商澤安,宋涵晴,舒琪,胡璇,漆良華,
1. 國(guó)際竹藤中心,國(guó)家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102;2. 國(guó)際竹藤中心安徽太平試驗(yàn)中心,安徽 太平 245700
土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo),通過(guò)礦化作用為植物提供能養(yǎng)分,土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)調(diào)節(jié)全球氣候系統(tǒng)的潛力巨大,能夠有效地緩沖環(huán)境變化(Waring et al.,2020)。熱帶雨林對(duì)于生物多樣性保護(hù)和全球碳平衡具有重要作用,這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生態(tài)系統(tǒng)一經(jīng)破壞,將導(dǎo)致物質(zhì)循環(huán)紊亂,土壤養(yǎng)分流失,恢復(fù)過(guò)程極為漫長(zhǎng)(Bonner et al.,2020;Hui et al.,2020)。有研究表明,熱帶地區(qū)土壤碳庫(kù)對(duì)溫度變化和大氣中CO2濃度變化極為敏感,在全球氣候變化背景下,對(duì)熱帶雨林碳庫(kù)的研究尤為重要(Cox et al.,2013)。熱帶雨林土壤有機(jī)碳庫(kù)受氣候、人類活動(dòng)、土壤養(yǎng)分、植物與微生物的共同影響。由于熱帶雨林高溫多雨,生物資源豐富,有機(jī)物質(zhì)分解速度較快,物質(zhì)循環(huán)強(qiáng)烈,人類干擾頻繁,地上植被遭到破壞,極易引起水土流失和有機(jī)碳釋放;有研究表明,熱帶地區(qū)土壤中氮磷元素的通常會(huì)限制土壤碳的積累,并且較高的氮沉降可能會(huì)進(jìn)一步加劇土壤磷的限制,磷會(huì)誘導(dǎo)微生物殘?bào)w對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)減少,可能不利于熱帶森林土壤有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定(Yuan et al.,2021),物種多樣性能增加生物量和土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)(Don et al.,2015),高的物種豐富度有利于提高地下部分碳輸入、抑制碳分解并增加土壤微生物活性來(lái)增加有機(jī)碳儲(chǔ)存(Grace et al.,2016;Chen et al.,2018)。
海南島低地雨林是熱帶季風(fēng)氣候下發(fā)育而成的,是印度—馬來(lái)熱帶雨林群系的重要組成部分,海南島地處低緯度地區(qū),地貌整體呈穹窿型,臺(tái)風(fēng)暴雨頻發(fā),不利于有機(jī)碳積累。因歷史變遷、戰(zhàn)爭(zhēng)和工業(yè)化等人為干擾和自然干擾,該地區(qū)雨林遭到破壞面積減少(臧潤(rùn)國(guó)等,2008;丁易等,2011)。近30年來(lái),土壤有機(jī)碳整體呈減少的趨勢(shì)(姜賽平等,2019)。此前關(guān)于海南島土壤碳庫(kù)等研究多集中于山地雨林(郭曉偉等,2015;蔡文良等,2019)、海岸森林(陳小花等,2017)、桉樹林(王文蕾等,2016;胡海清等,2020),以及其他森林類型(薛楊等,2019)。而低地雨林由甘什嶺于1985年建立省級(jí)自然保護(hù)區(qū),自此該區(qū)域低地雨林進(jìn)入自然恢復(fù)階段(漆良華等,2014)。而對(duì)該地區(qū)在受采伐等干擾后恢復(fù)中的低地次生雨林土壤有機(jī)碳特征及其影響鮮見報(bào)道。因此,本研究以海南島甘什嶺 3種類型低地次生雨林為研究對(duì)象,研究其土壤有機(jī)碳含量、碳密度的分布特征,分析土壤碳庫(kù)影響因素,旨在為熱帶低地次生雨林恢復(fù)進(jìn)程與土壤固碳能力研究提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于海南島甘什嶺省級(jí)自然保護(hù)區(qū)(109°37′—109°41′E,18°19′—18°24′N),地勢(shì)北高南低,屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),森林類型為典型熱帶低地次生雨林,年均氣溫為25.4 ℃,年均降雨量1800 mm。土壤以中生代花崗巖發(fā)育而成的酸性砂褐色黏紅壤為主(邢福武等,1993;胡璇等,2019)。經(jīng)年雨水沖刷使土層變薄、粗砂含量接近20%,有很強(qiáng)的滲透性,此外巖石裸露度達(dá)10%。(洪小江等,2008;漆良華等,2014)。
研究區(qū)域主要植被類型為熱帶低地雨林,喬木樹種主要有無(wú)翼坡壘(Hopea reticulata)、青梅(Vatica mangachapoi)、阿芳(Alphonsea monogyna)、粗毛野桐(Mallotus hookerianus)、白茶樹(Koilodepas hainanense)、華潤(rùn)楠(Machilus chinensis),灌木主要有桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)、毛稔(Melastoma sanguineum)、海南軸櫚(Licuala hainanensis)等,草本植物主要有高稈珍珠茅(Scleria elata)、烏毛蕨(Blechnum orientale)、華山姜(Alpinia chinensis)、層間植物有百足藤(Pothos repens)、龍須藤(Bauhinia championii)、錫葉藤(Tetracera sarmentosa)、山雞血藤(Millettia dielsiana)(漆良華等,2014;胡璇等,2017;徐瑞晶等,2019;舒琪等,2020)。
1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查
2018年6—8月,在對(duì)甘什嶺自然保護(hù)區(qū)全面踏查基礎(chǔ)上,將由于戰(zhàn)爭(zhēng)肆意掠奪與破壞、開發(fā)利用和少數(shù)民族長(zhǎng)期刀耕火種等干擾的林分分為3種類型,第 1種(Ⅰ)為受林木采伐強(qiáng)度較大恢復(fù)形成灌草叢和零星低矮喬木,以毛稔、銀柴(Aporaosa dioica)、桃金娘為主要樹種;第 2種(Ⅱ)為受中等采伐后恢復(fù)形成林分樹高胸徑中等且密度最大的次生雨林,以無(wú)翼坡壘、白茶為主要樹種;第3種(Ⅲ)由于受干擾較少,林分樹高胸徑最大、林分密度低于類型Ⅱ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜穩(wěn)定的次生雨林,以無(wú)翼坡壘,青梅,阿芳為主要樹種。在3種類型的代表性地段和代表性林分中,各設(shè)置5個(gè)面積為20 m×20 m的樣地,共計(jì)15塊,具體位置見圖1。在每個(gè)樣地中,調(diào)查立地因子、樹種組成,以及胸徑大于 5 cm的喬木生長(zhǎng)量等,結(jié)果見表1。
圖1 樣地位置示意圖Fig. 1 Diagram of sample site location
表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of the samples
1.2.2 土樣采集與分析
在每個(gè)樣地按“S”型隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn),去除凋落物,挖取深度為 100 cm的土壤剖面,分 0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm,5層均勻采集土壤樣品,每層1 kg,用于測(cè)定土壤有機(jī)碳;用100 cm3環(huán)刀分層取原狀土,用于測(cè)定土壤物理性質(zhì)。采樣結(jié)束后,將剖面回填,土樣密封保存和編號(hào)。
采用烘干稱量法(105 ℃)測(cè)定土壤含水率,環(huán)刀法測(cè)定土壤容重,電位法(土∶水=1∶2.5)測(cè)定土壤pH值,重鉻酸鉀氧化-分光光度法(外加熱法)測(cè)定土壤有機(jī)碳含量,堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮,火焰原子吸收法測(cè)定土壤速效鉀(國(guó)家林業(yè)局,1999;魯如坤,2000)。鉬銻抗比色法(濃 H2SO4-HCLO4;全自動(dòng)化學(xué)分析儀,Smartchem 300,AMS集團(tuán),意大利)測(cè)定土壤全磷;采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3,Seal,德國(guó))測(cè)定土壤有效磷,元素分析儀(Costech ECS 4024 CHNSO,Picarro公司,意大利)測(cè)定土壤全氮,火焰光度計(jì)(M410,Sherwood,英國(guó))測(cè)定土壤全鉀。
1.2.3 土壤有機(jī)碳密度計(jì)算
土壤有機(jī)碳密度(Soil Organic Carbon Density,SOCD)計(jì)算公式為(郭曉偉等,2015):
式中:D(SOC)為一定深度的有機(jī)碳密度(kg·m-2);i為土壤層次,n=5;Ci為第i層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1);θi為第i層土壤容重(g·cm-3);Di為第i層土壤厚度(cm);Gi為第i層土層中直徑大于2 mm石礫所占體積百分比。
1.2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析
運(yùn)用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)法,對(duì)各處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異比較,相關(guān)性分析采用雙變量Pearson檢驗(yàn),利用Orgin 9.1和R軟件制圖。
甘什嶺熱帶低地次生雨林不同土層的土壤有機(jī)碳含量為0.38—6.32 g·kg-1。土壤有機(jī)碳含量總體呈隨土層深度增加而降低趨勢(shì),但3種類型的變化程度和減少的規(guī)律存在差異(見表2)。0—20 cm土層中土壤有機(jī)碳含量最高,平均為 3.07—4.49 g·kg-1,占整個(gè)土壤剖面的24.21%—27.03%,其中類型Ⅲ含量最高,類型Ⅰ最低,其含量為Ⅲ的68%。20—40 cm 處為 2.06—3.76 g·kg-1,40—60 cm 處為2.45—3.49 g·kg-1,60—80 cm 處為 1.99—2.70 g·kg-1,80—100 cm 處為 1.79—2.30 g·kg-1??傮w來(lái)看,類型Ⅱ和Ⅲ下的土壤有機(jī)碳含量隨土層深度增加持續(xù)下降,類型Ⅰ中 20—40 cm處的含量低于40—60 cm處,在波動(dòng)中下降(圖2);通過(guò)計(jì)算變異系數(shù)(CV)能夠得到不同土層深度間有機(jī)碳的變異程度,變異程度從大到小依次為Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ,變異系數(shù)分別為5.60%、4.84%、3.91%,屬弱變異水平。0—100 cm土層平均有機(jī)碳范圍在2.27—3.35 g·kg-1之間,在不同類型間差異顯著,但在不同土層的不盡相同。各類型林分的0—40 cm差異顯著,其他土層的差異均不顯著(P<0.05)。20—40 cm處類型Ⅲ和Ⅱ下的有機(jī)碳高于Ⅰ,在該層變異程度最大,為8.15%。
表2 土壤有機(jī)碳含量Table 2 Variation characteristics of soil organic carbon content g·kg-1
圖2 不同土層深度土壤有機(jī)碳垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil organic carbon in different soil depths
土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度土體中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量,甘什嶺熱帶低地次生雨林不同土層間土壤有機(jī)碳密度存在不同的變化規(guī)律(見表3)。同一類型林分土壤有機(jī)碳密度垂直剖面分布特征為:類型Ⅰ和Ⅱ的土壤有機(jī)碳密度垂直分布呈先減再增后減的趨勢(shì),Ⅰ為 0—20 cm>40—60 cm>60—80 cm>20—40 cm>80—100 cm;Ⅱ?yàn)?0—20 cm>40—60 cm>20—40 cm>60—80 cm>80—100 cm;Ⅲ的土壤有機(jī)碳密度垂直分布呈減少的趨勢(shì)(圖3)。類型Ⅰ變異程度最大5.39%。
表3 土壤有機(jī)碳密度Table 3 Variation characteristics of soil organic carbon density kg·m-2
圖3 不同土層深度土壤有機(jī)碳密度分布Fig. 3 Distribution characteristics of soil organic carbon density at different soil depths
在甘什嶺熱帶低地次生雨林0—100 cm土壤有機(jī)碳密度的均值為5.37 kg·m-2,對(duì)比3種類型樣地各土層土壤有機(jī)碳密度的結(jié)果均為:Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,3種類型之間均存在顯著性差異(P<0.05)。通過(guò)比較不同土層有機(jī)碳密度的變異系數(shù)從大到小的順序?yàn)?0—40cm (8.05%)>80—100 cm (6.42%)>0—20 cm(5.81%)>60—80 cm (4.96%)>40—60 cm (4.42%)。
甘什嶺熱帶低地次生雨林 0—20 cm土層土壤理化性質(zhì)的變化趨勢(shì)和變異程度不盡相同(見表4),根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃分,甘什嶺低地次生雨林土壤養(yǎng)分貧瘠。其中土壤容重和土壤全磷在類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ依次增加,其余土壤性質(zhì)均為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ;pH值、土壤含水率、土壤容重和全磷在3種類型間無(wú)顯著差異,其他指標(biāo)存在顯著差異;各指標(biāo)的變異程度由大到小依次為:有效磷>全鉀>全氮>全磷>堿解氮>速效鉀>土壤容重>pH值,變異系數(shù)分別為25.3%、14.2%、12.9%、10.1%、9.7%、6.7%、2.1%、0.6%。
表4 土壤基本理化性質(zhì)Table 4 Basic physichemical properties of soil
相關(guān)分析結(jié)果如圖4,類型Ⅰ土壤有機(jī)碳與pH值呈顯著負(fù)相關(guān),與土壤全氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05);類型Ⅱ下的土壤有機(jī)碳與全氮、堿解氮呈現(xiàn)較顯著正相關(guān)(P<0.01)。類型Ⅲ有機(jī)碳與有效磷、全氮均呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)。綜合來(lái)看部分土壤養(yǎng)分對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響隨林分的恢復(fù)逐漸增強(qiáng),匯總3種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合相關(guān)分析的結(jié)果顯示,土壤有機(jī)碳與土壤全氮、堿解氮、有效磷呈極顯著正相關(guān)系(P<0.01),與凋落物厚度和物種豐富度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。
圖4 土壤有機(jī)碳與主要影響因素的相關(guān)關(guān)系Fig. 4 Correlation of soil organic carbon with influence factors
土壤有機(jī)碳的來(lái)源主要為凋落物和植物地下根系,伴隨降水和土壤淋溶作用,由淺層向深層遷移(羅薇等,2018)。總體來(lái)說(shuō)甘什嶺0—100 cm土壤剖面有機(jī)碳為1.79—4.49 g·kg-1,對(duì)比海南島其他區(qū)域,發(fā)現(xiàn)略低于海南島東北部次生林(2.30—7.32 g·kg-1)(薛楊等,2019),低于尖峰嶺香蒲桃天然林(5.58—6.21 g·kg-1)和南亞松天然林(5.34—6.15 g·kg-1),但高于桉樹人工林(1.66—1.75 g·kg-1)和橡膠人工林(1.69—1.74 g·kg-1)(蔡文良等,2019)。本研究區(qū)低地雨林海拔較低,遭到更嚴(yán)重的人為采伐活動(dòng),土壤有機(jī)碳低于山地雨林,但高于其他人工林林分。由于表層土壤有機(jī)碳來(lái)源較多含量較高,最易受到環(huán)境因素的影響,表層土壤有機(jī)碳的積累對(duì)改善土壤質(zhì)量尤為重要(Xu et al.,2018)。進(jìn)一步對(duì)比 0—20 cm的表層土壤,發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)的土壤有機(jī)碳在3.07—4.49 g·kg-1,略高于郭曉偉等(2015)對(duì)山地雨林土壤有機(jī)碳(2.699 g·kg-1)的研究結(jié)果。研究區(qū)不同土層間土壤有機(jī)碳有明顯垂直遞減的特征,與眾多研究結(jié)論一致;在類型Ⅰ下的灌草叢和低矮喬木,植被郁閉度較低,地被物以及地表凋落物較少,熱帶豐富的降水和持續(xù)的高溫,促使地表養(yǎng)分的流失和有機(jī)質(zhì)的分解,此外,該類型 40—60 cm 深度的土壤有機(jī)碳含量高于 20—40 cm處,這可能是由于之前人為擾動(dòng)對(duì)土壤淺層結(jié)構(gòu)的破壞較為嚴(yán)重,導(dǎo)致有機(jī)碳大量流失,但并未影響到更深層土壤,而在這一類型,植被種類較少,凋落物薄,地上部分養(yǎng)分分解轉(zhuǎn)化較少,仍未恢復(fù)到擾動(dòng)以前土壤有機(jī)碳的積累量。類型Ⅱ和Ⅲ的表層土壤有機(jī)碳差異較大,深層土壤有機(jī)碳差異不大,由于土壤表層最容易受凋落物和植被種類豐富度的影響,類型Ⅲ的林分結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜穩(wěn)定,土壤分解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳能力更強(qiáng)(Chenet al.,2018),同時(shí)說(shuō)明低地雨林在恢復(fù)過(guò)程中土壤表層積累了更多的有機(jī)碳。
土壤有機(jī)碳密度主要受有機(jī)碳的輸入和輸出控制,也依賴于土壤容重。本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳密度存在隨土層深度加深而降低的分布規(guī)律,在0—20 cm處土壤有機(jī)碳密度高于其他土層。類型Ⅰ和Ⅲ的土壤有機(jī)碳密度分布具有顯著性差異;Chen et al.(2018)的研究表明,高的植物物種多樣性有利于增強(qiáng)土壤碳匯能力,增加土壤有機(jī)碳密度,(劉林馨等,2018)凋落物的分解及化學(xué)性質(zhì)的改變也在間接影響森林土壤碳庫(kù)的輸入(劉世榮等,2011)。在類型Ⅲ的林分中,植被和土壤受擾動(dòng)程度小,凋落物較多,物種豐富度高,土壤有機(jī)碳密度較高。本研究中 0—100 cm土層有機(jī)碳碳密度為4.14—6.42 kg·m-2,遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平 10.53 kg·m-2(王紹強(qiáng)等,2000)。
土壤有機(jī)碳受氣候、植被、土壤等多重因子綜合作用,且不同區(qū)域與土壤因子的相關(guān)性有所不同。對(duì)比我國(guó)其他地區(qū),中國(guó)北部地區(qū)各個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)類型(陳心桐等,2019)、熱帶海岸部分典型森林(陳小花等,2017)土壤有機(jī)碳與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān),本研究區(qū)土壤pH在4.66—4.74之間,僅在類型Ⅰ會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳顯著負(fù)相關(guān),與Ⅱ、Ⅲ無(wú)顯著相關(guān)。研究區(qū)土壤容重在 1.79—1.86 g·cm-3土壤質(zhì)地較為緊實(shí),土壤有機(jī)碳能夠?qū)ν寥李w粒的膠結(jié)產(chǎn)生影響,土壤容重的大小也反映了土壤孔隙度和土壤持水量的情況(柴華等,2016),此外表層土質(zhì)相對(duì)疏松且土層越深壓實(shí)度就會(huì)更高,而土壤容重越小,孔隙度越大,土壤較為疏松,有良好的通氣性透水性,有利于微生物活動(dòng)和凋落物分解積累形成有機(jī)碳(郭月峰等,2020),因此出現(xiàn)土壤容重隨剖面深度增加而增大的現(xiàn)象,但在本研究中土壤容重對(duì)有機(jī)碳的影響不大。熱帶雨林高溫多雨,雨熱同季,與其他地區(qū)相比,具有優(yōu)越的水熱條件,物種豐富度極高,但是受臺(tái)風(fēng)降雨影響,風(fēng)化作用強(qiáng)烈,物質(zhì)循環(huán)速度較快,土壤缺少養(yǎng)分的積累和補(bǔ)充,有研究表明,土壤肥力能夠顯著影響低地雨林恢復(fù)速度(臧潤(rùn)國(guó)等,2008)。本研究中甘什嶺低地次生雨林土壤全氮和堿解氮與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)性,土壤的全氮的表層和深層含量分別與地上凋落物輸入和地下根系影響有關(guān)(Yang et al.,2015),土壤有機(jī)碳和全氮之間存在耦合效應(yīng),有機(jī)碳的分解能夠促進(jìn)氮的釋放,氮是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),亦可增加有機(jī)碳的積累(吳綻蕾等,2015)。土壤有效磷與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)性,隨有效磷的輸入,微生物受到養(yǎng)分供給活性增強(qiáng),風(fēng)度增加,進(jìn)而加快分解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳(Huiet al.,2020),在本研究區(qū)土壤全磷和速效磷極度缺乏,長(zhǎng)期缺磷并不利于土壤碳的固持。受到人類采伐活動(dòng)干擾等原因被破壞后自然恢復(fù)過(guò)程中,類型Ⅰ的地上物種豐富度和植被覆蓋度較低,雨水直接擊打并沖刷地面,而導(dǎo)致各項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量較低。類型Ⅱ的低地次生雨林得到較好的恢復(fù),地上部分生物量增加,同時(shí)土壤表層凋落物增加,土壤各項(xiàng)養(yǎng)分也得到了一定的積累。而在受人為采伐干擾較少的類型Ⅲ,土壤受擾動(dòng)程度低,容重高于前兩個(gè)類型,物種豐富度較高,其根系分泌物多樣化微生物數(shù)量增加,加速凋落物分解轉(zhuǎn)化,積累了更多的土壤有機(jī)碳。隨著低地雨林的恢復(fù)進(jìn)程,物種豐富度也在提高,維持高的物種多樣性,有利于土壤有機(jī)碳積累,在小尺度上驗(yàn)證了低地次生雨林系統(tǒng)中植物多樣性-土壤碳儲(chǔ)存假說(shuō)(Chen et al.,2018)。在今后甘什嶺熱帶低地次生雨林恢復(fù)和保護(hù)過(guò)程中,應(yīng)該加強(qiáng)土壤保育,提高土壤氮磷含量,增加植物豐富度,以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。
海南島甘什嶺熱帶低地次生雨林土壤有機(jī)碳含量較低,土壤平均有機(jī)碳密度為5.37 kg·m-2,僅為全國(guó)平均水平的 50.8%。3種類型低地次生雨林土壤有機(jī)碳含量和碳密度差異顯著,且隨土層深度增加而降低。土壤全氮、堿解氮、有效磷含量與凋落物厚度、物種豐富度對(duì)甘什嶺低地次生雨林土壤有機(jī)碳積累有促進(jìn)作用。熱帶雨林特有的水熱條件、物種豐富度、土壤質(zhì)地綜合影響形成海南島甘什嶺熱帶低地次生雨林土壤有機(jī)碳的積累特征,其機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。