东江中下游流域森林土壤有机碳空间分布特征研究*

孙冬晓 康 剑，2 张中瑞 曲 仡 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）

森林是陆地生态系统的主体，土壤是陆地生态系统的重要组成部分，森林土壤在维系全球生态平衡等方面发挥着重要作用[1]。森林土壤有机碳是森林生态系统中能够直接或经转化后被植物根系吸收的矿质营养成分[2]，是森林土壤肥力的重要组成部分，是衡量森林土壤质量的重要指标[3]，土壤有机碳主要来源于各类植物凋落物、死亡植物体及根系，能为植物生长提供所需要的养分，对土壤物理化学性质有重要影响，在土壤保肥能力、促进植物生长、提高林业生产等方面有重要影响[4-5]。

摸清东江中下游流域土壤有机碳空间分布状况，揭示土壤有机碳含量水平及垂直方向上的空间分布特征，可为东江中下游流域林区合理施肥、精准提高质量、宏观经营决策、可持续利用森林与环境资源等提供理论依据[6-7]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于东江中下游流域，以秋香将江、公庄河和西枝江为主，地势东北高、西南低。属亚热带季风湿润气候区，气候温和，光照时间长，年均温20.4 °C 左右。降雨量充足，年平均降水量在1 500～2 400 mm 之间，西南多、东北少，具有明显的干湿季节。地表出露地层主要为花岗岩、砂页岩和紫红色砂岩及其上发育的数十至数百米的红色风化壳。成土母质以花岗岩和砂页岩为主，土壤类型主要是地带性土壤，包括赤红壤、山地红壤和山地黄壤[8-9]。流域内植被属于亚热带季风常绿阔叶林和南亚热带草被以及人工营造的针叶林，常年青绿。河岸带植物物种多样性丰富，植被以禾本科、菊科、蝶形花科、莎草科为主要组成成分[10]。

1.2 样点布设

本次研究采取随机布点与专题布点相结合的方法，在东江中下游流域总共布设土壤采样点192个，如图1 所示，分布于惠州市惠城区、博罗县、惠东县、龙门县。其中专题布点104 个，随机布点88 个。专题布点使得土壤样点能够代表研究区范围内不同地形地貌、水文、植被条件下的土壤状况，随机布点是在专题布点的基础上，使得布设样点在研究区域范围内均匀分布。

图1 东江中下游流域森林土壤样点布设Fig. 1 Layout of forest soil samples in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

1.3 样品采集与化验

2021 年7—8 月，在样点预设点位附近选取选取土壤发育条件比较稳定的位置，去除土壤表面凋落物。按照《中华人民共和国林业行业标准》(LY/T 2250-2014)森林土壤调查技术规程[11]，挖掘3 个宽60 cm 深80 cm 的土壤剖面，用剖面刀自上而下进行修整，保证土壤剖面垂直、光滑且露出土壤的自然结构。将土壤剖面分为4 层，包括D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），由下至上分层取样，每个样品500g，做好剖面记录。采集好的土壤样品带回实验室，放置于通风、阴凉的地方摊开。自然风干后，剔除粗枝落叶、根系和碎石，磨细后过筛，孔径分别为3 mm、2 mm 和0.25 mm，保存于封口袋中。采用重铬酸钾氧化-外加热法（LY/T 1232—2015）对土壤有机碳含量进行测定[12-13]。

1.4 分析方法

使用Excel 2010 与SPSS 19 对东江中下游流域森林土壤有机碳含量进行描述性统计，绘制4个土壤层之间土壤有机碳含量的差异性分析箱线图，分析个土壤层之间有机碳含量的数据离散程度。运用ArcGIS 10.3，生产4 个土壤层有机碳含量的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 不同森林土壤层有机碳含量描述性统计

东江中下游流域森林土壤分为4 个土壤层，由表层至深层依次为D1、D2、D3、D4 土壤层，不同土壤层有机碳含量的描述性统计如表1 所示。4 个土壤层有机碳含量的平均值、最大值和中位数由表层至深层均依次降低，其中平均值在D1～D4土壤层分别为13.817 g/kg、8.464 g/kg、6.538 g/kg和5.476 g/kg。有机碳含量的最小值，在D1 土壤层为0.706 g/kg，D2～D4 土壤层含量逐渐减少。标准误差和标准差由D1～D4 土壤层逐渐降低，其中标准误差D1～D4 土壤层依次为0.441 g/kg、0.270 g/kg、0.213 g/kg 和0.197 g/kg，标准差D1～D4 土壤层依次为6.109 g/kg、3.746 g/kg、2.954 g/kg 和2.730 g/kg，表明由表层至深层土壤有机碳含量变化趋于稳定。D1～D4 土壤层的峰度值和偏度值显示，4 个土壤层均呈现偏正态分布，其中D1 土壤层的偏度和峰度值最低，分别为1.282 和3.653。

表1 东江中下游流域森林土壤有机碳含量描述性统计Table 1 Descriptive statistical table of forest soil organic carbon content in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.2 不同森林土壤层有机碳含量对比分析

东江中下游流域森林土壤4 个土壤层有机碳含量箱线图如图2 所示。箱线图显示，D1～D4 各土壤层之间有机碳含量均存在显著差异，其中D1与D2、D3、D4 土壤层，D2 与D3、D4 土壤层之间的差异性高于D3 与D4 土壤层。有机碳含量的平均水平在D1 土壤层达到最高，D2、D3、D4 土壤层逐渐降低。离散程度与平均水平的变化趋势一致，由D1～D4 土壤层，随土壤层的加深，离散程度逐渐降低，空间变异性逐渐降低。由上可知，各土壤层之间有机碳含量均存在显著性差异，表层土壤有机碳含量的平均水平及离散程度高于其他土壤层，且随土壤层深度的增加，有机碳含量逐渐降低，离散程度逐渐减小，空间变异性逐渐减弱。

图2 东江中下游流域森林土壤有机碳含量箱线图Fig. 2 Box line diagram of soil organic carbon content in forest soil in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.3 各森林土壤层有机碳含量空间分布特征

东江中下游流域森林土壤4 个土壤层有机碳含量空间分布如图3 所示，D1、D2、D3 和D4 土壤层有机碳含量分别主要分布于0.71～42.07 g/kg、2.21～25.87 g/kg、1.48～22.36 g/kg 和1.25～21.37 g/kg 之间。从水平方向上看，4 个土壤层有机碳含量的空间分布整体上均呈现西部高东部低的变化趋势，其中D1 土壤层在流域的东西两侧土壤有机碳含量差异大于其他土壤层，存在明显的空间分布差异。从垂直方向上看，D1～D4 土壤层有机碳含量整体上呈现出逐渐降低的变化趋势；在东江中下游流域东侧，D1 到D2 土壤层、D3 到D4 土壤层有机碳含量存在略微的增加，考虑是有机碳在不同土壤层发生淋溶作用产生的结果。

图3 东江中下游流域不同土壤层森林土壤有机碳含量空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content in forests of different soil layers in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

3 结论与讨论

3.1 东江中下游流域森林土壤由表层至深层依次为D1、D2、D3、D4 层，D1～D4 土壤层的平均值分别为13.817 g/kg、8.464 g/kg、6.538 g/kg 和

5.476 g/kg。4 个土壤层有机碳含量的平均值、最大值和中位数由表层至深层均呈现出逐渐降低的变化趋势，其中标准误差和标准差表明由表层至深层土壤有机碳含量变化趋于稳定。

3.2 D1～D4 各森林土壤层之间有机碳含量均存在显著差异，其中D1 与D2、D3、D4 土壤层，D2与D3、D4 土壤层之间的差异性相对高，D3 与D4土壤层之间的差异性相对低。D1 土壤层有机碳含量的平均水平及离散程度均高于其他3 个土壤层，且随土壤层的加深，有机碳含量的平均水平逐渐降低，离散程度逐渐减小，空间变异性逐渐减弱。

3.3 东江中下游流域森林土壤4 个土壤层（D1、D2、D3 和D4）有机碳含量主要分布于0.71～42.07 g/kg、2.21～25.87 g/kg、1.48～22.36 g/kg和1.25～21.37 g/kg 之间。水平方向上，4 个土壤层有机碳含量的空间分布整体上均呈现西部高东部低的变化趋势。垂直方向上，D1～D4 土壤层有机碳含量整体上呈现出逐渐降低的变化趋势。局部地区表现出有机碳含量在浅层土壤含量低、深层土壤含量高的现象，考虑是有机碳在不同土壤层发生淋溶作用产生的结果[5]。

3.4 通过对不同森林土壤层有机碳含量进行描述性统计、对比分析和空间作图，结果呈现出明显的一致性，即D1～D4 土壤层随土壤深度的增加，有机碳含量整体降低，空间变异性逐渐减小，与邓小军等[14]对亚热带广西山地红壤区域的研究结果一致，主要是由于枯枝落叶和土壤动物、微生物主要处于土壤表层，同时表层土壤通气、湿热条件优于深层土壤，使得有机碳在表层积累含量高[15]。