工业革命之后，全球气候变暖问题日益严重^[1]，陆地土壤作为生态系统最大的碳库，其含量甚至高于植被碳库及大气碳库两者之和^[2]。因此，增加土壤碳汇被认为是应对全球气候治理的有效措施之一。土壤总有机碳（TOC）与土地质量变化密切相关，是研究陆地生态系统碳循环的重要内容^[3]。森林土壤作为陆地生态系统碳库的主体，其土壤有机碳含量的极小变化都会对大气CO₂ 浓度有极显著的影响^[4]。一般认为，土壤有机碳包括活性有机碳和惰性有机碳，前者是引起土壤总有机碳变化的主要原因，其中土壤易氧化碳（ROC）是土壤有机碳中最容易被氧化、分解的那部分有机碳，极易被333mmol·L^-1 高锰酸钾氧化。森林土壤ROC的含量可以作为衡量森林土壤碳、氮和磷动态变化的敏感性指标，并且土壤有机碳的稳定性可以用ROC/TOC来反映。土壤ROC/TOC数值越大，表明土壤活性有机碳库增加趋势强于惰性碳库增加趋势^[5-6]，土壤有机碳库的稳定性越弱；反之，土壤有机碳库的稳定性越强。

目前有关森林土壤有机碳的研究主要集中在不同土地利用方式^[7-9]、海拔梯度^[10-12]、森林植被类型^[6，13-14]、施肥措施^[15-17]等方面，而针对森林土壤有机碳稳定性的研究相对缺乏。此外，因为森林生态系统植被类型和土壤类型的差异等会通过调控氮、磷的有效性进而对土壤碳汇存在显著效应，所以土壤活性有机碳含量对氮、磷养分有效性改变的响应还存在争议^[18-19]，但就亚热带地区而言，土壤ROC与土壤全氮和全磷呈显著正相关，是因为土壤氮、磷含量影响植物生长进而影响碳源输入^[20] 以及土壤微生物对枯落物的分解和利用^[21]，土壤ROC与全钾、速效钾不存在相关关系，原因尚不明确^[9]。本研究所选择的广东阳春鹅凰嶂省级自然保护区地处热带北缘，年均降水量为3428.9mm，降水量最高纪录超过5000mm，为广东第一降水中心，植被保存完好，拥有典型的季雨林植被，但是目前关于该保护区内的季雨林土壤碳汇研究资料极其有限。

因此，本文以鹅凰嶂季雨林内不同位置、不同土层土壤作为研究对象，研究土壤总有机碳和易氧化有机碳空间分布格局及其剖面垂直分布规律，探讨空间位置对土壤碳汇及其稳定性的影响，可为该区域估算森林土壤碳储量和资源合理利用提供数据支持，同时对利用森林土壤碳汇应对全球气候变暖具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究样地设在广东鹅凰嶂国家级野外科学观测研究站（111°21′29″～111°36′03″ E，21°50′36″～21°58′40″ N），站区面积约14751hm²。最高峰鹅凰嶂海拔1337.6m，是广东大陆西南沿海的第一高峰。该地区处于热带北缘向南亚热带的过渡地带，年均温度22.1℃，最高降水量在仙家垌水库为5521mm，最低降水量2004mm，年均降水量3428.9mm，是广东第一降水中心。主要植被类型为季雨林，受人为干扰影响，现存植被以处于不同演替阶段的次生林群落为主，建群种主要为樟科（Lauraceae）、壳斗科（Fagaceae）、桃金娘科 （Myrtaceae）和山茶科（Theaceae）植物^[22]。本区的成土母质主要由燕山三期的花岗岩风化而来，土壤主要由红壤、赤红壤和山地黄壤组成，呈酸性反应，pH值为4～6。在海拔400m以下的地区多为赤红壤，400～600m为红壤，600m以上多为山地黄壤。另外有少量草甸土、水稻土等非地带性土壤分布^[22]。

1.2 样品采集

于2019年8月在鹅凰嶂植物多样性固定样地设置面积为2.56hm² （160m×160m），在固定样地中，按40m×40m划分网格点，在2.56hm² 样地中共划分25个点来设定基点，再基于40m×40m网格基点，在每一个基点的东、南、西、北、西北、东北、东南和西南8个方向，随机选择一个方向，并分别在2、5和15m处设定副点。在25个基点处和每个基点中某一个方向的2、5或15m的3个副点中选择2点采集0～10和10～30cm土层的土壤样品，每个采样点（图1）采3～5钻土壤混合，共采集150份土壤样品^[23]，装入密封袋中，带回实验室处理。另外，根据不同坡向、坡位挖1m深的土壤剖面，分成0～10、10～30、 30～60和60～100cm 4个土层，分别采集土壤样品，即剖面采集32份土壤样品，装入密封袋中，带回实验室处理。将在南、东南、西南采集的土样划分为阳坡土壤样品；将在北、东北、西北采集的土样划分为阴坡土壤样品；东向、西向的样品不纳入阳坡和阴坡的划分。

1.3 测定指标与方法

土壤pH采用电位法测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；全磷用HClO₄-HF-HCl消煮，钼锑抗比色法测定；有效磷采用Bray1法测定；土壤含水量采用烘干法测定^[24]；土壤总有机碳（TOC）采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤易氧化有机碳（ROC）采用333mmol·L^-1 高锰酸钾氧化法测定^[25]。

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 22.0进行数据处理及描述性统计分析。其中，变异程度CV（%）=$\frac{\mathrm{S}\mathrm{D}}{\mathrm{m}}$ × 100，式中，SD为标准差；m为平均值。变异程度可直观地表示土壤TOC和ROC在研究区分布的离散程度，CV为变异系数，按CV的大小可以将土壤变异性分级：CV<10%是弱变异性； 10%≤ CV<100%是中变异性；CV ≥ 100%是强变异性。D（%）=$\frac{\mathrm{v}-\mathrm{m}}{\mathrm{m}}$ ×100，式中，m为平均值， v为中值。利用D值可以更直观地表示土壤TOC和ROC的偏移量。若土壤TOC和ROC服从正态分布，D=0。以D=5%为分界线，D>5%表示土壤TOC或ROC含量偏斜，D<5%表示土壤TOC或ROC含量不偏斜。土壤TOC和ROC及土层间的差异显著性采用单因素方差分析（One-way ANOVA， LSD法进行多重比较）；其他土壤理化性质指标的相关性分析采用Pearson相关系数表示，P<0.05； 用Origin 8.0进行作图；利用ArcGIS 10.8克里金插值法绘制土壤TOC与ROC的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 鹅凰嶂季雨林土壤TOC与ROC含量的空间分布特征

2.1.1 鹅凰嶂季雨林土壤TOC与ROC的含量统计特征分析

对0～10和10～30cm土层土壤进行TOC与ROC的含量统计特征描述（ 表1）。0～10cm土层TOC含量最大值和最小值分别为50.01和10.83g·kg^-1，均值为29.12g·kg^-1，10～30cm土层TOC含量最大值和最小值分别为38.55和4.51g·kg^-1，均值为17.43g·kg^-1；0～10cm土层ROC含量最大值和最小值分别为43.21和0.28g·kg^-1，均值为7.45g·kg^-1，10～30cm土层ROC含量最大值和最小值分别为15.56和0.06g·kg^-1，均值为3.35g·kg^-1。 0～10和10～30cm土层TOC含量变异系数分别为31.21%和33.45%；0～10和10～30cm土层ROC含量变异系数分别为83.19%和94.03%，均为中变异性。0～10和10～30cm土层TOC的偏斜量分别为4.82%和1.52%，均<5%，说明土壤TOC整体上表现为不偏斜；0～10和10～30cm土层ROC的偏斜量分别为21.96%和45.40%，均大于5%，说明土壤ROC整体上表现为一定的偏斜。

2.1.2 土壤TOC与ROC的空间分布格局

对研究区内0～10和10～30cm采样点较多的土层利用ArcGIS 10.8克里金插值法绘制土壤TOC与ROC空间分布图（图2），由此得到鹅凰嶂季雨林表层土壤TOC和ROC的空间分布特征。从插值的色阶区间可以看出，在研究区域内，0～10和10～30cm土层的TOC与ROC含量较稳定，结合采样点分布图（图1）可以看出，两个土层的TOC含量呈现出低海拔（山谷）> 高海拔（山脊），而ROC含量则相反，但由于各采样点的海拔差异不大，故本次研究土壤TOC和ROC含量对海拔的响应并不明显。

注：图a、c分别为0～10、10～30cm土壤TOC空间分布，图b、d分别为0～10、10～30cm土壤ROC空间分布。

2.2 鹅凰嶂季雨林土壤TOC与ROC含量剖面垂直分布特征

2.2.1 土壤TOC与ROC的垂直分布

绘制不同土层土壤TOC和ROC含量条形图 （图3a），土壤TOC和ROC均存在表层富集现象， 0～10cm土层TOC和ROC含量最高，平均含量分别为30.60和3.16g·kg^-1。且在土壤剖面上， TOC和ROC含量随土层深度增加而减少，即土壤TOC在土壤剖面的大小关系为：0～10cm（30.60g·kg^-1）>10～30cm（19.44g·kg^-1）>30～60cm （16.31g·kg^-1）>60～100cm（15.63g·kg^-1），土壤ROC在土壤剖面的大小关系为：0～10cm（3.16g·kg^-1）>10～30cm（2.34g·kg^-1）>30～60cm （0.81g·kg^-1）>60～100cm（0.40g·kg^-1）。0～10cm土层TOC含量显著高于其他各土层（P<0.05）， 0～10cm土层ROC含量显著高于30～100cm，而0～10cm土层TOC含量与10～30cm并无显著差异。

土壤ROC/TOC可以反映土壤有机碳库稳定性的强弱。绘制不同土层的土壤ROC/TOC条形图（图3b），土壤ROC/TOC值变化范围为2.54%～12.06%，说明土壤ROC占TOC的比例较低，其中10～30cm土层中的ROC占TOC的比例最高，为12.06%，其次为0～10cm土层，比例为10.31%，在30～100cm土层中ROC占TOC的比例较小，均在10%以下。总体而言，ROC在TOC中所占比例的垂直特征呈先增加后下降的趋势。

2.2.2 不同坡向下土壤TOC与ROC的垂直分布

对不同坡向下土壤TOC和ROC含量进行分析（图4a、b），无论在阳坡还是阴坡，土壤TOC与ROC含量均随土壤深度的增加而减少。同一土层不同坡向的TOC和ROC含量有差异，但并没有显著差异。阳坡TOC的变化范围为16.54～26.51g·kg^-1， ROC的变化范围为0.15～2.19g·kg^-1；阴坡TOC的变化范围为12.73～34.69g·kg^-1，ROC的变化范围为0.65～4.13g·kg^-1。对于土壤ROC含量来说，在各土层均表现出阴坡> 阳坡的趋势。对于土壤TOC来说，在0～30cm土层，阴坡土壤TOC与ROC的含量均高于阳坡，而在30～100cm土层，阴坡土壤TOC含量比阳坡少。

注：不同大写字母表示不同土层TOC含量有显著差异（P<0.05）；不同小写字母表示不同土层ROC含量有显著差异（P<0.05）。

注：小写字母相同表示同一土层指标含量无显著差异。

绘制不同坡向下土壤ROC占TOC的比例的条形图（图4c），阳坡ROC/TOC的变化范围为1.05%～9.33%； 阴坡ROC/TOC的变化范围为5.37%～19.11%。阴坡10～30cm土层中的ROC占TOC的比例最高，其次为0～10cm土层，而阳坡ROC/TOC随土层深度的增加而减少。0～30cm土层ROC占TOC的比例显著高于30～100cm土层，尤其在阴坡10～30cm的土层中，ROC/TOC高达19.11%。在0～100cm土层中，阴坡ROC占TOC的比例平均值为11.19%，阳坡ROC占TOC的比例平均值为6.65%，总体上说，ROC/TOC平均值表现为阴坡> 阳坡。

2.2.3 不同坡位下土壤TOC与ROC垂直分布

在各坡位土壤TOC与ROC含量均随土壤深度的增加而减少（图5）。同一土层不同坡位的TOC和ROC含量有差异，但并没有达到统计上的显著性。上坡位土壤TOC含量的变化范围为9.80～31.86g·kg^-1，中坡位为11.02～33.33g·kg^-1，下坡位为15.58～36.00g·kg^-1。上坡位土壤ROC含量的变化范围为0.22～2.09g·kg^-1，中坡位为0.06～2.51g·kg^-1，下坡位为0.80～4.89g·kg^-1。上坡位土壤TOC含量变化幅度最大，下坡位最小。各土层土壤TOC和ROC平均值沿坡位变化的顺序均为下坡> 中坡> 上坡。

绘制不同坡位下土壤ROC占TOC的比例条形图（图5），上坡ROC/TOC的变化范围为2.82%～12.50%，中坡ROC/TOC的变化范围为3.35%～17.92%，下坡ROC/TOC的变化范围为5.46%～22.96%。对于上坡和中坡来说，10～30cm土层中ROC占TOC的比例最高，其次为0～10cm土层； 而下坡ROC/TOC随土壤深度增加而减少。不同坡位同一土层ROC/TOC数值的大小关系为：下坡>中坡> 上坡。其中，下坡位0～10cm土壤ROC占TOC的比例高达22.96%，显著高于上坡和中坡 （P<0.05）。

注：不同小写字母表示同一土层指标含量有显著差异。

2.3 土壤TOC和ROC含量与理化因子的相关性

对全氮、全磷和有效磷进行描述性统计（表2），鹅凰嶂季雨林土壤全氮含量为（0.95±0.42） g·kg^-1，土壤全磷含量为（0.05±0.01）g·kg^-1，土壤有效磷含量为（2.62±0.98）mg·kg^-1。土壤TOC、ROC与理化因子进行相关分析表明，土壤TOC与土壤湿度、全氮、全磷、有效磷及ROC的相关性均达到极显著水平（P<0.01）。土壤ROC与土壤湿度、全磷及有效磷表现为极显著正相关（P<0.01），与全氮呈现显著正相关（P<0.05） （表3）。

注：* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01，n=182。

3 讨论

3.1 鹅凰嶂季雨林土壤TOC与ROC含量的空间分布规律

相较于具有代表性的季雨林山地——广东鼎湖山和海南尖峰岭，本研究区的土壤TOC较低。查阅3个季雨林的群落特征^[3，26-27]，其原因可能是本研究区林龄和郁闭度少于另外两个地区，反映出鼎湖山和尖峰岭的地表凋落物会更多，有机碳输入也更大。本次对研究区内0～10和10～30cm的土层绘制了土壤TOC和ROC含量的空间分布图，发现土壤TOC与ROC的含量与海拔高低可能存在某种相关关系，但由于研究区内范围较小且研究区内采样点之间海拔差异小，各采样点之间海拔差值不具有代表性，未能发现研究区域土壤TOC和ROC含量与海拔之间存在明显联系。因此下一步工作应扩大样地面积或对鹅凰嶂样地数量、采样点数量进行补充，基于已有数据，进一步利用半方差函数和克里金插值，结合区域小气候、地形和植被覆盖度等，围绕不同海拔对鹅凰嶂季雨林土壤有机碳组分的影响进行空间分异特征的研究。

3.2 鹅凰嶂季雨林土壤TOC与ROC的剖面垂直分布规律

本研究中土壤TOC和ROC含量均呈现随土壤深度增加而减少的趋势，这与其他研究关于森林土壤有机碳及碳组分沿土壤剖面分布的结论相似^[12，28-29]。土壤TOC和ROC的含量与水分、热量等条件密切相关^[10]。本研究区属于热带北缘季风气候，高温多湿，天然常绿阔叶林生长良好，地表凋落物丰富，凋落物的分解过程主要在表层土壤发生。因此，土壤TOC和ROC含量在表层和深层产生显著差异，呈现随土壤深度的增加而减少的趋势。土壤ROC占TOC的比例在土壤剖面呈现随土层加深先上升后下降的趋势，这与程彩芳等^[29]、习丹等^[30]的研究结论略有不同，可能是由于土壤ROC属于土壤活性有机碳，具有较强的可溶性且移动速度快^[31]。土壤水分充足也会导致植物根系更多地向下生长，植物根系分泌物增加会促进土壤形成团聚体，增加土壤微生物生物量及活性^[32]，同时也增加了土壤固碳的稳定性，因此，30～60和60～100cm土层的ROC占TOC的比例小于0～30cm土层，这说明本研究区域内季雨林深层土壤的有机碳稳定性更强，这与张仕吉等^[9]、向慧敏等^[12]的研究结果相似。

3.3 土壤TOC与ROC剖面垂直分布的影响因素

地形因子是成土过程中的重要因素，影响土壤的水热条件，进而影响土壤碳循环的过程和程度，是土壤TOC和ROC分布和储量的重要影响因子^[33]。但本次研究中，坡向和坡位对土壤TOC和ROC含量影响均不显著。为了进一步研究其具体原因，下一步工作应结合地表凋落物、根系分泌物和土壤微生物活动进行量化分析。土壤水分是构成土壤环境的重要因子，促进地表凋落物的分解，推动TOC和ROC在土壤中的迁移，因此，土壤TOC和ROC的分布与土壤含水量呈现极显著相关。在其他营养元素中，氮元素对ROC的含量和分布显著相关，但在本区域所处的热带季雨林中，调控土壤有机碳的主要元素是全磷，全磷和有效磷含量与土壤有机碳呈极显著相关关系，这与张秀兰等^[17]的研究结论相似。这可能是因为南方酸性土壤的特点是缺磷，在酸性土壤中施用的磷肥容易被固定而无效，导致缺磷，所以土壤有机碳含量对于土壤磷元素更敏感。

4 结论

由描述性统计分析和正态分布检验可以看出， 0～10和10～30cm土层土壤的总有机碳和易氧化有机碳含量有显著差异。鹅凰嶂季雨林土壤总有机碳含量为22.73g·kg^-1，相较于亚热带季雨林土壤有机碳的平均含量，本文研究地区总有机碳含量偏低。本次对研究区内0～10和10～30cm土层的土壤利用ArcGIS绘制了土壤总有机碳和易氧化有机碳含量的空间分布图，可为该区域森林土壤碳储量和经营管理提供数据支持。鹅凰嶂季雨林土壤总有机碳和易氧化有机碳均呈现随土壤深度的增加而减少的趋势。土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例在土壤剖面呈现随土层加深先上升后下降的趋势，深层（30～100cm）土壤有机碳稳定性优于表层和中层（0～30cm）土壤。坡向和坡位对土壤总有机碳和易氧化有机碳含量影响均不显著；土壤含水量、土壤全磷和有效磷含量对土壤总有机碳和易氧化有机碳影响极显著（P<0.01），土壤全氮含量对土壤总有机碳的影响极显著（P<0.01），与易氧化有机碳呈显著正相关（P<0.05）。

参考文献