海南吊羅山自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳貯量研究

張曉琳 王帥 王旭 文關(guān)四 劉海偉 李佳靈

摘 要 以海南吊羅山自然保護(hù)區(qū)15個樣地土壤剖面為對象， 分析其土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度及其碳貯量，以期揭示吊羅山自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳分布特征， 初步估算吊羅山自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳貯量。 結(jié)果顯示： （1）吊羅山各樣地土壤有機(jī)碳含量及碳密度隨土壤深度增加而減少， 平均有機(jī)碳含量為16.86 g/kg， 平均有機(jī)碳密度為15.31 kg/m2。（2）同一土層不同樣地間的土壤有機(jī)碳含量存在著較大的差異， 主要表現(xiàn)在土壤表層， 并隨土層深度的增加差異逐漸變小。 （3）吊羅山土壤有機(jī)碳含量與土壤深度呈極顯著負(fù)相關(guān)， 最佳擬合曲線模型是冪函數(shù)， 回歸方程為y=113.796x-0.6， 相關(guān)系數(shù)為0.836。（4）吊羅山自然保護(hù)區(qū)在0～100 cm土層的土壤總有機(jī)碳貯量約為281.64萬t， 土壤表層所貯存的有機(jī)碳量的比重與全球平均水平差異較小。

關(guān)鍵詞 吊羅山； 土壤有機(jī)碳含量； 土壤有機(jī)碳密度； 碳貯量； 碳分配

中圖分類號 S714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林約占陸地面積的1/3，卻儲存約占全球植被86%以上的碳儲量，同時也約占全球土壤碳的73%[1-3]，含碳量達(dá)6.38×1011 t[4]，是最大的儲庫和碳吸收匯。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中最大的貯庫，全球約有1 500 Pg（1 Pg=1 015 g）碳以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲存于土壤中[5]，是大氣碳庫的2倍[6]，是陸地植被的2～3倍[7-9]。因而，森林土壤有機(jī)碳儲量在全球碳循環(huán)、調(diào)節(jié)碳平衡、減緩全球氣候變化中具有不可替代的地位[10]。

近年來，不少學(xué)者針對不同區(qū)域森林土壤碳儲量、碳密度及其動態(tài)變化等開展研究[11-17]，方精云[18]（1 ∶ 1 000萬土地利用圖）、解憲麗[19]（1 ∶ 400萬土地利用圖）、王紹強(qiáng)[20]（GIS技術(shù)）、李克讓[21]（CEVSA模型）等對中國土壤有機(jī)碳庫進(jìn)行了估算，由于多基于文獻(xiàn)資料收集匯總，所采用的資料、計算方法不同及研究對象的廣泛性和復(fù)雜性，導(dǎo)致估算結(jié)果差異大。要更精準(zhǔn)地評價某一區(qū)域森林土壤碳儲量現(xiàn)狀，必須通過實地實測獲得更多可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而目前關(guān)于海南吊羅山熱帶雨林土壤剖面有機(jī)碳及分布格局的實地研究還鮮有報道。

本研究以海南吊羅山自然保護(hù)區(qū)15個樣地為對象，研究其土壤有機(jī)碳含量、碳密度及其碳儲量，揭示其土壤有機(jī)碳分布特征，以期為中國區(qū)域性森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫的估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為評價該區(qū)生態(tài)效益和在未來氣候變化中的地位及貢獻(xiàn)提供素材。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南吊羅山自然保護(hù)區(qū)是中國珍稀的原始熱帶雨林區(qū)之一，位于五指山的東南側(cè)，地跨陵水、萬寧、瓊中、保亭四縣；地處北緯18°40′～18°58′、東經(jīng)109°45′～110°3′之間。年平均氣溫24.6 ℃，最高月均氣溫為28.4 ℃（7月），最低月均氣溫15.3 ℃（1月）。年均相對濕度85.9%，年均降雨量2 160 mm，雨季和旱季區(qū)分較大，5月底到10月底是雨季，11月初到次年5月初是旱季，其中4月是旱季和雨季的過渡時段。保護(hù)區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，地勢多呈急斜狀態(tài)，坡度達(dá)50～60°左右；土質(zhì)主要為沙質(zhì)紅壤與山地黃壤，成土母質(zhì)為花崗巖和閃長巖，土層深厚、濕潤、呈酸性，有機(jī)質(zhì)含量較高；局部地區(qū)巖石裸露，表土極薄。樣地基本概況見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 2011年11月，在研究區(qū)選取15個2 500 m2的樣地，各挖取2個土壤剖面，記錄土壤發(fā)生層厚度，并按0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5個層次，采用剖面法+土鉆法進(jìn)行土壤調(diào)查，其中土壤剖面用于測量土壤容重，土鉆法用于測定有機(jī)碳含量。

1.2.2 測定指標(biāo)及方法 采用環(huán)刀法測定土壤容重，采用C-重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳含量，采用篩分法測定粒徑大于2 mm礫石含量[22-23]。

1.2.3 土壤有機(jī)碳密度計算方法 土壤有機(jī)碳密度（SOC）是指單位面積一定深度的土層土壤有機(jī)碳儲量，常用t/hm2和kg/m2表示，是評價和衡量土壤特性的一個極其重要的指標(biāo)[19]。

某土層i土壤有機(jī)碳碳密度（kg/m2）計算公式如下：

SOCi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

式中，Ci為土壤有機(jī)碳含量（g/kg），Di為土壤容重（g/cm3）；Ei為土層厚度（cm）；Gi為直徑大于2 mm的石礫所占體積百分比（%）。

某一土壤剖面的有機(jī)碳密度為該剖面各層SOCi之和，即：SOC=∑SOCi

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計計算及圖表制作，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 吊羅山森林土壤有機(jī)碳含量

吊羅山15個樣地土壤剖面有機(jī)碳含量及分布特征見圖1，0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5個土層的土壤有機(jī)碳含量平均為30.95、20.63、14.08、10.41和8.22 g/kg。由此可見，吊羅山各樣地土壤有機(jī)碳含量在剖面垂直分布上呈現(xiàn)隨土壤深度的增加而減少的規(guī)律，這與很多學(xué)者的研究結(jié)果相一致[24-33]。土壤有機(jī)碳含量的影響因素主要來自植物根系、枯落物、動物及微生物遺體及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)層等，植物根系主要集中于土壤表層，而動植物殘體對土壤有機(jī)碳積累的影響也隨土壤深度的增加而降低，因此表層土壤有較強(qiáng)的儲碳能力。

不同樣地土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度增加而減少的程度也不同。在0～10 cm土層，各樣地的土壤有機(jī)碳含量介于16.31～43.74 g/kg，同一土層不同樣地間的土壤有機(jī)碳含量存在著較大的差異，造成這種明顯差異的主要原因[34]是：各樣地的主要優(yōu)勢種類型不同，不同植被類型之間光合產(chǎn)物的分配模式差異很大，從而造成不同植被下土壤有機(jī)碳輸入量的差異；其次，土壤有機(jī)碳的分解速率在某種程度上受植被物種組成的控制，導(dǎo)致其在不同樣地土壤中的分解速率各不相同。

在10～20、20～30、30～50和50～100 cm 4個土層中，各樣地的土壤有機(jī)碳含量分別介于11.40～31.96、8.04～20.94、5.91～16.28和4.46～13.72 g/kg，土壤有機(jī)碳含量的差異逐漸變小。相鄰兩土層的土壤有機(jī)碳含量差值依次為10.32、6.55、3.67和2.19 g/kg，表層土壤有機(jī)碳含量遞減程度明顯，越往深處遞減越慢，主要原因有以下2點：①土壤有機(jī)碳含量隨深度的增加而遞減，土層越深微生物活動越微弱，土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)變慢；②土層較深處的養(yǎng)分含量較低，減緩了土壤有機(jī)碳的分解。

2.2 吊羅山森林土壤有機(jī)碳含量與土壤深度的擬合

土壤的理化性質(zhì)在空間范圍內(nèi)存在差異性，同時也存在著相關(guān)性。本研究根據(jù)設(shè)置的15個樣地土壤有機(jī)含碳量實測數(shù)據(jù)，按線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、反向函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、復(fù)合函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)等8種函數(shù)擬合土壤有機(jī)碳含量與土壤深度的曲線方程，說明土壤有機(jī)碳含量與土壤深度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.674～0.837，結(jié)果見表2。根據(jù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)、F統(tǒng)計值大小、標(biāo)準(zhǔn)誤差和概率P等，綜合分析擬合曲線模型的擬合優(yōu)度，冪函數(shù)對吊羅山森林土壤有機(jī)碳含量與土壤深度之間的關(guān)系擬合效果最佳，其回歸方程式為：y=113.796x-0.6，結(jié)果見圖2。

2.3 吊羅山森林土壤有機(jī)碳密度

吊羅山15個樣地土壤有機(jī)碳密度分析結(jié)果見表3，0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5個土層的土壤有機(jī)碳密度平均為3.16、2.38、1.71、2.63和5.45 kg/m2。為保證不同土層的土壤有機(jī)碳密度的可比性，本次研究統(tǒng)一到10 cm厚度進(jìn)行比較，每一土層10 cm厚度的土壤有機(jī)碳密度依次為3.16、2.38、1.71、1.32和1.09 kg/m2，呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的趨勢，與土壤有機(jī)碳含量在剖面垂直分布的研究結(jié)果一致。

就0～100 cm整個土層而言，各樣地土壤有機(jī)碳密度在6.88～24.27 kg/m2范圍內(nèi)，平均以P06、P07較低，分別為7.25、7.54 kg/m2，其它各樣地均在12.00 kg/m2以上。造成這種明顯差異主要跟植被類型及受人為干擾對土壤形成、發(fā)育過程影響程度的不同有關(guān)，P06和P07樣地優(yōu)勢物種為青皮、短穗荷和犁耙柯、海南錐，與其它樣地植被不同，不同植被類型將形成特定的土壤表層小氣候[35]，影響植被生產(chǎn)力、土壤有機(jī)碳的輸入及微生物對有機(jī)碳的分解和轉(zhuǎn)化；P06、P07位于低海拔地區(qū)的下坡位，受人為活動的影響較大，干擾了土壤有機(jī)碳的積累。

2.4 吊羅山森林土壤有機(jī)碳貯量及其分配

吊羅山自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)有面積為18 398 hm2，按調(diào)查的15個樣地平均土壤有機(jī)碳密度15.31 kg/m2估算，其0～100 cm的土壤總碳貯量為281.64萬t（圖3），其中0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5個土層分別占20.64%、15.36%、11.18%、17.21%和35.62%。各樣地土壤碳貯量在各層的分布比重不同，0～30和0～50 cm所占的比例在30.24%～67.43%和48.14%～79.39%間，平均為46.77%和63.84%。對比Baties[36]對全球各類型土壤碳貯量的研究，0～100 cm的土壤碳貯量中，0～30和0～50 cm所占的比例在37%～59%和62%～81%間，平均為49%和67% ；以及Detwiler[37]對熱帶和亞熱帶地區(qū)土地利用變化對土壤碳庫影響的研究，0～40 cm所貯存的碳占0～100 cm的比例為35%～80%，平均為57%?？梢?，吊羅山熱帶雨林土壤在0～50 cm所貯存的有機(jī)碳量的比重與全球平均水平相差不大，表層土壤有機(jī)碳貯量貢獻(xiàn)較大。

3 討論與結(jié)論

3.1 吊羅山保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳含量及碳密度

吊羅山熱帶雨林土壤平均有機(jī)碳含量16.86 g/kg，平均有機(jī)碳密度為15.31 kg/m2。與國內(nèi)其它開展森林土壤有機(jī)碳調(diào)查研究對比，鼎湖山自然保護(hù)區(qū)（7.39 kg/m2）[24]、江西?。?0.21 kg/m2）[38]、廣東?。R尾松林5.55～6.67 kg/m2，常綠闊葉林8.49～15.12 kg/m2）[39]，吊羅山土壤有機(jī)碳密度（15.31 kg/m2）略高，高于海南島土壤有機(jī)碳密度的算術(shù)平均值（9.48 kg/m2）[21]及近年來中國土壤平均有機(jī)碳密度的估測值（9.17 kg/m2[5]、9.60 kg/m2[40]）。

通過對土壤有機(jī)碳含量、碳密度與土壤深度的關(guān)系分析，土壤有機(jī)碳含量及碳密度在剖面垂直分布上呈現(xiàn)隨土壤深度的增加而減少的規(guī)律，土壤有機(jī)碳主要來源于植物根系、枯落物、動物及微生物遺體等，這些物質(zhì)集中于土壤表層，隨土層深度增加，微生物活動減弱，對土壤有機(jī)碳積累降低。

同一土層不同樣地間的土壤有機(jī)碳含量存在著較大的差異，主要表現(xiàn)在土壤表層，并隨土層深度的增加差異逐漸變小。造成這種明顯差異的主要原因是：各樣地的主要優(yōu)勢種類型不同，不同植被類型之間光合產(chǎn)物的分配模式差異很大，從而造成不同植被下土壤有機(jī)碳輸入量的差異；其次，土壤有機(jī)碳的分解速率在某種程度上受植被物種組成的控制，導(dǎo)致其在不同樣地土壤中的分解速率各不相同。

3.2 吊羅山保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳含量與土壤深度的關(guān)系

研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與土壤深度極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.674～0.837范圍內(nèi)，綜合分析擬合曲線模型的擬合優(yōu)度，冪函數(shù)對吊羅山森林土壤有機(jī)碳含量與土壤深度之間的關(guān)系擬合效果較好，其回歸方程式為：y=113.796x-0.6，相關(guān)系數(shù)為0.836，說明土壤有機(jī)碳含量與土壤深度密切相關(guān)。

3.3 吊羅山保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳貯量

按國際上土壤碳庫計算的土壤剖面深度0～100 cm為基準(zhǔn)，吊羅山自然保護(hù)區(qū)的土壤總碳貯量為281.64萬t，其中0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5個土層的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別為20.64%、15.36%、11.18%、17.21%和35.62%，說明表層土壤有機(jī)碳貯量貢獻(xiàn)較大，森林土壤有機(jī)碳貯量的變化也主要發(fā)生在土壤表層。

在0～30和0～50 cm土層的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率在30.24%～67.43%和48.14%～79.39%間，平均為46.77%和63.84%，與Baties[36]、Detwiler[37]等的研究結(jié)果對比，吊羅山熱帶雨林土壤表層所貯存的有機(jī)碳量的比重與全球平均差異較小。

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