鄧艷林　陳芳芳　張景　唐菲菲　何介南　吳立潮

摘要：【目的】探討湖南莽山國家級自然保護區(qū)三類次生林土壤有機碳（SOC）分布特征與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系，為該地區(qū)森林土壤碳儲量的準確計量及森林土壤固碳增匯提供參考依據(jù)。【方法】在海拔1230～1300 m區(qū)域內(nèi)的杉木、粵松林和竹林內(nèi)設(shè)9個固定標準地，采集不同層次土壤樣品32個，測定其SOC、土壤容重及田間持水量，運用方差分析、相關(guān)分析及回歸分析法研究不同植被類型SOC分布特征及其與土壤容重和田間持水量間的關(guān)系?！窘Y(jié)果】杉、松、竹三類林地不同土層SOC含量存在顯著差異（P<0.05，下同），隨土壤深度增加呈遞減趨勢；不同林分變化幅度差異不同，且各土層間的差異達顯著水平。三類林地0～40 cm土層SOC存貯有機碳在整個土層所占比重不同，分別為77.7%、77.1%和85.9%。經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)，杉、松、竹三類林地SOC和土壤容重擬合值R分別為0.632、0.727和0.615，杉木林SOC含量與土壤容重呈極顯著相關(guān)（P<0.01，下同）；三類林地SOC含量與田間持水率均呈極顯著或顯著正相關(guān)。方差分析結(jié)果表明，黏粒、粉粒、砂粒含量在同一土層中的三類林地間存在極顯著差異；黏粒、粉粒、砂粒含量與SOC含量相關(guān)不顯著（P>0.05），而砂粒與黏粒、粉粒存在極顯著負相關(guān)。杉、松、竹三類林地砂粒含量在土壤垂直剖面各層均高于黏粒、粉粒含量?！窘Y(jié)論】莽山不同次生林SOC與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)，土壤容重、田間持水量、土壤機械組成等物理性質(zhì)可作為營林和增加森林土壤碳匯的參考指標。

關(guān)鍵詞： 次生林；土壤有機碳（SOC）；土壤物理性狀；莽山國家森林公園

中圖分類號： S714.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）04-0616-07

Abstract：【Objective】The relationship between soil organic carbon（SOC） distribution and physical properties of three types of secondary forests in Mangshan National Forest Park， Hunan， in order to provide reference for soil carbon storage calculation and soil carbon sequestration in the forests. 【Method】Thirty-two soil samples in nine treatment plots had been collected which were set up in three types of secondary forests including Chinese fir， Pinus kwangtungensis and bamboo at altitude of 1230-1300 m. SOC， bulk density and field capacity of the samples were measured. Variance analysis， correlation analysis and regression analysis were conducted to study distribution characteristics and its relation with bulk density and field capacity. 【Result】SOC content in different layers of the three forests were significantly different（P<0.05， the same below）. With the increase of soil depth，SOC generally decreased， but the variation range of SOC was different among these three types of secondary forests. There was a significant difference in variation between different soil layers. The proportions of SOC in 0-40 cm layer of Chinese fir（77.7%）， P. kwangtungensis（77.1%） and bamboo（85.9%） forests were different. According to regression analysis， SOC-bulk density fitted value R for Chinese fir， P. kwangtungensis and bamboo forests were 0.632， 0.727 and 0.615 respectively. For Chinese fir forest， there was extremely significant correlation between SOC and bulk density（P<0.01， the same below）. There was extremely significant difference or significant difference between SOC and field capacity in three types of forests. Variance analysis showed that there was extremely significant difference in clay， silt and sand contents at the same layer between different types of forests. Clay， silt and sand contents were not significantly correlated with SOC content（P>0.05）， but there was extremely significant correlation between sand and clay， silt. At all vertical layers， sand content was higher than those of clay and silt in three types of forests. 【Conclusion】SOC of different types of secondary forests in Mangshan is closely related with soil physical properties. Bulk density， field capacity， soil mechanical composition can serve as indexes for forest management and increasing forest soil carbon sequestration.

Key words： secondary forest； soil organic carbon（SOC）； soil physical property； Mangshan National Forest Park

0 引言

【研究意義】森林土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，森林的土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）儲量庫容巨大，其較小幅度的變化就可能有大量碳向大氣排放，并通過溫室效應影響全球氣候變化（王棣，2015）。因此，充分發(fā)揮森林土壤固碳增匯功能以應對全球氣候變化顯得尤為重要。研究森林SOC與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系既是國內(nèi)外土壤肥力和土壤質(zhì)量研究與評價的主要內(nèi)容，又是全球氣候變化研究關(guān)注的焦點問題之一。我國南方地區(qū)碳匯量占全國碳匯總量的65%以上，其中大面積的人工造林起到重要作用（Piao et al.，2009）。湖南莽山國家自然保護區(qū)是我國中現(xiàn)存中亞熱帶的最典型常綠闊葉林，其森林土壤能吸收大量碳，充分發(fā)揮著亞熱帶森林土壤碳匯功能。因此，研究莽山國家級自然保護區(qū)林地SOC分布特點及其與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性，探討我國亞熱帶森林土壤碳儲量分布格局及其變化規(guī)律，對應對氣候變化下的森林經(jīng)營和生態(tài)建設(shè)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】近十年來，我國已有不少學者研究了SOC與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系。蔡曉布和周進（2009）利用網(wǎng)格采樣法研究全球變化敏感的藏北退化高寒草原SOC變化及其與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系，結(jié)果表明，SOC與土壤容重、含水量均呈極顯著或顯著正相關(guān)。王云琦和王玉杰（2010）分析三峽庫區(qū)馬尾松闊葉混交林、常綠闊葉林、楠竹林和常綠闊葉灌叢4種典型林分林地SOC含量特征及其與土壤物理性質(zhì)關(guān)系，認為SOC含量對土壤物理性質(zhì)有直接作用，與土壤容重也存在明顯的線性關(guān)系。魏強等（2012）以甘肅興隆山青杄林、青杄—白樺林、山楊—白樺林、灌叢林、落葉松林和油松林6種森林類型0～60 cm土壤層為研究對象，得出有機質(zhì)與全氮、水解氮、最大持水量、毛管持水量、田間持水量呈顯著正相關(guān)，而與容重呈顯著負相關(guān)。苗蕾等（2015）選取太行山南麓20年生側(cè)柏、刺槐、栓皮櫟人工次生林為研究對象，發(fā)現(xiàn)土壤容重與森林土壤碳表現(xiàn)出一定的負相關(guān)，僅側(cè)柏人工林的有機碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤容重的相關(guān)性達顯著水平。【本研究切入點】至今有關(guān)莽山森林SOC與土壤物理性質(zhì)關(guān)系的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以莽山典型的杉木、粵松和竹三類人工林為研究對象，探討位于較高海拔區(qū)三類不同人工林植被類型對SOC剖面分布特征的影響及其與土壤容重、田間持水量等物理性質(zhì)相關(guān)性，以期掌握該區(qū)域人工林SOC的存儲情況，為我國區(qū)域性森林土壤碳庫估算及中亞熱帶地區(qū)應對氣候變化下的森林經(jīng)營和生態(tài)建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

莽山國家自然保護區(qū)位于我國湖南省東南部與廣東省北部交接處（東經(jīng)112°45′19″～113°0′10″，北緯24°43′43″～25°3′12″），是我國南方典型的常綠闊葉林區(qū)，是湖南省最大的國家森林公園之一，保存有我國中亞熱帶最典型的常綠闊葉林，森林覆蓋率92.8%，現(xiàn)有喬木純林地18467.3 ha，其中竹林地83.4 ha、杉木林地1587.9 ha、松林地2543.2 ha，被譽為“富麗完好的森林博物館”，1999年實行全面禁伐，2001年保護區(qū)近2萬ha森林被國家林業(yè)局劃定為生態(tài)公益林。

研究區(qū)地處中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.2 ℃，年平均日照天數(shù)250 d，最冷月（1月）和最熱月（7月）平均溫度分別為5.2和22.7 ℃。全年無霜期290～300 d，年降水量1710.4～2555 mm，年均降水量分布不均，降水多集中于春末夏初，其集中程度隨海拔的增高而減弱。莽山地形復雜，山高林密，成土母巖由斑晶和微斑晶花崗巖構(gòu)成，絕大部分土壤在花崗巖母質(zhì)上形成，pH 4.5～5.6，海拔1200～1700 m為山地黃棕壤。

莽山林地土層厚薄因位置不同而變化，澤子坪竹林腐殖質(zhì)層3 cm；杉木林腐殖質(zhì)4 cm；哨所優(yōu)勢樹種粵松屬珍貴樹木（已列為國家保護樹種）腐殖質(zhì)4 cm，分布于向陽陡峭的山壁上，林下枯枝落葉較厚，分解緩慢，草本層稀疏。

1. 2 標準地設(shè)置與樣品采集

在海拔1200～1300 m設(shè)杉木林、粵松林、竹林標準地，在每類林地中分別設(shè)3個20 m×30 m標準樣地進行群落調(diào)查，共9個樣地，在每個樣地內(nèi)沿對角線設(shè)3個土壤樣方并挖掘土壤剖面，剖面深度視不同樣地土層厚度而定，以100 cm為最大深度（土層厚度不足100 cm，深至母巖層為止），按照0～20、20～40、40～60和60～100 cm分層采樣，因竹林土層厚度不足100 cm，最大深度取至60 cm。每層取3個環(huán)刀（100 g/cm3）樣品測定土壤容重和田間持水量，同時各層取約1 kg土樣裝入樣品袋，用于SOC測定。

1. 3 樣品分析與測定

將樣品帶回實驗室，分別對環(huán)刀樣品及各層次樣品進行處理。田間持水量測定采用威爾科克斯法（江培福等，2006）。每個土壤樣品選擇2個100 cm3環(huán)刀，其中一個環(huán)刀裝上過1 mm篩風干土樣作為下環(huán)刀，另一環(huán)刀裝入與下環(huán)刀同種土樣原狀土，作為上環(huán)刀。上環(huán)刀土樣放入水面略低于環(huán)刀上緣的水盆中浸泡24 h，之后將上環(huán)刀取底蓋放置濾紙后與下環(huán)刀對接，并用環(huán)狀橡皮圈固定。排水8 h后稱取上層環(huán)刀中的原狀土15～20 g放入鋁盒，立即稱量，精確至0.01 g。經(jīng)105 ℃烘干后再次稱量，計算前后2次質(zhì)量差，重復2～3次，取其平均值，得出土樣田間持水量。SOC測定采用重鉻酸鉀—分光光度法測定（中華人民共和國環(huán)境保護部，2011）。

1. 4 土壤碳密度和碳貯量計算

有機碳密度指單位面積的有機碳儲量。某一土壤剖面的有機碳密度為該剖面各土層有機碳密度之和，一般用t/ha或kg/m2表示（王紹強等，2000；周玉榮等，2000）。本研究中各土壤剖面的碳密度是各土壤剖面的土壤容重、SOC含量（僅包含土壤顆粒直徑<2 mm）和實際土層厚度三者的乘積，如某一剖面由k層組成，該剖面有機碳密度（SOCD，t/ha）計算公式如下：

1. 5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2003和SPSS 13.0進行數(shù)據(jù)處理和制圖。對三類林地不同土層間及不同林地間SOC含量、容重、田間持水量、土壤機械組成采用單因素方差分析法；SOC含量與土壤容重、田間持水量、土壤機械組成關(guān)系用Pearson相關(guān)分析；三類林地SOC含量與土壤容重、田間持水量相關(guān)性分析采用回歸分析法，用F檢驗檢驗回歸關(guān)系顯著性。

2 結(jié)果與分析

2. 1 莽山不同次生林SOC分布特征

由圖1可知，杉、松、竹三類林地土壤SOC含量與SOCD變化規(guī)律基本一致，兩者在相同林地不同土層內(nèi)均存顯著差異（P<0.05，下同）。SOC含量和SOC密度在垂直剖面由上往下呈遞減趨勢，各土層SOC含量和SOC密度均為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm。由圖1-A可知，杉、松、竹三類林地0～20 cm土壤SOCD在整個土層所占比重分別為37.00%、46.94%和40.57%，0～40 cm為62.74%、82.24%和67.56%。由圖1-B可知，0～40 cm土層杉、松、竹三類林地的SOC含量在整個土層所占比重分別為77.7%、77.1%和85.9%。0～20 cm土層SOCD為竹林>杉木林>粵松林，但在同一土層上的三類林地未達顯著差異（P>0.05，下同）。

2. 2 土壤容重特征及其與SOC含量的關(guān)系

由表1可知，杉、松、竹三類林地土壤容重與SOC含量呈極顯著負相關(guān)（P<0.01，下同），Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.795、-0.892、-0.853。在0～60 cm土層垂直剖面3個不同土層土壤容重為杉木林<粵松林<竹林，而在60～100 cm土層土壤容重為杉木林>粵松林。三類林地在0～20和20～40 cm土層土壤容重介于1.03～1.13 g/cm3；40～60 cm杉、松、竹三類林地平均容重為1.19、1.20和1.39 g/cm3，該土層中竹林土壤容重增加幅度最大，比20～40 cm土層增加20%，而同層粵松林地土壤容重增大8%。杉、松、竹三類林地土壤容重隨土層加深而增大，同一林地不同土層容重差異顯著。對SOC含量與土壤容重進行回歸分析，結(jié)果表明兩者遵循線性回歸模型，擬合值（R）分別為0.632、0.727和0.615（表2），三類林地相關(guān)度排序為竹林<杉木林<粵松林。

2. 3 杉、松、竹三類林地田間持水量特征及其與SOC含量的關(guān)系

由圖2可知，杉、松、竹三類林地不同土層間的土壤田間持水量存在顯著差異，隨土層深度的增加，土壤田間持水量逐漸減小。0～20 cm杉、松、竹三類林地田間持水量平均值分別為46.08%、46.14%和45.04%，三類林地0～20和40～60 cm土壤田間持水量均為粵松林>杉木林>竹林，20～40 cm土層為杉木林>粵松林>竹林，60～100 cm土層為粵松林>杉木林。由表3可知，杉木林和粵松林的SOC含量與田間持水量均呈極顯著正相關(guān)，竹林的SOC含量與田間持水量呈顯著正相關(guān)；三類林地SOC含量與田間持水量的相關(guān)度排序為竹林<粵松林<杉木林。

2. 4 土壤機械組成與SOC含量的關(guān)系

由表4可知，杉、松、竹三類林地土壤黏粒含量在整個土層均為粵松林>杉木林>竹林。由表5可知，土壤黏粒、粉粒和砂粒含量在各垂直剖面不同土層內(nèi)均存在極顯著差異。由表6可知，三類林地土壤砂粒與黏粒和粉粒均呈極顯著負相關(guān)，黏粒含量與SOC含量的相關(guān)性不顯著。由表4可知，在整個土層中，杉、松、竹三類林地土壤機械組成中砂粒含量最高。據(jù)試驗結(jié)果，在0～20 cm土層土壤砂粒含量分別為67%、43%和71%，即砂粒含量排序為杉木林>竹林>粵松林，其中杉、竹兩類林地土壤砂粒含量均超過50%；在0～20 cm土層杉、松、竹三類林地土壤黏粒和粉粒含量分別為17%、31%、15%和16%、26%、14%。

3 討論

3. 1 森林植被類型對人工林SOC的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，在三類林地中竹林的0～20 cm土層SOC含量最高，可能是SOC含量與凋落物數(shù)量、質(zhì)量、凋落物分解速率存在差異有關(guān)。杉木和粵松兩類針葉林凋落物含單寧、木質(zhì)素、樹脂類物質(zhì)較多，纖維素含量高，透水性差，分解速度比闊葉樹慢，難以腐爛（梁宏溫，1994），因此，杉、松兩類針葉林的土壤表層SOC含量低于竹林。

植物根系分布格局差異是影響SOC垂直分布格局的一個重要因素（武小鋼等，2011）。本研究在取樣中發(fā)現(xiàn)竹林根系為特有的竹鞭根，地下鞭根比其他兩類針葉林杉、松分布較淺，且會隨著鞭根的死亡腐爛，生物歸還量較大，有機碳多積累在上層土壤。隨土層深度增加竹林根系減少幅大最大，杉木林次之；相對其他兩類人工林，粵松的根系在土層中扎根最深，可能是在60～100 cm土層粵松容重小于杉木林原因之一。凋落物、植被根系影響SOC和土壤容重的原理有待進一步探討。

莽山森林土壤有機質(zhì)隨深度的加深而逐漸變小，SOC表聚效應明顯，三類林地的SOCD均表現(xiàn)為0～20 cm土層最大，且均隨土壤深度增加而逐漸降低，與方運霆等（2004）、劉鴻雁和黃建國（2005）、程瑞梅等（2010）的研究結(jié)果一致。本研究中莽山三類林地SOCD表層貢獻率0～20 cm高于Detwiler（1986）的研究結(jié)果，與同處亞熱帶的江西廬山（杜有新等，2011）森林SOC相應土層有機碳貢獻率（廬山平均值50.5%）接近，也接近于Jobbágy和Jackson（2000）研究全球土壤剖面SOC的垂直分布狀況，即森林SOCD 0～20 cm土層占l m土層SOC總量的50%，略低于廣東鼎湖山森林土壤0～20 cm土層SOCD的貢獻率（鼎湖山平均值52.3%）（方運霆等，2004）。相較之下，我國莽山森林表層土壤所儲存的有機碳較多。另外，本研究所選樣地位于地勢較平坦且土層較厚的區(qū)域，由于森林土壤具有空間異質(zhì)性，不同林地土層厚度不一，為便于比較研究，需進一步考察其他地形復雜區(qū)域有機碳具體存儲情況。

3. 2 土壤容重、土壤顆粒組成、田間持水量對SOC含量的影響

本研究結(jié)果表明，杉、松、竹三類林地SOC含量與土壤容重存在顯著負相關(guān)，杉、松、竹三類林地土壤田間持水量與SOC含量呈顯著正相關(guān)。隨土層深度增加土壤容重增大，SOC含量變小，土壤容重直接影響土壤通氣性和孔隙度、根系穿透阻力及根系的生長和發(fā)育，土壤容重是影響SOC垂直分布的重要物理性質(zhì)之一。隨土壤容重增大，土壤孔隙度變小，通氣性變差，不利于根系生長發(fā)育，也不能為動植物和微生物提供更好的生存環(huán)境，因而下層SOC含量減少與土壤容重增大植物根系分布減少、有機質(zhì)補充減少有關(guān)。竹林在40～60 cm土層SOC含量隨土壤深度增加急劇下降，其下降幅度大于其他兩類針葉林；土壤容重在這一土層增加的幅度也大于其他兩類林地，究其原因可能與采樣中發(fā)現(xiàn)竹林根系到該層急劇減少有關(guān)。本研究與張鵬等（2009）等研究祁連山得出的土壤容重隨土層深度增加而增大、SOC含量變小的結(jié)論一致。根據(jù)本研究野外調(diào)查和試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，若要提高杉木林、粵松林和竹林土壤固碳作用，可考慮通過改善土壤物理性狀，降低土壤容重，使水分等營養(yǎng)物質(zhì)能順利向下輸送，使植物根系數(shù)量得以增加，增強土壤透氣性及微生物活性，從而增強SOC含量。

本研究結(jié)果還表明，三類林地土壤田間持水量與SOC含量呈顯著正相關(guān)，杉木林和粵松兩類針葉林呈極顯著正相關(guān)。莽山森林土壤田間持水量隨土壤深度的變深而不斷減小，與方偉東等（2011）研究結(jié)果相似。三類林地0～20 cm土層的土壤田間持水量平均為45.09%，高于北京西山油松栓皮櫟混交林的土壤田間持水量（聶立水等，2007）。土壤質(zhì)地是影響田間持水量的一個重要因素，研究區(qū)域位于較高海拔區(qū)，溫度相對較低，林地地表凋落物層較厚，土壤蒸發(fā)量較少，土壤貯水能力較好。

本研究通過對杉、松、竹三類林地土壤機械組成簡單描述性分析，并根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標準對土壤質(zhì)地劃分，分別得出杉樹林屬于砂質(zhì)黏壤土，粵松屬于黏壤土，竹林土壤主要屬于砂質(zhì)壤土。三類林地土壤砂粒含量與黏粒和粉粒極顯著負相關(guān)。杉、松、竹三類林地整個土層土壤機械組成砂粒含量最高，砂粒含量在整個土層垂直剖面各層含量接近（松）或超過（杉、竹）50%，與湖南花崗巖風化物發(fā)育的土壤砂粒含量占52.1%的結(jié)論相近（湖南省農(nóng)業(yè)廳，1989），可能是三類林地土壤母質(zhì)同屬于花崗巖，均由粗晶花崗巖發(fā)育而來。土壤機械組成是土壤中各種粒級所占的重量百分比，是土壤最重要的物理性質(zhì)之一，直接影響土壤的肥力狀況（史錕和陳卓，2008），即土壤機械組成是研究SOC含量的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤中粉黏和黏粒含量均為粵松林>杉木林>竹林。本研究中三類林地土壤黏粒、粉粒和砂粒含量與SOC含量無顯著相關(guān)性，但相對來說SOC含量與黏粒含量相關(guān)性較大（表6）。本研究中莽山的杉、松、竹三類林地海拔相近或相同，氣溫或水熱條件相近，三類植被土壤成土母質(zhì)相同，均由粗晶花崗巖發(fā)育而來，這些因素或許與土壤機械組成與SOC含量不顯著相關(guān)有一定關(guān)系。因此，研究杉、松、竹三類林地土壤黏、粉、砂三類土壤顆粒SOC含量的分布情況也許能更準確地分析出土壤機械組成對SOC含量的影響。土壤黏粒、粉粒、砂粒的有機碳具體含量及其在三類林地土壤有機碳含量所占比重將有待進一步研究。

4 結(jié)論

莽山不同次生林SOC與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)，土壤容重、田間持水量、土壤機械組成等物理性質(zhì)可作為營林和增加森林土壤碳匯的重要參考指標。

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（責任編輯 鄧慧靈）