海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算

王大鵬　吳小平　羅雪華吳炳孫　王文斌　張永發(fā)　鄒碧霞

摘 要 分別采用固定深度法、等效質(zhì)量法和縱向擬合法對(duì)海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算。結(jié)果表明，海南植膠區(qū)4種不同母質(zhì)分別發(fā)育而成的磚紅壤土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均具有明顯的垂直分布性，隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸降低。3種方法計(jì)算的海南植膠區(qū)4種磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量平均為47.98～59.14 Mg/hm2，遠(yuǎn)低于同氣候帶原始森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

關(guān)鍵詞 海南植膠區(qū) ；有機(jī)碳儲(chǔ)量

中圖分類號(hào) S714.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.001

Abstract Soil organic carbon storage in rubber plantations in Hainan was calculated by using the fixed depth method， equivalent mass method and vertical fitting method. The results showed that the soil organic carbon storage of latosols derived from four different parent materials in rubber plantation in Hainan was obviously vertically distributed and declined gradually with the depth of soil layer. The soil organic carbon storage of four types of latosol at the soil layers of 0～60 cm in rubber plantations in Hainan was approximately 47.98～59.14 Mg/hm2， which was much less than that in the soil of the primary forests in the same climate zone.

Keywords Hainan rubber plantation ； soil organic carbon storage

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球森林碳儲(chǔ)量大約為861 Pg，其中森林土壤碳儲(chǔ)量約為383 Pg，占森林總碳儲(chǔ)量的44%[1]。當(dāng)前，估算并量化區(qū)域乃至全球森林碳儲(chǔ)量已經(jīng)成為全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)，這對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估全球碳收支平衡及其對(duì)氣候變化的影響具有重要意義[1-2]。

橡膠是熱帶地區(qū)重要的人工林生態(tài)系統(tǒng)。2010年全球橡膠種植面積達(dá)9.4 Mhm2，較1990年增加了143%[3]。研究表明，熱帶人工林的建立能有效地固持大氣中的碳[4-5]。中國(guó)人工林的建造和森林的再增長(zhǎng)，使森林起著碳“匯”的作用也已得到研究的證實(shí)，對(duì)減緩全球氣候變化具有良好的效應(yīng)[6-7]。然而由于森林土壤有機(jī)碳同樣具有高度的空間變異性。因此，在估算森林土壤碳儲(chǔ)量時(shí)仍存在很大的不確定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果差異較大[8-9]。為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算中存在的不確定性進(jìn)行了研究，探討了產(chǎn)生這種不確定性的原因，并且比較了各種方法和標(biāo)準(zhǔn)之間的差異[9-12]。目前以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)來估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究越來越被重視[12-13]，而海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的相關(guān)研究卻鮮見報(bào)道。本研究采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別以固定深度法、等效質(zhì)量法和縱向擬合法對(duì)海南植膠區(qū)4種不同母質(zhì)分別發(fā)育而成的磚紅壤土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算和比較，以期為海南橡膠林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究及土壤管理提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

在海南選取有代表性的膠園，于4種不同母質(zhì)分別發(fā)育而成的磚紅壤上共挖掘土壤剖面64個(gè)。其中鐵質(zhì)磚紅壤區(qū)土壤剖面9個(gè)，硅鋁質(zhì)磚紅壤區(qū)23個(gè)，硅質(zhì)磚紅壤區(qū)22個(gè)，鐵鋁質(zhì)磚紅壤區(qū)10個(gè)。剖面采集深度均為60 cm，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分層采集。每層采集環(huán)刀樣品3個(gè)，測(cè)定并計(jì)算平均土壤容重。于樣地內(nèi)采用直徑為3 cm的土鉆隨機(jī)選取5點(diǎn)采集土壤樣品，等層混合成一個(gè)樣品，過2 mm篩后，室內(nèi)風(fēng)干，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，采用重鉻酸鉀-外熱源法測(cè)定[14]。

1.2 方法

采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別以固定深度法、等效質(zhì)量法和縱向擬合法對(duì)海南植膠區(qū)4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算。固定深度法是基于等深度的計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量的傳統(tǒng)方法，即通過實(shí)測(cè)土壤有機(jī)碳含量、土層厚度以及土壤容重等計(jì)算一定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，計(jì)算公式[15]為：

SOCFD=Ci×ρi×Di×0.1（1）

式中，SOCFD（SOCFixed Depth，Mg/hm2）為某一固定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，i為土層代號(hào)，n為固定深度土壤剖面中土層數(shù)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量（g/kg），ρi為土壤容重（g/cm3），Di為土層厚度（cm），0.1為轉(zhuǎn)換系數(shù)。本研究采集的土壤高度風(fēng)化，石礫含量少，忽略不計(jì)。

等效質(zhì)量法[16-17]，首先用固定深度法（1）計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量，其次，計(jì)算固定深度下的土壤質(zhì)量，公式如下：

Msoil=ρi×Di×100（2）

式中，Msoil為某一固定深度的土壤質(zhì)量（Mg/hm2），100為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

再次，從每個(gè)土壤深度選取不同樣點(diǎn)的最輕土壤質(zhì)量作為參考質(zhì)量，計(jì)算多余的土壤質(zhì)量，公式如下：

Mex=Msoil-Mref（3）

式中，Mex為多余的土壤質(zhì)量（Mg/hm2），Mref為參考質(zhì)量（Mg/hm2）。

最后，計(jì)算等效質(zhì)量的土壤碳儲(chǔ)量（SOCFM），公式如下：

SOCFM=SOCFD-Mex×Csn×0.001（4）

式中，SOCFM為等效質(zhì)量的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（Mg/hm2），Csn為最深層土壤的有機(jī)碳含量（g/kg），0.001為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

縱向擬合法[12]：首先根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來擬合土壤有機(jī)碳隨土壤深度變化的近似函數(shù)，然后利用該函數(shù)計(jì)算不同深度土壤有機(jī)碳的平均含量，最后再結(jié)合土壤質(zhì)地、厚度和土壤容重來計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（SOCVF，Mg/hm2）。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

方差和相關(guān)性分析采用SPSS 11.5（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）進(jìn)行。不同土壤類型區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值的比較采用最小顯著差異法（Least-significant difference，LSD），差異的顯著性均為p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 固定深度法

采用固定深度法計(jì)算的海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量見表1。海南植膠區(qū)4種不同母質(zhì)分別發(fā)育而成的磚紅壤土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在土壤剖面中均呈現(xiàn)隨著土壤深度的增加而減少的趨勢(shì)。在0～20 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于24.19～30.86 Mg/hm2，不同母質(zhì)差異不顯著；在20～40 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于14.70～21.19 Mg/hm2，鐵鋁質(zhì)磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于鐵質(zhì)磚紅壤（p<0.05）；在40～60 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于9.83～14.11 Mg/hm2，仍以鐵鋁質(zhì)磚紅壤最高，鐵質(zhì)磚紅壤最低。從整個(gè)土壤剖面來看，4種磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量介于48.71～66.15 Mg/hm2，平均為57.97 Mg/hm2，以鐵鋁質(zhì)磚紅壤最高，而鐵質(zhì)磚紅壤最低。

2.2 等效質(zhì)量法

以等效質(zhì)量法計(jì)算的海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量見表2。在0～20 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于22.74～25.87 Mg/hm2，不同母質(zhì)之間差異不顯著；在20～40 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于12.64～16.36 Mg/hm2，同樣不存在顯著性差異；在40～60 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于7.14～11.25 Mg/hm2，其中硅鋁質(zhì)磚紅壤顯著高于鐵質(zhì)磚紅壤和硅質(zhì)磚紅壤（p<0.05）。從整個(gè)土壤剖面來看，4種磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量介于43.99～51.46 Mg/hm2，平均為47.98 Mg/hm2，不同母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量之間不存在顯著性差異。

2.3 縱向擬合法

海南植膠區(qū)4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面中具有明顯的垂直分布性，隨著土層深度的增加，有機(jī)碳含量逐漸降低（圖1）。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤土壤有機(jī)碳含量與土層深度均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為-0.712**，-0.640**，-0.629**，-0.707**。可以通過縱向擬合法來擬合土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度變化的近似函數(shù)。利用實(shí)測(cè)土壤有機(jī)碳的剖面數(shù)據(jù)作散點(diǎn)圖，分別用線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、二次多項(xiàng)式函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合。對(duì)各種函數(shù)的擬合結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合結(jié)果最好，擬合的對(duì)數(shù)函數(shù)曲線方程見圖1。

以擬合的對(duì)數(shù)函數(shù)方程計(jì)算4種磚紅壤不同土層深度土壤的有機(jī)碳含量，由此計(jì)算對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（表3）。在0～20 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于25.02～31.47 Mg/hm2，鐵鋁質(zhì)磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于其他類型土壤（p<0.05）；在20～40 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于15.05～20.71 Mg/hm2，以鐵鋁質(zhì)磚紅壤最高，硅質(zhì)磚紅壤和硅鋁質(zhì)磚紅壤居中，鐵質(zhì)磚紅壤最低；40～60 cm土層，4種磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于10.17～14.71 Mg/hm2，以鐵鋁質(zhì)磚紅壤和硅鋁質(zhì)磚紅壤最高，鐵質(zhì)磚紅壤最低。從整個(gè)土壤剖面來看，4種磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量介于50.24～66.89 Mg/hm2，平均為59.14 Mg/hm2，以鐵鋁質(zhì)磚紅壤最高，硅質(zhì)磚紅壤和硅鋁質(zhì)磚紅壤居中，鐵質(zhì)磚紅壤最低。

3 討論

固定深度法是基于等深度計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的傳統(tǒng)方法，也是目前最為常用的一種計(jì)算方法。采用固定深度法計(jì)算的海南植膠區(qū)4種不同母質(zhì)分別發(fā)育而成的磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量介于48.71～66.15 Mg/hm2，平均為57.97 Mg/hm2。然而由于傳統(tǒng)的固定深度法忽視了因土壤容重變異所引起的土壤層次質(zhì)量變化，從而導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。采用等效質(zhì)量法可以有效地消除這種偏差，特別是在耕作土壤上[16-17]。在森林土壤特別是有土地利用變化的森林土壤碳儲(chǔ)量估算研究中也逐漸認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題的重要性，以避免因土壤容重增加而過高地估算了土壤碳儲(chǔ)量[3，18-19]。采用等效質(zhì)量法計(jì)算的海南植膠區(qū)4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤0～60 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量介于43.99～51.46 Mg/hm2，平均為47.98 Mg/hm2。

森林及人工林土壤有機(jī)碳的主要來源為枯枝落葉和植物根系。這種碳輸入方式?jīng)Q定了有機(jī)碳含量既具有表聚性，在土壤剖面中又具有垂直分布性[20]。雖然受到諸如植被類型、土壤質(zhì)地以及容重異質(zhì)性等因素的影響，森林及人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在土壤剖面中同樣具有明顯的垂直分布性，即隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸降低[20-21]。本研究結(jié)果表明，海南植膠區(qū)4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在土壤剖面中均呈現(xiàn)隨著土壤深度的增加而減少的趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果基本一致。然而這種垂直變化特征也說明了可以應(yīng)用縱向擬合法來計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[12]。本研究利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合了海南植膠區(qū)4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度變化的對(duì)數(shù)函數(shù)，并計(jì)算了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，結(jié)果表明，4種母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量介于50.24～66.89 Mg/hm2，平均為59.14 Mg/hm2。從3種方法的計(jì)算結(jié)果來看，縱向擬合法的計(jì)算結(jié)果與固定深度法接近，且均大于等效質(zhì)量法。

楊懷等[20]的研究結(jié)果表明，海南尖峰林、霸王嶺、五指山、吊羅山和鸚哥嶺等5個(gè)熱帶原始森林0～100 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量大約為147.30～169.10 Mg/hm2。郭曉偉等[21]的研究表明，海南尖峰嶺0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量約為79.15 Mg/hm2。張曉琳等[22]的研究表明，海南吊羅山原始森林0～50 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量為98.80 Mg/hm2。李江[23]的研究表明，中國(guó)熱帶季雨林0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量為101.00 Mg/hm2。本研究中3種有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果均表明，海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同氣候帶原始森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。海南植膠區(qū)大多由原始森林和次生雨林開墾而來，這種結(jié)果反映了森林被砍伐后以及植膠過程中橡膠林生態(tài)系統(tǒng)碳輸入和輸出平衡的變化，具體表現(xiàn)為：（1）砍伐森林后碳的直接損失（即森林砍伐后，在植膠過程中擾動(dòng)了土壤，加重了表層土壤的流失，加速了土壤碳分解[24]），可能導(dǎo)致植膠初期土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量嚴(yán)重下降；（2）植膠生產(chǎn)中，系統(tǒng)中碳輸入變少，而輸出增加，與熱帶森林相比，橡膠林生態(tài)系統(tǒng)擁有更低的凈初級(jí)生產(chǎn)力和地上部分生物量[25]，同時(shí)生產(chǎn)中收獲膠乳和收集薪柴也會(huì)使得系統(tǒng)中的碳輸入量減少。另外，諸如水土流失、施肥不足、膠園更新等因素都可能加速橡膠林土壤有機(jī)碳的損失。然而值得注意的是，由于土壤有機(jī)碳具有高度的時(shí)空變異性，海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算仍需要多點(diǎn)、定位和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究。

4 結(jié)論

海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在土壤剖面中具有明顯的垂直分布性，即隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸降低。以固定深度法、等效質(zhì)量法和縱向擬合法對(duì)海南植膠區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算，海南植膠區(qū)4種不同母質(zhì)分別發(fā)育而成的磚紅壤0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量平均為47.98～59.14 Mg/hm2，遠(yuǎn)低于同氣候帶原始森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

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