贵州云台山喀斯特森林土壤有机碳及黑碳分布特征

贵州云台山喀斯特森林土壤有机碳及黑碳分布特征
贺红早;张珍明;刘盈盈;孙超
【摘要】为给云台山森林土壤增加土壤有机碳固定量,减少温室气体排放量和实现林业可持续发展提供科学依据,根据喀斯特地区林地资源的实际情况,以贵州省云台山森林土壤为研究对象,在保证采样点具有典型性和代表性的基础上,采集混合样和土壤剖面样品(0～60 cm),对样品中有机碳及黑碳分布特征进行研究.结果表明:云台山喀斯特森林土壤中有机碳含量总体较高,不同土地利用方式下土壤有机碳含量具有明显的差异,其中,自然林地有机碳平均含量为69.08 g/kg,显著高于其他3种土地利用方式；坡耕地的有机碳平均含量最低,仅为30.19 g/kg.不同质地类别的耕作层土壤有机碳含量排序为粘土＞粘壤土＞壤土＞砂土.土壤中有机碳、POM-C和黑碳含量占总碳的比值均随剖面深度增加而下降,其中,POM-C占总碳的比例农用地明显低于林地土壤.
【期刊名称】《贵州农业科学》
【年(卷),期】2013(041)005
【总页数】3页(P90-92)
【关键词】森林土壤;有机碳;黑碳;分布特征;喀斯特地区;云台山;贵州
【作者】贺红早;张珍明;刘盈盈;孙超
【作者单位】贵州省生物研究所,贵州贵阳 550009;贵州省生物研究所,贵州贵阳550009;贵州省生物研究所,贵州贵阳 550009;贵州省生物研究所,贵州贵阳550009
【正文语种】中文
【中图分类】S153.6
温室效应导致的全球变暖及其对陆地生态系统的影响是近年全球共同关注的科学热点，在陆地生态环境系统中，土壤有机碳在全球碳循环中起着重要作用［1－2］。

有机碳是土壤的重要组成部分，在土壤肥力、环境保护与农业可持续发展方面具有重要意义。

一方面土壤有机碳含有植物生长所必需的各种营养元素，能改善土壤物理化学性状，促进营养元素转化，从而决定作物产量；另一方面土壤有机碳是陆地生态系统重要的碳库，是大气中CO2巨大的源或汇，对全球碳素循环的平衡起着重要作用［3－4］。

随着社会和经济的快速发展，人类土壤碳库为地球表层系统中最大的碳储库。

IPCC在2006年报告中提出，森林生态系统是当前具有很大缓解温室气体排放的
一个重要陆地生态系统。

国外开展土壤有机碳储量的研究较早，我国土壤学界也有较多研究进展和成果［5－7］，但多集中在土地利用变化及不同土地利用方式对
土壤碳积累的影响［8－9］，较少研究森林土壤碳积累，尤其是针对喀斯特地区
森林土壤中的有机碳方面的研究尚少。

笔者以喀斯特地貌发育下的施秉县云台山森林土壤为研究对象，探讨了森林土壤有机碳的分布特征，为提高土壤有机碳累积，温室气体减排和实现林业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区域概况
云台山喀斯特林区位于贵州省施秉县北部，属国家级风景名胜区。

地处东经
108°11′～108°15′，北纬27°13′～27°17′，属亚热带季风湿润气候区，年平均日
照数为1 561.3h，年均温在14～16℃，降水量在1 200mm。

市境内大部分地区
海拔在640～1 200 m，地势西北高，东南低，起伏较大主要森林植被类型有常绿落叶阔叶混交林，常绿阔叶林和针叶林。

土壤的质地类型主要为壤土、粘土、粘壤土和砂土。

1.2 样品的采集与制备
根据云台山喀斯特森林土壤面积、地形地貌（沙土，壤土、沙壤土及粘土）、植被类型（自然林、次生林、坡耕、草地及灌丛）等实际情况，在保证采样点具有典型性和代表性，同时要兼顾空间分布的均匀性等原则的基础上，以平均3～10hm2
林地为一个采样单元土壤的分层土样。

为保证样品的代表性，选择有代表性的一块林地，按S型布点采集5～8个点制成一个混合样；同时在植被典型分布区布设土壤剖面，按土壤发生层分层采集土壤样品。

另于附近选择分布面积较大的坡耕地，采集相应坡面样品和混合样。

共采集混合样品118个，剖面样品25个。

将采集的样品在实验室风干，剔除植物残体及大砾石等非土壤物质，同时避免灰尘等污染。

取风干样品用木棍辗压过100目土筛，将过筛样品置于密封袋中作好标签，放入
干燥器中保存备用，供分析测试用。

1.3 测试方法与数据处理
1.3.1 测试方法土壤有机碳含量采用外加热重铬酸钾氧化法［10］，颗粒态有机
碳用5g／mL 焦磷酸钠溶液振荡分散土样后过53μm 土筛分离获得［11］，
0.1mol／L重铬酸钾＋2mol／L H2SO4在55℃下氧化60h后残余的碳即为黑碳［12］。

分析样品重复数30%，平行测定的结果用算术平均值表示。

1.3.2 数据处理首先剔除异常值，即把分布于平均值±3倍标准差之外的数值剔除，然后采用方差分析法，用Excel软件对土壤有机碳含量进行处理。

2 结果与讨论
2.1 不同土壤类型与质地有机碳的含量
2.1.1 不同土地利用方式土壤有机碳主要来源于作物、动物及微生物的遗体及其部
分分解产物以及有机肥的施用，其储量则主要取决于土壤有机碳的矿化分解速率。

由表1可知，云台山不同土地利用变化中土壤有机碳平均含量表现出明显的差异，其中，自然林地有机碳平均含量为69.08g／kg，显著高于其他3种土地利用方式，这是由于自然林地的枯枝落叶处于较长时间的淹水状态，抑制了有机质的分解，加上落叶分解的有机质投入进一步增加了土壤有机碳含量，最终使其有机碳含量较高；其次是灌丛，有机碳平均含量为57.19g／kg，在31.21～226.37g／kg内变化，灌丛长期处于矿质化作用促进有机碳的分解，从而导致有机碳含量较低；坡耕地的有机碳平均含量最低，仅为30.19g／kg，这是由于坡耕地的人为耕翻频繁，导致有机物的分解损失较多，加上水体流失养分流失较为严重，有机碳储存较少。

从有机碳含量的变异系数来看，5 种土地利用方式中外界干扰较小，因此，其有机碳含量变异系数最大。

2.1.2 不同质地类别土壤质地直接影响到耕地土壤水热状况和腐殖化、矿质化过程，是土壤重要的物理性质之一。

从表1还可知，不同质地类别的耕作层土壤有机碳
含量差别较大，粘土有机碳含量最大，含量为62.03g／kg，在29.83～226.37g
／kg内变化；粘壤土次之，含量为55.68g／kg，在16.21～129.01g／kg 变化；砂土有机碳含量最低为24.73 g／kg，变化范围为18.33～127.76g／kg；壤土的含量介于沙土和粘壤土之间。

从变异系数来看，粘土、粘壤土的变异系数差别不大，为中等变异；砂土的变异系数最大为29.12%，为中高变异。

说明，粘土和粘壤土是影响施秉县耕地土壤有机碳的固持能力的主要因子。

土壤细颗粒物质尤其是粘粒具有长期固定碳的能力，通过粘粒胶体的吸附以及与土壤有机质形成有机无机复合体的形式从而对土壤有机碳起到物理保护作用［13］。

2.2 土壤颗粒态有机碳的剖面分布与黑碳的积累
颗粒态有机碳来源于土壤中动、植物的半分解，具较高的生物活性，是土壤中不稳定的有机碳库。

土壤中颗粒态有机碳越多，土壤碳库越不稳定［14］。

从表2可
知，颗粒态有机碳占土壤总有机碳的比例较高，在18%～63%，从剖面自上而下呈明显的递降趋势，但是自然植被下土壤与耕地之间的颗粒态有机碳的差异比较明显，由于农用地中的有机碳主要以非颗粒态存在，尽管耕地土壤有机碳库较低，但其稳定性却较高，最主要与耕作过程中有机碳容易分解有关。

有学者研究表明，林地开垦为农地后颗粒状有机碳明显下降，土壤颗粒态有机质对土地利用变化极为敏感，在林地开垦为桔园和蔬菜地后，颗粒态有机碳（POM－C）的下降幅度明显高于非颗粒态有机碳。

表1 不同条件的土壤有机碳含量Table 1 Organic carbon content in different types of soil条件Condition样本数／个Sample size变异系数／%范围／（g／kg）Scope均值／（g／kg）Mean attern自然林地 Natural forest land 21 32.11～139.01 69.08 21.71次生林地Secondary forest land 27 19.67～103.96 52.68 28.11坡耕地Slope cropland 22 23.55～118.76 30.19 16.39草地Grassland 24 16.21～127.01 55.36 23.57灌丛Bush fallow 24 31.21～226.37 57.19 27.63不同质地CV不同土地利用方式Land use p Texture砂土Sandy soil 30 18.33～127.76 24.73 29.12壤土Loam 30 30.11～128.95 39.39 17.33粘壤土Clay loam 28 16.21～129.01 55.68 19.28粘土Clay 30 29.83～226.37 62.03 19.88
表2 不同植被下土壤剖面颗粒态有机碳及黑碳的分布Table 2 Distribution of particulate organic carbon and black carbon in soil profiles under different vegetations土地利用方式Land use pattern深度／cm Depth W（POM－C）／（g／kg）W（黑碳）／（g／kg）W（POM－C）W（黑碳）／W（TOC）林地Forest land 0～60 2.62 3.71 0.13 0.23 20 48.36 5.81 0.57 0.07 20～40 19.08 8.32 0.38 0.17 40～60 3.70 2.26 0.27 0.16 0～20 34.37 6.21 0.63 0.11草地Grassland 20～40 15.22 5.18 0.40 0.13 40～60 7.27 3.18 0.21 0.09 0～
20 5.28 6.37 0.27 0.35耕地 Arable land 20～40 4.13 5.15 0.16 0.26 40～
黑碳的高度芳香化结构使其具有较高的生物和化学稳定性，因此，土壤中黑碳数量越高，其碳的稳定性越大［14］。

由表2还可知，研究土壤均含有一定数量的黑碳，一般随土壤剖面深度增加而下降，这再次证实了黑碳形成于地表环境。

林地土壤黑碳占总有机碳的比例（BC／TOC）在4%～19%，与文献报道的数值较近。

3 结论
通过对贵州省云台山自然保护区采集的2类自然植被（林地、灌草丛）及当地农
业用地土壤混合样中有机碳总量及剖面样中的POM－C 和黑碳库的分布特征研究表明：
1）自然林地有机碳平均含量为69.08g／kg，显著高于其他3种土地利用方式；
其次是灌丛，有机碳31.21～226.37g／kg，平均含量为57.19g／kg，灌丛长期
的处于矿质化作用促进有机碳的分解，从而导致有机碳含量较低；坡耕地的有机碳平均含量最低，仅为30.19g／kg，可能是当地的耕作方式中土壤有机质分解速度提高，以及耕种措施对土壤有机质物理保护的破坏，使土壤有机质暴露，加快了其氧化降解速度。

这些因素均导致土壤团聚体结构中轻分子量有机碳和一些有机矿物碳含量降低。

2）土壤质地直接影响到土壤的耕性、水热状况和保肥供肥能力，是土壤重要的物理性质之一。

粘土和粘壤土成为云台山喀斯特林地土壤中固持有机碳的最主要有机碳库。

不同质地类型中土壤有机碳含量的排序为粘土＞粘壤土＞壤土＞砂土。

气候及土地覆被变化、土壤理化性质等之间的相互作用是影响有机碳含量的主要因素。

在自然生态系统下，气候和土壤理化性质是碳平衡的主要决定因素，而人为活动引起的土地利用类型和管理方式能改变土壤有机碳的输入，土壤理化性质的变化进而会影响土壤有机碳的分解速率，从而控制森林生态系统中碳的含量和转化［15］。

3）云台山喀斯特森林土壤中有机碳、POM－C和黑碳含量及POM－C占总碳的
比值均随剖面深度增加而下降。

其中，POM－C占总碳的比例农用地明显低于林地土壤，而黑碳占总碳的比例农用地明显高于林地，表明农用地土壤有机碳的稳定性明显高于森林土壤。

因此，通过采取合理的管理方式来增加土壤碳汇，将是减缓全球温室效应的重要环节之一，同时也是森林土壤中潜在碳固定的关键之一。

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