清远市针叶林土壤有机碳分布特征*

杨海燕 张亚男 李莹莹 康 剑，2张志辉 程长福 丁晓纲

（1. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650；3. 清远市龙坪林场，广东 清远 513400）

土壤是森林植被的基础，为森林植物提供必需的水、肥、气、热等生存条件，同时也是陆地生态系统的巨大碳库。土壤有机碳是全球碳循环的重要组成部分，土壤碳含量和储量的变化可能对气候变化起显著影响，而碳库大小与碳固持能力受林分类型、树种组成及经营管理方式等因素制约。森林生态系统中植物与土壤相互影响、相互作用，充分了解植被与土壤性质之间的相互关系，是森林培育和森林经营的基础[1-2]。

研究表明，大规模、高密度种植单一人工针叶林，容易造成土壤肥力衰退、生物多样性下降及生态系统养分周转缓慢等问题，最终影响土壤养分积累及林地生产力，营造针阔混交林是增加生态系统稳定性、改善土壤肥力及增强林地养分循环的重要经营措施[3-4]。

清远市地处广东省中北部，据2021 年广东省森林资源变更调查报告显示，清远市森林面积为128.08 万hm2,林地面积为138.95 万hm2,森林覆盖率为69.72%，蓄积量为8 221.71 万m3，森林覆盖率在广东省5 个北部生态功能区中排第4 位，低于韶关、梅州和河源市。目前关于林地土壤养分的研究已知清远市的英德市、清新区、清城区和佛冈县森林土壤碳、磷、氮的空间分布特征[5-7]，以及邹祖有[8]、张亚男[9]、邓智文等[10]针对清远市针阔混交林土壤的氮元素、针叶林土壤的磷和氮元素空间分布特征。本研究以清远市针叶林土壤为研究对象，分析其土壤有机碳含量分布状况，探究土壤碳分布规律，为今后清远市针叶林的科学经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

广 东 省 清 远 市 位 于111°55′17″～113°55′34″E,23°26′56″～25°11′40″N），属亚热带季风气候区，年平均气温20.7 ℃，最低气温为1 月份，最高气温为7 月份，年平均日照1 662.2 h，年平均降雨量1 900 mm，每年无霜期平均为314.4 d。研究区地势自西北向东南倾斜，以山地、丘陵为主，平原分布于北江两岸的南部地区[11-12]。

1.2 样品采集及测定

根据研究区植被、地形和气候特征，采用专题样点布设与空间随机样点布设相结合的方法，共布设样点134 个[13]，研究区样点分布见图1。各样点均选择有代表性地段挖掘3 个土壤剖面（各剖面间距大于10 m），剖面长1.2～1.5 m，宽0.8～1 m，深1 m。每个剖面均从上至下依次采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 的土层样品，用环刀在各土层中部采集环刀土，用于测定土壤容重，每个样点共采样4 层/个×3 个（剖面）=12 份，每份不少于500 g，并及时带回实验室，在室内常温下风干，拣出杂物，磨碎并充分混合，过100 目尼龙筛后采用重铬酸钾氧化法检测土壤样品中的有机碳含量[14]。土壤容重采用环刀法测定[15]。

图1 清远市针叶林样点分布Fig. 1 Distribution of coniferous forest sampling points in Qingyuan city

土壤碳密度及碳储量计算公式为[16]：

式中：Si为第i层土壤碳密度，kg/m2；Ci为第i层土壤碳含量，g/kg；ρi为第i层土壤容重，g/cm3；di为第i层土层厚度，cm；A为林分面积，hm2；SC为0～100 cm 土壤总碳密度，kg/m2；TC为土壤总碳储量，t。

1.3 数据分析

采用Excel、SPSS 和ArcGIS10.7 软件对数据进行整理和分析，采样点坐标信息及有机碳含量数据整理于Excel 中进行，在ArcGIS10.7 软件中加载广东省矢量化地图，对坐标信息进行添加，生成土壤剖面取样点分布图（图1）。利用SPSS进行描述性统计分析，得出相关指标的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数，并对数据进行对数转换，样点数据均符合正态分布，可采用空间插值法分析；利用ArcGIS 的地统计模块中的普通Kriging 空间插值方法绘制土壤有机碳空间插值图[17-18]。

2 结果与分析

2.1 针叶林土壤有机碳含量描述性统计

清远市针叶林土壤有机碳含量的描述性统计结果见表1，由表可知，表层土壤有机碳含量最高，随土层厚度增加，有机碳含量大致呈递减趋势。各土层变异系数由大到小依次为：60～80 cm（67.15%）、0～20 cm（53.38%）、40～60 cm（51.61%）、20～40 cm（51.11%），60～80 cm 土层离散程度最高，最易受到极端值的影响。

表1 清远市针叶林有机碳含量描述性统计Tab. 1 Descriptive statistics of organic carbon content in coniferous forests of Qingyuan city

2.2 针叶林土壤有机碳含量分布特征

利用普通Kriging 空间插值法绘制的清远市针叶林土壤各土层有机碳空间插值图见图2。由图可知，不同土层有机碳含量不同，随着土层厚度的增加，有机碳含量逐渐减小。西北部：0～20 cm 土层有机碳含量在11.54～16.11 g·kg-1之间，20～40 cm 土 层 为10.07～13.79 g·kg-1，40～60 cm 土层为10.16～12.67 g·kg-1，60～80 cm 土层为9.50～14.07 g·kg-1；中部：0～20 cm 土层有机碳含量 在10.19～19.85 g·kg-1之 间，20～40 cm 土 层 为5.02～16.36 g·kg-1，40～60 cm 土 层 为8.08～14.92 g·kg-1，60～80 cm 土 层 为3.92～11.40 g·kg-1；东南部：0～20 cm 土层有机碳 含量在13.44～25.11 g·kg-1之间，20～40 cm 土层为7.08～23.59 g·kg-1，40～60 cm 土层为5.83～12.67 g·kg-1，60～80 cm 土层为7.18～11.40 g·kg-1。

图2 清远市针叶林土壤有机碳分布Fig. 2 Distribution of soil organic carbon in coniferous forest of Qingyuan city

清远市针叶林土壤同一土层不同区域有机碳含量存在差异。0～20 cm 土层有机碳含量自西北至东南呈逐渐增加的趋势，西北部在11.54～16.11 g·kg-1之间，中部在10.19～19.85 g·kg-1之间，东南部在13.44～25.11 g·kg-1之间；20～40 cm 土层有机碳含量自西北至东南呈逐渐增加的趋势，西北部在10.07～13.79 g·kg-1之间，中部在5.02～16.36 g·kg-1之间，东南部在7.08～23.59 g·kg-1之间；40～60 cm 土层有机碳含量自西北至东南呈逐渐先增加后递减的趋势，西北部在10.16～12.67 g·kg-1之间，中部在8.08～14.92 g·kg-1之间，东南部在5.83～12.67 g·kg-1之 间；60～80 cm 土 层 有 机碳含量自西北至东南呈逐渐递减趋势，西北部在9.50～14.07 g·kg-1之间，中部在3.92～11.40 g·kg-1之间，东南部在7.18～11.40 g·kg-1之间。

3 结论与讨论

本研究主要采用空间插值法探索清远市针叶林土壤有机碳含量的分布状况，结果显示，清远市针叶林表层土壤有机碳含量最高，随土层厚度增加，有机碳含量大致呈递减趋势，表层土壤（0～20 cm 土层）有机碳含量约为13.99 g·kg-1。同一土层不同区域有机碳含量存在差异，整体而言，西北部有机碳含量相对较低，中部和东南部相对较高。

土壤有机碳等养分在空间上通常是连续变化的，其变化可采用一定的函数来表示。空间插值法采用变异函数的计算方式，通过已知点的空间信息估计未知点的空间特征，能够精确、科学地反映被研究地区的土壤养分等特性。有研究指出，空间插值法使用在样点密度大的地区，插值精度更好，在样点稀疏的地区插值效果较差[18-19]。本研究选择样点134 个，涵盖了清远市全部针叶林林分区，具有一定的代表性，采用Kriging 空间插值法获取的研究结果较为可靠。

土壤碳库是陆地生态系统中最大最活跃的部分，不同的土壤类型，其养分状况不完全一致，养分的积累和流动会影响到碳元素在土壤中的转化，导致碳储量在不同土壤类型中有差别。在雨水的冲刷下，土壤上层的有机碳等养分下渗，使得土壤有机碳随着土层深度加深逐渐减少[20-22]。本研究得出的清远市针叶林表层土壤有机碳含量最高，随土层厚度增加，有机碳含量大致呈递减趋势，与清远市的英德市、清新区、清城区和佛冈县林地土壤分布趋势一致[6]，与上述结论相似。

土壤有机碳主要来源于林分地上部分的凋落物和地下部分的分泌物等。有研究表明，针叶林和常绿阔叶林的土壤有机碳含量差别很大，杉木林和马尾松林经过补植套种改造成混交林后，土壤有机碳含量显著增加。林分结构通过影响土壤凋落物、分泌物等的数量、质量和分解速率而改变土壤有机碳的循环过程和含量[22-23]。本研究仅涉及清远市针叶林林分，未与其他林分进行对照，今后将增加不同林分土壤有机碳含量的研究，以期为清远市森林经营管理、土壤质量提升等提供参考。