广西不同森林类型土壤有机碳的空间异质性

宋敏　彭晚霞　徐庆国　曾馥平　杜虎　张浩　曾昭霞

摘要： 采用經典统计学和地统计学相结合的方法，研究广西10类主要森林类型不同土层（0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm）土壤有机碳含量的空间异质性。结果表明：广西森林不同土层土壤有机碳平均含量变化为8.01～29.78 g·kg1，变异系数在50.27%～74.89%之间；10～20 cm土层土壤有机碳的半变异函数符合球状模型，其余土层符合指数模型，且拟合效果均较好；各土层土壤有机碳半变异函数的块金效应为16.75%～49.33%，表现为强烈或中等强度的空间自相关性；Kriging插值结果显示，不同森林各土层土壤有机碳含量的分布具有一定相似的空间分布特征，总体表现为北高南低，最高和最低值分别出现在东北和东南；广西不同森林类型不同土壤深度土壤有机碳含量和变异系数不同，0～100 cm土壤有机碳平均含量的大小顺序为硬阔>杉木>石山林>软阔>竹林>八角>桉树>油茶>栎类>松树，总体上土壤有机碳含量随土壤深度的增加而降低，变异系数则相反。广西森林土壤的空间异质性受结构性和人为因素的共同制约，其中结构性因素起主导作用。因此，加强自然林封育和人工林保育、优化调控桉树林和经济林种植规模是提高广西森林固碳潜力的重要措施。

关键词： 土壤有机碳， 空间异质性， Kriging， 森林类型， 广西

中图分类号： Q948.1

文献标识码： A

文章编号： 10003142（2017）11141810

Abstract： By combination of classical statistics， geostatistics and geographic information system， the spatial heterogeneity of soil organic carbon （SOC） in different layers （0-10， 10-20， 20-30， 30-50 and 50-100 cm） of ten kinds of major forest types in Guangxi were studied. Soil samples were collected from 115 sampling locations and 345 plots （50 m × 20 m）， according to 10 km × 10 km grid. The results showed that the average content of SOC in different forests in Guangxi ranged from 8.01 to 29.78 g·kg1 and the coefficient of variation （CV） ranged from 50.27% to 74.89%. The semivariagram of SOC in 10 - 20 cm soil layer was best fitted with exponential model whereas those in other soil layers were best fitted with spherical model. The nugget effect of semivariagram of SOC in all soil layers ranged from 16.75% to 49.33%， indicating a strong or a moderate spatial autocorrelation. Kriging interpolation results showed characteristics of spatial distribution of SOC in different soil layers were similar， i.e.， higher in the north while lower in the south， and the maximum and minimum occurred in the northeast and the southeast of Guangxi， respectively. The average of SOC and its CV varied with forest type and soil layer， and the average of SOC in 0 -100 cm layer followed the order： Castanopsis > Cunninghamia lanceolata > Cyclobalanopsis glauca > Liquidambar > Bambusa multiplex > Octagon > Eucalyptus > Camellia oleifera > Quercus > Pinus. On the whole， SOC decreased with increasing soil depth， while the CV exhibited an opposite trend. The spatial heterogeneity of SOC in forest of Guangxi was synthetically influenced by structural and human factors， while the structural factors played a dominant role. It is suggested that expanding the area of natural forests and plantations like Cunninghamia lanceolata while reducing the area of Eucalyptus and certain economic forests like Camellia oleifera will help increase carbon sequestration potential in forest of Guangxi.

Key words： soil organic carbon， spatial heterogeneity， Kriging， forest type， Guangxi

在人類活动的影响下，全球碳循环发生了显著改变，因大气CO2等温室气体浓度持续增加而导致的温室效应增强、气候变暖、大气环流变化等一系列生态环境问题受到了国际社会高度的关注（丁仲礼等， 2009）。森林生态系统是陆地生态系统的主体，也是世界上除海洋之外最大的碳库，占全球陆地总碳储量的46%（Zhang & Wang， 2010），其维持着全球植被碳库的86%和土壤碳库的73%（Pan et al， 2011； Woodwell et al， 1978），在维护全球气候系统、调节碳平衡、减缓大气温室气体浓度上升等方面具有不可替代的作用（罗云建等， 2009）。土壤有机碳是陆地生态系统重要的碳库，对全球气候变化背景下大气二氧化碳浓度变化有重要影响（Huang et al， 2010），同时也是评价土壤肥力的重要指标。森林生态系统中土壤碳的来源、去向及其动态变化对于陆地生态系统的碳源/碳汇有着重大贡献，其固碳功能越来越引起科学家们的重视（Zhou et al， 2006； Luyssaert et al， 2008）。土壤空间异质性是土壤的一个重要的属性，不同尺度的土壤空间异质性对土壤的结构与功能及植被空间格局都有重要的影响（John et al， 2007； 宋同清等， 2009； 刘璐等， 2010； 张志霞等， 2013），关于土壤有机碳空间异质性的研究涉及到不同区域（路鹏等， 2005）、土地利用类型（熊汉锋和王运华， 2005； 郭晓敏等， 2006）等方面。运用地统计学方法，既能有效地揭示属性变量在空间上的分布、变异和相关特征，又能有效地解释空间格局对生态过程与功能的影响（郭旭东等， 2000； 李步杭等， 2008）。

广西地处中国南疆， 地跨北热带、南亚热带、中亚热带三个生物气候带， 具有气候温和、热量充足、雨量充沛的气候特点， 非常适宜森林植物的生长（杜虎等， 2016）。第八次森林资源清查结果表明，广西林地面积1 527.17万hm2，占全区土地面积的64.27%。森林面积1 509.75万hm2，占林地面积的98.86%，森林覆盖率为56.51%，林木绿化率为57.73%。活立木总蓄积55 816.60万m3，其中森林蓄积48 834.12万m3，占87.49%。该研究以广西森林土壤为研究对象，应用经典统计学、地统计学和GS+ 相结合的方法，对研究区土壤有机碳含量空间异质性进行分析，以期从空间变异方面认识广西森林土壤碳生态学过程。

1研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区地理坐标为104°26′～112°04′ E、20°54′～26°24′ N，总面积为23.67万km2，处于云贵高原东南边缘，两广丘陵的西部，南边朝向北部湾，地势呈现为四周多山地，而中部与南部多为平地，属山地丘陵性盆地地貌。该区域属于亚热带季风气候区，全区年平均气温在 16.5～23.1 ℃之间，极端最高气温为33.7～42.5 ℃，极端最低气温为-8.4～2.9 ℃，区域年降水量均在1 070 mm以上，大部分地区为1 500～2 000 mm，雨季（4—9月）降水量占全年降水量的70%～85%。该植被区域类型为亚热带常绿阔叶林区域，植被类型多样，物种种类丰富，以常绿树种为主。

1.2 样方设置与调查

广西森林总面积为1 509.7万 hm2，总蓄积为48 834.1万 m3，其中松（Pinus）、杉（Cunninghamia lanceolata）、桉（Eucalyptus）、八角（Octagon）、栎类（Quercus）、硬阔的椎属（Castanopsis）、软阔[枫香（Liquidambar）、荷木（Schima Superba）、木姜子（Litsea pungens）]、竹[毛竹（Phyllostachys pubescens）、丛生竹（Bambusa multiplex）]、石山林[青冈（Cyclobalanopsis glauca）、润楠（Machilus）、肥牛树（Cephalomappa sinensis）、南酸枣（Choerospondias axillaris）、香椿（Toona sinensis）、任豆（Zenia insignis）、菜豆（Radermachera sinica）、栀子皮（Itoa orientalis）]、油茶（Camellia oleifera）等10个典型森林生态系统占全区森林总面积和总蓄积的89.60%和99.80%（表1）。参照IPCC关于《土地利用、土地利用变化和林业优良做法指南》（Penman et al， 2003）对系统随机抽样的建议，采用网格法（约为0.1经纬网格）进行样点布置。本研究共设置115个调查样点，各样点设置3个重复样地，共计345个样地，样地面积为1 000 m2（50 m × 20 m），详见杜虎等（2016）研究。按各林型、各林龄在各市（县）面积和蓄积加权进行样点布置（表1、图1）。调查时记录各样地经纬度、坡向、坡度、坡位、海拔及各项自然条件，森林的树种组成、林龄、层次、结构、郁闭度、下木和草本地被植物的状况，人工林记录其造林措施和经营活动（杜虎等， 2016）。

1.3 样品采集与分析

2012年9—11月，在样地网格的4个角和中间位置按0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm五层次采集土壤样品，各点同层次样品混合成一个土样。对于喀斯特地区土层深度不足1 m的，采至基岩层。样品取完后带回实验室，剔除动、植物残体，自然风干后土样过100目筛，采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法测定土壤有机碳含量。

1.4 数据处理

本研究通过加权平均法计算0～100 cm深度森林土壤有机碳平均含量。应用SPSS 16.0软件对研究区各土层森林土壤有机碳含量进行描述性统计分析，采用GS+对数据进行半方差函数拟合，ArcGIS 9.3进行Kriging插值绘制土壤有机碳含量空间分布图。运用Duncan法进行不同土层深度有机碳含量方差分析（α=0.05）。

2结果与分析

2.1 经典统计分析

由表2可知，广西森林土壤有机碳平均含量变化范围为8.01～29.78 g·kg1，其含量随剖面深度的增加依次降低。其中0～10 cm土层土壤有机碳含量最高，50～100 cm土层土壤有机碳含量最低。整体来看，研究区0～100 cm深度土壤有机碳平均含量为12.67 g·kg1。广西森林土壤有机碳含量的标准差和变异系数较大，分别为6.00%～14.97%和50.27%～74.89%，表明了其变异属中等程度变异，有必要用地统计学原理和方法对其进行空间变异性分析。采用KS法进行5%的检验水平下的非参数检验，结果表明原始数据均存在着偏态效应，对数据进行自然对数转换之后其结果均满足正态分布的要求（KS值 >0.05）。

2.2 空间结构特征

表3显示，50～100 cm土层拟合程度相对较差，R2为0.529，而其他土层拟合程度相对较好，决定系数为0.688～0.843， 各土层的残差（RSS）均很小，为0.012～0.024，各模型能很好地反应土壤有机碳含量的空间结构特征。研究区土壤有机碳含量变异函数值的最佳拟合模型除10～20 cm土层的为球状模型外，其余均为指数模型。各土层块金值介于0.067～0.256之间。50～100 cm深度土壤有机碳块金效应值低于25%，其呈现强烈的空间自相关性；其余各土层的块金效应均在25%～75%之间，土壤有机碳表现为中等强度的空间自相关性。

2.3 空间分布格局

图2显示，研究区各土层森林土壤有机碳含量的分布具有一定相似的空间分布特征，总体表现为西南向东北递增的变化，桂东北区域土壤有机碳含量相对较高，桂东南区域土壤有机碳含量较低。0～10 cm和10～20 cm两个土层森林土壤有机碳分布特征类似，高值区主要分布在桂北部。20～30、30～50和50～100 cm土层森林土壤有机碳分布特征类似，皆在东北部有三大高值斑块。整个0～100 cm土层森林土壤有机碳含量的分布呈由东北向西南方向递减的趋势。整个剖面森林土壤有机碳含量分布的变化特征为随土层深度的增加而含量逐渐降低，这是因为表层森林土壤有大量的植被凋落物和根系分泌物存在。

2.4 不同森林类型土壤有机碳垂直分布

广西不同森林类型、不同土壤深度土壤有机碳含量不同，总体上均随土壤深度的增加呈下降趋势（表4），0～10 cm土层的森林土壤有机碳含量均显著高于其他层次，10～20 cm土层的土壤有机碳含量也均显著高于50～100 cm土层，10～20 cm与20～30 cm土壤有机碳杉木、松树、桉树、石山林和软阔差异显著，20～30 cm与50～100 cm土层之间除八角、栎类外其他森林类型差异显著；不同森林类型0～100 cm土壤有机碳平均含量的大小顺序为硬阔>杉木>石山林>软阔>竹林>八角>桉树>油菜>栎类>松树，硬阔显著高于杉木林和石山林，杉木林和石山林差异不显著，但显著高于其他森林，石山林和软阔、竹林差异不显著，但显著高于其他五类森林，竹林与八角、桉树林差异不显著，但显著高于油茶、栎类和松树林，其他林型差异不显著。不同森林类型同一层次的土壤有机碳含量的差异不同，但各层总体上呈现的趋势与0～100 cm土壤有机碳含量相似。

由表5可知，0～100 cm土层森林土壤有机碳含量总体处于中等程度变异，变异的大小顺序为松树>石山林>栎类>八角>桉树>竹林>油茶>硬阔>杉木>软阔。不同树种不同土层的变异系数差异不同，其中软阔各土层变异系数的差异较小，为22.43%～35.93%，最大变异系数在20～30 cm土层；栎类50～100 cm呈弱变异，仅为8.84%，最大值出现在10～20 cm；其他森林的变异系数最大值主要出现在20～30、30～50和50～100 cm土层。

3讨论与结论

广西森林土壤有机碳平均含量为8.01～29.78 g·kg1，且随土壤深度的增加而降低，均呈中等程度变异，变异系数为50.27%～74.89%，与前人研究的结果相似（张继光等， 2008），总体趋势上，有机碳含量越低变异系数越大，30～50 cm土层土壤有机碳的变异系数为67.95%，50～100 cm土层则高达74.89%。可见广西森林各层土壤有机碳可能受较为强烈的人为干扰和自然因素的共同影响，经典统计分析不能有效反映土壤有机碳空间结构性、随机性、相关性等空间分布信息，有必要采用地统计学原理和方法对其进行空间变异性分析。地统计学的区域化变量理论是建立在本征假設或二级平稳假设基础上，样本点的观测值必须符合正态分布或近正态分布（王政权， 1999），否则用传统的半变异方法计算出的半变异函数值是有偏的。因此，在统计分析前一般先采用3S即3倍标准差识别异常值，分别用最大和最小值替换（马风云等， 2006），然后对数据进行转化（McGrath et al， 2004）。广西区森林土壤各层土壤有机碳在进行对数转换后，除10～20 cm土层土壤有机碳的半变异函数符合球状模型外，其余均符合指数模型，且拟合效果均较好。

土壤异质性是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果，土壤空间格局则由不同尺度的自然作用和过程控制，采样尺度对变量空间异质性有较大影响。且空间异质性一般随研究尺度的增大而增加。地统计学方法进行变量的空间分析在较大区域进行比较合适，而面积过小时，由于空间变异趋势微弱，随机变异所占比例相对增加，可能不利于进行空间相关性分析（路鹏等， 2005）。本研究的对象为广西全区的森林土壤，面积较大，采样的尺度也较大（10 km×10 km）。研究表明广西森林各土层土壤有机碳块金值较小，介于0.067～0.256，表明当前的采样尺度范围内由采样误差和随机因素等引起的变异较小，采样密度能够充分揭示研究区土壤有机碳的空间结构（李双异等， 2006）；广西森林各土层的土壤有机碳半变异函数的块金效应为16.75%～49.33%，表现为强烈的空间自相关性和中等强度的空间自相关性，说明结构性因素对研究区土壤有机碳空间变异起主导作用，而随机性因素对其影响相对较小（邬建国，2002）；变程为0.351°～13.629°，与经典统计分析的变异系数变化规律相似，土壤有机碳含量最低的50～100 cm土层的块金效应（16.75%）和变程（0.351°）最小，空间相关性最强，表明土层越深其空间变异受结构性因素特别是土壤的影响越大，人为干扰和随机性因素的影响越小。广西森林虽然由不同的森林类型构成，但在亚热带和中热带季风气候的长期共同作用下，经过历史沉淀，广西森林土壤逐步发育成较成熟的12个土类，其中北部地区为红壤→山地红壤→山地黄壤→山地黄棕壤→山地矮林草甸土； 南部地区为赤红壤 （或砖红壤）→山地赤红壤→山地黄壤。滨海盐土分布在广西沿海一带，平行于海岸线呈带状分布；石灰土主要分布于桂西、桂东北、桂中的岩溶地区。全区以红壤、黄壤、赤红壤和石灰土的面积较大。伴随森林土壤的演变和日趋成熟，土壤有机碳也随之发生演变。不过，在研究区采取大尺度采样，虽然更适于拟合趋势值（巫振富等， 2013），但不能在小尺度上揭示其空间变异细节，有待于进一步开展不同森林类型、不同土壤类型、不同立地条件等小尺度的研究，分析不同尺度上空间信息的相似性和相异性，以提高对研究区土壤有机碳分布规律预测的精度。

土壤是形态和演化过程都十分复杂的自然综合体，受成土母质、地形、气候、植被等成土因素及人为干扰活动的影响，具有复杂性和空间变异性（王政权， 1999； Goovaerts， 2001； 刘付程等， 2004； 李双异等， 2006）。Kriging方法是地统计学估计值方法的总称，它是建立在半变异函数理论模型及结构分析基础上，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估值的一种方法（李双异等， 2006）。本研究采用的是普通克立格法，插值结果表明，广西森林各土层土壤有机碳含量的分布呈现桂北高而桂南低的特点，其中以东北部最高，这与陈曦（2014）利用广西土壤普查数据结合土壤图和相关地形DEM图估算的结果一致。这可能因为桂北分布有有机碳含量较高的山地土壤和石灰土，而桂南以有机碳含量较低的砖红壤和赤红壤为主，高温多雨导致土壤的呼吸强度高和养分流失严重，大量分布的桉树林也消耗了众多的土壤养分。随着土壤深度的增加，土壤有机碳受地表活动特别是人为干扰的影响减弱，植物根系分布和有机质来源减少，土壤有机碳含量降低，主要受结构性因素特别是土壤母质的影响，土壤有机碳含量变异系数增大，块金效应和变程减小，空间异质性增强，土壤有机碳分布出现了一些局部特征，其中50～100 cm土层土壤有机碳分布的斑块破碎率明显增加。

人类活动主要是通过改变土壤形成和发育的生态环境，从而影响着土壤和植被形成发育的方向，土地利用变化是人类活动对生态环境最综合的表现，森林生态系统土壤主要受不同的森林类型和物种组成影响，不同的森林类型的生物量和凋落物返还量不同，根系分布及分泌物的数量和质量不同，土壤有机碳含量差异较大。本研究结果表明，广西10类森林类型森林土壤有机碳含量以硬阔林土壤含量最高，杉木林和石山林次之，八角、桉树、油茶和栎类较低，0～100 cm土层的松树土壤的有机碳含量最低，仅为6.03 g·kg1，那是由于松树生长迅速，消耗土壤肥力过快，导致土壤有机质含量较低。总体而言，人工林土壤有机碳含量要低于天然林，这与王大鹏等（2014）的研究结果一致。此外，本研究发现不同类型的人工林土壤有机碳含量也有差异，具体表现为杉木>竹林>桉树>油茶>松树。总体变化趋势与马姜明等（2013）在桂北地区的调查研究结果稍微有些不同，其发现土壤有机碳含量表现为毛竹林>杉木林>桉树林>马尾松林。但两者结果一致表明杉木林和竹林土壤有机碳含量要高于桉树林和松林。因此，加强硬阔、石山林等自然林封育和杉木林、竹林等人工林保育是提高广西森林固碳潜力的重要措施。

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