罗薇，张会化，陈俊坚，柳勇，李定强

广东省生态环境技术研究所，广东 广州 510650

全球土壤有机碳储量在1200～2500 Pg之间，约是大气碳储量的两倍，植被碳储量的 2～3倍（IPCC，1990；Schlesinger，1991；Lal，1999；Watson et al.，2001）。土壤有机碳不仅对农田土壤的物理化学特性以及农作物产量作用重大，而且在全球碳循环和温室效应研究中具有重要的意义（Singh et al.，2007）。土壤中有机质的质量分数受到许多因素的影响，比如成土母质、土壤结构、气候、土壤pH值、土地利用方式管理、地形地貌和给排水等。优化关键影响因素尤其是土地利用方式、给水排水等，能够显著提升土壤碳储量，缓解气候变化（Smith et al.，2000；Lal，2004）。

由于土壤有机质主要集中在表层土壤，大量的研究也是围绕表层有机碳开展的（Pan et al.，2003；Wang et al.，2003；Yan et al.，2007；Yu et al.，2007），而有关底层土壤有机碳的研究相对较少。Batjes（1996）研究指出土壤剖面30～100 cm之间的土壤有机碳储量为剖面有机碳储量的 46%～63%。Tarnocai et al.（2009）对北极圈土壤（0～100 cm）的研究发现，至少61%的土壤有机碳贮存在30 cm以下的土壤中。由此可见，就碳储量而言，底层有机碳较表层有机碳更为重要（Rumpel et al.，2011）。然而，与表层土壤相比，底层土壤有机碳质量分数较低，它们对有机碳的潜在捕获能力更强，更易于驻留由植物根带入的有机碳或者淋滤的可溶性有机碳（Lorenz et al.，2005）。

中国土壤有机碳储量有诸多的评估结果，Fang et al.（1996）评估值为185.7 Pg，而潘根兴（1999）评估值为50 Pg，其他研究的评估值均在上述两值之间，诸如，Wang et al.（2001）的92.4 Pg、Wu et al.（2003）的 70.3 Pg、Yu et al.（2007）的 89.14 Pg和Lietal.（2007）的83.8 Pg。然而，目前对土壤剖面底层有机碳质量分数和储量的研究相对较少。由于上述研究尺度较大，以及土壤剖面样点量和有机碳密度计算参数的差异，研究结果存在较大的差异和不确定性。本研究在全面评估广东省不同土壤类型和不同土地利用方式的土壤有机碳储量的基础上，分析区域尺度上表层有机碳向底层迁移的变化趋势，研究结果可为合理评估研究区土壤有机碳储量和土壤环境管理提供科学支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区地理、土地利用和土壤类型概况

广东省位于中国大陆南部，介于北纬 20°10′～25°31′和东经 109°41′～117°17′（图 1A），属亚热带季风气候，年平均降雨量1336 mm，年均蒸发量为1100 mm，年平均气温在17～27 ℃之间。由北向南，分别为丘陵山地、台地和冲积平原。山地面积约占总面积的60%。

广东省土壤面积为150457 km2。土壤类型以铁铝土、人为土和始成土为主。铁铝土是研究区分布最广的土壤类型，面积为113540 km2，占总土壤面积的75.5%。铁铝土下分为4个主要土类，分别为：砖红壤、赤红壤、红壤和黄壤。这些土类具有明显的地带性特征，主要表现为：水平性地带特征，由南向北，土壤类型依次为砖红壤、赤红壤和红壤；垂直地带性特征，纬度由低到高依次为赤红壤、红壤和黄壤（图1C）。水稻土是研究区人为土的最重要土类，是我国土壤分类系统中特有的土壤类型（龚子同，1999）。典型水稻土剖面包括耕作层、犁底层和淀积层3个主要土层。犁底层具压实的板状结构，土壤容重至少比耕作层高10%以上（Huang et al.，2015）。犁底层经过长期的耕作压实，更有利于土壤的保水保肥。研究区始成土面积为 16502 km2，占总面积的 10.9%。其他较小分布的土壤类型还有半水成土、水成土和盐碱土等，约为总土壤面积的3.2%（图1B）。

广东省林地面积高达116.465 km2，占总面积的77.4%，林地类型多样（Zhou et al.，2008）。水稻田土壤面积为16652 km2，占总面积的11.0%。旱地和蔬菜地占总面积的10.4%（图1C）。

1.2 样品采集和分析

本研究土壤样点分布见图1D，211个样点均远离明显的污染源。按照土壤发生分类学划分（广东省土壤普查办公室，1993），将土壤剖面土层划分为A-层（平均厚度17.0 cm）、B-层（29.5 cm）和C-层（48.9 cm）。所有土样去除植物根系，风干研磨后送实验室分析。土壤有机质的测定采用重铬酸钾湿式燃烧法（Walkley et al.，1934；文启孝，1984）。土壤总氮采用凯氏定氮法测定（刘光崧等，1996）。

土壤有机碳密度（SOCD）计算公式为：

式中，SOCDij为i剖面j土层土壤有机碳密度；δij%为i剖面j土层中>2 mm粒径的百分比；ρij为土壤容重（g·cm-3）；Cij为有机碳质量分数（%）；Tij为土层厚度（cm）。有机碳质量分数利用有机质乘以0.58换算得到（Hollis et al.，2012）。

土壤剖面碳储量（SOCS）计算公式为：

图1 广东省方位（A）、土壤类型（B）、土地利用类型（C）和采样点（D）图Fig. 1 (a) Location of Guangdong Province, China, (b) Soil types, (c) Land use types and (d) Sampling locations

式中，SOCSi为i剖面土壤有机碳储量；SOCSt为研究区内土壤有机碳总储量；Ai为该土壤剖面所代表的土壤类型的面积。

运用SPSS@12.0统计软件进行数据统计分析。由于数据符合对数正态分布的特征（表1），几何平均值（GM）和几何标准偏差（GSD）分别可以较好得表现数据的中心态势和数据的变异特征。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质

广东省土壤剖面A层至C层土壤容重分别为1.16、1.17、和 1.20 g·cm-3，最高值 1.8 g·cm-3为水稻土犁底层。黄壤容重最低，平均为0.74 g·cm-3，砖红壤土壤容重最高，平均为1.26 g·cm-3。土壤粘粒质量分数由A-到C-层分别为20.45%、25.27%和25.93%。土壤pH值由A层到C层分别为5.77、5.92和6.05；水稻田土壤pH最低，分别为：耕作层3.4，犁底层3.0，淀积层2.8（表1）。

2.2 土壤有机碳

由表1可知，广东省A层土壤有机碳质量分数范围为0.04%～5.03%，几何平均值和算术平均值分别为1.18%和1.45%；B层有机碳质量分数范围为0.02%～5.24%，几何平均值和算术平均值分别为0.71%和 0.94%；C层有机碳质量分数范围为0.01%～4.85%，几何平均值和算术平均值分别为0.45%和0.66%；最高值5.24%出现在水稻土犁底层中（表1）。广东省A层土壤有机碳储量为0.41 Pg，B层为0.51 Pg，C层为0.33 Pg，底层土壤是研究区主要的土壤有机碳库。平均土壤有机碳密度为8.31 kg·m-2，与 Wu et al.（2003）报道的 8.01 kg·m-2接近，低于Wang et al.（2001）报道的全国水平10.53 kg·m-2。

2.3 相关性分析

SOC、TN和土壤特性的Pearson相关系数见表2。土壤特性（包括土壤容重、粘粒质量分数和土壤pH值）和SOC质量分数之间无显著线性相关性。SOC和土壤TN质量分数在整个土壤剖面各层表现出显著相关性，相关系数分别为：A层0.86，B层0.87，C层0.62。SOC和TN的相关性表明，含TN高的土壤其有机碳贮存能力更强，反之则较弱。Kirkby et al.（2011；2014）研究指出在全球尺度上土壤有机质通常具有一个相对稳定的C/N比值。这一比值既受到有机碳输入的影响，也受到土壤N输入的影响。底层土壤中，C/N比通常具有低有机质质量分数和较高N质量分数的特点，高N是因为矿物态N被粘土表面吸附（Jenkinson et al.，2008），同时也说明底层土壤仍有较大的碳捕获潜力。此外，土壤A层、B层和C层之间，土壤有机碳质量分数具有显著线性相关性。其中，A层SOC和B层SOC的线性相关系数为0.767，B层SOC和C层SOC的线性相关系数为0.774。同样地，土壤TN也存在显著线性相关性（图2）。表层SOC、TN质量分数与底层间的相关性表明，表层土壤中SOC、TN在长期耕作和强烈的淋溶作用下向下迁移。Fontaine et al.（2007）研究表明，表层土壤有机碳向底层土壤有机碳的迁移，为底层土壤提供了新鲜的碳源；由于新鲜碳源的加入，底层土壤微生物更易于分解底层土壤中相对稳定的老C。因此，可以认为，区域尺度上的底层土壤并非一个绝对稳定的碳汇，它应该是一个既有表层土壤新碳的注入，又有底层老碳矿化损失的动态碳库。

表1 广东省土壤剖面数据统计Table 1 Summary statistics of the data for 211 soil profiles in Guangdong Province, China

表2 土壤有机碳质量分数与土壤特性Pearson相关分析Table 2 Pearson correlation coefficients (r) between soil organic carbon(SOC) content and selected soil properties

2.4 不同土壤类型的有机碳质量分数、碳密度和碳储量

2.4.1 铁铝土

铁铝土是广东省主要土壤类型，面积为113540 km2，占总土壤面积的75.5%，主要包括：砖红壤、赤红壤、红壤和黄壤4个主要土类。广东省水热条件的地区差异对土壤有机质质量分数有显著的影响。由南向北，随着温度和降雨量的逐渐减少，淋溶作用和有机质矿化强度逐渐减弱。对应的表层土壤有机碳质量分数和碳密度逐渐增加，砖红壤、赤红壤和红壤的有机碳质量分数分别为0.94%、1.08%和 1.52%；有机碳密度分别为 0.91、2.15 和 2.53 kg·m-2（表3）。研究区黄壤主要发育在海拔高度高于800 m的地区，较冷的气温和较少的降雨更有利于土壤有机质的累积，因此黄壤表层有机碳质量分数高达3.15%，有机碳密度为4.45 kg·m-2。

表3表明：除黄壤外，底层土壤有机碳密度显著高于表层。砖红壤、赤红壤和红壤的底层有机碳储量分别是其表层有机碳储量的3.4、2.7和1.9倍。黄壤底层有机碳储量低于表层有机碳主要是因为表层土壤有机质质量分数非常高，底层相对较薄，淋滤作用较弱。不同土壤类型的剖面有机碳密度由小到大依次为砖红壤 4.74 kg·m-2、赤红壤 8.11 kg·m-2、红壤 9.66 kg·m-2、黄壤 11.23 kg·m-2，这一顺序也与区域水热分布密切相关。

图2 广东省土壤剖面各层间土壤SOC质量分数和TN质量分数的线性相关图Fig. 2 Fitted line plots showing correlations of soil organic carbon and total nitrogen in the A, B and C horizons

表3 广东省土壤剖面不同土壤类型的有机碳质量分数、碳密度和碳储量Table 3 Soil organic carbon content, density and storage by soil type in Guangdong soil profiles

就铁铝土纲而言，剖面有机碳密度为 8.60 kg·m-2，略高于中国土壤有机碳密度的平均水平8.0 kg·m-2（Wu et al.，2003）。铁铝土剖面有机碳储量为0.976 Pg，占总土壤有机碳储量的78.1%，其中表层中储量为0.313 Pg。底层有机碳储量为表层有机碳储量的2.12倍。

2.4.2 人为土

广东省主要的人为土为水稻土，面积占总土壤面积的11.0%。水稻土有机碳储量为0.17 Pg，占土壤有机碳储量的 13.47%（表 3），其中耕作层有机碳储量为0.054 Pg，犁底层为0.044 Pg，淀积层为0.07 Pg。

以往研究已经指出，水稻土中较高的有机物质投入和厌氧条件下有机质较弱的分解速率使得水稻土更易于积累有机质（Yang et al.，2005）。同时一些研究也指出，水稻田长期耕作促使表层有机碳向底层迁移累积（Bräuer et al.，2013，2012；Ci et al.，2013）。本研究也显示，研究区淀积层有机碳质量分数为0.81%，犁底层有机碳质量分数为1.14%均明显高于其他土壤类型，也进一步证明在区域尺度上，水稻土表层土壤有机碳更易于向底层土壤迁移并累积。研究数据也表明，水稻土底层土壤有机碳密度为 4.74 kg·m-2，远高于表层土壤的 2.73 kg·m-2。底层土壤有机碳质量分数是表层土壤有机碳质量分数的2.1倍。

2.4.3 始成土

广东省始成土面积为16502 km2，占土壤总面积的10.9%，其土壤有机碳储量为0.083 Pg（表3）。由于成土时间较短和土壤流失使得始成土表层土壤较薄。表层土壤有机碳密度为5.03 kg·m-2，低于其他土壤类型。底层土壤有机碳储量为0.040 Pg，远高于表层土壤有机碳储量。

2.5 不同土地利用方式的土壤有机碳储量和捕获潜力

2.5.1 林地

林地是最主要的土壤碳库。Dixon et al.（1994）指出三分之二的陆地土壤有机碳贮存在林地系统。林地土壤有机碳储量为1.0 Pg，占总土壤碳储量的80.27%。其中表层土壤有机碳储量为0.33 Pg，B层高达0.425 Pg，C层质量分数为0.246 Pg（表4）。林地土壤剖面有机碳密度为8.58 kg·m-2，远低于中国林地土壤碳密度的平均水平 14.3 kg·m-2（Yu et al.，2007）。Zhou et al.（2008）研究得出广东省林地植被碳储量由1994年的0.17×1012kg增加至2008年的0.21×1012kg，土壤有机碳和植被碳比率为5，该值远高于Dixon et al.（1994）和Lal（2005）报道的 1.2，表明在广东省林地植被仍然有很大的碳捕获潜力。

2.5.2 旱地

研究区旱地和蔬菜地土壤有机碳储量仅为0.073 Pg，占土壤总有机碳储量的5.81%，剖面有机碳密度为4.65 kg·m-2，底层土壤有机碳储量是表层有机碳储量的3.3倍（表4）。Lal（2005）指出，农业土壤尤其是遭侵蚀的农田土壤的有机碳储量潜力很大。退化的农田土壤退耕还林能够缓减土壤退化，同时提高土壤有机碳的储存能力（Ross et al.，2002）。

2.5.3 水田

与旱地耕作相比，广东省水稻田土壤有机碳储量高达0.17 Pg（表4）。研究区水稻土土壤碳储量占全国水稻土碳储量（0.3 Pg）的57%（Pan et al.，2003）。Pan et al.（2003）基于全国水稻土监查站点和长期定位观察评估得出，耕作层碳捕获速率为0.022 kg·m-2·a-1，按此速率计算，广东省水稻碳捕获量可达 3.56 Tg·a-1。

总体而言，无论从土壤类型还是从土地利用方式上，底层土壤均是区域土壤有机碳的重要碳汇。土壤耕作并不总是导致土壤有机碳的减少，耕作也能促进有机矿物的形成，同时土壤的深翻能够稀释表层土壤有机质，从而减少土壤有机质的分解（Don et al.，2013；Wiesmeier et al.，2015）。

2.6 广东省土壤有机碳储量的空间变异特征

研究区具有高土壤有机碳密度的样点主要为林地土壤和水稻土，分布在广东省北部；相对较低土壤有机碳密度的样点分布于研究区南部（图3）。土壤有机碳密度区域差异与研究区南北水热分布差异关系密切。广东省北部年平均气温为18.8 ℃，而南部雷州半岛地区年平均气温高达 23.2 ℃。区域温度、水热条件的不同使得北部土壤有机质矿化速率明显低于南部。这也进一步证明不同土壤类型的土壤有机碳质量分数与生物量和有机质的矿化速率密切相关（全国土壤普查办公室，1998；Wu et al.，2003）。

尽管已有研究表明，土壤粘粒质量分数影响土壤有机质的转化，但本研究结果显示，土壤粘粒质量分数与有机质质量分数呈弱的正相关性（表2），这种弱的正相关性可能与区域成土母岩快速风化作用有关。由于较短的成土过程和强烈的风化作用，土壤粘粒质量分数主要与成土母岩的矿物成分结构相关（广东省土壤普查办公室，1993；Zhang et al.，2008）。此外，北部高有机质质量分数的水稻土地区，以水旱轮作的耕作方式为主，土壤有机质的来源主要依靠肥料输入。因此，农业活动诸如耕作施肥是土壤有机碳密度较高的主要因素。

土壤侵蚀是一个全球关注的热点问题，由此引发的表层土壤有机碳损失量相当巨大，同时由于极端事件频发，这一状况可能会持续或加剧（Lal，2001）。许多研究指出，在景观尺度上，水蚀、耕作侵蚀和风蚀是土壤有机碳流失或再分布的主要原因（Smith et al.，2000；McCarty et al.，2002；Smith et al.，2001；Ritchie et al.，2007）。大多数的侵蚀退化土壤已经导致大部分的土壤有机碳库损失，这部分流失的碳通过采取合适的土地利用方式是可以逐渐得到恢复的（Lal，2004）。同时，Chappell et al.（2015）指出这部分流失的土壤碳是全球 SOC循环中重要的一部分，对合理评价或寻找“遗失的碳汇”具有重要意义。

表4 广东省不同土地类型土壤有机碳质量分数和有机碳储量Table 4 Soil organic carbon content and storage in four land use types in Guangdong soil profiles

图3 广东省土壤有机碳密度图Fig. 3 Spatial distribution of soil organic carbon (SOC) density in soil profiles in Guangdong Province

广东省土壤侵蚀退化面积为14200 km2，主要沿韩江、北江、东江和鉴江分布（万洪富，2005）。李智广等（2006）通过大量的实测数据得出珠江三角洲流域泥沙输移比为0.39。广东省表层土壤有机碳密度为2.13 kg·m-2。依据这些数据，可以得知，每年由土壤侵蚀带走的表层土壤有机碳大约为1.18×1010kg，约占到表层土壤有机碳总量的2.9%；同时每年约有1.85×1010kg SOC在研究区土壤中重新分布。尽管有研究指出，土壤侵蚀和持续的再分布能够刺激农田生态系统的碳捕获能力（Ritchie et al.，2007；VandenBygaart，2001；Hao et al.，2001），但修复侵蚀区退化的土壤和生态系统更能够提高这些区域的碳汇能力。

3 结论

广东省土壤有机碳的空间分布与区域南北水热分布格局密切相关。A层土壤有机碳在长期耕作和强烈的淋溶作用下具有向下迁移的区域性特征，使得底层土壤成为区域土壤有机碳的重要碳汇。不同土地利用方式下，广东土壤具有较强的碳捕获潜力。广东省土壤侵蚀退化是研究区土壤有机碳流失的重要途径，该部分流失的土壤碳在区域碳循环研究中意义重大。