莽山土壤有機碳及其空間分布格局

何介南，謝寄托，肖毅峰，吳立潮，鄧艷林，戴彥焯

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

莽山土壤有機碳及其空間分布格局

何介南，謝寄托，肖毅峰，吳立潮，鄧艷林，戴彥焯

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

根據(jù)標準樣地取樣和實驗室得出的數(shù)據(jù)及莽山第二次土壤普查資料，估算莽山土壤有機碳的含量和儲量。結(jié)果表明，土壤有機碳含量大小順序為：黃棕壤＞山地黃壤＞紅壤＞紫色土。莽山土壤有機碳總儲量約為3.436×106t，各類型土壤碳儲量從大到小依次為：山地黃壤＞黃棕壤＞紅壤＞紫色土＞草甸土，莽山主要土壤類型有機碳平均密度為 195.35 tC·hm-2。莽山不同土壤類型的有機碳平均密度從大到小依次為：草甸土＞黃棕壤＞山地黃壤＞紅壤＞紫色土，空間分布在106.85～216.83 tC·hm-2范圍內(nèi)變動。莽山表層土壤(0～20 cm)有機碳密度差異較大，變化范圍在41.74～85.67 tC·hm-2之間，面積加權(quán)平均值為75.30 tC·hm-2。莽山表層(0～20 cm)土壤有機碳儲量為1.493×106t，占莽山土壤有機碳庫總碳儲量38.55%。

土壤有機碳；土壤有機碳儲量；空間分布；莽山

作為溫室氣體的CO2，地球表面對太陽熱量的吸收和散發(fā)被其濃度變化直接影響著，進而影響全球氣候變化。土壤作為釋放CO2的主要源，其碳庫儲量約是全球陸地碳庫的2～3倍，為大氣碳庫的2倍多，每年釋放大約68～75 Pg碳到大氣中[1-4]；正因為土壤碳的庫容巨大，其微小的變化能導致大氣CO2濃度較大的波動，都可能影響到碳向大氣的排放情況，導致全球氣候變化。我國作為一個發(fā)展中國家，既要發(fā)展經(jīng)濟，又要兼顧氣候和環(huán)境的保護[5-8]；隨著我國經(jīng)濟和工業(yè)飛速發(fā)展，每年排到大氣中的溫室氣體在逐年增加，使溫室氣體減排和經(jīng)濟發(fā)展的雙重任務越來越具有緊迫性和挑戰(zhàn)性[9-15]。因此研究土壤有機碳是有關(guān)我國未來的溫室效應氣體控制談判中保護我國工業(yè)的發(fā)展需要，農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是造福我國人民，為人民加強生態(tài)文明建設提供支持[16-17]。

研究區(qū)域位于中國湖南省郴州市南部地區(qū)，通過剖面實測數(shù)據(jù)和莽山第二次土壤普查資料，對莽山地區(qū)的土壤有機碳的空間分布特征進行較為深入的分析、討論和研究，并較為詳細的描述土壤有機碳的空間分布特征與分布趨勢；并為莽山的生態(tài)文明建設和土壤碳循環(huán)研究提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

莽山國家森林公園位于湖南省東南部，南嶺山脈北麓，24°43′43″～ 25°03′12″N，112°45′19″～113°0′10″E，海拔均在 1 000 m 以上，地形復雜，山峰尖削，溝壑縱橫，山高林密。莽山的成土母巖是由斑晶和微斑晶花崗巖構(gòu)成，絕大部分土壤是在花崗巖母質(zhì)上形成的。成土母質(zhì)以坡積物各殘積物為主，坡積物主要分布在山腰和緩坡地段，殘積物主要分布在山脊山峰的陡坡地段。莽山國家森林公園保護區(qū)的地帶性植被，屬中印半島-華南植物區(qū)系的北緣地，亦即華南植物區(qū)系與華中植物區(qū)系的過渡地帶，是中國東南部基本上屬原生型常綠闊葉林及中山針闊混交林最大面積的保存地。

2 研究方法

2.1 標準地設置

按田大倫的土壤定位研究方法[18]，在莽山國家森林公園不同海拔高度以及典型植被類型內(nèi)設置標準地并用GPS定位，樣地大小設置為20 m×33.3 m，總計28個標準樣地。

2.2 土壤有機碳計算方法

文中對土壤有機碳的估算采用土壤模型法，不同土屬的土壤有機碳密度和儲量計算公式為[19]：

式中：Doci為i類型土壤有機碳密度（t·hm-2），Poci為i類型土壤有機碳儲量（t）；Si為i類型土壤面積，Socij為i類型土壤j層的有機碳含量（g·kg-1），Hij為i類型土壤j土層厚度（cm）；rij為i類型土壤j土層的密度（g·cm-3）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土層的土壤有機碳含量

莽山不同土層的土壤有機碳含量如圖1所示，從表中數(shù)據(jù)局很明顯可以得出：土壤有機碳含量總體上隨著土層的加深而遞減，順序為：0～20 cm層＞20～40 cm層＞40～60 cm層＞60～100 cm層，符合多數(shù)人的研究結(jié)果[18-20]；最小值、最大值平均值都是隨著土層的加深相應土壤有機碳含量在減小。該表中數(shù)據(jù)顯示，莽山土壤表層（0～20 cm）土壤有機碳含量在 7.51 g·kg-1以上，最大值為56.69 g·kg-1。各層有機碳含量平均值分別為：35.31 g·kg-1、20.38 g·kg-1、11.58 g·kg-1、8.67 g·kg-1，呈遞減趨勢；從表層到20～40 cm層，這兩層土壤有機碳含量下降幅度較大，超過73.25%，另外兩成下降幅度低于33.56%。由此可見，土層越深，其土壤有機碳含量下降幅度減小，甚至越往下，其含量可能會趨于同一水平值。參考相關(guān)文獻和參照實地環(huán)境及實驗數(shù)據(jù)，造成這種狀況的原因，主要是由于土壤有機碳含量在剖面上的分布特征和動植物在本區(qū)域的分布和活動密切相關(guān)，同時土壤表層積累了大量的動植物腐質(zhì)層，經(jīng)過分解，于是在土壤表面就產(chǎn)生了很多有機質(zhì)，并在 0～20 cm 深的土層范圍內(nèi)集中了大量植被的根系，因此這一層的有機碳含量明顯高于其他的土層。隨著土層越來越深，植物根系也就越來越少，腐殖質(zhì)相機表層大幅減少，因此土層越往垂直方法下去，其有機碳含量就越少。另外土壤的下部，受動植物影響相對小很多，且土壤母質(zhì)比較穩(wěn)定，因此，土層較深的有機碳含量在隨著土層加深，其有機碳含量的變化反而比較小。

圖1 土壤有機碳含量Fig.1 Organic carbon contents in different soil layers

3.2 不同土壤類型下的土壤有機碳含量

從表1可以看出，山地黃壤是莽山分布最廣的土壤類型，面積為19 735.6 hm2，占莽山土壤總面積的99.486%，平均有機碳含量為19.06 g·kg-1；黃棕壤為第二大土壤類型，占莽山省土壤總面積的0.33%，平均有機碳含量為23.58 g·kg-1；紫色土為為第三大土壤類型，占莽山省土壤總面積的0.12%，平均有機碳含量為13.03 g·kg-1。通過統(tǒng)計分析，得到莽山森林土壤各土層所占面積比例大小依次為：山地黃壤（99.51%）＞黃棕壤（0.33%）＞紫色土（0.12%）＞紅壤（0.04%）；土壤有機碳含量大小順序為：黃棕壤＞山地黃壤＞紅壤＞紫色土； 各類土壤有機碳密度在0～60 cm層下降比較明顯，其中黃棕壤下降幅度最大，山地黃壤次之，降幅分別為：64.97%、67.36%；在60～100 cm層差距不大。

表1 不同土壤類型的有機碳含量Table 1 Organic carbon contents in different type soils

3.3 莽山土壤有機碳密度的空間分布

根據(jù)相關(guān)研究表明，土壤類型和土壤有機碳密度的分布取決于氣候特征、地形地貌、海拔高度、植被類型和土壤母質(zhì)等諸多因素。根據(jù)統(tǒng)計資料和實驗數(shù)據(jù)，利用相關(guān)公式，計算出莽山各層土壤的有機碳密度，見表2。

由表2可以看出，莽山表層（0～20 cm）層土壤有機碳密度最大為147.14 t·hm-2，加權(quán)平均有機碳密度為82.86 t·hm-2，20～40 cm層加權(quán)平均有機碳密度為 53.67 t·hm-2，40～60 cm層加權(quán)平均有機碳密度為31.50 t·hm-2，60～100 cm層加權(quán)平均有機碳密度為 54.32 t·hm-2，總體估算，莽山土壤平均有機碳密度較高。

表2 不同土壤類型的有機碳密度Table 2 Organic carbon densities of different type soils

受海拔、坡度、坡向和氣候等因素的影響，莽山有機碳密度在空間分布上存在著較大的差異性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，總體上呈現(xiàn)由東南方到西北方遞減的特征。土壤有機碳密度較高的類型是草甸土、黃棕壤、山地黃壤、紅壤；較低的類型是紫色土。莽山土壤有機碳密度較高的土壤類型占有大部分面積，土壤類型大多是山地黃壤。根據(jù)樣地實地獲取數(shù)據(jù)，鬼子寨樣地最小，為38.69 t·hm-2，有機碳密度較大的范圍主要集中在海拔在1 700 m以上的高海拔地區(qū)，如：猛坑石護林點和猛坑石頂這些區(qū)域的有機碳密度主要在108～140 t·hm-2；土壤有機碳密度為80～108 t·hm-2的區(qū)域集中在澤子坪竹林、三坪等海拔在1 400 m以下的樣地；土壤有機碳密度在80 t·hm-2以下的區(qū)域主要集中在海拔1 000 m以內(nèi)的山地。根據(jù)表4，莽山表層土壤有機碳密度在39.69～109.32 t·hm-2范圍內(nèi)浮動，加權(quán)平均值為82.86 t·hm-2，高于湖南省平均水平42.31 t·hm-2。

從表2以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，比較同一樣地的不同土層的土壤有機碳密度，很明顯可以得出：土壤有機碳密度總體上隨著土層的加深而遞減；土壤有機碳密度較大土層主要集中在0～20 cm、20～40 cm，所占比例超過60%；各樣地中，漂流公司所在區(qū)域的土壤有機碳密度最大，為277.45 t·hm-2，鬼子寨所在區(qū)域最小，為94.56 t·hm-2；其他樣地土壤有機碳密度在 94.56 t·hm-2～ 277.45 t·hm-2變化，均值為 188.23 t·hm-2。

3.4 莽山與湖南省及全國土壤有機碳密度比較

由表2可以看出，黃壤是莽山的主要土壤類型，分布面積廣，約19 734.12 hm2，占莽山森林公園面積的99.486%，其土壤有機碳密度為195.24 t·hm-2，遠高于湖南省 110.11 t·hm-2和全國114.1 t·hm-2的水平（見表3）。莽山另外兩種類型的土壤，紅壤和黃棕壤的有機碳密度為：181.02和253.96 t·hm-2，同樣也高于湖南省的105.62 t·hm-2、144.38 t·hm-2和全國的 101.8 t·hm-2、114.6 t·hm-2。究其原因，可能是由于莽山絕大部是山地，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，氣候濕潤，降水充沛，土壤長期處于濕潤狀態(tài)，人為活動破壞少，海拔較高，溫度常年較低，導致腐殖質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化慢，有利于有機質(zhì)的積累。

表3 不同區(qū)域的土壤有機碳密度比較Table 3 Comparison of soil organic carbon densities in different regions

3.5 莽山土壤有機碳儲量的空間分布格局

根據(jù)定義，土壤有機碳的儲量是根據(jù)該區(qū)域有機碳密度與的土壤類型的面積乘積得出的結(jié)果。由此計算莽山土壤有機碳的儲量，結(jié)果表明（見表4），莽山表層有機碳庫儲量為1.493×106t，占莽山土壤有機碳庫總儲量的38.55%；莽山表層土壤有機碳庫儲量的比例超過湖南和全國平均水平。說明了莽山表層土壤的有機碳儲量在土壤各層中占的比例很大。

表4 不同土壤類型的有機碳儲量Table 4 Organic carbon storage in different type soils

莽山不同土壤類型的碳儲量有較大差異，其中以山地黃壤面積最大，儲量約為3.852×106t，占莽山土壤有機碳總儲量的99.43%，表明山地黃壤在整個莽山土壤有機碳儲量中占比較明顯的地位，其波動變化都將對莽山有機碳庫和碳匯功能產(chǎn)生影響。居于第二的是黃棕壤，其儲量約為17 040.71 t，占莽山土壤有機碳總儲量的0.43%；紅壤、紫色土和草甸土儲量分別為1 556.7 t、3 148.82 t和192.70 t，這三者占莽山土壤有機碳總儲量的0.14%。

4 結(jié) 論

根據(jù)莽山第2次土壤普查資料為基礎，利用剖面實測數(shù)據(jù)，初步估算了莽山土壤有機碳儲量和密度。

莽山面積約為19 836 hm2，土壤有機碳總儲量約為3.874×106t，主要土壤類型有機碳平均密度為 173.24 t·hm-2。莽山主要土壤類型的有機碳密度為 129.05 t·hm-2～ 253.96 t·hm-2之間，有機碳加權(quán)平均密度為195.35 t·hm-2，高于湖南省的116.30 t·hm-2， 也 高 于 全 國 的 105.30 t·hm-2以 及 世 界 的107.75 t·hm-2。

山地黃壤作為莽山最主要的土壤類型，其占莽山土壤面積的99.48%，其土壤有機碳密度為195.24 t·hm-2。不同類型的土壤有機碳平均密度大小順序為：草甸土＞黃棕壤＞山地黃壤＞紅壤＞紫色土，空間分布在106.85～216.83 t·hm-2范圍內(nèi)變動。莽山表層土壤(0～20 cm)有機碳密度差異較大，變化范圍在41.74～85.67 t·hm-2之間，面積加權(quán)平均值為75.30 t·hm-2。莽山表層(0～20 cm)土壤有機碳儲量為1.493×106t。

同時由于莽山地區(qū)主要土壤類型的分析數(shù)據(jù)仍相對欠缺，為了更加準確地估算莽山土壤有機碳儲量和密度，仍需要獲取更多的可靠的實測數(shù)據(jù)。因此，需要研究者繼續(xù)充實相應的樣地數(shù)據(jù)以及深入細致的研究。

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Studies of soil organic carbon and its spatial distribution in mountain Mangshan

HE Jie-nan, XIE Ji-tuo, XIAO Yi-feng, WU Li-chao, DENG Yan-lin, DAI Yan-zhuo
(Central South University of Forest and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

According to the fi eld plot sampling and the data derived from laboratory and data from the Second Soil Survey of Hunan Province, the soil organic carbon reserves and density were estimated. The results show that the organic carbon contents in different type soils ordered from big to small were as follows: yellow brown＞mountain yellow＞red＞purple soil, the total amount of soil organic carbon of mountain Mangshan was about 3.436×106t; the carbon stocks in main soil types in the mountain area ranked with the order: mountain yellow＞ yellow brown soil＞red＞purple soil＞meadow soil, and the average value of carbon densities was 195.35 t·hm-2; the soil organic carbon average densities in Mangshan different soil types were in the order: yellow brown soil ＞ meadow soil＞ mountain yellow ＞ red ＞ purple soil, the spatial distribution changed in the range of 106.85～216.83 t·hm-2; the topsoil (0～20 cm) organic carbon densities of each soil layers in Mangshan had larger differences, ranging between 41.74～85.67 t·hm-2, and the area weighted average value was 75.30 t·hm-2; the surface layer (0～20 cm) soil organic carbon reserves was 1.493×106t, accounting for 38.55% of the total carbon stock of the soil organic carbon in Mangshan.

soli organic carbon; soil organic carbon storage; spatial distribution; mountain Mangshan

S714

A

1673-923X(2014)04-0072-05

2013-04-22

國家林業(yè)公益性行業(yè)項目“典型森林土壤碳儲量分布格局及變化規(guī)律研究”（201104008）資助

何介南（1965-），男，副教授，碩士研究生導師，博士，主要從事生態(tài)學、水土保持與荒漠化防治、土地資源利用的研究

吳立潮（1963-），男，湖北廣水人，教授，博士，主要從事森林土壤、森木施肥與營養(yǎng)、水土保持與荒漠化防治等方面的研究；E-mail：wulichao@sina.com

[本文編校：吳 彬]