广东罗浮山省级自然保护区不同林型土壤有机碳分布特征及碳储量研究

邓华格，林伟通，徐益成，黄伟艺

(1.广东罗浮山省级自然保护区管理处，广东 惠州 516133；2.惠州市国有罗浮山林场，广东 惠州 516131；3.广州林芳生态科技有限公司，广东 广州 510520)

森林生态系统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，科学准确地计量森林生态系统碳储量是评价森林碳汇潜力、评估森林在减缓大气CO2浓度上升、应对气候变化等方面功能的关键[1]。广东罗浮山省级自然保护区位于广东博罗县,罗浮山属粤东地块，山体古老，区内地形地貌复杂，土壤垂直分布具明显地带性,从高到低分别是灌丛草甸土、山地黄壤、山地红壤和赤红壤[2-4]。为揭示罗浮山不同海拔土壤表层有机碳储量的垂直分布特征及其与其他土壤理化性状关系，以罗浮山不同林型土壤为研究对象，采用野外采样与室内分析相结合的方法分析罗浮山不同林型土壤有机碳储量分布规律与土壤容重、土壤pH、土壤全N、土壤全P、土壤有机碳等土壤理化指标，以期为该区域土壤碳库储量的准确预测、森林生态系统生物碳储量的估算及碳汇造林树种的选择、森林生态系统抚育等森林经营管理提供数据支持。

1 试验地自然概况

广东罗浮山省级自然保护区总面积9 744.2 hm2，属南亚热带季风气候，年均气温21.9 ℃，年均降雨量1 800～1 900 mm。罗浮山山体古老，古老的地质为植物区系森林群落多样性的形成奠定了基础[4]。

依据《森林生态系统长期定位观测方法(GB/T33027-2016)》的规范要求，在保护区每种典型森林类型选择2～4个投影面积为20 m×20 m样地点，共计16个，分别为：LFS-A，海拔99～109 m，黄樟(Cinnamomumporrectum)+华润楠(Machiluschinensis)+青冈(Cyclobalanopsisglauca)常绿阔叶林。LFB-B，海拔230～233 m,黄樟+华润楠+青冈常绿阔叶林。LFS-C，海拔291～299 m,黄樟+华润楠+青冈常绿阔叶林。LFS-D,海拔343～348 m，LFS-E，海拔340～349 m，LFS-F，海拔384～390 m；马尾松(Pinusmassoniana)+木荷(Schimasuperba)针阔混交林。LFS-G,海拔452～454 m，黄樟+华润楠+青冈常绿阔叶林。LFS-H，海拔567～578 m，LFS-I，海拔620～633 m；华润楠+密花树(Rapaneaneriifolia)常绿阔叶林。LFS-J，海拔608～607 m ，LFS-K，海拔706～716 m， LFS-L，海拔768～780 m；密花树山顶矮林。LFS-M，海拔868～875 m，LFS-N，海拔889～895 m；华润楠+密花树常绿阔叶林。LFS-O，海拔148～159 m， LFS-P，海拔158～156 m；马尾松针叶林。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集及预处理

以20 m×20 m样方为采样单元，按“之”字形5点采样法，用环刀采集0～20 cm土壤，将5个样点土样均匀混合成1 kg混合样品，附采集标签。带回实验室，剔除土壤以外的杂物，在空气中风干，研磨后依次过10目、60目、100目筛，储存于密闭自封袋中，用于土壤理化性质测定[5]。

2.2 土壤测定

土壤各项理化指标测定采用常规方法进行，3次重复。土壤容重采用环刀法，土壤含水量采用(105±2) ℃烘箱烘干法，土壤 pH根据土水比为 1∶2.5测定，土壤有机碳采用油浴-重铬酸钾氧化法测定，全氮含量测定采用半微量凯氏法，土壤全磷含量测定采用碱融-钼锑抗比色法，植物全碳测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法。

计算公式：

土壤含水量=(W湿-W干)/(W干-W)

土壤容重=(W干-W)/100

式中，W湿：湿土质量+铝盒质量；W干：干土+铝盒质量；W：铝盒质量。

C/N=有机碳/全氮

土壤有机碳储量=C×D×E×(1-G)/10[6]：

式中，C—土壤有机碳含量，D—土壤容重，E—土层厚度，G—直径>2 mm 石砾所占体积比。

3 结果与分析

3.1 不同林型土壤有机碳分布特征

不同林型的土壤有机碳含量的差异显著。罗浮山有机碳含量一般为29.27～91.54 g·kg-1(详见表2)，其中，华润楠-密花树常绿阔叶林>密花树山顶矮林>马尾松针叶林>马尾松+木荷针阔混交林>黄樟+华润楠+青冈常绿阔叶林，保护区的不同的林型所处的环境存在差异，其生物种群也存在区别，尤其是土壤动物、微生物的丰富度和活动能力均有所不同，分解粗木质残体和枯落物的快慢存在差异，使得不同林型的土壤有机碳含量存在差异[7]。

表2 罗浮山不同林型土壤有机碳、碳储量及其他理化指标测定结果

3.2 不同林型土壤碳储量分布特征

罗浮山保护区主要植被类型的表层土壤碳储量合计为1.028×106t，土壤有机碳储量随海拔高度增加而降低。各林型中，季风常绿阔叶林有机碳储量最高(6.36×105t)，针叶林次之(1.96×105t)，密花树山顶矮林最低(0.26×105t)。

图1 罗浮山不同植被类型土壤碳储量

3.3 有机碳与其他土壤理化性状的关系

3.3.1 土壤有机碳含量与土壤容重 罗浮山不同林型土壤容重为1.79～2.54 g·cm-3，差异不显著。其中，马尾松针叶林土壤容重最大(2.54 g·cm-3)，华润楠-密花树常绿阔叶林的最小(1.79 g·cm-3)。保护区土壤有机碳含量与容重呈负相关，即土壤有机碳含量越高，其容重越低。有机质具有很强的吸水性，会对土壤孔隙度和持水量产生重要影响，能够改变土壤颗粒的胶结状况，从而对土壤容重产生影响[8]。

3.3.2 土壤有机碳含量与海拔高度的关系 罗浮山保护区地表起伏明显，最大相对高差超过700 m。不同海拔的各取样点的土壤有机碳含量表现出一定的差异。罗浮山的土壤有机碳含量大致与取样点的海拔高度呈正相关，即海拔越高，土壤的碳储量越高。原因是随着海拔的升高，温度逐渐降低，土壤的有机质分解速率减缓，土壤中有机碳储量积累较多[9]。

图2 土壤有机碳储量与容重关系

3.3.3 土壤碳含量与土壤pH的关系 罗浮山土壤pH值在3.71～4.52之间，呈酸性。土壤pH值直接影响土壤微生物的种类、数量和活性，限制微生物的种类，在酸性土壤中，土壤pH值较低时，微生物的种类和活性受限制，从而降低了有机质的分解速率[10，11]，导致罗浮山碳储量与土壤的pH值呈负相关关系，土壤pH值最高(4.52)的样品中土壤的碳含量为最低(11.1104 g·kg-1)，土壤pH值最低(3.71)的样品中土壤的碳含量为最高(71.408 2 g·kg-1)。

图3 土壤碳储量与海拔高度关系

图4 土壤碳储量与土壤pH值关系

3.3.4 土壤有机碳含量与土壤全氮、全磷的关系 罗浮山的土壤全氮、全磷含量分别在1.23～3.18 g·kg-1，0.15～0.31 g·kg-1之间，其中，华润楠-密花树常绿阔叶林全氮、全磷含量最高，分别为3.18 g·kg-1、0.31 g·kg-1，与其他4个林型的全氮、全磷含量差异显著。土壤有机碳含量与土壤的全氮、全磷含量呈显著的正相关，主要是由于土壤中C、N、P元素主要以有机物的形式存在，三者之间存在着较强的关联性。土壤中有机碳含量越高，其全氮、全磷含量也随之增加。

图5 土壤有机碳含量与土壤全氮关系

3.3.5 土壤碳氮比 土壤碳氮比可以影响土壤中微生物的代谢活动，进而对土壤有机质的矿化产生作用。研究表明，土壤碳氮比在15～25 之间，有机质供肥状况优越。碳氮比低于15，利于微生物在有机质分解过程中的养分释放，促进土壤中有效氮的增加；碳氮比高于25，则会出现微生物在分解有机质的过程中存在氮受限，从而与植物存在对土壤无机氮的竞争，不利于植物的生长[12,13]。保护区土壤中C/N的值主要在10.93～15.2之间，这在一定程度上说明了土壤中的有机质分解比较容易，尤其是土壤氮素的矿质化作用明显，可以释放更多的有效态氮，能够为土壤提供充足的氮素，但也容易造成土壤中氮素的流失。

图6 土壤有机碳含量与土壤全磷关系

4 结论与讨论

森林土壤碳主要来源于凋落物的转化累积与矿化分解。海拔影响温度和水分，从而影响植被分布、土壤微生物多样性及人为活动等，导致土壤有机碳存在差异。保护区的土壤有机碳含量随海拔高度增加而降低，其中，华润楠+密花树常绿阔叶林的土壤有机碳含量最高，马尾松+木荷针阔混交林、黄樟+华润楠+青冈常绿阔叶林的土壤有机碳含量最低。其原因可能在于低中海拔区域，随着海拔的升高，植被类型也随之由马尾松针叶林过渡到华润楠+密花树常绿阔叶林，其凋落物质量、数量的差异较大，随着海拔的继续升高，温度随之降低，导致阔叶林凋落物输入量大于针叶林，分解速率减弱，因此土壤有机碳含量增多。

罗浮山保护区主要植被类型的表层土壤碳储量合计为1.028×106t，其中季风常绿阔叶林土壤碳储量最高为6.36×105t，针叶林土壤碳储量次之，为1.96×105t，山顶矮林土壤碳储量0.26×105t，最少；总碳储量变化范围在80.78～121.01 t·hm-2，均大于全国土壤平均碳储量(96.0 t·hm-2)。各森林类型土壤有机碳储量具有明显表聚现象，与梁启鹏、崔鸿侠等的研究结果一致，说明该区域森林土壤有机碳储量的稳定性较高，与罗浮山特殊的土壤结构及环境因素有关。

各森林类型土壤有机碳含量与土壤容重、土壤的pH值、呈显著负相关，即土壤有机碳含量越高的林型中，其土壤容重、土壤的pH值越低；各个森林类型土壤有机碳含量与全氮、全磷呈显著正相关，即土壤有机碳含量越高的林型中，其土壤全氮、全磷含量也越高。不同森林类型之间土壤有机碳、全氮的差异与土壤物理性质、林下生境、凋落物的输入、壤微生物的活动等有关。

保护区的土壤碳氮比在10.93～15.2之间，黄樟+华润楠+青冈常绿阔叶林、马尾松+木荷针阔混交林、马尾松针叶林等大部分林型的土壤碳氮比低于15，利于土壤有机质分解，也容易造成土壤中氮素的流失。保护区华润楠+密花树常绿阔叶林土壤有机碳含量较高，为91.54 g·kg-1，且土壤中碳氮比值15.03较合理，为保护区及周边地区的生态修复，人工林分提升改造，营林模式和树种的选择提供了可靠依据。

由于本研究是以保护区某一阶段的土壤有机碳储量作为分析对象，主要分析了保护区土壤碳储量的空间变化，缺少对不同时间段的土壤碳储量的对比分析。为进一步研究保护区不同林型生长、演替过程对土壤有机碳储量的影响，实现区域森林生态系统碳汇功能长期监测，建议罗浮山保护区在不同林型进行长期的土壤有机碳储量监测工作。