海南島中東部熱帶雨林原始林土壤有機(jī)碳分布特征及影響因素

吳 雯，趙志忠，韓 瑛，唐 薇，董 鵬

（海南師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 海口 571158）

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫，土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）的微小變化將給大氣和氣候帶來巨大的影響[1]。SOC的含量是反映土壤質(zhì)量以及土壤健康的標(biāo)志，直接反映土壤中的物理、化學(xué)和生物過程以及土壤肥力和土地生產(chǎn)力[2]。森林SOC是陸地碳庫的重要組成部分，據(jù)估算，森林SOC儲量占全球SOC儲量的73%[3]。森林土壤碳庫的巨大庫容使其在全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[4]。已有研究表明，森林SOC含量受到氣候、海拔高度、植被類型及分布、土壤理化性質(zhì)等多方面的影響，不同區(qū)域SOC含量特征存在差異[5]。熱帶雨林作為熱帶地區(qū)特殊的植被類型，土壤碳儲量占到全球土壤碳儲量的11%[6]。海南島是中國熱帶雨林典型地區(qū)之一，吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)、五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和七仙嶺國家溫泉森林公園是中國珍稀的原始熱帶雨林區(qū)，在海南森林生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位。已有學(xué)者對海南部分熱帶雨林區(qū)的SOC分布特點及有機(jī)碳儲量進(jìn)行了初步研究，如吳仲民等對海南島尖峰嶺林區(qū)SOC進(jìn)行實地觀測并參考相關(guān)歷史資料估算出當(dāng)?shù)亓謪^(qū)SOC儲量[7]；蔡文良等于2016—2018年連續(xù)3年研究了海南尖峰嶺熱帶山地雨林不同林型SOC儲量及其山地垂直分布特征，為該區(qū)域山地土壤碳庫儲量的準(zhǔn)確預(yù)測提供了參考[5]。上述研究都局限于局部地區(qū)SOC賦存特點和有機(jī)碳儲量的分析，而對海南島中東部熱帶雨林整體SOC累積特征、時空分布特征及其未來變化趨勢的研究明顯不足。本研究以海南島中部和東部地區(qū)的五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)、吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和七仙嶺國家溫泉森林公園的原始林高海拔、中海拔和低海拔區(qū)0～10、10～30和30～50 cm土壤為研究對象，分析其SOC含量，研究SOC空間分布特征，探討熱帶雨林SOC分布影響因素，為揭示海南島熱帶雨林的碳循環(huán)規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島中東部，涉及五指山、瓊中、白沙、保亭、陵水、萬寧等6個市（縣）。區(qū)內(nèi)氣候以熱帶海洋性季風(fēng)氣候為主，多年平均氣溫為22.5～25.4 ℃，年平均降雨量為2 000～3 000 mm，雨量充沛但時空分布不均勻，干濕季節(jié)明顯，春旱突出，熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)頻繁。區(qū)內(nèi)地形以山地為主，土壤類型主要為山地黃壤和山地赤紅壤。本研究選擇的五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)、吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和七仙嶺國家溫泉森林公園均廣泛分布大片原始林，特別是高海拔區(qū)原始林保存完好。研究區(qū)原始林植被具有垂直分帶特征，其中海拔600 m以下的低海拔地區(qū)主要分布半落葉季雨林和常綠季雨林，如野芭蕉、蝴蝶樹和大榕樹等；海拔600～1 000 m的中海拔地區(qū)主要分布溝谷雨林與熱帶山地雨林，如細(xì)葉榕樹、陸均松、雞毛松和坡壘等；海拔1 000 m以上的高海拔區(qū)主要分布苔蘚矮林，如樹蕨、鳳尾蕨和皇冠蕨等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)（DLS）、五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)（WZS）和七仙嶺國家溫泉森林公園（QXL）位于海南島中部和東部山區(qū)。采樣時間為2020 年8 月1 日至14 日、2021 年1 月9 日至21 日和8 月9 日至20 日。根據(jù)海南島熱帶雨林原始林植被垂直分帶現(xiàn)象，選取高海拔（＞1 000 m）、中海拔（600～1 000 m）和低海拔區(qū)（＜600 m）人為干擾較少的區(qū)域為樣地，面積約20 m×20 m，共8個樣地，每個樣地根據(jù)實際地形采用對角線法或S形法隨機(jī)確定4～5個取樣點（圖1），記錄樣點處海拔及坡度，清除土壤表面覆蓋的枯枝落葉后開展柱狀樣品（0～10、10～30、30～50 cm）取樣，共采集樣品117個，將不同取樣點處于同一層的樣品混合，取500 g作為一個樣品裝入密封袋中，再將采集樣品中的動植物殘體和礫石等雜質(zhì)剔除掉，在室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干。

圖1 研究區(qū)采樣點分布Figure 1 Distribution of sampling points in the study area

2.2 測試分析方法

采用德國Elementarvario TOC 分析儀通過高溫燃燒法測定SOC含量。為消除樣品中無機(jī)碳對測定結(jié)果的影響，每個樣品需要在上機(jī)測試前進(jìn)行酸化處理。將部分樣品研磨、過篩，稱取烘干至恒重的土壤3 g，放至小燒杯中，并設(shè)置平行樣，加入1 mol/L 鹽酸30 mL，用磁力攪拌器攪拌至無氣泡產(chǎn)生。靜止24 h后，傾倒上清液，轉(zhuǎn)至離心管中，加入去離子水潤洗，離心6～8次，至pH試紙檢測離心后的上清液呈中性，放入烘箱烘干，冷卻后研磨粉碎。稱取0.020～0.025 g樣品上機(jī)測定有機(jī)碳含量。

利用GPS定位儀和水準(zhǔn)儀獲取海拔、坡度數(shù)據(jù)。

稱取0.5 g過2 mm孔徑篩的風(fēng)干土壤樣品放入50 mL小燒杯中，加入過氧化氫溶液1 mL，并用玻璃棒攪拌，待土壤樣品不再反應(yīng)時移至電熱板上加熱，然后加入1 mL六偏磷酸鈉溶液，攪拌后靜置過夜。將處理后的樣品放入超聲波清洗機(jī)振蕩，超聲分散15 min。最后使用Mastersizer 2000激光粒度儀（測量范圍為0.02～2 000.00 μm）測定沉積物的粒徑。

使用德國Testo 206 pH 計測定土壤pH。稱取5 g 土壤樣品置于小燒杯中，加入雙蒸水12.5 mL，攪拌7 min，然后測定濁液pH。

3 結(jié)果與分析

3.1 海南島中東部熱帶雨林原始林SOC分布特征

3.1.1 熱帶雨林不同區(qū)域SOC分布特征

海南島中東部地區(qū)光熱充足，降水豐富，土壤類型主要為山地黃壤和山地赤紅壤。本研究采樣區(qū)域以山地為主，植被覆蓋率相對較高。樣品分析結(jié)果表明，研究區(qū)原始林0～50 cm 土層SOC 含量為27.76～188.46 g/kg，平均值為64.86±10.57 g/kg，變異系數(shù)為0.65。研究區(qū)SOC含量較高可能與研究區(qū)原始林植被發(fā)育較好、枯枝落葉豐富、有機(jī)碳來源充足有著密切的聯(lián)系[8]。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)0～50 cm土層SOC含量在不同熱帶雨林區(qū)存在明顯差異（表1）。五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)的原始林SOC含量在3個雨林區(qū)中最高，其原因可能是五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)地處中部，交通不便，人類干擾極少，雨林中保存大量的枯枝落葉，提供了豐富的有機(jī)碳來源；同時，五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)地勢最高，雨量最為豐富，高溫高濕的氣候使其土壤微生物長期處于厭氧環(huán)境中，熱帶雨林中大量的枯枝落葉被微生物分解使有機(jī)物輸入量較高。

表1 研究區(qū)熱帶雨林SOC含量描述統(tǒng)計分析Table 1 Descriptive statistical analysis of SOC level distribution in tropical rain forest in the studied area

3.1.2 不同海拔熱帶雨林SOC分布特征

本研究將海拔分為3個等級，分別為低海拔（＜600 m）、中海拔（600～1 000 m）和高海拔（＞1 000 m）。對五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)、吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和七仙嶺國家溫泉森林公園等3個熱帶雨林區(qū)不同海拔原始林SOC含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)熱帶雨林中海拔地區(qū)的原始林SOC含量最高，而低海拔和高海拔地區(qū)的原始林SOC含量較低（七仙嶺國家溫泉森林公園海拔低于五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)，未采集高海拔樣品）（圖2）。這一現(xiàn)象可能與植物的垂直分帶具有密切聯(lián)系[9]，研究區(qū)內(nèi)高海拔地區(qū)（＞1 000 m）主要植被是苔蘚矮林，提供的枯枝落葉相對較少，有機(jī)碳來源相對較少；中等海拔區(qū)（600～1 000 m）主要植被為溝谷雨林與熱帶山地雨林，提供了大量枯枝落葉，經(jīng)微生物分解可為土壤提供豐富的有機(jī)碳來源；低海拔區(qū)（＜600 m）廣泛分布常綠季雨林，有豐富的枯枝落葉來源，然而海南臺風(fēng)和暴雨頻繁，坡地流水經(jīng)匯流后到低海拔區(qū)水流明顯加大，這些坡地流水可將大量枯枝落葉帶到溝口被河流遷移，導(dǎo)致其有機(jī)碳來源相對較少。

圖2 不同區(qū)域熱帶雨林土壤有機(jī)碳隨海拔分布規(guī)律Figure 2 Distribution law of soil organic carbon with altitude in tropical rain forests in different regions

3.1.3 熱帶雨林SOC沿剖面分布特征

研究區(qū)內(nèi)SOC含量的垂直變化較為一致，均隨著土壤深度的增加而減小，研究結(jié)果與很多學(xué)者的研究結(jié)果一致，但SOC 含量的遞減速度隨土壤深度的增加先快后慢。如圖3 所示，從土壤表層開始至50 cm 深度，研究區(qū)原始林SOC 平均含量隨土壤深度的增加逐漸下降，10～30 cm 較表層降低55.44%，30～50 cm 較10～30 cm土層降低28.61%。0～10、10～30和30～50 cm深度土層SOC含量分別占50 cm深度土壤剖面有機(jī)碳總量的58.17%、25.92%和15.91%。植物根系、枯落物、動物及微生物遺體等是SOC的主要來源，主要集中于土壤表層，對SOC積累的影響也隨土壤深度的增加而降低，因此表層土壤有較高的有機(jī)碳含量[9]。根系的垂直分布格局決定著SOC的垂直分布特征[10]，直接影響輸入到土壤剖面各層的有機(jī)碳數(shù)量。土壤較深處的養(yǎng)分含量較低，根組織的化學(xué)組成也隨深度變化，分解者的活動減弱，分解速率較慢，SOC的周轉(zhuǎn)變慢，有機(jī)碳含量較低。

圖3 不同熱帶雨林土壤有機(jī)碳沿剖面分布規(guī)律Figure 3 Distribution law of soil organic carbon along the profile in different tropical rain forests

3.2 海南島中東部熱帶雨林原始林SOC分布的影響因素

3.2.1 坡度對SOC含量的影響

坡度是影響坡面侵蝕的重要因素。在同樣的降水條件下，坡度的大小會影響土壤流失的程度。海南島中東部熱帶雨林坡度為2～58°。對測得的熱帶雨林坡度數(shù)據(jù)與SOC含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，坡面坡度較大時坡面徑流較快，徑流泥沙較容易遷移出坡面，易受到侵蝕，受到的重力和淋洗作用較強(qiáng)，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，研究區(qū)坡度較高地區(qū)的SOC含量都比較低。緩坡及平地土層較厚[11]，利于土壤有機(jī)質(zhì)聚集，各雨林區(qū)的緩坡和平地SOC含量較大并隨坡度的增加而降低。對海南島中東部各樣點的SOC含量與其坡度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。

表2 研究區(qū)熱帶雨林土壤有機(jī)碳與坡度相關(guān)性系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between soil organic carbon and slope in tropical rain forest in the studied area

總體上，各土層SOC含量與坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表層SOC含量受坡度影響更大。不同研究區(qū)SOC含量與坡度的相關(guān)性強(qiáng)弱順序為五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)＞吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)＞七仙嶺國家溫泉森林公園。各土層SOC含量與坡度之間的相關(guān)性存在差異，這可能是由于不同坡度區(qū)域的地形、作物、水土保持措施、地表覆蓋以及水文特征等景觀要素各異，但總體上呈現(xiàn)出各土層SOC含量隨坡度增加而降低的趨勢[12]。

3.2.2 粒度對土壤SOC含量的影響

已有研究表明，熱帶雨林SOC分布常受到土壤粒度的影響[13]，不同區(qū)域SOC的含量、土壤粒徑的分布及二者的關(guān)系會隨之發(fā)生分化，表現(xiàn)出明顯的時空分異。分別對研究區(qū)不同區(qū)域熱帶雨林原始林SOC含量和粘粒（＜2 μm）、粉粒（2～50 μm）、砂粒（＞50 μm）的含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示，研究區(qū)的土壤顆粒組成以砂粒為主。五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)SOC的含量與粘粒和粉粒的含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量呈正相關(guān)關(guān)系。七仙嶺國家溫泉森林公園SOC的含量與粘粒和粉粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn)，七仙嶺國家溫泉森林公園的砂粒占比高于五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)。研究區(qū)不同雨林區(qū)土壤粒度總體受到土壤母質(zhì)的風(fēng)化作用和流水作用的影響，七仙嶺國家溫泉森林公園基巖主要以火山玄武巖為主，而五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)基巖主要以花崗巖為主。一般來說，在相同的水熱條件下，玄武巖相對花崗巖的抗風(fēng)化能力略弱，常形成豐富的松散細(xì)粒碎屑物，但由于流水作用的影響，玄武巖風(fēng)化物中細(xì)粒碎屑物容易流失，最終導(dǎo)致七仙嶺國家溫泉森林公園土壤中的砂粒占比偏高。粉粒和粘粒比表面積較大，土壤中鐵、鋁氧化物及堿性元素（如鈣）等易吸附有機(jī)碳，兩者結(jié)合形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，對有機(jī)碳起到了物理或化學(xué)固定，增強(qiáng)了其難降解性，因此粉粒和粘粒對有機(jī)碳的固持和保護(hù)作用較強(qiáng)。五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)土壤中的粘粒和粉粒含量較七仙嶺國家溫泉森林公園高，有機(jī)碳含量也較高，所以土壤質(zhì)地分布對土壤總有機(jī)碳分布有重要影響。

圖4 土壤有機(jī)碳與粒度相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis between soil organic carbon and particle size

3.2.3 pH值對土壤SOC含量的影響

海南島熱帶雨林SOC分布特征除了受到土壤粒度的影響外，還與土壤的酸堿度有關(guān)[13]。海南島中東部熱帶雨林土壤pH值為3.99～6.86。對海南島中東部0～50 cm土層SOC含量與土壤pH值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖5?？傮w而言，研究區(qū)原始林土壤pH值在低于5.5時與SOC含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，研究區(qū)原始林土壤pH值高于5.5時SOC含量呈上升趨勢。微生物是土壤有機(jī)物質(zhì)分解和周轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動力，因此能影響微生物生理作用的因素均會對有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化有影響[14]。各種微生物都有最適宜的pH范圍，pH值過低（＜5.5）或過高（＞8.5）的土壤環(huán)境對一般的微生物都不大適宜，其有機(jī)碳的分解速率降低，影響到有機(jī)碳的含量[15]。土壤pH值越小土壤酸度就越高，微生物的活動被抑制，減緩了有機(jī)碳的分解速率，從而增加了SOC的含量；當(dāng)土壤pH值逐漸增大，微生物活動劇烈，有機(jī)碳分解速率增加，從而使有機(jī)碳含量降低。

圖5 熱帶雨林土壤有機(jī)碳與pH值相關(guān)性分析Figure 5 Correlation analysis between soil organic carbon and pH value in different tropical rain forests

4 結(jié)論

（1）總體來說，研究區(qū)SOC含量相對較高，3個雨林區(qū)SOC含量的大小次序為五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)＞七仙嶺國家溫泉森林公園＞吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)。五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)天然林SOC含量較高與該區(qū)大量的枯枝落葉易于保存、雨量豐富及有機(jī)物輸入量較高具有密切關(guān)系。

（2）研究區(qū)不同區(qū)域SOC含量在0～50 cm土層剖面上都呈現(xiàn)出從表層向深層不斷下降的趨勢，3個區(qū)域SOC 最高含量均出現(xiàn)在0～10 cm 土層，表明研究區(qū)的SOC 具有“表聚性”。SOC 由表層到中層呈跳躍式下降，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是天然林SOC的來源豐富，但向下遷移相對難度較大。

（3）研究區(qū)SOC含量表現(xiàn)為中海拔最高，低海拔和高海拔地區(qū)較低，這與垂直分帶具有密切聯(lián)系，低海拔和中海拔地區(qū)枯枝落葉都比較豐富，但低海拔區(qū)受坡地匯流影響，有機(jī)碳來源相對較少。

（4）研究區(qū)坡度較高的地區(qū)SOC含量較低，受到的重力和淋溶作用較強(qiáng)，有機(jī)碳不易儲存，坡度低利于SOC積累。

（5）研究區(qū)的土壤顆粒組成以砂粒為主。七仙嶺國家溫泉森林公園土壤中的砂粒占比高于五指山熱帶雨林保護(hù)區(qū)和吊羅山熱帶雨林保護(hù)區(qū)，砂粒含量較高的雨林區(qū)SOC含量較低。

（6）研究區(qū)土壤均呈酸性，pH值為3.99～6.86。土壤pH值低于5.5時其與SOC含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤pH大于5.5時其與SOC含量呈正相關(guān)關(guān)系。在微生物適宜的生境下，如pH大于5.5，有機(jī)碳分解速率增高，SOC不易積累。反之，微生物活性減弱，SOC含量增高。

本研究設(shè)置的樣點較少，下一步可適當(dāng)增加樣點數(shù)量，探究土壤含水量、林齡、林分密度、林分結(jié)構(gòu)以及凋落物層厚度等因素對SOC含量的影響，以便綜合分析熱帶雨林SOC含量分異的影響因素。