上海市林地土壤有機碳分布特征及其與土壤理化性質的關系

張青青，張桂蓮，伍海兵，仲啟鋮，何小麗，陳 平，朱 清，徐 冰，梁 晶

（1.上海市園林科學規劃研究院，上海 200232；2.上海城市困難立地綠化工程技術研究中心，上海200232）

土壤有機碳作為土壤的重要組成部分，其含量約占陸地生物圈碳庫的2/3，是大氣碳庫的3倍。土壤碳庫的微小變化都會影響全球有機碳庫的收支平衡［1］，因此，土壤碳庫在全球碳循環中具有重要地位［2］。林地作為陸地生態建設的核心，具有較強的固碳作用和碳匯能力，在全球碳循環中發揮著不可替代的作用，其固碳能力在林地建設管理中扮演著至關重要的角色。已有研究發現［3］：中國東北林區不同森林類型的土壤有機碳含量和有機碳密度均以表層土壤最高，且隨土壤深度的增加逐漸減少，但隨森林類型和林齡的變化并不顯著。劉偉等［4］發現黃土高原中部4種類型草地的土壤有機碳密度從大到小依次為高寒草甸草原、典型草原、森林草原、荒漠草原，各草地類型土壤有機碳含量和土壤碳密度也均隨深度增加呈減少趨勢。AJAMI等［5］分析了伊朗北部的托山流域的森林、農田、果園和撂荒地的土壤有機碳密度，發現表層30 cm土壤有機碳密度占100 cm土壤有機碳密度的54.8%。但目前土壤有機碳含量與密度的研究主要集中于森林、農田、草地等自然土壤［6-8］，缺乏對人為干擾性較大的城市土壤有機碳的研究，即便有少量關于城市土壤有機碳的研究，也以城市綠地土壤有機碳分布特征為主［9］，而對城市林地土壤有機碳特征關注較少。因此，本研究以中國特大城市上海為研究對象，選取樟樹Cinnamomum camphora林、闊葉混交林、其他硬闊林、針闊混交林、水杉Metasequoia glyptostroboioles林、經濟林等林地，分析不同林地土壤有機碳質量分數及密度的分布特征，并將土壤主要理化性質與土壤有機碳質量分數進行相關分析，探討影響上海林地土壤碳庫的因素，為科學合理利用土壤資源，制定增強土壤碳庫的林地管理措施提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

上海市（30°40′～31°53′N，120°52′～122°12′E）位于太平洋西岸， 亞洲大陸東沿，是長江三角洲沖積平原的一部分，平均海拔高度4 m左右。氣候溫和濕潤，屬亞熱帶季風性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。2017年，上海市年平均氣溫為17.7℃，年均降水量約1600.0 mm，各區氣候差異不大。本研究中林地均為人工林，不存在地形營造。土壤以粉砂質黏壤土為主。

1.2 樣品采集

根據上海林地的分布情況，于2017年7月進行樣品采集，涉及的林地類型有樟樹林、闊葉混交林、其他軟闊林、其他硬闊林、針闊混交林、水杉林和經濟林，共計66塊樣地。每個樣地設置3個土壤剖面，每個剖面分3層（0～10，10～30，30～100 cm）進行樣品采集，且每層土壤樣品均由3個土壤剖面同一層次混合而成，樣地數詳見表1。將采集的土壤樣品自然風干，并剔除石礫、根系等雜物后粉碎分別過2.000和0.149 mm篩備用。同時，每個土層均采集5個環刀樣用于土壤容重測定，容重為5個環刀樣的平均值。

表1 上海市林地基本信息Table 1 Basic information of forests in Shanghai

1.3 分析方法

土壤容重采用環刀法測定；pH值采用電極法測定（水土比 2.5∶1.0）； 電導率采用電導率儀測定（水土比 5∶1）； 土壤全氮采用凱氏定氮法測定（KDN-812定氮儀）；土壤堿解氮采用堿解-擴散法測定；土壤全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定［10］。

1.4 數據處理與分析

土壤剖面第i層的有機碳密度計算公式為DSODi=wSODi×BDi×Hi×（i-α）/10。土壤剖面有機碳密度計算公式為其中：wSODi為第i層的土壤有機碳質量分數（g·kg-1），BDi為第i層的土壤容重（g·cm-3），Hi為第i層的土層厚度（cm），α為土壤中＞2 mm的粗顆粒的體積百分含量，n為土層數（n=3）。

應用SAS 9.0軟件中Duncan多重檢驗法檢驗不同林地類型之間、土層之間的土壤有機碳質量分數、密度的差異顯著性（P＜0.05），Pearson相關性分析方法、逐步剔除回歸法進行數據統計分析與處理。

2 結果與分析

2.1 不同林地類型土壤有機碳質量分數分布特征

從表2可以發現：其他軟闊林的表層（0～10 cm）土壤有機碳質量分數最高（15.04 g·kg-1），針闊混交林的表層有機碳最少（9.58 g·kg-1）。就0～100 cm整個土壤剖面而言，7種林地土壤有機碳平均質量分數從大到小依次為其他軟闊林、樟樹林、經濟林、闊葉混交林、水杉林、針闊混交林、其他硬闊林。在垂向上，除經濟林外，其他林地的土壤有機碳質量分數均隨著土層深度的增加而呈不同程度的降低。

不同林地類型不同土層的土壤有機碳質量分數差異性不同。就0～10 cm土層而言，其他軟闊林土壤有機碳質量分數明顯高于針闊混交林（P＜0.05），但這兩者均與其他林地0～10 cm土壤有機碳差異不顯著。在10～30 cm土層，經濟林與闊葉混交林、其他硬闊林、針闊混交林的土壤有機碳質量分數差異顯著（P＜0.05），與其他林地差異不顯著。在30～100 cm土層，各林地土壤有機碳質量分數差異均不顯著。

表2 不同林地類型不同土層有機碳Table 2 Soil organic carbon content in different soil layers and different forests

就同一林地而言，樟樹林0～10 cm土壤有機碳質量分數與30～100 cm差異顯著（P＜0.05），但與10～30 cm有機碳質量分數差異不顯著；闊葉混交林、其他硬闊林、水杉林0～10 cm土壤有機碳質量分數與10～30和30～100 cm差異顯著（P＜0.05），而10～30和30～100 cm土壤有機碳差異不顯著。其他軟闊林在不同土層土壤有機碳質量分數差異顯著（P＜0.05）；針闊混交林不同土層有機碳差異不顯著。經濟林則表現為10～30 cm土壤有機碳質量分數與30～100 cm差異顯著（P＜0.05），與0～10 cm的有機碳差異不顯著。

2.2 不同林地類型土壤有機碳密度分布特征

從表3可知：同土壤有機碳相似，其他軟闊林表層（0～10 cm）土壤有機碳密度最高（18.95 t·hm-2），針闊混交林表層土壤有機碳密度最低（13.16 t·hm-2）。7種林地0～100 cm土壤有機碳密度變化范圍為92.20～113.76 t·hm-2，平均值為100.09 t·hm-2，土壤有機碳密度從大到小依次為樟樹林、其他軟闊林、經濟林、闊葉混交林、針闊混交林、水杉林、其他硬闊林。

不同林地類型不同土層的土壤有機碳密度差異性不同。就同一土層而言，不同林地類型在0～10和30～100 cm土層的土壤有機碳密度差異不顯著。但在10～30 cm土層，經濟林與樟樹林、其他硬闊林、針闊混交林、水杉林土壤有機碳密度差異顯著（P＜0.05），與闊葉混交林、其他軟闊林的土壤有機碳密度差異不顯著。就同一林地而言，經濟林30～100 cm土壤有機碳密度顯著高于0～10 cm土壤有機碳密度（P＜0.05），但與10～30 cm土壤有機碳密度差異不顯著；其余林地30～100 cm土壤有機碳密度均顯著高于0～10和10～30 cm土壤有機碳密度（P＜0.05），但0～10和10～30 cm土壤有機碳密度差異不顯著。

表3 不同林地類型不同土層有機碳密度Table 3 Soil organic carbon density in different soil layers and different forests

不同土層對100 cm土壤剖面有機碳密度貢獻率有所不同。其中，0～10 cm土壤有機碳密度貢獻率從大到小依次為其他硬闊林（19.26%）、其他軟闊林（17.74%）、水杉林（17.46%）、闊葉混交林（15.63%）、經濟林（14.79%）、樟樹林（14.25%）、針闊混交林（13.75%）。0～30 cm土壤有機碳密度貢獻率從大到小依次為經濟林（48.37%）、其他硬闊林（43.43%）、水杉林（42.74%）、其他軟闊林（41.72%）、闊葉混交林（38.80%）、 樟樹林（38.50%）、 針闊混交林（35.02%）。

2.3 土壤有機碳質量分數與理化性質的相互關系

從表4可以發現：樟樹林、其他軟闊林、其他硬闊林、水杉林的土壤有機碳質量分數與容重顯著負相關（P＜0.05），其余林地土壤有機碳與容重相關性不顯著。闊葉混交林、其他軟闊林、其他硬闊林土壤有機碳質量分數與pH值呈負相關（P＜0.05），其余林地土壤有機碳與pH值相關性不顯著。除經濟林外，其他林地土壤有機碳質量分數與全氮、堿解氮呈極顯著正相關（P＜0.01）。樟樹林、水杉林土壤有機碳質量分數與速效磷顯著正相關（P＜0.05）。但所有林地土壤有機碳質量分數與電導率、全磷相關性均不顯著。經濟林的土壤有機碳質量分數與容重、pH值、電導率、全氮、全磷、堿解氮、速效磷的相關性均不顯著。

表4 有機碳含量與土壤主要理化性質的相關性Table 4 Correlation between organic carbon content and soil physicochemical properties

在進行土壤有機碳質量分數與土壤理化性質進行相關性分析的基礎上，以土壤有機碳質量分數（y）為因變量， 以土壤容重（x1）、 pH 值（x2）、電導率（x3）、全氮（x4）、 全磷（x5）、堿解氮（x6）、速效磷（x7）為自變量，采用逐步剔除法進行多元回歸分析，建立了土壤有機碳與其他理化性質的的回歸方程，并通過標準化回歸系數確定影響不同林型土壤有機碳質量分數的主要影響因子（表5）。經分析，不同林型的土壤有機碳質量分數影響因子不同。其中：堿解氮是樟樹林、其他軟闊林、其他硬闊林和針闊混交林的土壤有機碳質量分數變化的主要影響因子；而闊葉混交林、水杉林的土壤有機碳質量分數主要影響因子為全氮。

表5 土壤有機碳含量與其他理化性質的回歸分析Table 5 Regression analysis of soil organic carbon content and other physicochemical properties

3 討論

3.1 土壤有機碳質量分數

研究表明：土壤有機碳質量分數與氣候、植被類型、母質、地形以及微生物的活動強度等密切相關［11-12］。鑒于本研究區域氣候、母質、地形等條件較相似，說明植被類型、微生物活動等可能是影響土壤有機碳的主要因素。植被類型不同，進入土壤的枯枝落葉等凋落物不同，植物根系發育及分布格局不同，均會導致土壤中有機碳的含量不同［13］。本研究中，0～10和10～30 cm土層，針闊混交林的土壤有機碳質量分數均為最低（9.58和6.95 g·kg-1），這可能是由于針葉和闊葉凋落物混合提高了微生物群落豐富度，致使凋落物分解速度較快［14］，不利于土壤有機碳的積累。

在垂向上，同一林地在不同土層的土壤有機碳質量分數存在差異主要與植被的凋落物、根系分布格局、淋溶作用、微生物活性等密切相關。本研究中，樟樹林和經濟林的土壤有機碳在0～10和10～30 cm無明顯差異，這是由于樟樹林根系主要分布在0～30 cm［15］，經濟林有機肥主要施用于10～30 cm土層［16］，故兩者0～10和10～30 cm土壤有機碳質量分數較高，差異不顯著。在0～100 cm土層，針闊混交林在不同土層的有機碳差異不顯著，而其余林地不同土層的有機碳差異顯著。這是由于針闊混交林的微生物較豐富，且凋落物分解較快，加之根系深廣，故0～100 cm不同土層有機碳差異較小。而其余林地凋落物較單一，且隨著土層的加深，植被根系密度減小［17］，因此，土壤有機碳的積累量也降低，差異顯著。

本研究中，除經濟林外，其余林地的土壤有機碳質量分數隨剖面深度的加深而降低。分析其原因，可能有2個方面：一是林地凋落物主要聚集在土壤表層，這些凋落物通過微生物的分解轉化作用，促進了土壤有機碳的積累；另一方面，根系通過分泌大量的碳水化合物、有機酸類等來提高土壤有機碳質量分數［13］。但隨著土層的加深，植被根系密度減小，有機碳的積累量降低。而經濟林土壤有機碳質量分數則隨剖面深度的加深呈先增加后降低的趨勢，這是由于為促使其產量增加，農戶會翻耕松土并將有機肥施用在10～30 cm土層［16］，最終導致10～30 cm土層土壤有機碳質量分數較高。

3.2 土壤有機碳密度

與0～100 cm土壤有機碳平均質量分數不同，不同林地0～100 cm土壤有機碳密度從大到小依次為樟樹林、其他軟闊林、經濟林、闊葉混交林、針闊混交林、水杉林、其他硬闊林，這表明作為評價和衡量有機碳儲量的一個重要指標，土壤有機碳密度除了受土壤有機碳的影響，還受土壤容重和土層劃分厚度的影響。同一林地不同土層的有機碳密度差異顯著，這與土層劃分厚度密切相關。而不同林地同一土層（10～30 cm）的土壤有機碳密度存在顯著差異，這仍與土壤有機碳含量和容重密切相關。這些均表明，若想探討土壤有機碳密度的影響因素，需從土壤有機碳質量分數著手。

本研究表明：7種林地0～100 cm土壤有機碳密度平均為100.09 t·hm-2。這與史利江等［18］測定的上海市土壤有機碳碳密度平均值相當（105.5 t·hm-2）， 但低于全國森林土壤有機碳密度 115.9 t·hm-2［19］。7 種林地的土壤表層（0～10 cm）有機碳密度為13.16～18.95 t·hm-2，這低于申廣榮等［20］對上海市崇明島全島大部分地區表層（0～20 cm）土壤有機碳密度（28.8 t·hm-2）的研究結果。總之，相較于全國其他城市［21-22］，上海市林地0～10和0～100 cm土壤有機碳密度較低，碳儲存能力較弱。這一方面可能是植被類型不同，土壤有機碳儲存能力強弱不同；另一方面可能是上海作為大都市，人口較為密集，相較自然林地，人造林地受到的干擾相對較大，不利于土壤有機碳的儲存［23］。

本研究中，0～30 cm土層的土壤有機碳密度對100 cm剖面總有機碳貢獻率為35.02%～48.37%，平均為40.62%。這一結果低于浙江省森林土壤0～30 cm土層有機碳密度對0～100 cm剖面總有機碳貢獻率（65.34%）［24］，低于山西油松Pinus tabuliformis人工林0～30 cm土壤有機碳密度對0～100 cm剖面的貢獻率（54.97%～58.03%）［25］， 低于廬山不同海拔森林土壤 0～20 cm 土層有機碳密度占 0～100 cm 土層的 50.6%［26］。總之，相比其他研究，上海7種林地的0～30 cm土壤有機碳密度對總剖面的貢獻率低。出現這種情況的原因，一方面是由于植被類型的不同，另一方面可能與土壤理化性質有關。

3.3 土壤有機碳質量分數與理化性質的相關性

土壤容重影響著土壤的通氣性、微生物活性以及植物根系生長。在本研究中，樟樹林、其他軟闊林、其他硬闊林、水杉林土壤有機碳質量分數與土壤容重負相關（表4），與方運霆等［27］對鼎湖山自然保護區土壤有機碳含量與容重相關性結果相一致。這是由于當土壤容重越大時，土壤通氣性變差，植被根系的生長緩慢，且不利于微生物的活動，故有機碳積累量較少。其他軟闊林和水杉林的土壤有機碳質量分數與容重極顯著負相關，這可能在于高容重土壤條件下，土壤碳的礦化被抑制［28］。

目前，pH值對有機碳質量分數的影響機理仍在探討中。多數研究表明：有機碳質量分數與pH值呈負相關［29-30］，少量研究表明：有機碳質量分數與pH值呈顯著正相關［31］。在本研究中，闊葉混交林、其他軟闊林、其他硬闊林的土壤有機碳質量分數與pH值呈負相關。這是由于土壤中pH值對土壤微生物的活動強度影響不同。一般而言，土壤中pH值呈弱堿性時，土壤微生物活性減弱［32］，有機質的分解速率降低，不利于土壤有機碳的積累。而闊葉混交林、其他軟闊林、其他硬闊林的pH值偏弱堿性，故土壤有機碳質量分數較低。

在本研究中，除經濟林外，其余林地的土壤有機碳質量分數與全氮、堿解氮呈顯著正相關，與侯浩等［33］對小隴山不同林齡銳齒櫟Quercus alienavar.acuteserrata林的土壤有機碳和全氮相關性的研究結果相一致。同樣，本研究結果表明：樟樹林、其他軟闊林、其他硬闊林和針闊混交林的土壤有機碳變化的主控因子為堿解氮，而闊葉混交林、水杉林的土壤有機碳的主要影響因子為全氮。這些均是由于氮作為陸地生態系統中的重要營養元素，其含量與氣候、土壤質地、植被類型等密切相關，適宜的碳氮比有利于土壤有機質分解過程中養分釋放以及土壤堿解氮的增加［34］，而經濟林由于人工施入肥料的緣故，土壤有機碳質量分數與全氮、堿解氮相關性不顯著。

綜合分析，雖然較其他城市，上海市林地土壤碳儲存能力弱，但就整個城市而言，上海市林地土壤仍是一個潛在而巨大的碳庫，且表層的土壤有機碳儲存能力高于深層。因此，應制定合理的林地管理措施，重視對森林的保護和改良建設，減少表層土壤的破壞，改善土壤容重，有針對性地調整不同林地的pH值，適當的輸入氮肥，從而增強上海市林地的碳儲量。

4 結論

本研究通過分析上海市7種林地的土壤有機碳質量分數和密度分布特征，得出了以下結論：（1）在0～100 cm土層，其他軟闊林土壤有機碳平均質量分數最高，樟樹林、經濟林、闊葉混交林、水杉林、針闊混交林其次，其他硬闊林土壤有機碳平均質量分數最低。土壤有機碳質量分數在垂直方向分布差異較大，表聚現象明顯。上海市林地0～30 cm土層土壤有機碳受植被類型影響顯著。（2）上海市林地0～100 cm土壤有機碳密度從大到小依次為樟樹林、其他軟闊林、經濟林、闊葉混交林、針闊混交林、水杉林、其他硬闊林。0～30 cm的土壤有機碳密度占0～100 cm土壤剖面的貢獻率較低。（3）上海市7種林地土壤有機碳質量分數與全氮和堿解氮呈極顯著正相關，與電導率、全磷的相關性不顯著。樟樹林、其他軟闊林、其他硬闊林、水杉林土壤有機碳質量分數與容重顯著負相關。闊葉混交林、其他軟闊林、其他硬闊林土壤有機碳質量分數與pH值呈負相關；樟樹林、水杉林土壤有機碳質量分數與速效磷顯著正相關。樟樹林、其他軟闊林、其他硬闊林和針闊混交林的土壤有機碳質量分數變化的主控因子為堿解氮，而闊葉混交林、水杉林的土壤有機碳質量分數的主要影響因子為全氮。