田耀武，賀春玲，劉 楊，張 寵，耿婉璐

（河南科技大學(xué) 林學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

森林土壤有機(jī)碳庫(kù)是全球碳循環(huán)最重要的儲(chǔ)存庫(kù)之一，土壤有機(jī)碳（SOC）豐度是土壤質(zhì)量重要指標(biāo)之一[1]。植被、地形、氣候、土壤等因素使得森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有很大的空間異質(zhì)性[2]。研究者常用機(jī)械取樣法估算不同尺度森林土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，但在外推時(shí)，誤差往往較大[3-4]。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法還有土壤類(lèi)型法、相關(guān)系數(shù)估算法、植被類(lèi)型法、統(tǒng)計(jì)估算法、機(jī)理模型法和GIS技術(shù)法等[3]。區(qū)域尺度上，于建軍等[5]利用土壤數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)評(píng)估了河南省土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，宋滿(mǎn)珍等[6]利用土壤分類(lèi)法對(duì)江西省森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，黃從德等[7]研究了四川省森林土壤有機(jī)碳的空間分布，并分析森林土壤有機(jī)分布異質(zhì)性的原因?？臻g分布上，田耀武等[4]研究了蘭陵溪流域有機(jī)碳的空間分布，并構(gòu)建了三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣森林土壤有機(jī)碳空間分布模型[8]。

正確評(píng)估區(qū)域森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，掌握其空間尺度和深度分布規(guī)律，是調(diào)整森林碳匯措施的重要依據(jù)。研究區(qū)域有機(jī)碳的分布或儲(chǔ)量時(shí)，研究者多考慮20、30、60和100 cm的深度，很少考慮更深層有機(jī)碳儲(chǔ)量分布與變化。本文的目的是：①建立河南省森林土壤有機(jī)碳的空間分布模型；②評(píng)估模型的適用性；③分析有機(jī)碳的空間分布格局，估算更深層（0～200 cm）有機(jī)碳儲(chǔ)量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)趙義民等[9]提出的河南省林業(yè)區(qū)劃方案和《全國(guó)林業(yè)發(fā)展區(qū)劃三級(jí)區(qū)區(qū)劃辦法》，將全省劃分為豫北太行山能源林區(qū)（F1）、三門(mén)峽小浪底水源保持林區(qū)（F2）、豫西黃土溝壑區(qū)（F3）、豫西伏牛山北坡用材林區(qū)（F4）、黃海平原防風(fēng)固沙林區(qū)（F5）、黃河下游濕地區(qū)（F6）、黃泛區(qū)沙化用材林區(qū)（F7）、淮河平原洼澇防護(hù)林區(qū)（F8）、豫西伏牛山南坡自然保護(hù)區(qū)（F9）、南陽(yáng)盆地農(nóng)田防護(hù)林區(qū)（F10）、淮河源頭茶林區(qū)（F11）和豫南大別山用材茶林區(qū)（F12）等12個(gè)三級(jí)林區(qū)。根據(jù)河南省151個(gè)縣（市、區(qū)）森林資源二類(lèi)調(diào)查匯總數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合2013年林地保護(hù)規(guī)劃以及2016年林地小班補(bǔ)充調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算12個(gè)林區(qū)森林小班數(shù)和森林面積。三級(jí)林區(qū)基本情況及森林小班優(yōu)勢(shì)樹(shù)種分布見(jiàn)圖1和表1。

1.2 土壤取樣與有機(jī)碳密度的測(cè)定

考慮到12個(gè)林區(qū)森林面積和植被類(lèi)型分布，按照均勻性和代表性原則，確定各林區(qū)土壤采樣點(diǎn)數(shù)（表1）。在各樣點(diǎn)典型地段用環(huán)刀取原狀土壤，測(cè)定土壤含水量和容重。用Φ5 cm土鉆以5 cm深度間隔取樣至母質(zhì)層。不易鉆取的石質(zhì)土壤，可挖取簡(jiǎn)單的土壤剖面，用剖面刀以5 cm深度間隔自上而下取樣。

挖取的土樣自然風(fēng)干3 d，剔除石礫和植物根等雜物，過(guò)1.5 mm篩，采用篩分及靜水沉降法測(cè)定土壤機(jī)械組成[10]；重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定SOC含量[11]，SOC含量計(jì)算法則見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[12]。土壤有機(jī)碳碳密度用式（1）來(lái)?yè)Q算。土壤容重是土壤的基本屬性之一，是基于體積、面積的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到重量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)參數(shù)，一定深度的有機(jī)碳密度值由SOC含量和容重等來(lái)決定。對(duì)于沒(méi)有采集到土壤容重?cái)?shù)據(jù)的樣點(diǎn)，用式（2）來(lái)計(jì)算容重[13-15]。

表 1 河南省三級(jí)林區(qū)概況及土壤樣點(diǎn)分布Table 1 General situation of three-level forest areas and sampling point distribution in Henan province

式中：S為土壤有機(jī)碳密度（kg·m-3）。為方便計(jì)算有機(jī)碳儲(chǔ)量，本文用單位體積內(nèi)有機(jī)碳的質(zhì)量來(lái)表示土壤有機(jī)碳密度；ρ為土壤容重（kg·m-3）；[C]為有機(jī)碳含量（g·kg-1）。

1.3 森林土壤有機(jī)碳密度的深度分布模型

森林土壤有機(jī)碳密度地表層最高，隨深度的增加急劇下降，到達(dá)母質(zhì)層時(shí)密度值最低。土壤有機(jī)碳密度符合式（3）[16]指數(shù)函數(shù)的分布：

式中：Sh為土壤某一深度h處的有機(jī)碳密度(kg·m-3)；S∞為接近母質(zhì)層的底層土壤有機(jī)碳密度(kg·m-3)；S0為土壤表層有機(jī)碳密度值（kg·m-3）；k為銳減常數(shù)，數(shù)值越小，指數(shù)函數(shù)線(xiàn)彎曲程度越強(qiáng)烈，土壤有機(jī)碳密度隨深度下降的速度越快。

基于樣點(diǎn)有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)，利用SPSS19.0非線(xiàn)性參數(shù)估計(jì)模塊，構(gòu)建12個(gè)林區(qū)土壤有機(jī)碳密度的指數(shù)函數(shù)。

1.4 模型模擬效果評(píng)估

選用統(tǒng)計(jì)參量Nash-Sutcliffe系數(shù)E[17]（式4）、模擬誤差V（式5）、決定系數(shù)R2（式6）來(lái)評(píng)定模型的模擬能力：

式中：N為林區(qū)土樣總數(shù)；Mi觀(guān)測(cè)值；平均觀(guān)測(cè)值；模擬值；平均模擬值。E值表示測(cè)定值與模擬值與回歸線(xiàn)y=x的符合程度。E≤0表示無(wú)模擬能力，0＜E＜0.6模擬能力較弱。E＞0.6表示模擬能力強(qiáng)，結(jié)果可接受。E=1表示模擬效果最好，觀(guān)測(cè)值與模擬值完全相等；V＜15%時(shí)的模擬誤差可以接受[18]；R2統(tǒng)計(jì)意義為模擬值和觀(guān)測(cè)值對(duì)回歸線(xiàn)的密集程度，因變量可由自變量解釋的百分比。

1.5 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算

用式（7）計(jì)算單位面積土壤深度h的有機(jī)碳儲(chǔ)量，式（8）計(jì)算全省所有林區(qū)土壤深度h的有機(jī)碳儲(chǔ)量。

式中，Qh為單位面積土壤0～h（m）層有機(jī)碳的儲(chǔ)量（kg）；Fh為林區(qū)土壤0～h（m）層有機(jī)碳的儲(chǔ)量（kg）；A為某林區(qū)面積（m2）；Ch為全省林區(qū)內(nèi)0～h（m）層有機(jī)碳的儲(chǔ)量（kg）。

圖2 河南省12個(gè)林區(qū)土壤有機(jī)碳密度的深度分布模型Fig.2 Depth distribution models of soil organic carbon density for 12 forest regions in Henan province

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單因素方差分析（ANOVA）確定植被類(lèi)型和土壤質(zhì)地對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響，Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著性水平為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳的深度分布模型

河南省12個(gè)林區(qū)土壤有機(jī)碳密度深度分布模型如圖2所示。深度分布空間上，各林區(qū)均表現(xiàn)為表層密度值最大，隨深度的增加而呈指數(shù)形式迅速下降。銳減系數(shù)k絕對(duì)值越大，下降越劇烈，k絕對(duì)值越小，下降較緩。圖2中黃土溝壑林區(qū)（F3）k=-7.98，碳密度值下降最為迅速，南陽(yáng)盆地防護(hù)林區(qū)（F10）k=-5.04，下降較為緩慢，說(shuō)明地處亞熱帶的南陽(yáng)盆地防護(hù)林區(qū)受氣候地理?xiàng)l件的影響，土壤有機(jī)碳向下層遷移速度高于其他林區(qū)，因而F10具有更深土層的有機(jī)碳分布。

F1、F4、F9、F11和F12等山地林區(qū)表層（0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm，15～20 cm）碳密度值較高，差異不顯著（P＞0.05）。F5和F7等東部平原林區(qū)表層密度值較低，差異也不顯著（P＞0.05）。但是山地林區(qū)表層碳密度值高于平原林區(qū)，差異顯著（P＜0.05）。河南省山地林區(qū)植被主要為櫟類(lèi)、松、柏等天然次生林，而平原林區(qū)主要為人工栽植的楊樹(shù)、柳樹(shù)和泡桐等人工林，表層土壤有機(jī)碳密度受植被類(lèi)型影響明顯。土壤下層（＜40 cm）密度值變化與頂層不一致，砂性土質(zhì)的F8、F12密度值最大，粘性土質(zhì)的F1、F2和F3密度值較小，底層土壤有機(jī)碳密度受土壤質(zhì)地影響顯著（P＜0.05）。

圖2中，E值和R2值最高、誤差V 較小的是豫西伏牛山南坡林區(qū)（F9），E值和R2值最小、誤差V 較大的是黃泛區(qū)沙化用材林區(qū)（F7）。E值排序?yàn)楹幽衔鞑亢湍喜可降靥烊淮紊謪^(qū)高于東部平原人工林區(qū)，粘質(zhì)土壤林區(qū)高于砂質(zhì)土壤林區(qū)；模擬誤差上，豫東F5、F6、F7、F8人工林區(qū)內(nèi)模型對(duì)有機(jī)碳密度估計(jì)值偏高，這可能與分布模型對(duì)深層砂質(zhì)土壤模擬值偏高有關(guān)?？傮w上，所有林區(qū)中E值均高于可接受界值0.6，百分比誤差低于±15%（F7略高于15%），表明模型可以反映土壤有機(jī)碳的深度分布模式，可以用來(lái)估算區(qū)域有機(jī)碳儲(chǔ)量。

表 2 森林土壤土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的深度分布Table 2 Vertical distribution of soil organic carbon in forest ecosystems

2.2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的深度分布格局

表2為豫北太行山石質(zhì)山區(qū)（F1）、豫西黃土溝壑區(qū)（F3）、黃泛區(qū)沙化用材林區(qū)（F7）和豫南大別山用材茶林區(qū)（F12）等4個(gè)林區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的深度分布格局。F1、F3、F7和F12等4個(gè)林區(qū)氣候、土壤和植被條件差異較大?？梢钥闯觯?個(gè)林區(qū)單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨深度的增加而增加，如，F(xiàn)1林區(qū)中0～40 cm層中的碳量為8.13 kg，而0～200 cm層的碳量增加到10.81 kg；同時(shí)，各林區(qū)有機(jī)碳量均隨深度的增加而迅速降低。如，F(xiàn)1林區(qū)0～20 cm層的有機(jī)碳量為6.45 kg，20～40 cm層已下降到1.67 kg。

在0～20 cm層內(nèi)，4個(gè)林區(qū)內(nèi)碳量值差異顯著，F(xiàn)12林區(qū)（6.75 kg）為F3林區(qū)（4.53 kg）的1.49倍，這可能與降雨量、平均氣溫以及土壤微生物環(huán)境因素有關(guān)；0～100 cm層內(nèi)，4個(gè)林區(qū)碳量差異更顯著，F(xiàn)12林區(qū)（11.65 kg）為F3林區(qū)（6.34 kg）的1.84倍，0～200 cm層達(dá)到1.87倍，這充分說(shuō)明森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有顯著的空間尺度的差異性。

4個(gè)林區(qū)0～20 cm層有機(jī)碳儲(chǔ)量均占到0～100 cm層的50%以上。F3林區(qū)高達(dá)71.45%，亞熱帶的大別山林區(qū)也達(dá)到了57.94%。0～60 cm/0～100 cm的儲(chǔ)量比值，4林區(qū)均超過(guò)了90%，這可能是多數(shù)文獻(xiàn)把土壤有機(jī)碳的豐度研究深度限定于20、30、60 cm以及把100 cm作為研究下限的原因。

但是，F(xiàn)1林區(qū)（0～200） cm深度的碳儲(chǔ)量與（0～100） cm層的比值為119.05%，F(xiàn)3林區(qū)(0～200) cm/(0～100) cm比值為103.94%。這說(shuō)明當(dāng)我們使用0～100 cm深度層中的有機(jī)碳量來(lái)評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)，得到的結(jié)果可能偏低，砂質(zhì)土壤的誤差更大。

2.3 河南省森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算

河南省F1～F12林區(qū)及全省不同深度森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量見(jiàn)表3。在0～100 cm層，F(xiàn)9林區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量最高（89.74×109kg），F(xiàn)10林區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最低（5.28×109kg）。全省0～20 cm層森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為221.82×109kg，0～100 cm層 為358.89×109kg，0～20 cm 層占0～100 cm碳儲(chǔ)量的61.8%，0～40 cm層占81.84%，0～60 cm層占90.37%。若考慮土壤0～200 cm的深度，全省森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為430.6×109kg，比0～100 cm層增加了19.99%。

表 3 土壤剖面土壤有機(jī)碳密度與0～100 cm層的比值Table 3 The ratio of soil organic carbon density in soil profile layer and 0-100 cm layer

3 討 論

3.1 林區(qū)土壤有機(jī)碳的空間分布格局

森林土壤有機(jī)碳的空間分布格局受地形、氣候和土壤條件的影響[19-20]。森林植被類(lèi)型、植被生產(chǎn)力、地下和地上生物量分配格局、土壤微生物和動(dòng)物等也是影響空間分布的重要因素[21]。田耀武等認(rèn)為寒溫帶針葉林0～20 cm層SOC儲(chǔ)量密度比熱帶常綠闊葉林高，而20 cm以下則是寒溫帶針葉林較低，熱帶常綠闊葉林具有更深層的SOC分布[4]。本研究中河南省豫西伏牛山北坡用材林區(qū)（F4）頂層有機(jī)碳密度值最高，黃泛區(qū)沙化用材林區(qū)（F7）頂層有機(jī)碳密度最低，中下層土壤有機(jī)碳密度較高，黃泛區(qū)用材林區(qū)比伏牛山北坡具有更深的土壤有機(jī)碳分布。黃泛區(qū)土壤底層有機(jī)碳密度較高的原因不是其性質(zhì)穩(wěn)定，很可能是由于土壤砂質(zhì)和人為因素的原因，在降雨和微生物的作用下，有機(jī)質(zhì)垂直運(yùn)輸較快，使得表層密度值較低，深層密度增加，土壤深層具有較強(qiáng)烈的生物混合，所以黃泛區(qū)林地土壤有機(jī)碳具有較深的空間分布。Don等[19]認(rèn)為高滲透性土壤具有較深的有機(jī)碳深度分布。調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，即使是林學(xué)特征相同的同一林地，如果土壤孔隙度高和砂粒含量高，土壤滲透性強(qiáng)，有機(jī)碳易發(fā)生垂直運(yùn)輸，土壤有機(jī)碳密度隨深度下降就慢。

3.2 土壤有機(jī)碳深度分布模型的適用性

森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法主要有土壤類(lèi)型法、相關(guān)系數(shù)估算法、植被類(lèi)型法、統(tǒng)計(jì)估算法、機(jī)理模型法和GIS技術(shù)法等，以上各種方法均有一定的優(yōu)勢(shì)和局限性[6]。本文分林區(qū)構(gòu)建的深度分布模型在模擬結(jié)果上也具有一定的不確定性。區(qū)劃林區(qū)時(shí)，已考慮了土壤、氣候植被等條件，土壤取樣時(shí)又遵循了隨機(jī)性和典型性的原則，但微生物、微地形以及人類(lèi)影響沒(méi)有考慮。其次模型在參數(shù)率定時(shí)，均認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)是真實(shí)的，但這些數(shù)據(jù)必定存有誤差，這可能是模型引起誤差的重要因素。模型自身的設(shè)計(jì)缺陷、土壤取樣時(shí)間、有機(jī)碳測(cè)定方法等也有可能影響模型的模擬能力[4]。盡管如此，本文構(gòu)建的森林土壤有機(jī)碳密度的指數(shù)模型估算結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)，模擬精度與 Mishra等[22]、Jobbágy等[13]、Zinn等[23]、田耀武等[4]的研究結(jié)果類(lèi)似，說(shuō)明構(gòu)建的模型可以用來(lái)估算區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

3.3 土壤有機(jī)碳深度分布模型的應(yīng)用

利用本文構(gòu)建的深度分布模型，測(cè)算出三門(mén)峽小浪底水源保護(hù)林區(qū)單位面積（0～100 cm土層）碳儲(chǔ)量為9.08 kg，低于全國(guó)林地的平均值（10.78 kg）[24]的18.7%。豫西黃土溝壑區(qū)（0～100 cm土層）單位面積碳儲(chǔ)量?jī)H6.34 kg，為全國(guó)平均值的58.8%。河南省單位面積森林土壤有機(jī)碳（0～100 cm土層）儲(chǔ)量為10.68 kg，略高于江西省森林土壤碳儲(chǔ)量（10.21 kg）[6]的4.6%，而低于全國(guó)平均值的0.93%，也低于三峽庫(kù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)11.77 kg·m-2的估算值[25]，遠(yuǎn)低于四川省森林平均碳儲(chǔ)量（19.05 kg）[7]。于建軍等[5]估算的河南省所有土壤單位面積碳儲(chǔ)量為7.46 kg，低于本文林地儲(chǔ)量值的43.2%，這說(shuō)明林地有著較高的土壤碳儲(chǔ)量。

森林土壤有機(jī)碳研究深度通常為100 cm[25]，據(jù)此估算的區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量值偏小。Batjes[26]認(rèn)為，全球土壤0～100 cm層內(nèi)的有機(jī)碳儲(chǔ)量為1 500～1 600 Pg，考慮100～200 cm土壤深時(shí)，有機(jī)碳儲(chǔ)量會(huì)增加60%。我們對(duì)河南省森林的估算結(jié)果表明，如果考慮100～200 cm時(shí)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量將會(huì)增加19.99%。

本文構(gòu)建的指數(shù)模型理論上可以外推更深層土壤有機(jī)碳密度，但可能高估100 cm以下的儲(chǔ)量值。模型參數(shù)率定時(shí)，模型對(duì)頂層預(yù)測(cè)結(jié)果有偏低趨勢(shì)，對(duì)深層預(yù)測(cè)結(jié)果有偏高趨勢(shì)。原因是我們很難確定基巖對(duì)土壤深度的限制作用；其二，土壤有機(jī)碳深度模型基于隨機(jī)分布的土壤剖面，沒(méi)有考慮土體對(duì)有機(jī)質(zhì)向下遷移和轉(zhuǎn)化時(shí)所發(fā)生的阻礙和限制作用。土壤層影響而使密度數(shù)據(jù)誤差約為7%左右[4]，坡度大、生境惡劣、土壤較淺的林地?cái)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)誤差更大。對(duì)土層較厚和較淺的土壤進(jìn)行模型時(shí)需要深入分析，模型在具體的、特殊地段的應(yīng)用有待進(jìn)一步論證。

深度分布模型可以估算任意深度的有機(jī)碳儲(chǔ)量，直觀(guān)地表述有機(jī)碳深度分布格局，評(píng)估更深層的森林土壤有機(jī)碳密度，這對(duì)正確估算區(qū)域土壤碳儲(chǔ)量，調(diào)整森林碳匯措施影響深刻。

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