海南西部熱帶雨林次生林土壤易氧化有機碳分布特征及影響因素

吳 慧，趙志忠，吳 丹

（海南師范大學地理與環(huán)境科學學院/海南省地表過程與環(huán)境變化重點實驗室，海南 ?？?571158）

【研究意義】土壤活性有機碳（Active organic carbon,AOC）的遷移轉化對土壤養(yǎng)分、植物生長、大氣環(huán)境具有重要影響，是土壤有機碳（Soil organic carbon,SOC）變化的先行指標［1］，其不僅直接影響土壤化學物質的溶解與遷移轉化，還間接影響土壤質量變化［2］，此外，AOC的遷移轉化也對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有非常重要的意義［3］。易氧化有機碳（Readily oxidizable organic carbon,ROC）作為AOC 的重要組成部分，其在土壤中的賦存特點與演變規(guī)律在近年來已成為土壤學、環(huán)境科學和生態(tài)科學領域的研究熱點。

【前人研究進展】森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大碳庫，約占陸地總碳量的46%，而森林土壤碳庫占據整個森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫2/3 的庫容量［4］，是大氣CO2的重要碳匯，其在緩解全球氣候變暖中占據重要地位。森林生態(tài)系統(tǒng)中巨大的土壤SOC 庫容，其較小的幅度變化都是引起大量碳排放，ROC 的地球化學行為能較好地反映生態(tài)系統(tǒng)中SOC 的動態(tài)變化，因此森林土壤ROC的空間分布、遷移轉化及影響機理研究一直備受學者關注。如劉明慧等［5］研究長白山原始紅松林不同的海拔梯度變化對土壤ROC 含量和生長季動態(tài)變化的影響，認為高海拔的ROC 含量比低海拔ROC 含量高且含量最高值分別出現在5 月和6 月；李學斌等［6］指出不同土地利用方式的改變會導致土壤ROC 發(fā)生空間變異，ROC 能夠敏感反映土壤碳庫的改變；齊思明［7］研究發(fā)現不同程度植被恢復會促進＞1 mm 各粒徑團聚體中AOC累積，＜1 mm 各粒徑ROC 含量隨著林齡增加而顯著增加，這些研究無疑使人們對森林土壤ROC 有了更深認識。海南熱帶雨林公園擁有我國面積最大的熱帶雨林，是海南建設國家生態(tài)文明示范區(qū)的基石。雖然海南熱帶山地雨林分布地地勢陡峻，可進入性較差，但是已有的學者對雨林生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳分布規(guī)律和碳庫特征進行過初步研究，如郭曉偉等［8］研究了雨林土壤有機碳密度空間分布特征，指出地形是一個重要的影響因素；管利民等［9］對海南省不同林齡橡膠人工林土壤SOC 分布和影響因素討論和分析，認為氣候條件、土壤質地和林地經營管理都是影響其SOC 含量的主要因子。

【本研究切入點】目前相關研究大都局限于尖峰嶺地區(qū)的原始林地，有關林區(qū)外圍次生林及西部其他雨林地區(qū)土壤ROC 分布規(guī)律及其演化特征的研究甚少涉及，導致中西部地區(qū)次生林土壤ROC 分布的總體規(guī)律難以厘定。【擬解決的關鍵問題】海南島尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺山地處于全球熱帶雨林的北部邊緣，其特殊的地理位置對開展北半球熱帶雨林研究十分有利，有鑒于此，本研究以海南省西部山區(qū)次生林作為研究對象，分析林內土壤ROC 含量的空間和垂直剖面分布特征及其與環(huán)境影響因素相關性，旨在擴充區(qū)內森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基礎資料，以期為合理保護森林生態(tài)系統(tǒng)、土壤碳庫的培育與改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選取位于海南省中西部地區(qū)樂東縣尖峰嶺、昌江縣霸王嶺、白沙縣鸚哥嶺3 個區(qū)域的次生林作為研究對象，地理位置為18° 24'～19° 30' N、108° 38'～109° 42' E，地處熱帶海洋性季風氣候，光照充足、日照時間長，干濕季分明。其中尖峰嶺年均氣溫19.8 ℃，年均降水量2 449 mm［10］；霸王嶺年均氣溫 22.5℃，年均降水量2 553 mm［11］；鸚哥嶺年均氣溫20～24 ℃，年均降水量1 800～2 700 mm［12］。研究區(qū)地勢起伏大，原始林內生物數量多、種類豐富。在原始林外圍，由于人類的開發(fā)，次生林占比最高。本次研究選擇的樣區(qū)均位于次生林區(qū)，其中尖峰嶺采樣區(qū)位于樂東縣西北部，霸王嶺和鸚哥嶺采樣區(qū)分別位于昌江縣和白沙縣東南部。區(qū)內土壤類型主要為赤紅壤、磚紅壤，磚紅壤土層深厚，質地黏重，易發(fā)生富鐵鋁化，且表土生物累積作用強，有機質含量較高；赤紅壤為磚紅壤和紅壤的過渡型，風化淋溶作用略差于磚紅壤，植被殘體降落地面氧化分解促進赤紅壤形成和肥力演變。3 座山地樹種主要以公益林的馬尾松、雞毛松、水杉、鐵杉為主，此外尖峰嶺樣地還分布有經濟林檳榔樹、橡膠樹等。

2021 年8 月，在霸王嶺、尖峰嶺、鸚哥嶺山地3 片熱帶雨林的外圍區(qū)各選取具有代表性的11 個樣地，樣地海拔范圍分別為100～830、190～660、230～420 m，坡度均在35°以下。在樣地內隨機設置面積約20 m×20 m 的樣方，用梅花布點法選擇5 個采樣點。先去除土壤表面雜物，再用洛陽鏟、鐵鍬等工具在各采樣點分層采集距地表面0～10、10～30、30～50 cm 柱狀土壤樣品，將各個樣方內各采樣點相同土層的土樣混合成一個土樣放入已經做好標記的塑料密封袋，共采集99 個樣品，分別裝入聚乙烯密封袋密封。使用手持GPS 記錄經緯度坐標和海拔。

1.2 樣品處理與分析

實驗室內對土壤樣品去除生物肢體、樹枝、石塊等物質，放入聚乙烯托盤自然風干，選取一部分樣品分裝測試樣品粒度，一部分壓碎碾磨，過孔徑0.150 mm 篩后，分樣待測。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤粒度分級采用美國制劃分標準，激光粒度分析儀（Mastersizer 2000，Malver）測定［13］，計算黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm）所占百分比；土壤ROC 采用高錳酸鉀氧化法［14］，在測量土壤有機碳方法的基礎上得到改進，根據不同濃度高錳酸鉀的氧化程度判斷有機碳的活性程度。

分別使用Microsoft excel 2010 和spss 19.0（SPSS Inc.，USA）軟件對數據進行預處理和統(tǒng)計分析，采用雙變量相關分析法分析各指標Pearson 相關系數，或者采用回歸方法分析各指標的相關性。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）分析不同土層對土壤ROC 的影響是否具有顯著性，采用origin 2021 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 海南西部次生林土壤ROC 含量空間分布特征

海南西部尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺山地熱帶雨林外圍次生林土壤ROC 含量平均值分別為2.05（±0.28）、2.64（±0.38）、2.91（±0.33）g/kg，即ROC 平均含量依次為尖峰嶺＜霸王嶺＜鸚哥嶺，這與區(qū)內土壤SOC 含量分布特征變化一致。尖峰嶺、霸王嶺和鸚哥嶺在0～50 cm 土壤柱狀剖面上ROC 含量范圍分別為0.54～4.45、0.56～6.66、0.79～5.28 g/kg，西部3 座山地土壤總體上ROC平均值為2.53（±0.195）g/kg，占SOC 的18.73（±0.256）%（表1），單因素方差分析表明，相同土層不同山地ROC 含量不存在顯著差異。相關性分析顯示，海南西部3 座山地ROC 與SOC呈現顯著或者極顯著正相關（表2）。

表1 土壤SOC 和ROC 的描述性統(tǒng)計分析Table 1 Descriptive statistical analysis of SOC and ROC in soil

表2 土壤SOC 和ROC 的相關性分析Table 2 Correlation analysis between SOC and ROC in soil

2.2 海南西部次生林土壤ROC 垂直剖面分布及分配比例變化

在0～50 cm 土壤垂直剖面中，霸王嶺土壤表層（0～10 cm）ROC 含量為4.27（±0.58）g/kg，是3 個區(qū)中表層土壤ROC 含量最大的；鸚哥嶺土壤表層ROC 含量次之，為4.25（±0.38）g/kg。在土壤深層（30～50 cm）中，尖峰嶺土壤ROC 含量在3 個區(qū)中最小，為1.22（±0.20）g/kg。土壤表層ROC 含量與中層、深層具有顯著差異，中層與深層SOC 含量無顯著差異（圖1）。不同山地0～10 cm ROC 含量占據整個剖面0～50 cm 的48.82%～53.87%，說明ROC 含量表聚性較強，其中尖峰嶺表層到中層平均ROC 含量下降幅度最大。

圖1 土壤ROC 含量垂直剖面分布Fig.1 Distribution of ROC content in vertical profile of soil

尖峰嶺、霸王嶺和鸚哥嶺次生林ROC/SOC自表層向底層逐層遞減，這與ROC 含量在土壤垂直剖面的變化規(guī)律一致。通過對土壤表層、中層和下層的ROC 占整個土壤垂直剖面的分配比例進行分析，發(fā)現表層ROC 的易氧化碳活性遠大于中層和下層（表3）。

表3 ROC/SOC 在土壤垂直剖面的分布Table 3 Distribution of ROC/SOC in vertical profile of soil (%)

2.3 海南西部次生林土壤ROC 與土壤質地分布、pH 相關性分析

運用激光粒度分析儀分析得到尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺3 座山地垂直剖面土壤質地分布的質量分數，進一步將粒度與ROC 含量進行相關性分析，發(fā)現尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺土壤質地與ROC 均呈極顯著相關，尖峰嶺、霸王嶺ROC 含量與粉粒+黏粒呈極顯著負相關，而鸚哥嶺ROC含量與粉粒+黏粒呈極顯著正相關，ROC 含量與土壤黏粒+粉粒相關系數R2分別為0.37、0.51、0.28（圖2）。對土壤pH 值與ROC 含量進行相關性分析，發(fā)現土壤ROC 含量與pH 值均呈顯著相關，ROC 含量與土壤pH 的相關系數R2分別為0.2116、0.3091、0.2391，相關性強弱依次為霸王嶺＞鸚哥嶺＞尖峰嶺（表4）。

圖2 土壤ROC 含量與黏粒+粉粒百分比的相關性Fig.2 Co rrelation analysis between ROC content and proportion of silt+clay

表4 土壤pH 和ROC 的相關性分析Table 4 Correlation analysis between pH and ROC in soil

3 討論

海南島地勢具有“中高周低”的特點，夏秋季節(jié)主要容易受東南季風和熱帶氣旋的影響，在地勢抬升的作用下，海南省中西部3 座山地的降水量由小到大依次為尖峰嶺＜霸王嶺＜鸚哥嶺。需指出的是，海南島雖然也受西南季風影響，但是西南季風因為經過中南半島到達海南島已經是強弩之末，故降水量較小，對區(qū)內影響不大，因此東南季風是影響區(qū)內降水的主要因素。一般認為，降水量與森林植被對土壤有機質含量具有重要影響，降水量增多會增加土壤有機物產量，并進一步增加土壤有機質總量［15］，而森林植被類型對有機質殘體進入土壤中的數量起到關鍵決定性作用。就海南省西部來說，3 座山地區(qū)內次生林的植被類型差別不大，而降水量表現為尖峰嶺＜霸王嶺＜鸚哥嶺，故導致區(qū)內SOC 平均含量表現為尖峰嶺＜霸王嶺＜鸚哥嶺。此外，已有研究表明土壤養(yǎng)分與SOC 含量具有極顯著相關性，霸王嶺和鸚哥嶺相較于尖峰嶺來說土壤顏色偏深，為棕褐色和磚紅色，反映其土壤養(yǎng)分含量更高，進而導致霸王嶺和鸚哥嶺更利于SOC 的累積。由于ROC 很大程度上取決于SOC,最終使得西部次生林ROC 平均含量為尖峰嶺＜霸王嶺＜鸚哥嶺。

地表往下50 cm 是土壤SOC 累積的主要空間，因此土壤SOC 在0～50 cm 深度范圍內的變化特點受到人們的廣泛關注［16-17］。海南省西部山區(qū)次生林ROC 含量具有隨著土層的增加而逐漸減小的特征，而導致這一現象的主要原因有：一是SOC 在垂向上的分布與土壤中的草本和木本植物根系密切相關，深層土壤根系相對較少［18］且由根系腐爛分解產生的有機質也較少，最終導致深部ROC 含量降低；二是表層土壤受暖濕氣候環(huán)境影響，可以加速地表凋落物分解，因此表層ROC含量高。就每一個區(qū)域來說，土壤表層凋落物分解產生的SOC 和ROC 可通過淋溶逐步往下部遷移，所以遷移量自表層往下逐步減少。正是以上原因，導致表層SOC 和ROC 含量偏高且呈現“表聚”現象。

土壤ROC/SOC 比值大小相較于ROC 含量變化更能反映外界環(huán)境對ROC 的影響，其比值越大土壤有機碳活性越強，反之則土壤越穩(wěn)定。區(qū)內尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺山地土壤ROC/SOC 比值總體表現為隨土壤剖面深度遞增而遞減，這是因為ROC 大多是由新近凋落植物殘體分解組成，區(qū)內的熱帶季風氣候導致區(qū)內擁有充足的水熱資源，促進了微生物對地表枯枝落葉的分解速度加快，使表層ROC 含量的增加速度快于SOC 的增加速度，并最終導致ROC 占全碳比值隨著土壤剖面深度遞增而遞減。但需指出的是，區(qū)內ROC/SOC 比值在土壤0～50 cm 垂直剖面上還是有一定差異，不同區(qū)域ROC/SOC 比值大小依次為霸王嶺＞鸚哥嶺＞尖峰嶺，其中霸王嶺和鸚哥嶺的ROC分配比例相差不大，說明霸王嶺、鸚哥嶺土壤有機碳活性更高，轉化速率快。

區(qū)內尖峰嶺和霸王嶺ROC 的分布與粉粒+黏粒含量呈極顯著負相關，而鸚哥嶺ROC 與粉粒+黏粒呈顯著正相關，主要是因為尖峰嶺和霸王嶺ROC 多分布在大團聚體內部，容易導致活性碳轉變成非活性碳［19］，在大團聚體受降水沖刷變成小質地團聚體后，土壤ROC 結合作用減弱，活性碳則失去活性；此外，尖峰嶺和霸王嶺次生林在山地外圍區(qū)受到人類活動影響強烈，也加劇了土壤活性成分轉變?yōu)槎栊猿煞郑?0］。可以認為，正是上述兩個原因最終導致尖峰嶺和霸王嶺次生林土壤呈現出粉粒+黏粒含量越多而ROC 含量越低的特征。由于鸚哥嶺地險山陡，尤其是雨水沖刷破壞了大團聚體的膠結物質，使其微團聚體大量釋放出來，但黏粒和粉粒繼續(xù)分布在小質地團聚體內部，且團聚體不易破碎，穩(wěn)定性較好，抗侵蝕力較強［21］，微團聚體數量增加反而使土壤ROC 含量變高，因此鸚哥嶺ROC 與粉粒+黏粒呈顯著正相關。至于不同研究區(qū)立地條件具體對ROC 的影響程度如何，還需要進一步更深層次的研究。

pH 可通過影響微生物活性間接影響ROC 含量。微生物在酸性土壤種類受到限制，主要是以真菌的形式存在，可以降低微生物對有機質的分解速度和利用率。西雙版納3 種不同次生演替階段的熱帶森林ROC 含量與pH 呈顯著負相關［22］，這與本研究結果一致，因此土壤pH 能夠對ROC空間分布特征產生重要影響。但也有研究發(fā)現秦嶺典型林分土壤ROC 含量與pH 值不存在顯著相關性［4］，這可能與所處地區(qū)氣候、植被、微生物數量等條件密切相關。

4 結論

本研究結果表明，海南西部山區(qū)次生林土壤ROC 的分布特征受到質地分布、pH 等不同因素影響，進而影響ROC 與SOC 兩者之間的關系，研究區(qū)內ROC 總體分布規(guī)律呈現以下特征：

（1）海南省西部山區(qū)尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺次生林土壤ROC 含量平均值分別為2.05（±0.28）、2.64（±0.38）、2.91（±0.33）g/kg，與SOC 含量分布特征變化規(guī)律一致。ROC 含量在0～50 cm 土壤垂直剖面上隨著土層的增加而逐漸減小，土壤表層ROC 含量與中層、深層差異顯著。

（2）西部天然次生林ROC 分配比例在3.82%～43.55%之間，平均值大小依次為霸王嶺＞鸚哥嶺＞尖峰嶺，次生林表層ROC 的活性遠大于中層和底層。這是因為研究區(qū)ROC 主要是由新近凋落植物殘體分解組成，熱帶季風氣候區(qū)充足的水熱資源導致土壤表層微生物分解速率加快，表層ROC 含量增加速度快于SOC 增加速度，最終導致ROC 占全碳比值隨著土壤剖面深度遞增而遞減。

（3）尖峰嶺和霸王嶺ROC 與粉粒+黏粒含量呈極顯著負相關，而鸚哥嶺ROC 與粉粒+黏粒呈極顯著正相關；ROC 含量與土壤黏粒+粉粒相關系數R2依次分別為0.37、0.51、0.28；土壤ROC 含量與pH 值均呈顯著負相關，相關性強弱依次為霸王嶺＞鸚哥嶺＞尖峰嶺。