苏北低山丘陵区典型森林土壤碳库质量分析

Analysis on the Quality of Forest Soil Carbon Pools in the Low Mountainous and Hilly Areas of Northern Jiangsu Province

摘要: 研究森林土壤不同土层SOC、ASOC含量和SOCD可以为土壤碳库质量的量化分析评价提供参考。以苏北低山丘陵区不同森林类型土壤为研究对象，对其SOC、ASOC含量和SOCD的变化特征进行系统分析。结果表明：(1) 不同森林类型SOC、ASOC含量和SOCD均随土层深度呈递减趋势，并且SOC含量下降的幅度明显大于ASOC。(2) 弃荒裸地除外，针叶林SOC、ASOC含量高于其他森林类型，而针叶林SOCD低于其他森林类型。(3) 6种森林类型ASOC/TOC(%)均小于对照的弃荒裸地，而6种森林类型CPMI(%)均高于对照的弃荒裸地，针叶林CPMI(%)大于其他森林类型，针叶林的固碳潜力较强。(4) 不同森林类型能够维护森林土壤碳库质量的稳定性，加强地表凋落物的科学管理，可以提高该地区森林土壤碳库的赋存能力。

Abstract: The study of SOC, ASOC content and SOCD in different soil layers of forest soils can provide a reference for quantitative analysis and evaluation of the quality of soil carbon pools. Different forest types of soils in the low mountainous and hilly areas of northern Jiangsu Province were used as research objects to systematically analyze the characteristics of changes in SOC, ASOC content and SOCD. The results showed that: (1) SOC, ASOC content and SOCD of different forest types showed a decreasing trend with soil depth, and the magnitude of SOC content decrease was significantly larger than that of ASOC. (2) Except for abandoned bare land, SOC and ASOC content of coniferous forests were higher than that of other forest types, while SOCD of coniferous forests was lower than that of other forest types. (3) ASOC/TOC(%) of all six forest types were smaller than that of the control abandoned bare land, while CPMI(%) of all six forest types were higher than that of the control abandoned bare land, and CPMI(%) of coniferous forests was larger than that of other forest types, and the carbon sequestration potential of coniferous forests was stronger. (4) Different forest types can maintain the stability of the quality of forest soil carbon pools, and strengthening the scientific management of surface apoptosis can improve the capacity of forest soil carbon pools in the region.

1. 引言

森林土壤碳库是陆地碳库的重要组成部分，在全球碳循环中发挥着重要作用，它的变化是导致全球气候变化的重要原因 [1] 。土壤有机碳(SOC)的积累与分解影响着森林土壤碳库的质量变化，直接或间接影响陆地生物碳库和全球碳平衡 [2] 。引起土壤碳库的质量变化主要是活性有机碳(ASOC)，它能够在土壤全碳变化之前反映出土壤管理措施以及周围环境引起的微小变化，由于受地形地貌、气候、植被覆盖类型以及人类活动等多种因素的影响，ASOC在不同区域、不同植被类型上存在差异 [3] [4] [5] 。土壤碳库管理指数(CPMI)可以表征土壤碳库质量的动态变化过程，它能够直观反映出外界因素对土壤碳库质量的影响效果。森林土壤碳库质量的变化与SOC、ASOC以及CPMI关系密切，对其周围气候变化以及人类活动较为敏感，因此，近年来成为土壤碳库研究的重要热点内容 [6] [7] [8] [9] 。

目前国内外对森林土壤碳库的研究主要集中在碳储量、分布特征、区域差异、影响因子等方面 [10] - [15] ，对于不同森林类型土壤碳库质量特征的研究还有待进一步加强。苏北低山丘陵区的典型性森林类型主要分布于江苏省的东北部和西北部，前者主要为连云港近郊的锦屏山、云台山等，后者主要为徐州附近的泉山、云龙山、大洞山、马陵山等。以苏北低山丘陵区典型森林土壤为研究对象，系统研究不同森林类型SOC、土壤有机碳密度(SOCD)和碳库质量变化特征，旨在揭示不同森林类型对土壤碳库质量的影响，为森林土壤碳库的动态演变以及碳库质量的精准评价提供科学参考。

2. 研究区域概况

研究区域的地理坐标为33˚43'N~35˚07'N，116˚22'E~119˚48'E，为江苏省东北部和西北部的低山丘陵地带，属于暖温带季风气候，受东南季风影响较大。年均温13.1℃~14.3℃，1月平均气温−1.2℃~0.0℃，7月平均气温26.3℃~27.0℃，极端最高气温40.6℃，极端最低气温−22.6℃；年降水量847.9~958.9 mm，其中雨季降水量占全年的56%，且季节分配不均。该地区典型性森林植被 [16] 包括2个植被型、5个群系组、11个群系(表1)。其中，赤松林、黑松林和侧柏林多为纯林，物种多样性很低，其林下灌木层和草本层不甚发育，生长缓慢，病虫害较严重，以上3种针叶林是目前该低山丘陵区主要森林类型；刺槐林则常为纯林，系人工林，分布较为广泛；栎类林和杂木林是该地区的地带性森林类型，由于人类长期破坏，现存面积很小，多零星分布。其区域土壤主要为粗骨褐土和淋溶褐土2个亚类，其中粗骨褐土成土母质系石灰岩残坡积物，其土层浅薄，岩屑或砾石含量较高，集中出现在山体中上部；淋溶褐土由第四纪黄土发育而成，其土层深厚，主要分布在山麓地带。

Table 1. Typical forest vegetation in the low mountain and hilly areas of northern Jiangsu Province [16]

表1. 苏北低山丘陵区典型性森林植被 [16]

3. 样地设置与研究方法

3.1. 样地设置

在研究区域选取6块代表性森林类型样区和1块对照的弃荒裸地进行土样采集，样区一般选择在森林类型区内核心部位的成熟林地。每块森林类型区内均设3个重复样方，不同森林类型的样地面积设定：阔叶林取为50 m × 40 m，针叶林为25 m × 20 m。每块森林类型样区内土壤采样时设3个重复，每个重复的土样按5点混合法采集，每个样点共采集0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层的混合样。土样采集及地上概况调查的时间为2022年8月。采样的同时，系统调查地上植被的覆盖状况以及地形、地貌等周边环境条件状况。苏北低山丘陵区样地基本概况调查见表2。

Table 2. Basic overview of sample land in low mountain and hilly areas of northern Jiangsu Province

表2. 苏北低山丘陵区样地基本概况

3.2. 研究方法

土样经风干、挑拣后过60目筛，以备实验测试。石砾体积的测算采用排水法；土壤容重的测定采用环刀法；有机质的测定采用重铬酸钾氧化外加热法；ASOC及其组分在岛津-TOC有机碳分析仪上测定。综上所述分析指标的具体测定方法参照《土壤农业化学分析方法》 [17] 和《土壤微生物生物量测定方法及其应用》 [18] 。

SOCD是指单位面积一定深度的土层中SOC的质量。SOCD的计算公式为：

$\text{SOCD}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{C}_i}\times D_i\times E_i\left(1-G_i\right)/100$ (1)

公式(1)中：SOCD为整个土壤剖面的SOCD (kg∙m⁻²)；n为整个土壤剖面的土层数目；C_i为i土层SOC含量(g∙kg⁻¹)，其值为土壤有机质含量乘以Bemmelan系数0.58换算得到；D_i为i土层土壤容重(g∙cm⁻³)；E_i为i层土层厚度(cm)；G_i为直径大于2 mm的砾石所占的体积百分比(%)。

根据相关文献 [8] 可知，影响森林土壤碳库质量的指标主要有碳库指数(CPI)、碳库活度指数(AI)、碳库活度(A)和碳库管理指数(CPMI)。选取弃荒裸地为参照土壤，不同森林类型CPI、AI、A和CPMI相关计算公式为：

$\text{CPI}=样品\text{TOC}含量/参照土壤\text{TOC}含量$ (2)

$\mathrm{A}=\mathrm{AS}\mathrm{OC}含量/\left(\text{TOC}-\text{ASOC}\right)含量$ (3)

$\mathrm{AI}=样品土壤A/参照土壤A$ (4)

$\text{CPMI}\left(\%\right)=\text{CPI}\times \text{AI}\times 100$ (5)

公式(2)和(3)中样品土壤总有机碳(TOC)为SOC含量。所有测试土样实验数据的统计和分析在Excel 2010和SPSS 24.0下完成，其中采用SPSS 24.0软件进行森林SOC、ASOC、SOCD和CPMI(%)相关数据的描述性统计、方差及其相关性分析。

4. 结果与分析

4.1. 不同森林类型SOC特征分析

用SOC和ASOC含量来指示森林土壤的活力水平，可以综合评价其土壤碳库的质量水平 [8] 。不同森林类型土壤不同土层SOC含量、ASOC含量的差异特征见表3和表4。

Table 3. Differential characteristics of SOC content in different soil layers of different forest types (g∙kg−1)

表3. 不同森林类型土壤不同土层SOC含量的差异特征(g∙kg⁻¹)

注：同列数字后不同小写字母表示p < 0.05水平差异显著。以下同。

Table 4. Differential characteristics of ASOC content in different soil layers of different forest types (g∙kg−1)

表4. 不同森林类型土壤不同土层ASOC含量的差异特征(g∙kg⁻¹)

由表3、表4可知：不同森林类型SOC和ASOC含量均大于弃荒裸地，两者含量均随着土层的加深而减小，表现出明显的表层富集性特征，这与前人的研究结论一致 [19] [20] [21] 。SOC的表层富集性特征可能源于表层凋落物的输入、土壤毛管作用力以及根系吸水力的驱使。但是，表层SOC的稳定性极易受集中降水和人类活动的扰动，容易引起表层土水土流失，从而导致SOC储量减少。尽管SOC和ASOC含量在土壤剖面上(土层加深)均表现为下降，但是SOC含量下降的幅度明显大于ASOC。造成的原因是ASOC含量所占比例较小，SOC含量主要取决土体内水分对SOC的运移状况，不同的水热条件对土壤的下渗作用主要影响了SOC的淋溶和累积。森林植被的凋落物主要影响了表层土壤的总SOC含量，使表层土壤的总SOC含量明显提高，虽然ASOC含量也有所提高，但主要增加了总SOC中的非活性SOC的含量，非活性SOC在表层有更多的残留，而ASOC更趋于向下层土壤迁移。邵月红等 [2] (2005)对SOC的分解特征的研究结果也支持这一现象。大量分解非常缓慢的非活性SOC在表层富集，使得表层土壤固定碳作用得到很大地发挥，减缓了CO₂由土壤向大气的释放，对维持森林土壤的碳汇功能具有重要意义。

4.2. 不同森林类型SOCD比较分析

SOCD是评价土壤碳分布的重要指标之一，根据土壤容重和SOC含量计算SOCD (公式(1))可以得出不同森林类型土壤不同土层SOCD的比较见表5。由表5可知，不同森林类型土壤不同土层SOCD的对比表明，SOCD均随土层深度呈递减趋势。整个土层(0~60 cm)不同森林类型SOCD比较，弃荒裸地(S7)除外，针叶林(S1、S2和S3) SOCD低于其他森林类型。这是由于针叶林的针状凋落物表层的角质层物质腐烂和进入土壤较慢，从而影响了林下土壤微生物活性，造成针叶林SOCD较低。另外，不同的森林类型可能具有不同的林下微气候环境和根际微环境，林下微气候环境和根际微环境影响着土壤微生物活动，同时也具有不同的根分泌物的输入，影响着土壤本身呼吸作用的碳输出。已有研究表明 [1] [15] ，森林凋落物的分解输入和土壤本身呼吸作用的输出的大小和二者的对比关系很大程度上决定了土壤有机碳库的大小和赋存状态，进而造成不同森林类型间SOCD的一定差异。

Table 5. Comparison of SOCD in different soil layers of different forest types (kg∙m−2)

表5. 不同森林类型土壤不同土层SOCD的比较(kg∙m⁻²)

4.3. 不同森林类型碳库质量的变化分析

ASOC/TOC(%)能够说明森林SOC活性的强弱，亦可表明森林土壤碳库的稳定性状，其数值越大说明土体SOC越容易被土壤微生物吸收分解，其土壤碳库的稳定性越差，反之越强 [8] 。根据SOC和ASOC含量以及计算公式(2)、(3)、(4)、(5)可以得到不同森林类型碳库质量变化特征的各数值(表6)。由表6比较可知：赤松林(S1)ASOC/TOC(%)最小(7.32)，弃荒裸地(S7)最大(11.08)。由于赤松林长势较差，其地上部分受人为干扰较严重，导致其林下土壤微生物活性较低，其土壤碳库较稳定；而弃荒裸地SOC的分解转化速率较快，其土壤碳活性最大，其稳定性较差。另外，6种森林类型ASOC/TOC(%)均小于对照的弃荒裸地，说明不同森林类型能够提高林下土壤碳库的稳定性。CPMI(%)作为量化森林土壤碳库动态的重要指标，可以说明森林土壤所处的管理状态，其数值越大说明森林土壤处于良性的管理状态，其固碳潜力和碳库质量增强，反之减弱 [8] 。由表6比较得出：针叶林(S1、S2和S3)CPMI(%)大于其他森林类型；以上6种森林类型均高于对照的弃荒裸地。这表明针叶林的固碳潜力较强，其土壤碳库质量保持较好状态；不同森林类型有较高的固碳潜力，对该CPMI(%)的提高有不同程度的促进作用。总之，不同森林类型SOC的积累量大于分解量，其土壤碳库质量整体呈增加趋势，森林植被类型对维持陆地碳库稳定有重要作用。

Table 6. Variation characteristics of carbon pool quality in different forest types

表6. 不同森林类型碳库质量的变化特征

注：采样土层厚度为0~60 cm。

5. 结论

(1) 苏北低山丘陵区不同森林类型SOC具有明显的表层富集性特征，具体表现为SOC、ASOC含量和SOCD均随土层深度呈递减趋势，并且SOC含量下降的幅度明显大于ASOC。在测定SOC和ASOC过程中，由于取样环境以及测定方法的不同，会对表层富集这一实验结果造成差异。

(2) 弃荒裸地除外，针叶林SOC、ASOC含量高于其他森林类型，而针叶林SOCD低于其他森林类型。森林类型的不同决定了凋落物回归量以及SOC的输入，因此加强地表凋落物的科学管理，对于保持和提高该地区森林土壤碳库的赋存能力具有重要意义。

(3) 6种森林类型ASOC/TOC(%)均小于对照的弃荒裸地，而6种森林类型CPMI(%)均高于对照的弃荒裸地，针叶林CPMI(%)大于其他森林类型。针叶林的固碳潜力较强，不同森林类型对于维护森林土壤碳库质量的稳定具有重要作用。

基金项目

江苏师范大学创新训练项目(XSJCX13015)；江苏省大学生实践创新训练项目(202210320139Y)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。