上海市林地土壤有机碳分布特征及其与土壤理化性质的关系

张青青，张桂莲，伍海兵，仲启铖，何小丽，陈 平，朱 清，徐 冰，梁 晶

（1.上海市园林科学规划研究院，上海 200232；2.上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海200232）

土壤有机碳作为土壤的重要组成部分，其含量约占陆地生物圈碳库的2/3，是大气碳库的3倍。土壤碳库的微小变化都会影响全球有机碳库的收支平衡［1］，因此，土壤碳库在全球碳循环中具有重要地位［2］。林地作为陆地生态建设的核心，具有较强的固碳作用和碳汇能力，在全球碳循环中发挥着不可替代的作用，其固碳能力在林地建设管理中扮演着至关重要的角色。已有研究发现［3］：中国东北林区不同森林类型的土壤有机碳含量和有机碳密度均以表层土壤最高，且随土壤深度的增加逐渐减少，但随森林类型和林龄的变化并不显著。刘伟等［4］发现黄土高原中部4种类型草地的土壤有机碳密度从大到小依次为高寒草甸草原、典型草原、森林草原、荒漠草原，各草地类型土壤有机碳含量和土壤碳密度也均随深度增加呈减少趋势。AJAMI等［5］分析了伊朗北部的托山流域的森林、农田、果园和撂荒地的土壤有机碳密度，发现表层30 cm土壤有机碳密度占100 cm土壤有机碳密度的54.8%。但目前土壤有机碳含量与密度的研究主要集中于森林、农田、草地等自然土壤［6-8］，缺乏对人为干扰性较大的城市土壤有机碳的研究，即便有少量关于城市土壤有机碳的研究，也以城市绿地土壤有机碳分布特征为主［9］，而对城市林地土壤有机碳特征关注较少。因此，本研究以中国特大城市上海为研究对象，选取樟树Cinnamomum camphora林、阔叶混交林、其他硬阔林、针阔混交林、水杉Metasequoia glyptostroboioles林、经济林等林地，分析不同林地土壤有机碳质量分数及密度的分布特征，并将土壤主要理化性质与土壤有机碳质量分数进行相关分析，探讨影响上海林地土壤碳库的因素，为科学合理利用土壤资源，制定增强土壤碳库的林地管理措施提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

上海市（30°40′～31°53′N，120°52′～122°12′E）位于太平洋西岸， 亚洲大陆东沿，是长江三角洲冲积平原的一部分，平均海拔高度4 m左右。气候温和湿润，属亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。2017年，上海市年平均气温为17.7℃，年均降水量约1600.0 mm，各区气候差异不大。本研究中林地均为人工林，不存在地形营造。土壤以粉砂质黏壤土为主。

1.2 样品采集

根据上海林地的分布情况，于2017年7月进行样品采集，涉及的林地类型有樟树林、阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林、针阔混交林、水杉林和经济林，共计66块样地。每个样地设置3个土壤剖面，每个剖面分3层（0～10，10～30，30～100 cm）进行样品采集，且每层土壤样品均由3个土壤剖面同一层次混合而成，样地数详见表1。将采集的土壤样品自然风干，并剔除石砾、根系等杂物后粉碎分别过2.000和0.149 mm筛备用。同时，每个土层均采集5个环刀样用于土壤容重测定，容重为5个环刀样的平均值。

表1 上海市林地基本信息Table 1 Basic information of forests in Shanghai

1.3 分析方法

土壤容重采用环刀法测定；pH值采用电极法测定（水土比 2.5∶1.0）； 电导率采用电导率仪测定（水土比 5∶1）； 土壤全氮采用凯氏定氮法测定（KDN-812定氮仪）；土壤碱解氮采用碱解-扩散法测定；土壤全磷采用碱熔-钼锑抗比色法测定；土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定［10］。

1.4 数据处理与分析

土壤剖面第i层的有机碳密度计算公式为DSODi=wSODi×BDi×Hi×（i-α）/10。土壤剖面有机碳密度计算公式为其中：wSODi为第i层的土壤有机碳质量分数（g·kg-1），BDi为第i层的土壤容重（g·cm-3），Hi为第i层的土层厚度（cm），α为土壤中＞2 mm的粗颗粒的体积百分含量，n为土层数（n=3）。

应用SAS 9.0软件中Duncan多重检验法检验不同林地类型之间、土层之间的土壤有机碳质量分数、密度的差异显著性（P＜0.05），Pearson相关性分析方法、逐步剔除回归法进行数据统计分析与处理。

2 结果与分析

2.1 不同林地类型土壤有机碳质量分数分布特征

从表2可以发现：其他软阔林的表层（0～10 cm）土壤有机碳质量分数最高（15.04 g·kg-1），针阔混交林的表层有机碳最少（9.58 g·kg-1）。就0～100 cm整个土壤剖面而言，7种林地土壤有机碳平均质量分数从大到小依次为其他软阔林、樟树林、经济林、阔叶混交林、水杉林、针阔混交林、其他硬阔林。在垂向上，除经济林外，其他林地的土壤有机碳质量分数均随着土层深度的增加而呈不同程度的降低。

不同林地类型不同土层的土壤有机碳质量分数差异性不同。就0～10 cm土层而言，其他软阔林土壤有机碳质量分数明显高于针阔混交林（P＜0.05），但这两者均与其他林地0～10 cm土壤有机碳差异不显著。在10～30 cm土层，经济林与阔叶混交林、其他硬阔林、针阔混交林的土壤有机碳质量分数差异显著（P＜0.05），与其他林地差异不显著。在30～100 cm土层，各林地土壤有机碳质量分数差异均不显著。

表2 不同林地类型不同土层有机碳Table 2 Soil organic carbon content in different soil layers and different forests

就同一林地而言，樟树林0～10 cm土壤有机碳质量分数与30～100 cm差异显著（P＜0.05），但与10～30 cm有机碳质量分数差异不显著；阔叶混交林、其他硬阔林、水杉林0～10 cm土壤有机碳质量分数与10～30和30～100 cm差异显著（P＜0.05），而10～30和30～100 cm土壤有机碳差异不显著。其他软阔林在不同土层土壤有机碳质量分数差异显著（P＜0.05）；针阔混交林不同土层有机碳差异不显著。经济林则表现为10～30 cm土壤有机碳质量分数与30～100 cm差异显著（P＜0.05），与0～10 cm的有机碳差异不显著。

2.2 不同林地类型土壤有机碳密度分布特征

从表3可知：同土壤有机碳相似，其他软阔林表层（0～10 cm）土壤有机碳密度最高（18.95 t·hm-2），针阔混交林表层土壤有机碳密度最低（13.16 t·hm-2）。7种林地0～100 cm土壤有机碳密度变化范围为92.20～113.76 t·hm-2，平均值为100.09 t·hm-2，土壤有机碳密度从大到小依次为樟树林、其他软阔林、经济林、阔叶混交林、针阔混交林、水杉林、其他硬阔林。

不同林地类型不同土层的土壤有机碳密度差异性不同。就同一土层而言，不同林地类型在0～10和30～100 cm土层的土壤有机碳密度差异不显著。但在10～30 cm土层，经济林与樟树林、其他硬阔林、针阔混交林、水杉林土壤有机碳密度差异显著（P＜0.05），与阔叶混交林、其他软阔林的土壤有机碳密度差异不显著。就同一林地而言，经济林30～100 cm土壤有机碳密度显著高于0～10 cm土壤有机碳密度（P＜0.05），但与10～30 cm土壤有机碳密度差异不显著；其余林地30～100 cm土壤有机碳密度均显著高于0～10和10～30 cm土壤有机碳密度（P＜0.05），但0～10和10～30 cm土壤有机碳密度差异不显著。

表3 不同林地类型不同土层有机碳密度Table 3 Soil organic carbon density in different soil layers and different forests

不同土层对100 cm土壤剖面有机碳密度贡献率有所不同。其中，0～10 cm土壤有机碳密度贡献率从大到小依次为其他硬阔林（19.26%）、其他软阔林（17.74%）、水杉林（17.46%）、阔叶混交林（15.63%）、经济林（14.79%）、樟树林（14.25%）、针阔混交林（13.75%）。0～30 cm土壤有机碳密度贡献率从大到小依次为经济林（48.37%）、其他硬阔林（43.43%）、水杉林（42.74%）、其他软阔林（41.72%）、阔叶混交林（38.80%）、 樟树林（38.50%）、 针阔混交林（35.02%）。

2.3 土壤有机碳质量分数与理化性质的相互关系

从表4可以发现：樟树林、其他软阔林、其他硬阔林、水杉林的土壤有机碳质量分数与容重显著负相关（P＜0.05），其余林地土壤有机碳与容重相关性不显著。阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林土壤有机碳质量分数与pH值呈负相关（P＜0.05），其余林地土壤有机碳与pH值相关性不显著。除经济林外，其他林地土壤有机碳质量分数与全氮、碱解氮呈极显著正相关（P＜0.01）。樟树林、水杉林土壤有机碳质量分数与速效磷显著正相关（P＜0.05）。但所有林地土壤有机碳质量分数与电导率、全磷相关性均不显著。经济林的土壤有机碳质量分数与容重、pH值、电导率、全氮、全磷、碱解氮、速效磷的相关性均不显著。

表4 有机碳含量与土壤主要理化性质的相关性Table 4 Correlation between organic carbon content and soil physicochemical properties

在进行土壤有机碳质量分数与土壤理化性质进行相关性分析的基础上，以土壤有机碳质量分数（y）为因变量， 以土壤容重（x1）、 pH 值（x2）、电导率（x3）、全氮（x4）、 全磷（x5）、碱解氮（x6）、速效磷（x7）为自变量，采用逐步剔除法进行多元回归分析，建立了土壤有机碳与其他理化性质的的回归方程，并通过标准化回归系数确定影响不同林型土壤有机碳质量分数的主要影响因子（表5）。经分析，不同林型的土壤有机碳质量分数影响因子不同。其中：碱解氮是樟树林、其他软阔林、其他硬阔林和针阔混交林的土壤有机碳质量分数变化的主要影响因子；而阔叶混交林、水杉林的土壤有机碳质量分数主要影响因子为全氮。

表5 土壤有机碳含量与其他理化性质的回归分析Table 5 Regression analysis of soil organic carbon content and other physicochemical properties

3 讨论

3.1 土壤有机碳质量分数

研究表明：土壤有机碳质量分数与气候、植被类型、母质、地形以及微生物的活动强度等密切相关［11-12］。鉴于本研究区域气候、母质、地形等条件较相似，说明植被类型、微生物活动等可能是影响土壤有机碳的主要因素。植被类型不同，进入土壤的枯枝落叶等凋落物不同，植物根系发育及分布格局不同，均会导致土壤中有机碳的含量不同［13］。本研究中，0～10和10～30 cm土层，针阔混交林的土壤有机碳质量分数均为最低（9.58和6.95 g·kg-1），这可能是由于针叶和阔叶凋落物混合提高了微生物群落丰富度，致使凋落物分解速度较快［14］，不利于土壤有机碳的积累。

在垂向上，同一林地在不同土层的土壤有机碳质量分数存在差异主要与植被的凋落物、根系分布格局、淋溶作用、微生物活性等密切相关。本研究中，樟树林和经济林的土壤有机碳在0～10和10～30 cm无明显差异，这是由于樟树林根系主要分布在0～30 cm［15］，经济林有机肥主要施用于10～30 cm土层［16］，故两者0～10和10～30 cm土壤有机碳质量分数较高，差异不显著。在0～100 cm土层，针阔混交林在不同土层的有机碳差异不显著，而其余林地不同土层的有机碳差异显著。这是由于针阔混交林的微生物较丰富，且凋落物分解较快，加之根系深广，故0～100 cm不同土层有机碳差异较小。而其余林地凋落物较单一，且随着土层的加深，植被根系密度减小［17］，因此，土壤有机碳的积累量也降低，差异显著。

本研究中，除经济林外，其余林地的土壤有机碳质量分数随剖面深度的加深而降低。分析其原因，可能有2个方面：一是林地凋落物主要聚集在土壤表层，这些凋落物通过微生物的分解转化作用，促进了土壤有机碳的积累；另一方面，根系通过分泌大量的碳水化合物、有机酸类等来提高土壤有机碳质量分数［13］。但随着土层的加深，植被根系密度减小，有机碳的积累量降低。而经济林土壤有机碳质量分数则随剖面深度的加深呈先增加后降低的趋势，这是由于为促使其产量增加，农户会翻耕松土并将有机肥施用在10～30 cm土层［16］，最终导致10～30 cm土层土壤有机碳质量分数较高。

3.2 土壤有机碳密度

与0～100 cm土壤有机碳平均质量分数不同，不同林地0～100 cm土壤有机碳密度从大到小依次为樟树林、其他软阔林、经济林、阔叶混交林、针阔混交林、水杉林、其他硬阔林，这表明作为评价和衡量有机碳储量的一个重要指标，土壤有机碳密度除了受土壤有机碳的影响，还受土壤容重和土层划分厚度的影响。同一林地不同土层的有机碳密度差异显著，这与土层划分厚度密切相关。而不同林地同一土层（10～30 cm）的土壤有机碳密度存在显著差异，这仍与土壤有机碳含量和容重密切相关。这些均表明，若想探讨土壤有机碳密度的影响因素，需从土壤有机碳质量分数着手。

本研究表明：7种林地0～100 cm土壤有机碳密度平均为100.09 t·hm-2。这与史利江等［18］测定的上海市土壤有机碳碳密度平均值相当（105.5 t·hm-2）， 但低于全国森林土壤有机碳密度 115.9 t·hm-2［19］。7 种林地的土壤表层（0～10 cm）有机碳密度为13.16～18.95 t·hm-2，这低于申广荣等［20］对上海市崇明岛全岛大部分地区表层（0～20 cm）土壤有机碳密度（28.8 t·hm-2）的研究结果。总之，相较于全国其他城市［21-22］，上海市林地0～10和0～100 cm土壤有机碳密度较低，碳储存能力较弱。这一方面可能是植被类型不同，土壤有机碳储存能力强弱不同；另一方面可能是上海作为大都市，人口较为密集，相较自然林地，人造林地受到的干扰相对较大，不利于土壤有机碳的储存［23］。

本研究中，0～30 cm土层的土壤有机碳密度对100 cm剖面总有机碳贡献率为35.02%～48.37%，平均为40.62%。这一结果低于浙江省森林土壤0～30 cm土层有机碳密度对0～100 cm剖面总有机碳贡献率（65.34%）［24］，低于山西油松Pinus tabuliformis人工林0～30 cm土壤有机碳密度对0～100 cm剖面的贡献率（54.97%～58.03%）［25］， 低于庐山不同海拔森林土壤 0～20 cm 土层有机碳密度占 0～100 cm 土层的 50.6%［26］。总之，相比其他研究，上海7种林地的0～30 cm土壤有机碳密度对总剖面的贡献率低。出现这种情况的原因，一方面是由于植被类型的不同，另一方面可能与土壤理化性质有关。

3.3 土壤有机碳质量分数与理化性质的相关性

土壤容重影响着土壤的通气性、微生物活性以及植物根系生长。在本研究中，樟树林、其他软阔林、其他硬阔林、水杉林土壤有机碳质量分数与土壤容重负相关（表4），与方运霆等［27］对鼎湖山自然保护区土壤有机碳含量与容重相关性结果相一致。这是由于当土壤容重越大时，土壤通气性变差，植被根系的生长缓慢，且不利于微生物的活动，故有机碳积累量较少。其他软阔林和水杉林的土壤有机碳质量分数与容重极显著负相关，这可能在于高容重土壤条件下，土壤碳的矿化被抑制［28］。

目前，pH值对有机碳质量分数的影响机理仍在探讨中。多数研究表明：有机碳质量分数与pH值呈负相关［29-30］，少量研究表明：有机碳质量分数与pH值呈显著正相关［31］。在本研究中，阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林的土壤有机碳质量分数与pH值呈负相关。这是由于土壤中pH值对土壤微生物的活动强度影响不同。一般而言，土壤中pH值呈弱碱性时，土壤微生物活性减弱［32］，有机质的分解速率降低，不利于土壤有机碳的积累。而阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林的pH值偏弱碱性，故土壤有机碳质量分数较低。

在本研究中，除经济林外，其余林地的土壤有机碳质量分数与全氮、碱解氮呈显著正相关，与侯浩等［33］对小陇山不同林龄锐齿栎Quercus alienavar.acuteserrata林的土壤有机碳和全氮相关性的研究结果相一致。同样，本研究结果表明：樟树林、其他软阔林、其他硬阔林和针阔混交林的土壤有机碳变化的主控因子为碱解氮，而阔叶混交林、水杉林的土壤有机碳的主要影响因子为全氮。这些均是由于氮作为陆地生态系统中的重要营养元素，其含量与气候、土壤质地、植被类型等密切相关，适宜的碳氮比有利于土壤有机质分解过程中养分释放以及土壤碱解氮的增加［34］，而经济林由于人工施入肥料的缘故，土壤有机碳质量分数与全氮、碱解氮相关性不显著。

综合分析，虽然较其他城市，上海市林地土壤碳储存能力弱，但就整个城市而言，上海市林地土壤仍是一个潜在而巨大的碳库，且表层的土壤有机碳储存能力高于深层。因此，应制定合理的林地管理措施，重视对森林的保护和改良建设，减少表层土壤的破坏，改善土壤容重，有针对性地调整不同林地的pH值，适当的输入氮肥，从而增强上海市林地的碳储量。

4 结论

本研究通过分析上海市7种林地的土壤有机碳质量分数和密度分布特征，得出了以下结论：（1）在0～100 cm土层，其他软阔林土壤有机碳平均质量分数最高，樟树林、经济林、阔叶混交林、水杉林、针阔混交林其次，其他硬阔林土壤有机碳平均质量分数最低。土壤有机碳质量分数在垂直方向分布差异较大，表聚现象明显。上海市林地0～30 cm土层土壤有机碳受植被类型影响显著。（2）上海市林地0～100 cm土壤有机碳密度从大到小依次为樟树林、其他软阔林、经济林、阔叶混交林、针阔混交林、水杉林、其他硬阔林。0～30 cm的土壤有机碳密度占0～100 cm土壤剖面的贡献率较低。（3）上海市7种林地土壤有机碳质量分数与全氮和碱解氮呈极显著正相关，与电导率、全磷的相关性不显著。樟树林、其他软阔林、其他硬阔林、水杉林土壤有机碳质量分数与容重显著负相关。阔叶混交林、其他软阔林、其他硬阔林土壤有机碳质量分数与pH值呈负相关；樟树林、水杉林土壤有机碳质量分数与速效磷显著正相关。樟树林、其他软阔林、其他硬阔林和针阔混交林的土壤有机碳质量分数变化的主控因子为碱解氮，而阔叶混交林、水杉林的土壤有机碳质量分数的主要影响因子为全氮。