劉銳邦

（清遠(yuǎn)市筆架山林場，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

0 引言

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其中具有巨大的碳庫對大氣和氣候有重要影響。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對全球碳循環(huán)具有重要作用。森林生態(tài)系統(tǒng)具有固碳能力強(qiáng)、固碳能力大、生態(tài)服務(wù)功能突出等特點(diǎn)。全球森林面積和蓄積量分別占全球陸地總面積和總蓄積量的50%和60%以上，森林土壤碳庫約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的70%～80%。近年來隨著全球氣候變暖等問題的出現(xiàn)，森林碳庫研究越來越受到人們的重視。土壤有機(jī)碳是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分，其中與森林碳循環(huán)密切相關(guān)，研究土壤有機(jī)碳含量、空間分布特征及其影響因素對于制定森林經(jīng)營策略、提高森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力具有重要意義。本文研究選取了廣東省清遠(yuǎn)市典型針葉林土壤為研究對象，對不同植被類型下的土壤有機(jī)碳含量、空間分布特征及其影響因素進(jìn)行研究，以期為區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地點(diǎn)

1.1 自然氣候概況

清遠(yuǎn)市位于廣東省中部偏北，介于東經(jīng)111°55′17″—113°55′34″，北緯23°26′56″—25°11′40″，南北相距190km，東西相距約20km，邊界線長1200 余km，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛。其年平均氣溫21.4℃，年平均降雨量為1836.6mm，年均無霜期347d。全市地貌可分為山區(qū)、丘陵和平原3 種類型。山地面積約占總面積的78%，以中低山為主；丘陵面積約占21%；平原面積約占11%。

1.2 森林生態(tài)系統(tǒng)

清遠(yuǎn)市的森林生態(tài)系統(tǒng)包括常綠闊葉林森林生態(tài)系統(tǒng)、落葉闊葉林森林生態(tài)系統(tǒng)、常綠與落葉闊葉混交林森林生態(tài)系統(tǒng)、針闊混交林森林生態(tài)系統(tǒng)和暖性針葉林森林生態(tài)系統(tǒng)5 種類型，以常綠闊葉林和針闊混交林為主，主要分布在交通不便的邊陲地帶和中部崇山峻嶺狹谷間，多為天然闊葉林和針闊葉混交林，這是全市的主要水源林資源。

常綠闊葉林以殼斗科、樟科、山茶科、金縷梅科科等為主，喬木以紅錐、白錐、木荷、紅潤楠、甜錐及阿丁楓、亮葉猴耳環(huán)和山杜英為多數(shù)。

落葉闊葉林在清遠(yuǎn)市保護(hù)地分布較少，主要由楓香、圓葉烏桕群落構(gòu)成，層間分布有華南樸、小欒樹、白背葉等，林下分布有四射景天、豺皮樟等。

針闊混交林一般是常綠闊葉林被砍伐后或者人工栽種的馬尾松、杉木等近自然化，形成的混交林，大多由松樹、杉木等針葉林和喜光向陽的闊葉樹種如黧蒴栲、木荷、鴨腳木、楓香等共同構(gòu)成，群落結(jié)構(gòu)簡單，屬于群落演替中的過渡階段。另外，還有部分由華南五針?biāo)?、南方鐵杉、福建柏、大果馬蹄荷、五列木、甜錐和青岡等組成。

常綠與落葉闊葉混交林在清遠(yuǎn)市分布范圍較小，呈現(xiàn)出過渡地帶性，為群落多樣性的一個重要表現(xiàn)，主要由常綠的榕樹、假蘋婆、秋楓、陰香、粗糠柴和落葉的青檀、圓葉烏桕、黃連木、南酸棗、任豆等為優(yōu)勢物種。

暖性針葉林是半自然及人工的植被類型，主要分在保護(hù)區(qū)邊緣地帶。多數(shù)是常綠闊葉林遭受破壞后，由人工栽培馬尾松或侵入跡地天然更新生長起來的常綠針葉林，林下灌木既有桃金娘和崗松，又有檵木，充分反映了南亞熱帶與中亞熱帶的過渡特征。此外還有人工栽培的杉木常綠針葉林。人工營林的生態(tài)系統(tǒng)面積較大；松樹適應(yīng)性廣，耐旱耐瘠，粗生快長，全市各地都有分布，這是一種先鋒常綠針葉林系統(tǒng)。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)選取

本次研究選根據(jù)研究區(qū)植被、地形和氣候特征，采用專題樣點(diǎn)布設(shè)與空間隨機(jī)樣點(diǎn)布設(shè)相結(jié)合方式，共布設(shè)樣點(diǎn)134 個，具體分布如圖1 所示。

圖1 清遠(yuǎn)市針葉林樣品分布

樣品采集方法采用人工挖掘法，將土壤樣品取出后在室內(nèi)自然風(fēng)干，然后將風(fēng)干的土壤放入塑料袋中保存待用。采用空間代替時間的方法對土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，將采集的樣品按5m×5m 的網(wǎng)格進(jìn)行編號，每個網(wǎng)格面積為1m2，每個樣方設(shè)置4 個重復(fù)，每個重復(fù)設(shè)置3 個土壤表層（0～20cm）樣品。完成樣品采集后即用塑料袋分裝好帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。土壤樣品經(jīng)研磨后裝入塑料瓶，放置在烘箱中，在80℃條件下烘干至恒重。完成相關(guān)準(zhǔn)備工作后，取各土層土樣30g，加入4g 重鉻酸鉀溶液（pH=12）攪拌均勻，再加入25g 氫氧化鈉溶液（pH=12）攪拌均勻后放入塑料瓶中，繼續(xù)振蕩1h，靜置24h 后過濾待用。將過濾液與上清液混合后再用水稀釋至100mL 左右取上清液測定有機(jī)碳含量[1]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

在ArcGIS9.2 軟件中利用地圖投影功能將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)投影到0°、30°、60°、90°和120°角下，將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)投影到同一坐標(biāo)系中。采用ArcGIS9.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，柵格化后的數(shù)據(jù)用DepositionImage 插件進(jìn)行處理，通過Mapinfo 對不同地形部位（即坡向和坡向）進(jìn)行分析，根據(jù)采樣點(diǎn)的分布特征繪制地形部位圖，利用GeoHy 對植被類型進(jìn)行分析，并在ArcGIS 軟件中繪制出不同植被類型的分布圖。利用地統(tǒng)計學(xué)中的克立格法、插值法和克里格法計算土壤有機(jī)碳密度，通過比較不同地形部位、植被類型和土壤有機(jī)碳密度的空間變異情況來分析不同地形部位和土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征。此外由于土壤有機(jī)碳密度與土壤厚度密切相關(guān)，因此對不同地形部位、植被類型和土壤有機(jī)碳密度的空間變異特征進(jìn)行研究。在相同地形部位，地形越高，土壤厚度越薄，土壤有機(jī)碳密度越??；在相同植被類型下，植物多樣性指數(shù)較高的區(qū)域其土壤有機(jī)碳密度也較大；在相同植物多樣性下，草本覆蓋度較大的區(qū)域其土壤有機(jī)碳密度也較大。最后在空間自相關(guān)性分析方面主要采用常規(guī)統(tǒng)計分析方法對土壤有機(jī)碳密度的空間變異特征進(jìn)行分析。利用普通Kriging 插值方法對不同地形部位、植被類型和土壤有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性進(jìn)行研究。以平均絕對誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）為評價標(biāo)準(zhǔn)，對不同地形部位、植被類型和土壤有機(jī)碳密度的空間自相關(guān)性進(jìn)行分析[2]。

3 結(jié)果分析

從上述研究方法最后可以判斷出，土壤有機(jī)碳含量隨土層深度增加呈指數(shù)函數(shù)遞減，0～20cm 土層有機(jī)碳含量最高，20～40cm 次之，＞40cm 最低。不同海拔高度間土壤有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05），海拔600m 處土壤有機(jī)碳含量最高，為166.28g/kg。0～20cm 土層有機(jī)碳含量與海拔高度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），20～40cm 土層與海拔高度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。而不同植被類型間土壤有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05），具體表現(xiàn)為闊葉林＞針葉林＞灌叢。從總體來看，針葉林土壤有機(jī)碳密度最大為21.26t/hm2，灌叢最小為0.22t/hm2；闊葉林最大為0.35t/hm2；針葉林最小為0.22t/hm2。不同植被類型土壤有機(jī)碳值的空間變異性較大。具體表現(xiàn)為闊葉林＞針葉林＞灌叢。具體碳含量描述內(nèi)容如表1 所示。

表1 清遠(yuǎn)市針葉林有機(jī)碳含量描述統(tǒng)計

3.1 土壤有機(jī)碳空間分布概括

結(jié)合清遠(yuǎn)市地形以及氣候特點(diǎn)來看，土壤有機(jī)碳密度整體呈東南向西北遞減趨勢，其中針葉林、闊葉林和灌叢土壤有機(jī)碳密度分別為5.16t/hm2、5.49t/hm2和6.45t/hm2，均屬于較高水平；而海拔600m 處土壤有機(jī)碳密度最高，為18.34t/hm2，隨著海拔升高土壤有機(jī)碳密度呈遞減趨勢，這與前人研究結(jié)果一致。海拔600m處土壤有機(jī)碳密度大于700m 處，原因可能是海拔600m 處為山體的頂部，受重力作用影響較大，而海拔700m 處為山體的中部，受地形限制較小，海拔700～1000m 處為山體的中部，地勢平坦開闊。海拔1000～2000m 處為山體的中部，地勢較高且坡度較緩?？膳袛嗤寥烙袡C(jī)碳密度與海拔、坡度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 影響因素分析

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，直接影響著植物的生長和發(fā)育，進(jìn)而影響著土壤肥力的形成和發(fā)展。隨著全球氣候變暖，我國的氣溫也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，氣溫的升高必然導(dǎo)致土壤溫度的升高，導(dǎo)致土壤中微生物活性增強(qiáng)，植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)和水分的能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量不斷增加。同時溫度升高也會促進(jìn)植物根系對養(yǎng)分的吸收，提高了植物體內(nèi)碳含量。隨著全球變暖加劇，溫度每升高1℃，我國每年約有40 萬t 有機(jī)碳釋放到大氣中。本研究表明海拔、坡度對土壤有機(jī)碳含量有顯著影響，海拔越高土壤有機(jī)碳含量越低；坡度對土壤有機(jī)碳密度有顯著影響，坡度越大其土壤有機(jī)碳密度越大。因此在實(shí)際生產(chǎn)中要因地制宜地進(jìn)行森林經(jīng)營管理。同時應(yīng)注意適當(dāng)采伐針葉林地減少養(yǎng)分流失、控制林地水土流失、保護(hù)生物多樣性。此外不同森林類型和不同地形部位在相同年份間土壤有機(jī)碳庫及其各組成均存在顯著差異。針葉林和闊葉林0～20cm 土層的C/N 比范圍在12～19，均大于灌叢和灌草林0～20cm 土層的C/N 比；針葉林0～20cm 土層C/N 比為10.67～19.97，高于闊葉林和灌叢0～20cm 土層的C/N 比，，針葉林和闊葉林0～20cm 土層的C/N 比均小于灌叢和灌草林[3]。

4 討論

不同植被類型的土壤有機(jī)碳含量具有明顯差異，闊葉林、灌叢和針葉林土壤有機(jī)碳含量分別為6.36g/kg、5.98g/kg 和5.42g/kg，3 種植被類型土壤有機(jī)碳密度分別為10.17g/kg、10.08g/kg 和9.72g/kg，這表明土壤有機(jī)碳含量與植被類型有關(guān)。各土層有機(jī)碳含量均為粘粉粒（0～20cm）＞細(xì)砂粒（20～40cm）＞粗砂粒（40～80cm）。隨著土層深度增加，0～20cm 土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而＞20cm 土壤有機(jī)碳含量呈持續(xù)增加的趨勢。在本研究中影響土壤有機(jī)碳的因素有很多種，如地形、氣候、土壤類型、植被類型等。在以往的研究中主要是研究某一區(qū)域的森林植被對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響[4]。本研究首次從空間角度研究了廣東省清遠(yuǎn)市針葉林土壤碳庫分布特征及影響因素。通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方式獲取了清遠(yuǎn)市針葉林土壤理化性質(zhì)和碳庫分布數(shù)據(jù)，分析了清遠(yuǎn)市針葉林土壤碳庫的空間分布特征及影響因素。結(jié)果表明：①清遠(yuǎn)市針葉林0～20cm 土層的有機(jī)碳含量最高（7.47g/kg），20～40cm土層次之（5.92g/kg），＞40cm 土層最低（2.85g/kg）。②清遠(yuǎn)市針葉林土壤碳庫密度和空間變異程度均為：闊葉林＞針葉林＞灌叢；針葉林碳庫密度和空間變異程度最大（146.89g/kg）。③不同地形部位的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響存在顯著差異（P＜0.05）；在海拔600m處的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境影響最大（12.26g/kg）。④不同地形部位的土壤碳庫密度和空間變異程度存在顯著差異（P＜0.05），海拔600m 處的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境影響最大（146.89g/kg）。⑤不同植被類型的土壤碳庫密度和空間變異程度存在顯著差異（P＜0.05），闊葉林＞針葉林＞灌叢；在海拔600m 處的植被類型對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境影響最大（12.26g/kg）。研究結(jié)果可為清遠(yuǎn)市乃至廣東省地區(qū)森林植被的科學(xué)經(jīng)營管理和碳固存提供理論依據(jù)，同時也為廣東省乃至全國范圍內(nèi)的森林植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，清遠(yuǎn)市針葉林土壤有機(jī)碳分布具有一定的空間和時間特征。從空間上看，海拔高度和土壤類型對有機(jī)碳含量產(chǎn)生顯著影響。高海拔地區(qū)由于氣候條件限制，土壤有機(jī)碳含量較低，而中低海拔地區(qū)因?yàn)楦玫纳鷳B(tài)條件，土壤有機(jī)碳含量相對較高。不同的土壤類型也會導(dǎo)致有機(jī)碳分布的差異。在時間上看，森林演替過程、自然因素和人為活動均對土壤有機(jī)碳積累和變化產(chǎn)生影響。因此需要通過全面了解清遠(yuǎn)市針葉林土壤有機(jī)碳分布特征，采取有效的管理措施，實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的平衡和增加，促進(jìn)生物多樣性的保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。