海南吊罗山自然保护区土壤有机碳贮量研究

张晓琳 王帅 王旭 文关四 刘海伟 李佳灵

摘 要 以海南吊罗山自然保护区15个样地土壤剖面为对象， 分析其土壤有机碳含量、有机碳密度及其碳贮量，以期揭示吊罗山自然保护区土壤有机碳分布特征， 初步估算吊罗山自然保护区土壤有机碳贮量。 结果显示： （1）吊罗山各样地土壤有机碳含量及碳密度随土壤深度增加而减少， 平均有机碳含量为16.86 g/kg， 平均有机碳密度为15.31 kg/m2。（2）同一土层不同样地间的土壤有机碳含量存在着较大的差异， 主要表现在土壤表层， 并随土层深度的增加差异逐渐变小。 （3）吊罗山土壤有机碳含量与土壤深度呈极显著负相关， 最佳拟合曲线模型是幂函数， 回归方程为y=113.796x-0.6， 相关系数为0.836。（4）吊罗山自然保护区在0～100 cm土层的土壤总有机碳贮量约为281.64万t， 土壤表层所贮存的有机碳量的比重与全球平均水平差异较小。

关键词 吊罗山； 土壤有机碳含量； 土壤有机碳密度； 碳贮量； 碳分配

中图分类号 S714 文献标识码 A

森林是陆地生态系统的主体，森林约占陆地面积的1/3，却储存约占全球植被86%以上的碳储量，同时也约占全球土壤碳的73%[1-3]，含碳量达6.38×1011 t[4]，是最大的储库和碳吸收汇。土壤碳库是陆地生态系统碳循环过程中最大的贮库，全球约有1 500 Pg（1 Pg=1 015 g）碳以有机质形态储存于土壤中[5]，是大气碳库的2倍[6]，是陆地植被的2～3倍[7-9]。因而，森林土壤有机碳储量在全球碳循环、调节碳平衡、减缓全球气候变化中具有不可替代的地位[10]。

近年来，不少学者针对不同区域森林土壤碳储量、碳密度及其动态变化等开展研究[11-17]，方精云[18]（1 ∶ 1 000万土地利用图）、解宪丽[19]（1 ∶ 400万土地利用图）、王绍强[20]（GIS技术）、李克让[21]（CEVSA模型）等对中国土壤有机碳库进行了估算，由于多基于文献资料收集汇总，所采用的资料、计算方法不同及研究对象的广泛性和复杂性，导致估算结果差异大。要更精准地评价某一区域森林土壤碳储量现状，必须通过实地实测获得更多可靠的基础数据，而目前关于海南吊罗山热带雨林土壤剖面有机碳及分布格局的实地研究还鲜有报道。

本研究以海南吊罗山自然保护区15个样地为对象，研究其土壤有机碳含量、碳密度及其碳储量，揭示其土壤有机碳分布特征，以期为中国区域性森林生态系统土壤有机碳库的估算提供基础数据，为评价该区生态效益和在未来气候变化中的地位及贡献提供素材。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南吊罗山自然保护区是中国珍稀的原始热带雨林区之一，位于五指山的东南侧，地跨陵水、万宁、琼中、保亭四县；地处北纬18°40′～18°58′、东经109°45′～110°3′之间。年平均气温24.6 ℃，最高月均气温为28.4 ℃（7月），最低月均气温15.3 ℃（1月）。年均相对湿度85.9%，年均降雨量2 160 mm，雨季和旱季区分较大，5月底到10月底是雨季，11月初到次年5月初是旱季，其中4月是旱季和雨季的过渡时段。保护区内地形复杂，地势多呈急斜状态，坡度达50～60°左右；土质主要为沙质红壤与山地黄壤，成土母质为花岗岩和闪长岩，土层深厚、湿润、呈酸性，有机质含量较高；局部地区岩石裸露，表土极薄。样地基本概况见表1。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 2011年11月，在研究区选取15个2 500 m2的样地，各挖取2个土壤剖面，记录土壤发生层厚度，并按0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5个层次，采用剖面法+土钻法进行土壤调查，其中土壤剖面用于测量土壤容重，土钻法用于测定有机碳含量。

1.2.2 测定指标及方法 采用环刀法测定土壤容重，采用C-重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量，采用筛分法测定粒径大于2 mm砾石含量[22-23]。

1.2.3 土壤有机碳密度计算方法 土壤有机碳密度（SOC）是指单位面积一定深度的土层土壤有机碳储量，常用t/hm2和kg/m2表示，是评价和衡量土壤特性的一个极其重要的指标[19]。

某土层i土壤有机碳碳密度（kg/m2）计算公式如下：

SOCi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

式中，Ci为土壤有机碳含量（g/kg），Di为土壤容重（g/cm3）；Ei为土层厚度（cm）；Gi为直径大于2 mm的石砾所占体积百分比（%）。

某一土壤剖面的有机碳密度为该剖面各层SOCi之和，即：SOC=∑SOCi

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007对原始数据进行汇总、统计计算及图表制作，采用SPSS 17.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 吊罗山森林土壤有机碳含量

吊罗山15个样地土壤剖面有机碳含量及分布特征见图1，0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5个土层的土壤有机碳含量平均为30.95、20.63、14.08、10.41和8.22 g/kg。由此可见，吊罗山各样地土壤有机碳含量在剖面垂直分布上呈现随土壤深度的增加而减少的规律，这与很多学者的研究结果相一致[24-33]。土壤有机碳含量的影响因素主要来自植物根系、枯落物、动物及微生物遗体及其部分分解产物和土壤腐殖质层等，植物根系主要集中于土壤表层，而动植物残体对土壤有机碳积累的影响也随土壤深度的增加而降低，因此表层土壤有较强的储碳能力。

不同样地土壤有机碳含量随土壤深度增加而减少的程度也不同。在0～10 cm土层，各样地的土壤有机碳含量介于16.31～43.74 g/kg，同一土层不同样地间的土壤有机碳含量存在着较大的差异，造成这种明显差异的主要原因[34]是：各样地的主要优势种类型不同，不同植被类型之间光合产物的分配模式差异很大，从而造成不同植被下土壤有机碳输入量的差异；其次，土壤有机碳的分解速率在某种程度上受植被物种组成的控制，导致其在不同样地土壤中的分解速率各不相同。

在10～20、20～30、30～50和50～100 cm 4个土层中，各样地的土壤有机碳含量分别介于11.40～31.96、8.04～20.94、5.91～16.28和4.46～13.72 g/kg，土壤有机碳含量的差异逐渐变小。相邻两土层的土壤有机碳含量差值依次为10.32、6.55、3.67和2.19 g/kg，表层土壤有机碳含量递减程度明显，越往深处递减越慢，主要原因有以下2点：①土壤有机碳含量随深度的增加而递减，土层越深微生物活动越微弱，土壤有机碳周转变慢；②土层较深处的养分含量较低，减缓了土壤有机碳的分解。

2.2 吊罗山森林土壤有机碳含量与土壤深度的拟合

土壤的理化性质在空间范围内存在差异性，同时也存在着相关性。本研究根据设置的15个样地土壤有机含碳量实测数据，按线性函数、对数函数、反向函数、二次函数、三次函数、复合函数、幂函数和指数函数等8种函数拟合土壤有机碳含量与土壤深度的曲线方程，说明土壤有机碳含量与土壤深度呈现极显著负相关，相关系数为0.674～0.837，结果见表2。根据拟合曲线相关系数、F统计值大小、标准误差和概率P等，综合分析拟合曲线模型的拟合优度，幂函数对吊罗山森林土壤有机碳含量与土壤深度之间的关系拟合效果最佳，其回归方程式为：y=113.796x-0.6，结果见图2。

2.3 吊罗山森林土壤有机碳密度

吊罗山15个样地土壤有机碳密度分析结果见表3，0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5个土层的土壤有机碳密度平均为3.16、2.38、1.71、2.63和5.45 kg/m2。为保证不同土层的土壤有机碳密度的可比性，本次研究统一到10 cm厚度进行比较，每一土层10 cm厚度的土壤有机碳密度依次为3.16、2.38、1.71、1.32和1.09 kg/m2，呈现随土层深度增加而减小的趋势，与土壤有机碳含量在剖面垂直分布的研究结果一致。

就0～100 cm整个土层而言，各样地土壤有机碳密度在6.88～24.27 kg/m2范围内，平均以P06、P07较低，分别为7.25、7.54 kg/m2，其它各样地均在12.00 kg/m2以上。造成这种明显差异主要跟植被类型及受人为干扰对土壤形成、发育过程影响程度的不同有关，P06和P07样地优势物种为青皮、短穗荷和犁耙柯、海南锥，与其它样地植被不同，不同植被类型将形成特定的土壤表层小气候[35]，影响植被生产力、土壤有机碳的输入及微生物对有机碳的分解和转化；P06、P07位于低海拔地区的下坡位，受人为活动的影响较大，干扰了土壤有机碳的积累。

2.4 吊罗山森林土壤有机碳贮量及其分配

吊罗山自然保护区现有面积为18 398 hm2，按调查的15个样地平均土壤有机碳密度15.31 kg/m2估算，其0～100 cm的土壤总碳贮量为281.64万t（图3），其中0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5个土层分别占20.64%、15.36%、11.18%、17.21%和35.62%。各样地土壤碳贮量在各层的分布比重不同，0～30和0～50 cm所占的比例在30.24%～67.43%和48.14%～79.39%间，平均为46.77%和63.84%。对比Baties[36]对全球各类型土壤碳贮量的研究，0～100 cm的土壤碳贮量中，0～30和0～50 cm所占的比例在37%～59%和62%～81%间，平均为49%和67% ；以及Detwiler[37]对热带和亚热带地区土地利用变化对土壤碳库影响的研究，0～40 cm所贮存的碳占0～100 cm的比例为35%～80%，平均为57%。可见，吊罗山热带雨林土壤在0～50 cm所贮存的有机碳量的比重与全球平均水平相差不大，表层土壤有机碳贮量贡献较大。

3 讨论与结论

3.1 吊罗山保护区土壤有机碳含量及碳密度

吊罗山热带雨林土壤平均有机碳含量16.86 g/kg，平均有机碳密度为15.31 kg/m2。与国内其它开展森林土壤有机碳调查研究对比，鼎湖山自然保护区（7.39 kg/m2）[24]、江西省（10.21 kg/m2）[38]、广东省（马尾松林5.55～6.67 kg/m2，常绿阔叶林8.49～15.12 kg/m2）[39]，吊罗山土壤有机碳密度（15.31 kg/m2）略高，高于海南岛土壤有机碳密度的算术平均值（9.48 kg/m2）[21]及近年来中国土壤平均有机碳密度的估测值（9.17 kg/m2[5]、9.60 kg/m2[40]）。

通过对土壤有机碳含量、碳密度与土壤深度的关系分析，土壤有机碳含量及碳密度在剖面垂直分布上呈现随土壤深度的增加而减少的规律，土壤有机碳主要来源于植物根系、枯落物、动物及微生物遗体等，这些物质集中于土壤表层，随土层深度增加，微生物活动减弱，对土壤有机碳积累降低。

同一土层不同样地间的土壤有机碳含量存在着较大的差异，主要表现在土壤表层，并随土层深度的增加差异逐渐变小。造成这种明显差异的主要原因是：各样地的主要优势种类型不同，不同植被类型之间光合产物的分配模式差异很大，从而造成不同植被下土壤有机碳输入量的差异；其次，土壤有机碳的分解速率在某种程度上受植被物种组成的控制，导致其在不同样地土壤中的分解速率各不相同。

3.2 吊罗山保护区土壤有机碳含量与土壤深度的关系

研究区土壤有机碳含量与土壤深度极显著负相关，相关系数在0.674～0.837范围内，综合分析拟合曲线模型的拟合优度，幂函数对吊罗山森林土壤有机碳含量与土壤深度之间的关系拟合效果较好，其回归方程式为：y=113.796x-0.6，相关系数为0.836，说明土壤有机碳含量与土壤深度密切相关。

3.3 吊罗山保护区土壤有机碳贮量

按国际上土壤碳库计算的土壤剖面深度0～100 cm为基准，吊罗山自然保护区的土壤总碳贮量为281.64万t，其中0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm 5个土层的有机碳贡献率分别为20.64%、15.36%、11.18%、17.21%和35.62%，说明表层土壤有机碳贮量贡献较大，森林土壤有机碳贮量的变化也主要发生在土壤表层。

在0～30和0～50 cm土层的有机碳贡献率在30.24%～67.43%和48.14%～79.39%间，平均为46.77%和63.84%，与Baties[36]、Detwiler[37]等的研究结果对比，吊罗山热带雨林土壤表层所贮存的有机碳量的比重与全球平均差异较小。

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