基于Kriging插值的连州市森林土壤有机碳含量的空间特征*

程长福 张志辉 康 剑 丁晓纲

（1.广东省清远市龙坪林场，广东 连州513438；2.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；3.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

森林土壤是森林生态系统的基础，是动植物生存的必要条件[1-3]。同时，森林土壤又是生态系统碳循环的重要环节，生物残体进入土壤，经过微生物等分解者分解，部分重新释放到大气中，一部分分解形成有机碳存储于土壤中[4-5]。土壤是森林碳库的重要组成部分，对土壤肥力及碳循环有着重要的作用[6-7]。因此，明确森林土壤有机碳的空间分布格局，有利于开展更具有针对性的森林经营管理措施。

本研究基于全域尺度的森林土壤样品分层采集，使得土壤更具有代表性。通过测定土壤有机碳含量，基于空间分析等手段，对连州市森林土壤有机碳含量进行分析研究，揭示连州市土壤有机碳的水平、垂直空间格局。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

连州市位于广东省西北部，小北江的上游。东南毗邻阳山县，西南连接连南县，西北与湖南省蓝山、江华县相连，北与湖南省临武县交界，东北临湖南省宜章县境。其地理坐标为112°47’～112°07’E， 24°37’～ 25°12’N。主峰天堂岭，海拔1 712 m。全市地貌类型以山地为主，气候属于中亚热带季风气候，年平均气温19.4℃，无霜期306 d，平均年总降雨量1 603 mm。全市有11个乡镇，人口53 万，林地面积19.13 万hm2（不含龙坪林场1.1 万hm2），森林覆盖率68.21%，活立木蓄积量1 195.95 万m3[8]。

1.2 样品采集及有机碳测定

根据研究区植被、地形、气候特征等状况，连州市共采集182 个样点，使得样点随机均匀分布在不同地形、地貌、水文、植被状况的区域，且对于土壤信息状况有一定的代表性。选择样点内挖剖面，每隔 20 cm 分层取样，共取3 层分别为0～20 cm（I-F-1）、20～40 cm（I-F-2）、40～60 cm（I-F-3）。将分层采样的土壤带回实验室，风干、过筛后以便后续分析。后参照《土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化-分光光度法》HJ 615-2011进行土壤有机碳含量测定[9]。

图1 连州市林地土壤采样点分布Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in Lianzhou city

1.3 数据分析

通过Excel 对土壤养分含量进行描述性统计，运用R 进行数据分层差异分析。本研究运用Arc-GIS 10.3 软件对土壤氮元素进行空间克里格插值（Kriging），进而分析连州市林地土壤有机碳空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 连州市森林土壤各层有机碳含量统计分析

调查统计结果表明（表1），连州市森林土壤中表层有机碳含量为4.25～44.86 g/kg，平均值为13.05±7.01 g/kg，差别较大；20～40 cm 的有机碳含量为3.49～38.29 g/kg，平均值为11.81±6.01 g/kg；40～60 cm 的有机碳含量为3.19～38.56 g/kg，平均值为11.30±5.86 g/kg。整体来看，按照土层从高到低，有机碳含量依次减少。

表1 连州市森林土壤各层有机碳统计值 g/kgTable 1 Statistical values of organic carbon in forest soil layers in Lianzhou city

2.2 不同土层土壤有机碳含量差异

结果显示（图2），I-F-1 层与I-F-3 层之间土壤有机碳含量有显著差异（P＜0.05），其它土层之间没有显著差异。结果表明，尽管随着土层深度的增加，有机碳含量在减少，但其减少幅度不明显，土层间的差异不显著。

图2 连州市森林土壤不同土层有机碳含量差异Fig. 2 Difference of organic carbon content in different soil layers of forest soil in Lianzhou city

2.3 土壤有机碳各层含量空间分布特征

结果显示（图3），连州市森林表层土有机碳含量空间差异显著，市域内整体呈现南高北低的分布格局。在东南部区域出现高值区域，最大值44.86 g/kg，I-F-2 层土有机碳含量空间差异显著，市域内整体呈现南高北低的分布格局。在东南部区域出现高值区域，低值区域主要集中在中北地区。有机碳含量在第三层土壤中仍存在空间差异，主要表现为东南部高，其余区域中低水平的分布格局。从第一层到第三层，高值区域的范围不断缩小。

图3 连州市森林土层有机碳空间分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of organic carbon in the forest soil layer of Lianzhou city

3 讨论与结论

研究结果显示，连州市土壤有机碳在水平和垂直尺度均存在明显的空间差异。随着土层的加深，有机碳含量降低，这一结果与类似研究的结果相一致[10-11]。随着土层的加深，土壤有机质的输入量、积累量不断减少，再加上氧气含量的降低，有机质分解减缓，因此，有机碳含量较低[12-13]。而表层土可以更快的接收来自森林的凋落产物，在水分、氧气充足的条件下，微生物活性增强，分解产量增加[14]。

从水平层面看，有机碳分布显示明显的北低南高分布格局。可能是因为连州市北部主要分布连江及其支流，土壤含水率较高。有研究表明，土壤含水率与土壤有机碳含量密切相关，高含水率土壤不利于有机碳存储[15-16]。而连州市南部，尤其是东南地区，是龙坪林场所在区域，林场林分密度大，且山地较多，森林生物量丰富，有机碳的来源更为广泛。

综上所述，连州市森林土壤有机碳含量在空间上存在明显差异，随着土层的加深，土壤有机碳含量降低。连州市东南部是有机碳的高值区域，中北部地区含量较低。