廣東羅浮山省級自然保護區不同林型土壤有機碳分布特征及碳儲量研究

鄧華格，林偉通，徐益成，黃偉藝

(1.廣東羅浮山省級自然保護區管理處，廣東 惠州 516133；2.惠州市國有羅浮山林場，廣東 惠州 516131；3.廣州林芳生態科技有限公司，廣東 廣州 510520)

森林生態系統土壤碳循環是與全球氣候變化密切相關的重要地球表層系統過程，科學準確地計量森林生態系統碳儲量是評價森林碳匯潛力、評估森林在減緩大氣CO2濃度上升、應對氣候變化等方面功能的關鍵[1]。廣東羅浮山省級自然保護區位于廣東博羅縣,羅浮山屬粵東地塊，山體古老，區內地形地貌復雜，土壤垂直分布具明顯地帶性,從高到低分別是灌叢草甸土、山地黃壤、山地紅壤和赤紅壤[2-4]。為揭示羅浮山不同海拔土壤表層有機碳儲量的垂直分布特征及其與其他土壤理化性狀關系，以羅浮山不同林型土壤為研究對象，采用野外采樣與室內分析相結合的方法分析羅浮山不同林型土壤有機碳儲量分布規律與土壤容重、土壤pH、土壤全N、土壤全P、土壤有機碳等土壤理化指標，以期為該區域土壤碳庫儲量的準確預測、森林生態系統生物碳儲量的估算及碳匯造林樹種的選擇、森林生態系統撫育等森林經營管理提供數據支持。

1 試驗地自然概況

廣東羅浮山省級自然保護區總面積9 744.2 hm2，屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.9 ℃，年均降雨量1 800～1 900 mm。羅浮山山體古老，古老的地質為植物區系森林群落多樣性的形成奠定了基礎[4]。

依據《森林生態系統長期定位觀測方法(GB/T33027-2016)》的規范要求，在保護區每種典型森林類型選擇2～4個投影面積為20 m×20 m樣地點，共計16個，分別為：LFS-A，海拔99～109 m，黃樟(Cinnamomumporrectum)+華潤楠(Machiluschinensis)+青岡(Cyclobalanopsisglauca)常綠闊葉林。LFB-B，海拔230～233 m,黃樟+華潤楠+青岡常綠闊葉林。LFS-C，海拔291～299 m,黃樟+華潤楠+青岡常綠闊葉林。LFS-D,海拔343～348 m，LFS-E，海拔340～349 m，LFS-F，海拔384～390 m；馬尾松(Pinusmassoniana)+木荷(Schimasuperba)針闊混交林。LFS-G,海拔452～454 m，黃樟+華潤楠+青岡常綠闊葉林。LFS-H，海拔567～578 m，LFS-I，海拔620～633 m；華潤楠+密花樹(Rapaneaneriifolia)常綠闊葉林。LFS-J，海拔608～607 m ，LFS-K，海拔706～716 m， LFS-L，海拔768～780 m；密花樹山頂矮林。LFS-M，海拔868～875 m，LFS-N，海拔889～895 m；華潤楠+密花樹常綠闊葉林。LFS-O，海拔148～159 m， LFS-P，海拔158～156 m；馬尾松針葉林。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集及預處理

以20 m×20 m樣方為采樣單元，按“之”字形5點采樣法，用環刀采集0～20 cm土壤，將5個樣點土樣均勻混合成1 kg混合樣品，附采集標簽。帶回實驗室，剔除土壤以外的雜物，在空氣中風干，研磨后依次過10目、60目、100目篩，儲存于密閉自封袋中，用于土壤理化性質測定[5]。

2.2 土壤測定

土壤各項理化指標測定采用常規方法進行，3次重復。土壤容重采用環刀法，土壤含水量采用(105±2) ℃烘箱烘干法，土壤 pH根據土水比為 1∶2.5測定，土壤有機碳采用油浴-重鉻酸鉀氧化法測定，全氮含量測定采用半微量凱氏法，土壤全磷含量測定采用堿融-鉬銻抗比色法，植物全碳測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法。

計算公式：

土壤含水量=(W濕-W干)/(W干-W)

土壤容重=(W干-W)/100

式中，W濕：濕土質量+鋁盒質量；W干：干土+鋁盒質量；W：鋁盒質量。

C/N=有機碳/全氮

土壤有機碳儲量=C×D×E×(1-G)/10[6]：

式中，C—土壤有機碳含量，D—土壤容重，E—土層厚度，G—直徑>2 mm 石礫所占體積比。

3 結果與分析

3.1 不同林型土壤有機碳分布特征

不同林型的土壤有機碳含量的差異顯著。羅浮山有機碳含量一般為29.27～91.54 g·kg-1(詳見表2)，其中，華潤楠-密花樹常綠闊葉林>密花樹山頂矮林>馬尾松針葉林>馬尾松+木荷針闊混交林>黃樟+華潤楠+青岡常綠闊葉林，保護區的不同的林型所處的環境存在差異，其生物種群也存在區別，尤其是土壤動物、微生物的豐富度和活動能力均有所不同，分解粗木質殘體和枯落物的快慢存在差異，使得不同林型的土壤有機碳含量存在差異[7]。

表2 羅浮山不同林型土壤有機碳、碳儲量及其他理化指標測定結果

3.2 不同林型土壤碳儲量分布特征

羅浮山保護區主要植被類型的表層土壤碳儲量合計為1.028×106t，土壤有機碳儲量隨海拔高度增加而降低。各林型中，季風常綠闊葉林有機碳儲量最高(6.36×105t)，針葉林次之(1.96×105t)，密花樹山頂矮林最低(0.26×105t)。

圖1 羅浮山不同植被類型土壤碳儲量

3.3 有機碳與其他土壤理化性狀的關系

3.3.1 土壤有機碳含量與土壤容重 羅浮山不同林型土壤容重為1.79～2.54 g·cm-3，差異不顯著。其中，馬尾松針葉林土壤容重最大(2.54 g·cm-3)，華潤楠-密花樹常綠闊葉林的最小(1.79 g·cm-3)。保護區土壤有機碳含量與容重呈負相關，即土壤有機碳含量越高，其容重越低。有機質具有很強的吸水性，會對土壤孔隙度和持水量產生重要影響，能夠改變土壤顆粒的膠結狀況，從而對土壤容重產生影響[8]。

3.3.2 土壤有機碳含量與海拔高度的關系 羅浮山保護區地表起伏明顯，最大相對高差超過700 m。不同海拔的各取樣點的土壤有機碳含量表現出一定的差異。羅浮山的土壤有機碳含量大致與取樣點的海拔高度呈正相關，即海拔越高，土壤的碳儲量越高。原因是隨著海拔的升高，溫度逐漸降低，土壤的有機質分解速率減緩，土壤中有機碳儲量積累較多[9]。

圖2 土壤有機碳儲量與容重關系

3.3.3 土壤碳含量與土壤pH的關系 羅浮山土壤pH值在3.71～4.52之間，呈酸性。土壤pH值直接影響土壤微生物的種類、數量和活性，限制微生物的種類，在酸性土壤中，土壤pH值較低時，微生物的種類和活性受限制，從而降低了有機質的分解速率[10，11]，導致羅浮山碳儲量與土壤的pH值呈負相關關系，土壤pH值最高(4.52)的樣品中土壤的碳含量為最低(11.1104 g·kg-1)，土壤pH值最低(3.71)的樣品中土壤的碳含量為最高(71.408 2 g·kg-1)。

圖3 土壤碳儲量與海拔高度關系

圖4 土壤碳儲量與土壤pH值關系

3.3.4 土壤有機碳含量與土壤全氮、全磷的關系 羅浮山的土壤全氮、全磷含量分別在1.23～3.18 g·kg-1，0.15～0.31 g·kg-1之間，其中，華潤楠-密花樹常綠闊葉林全氮、全磷含量最高，分別為3.18 g·kg-1、0.31 g·kg-1，與其他4個林型的全氮、全磷含量差異顯著。土壤有機碳含量與土壤的全氮、全磷含量呈顯著的正相關，主要是由于土壤中C、N、P元素主要以有機物的形式存在，三者之間存在著較強的關聯性。土壤中有機碳含量越高，其全氮、全磷含量也隨之增加。

圖5 土壤有機碳含量與土壤全氮關系

3.3.5 土壤碳氮比 土壤碳氮比可以影響土壤中微生物的代謝活動，進而對土壤有機質的礦化產生作用。研究表明，土壤碳氮比在15～25 之間，有機質供肥狀況優越。碳氮比低于15，利于微生物在有機質分解過程中的養分釋放，促進土壤中有效氮的增加；碳氮比高于25，則會出現微生物在分解有機質的過程中存在氮受限，從而與植物存在對土壤無機氮的競爭，不利于植物的生長[12,13]。保護區土壤中C/N的值主要在10.93～15.2之間，這在一定程度上說明了土壤中的有機質分解比較容易，尤其是土壤氮素的礦質化作用明顯，可以釋放更多的有效態氮，能夠為土壤提供充足的氮素，但也容易造成土壤中氮素的流失。

圖6 土壤有機碳含量與土壤全磷關系

4 結論與討論

森林土壤碳主要來源于凋落物的轉化累積與礦化分解。海拔影響溫度和水分，從而影響植被分布、土壤微生物多樣性及人為活動等，導致土壤有機碳存在差異。保護區的土壤有機碳含量隨海拔高度增加而降低，其中，華潤楠+密花樹常綠闊葉林的土壤有機碳含量最高，馬尾松+木荷針闊混交林、黃樟+華潤楠+青岡常綠闊葉林的土壤有機碳含量最低。其原因可能在于低中海拔區域，隨著海拔的升高，植被類型也隨之由馬尾松針葉林過渡到華潤楠+密花樹常綠闊葉林，其凋落物質量、數量的差異較大，隨著海拔的繼續升高，溫度隨之降低，導致闊葉林凋落物輸入量大于針葉林，分解速率減弱，因此土壤有機碳含量增多。

羅浮山保護區主要植被類型的表層土壤碳儲量合計為1.028×106t，其中季風常綠闊葉林土壤碳儲量最高為6.36×105t，針葉林土壤碳儲量次之，為1.96×105t，山頂矮林土壤碳儲量0.26×105t，最少；總碳儲量變化范圍在80.78～121.01 t·hm-2，均大于全國土壤平均碳儲量(96.0 t·hm-2)。各森林類型土壤有機碳儲量具有明顯表聚現象，與梁啟鵬、崔鴻俠等的研究結果一致，說明該區域森林土壤有機碳儲量的穩定性較高，與羅浮山特殊的土壤結構及環境因素有關。

各森林類型土壤有機碳含量與土壤容重、土壤的pH值、呈顯著負相關，即土壤有機碳含量越高的林型中，其土壤容重、土壤的pH值越低；各個森林類型土壤有機碳含量與全氮、全磷呈顯著正相關，即土壤有機碳含量越高的林型中，其土壤全氮、全磷含量也越高。不同森林類型之間土壤有機碳、全氮的差異與土壤物理性質、林下生境、凋落物的輸入、壤微生物的活動等有關。

保護區的土壤碳氮比在10.93～15.2之間，黃樟+華潤楠+青岡常綠闊葉林、馬尾松+木荷針闊混交林、馬尾松針葉林等大部分林型的土壤碳氮比低于15，利于土壤有機質分解，也容易造成土壤中氮素的流失。保護區華潤楠+密花樹常綠闊葉林土壤有機碳含量較高，為91.54 g·kg-1，且土壤中碳氮比值15.03較合理，為保護區及周邊地區的生態修復，人工林分提升改造，營林模式和樹種的選擇提供了可靠依據。

由于本研究是以保護區某一階段的土壤有機碳儲量作為分析對象，主要分析了保護區土壤碳儲量的空間變化，缺少對不同時間段的土壤碳儲量的對比分析。為進一步研究保護區不同林型生長、演替過程對土壤有機碳儲量的影響，實現區域森林生態系統碳匯功能長期監測，建議羅浮山保護區在不同林型進行長期的土壤有機碳儲量監測工作。