文 偉 彭友貴 譚一凡 史正軍

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.深圳市紅桂中學(xué)，廣東 深圳 518001；3.深圳市仙湖植物園，廣東 深圳 518004)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)三大主要碳庫 (土壤、大氣和植被) 中最大的碳庫[1]，全球土壤有機碳儲量約為1 550 Pg[2]，是植被碳庫的2～3倍，是大氣碳庫的2倍[3]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地上最大的碳吸收匯，森林土壤碳儲量占森林生態(tài)系統(tǒng)碳總儲量的32%～84%[4-5]，在調(diào)節(jié)全球碳平衡、緩解大氣二氧化碳濃度和氣候變化方面具有舉足輕重的作用。開展森林土壤有機碳研究，對全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究及森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯管理具有重要意義。目前，已有不少學(xué)者對森林土壤有機碳分布進行了研究，但多集中在森林土壤有機碳儲量[6-11]、不同林分 (植被) 類型土壤有機碳分布[12-14]以及森林土壤有機碳空間分布[15-19]等方面，對于森林不同土壤類型的有機碳分布研究較少[20-21]。深圳市位于華南沿海，分布有華南沿海地區(qū)森林的主要土壤類型，其森林植被具有典型的沿海南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)特征，研究深圳市主要森林土壤類型的有機碳分布特征與碳儲量，對了解華南沿海地區(qū)森林不同土壤類型的有機碳分布特點以及對我國沿海南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量及碳循環(huán)研究具有重要作用。

1 研究區(qū)概況

深圳市位于廣東省南部沿海、北回歸線以南，東經(jīng)113°45′44″～114°37′21″，北緯22°26′59″～22°51′49″，陸地面積194 963.5 hm2。地貌類型多樣，以低山丘陵為主，其次為臺地和沖積平原，境內(nèi)最高峰梧桐山海拔為944 m。2013年有林地面積73 496.3 hm2，國家特別規(guī)定灌木林 (以下簡稱灌木林) 1 393.8 hm2，森林覆蓋率41.5%。自然林為物種豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、景觀多樣的南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，殼斗科 (Fagaceae)、桃金娘科 (Myrtaceae)、金縷梅科 (Hamamelidaceae)、山茶科 (Theaceae) 和樟科 (Lauraceae) 等樹種為優(yōu)勢種，面積34 750.0 hm2；人工林38 746.3 hm2，主要樹種有桉樹 (Eucalyptusspp.)、相思 (Acaciaspp.)、荔枝 (Litchichinensis)、龍眼 (Dimocarpuslongan)、杉木 (Cunninghamialanceolata)、馬尾松 (Pinusmassoniana) 和木麻黃 (Casuarinaequisetifolia) 等。林地土壤主要有山地黃壤、山地紅壤、赤紅壤、濱海沙土和濱海鹽漬沼澤土等類型，其中赤紅壤分布最廣。赤紅壤分布于海拔300 m以下的丘陵山地和坡地；山地紅壤主要分布在海拔300～600 m的山地中上部；山地黃壤主要分布在600 m以上的低山中上部；濱海沙土和濱海鹽漬沼澤土分布于西南沿海海岸一帶，受海水間歇浸漬和河流沖積演化而成。根據(jù)深圳市土壤普查資料 (深圳土壤普查辦公室,1985) 和2013年林地地類分布資料 (廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,2014)，深圳市有林地和灌木林地中各土壤類型面積見表1。

表1 深圳市森林土壤主要類型的面積與調(diào)查樣點數(shù)Table 1 Area and plot numbers of main forest soil types in Shenzhen City

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

根據(jù)各土壤類型的面積，結(jié)合林地狀況的復(fù)雜性，確定各土壤類型的調(diào)查樣點數(shù)，每一土壤類型的調(diào)查樣點不少于3個，總計91個調(diào)查樣點 (見表1)，采用任意抽樣方法布設(shè)樣點，樣點分布見圖1。根據(jù)91個土壤調(diào)查樣點的有機碳含量和碳密度測試分析結(jié)果，在95%的概率保證程度下，抽樣調(diào)查精度分別達到86.0%和90.4%。在每個調(diào)查樣點挖取長1.5 m、深1.0 m的土壤剖面 (土層深度不足1.0 m時，挖至母質(zhì)層)，每個剖面按Ⅰ層 (0～10 cm)、Ⅱ?qū)?(10～30 cm)、Ⅲ層 (30～100 cm) 劃分土層。土壤容重采用容積為100 cm3的環(huán)刀取樣，每個土層取環(huán)刀樣2個。土壤有機碳含量樣品按自下而上的順序逐層在各土層中部采集土壤約500 g帶回實驗室處理。

2.2 土壤樣品測定

土壤pH值測定采用電位法，土壤容重測定采用環(huán)刀法，土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[22]。

圖1 土壤調(diào)查樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites

2.3 數(shù)據(jù)處理

每個采樣點的有機碳含量為各土層測定值按土層厚度的加權(quán)平均，碳密度與碳儲量計算方法參照 《森林下層植被和土壤碳庫調(diào)查技術(shù)規(guī)范》 (試行)[22]，運用Excel和SPSS進行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤pH值與土壤容重

全市森林不同土壤類型的pH介于4.55～5.01之間 (表2)，呈酸性，其中濱海沙土pH最高，與黃壤和紅壤的pH差異顯著 (P< 0.05)，其他4種類型土壤的pH差異不顯著 (P> 0.05)。

表2 不同土壤類型的土壤pH值與容重Table 2 Soil pH value and volume weight of different soil types

注：不同字母表示差異顯著(P< 0.05)。

各類型土壤的容重介于0.71～1.47 g/cm3之間 (表2)，其中鹽漬沼澤土容重最小，與其他幾種類型土壤的容重差異極顯著 (P< 0.01)，其余類型土壤容重差異不顯著 (P> 0.05)。不同土壤類型各土層的容重隨土壤深度的增加而增大。

3.2 土壤有機碳含量及其垂直分布

不同類型土壤的有機碳含量相差較大 (表3)，介于2.76～29.07 g/kg之間，以鹽漬沼澤土的有機碳含量最高，濱海沙土的有機碳含量最低，均與其余類型土壤的有機碳含量差異顯著 (P< 0.05)。在山地土壤中，有機碳含量為黃壤 > 紅壤 > 赤紅壤，因為從低海拔至高海拔的土壤垂直分布是赤紅壤—紅壤—黃壤，隨著海拔高度增加，氣溫下降，有機碳分解速率下降，有機碳含量隨之增加。全市森林土壤平均有機碳含量為7.15 g/kg。

各土壤類型不同土層之間的有機碳含量差異明顯，隨著土層深度的增加有機碳含量減少，土層Ⅱ的有機碳含量比土層Ⅰ減少了23.90%～74.39%，土層Ⅲ的有機碳含量比土層Ⅱ減少了6.11%～61.41%。從各土壤類型來看，隨土壤深度增加，土壤有機碳含量下降幅度最小的是紅樹林濱海鹽漬沼澤土，土層Ⅲ比土層Ⅰ只減少了42.57%，表明紅樹林濱海鹽漬沼澤土無論是表層土壤還是深層土壤均富含有機碳；其余土壤類型的降幅均在75.00%以上，其中黃壤降幅最大，達到83.70%。

表3 不同土壤類型有機碳含量Table 3 Soil organic carbon content of different soil types

注：不同字母表示差異顯著(P< 0.05)。

3.3 土壤有機碳含量與pH、土壤容重的相關(guān)性分析

由于海濱鹽漬沼澤土和濱海沙土的pH和有機碳含量受海潮影響大，與山地土壤變化規(guī)律不一致。通過黃壤、紅壤和赤紅壤的有機碳含量 (y，g/kg) 與pH (x) 的相關(guān)性分析，兩者存在顯著負(fù)相關(guān)性，回歸方程為：

y= -2.815x+ 20.22

(R2=0.130,n=84,P< 0.05)

通過全部類型土壤的有機碳含量與容重的相關(guān)性分析，兩者存在極顯著負(fù)相關(guān)性，其回歸方程為：

y= 45.226 - 27.689x

(R2=0.802,n=91,P< 0.01)

3.4 土壤有機碳密度及其垂直分布

各土壤類型的有機碳密度介于3.73～19.44 kg/m2之間 (表4)，其中以鹽漬沼澤土的有機碳密度最大，是有機碳密度最小的濱海沙土的5倍。在山地土壤中，有機碳密度大小依次為紅壤 > 赤紅壤 > 黃壤，彼此之間差異不顯著 (P> 0.05)；與有機碳含量不同的是，由于黃壤的土層厚度小于其他2種土壤類型，導(dǎo)致黃壤的有機碳密度比其他2種土壤類型的有機碳密度小。全市森林土壤平均有機碳密度為8.00 kg/m2。

表4 不同土壤類型有機碳密度Table 4 Soil organic carbon density of different soil types

注：不同字母表示差異顯著 (P< 0.05)。

各土壤類型相同土層厚度的有機碳密度隨土壤深度的增加而降低 (圖2)，就10 cm厚土壤的有機碳密度比較，土層Ⅰ是土層Ⅱ的1.2～3.6倍、是土層Ⅲ的1.6～5.9倍。其中以鹽漬沼澤土土層Ⅰ的土壤有機碳密度最大，為2.74 kg/m2；海濱砂土土層Ⅲ的土壤碳密度最小，只有0.29 kg/m2。黃壤、紅壤和赤紅壤不同土層的有機碳密度有明顯的梯度，即土層Ⅰ與土層Ⅱ之間降幅為35.46%～48.72%，土層Ⅱ與土層Ⅲ之間降幅為50.44%～68.42%。而鹽漬沼澤土各土層的有機碳密度變動幅度相對較小，各土層間降幅分別為18.70%和21.55%，且土層Ⅱ和土層Ⅲ的有機碳密度顯著大于其他土壤類型相對應(yīng)土層的有機碳密度。有機碳密度最小的濱海沙土土層Ⅰ與土層Ⅱ之間降幅達72.21%，而土層Ⅱ與土層Ⅲ之間的降幅僅6.52%。主要因為山地黃壤、紅壤和赤紅壤具有有機質(zhì)層、淀積層和母質(zhì)層的明顯發(fā)育特征，土壤有機碳密度隨不同發(fā)育層次而變化明顯；鹽漬沼澤土的成土母質(zhì)為濱海沉積物，覆被植物紅樹林具有高生產(chǎn)率、高回歸率和高分解率的特性，整個剖面有機碳含量較高；濱海沙土含沙量高，剖面中沒有明顯的土壤發(fā)生層次，有機碳主要分布在土壤表層，且經(jīng)常受海水沖刷和海風(fēng)吹刮，土壤表層枯落物和有機碳容易流失，深層土壤有機碳很難積累。

圖2不同土壤類型土壤各層10cm厚度的有機碳密度
Fig.2 Organic carbon density of soil with 10 cm depth of different soil types

3.5 土壤有機碳儲量及其垂直分布

深圳市森林各土壤類型的有機碳儲量見表5。不同土壤類型的碳儲量按大小排序依次為赤紅壤 > 紅壤 > 黃壤 > 鹽漬沼澤土 > 濱海沙土，全市森林土壤有機碳總儲量為581.01 × 104Mg。土壤有機碳儲量主要受各類型土壤面積和土壤碳密度影響。赤紅壤面積占全市森林總面積的89.85%，有機碳儲量占全市森林土壤有機碳總儲量的88.77%。紅樹林海濱泥灘碳密度高，其面積占森林總面積的0.13%，碳儲量占總儲量的0.33%。濱海沙土面積最小，碳密度最低，面積占全市森林總面積的0.04%，碳儲量占總儲量的0.02%。

表5 不同土壤類型有機碳儲量Table 5 Soil organic carbon storage of different soil types

在各土層有機碳儲量中，土層Ⅰ有機碳儲量占土壤有機碳總儲量的27.19%；土層Ⅱ有機碳儲量占28.76%；土層Ⅲ有機碳儲量占44.06%。土壤有機碳儲量大部分儲存于0～30 cm的土壤表層。從各土壤類型來看，黃壤、紅壤0～30 cm土層的有機碳儲量占各自有機碳儲量的比例最大，分別為73.15%和63.88%；其次是赤紅壤和海濱砂土，0～30 cm土層的有機碳儲量所占比例分別為54.88%和45.97%；鹽漬沼澤土0～30 cm土層的有機碳儲量所占比例最小，只有37.00%。

4 結(jié)論與討論

4.1 森林土壤有機碳分布特征

受成土母質(zhì)、地形、植被、氣候等因素影響，不同土壤類型之間有機碳含量和有機碳密度存在差異，其中鹽漬沼澤土、濱海沙土分別與山地黃壤、紅壤和赤紅壤差異顯著。鹽漬沼澤土的森林植被為紅樹林，是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶受周期性潮水浸淹的潮灘濕地木本群落，高的生產(chǎn)量和回歸量加上地下根系周轉(zhuǎn)比較緩慢，土壤水分飽和，微生物活動相對較弱，高的沉積速率和低的分解速率導(dǎo)致紅樹林鹽漬沼澤土具有很高的固碳潛力[23]，我國紅樹林土壤平均有機碳含量為 (30.5 ± 0.7) g/kg[24]，遠(yuǎn)高于陸地森林土壤有機碳含量的一般水平 (7.25～26.55 g/kg)[9,16,20]。濱海沙土為潮積沙土和水化性風(fēng)積沙土，土壤有機質(zhì)和各養(yǎng)分元素含量極低[25-26]，加上經(jīng)常受到臺風(fēng)和海水的侵蝕，凋落物以及土表輸入的有機質(zhì)很容易流失而得不到積累。黃壤、紅壤和赤紅壤的有機碳含量分布規(guī)律與廣西森林土壤的有機碳研究結(jié)果一致，為黃壤 > 紅壤 > 赤紅壤，但有機碳含量和有機碳密度均遠(yuǎn)小于廣西相應(yīng)的土壤類型[20-21]，可能是因為廣西屬云貴高原向東南沿海丘陵過渡地帶，水熱條件良好，林分和林地質(zhì)量較深圳好。

不同土壤類型對土壤有機碳含量的影響主要表現(xiàn)在土壤表層，隨著土壤深度增加，有機碳含量均依次遞減，不同土壤類型之間的有機碳含量差異逐漸縮小。除濱海鹽漬沼澤土外，其他類型土壤0～10 cm土層有機碳含量最高與最低差值為19.37 g/kg，10～30 cm土層的差值為9.60 g/kg，而30～100 cm土層的差值只有2.45 g/kg。因為植物凋落物和根系對土壤碳庫的影響主要集中在土壤表層，隨著土層的加深，受凋落物分解輸入的影響越來越弱，細(xì)根數(shù)量也逐漸減少，而細(xì)根對土壤碳庫的貢獻率高達25%～80%[27]，且81%～92%的土壤微生物集中分布在0～30 cm土層[28]，微生物代謝和土壤呼吸速率隨土層加深而減弱。

全市森林土壤平均有機碳密度為8.00 kg/m2，遠(yuǎn)小于我國森林土壤平均有機碳密度 (11.59～19.36 kg/m2)[7,29-30]。深圳森林土壤有機碳密度相對較小的原因主要有以下幾個方面：一是深圳位于緯度較低的南亞熱帶低海拔地區(qū)，氣溫高，雨量充沛，雖植被生產(chǎn)力較高，但土壤動物和微生物代謝活躍，土壤呼吸速率和土壤有機質(zhì)分解較快，碳輸出量較大；二是深圳市森林土壤類型主要為赤紅壤，其面積占森林總面積的89.85%，其次是紅壤和黃壤，赤紅壤的有機碳含量遠(yuǎn)低于紅壤和黃壤[20-21]；三是深圳市森林以人工林以及幼齡林、中齡林居多，林分結(jié)構(gòu)簡單，林分質(zhì)量不高，喬木林單位面積蓄積量只有廣東省平均水平的77.4%、全國平均水平的39.0%，再加上人為干擾強度大，經(jīng)濟林下的枯枝落葉和下層植被被定期清理，許多原生植被遭到破壞，影響了土壤有機碳的積累。深圳市森林土壤有機碳密度低，森林土壤碳儲量還有很大提升空間。通過對森林植被結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)控可增加土壤有機碳的固定和儲量[16]，如加強人工林的撫育管理，將低產(chǎn)低效林分、樹種單一林分和部分經(jīng)濟林改造為多樹種、復(fù)層結(jié)構(gòu)的混交林，加大種植碳匯功能較強的鄉(xiāng)土闊葉樹種等。

4.2 土壤pH值和容重對土壤有機碳含量的影響

深圳市山地森林土壤pH分布范圍4.13～5.45，為酸性土壤，有機碳含量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)性 (P< 0.05)。土壤pH直接影響土壤微生物的數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)及其生物活性[31]，從而影響土壤有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化。土壤中大多數(shù)微生物活動的最適pH一般在中性附近，過酸或過堿都不適宜微生物活動。深圳市森林土壤呈酸性，pH越小越不適宜微生物活動，土壤有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化越緩慢，土壤中積累的有機碳就越多。本研究與戴萬宏等[32]、郭志華等[33]和張慧東等[34]的研究結(jié)論一致。但有的研究結(jié)果顯示，酸性土壤中有機碳含量與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系[35-36]，這可能與局部區(qū)域土壤質(zhì)地、林分類型等因素影響有關(guān)，如吉林蛟河千金榆 (Carpinuscordata) 混交林的土壤有機碳含量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，而春榆 (Ulmusjaponica) 混交林、白牛槭 (Acermandshuricum) 混交林和色木槭 (Acermono) 混交林的土壤有機碳含量與pH無顯著相關(guān)性[37]，具體原因有待進一步研究。

深圳市森林土壤有機碳含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)性 (P< 0.01)，與方運霆等[38]和祖元剛等[39]的研究結(jié)論一致。土壤容重反映了土壤的結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性、保水能力以及土壤肥力等狀況，土壤容重越小說明土壤結(jié)構(gòu)、通氣透水能力越好，通常腐殖質(zhì)含量越豐富，有機碳含量和肥力越高。深圳市紅樹林鹽漬沼澤土容重只有森林土壤平均容重 (1.36 g/kg) 的52.20%，而有機碳含量是平均含量的4.07倍。杜有新等[40]研究顯示，土壤有機碳含量與土壤容重的相關(guān)性受坡向影響，廬山北坡土壤有機碳與土壤容重存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而南坡則沒有相關(guān)關(guān)系。