热带海岸防护林土壤活性有机碳分布特征：人工林与天然次生林的比较

陈小花 杨青青 余雪标 陈宗铸 杨琦 雷金睿

摘 要 本研究旨在比较热带海岸天然次生林与人工林土壤活性有机碳的差异，从而提高沿海防护林土壤有机碳库的存储能力和维持土壤碳平衡提供理论依据。选取海南岛沿海防护林中典型的2种人工林和2种天然次生林作为研究对象，通过测定土壤活性有机碳及养分含量，对热带海岸天然次生林与人工林土壤有机碳的积累能力及土壤养分与有机碳相关性的差异进行分析。结果表明：（1）该研究区4种林分土壤总有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳均表现为琼崖海棠天然次生林>香蒲桃天然次生林>大叶相思人工林>木麻黄人工林；（2）4种林分土壤轻组有机碳占总有机碳比例以天然次生林最高，而人工林则具有更低的轻组有机碳分配比例；反之，人工林的土壤易氧化有机碳占总有机碳比例显著高于天然次生林；（3）4种林分的土壤活性有机碳与土壤全氮、土壤容重相关性显著，此外，2种人工林林地土壤活性有机碳与土壤含水量、pH、碳氮比同样具有相关性。相关性分析结果表明，人工林土壤活性有机碳与土壤各因子的相关性较天然次生林更为密切。这说明热带海岸林地土壤碳含量总体较低，与人工林相比，天然次生林土壤有機碳具有较大稳定性。

关键词 海防林；土壤活性有机碳；人工林；天然次生林；热带海岸

中图分类号 Q948.113 文献标识码 A

Abstract The analysis of the differences of soil active organic carbon（AOC）in natural forest and plantation was aimed to improve the storage capacity of the soil organic carbon storage and to provide theoretical basis for maintaining the balance of soil carbon. Respectively in the four forest types of Calophyllum inophyllum natural secondary forest， Syzygium odoratum natural secondary forest， Acacia auriculiformis planted forest， Casuarina equisetifolia planted forest in tropical coastal of Hainan province， the soil AOC and nutrient reserves were determined in order to analyze the differences of the correlations between soil nutrient and AOC and the accumulation of AOC influencing factors. The results showed：（1）The total organic carbon（TOC）， light fraction organic carbon（LFOC）and easily-oxidized carbon（EOC）of the forest soils in the study area was Calophyllum inophyllum natural secondary forest>Syzygium odoratum natural secondary forest>Acacia auriculiformis planted forest>Casuarina equisetifolia planted forest.（2）The highest soil LFOC to TOC ratio was obtained for natural forest. In contrast， lower soil LFOC to TOC ratio was observed for plantation. However， the soil EOC accounted for SOC ratio in plantation was significantly higher than the natural forest.（3）The correlation analysis between the four forests types showed that the soil active organic content was strongly correlated with soil total nitrogen， and soil bulk density. The same was with soil water content， soil pH， soil C/N of correlation in plantation. Correlation analysis results showed that the plantation soil organic carbon was closely related to soil nutrient.The results showed that the soil carbon content in the tropical forest coast was generally low， compared with the plantation， the soil organic carbon in secondary forest with higher stability.

Key words coastal shelterbelt； soil active organic carbon； plantation； secondary forest； tropical coastal

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.018

森林土壤碳库是陆地生态系统的主体，对全球碳循环和碳平衡至关重要[1]。土壤活性有机碳（Active organic carbon，AOC）是指在一定条件下，具有一定的溶解性、不稳定、易氧化、易分解、易矿化，并且其形态和空间位置对植物和微生物来说，是活性比较高的那一部分土壤碳素[2]。它能够在短期内检测出土壤全碳变化之前的微小变化[3-4]，是土壤碳库动态变化的敏感性指标[5-6]。因此，深入研究土壤活性有机碳各组分的动态变化特征，对调控土壤养分流、维持土壤肥力及完善碳循环的动态平衡机制具有十分重要的意义。

森林生态系统土壤AOC一直是研究的热点。研究结果表明，土壤活性有机碳库是极易变动的，其组分动态与周转速率主要受森林植被类型、演替过程及由此造成的凋落物输入类型、数量、质量和季节、温湿度、pH等变化的控制[7]。Quideau等[8]研究结果发现造林后土壤AOC含量增加，但Collier等[9]却发现在湿地造林后土壤水溶性有機碳含量没有明显的变化。在热带地区，Li等[10]研究发现波多黎各的次生林中重组分有机碳占总土壤有机碳的比例显著高于松树人工林，次生林较人工林更能积累更多的重组分有机碳，主要原因在于次生林能有效地转化活性有机碳组分为长期储备的有机碳。杨青青等[11]研究结果发现，海南文昌森林类型的变化引起土壤AOC含量显著的变化。以上研究结果表明了森林类型的变化对土壤AOC的影响可能不是一个简单的过程，在不同区域森林类型变化可能产生的结果不同。

中国海南岛临近热带气旋多发区，常受台风袭扰。自20世纪50年代以来，中国政府积极实施沿海防护林建设工程，人工林已基本上覆盖了没有森林的海岸，因此，海南岛热带海岸的植被主要由人工林和天然次生林组成。目前，这2类不同性质森林的土壤AOC有何差异一直未得到很好的回答。鉴于此，本研究旨在探讨热带海岸地区不同防护林类型的土壤活性有机碳库的差异及土壤活性有机碳与土壤养分的关系，为维持热带海岸带生态平衡发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于海南省文昌市龙楼镇森林生态定位研究站（地理位置19°43′N，110°57′E），属热带海洋性季风气候，雨量充沛，年均降雨量为1 740 mm；气温高，年均气温为23.9 ℃；地势平坦，海拔为45～50 m，土壤为滨海沙壤土，是典型的滨海台地地貌。自20世纪50年代以来，中国政府积极实施沿海防护林建设工程，人工林已基本上覆盖了原先荒芜的海岸，因此，该地区主要由人工林和天然次生林组成的沿海防护林（下文简称“海防林”）覆盖。本研究选取了典型的2种人工林和2种天然次生林作为研究对象，介绍如下：（1）香蒲桃天然次生林（Syzygium odoratum natural secondary forest，简称“SSF”）主要以香蒲桃为主，重要值为35.6，林分年龄在20 a以上。常见植物有竹叶木姜（Litsea pseudoelongata）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、黄槿（Hibiscus tiliaceus）和山楝（Aphanamixis polystachya）等。（2）琼崖海棠天然次生林（Calophyllum inophyllum

natural secondary forest，简称“CSF”）主要以琼崖海棠为主，重要值为14.9，其次是海桐（Pittosporum tobira），重要值为13.8，林分年龄在20 a以上。样区内主要植物为：琼涯海棠（Calophyllum inophyllum）、木麻黄（Casuarina equisetifolia）、椰子（Cocos nucifera）、潺槁木姜子（Litsea glutinosa）、九节木（Psychotria rubra）（灌木）、桃金娘等。（3）木麻黄人工林（Casuarina

equisetifolia planted forest ，简称“CPF”）于2009年2月种植，初值密度为4 m×1.2 m，为人工纯林，林下植被稀少。（4）大叶相思人工林（Acacia auriculiformis

planted forest，简称“APF”）的树龄约7 a，平均株行距3 m×1.2 m，为人工纯林，林下植被稀少。样地基本情况见表1。

1.2 试验设计和采样

选择立地条件一致的琼崖海棠天然次生林（CSF）、香蒲桃天然次生林（SSF）、木麻黄人工林（CPF）、大叶相思人工林（APF），各设置一个面积为1 hm2（100 m×100 m）的样地。在每个样地上随机选择3块面积为20 m×20 m的标准样方，按照地形分布采用完全随机布设方法，每个样方挖取3个剖面。除去地表凋落物，在土壤剖面挖取0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm共5个土层，每个土层用环刀打入进行取土。一部分鲜土用于土壤密度和土壤含水量的测定；另一部分新鲜土样在实验室去杂，过2 mm的土壤筛，在室内通风条件下风干后存于密闭自封袋中，用于化学指标的测定。

土壤总有机碳含量（Total organic carbon content，简称“TOC”）的测定采用油浴-重铬酸钾氧化法；土壤轻组有机碳含量（Light fraction organic carbon content，简称“LFOC”）的测定采用1.7 g/mL的碘化钠重液分离法[12]；土壤易氧化有机碳含量（Easily-oxidized carbon content，简称“EOC”）的测定采用K2MnO4氧化-比色法[13]；土壤密度（Soil bulk density，简称“SBD”）采用环刀法；土壤酸碱度（pH）的测定采用电位法，土水比为1 ∶ 2.5[14]；全氮含量（Total nitrogen，TN）采用半微量凯氏法；土壤含水量（Soil water content，SWC）采用（105±2）℃烘箱烘干法。

1.3 数据处理

应用Excel和SAS 9.0软件对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan检验比较不同数据组之间的差异；利用Person相关系数进行土壤活性有机碳与土壤养分的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同海防林土壤总有机碳分布特征

由表2可知，研究区4种海防林的土壤总有机碳含量均随土层深度的增加而不断减小。在0～10 cm土层中，不同海防林土壤总有机碳含量占土壤剖面的 23.53%～35.91%，明显高于其余4个土层，说明土壤总有机碳的分布具有比较明显的表聚现象，由于该区域土壤有机碳源主要来源于地表凋落物的积累及分解转化，表层土壤表现尤为突出，其次土壤母质对该区土壤总有机碳含量贡献起关键作用。4种海防林的土壤总有机碳含量从大到小的顺序是：琼崖海棠天然次生林>香蒲桃天然次生林>大叶相思人工林>木麻黄人工林。天然次生林在各土层（0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm）的土壤总有机碳含量均显著高于人工林，表明天然次生林的碳汇能力高于人工林。主要原因有3点；一是人工林種植时间短，林下植被覆盖率小，土壤碳来源数量少；二是种植初期人为干扰强度大，造林过程中极易造成土壤养分的缺失；三是人工林多为针叶和硬阔叶树种，林下凋落物难以被微生物分解，总体对土壤碳的贡献率较低。

2.2 不同海防林土壤活性有机碳分布特征

与土壤总有机碳分布特征一样，4种海防林的土壤活性有机碳的2个指标轻组有机碳含量（LFOC）、易氧化有机碳含量（EOC）随土层的加深而递减（图1）。天然次生林土壤易氧化有机碳含量（EOC）不同土壤层次降幅较大，各土层间差异显著（p<0.05）；人工林土壤易氧化有机碳含量（EOC）随土层深度增加波动较弱，特别是在40～100 cm内各土层含量相差不大，不存在显著差异（p>0.05）。4种森林土壤轻组有机碳含量（LFOC）和易氧化有机碳含量（EOC）从大到小的顺序是：琼崖海棠天然次生林>香蒲桃天然次生林>大叶相思人工林>木麻黄人工林，说明天然次生林的土壤活性碳含量显著高于人工林。

2.3 不同海防林土壤活性有机碳分配特征

土壤活性有机碳占总有机碳的比例比活性碳含量更能反映森林土地利用变化对土壤碳行为的影响。由图2可知，研究区不同林分类型不同土层的土壤轻组有机碳占有机碳比例为13.72%～38.62%，随着土壤剖面的深度增加呈先升高后降低的变化趋势，最大值出现在40～60 cm土壤层。不同林分类型0～100 cm土层的轻组有机碳所占比例的平均值大小为香蒲桃天然次生林（27.1%）>琼崖海棠天然次生林（26.0%）>大叶相思人工林（17.6%）>木麻黄人工林（14.2%）。总体表现为天然次生林土壤轻组有机碳所占比例高于人工林，且差异显著（p<0.05）。

易氧化有机碳占土壤有机碳含量的多少可用于表征土壤有机碳的稳定性。研究区不同林分类型不同土层的土壤易氧化有机碳占有机碳比例为49.3%～70.1%，随土层加深逐渐减少。不同林分类型0～100 cm土层的易氧化有机碳所占比例的平均值大小为木麻黄人工林（62.2%）>大叶相思人工林（61.1%）>香蒲桃天然次生林（60.4%）>琼崖海棠天然次生林（58.0%）。总体表现为人工林土壤易氧化有机碳所占比例高于天然次生林，其中20～100 cm土壤层存在显著差异（p<0.05），这与不同林分类型0～100 cm土层轻组有机碳占有机碳比例的变化规律基本相反。说明该研究区土壤碳素活性大、易转化，其中人工林土壤碳不稳定性较天然次生林强。

2.4 土壤活性有机碳与土壤理化性质的关系

由表3可知，该研究区土壤轻组有机碳和土壤易氧化有机碳含量均与土壤全氮含量达极显著正相关，与土壤密度存在极显著负相关。人工林林地土壤活性有机碳与土壤含水量、pH、碳氮比亦存在极显著负相关关系（p<0.01）。总体来说，人工林林地土壤活性有机碳与土壤含水量、pH、碳氮比之间的相关性比天然次生林更强。

3 讨论

3.1 热带海岸林地土壤有机碳含量较低

本研究结果表明，在1 m深土壤剖面，热带海岸天然次生林和人工林土壤有机碳含量均值在1.35～6.58 g/kg之间，明显低于海南岛尖峰岭（11.32 g/kg）、霸王岭（14.84 g/kg）、五指山（13.58 g/kg）、吊罗山（13.60 g/kg）、鹦哥岭（16.26 g/kg）等5个热带原始森林的土壤有机碳含量[15]，原因有3点：（1）热带海岸天然次生林和人工林的植被郁闭度低于原始林，且林下植被稀少[16]，导致地表凋落物现存量较少；（2）热带海岸林地距海较近，土壤类型为滨海沙壤土，降水极易引起土壤淋溶，促使土壤养分丢失；（3）热带海岸丰富的降水和持续高温条件加速了有机质的分解和物质的再循环，热带风暴及台风气候对森林的严重破坏导致土壤养分大量流失，均不利于土壤有机碳的积累。

3.2 热带海岸天然次生林土壤活性有机碳含量显著高于人工林

本研究中天然次生林土壤有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳含量均显著高于人工林，这与刘荣杰等[17]的研究结果一致。一方面人工林种植年限短，林分结构单一，地表土壤有机碳来源受限，其次在高温高湿条件下，热带地表凋落物不易存留，大多当年就分解完；另一方面因为研究区距海较近，木麻黄和大叶相思作为保护海岸的先锋树种，其它耐海岸生长环境的林下植被不易生长，造成林下植被覆盖度低。以上说明人工林土壤受强降雨冲刷强度加大，促使土壤养分的流失，是形成人工林土壤碳库含量相对较低的主要原因。

该研究区土壤有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳含量均随土层深度的增加而减少。因为热带海岸土质结构疏松、土壤贫瘠，土壤碳主要来源于地表凋落物，其分解产物率先向浅层土壤转移，在土壤淋溶作用下，分解产物随土壤水分向下层迁移，在迁移过程中，分解产物不断被矿质土壤固持和被稀释。故浅层土壤有机碳的贡献率较高[15]。其中，香蒲桃天然次生林和木麻黄人工林0～20 cm土壤有机碳含量分别占0～100 cm土层的62.95%和45.59%，0～20 cm土壤轻组有机碳含量分别占0～100 cm土层的51.95%和43.30%，0～20 cm土壤易氧化有机碳含量分别占0～100 cm土层的66.04%和48.70%，说明热带海岸香蒲桃天然次生林浅层土壤有机碳贡献率较木麻黄人工林强。

3.3 热带海岸天然次生林土壤有机碳固存能力高于人工林

热带海岸天然次生林在1 m深剖面土壤輕组有机碳分配比例高于人工林，土壤轻组有机碳占有机碳比例变化范围在13.72%～38.6%之间，高于李洁等[18]报道的亚热带丘陵几种林地土壤轻组有机碳占有机碳比例（3.2%～20.2%）。在滨海台地的特殊生态环境中，地上凋落物是轻组有机碳主要来源之一，不同林分类型林下林分密度、盖度和植被生长状况对轻组有机碳含量起关键性作用，这与其他的研究结果一致[19-20]。土壤轻组有机碳主要来源于地表凋落物腐殖层。本研究中，2种人工林地表凋落物存留量少，归还至土壤的轻组部分有机质自然不高。另外，本研究结果发现，2种人工林各土壤层易氧化有机碳含量占土壤有机碳的比例（53.0%～70.1%）均大于天然次生林（49.3%～67.6%），显著高于其它地区的研究结果[21-22]。易氧化有机碳所占比例越高，越不利于土壤碳的储存[23]，这意味着天然次生林有较高的凋落物输入及林下植被结构对于有机质有更好的存蓄功能。

3.4 土壤活性有机碳与土壤因子的关系

本研究中土壤活性有机碳与土壤全氮呈极显著正相关的关系，这是因为土壤活性有机碳的代谢依赖于含氮化合物，并受到氮供应的限制[24]。土壤活性有机碳与土壤密度呈极显著负相关，说明热带海岸滨海沙壤土土质疏松，保水保肥能力弱，不利于活性有机碳的积累。与天然次生林相比，人工林土壤轻组有机碳和易氧化有机碳与土壤密度、含水率、pH、全氮、碳氮比的相关性较紧密，说明土壤因子的微弱变化都能引起人工林土壤有机碳的损失，应减少人为干扰，重点组建单一树种林分结构多树种化、群落多样化。因此，从碳储存能力方面考虑，今后在海岸防护林建设中重点加强对天然次生林群落的保护，人为促进单树种林分结构向多树种群落的更新，为维持热带海岸带生态环境的平衡发展提供保障。

参考文献

[1] 王 棣， 耿增超， 佘 雕， 等. 秦岭典型林分土壤活性有机碳及碳储量垂直分布特征[J]. 应用生态学报， 2014， 25（6）： 1 569-1 577.

[2] 沈 宏， 曹志洪， 胡正义. 土壤活性有机碳的表征及其生态效应[J]. 生态学杂志， 1999， 18（3）： 33-39.

[3] Blair G J， Lefroy R D B， Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation， and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Australian Journal of Agricultural Research， 1995， 46（8）： 1 459-1 466.

[4] Whitbread A M， Lefory R D B， Blair G J. A survey of the impact of cropping on soil physical and chemical properties in northwestern New South Wales[J]. Australian Journal of Soil Research， 1998， 36（4）： 669-681.

[5] Greenland D J， Ford G W. Separation of partially humified organic materials from soils by ultrasonic vibration[C]//Transactions of the eight International Congress of Soil Science， 1964， 3： 137-148.

[6] Haynes R， Beare M. Aggregation and organic matter storage in mesothermal， humid soils[M]//Carter M R， Stewart B A， eds. Structure and Organic Matter Storage in Agriculture Soils. Boca Raton： CRC Lewis Publishers， 1996： 213-262.

[7] 庞学勇， 包维楷， 吴 宁. 森林生态系统土壤可溶性有机质（碳）影响因素研究进展[J]. 应用与环境生物学报， 2009， 15（3）： 390-398.

[8] Quideau S A， Bockheim J G. Biogeochemical cycling following planting to red pine on a sandy prairie soil[J]. Journal of Environmental Quality， 1997， 26（6）： 1 167-1 175.

[9] Collier K J， Jackson R J， Winterbourn M J. Dissolved organic carbon dynamics of developed and undeveloped wetland catchments in Westland， New Zealand[J]. Archiv fur Hydrobiologia， 1989， 117（1）： 21-38.

[10] Li Y， Xu M， Zou X， et al. Comparing soil organic carbon dynamics in plantation and secondary forest in wet tropics in Puerto Rico[J]. Global Change Biol， 2005， 11（2）： 239-248

[11] 杨青青， 陈小花， 余雪标， 等. 濱海台地典型森林类型土壤可溶性有机碳季节变化[J]. 热带作物学报， 2016， 37（1）： 30-35.

[12] Janzen H H， Brandt C A， Lafond S A， et al. Light-fraction organic matter in soils from long-term crop rotations[J]. Soil Science Society of America Journal， 1992， 56（9）： 1 799-1 806.

[13] 徐明岗， 于 荣， 王伯仁. 长期不同施肥下红壤活性有机质与碳库管理指数变化[J]. 土壤学报， 2006， 43（5）： 723-729.

[14] 曾婷婷， 张玲玲， 李意德， 等. 林型转化对土壤pH、 有机碳组分和交换性矿质元素的影响[J]. 生态环境学报， 2016， 25（4）： 576-582.

[15] 杨 怀， 李意德， 任 海， 等. 海南岛热带原始森林主要分布区土壤有机碳密度及影响因素[J]. 植物生态学报， 2016， 40（4）： 292-303.

[16] 杨青青， 杨众养， 薛 杨， 等. 海南文昌滨海台地不同森林林下灌草多样性及其与土壤因子关联分析[J]. 热带作物学报， 2015， 12（12）： 2 238-2 244.

[17] 刘荣杰， 吴亚丛， 张 英， 等. 中国北亚热带天然次生林与杉木人工林土壤活性有机碳库的比较[J]. 植物生态学报， 2012， 36（5）： 431-437.

[18] 李 洁， 盛 浩， 周 萍， 等. 亚热带丘陵几种林地土壤剖面有机碳和轻组有机碳的分布[J]. 土壤通报， 2013， 44（4）： 851-857.

[19] 张宏等， 黄懿梅， 安韶山， 等. 黄土高原森林带植被群落下土壤活性有机碳研究[J]. 水土保持研究， 2013， 20（3）： 65-70.

[20] 徐 侠， 王 丰， 栾以玲， 等. 武夷山不同海拔植被土壤易氧化碳[J]. 生态学杂志， 2008， 27（7）： 1 115-1 121.

[21] 陈 刚， 涂利华， 彭 勇， 等.瓦屋山扁刺栲中华木荷常绿阔叶次生林土壤有机碳组分特征[J]. 生态学报， 2015， 35（18）： 6 100-6 109.

[22] 卢 慧， 丛 静， 薛亚东， 等. 海拔对神农架表层土壤活性有机碳含量的影响[J]. 林业科学， 2014， 50（8）： 162-167.

[23] 朱志建， 姜培坤， 徐秋芳. 不同森林植被下土壤微生物量碳和易氧化态碳的比较[J]. 林业科学研究， 2006， 19（4）： 523-526.

[24] Larcher W. 植物生态生理学（第五版）[M]. 翟志席， 译. 北京： 中国农业大学出版社， 1997： 11.