海南島東北部5種森林土壤有機(jī)碳分布特征

薛楊 宿少鋒 林之盼 王小燕 陳毅青 薛雁文 陳平妹

摘 ?要 ?為揭示海南島東北部森林土壤有機(jī)碳分布特征，本文對該區(qū)濕加松林（Pinus elliottii×P. caribaea）、木麻黃林（Casuarina equisetifolia）、椰樹林（Cocos nucifera）、次生林和混交林等5種典型森林土壤有機(jī)碳含量和儲量進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，5種森林0～100 cm土壤有機(jī)碳平均含量差異顯著（P<0.05），其中次生林最高，為3.78 g/kg，木麻黃林最低，僅有0.90 g/kg;5種森林0～100 cm土壤有機(jī)碳儲量分別為次生林46.06 t/hm2、混交林40.52 t/hm2、濕加松林39.08 t/hm2、椰樹林31.26 t/hm2和木麻黃林15.22 t/hm2。淺海沉積土上的次生林、濱海沙土上的混交林均具有相對較高的土壤有機(jī)碳儲量，分別顯著地高于同一母質(zhì)上的椰樹林和木麻黃林（P<0.05）。綜上，該區(qū)不同類型森林的建立深刻地影響了土壤有機(jī)碳庫儲量，次生林和混交林的建立可能有助于該區(qū)增加土壤固碳。

關(guān)鍵詞 ?海南島;森林類型;土壤有機(jī)碳

中圖分類號 ?S718.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ?A

Abstract ?To reveal the soil organic carbon （SOC） distribution characteristics in different forest types in Northeastern Hainan， the data of SOC content and storage under five forest types （Pinus elliottii×P. caribaea， Casuarina equisetifolia， Cocos nucifera， Secondary forest and Mingled forest） in this region were analyzed. The results showed that in the 0–100 cm soil profile， the average SOC content of the five forests was significantly different （P<0.05）. The highest was found in the secondary forest soil （3.78 g/kg）， while in Casuarina equisetifolia the values were the minimum （0.90 g/kg）; SOC storage values were 46.06 t/hm2 in the secondary forest， 40.52 t/hm2 in the mingled forest， 39.08 t/hm2 in Pinus elliottii×P. caribaea， 31.26 t/hm2 in Cocosnucifera and 15.22 t/hm2 in Casuarina equisetifolia. The secondary forests on shallow marine deposits and mingled forests on coastal sandy soil had relatively high SOC storage， which were significantly higher than Cocos nucifera and Casuarina equisetifolia on the same parent material respectively （P<0.05）. In summary， the planting of different types of forests within this region would have a profound prospect on SOC storage， and the establishment of secondary forests and mingled forests may help the increment of SOC sequestration.

Keywords ?Hainan Island; forest type; soil organic carbon

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.027

森林是全球碳循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球碳平衡和減緩氣候變化等方面發(fā)揮重要作用[1]。其中森林土壤碳儲量約為383 Pg，約占森林總碳儲量44%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫[2-3]。就全球森林生態(tài)系統(tǒng)而言[3]，熱帶森林的碳儲量約為471 Pg（大概為全球森林碳儲量的55%），其中熱帶森林土壤大約儲存32%的碳。熱帶森林可能已經(jīng)成為全球森林生態(tài)系統(tǒng)最大的碳匯，但對熱帶森林碳匯的估算仍具有很大的不確定性[3-4]。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最為活躍的碳庫，森林土壤有機(jī)碳的累積、變化和分解深刻地影響土壤有機(jī)碳庫的時空變化[2]。由此可見，研究熱帶森林土壤有機(jī)碳分布特征及儲量變化，是估算熱帶地區(qū)森林碳匯的重要依據(jù)之一，對于森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究及碳匯管理具有重要意義。目前，我國森林土壤有機(jī)碳庫儲量及變化[1， 5]、土壤有機(jī)碳密度的比較[6-7]、有機(jī)碳及其與環(huán)境因子的關(guān)系[8-9]已有較多的研究。研究表明，森林的建造能有效地固持大氣中的碳，近年來越來越多學(xué)者對我國主要人工林土壤有機(jī)碳進(jìn)行了研究[10-12]。但是由于我國森林類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且森林對人為干擾和環(huán)境變化的時空動態(tài)響應(yīng)不一，致使對森林土壤碳儲量和變率的科學(xué)估算還十分困難[1]。

海南島地處熱帶北緣，具有高溫、高濕和強(qiáng)降雨的氣候條件。在這種氣候條件下，土壤有機(jī)碳可能具有較強(qiáng)的時空變異性[13]。本課題組前期對海南部分區(qū)域幾種森林土壤有機(jī)碳進(jìn)行了研究[14-16]，具備了一定的工作基礎(chǔ)。基于前期研究結(jié)果，我們認(rèn)為海南島東北部同類型森林的建立可能深刻地影響土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化、分布和有機(jī)碳庫儲量，不同森林類型土壤有機(jī)碳分布特征存在較大的差異，而相關(guān)方面的報道仍然不多。為揭示海南島東北部不同森林類型土壤有機(jī)碳分布特征，本研究選取了海南島東北部的濕加松林、木麻黃林、椰樹林、次生林和混交林等5種典型森林，比較分析了5種森林類型下的土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳儲量，為了解該區(qū)森林土壤有機(jī)碳分布特征和指導(dǎo)森林可持續(xù)經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省文昌市，地處東經(jīng)108°21′至111°03′，北緯19°20′至20°10′。該研究區(qū)為低丘臺地向平原過渡地帶，平均海拔42.6 m。該區(qū)地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候。年均氣溫為24 ℃，年均降雨量1799.4 mm。受熱帶季風(fēng)氣候的影響，該區(qū)具有明顯的干濕交替，全年降雨主要集中在5月—11月，約占全年降雨總量的70%～90%。

1.2 ?方法

在海南省文昌市選擇5種典型森林類型：濕加松林（110°43′19″E，19°34′01″N）、木麻黃林（110°58′34″E，19°44′23″N）、椰樹林（110°51′15″E，19°34′58″N）、次生林（110°51′16″E，19°34′58″N）和混交林（110°57′34″E，19°43′58″N）作為研究對象，并建立固定試驗樣地（面積各為1 hm2）。在每塊樣地分別設(shè)置30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，采用水泥樁對每個樣地做標(biāo)記。對樣地內(nèi)所有植被進(jìn)行調(diào)查，基本概況詳見表1。

于2017年7月間采集土壤樣品。在建立的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)分別挖掘標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面1個，土壤剖面的采集深度為100 cm。環(huán)刀樣品以0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm分5層采集，每土層隨機(jī)采集環(huán)刀樣品3個，采用烘干法測定并計算土壤容重[16]。同時在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地“S型”隨機(jī)選取10個點采集土壤樣品，采集深度同上。每2點把同一土層樣品混合成一個樣品，過2 mm篩，室內(nèi)風(fēng)干研磨后過0.149 mm篩。風(fēng)干后的土壤樣品，采用重鉻酸鉀外熱源法測定土壤有機(jī)碳含量;半微量開氏法測定土壤全氮;BrayⅠ提取-鉬銻抗吸光光度法測定土壤有效磷;乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀;1 mol/L KCl浸提-流動分析法測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮[17]。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

采用固定采樣深度法[18-19]計算土壤有機(jī)碳儲量。

采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表示。采用SAS 8.1（SAS Institute Inc，USA）軟件進(jìn)行方差和相關(guān)性分析。采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行平均值的比較。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?5種森林土壤有機(jī)碳含量的比較

由表2可知，海南島東北部5種森林不同深度土層土壤有機(jī)碳含量僅有0.66～7.32 g/kg?？梢?，該區(qū)5種森林土壤有機(jī)碳含量均很低。5種森林土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面中的垂直分布基本隨著土壤深度的增加呈降低趨勢。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，5種森林不同土層中土壤有機(jī)碳含量差異顯著（P<0.05）。在0～10 cm土層中，以次生林土壤有機(jī)碳含量最高，為7.32 g/kg，木麻黃林最低，僅有1.15 g/kg;在10～20 cm土層中，以濕加松林和次生林最高，分別為4.41和4.01 g/kg。在該土層中，仍以木麻黃林最低為0.72 g/kg;在20～40 cm土層中，以濕加松林最高3.09 g/kg，木麻黃最低0.74 g/kg;在40～60 cm土層中，混交林和次生林土壤有機(jī)碳含量顯著高于椰樹林和木麻黃林，分別為2.34 g/kg和2.32 g/kg;在60～100 cm土層中，仍以混交林和次生林最高，而濕加松林和木麻黃林最低。從整個土壤剖面來看，5種森林0～100 cm土壤有機(jī)碳平均含量僅有0.90～ 3.78 g/kg，以次生林最高，為3.78 g/kg，木麻黃林最低，僅0.90 g/kg。

2.2 ?5種森林土壤有機(jī)碳儲量的比較

由表3可知，5種森林不同土層土壤有機(jī)碳儲量差異顯著（P<0.05）。5種森林表層（0～10 cm）土壤有機(jī)碳儲量介于1.80～10.37 t/hm2，以次生林最高，為10.37 t/hm2，濕加松林、混交林和椰樹林居中（分別為7.51、6.94、5.84 t/hm2），而木麻黃林最低（1.80 t/hm2）;10～20 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量1.13～7.21 t/hm2，以濕加松林最高，木麻黃林最低;20～40 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量介于2.32～9.94 t/hm2，仍以濕加松林最高，木麻黃林最低;40～60 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量介于2.08～7.37 t/hm2，混交林和次生林土壤有機(jī)碳儲量最高，分別為7.37、7.05 t/hm2，而木麻黃林最低為2.08 t/hm2;60～100 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量介于7.89～14.49 t/hm2，木麻黃林土壤有機(jī)碳儲量顯著低于次生林和混交林。從整個剖面土壤有機(jī)碳總儲量來看，5種典型森林0～100 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量介于15.22～46.06 t/hm2，以次生林和混交林最高，木麻黃最低。

2.3 ?5種森林土壤有機(jī)碳與土壤因子的關(guān)系

5種森林土壤有機(jī)碳含量及相應(yīng)土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性如圖1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種森林土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量（r=0.781**，P<0.01，N=250）、土壤速效鉀含量（r=0.347**，P<0.01，N=250）、土壤硝態(tài)氮含量（r=0.397**，P<0.01，N=250）呈極顯著正相關(guān);與土壤銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)（r=0.127**，P<0.05，N=250）。這些結(jié)果說明，海南島東北部森林土壤速效養(yǎng)分與土壤有機(jī)碳含量關(guān)系密切。在森林土壤管理中適當(dāng)施用氮肥和鉀肥可能有利于增加土壤有機(jī)碳含量和儲量。

3 ?討論

受土壤母質(zhì)、植被類型等的影響，海南島東北部5種典型森林土壤有機(jī)碳含量、密度及儲量存在顯著差異。就0～100 cm土壤剖面有機(jī)碳儲量而言，5種森林0～100 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量介于15.22～46.06 t/hm2，以次生林和混交林最高，木麻黃最低。研究表明，森林土壤有機(jī)碳的輸入來源主要是植物的枯枝落葉等凋落物和植物根系[20]，由此說明了植被類型對土壤有機(jī)碳累積和儲量變化的重要作用。我們前期對文昌濱海臺地3種森林類型（人促更新次生林、次生林、椰子林）土壤活性有機(jī)碳的初步研究結(jié)果[15]發(fā)現(xiàn)，不同林型不同土層間的有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳及輕組有機(jī)碳含量差異顯著，林下凋落物質(zhì)量是影響碳儲量的關(guān)鍵因子，這種差異說明同一氣候類型下的森林類型對土壤有機(jī)碳固持的重要影響。而在同一氣候類型區(qū)，這種影響也受到如土壤母質(zhì)、地形等眾多因素的影響。從5種森林的土壤母質(zhì)來看，椰樹林和次生林為淺海沉積土、木麻黃和混交林濱海沙土、濕加松林為磚紅壤。磚紅壤具有較高的土壤肥力，通常具有較高的土壤有機(jī)碳儲量，而淺海沉積土和濱海沙土較低。但從本研究結(jié)果來看，淺海沉積土上的次生林和濱海沙土上的混交林均具有相對較高的土壤有機(jī)碳儲量，分別顯著地高于同一母質(zhì)上的椰樹林和木麻黃林，而與磚紅壤上的濕加松林無顯著差異。這種結(jié)果說明，5種森林土壤有機(jī)碳儲量的差異除受土壤母質(zhì)影響外，森林類型可能是影響土壤有機(jī)碳儲量最為重要的因素。由此可見，不同類型森林的建立深刻地影響了土壤有機(jī)碳庫儲量，這與我們前期假設(shè)一致，非常值得進(jìn)一步深入研究。

另外，相近區(qū)域研究結(jié)果[21]表明，海南不同區(qū)域5種熱帶原始森林（霸王嶺、鸚哥嶺、尖峰嶺、吊羅山和五指山）0～100 cm土壤有機(jī)碳儲量大約為147～169 t/hm2。李江[22]的研究表明，我國華南地區(qū)熱帶季風(fēng)雨林土壤有機(jī)碳儲量（0～60 cm）大約為101 t/hm2。從表層土壤（0～10 cm）有機(jī)碳含量來看，5種森林表層土壤有機(jī)碳含量僅有1.15～7.32 g/kg，甚至遠(yuǎn)低于全國農(nóng)田土壤（0～ 20 cm）有機(jī)碳含量水平14.20 g/kg[23]。由此可見，海南島東北部5種森林土壤有機(jī)碳儲量很低，遠(yuǎn)低于海南不同地區(qū)原始森林土壤。由于該區(qū)5種森林建立之前大多為熱帶灌叢和海岸荒坡，土壤有機(jī)碳儲量很低的結(jié)果除了受土壤母質(zhì)的影響外，可能也反映了該區(qū)森林在建立和培育過程中系統(tǒng)碳輸入和碳輸出的失衡。這種結(jié)果同時也說明該區(qū)森林土壤可能具有較高的固碳潛力。在后續(xù)研究中，應(yīng)圍繞該區(qū)森林土壤固碳功能和可持續(xù)固碳措施，提高森林土壤有機(jī)碳庫儲量，這對于提高海南東北部森林質(zhì)量和森林碳匯具有重要指導(dǎo)作用。

從土壤有機(jī)碳和土壤因子的相關(guān)性來看，海南島東北部5種森林土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮等4種土壤養(yǎng)分指標(biāo)均具有很好的相關(guān)性。說明該區(qū)5種森林土壤全氮、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等土壤養(yǎng)分對土壤有機(jī)碳含量有著重要影響，這與前人研究基本一致[24-25]。從上述結(jié)果也可以看出，土壤速效養(yǎng)分對提高土壤有機(jī)碳儲量可能具有重要作用。從前期研究結(jié)果[15]分析可知，不同類型森林凋落物可能對林下土壤養(yǎng)分含量也有著重要影響，從而導(dǎo)致不同森林土壤有機(jī)碳固存的差異;然而本研究條件下，并沒有開展相關(guān)研究。另外，在該區(qū)5種森林后續(xù)土壤管理中，通過施肥或其他森林經(jīng)營管理措施來提高土壤速效養(yǎng)分水平，可能是增加土壤有機(jī)碳含量、提高土壤固碳水平和增加森林土壤碳匯的重要措施，也值得進(jìn)一步研究。

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