土壤中的有机物等因素决定，其大小决定于土壤有机碳输入、输出及相关土壤性质和过程[1]。水青冈林地0～60 cm各土层土壤有机碳含量在40.67～76.75 g/kg之间变动，明显高于人工林地土壤有机碳含量（2.66～23.06 g/kg）[1]和草地土壤有机碳含量（1.27～38.49 g/kg）[32]。水青冈林地0～100 cm不同土层有机碳密度变化范围为5.52～10.77 kg/m2，明显高于人工林0～90 cm不同土层有机碳密度（0.76～3.52 kg/m2）[1,29]。这可能是水青冈天然林人为干扰极少、根系发达、林下植被丰富、凋落物储量高和有机碳分解速率高等多因素综合作用的结果。水青冈林地土壤有机碳含量和有机碳密度随土层深度的增加大致呈逐渐降低的变化趋势，这与梁启鹏等[1]、杨晓梅等[29]、王鑫等[5]的研究结果类似。其中0～20 cm土层有机碳总含量和有机碳密度最大，分别占据整个土壤剖面的33.82%和27.94%，具有明显的表聚性，这可能是因为凋落物分布在土壤表层且分解速率高、根系分布较多、土壤结构疏松，有利于表层土壤有机碳的累积。

表3 土壤有机碳与土壤化学性质的相关关系Table 3 Correlations between soil organic carbon and soil chemical properties

水青冈林地土壤容重和总孔隙度的变化范围分别为0.71～1.05 g/cm3和54.58%～73.16%，0～20 cm土层其值与其他土层差异显著。这主要是因为表层根系发达、土壤有机碳含量高，有利于土壤团聚体的形成。在整个土壤剖面，土壤容重随土层深度增加而增加，土壤总孔隙度变化趋势则相反，这与很多研究报道结果一致[33-35]。水青冈林地各级粒径土壤颗粒含量从大到小的排列顺序为砂粒（53.51%）＞粉粒（29.93%）＞粘粒（16.56%），土壤质地为砂质壤土。水青冈林地不同土层土壤pH值的平均值为4.16，且土层之间变幅很小；速效氮、速效磷和速效钾养分含量的平均值分别为309.48 mg/kg、1.61 mg/kg和40.81 mg/kg，其随土层深度的变化趋势与土壤有机碳含量和有机碳密度相似，同样表现出明显的表聚性。

水青冈林地土壤有机碳含量和土壤有机碳密度之间呈极显著正相关。土壤有机碳含量和有机碳密度均与pH值呈极显著负相关，这与傅华等[32]、张鹏等[36]和祖元刚等[37]的研究结论一致，但李丹等[38]的研究结论相反。傅华等[32]研究发现阿拉善不同草地类型0～40 cm土层土壤有机碳含量与＜0.05 mm颗粒含量呈极显著正相关，本研究调查的林地土壤有机碳含量和有机碳密度与土壤粉粒（0.05～0.002 mm）呈正相关，但相关性不显著，而与土壤粘粒（＜0.002 mm）含量呈显著负相关。史锟和陈卓[3]的调查结果表明土壤机械组成与有机碳含量呈现显著的相关关系，松树林和玉米田土壤有机碳分别与土壤粉粒和砂粒的相关性最大，与粘粒含量相关性最小。赵东和高喜荣[31]调查黄河小浪底库区不同恢复阶段土壤机械组成及碳库发现，有机碳含量与土壤粘粒呈显著正相关。邓艳林等[39]研究发现杉、松、竹三类林地土壤黏粒、粉粒、砂粒含量与有机碳含量相关性不显著。水青冈林地土壤有机碳含量和土壤有机碳密度与土壤总孔隙度、速效氮、速效磷和速效钾呈显著正相关，这与祖元刚等[37]的研究结论一致。可见，研究区域不同土壤有机碳的影响因素不同，主要是因为水热状况、植被类型和土壤条件等存在差异。此外，不同学者研究方法比如调查的土壤深度、土壤颗粒分级等也不同。就本研究区域而言，水青冈林地土壤有机碳主要受土壤物理性质中土壤总孔隙度和粘粒含量的影响，且与土壤化学性质密切相关。pH值、粘粒含量、总孔隙度、速效氮等与有机碳关系密切，可以用于预测土壤有机碳的变化。