海南尖峰岭热带山地雨林土壤有机碳储量和垂直分布特征

蔡文良，谢艳云，唐雯

重庆水利电力职业技术学院水利工程学院，重庆 402160

放眼全球生态系统，其主要的构成是海洋、陆地及大气等，海洋分布面积广阔，但是为人们提供居住生活的区域绝大部分还是依赖于陆地（Lange et al.，2015；Dietzel et al.，2017；Liang et al.，2017），尽管其面积不足全球的一半，但是却成为了人类及大多数动植物生活的载体，对于全球生态系统起着尤为重要的作用。就陆地生态而言，其80%左右的碳库主要依靠着森林系统，由于森林面积广阔，因此其对土壤碳库的影响超过了70%（Van et al.，2015；Schuur et al.，2015），作为尤为重要的碳调节系统，其固碳量达到了陆地碳库的三分之二，其林地碳含量的不断变化将对陆地碳平衡产生着关键作用，甚至对大气碳库产生制约作用。对于陆地有机碳而言，凭借其数量庞大的碳储量，在整个大气碳循环过程中的作用尤为关键，其10%的变化相当于人类活动30年所产生的二氧化碳量，由此可见其变化对碳循环的影响（Jian et al.，2016；Huang et al.，2018）。就土壤有机碳而言，其较为明显的特点就是稳定而长效，且是关键的碳源物质之一，在碳循环中扮演着无可替代的角色。这也是大量学者开展有机碳研究的原因之所在（Pries et al.，2016），通过不少学者的研究发现，中国森林碳储量已经在发生着较明显的变化，对于碳循环产生着制约（Liu et al.，2017；Ahirwal et al.，2017），且进行了大量的实地研究。

热带森林面积虽然仅占全球植被的22%，但其净初级生产力却占世界陆地生产力的32%-43%，其植被碳储量占全球植被活体碳库的46%，土壤碳储量占全球土壤碳库的11%，热带森林在全球碳循环中的重要作用已引起了研究人员的广泛关注（梁博毅等，2016；姚武韬等，2017；卢同平等，2018）。海南热带森林占全国热带森林面积的31.4%，是受全球气候变化影响的敏感区域，在生态环境建设中起举足轻重的作用（李强等，2019）。海南岛尖峰岭位于世界热带的北缘，其热带山地雨林属于由热带雨林向亚热带雨林过渡的类型，这一过渡性质决定了其在研究世界热带和亚热带雨林生态系统中具有不可替代的地位（郭晓伟等，2015；杨怀等，2016）。前人对海南尖峰岭的土壤性质已开展了大量的研究，然而对海南岛热带原始林土壤碳储量的研究尚不多见（王亚军等，2016；周文君等，2016）。本文以海南主要热带原始森林土壤为研究对象，采用土壤纵向拟合法和土壤分层法分别计算土壤碳储量，阐明其与地形、植被、土壤理化性质的关系，为进一步精确估算海南岛热带原始林土壤碳库提供科学依据。研究热带雨林土壤有机碳储量和垂直分布特征，对于深入分析热带雨林土壤有机碳储量，以及热带雨林的保护具有重要的科学和指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该研究区域位于尖峰岭自然保护区内，其山地雨林较为原始，形成了较自然的生态分布，受到所在区域地理位置的制约，该区域的林木分布主要是热带山地雨林，该研究区域南北长度大约600 m，东西宽约1000 m，其海拔接近于950 m，具有较为复杂的地形分布。该区域具有复杂多样的物种分布，其多样性较高，但是并没有明显的优势种群；对于该区域而言，其林分生物量约为645 t·hm-2，受到所在经纬度的影响，其气候特点具有明显的热带季风特点，其水分条件较为丰富；根据近年来其气象资料研究得知，其年均气温接近于20 ℃，最低气温约为14 ℃，其年均积温超过了7200 ℃，由于该区域具有较好的水热条件，因此具有接近于88%，降雨量超过2400 mm，呈现出典型的干季、湿季分布；但是该区域常常受到台风的影响，年均达到8次以上，强台风影响约为3次，出现2次以上台风登陆；该区域大部分降雨出现在夏季，且该区域夏季相对较长，且暴雨居多，容易受到水涝的影响。

1.2 样地设置

在尖峰岭热带山地原始雨林选择20年香蒲桃天然林（优势种为香蒲桃Sweet acuminatissima、伴生有大叶蒲葵Livistona saribus、油丹Alseodaphne hainanensis和三角瓣花Prismatomeris tetrandra）、20年南亚松天然林（优势种为南亚松Pinus latteri、厚壳桂Cryptocarya chinensis、大叶白颜Gironnierasubaequalis）、20年桉树人工林（优势种为桉树Eucalyptus、油丹Alseodaphne hainanensis和三角瓣花Prismatomeris tetrandra）和20年橡胶人工林样地（优势种为橡胶Hevea brasiliensis，伴生大叶蒲葵Livistona saribus、三角瓣花Prismatomeris tetrandra），于2016年8月进行野外土壤采样，每种林型选择3个重复样地，每个样地设置15个重复样方（10 m×10 m），分5个剖面层次采取土样（0-20、20-40、40-60、60-80、80-100 cm）。其中，0-20 cm层清除土壤表层枯落物和腐殖质，然后用土钻取土壤样品，再以交叉点为基点，在基点周围选取4个采样点采集土壤混合样品，然后四分法保留1 kg土壤自然风干；在挖取每份土样的同时，采集环刀土测定土壤容重，2017年和2018年重复上述采样。

1.3 土壤养分测定

土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾氧化容量法测定，土壤容重采用环刀法测定；电导率采用电极法；黏粉粒含量采用干筛法；全氮采用凯氏定氮法；全磷采用钼锑抗比色法；活性有机碳（LOC）采用高锰酸钾氧化法（王亚军等，2018）。

土壤有机碳储量是指单位面积一定厚度的土层中有机碳的质量（Mg·hm-2）。不同退耕还林地土壤有机碳储量采用等质量法计算，该法能够避免单位体积土壤质量不同引起的碳储量差异，能更准确反映不同土地利用措施对有机碳库储量的短期影响。计算公式如下（李强等，2019）：

式中m1为单位面积土壤质量，Mg·hm-2；ω为土壤有机碳质量分数，g·kg-1；ρ为土壤体积质量，g·cm-3；d为土壤深度，m。

所有数据均为各处理结果的平均值；影响采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）；数据分析软件为SPSS 21.0。

2 结果与分析

2.1 热带山地雨林土壤有机碳含量

由表1可知，在垂直方向，不同年份热带山地雨林土壤有机碳含量均随着土层深度的增加而逐渐降低，表层最大，表现出明显的“表聚性”，且有机碳主要集中分布在土壤的表层，其中表层随着年份的增加其增加趋势较为明显，深层有机碳含量随年份的变化不明显。对于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳变化范围在5.58-6.21 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均显著（P＜0.05）；对于南亚松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳变化范围在5.34-6.15 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均显著（P＜0.05）；对于桉树人工林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳变化范围在1.66-1.75 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，2018年显著高于2016年和2017年（P＜0.05），2016年和2017年差异不显著（P＞0.05）；对于橡胶人工林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳变化范围在1.69-1.74 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，2018年显著高于2016年和2017年（P＜0.05），2016年和2017年差异不显著（P＞0.05）。此外，不同年份不同土层深度热带山地雨林土壤有机碳含量均表现为香蒲桃天然林和南亚松天然林显著高于桉树人工林和橡胶人工林。

表1 热带山地雨林土壤有机碳含量 Table 1 Soil organic carbon of tropical mountain rainforest in Hainan Jianfengling g·kg-1

2.2 热带山地雨林土壤有机碳储量

由表2可知，在垂直方向，不同年份热带山地雨林土壤有机碳储量均随着土层深度的增加而逐渐降低，表层最大，表现出明显的“表聚性”，且有机碳储量主要集中分布在土壤的表层，其中表层随着年份的增加其增加趋势较为明显，深层有机碳储量随年份的变化不明显。对于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳储量变化范围在67.60-74.48 g·m-2之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均显著（P＜0.05）；对于南亚松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳储量变化范围在69.85-74.85 g·m-2之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均显著（P＜0.05）；对于桉树人工林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳储量变化范围在22.82-26.22 g·m-2之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均显著（P＜0.05）；对于橡胶人工林，2016-2018年0-100 cm平均土层有机碳储量变化范围在20.56-23.58 g·m-2之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均显著（P＜0.05）。此外，不同年份不同土层深度热带山地雨林土壤有机碳储量均表现为香蒲桃天然林和南亚松天然林显著高于桉树人工林和橡胶人工林。

表2 热带山地雨林土壤有机碳储量 Table 2 Soil organic carbon storage of tropical mountain rainforest in Hainan jianfengling g·m-2

由表3可知，在垂直方向，不同年份热带山地雨林土壤有机碳占有机碳储量比例均随着土层深度的增加呈先增加后降低趋势。对于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有机碳占有机碳储量比例变化范围在41.48-44.88之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，其中2018年有所降低；对于南亚松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有机碳占有机碳储量比例变化范围在39.57-45.48之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，其中2018年有所降低；对于桉树人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有机碳占有机碳储量比例变化范围在38.56-41.79之间，随着年份的增加呈明显的降低趋势；对于橡胶人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有机碳占有机碳储量比例变化范围在41.15-45.40之间，随着年份的增加呈明显的降低趋势。

2.3 土壤活性有机碳含量及所占比例

由表4可知，在垂直方向，不同年份热带山地雨林土壤活性有机碳均随着土层深度的增加而逐渐降低，表层最大，表现出明显的“表聚性”，且土壤活性有机碳主要集中分布在土壤的表层，其中表层随着年份的增加其增加趋势较为明显，深层土壤活性有机碳随年份的变化不明显。对于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土层土壤活性有机碳变化范围在1.60-1.67 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均不显著（P＞0.05）；对于南亚松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土层土壤活性有机碳变化范围在1.56-1.65 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势；对于桉树人工林，2016-2018年0-100 cm平均土层土壤活性有机碳变化范围在0.35-0.38 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均不显著（P＞0.05）；对于橡胶人工林，2016-2018年0-100 cm平均土层土壤活性有机碳变化范围在0.33-0.37 g·kg-1之间，随着年份的增加呈明显的增加趋势，并且不同年份差异均不显著（P＞0.05）；此外，不同年份不同土层深度热带山地雨林土壤活性有机碳均表现为香蒲桃天然林和南亚松天然林显著高于桉树人工林和橡胶人工林。

此外，在垂直方向，不同年份热带山地雨林土壤活性有机碳占有机碳比例均随着土层深度的增加呈先增加后降低的波动趋势。对于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有机碳占有机碳比例变化范围在26.84-28.64之间，随着年份的增加呈降低趋势；对于南亚松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有机碳占有机碳比例变化范围在26.55-29.18之间，随着年份的增加呈降低趋势；对于桉树人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有机碳占有机碳比例变化范围在20.87-21.85之间，随着年份的增加呈增加趋势；对于橡胶人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有机碳占有机碳比例变化范围在19.62-21.26之间，随着年份的增加呈增加趋势。

表3 热带山地雨林土壤有机碳占有机碳储量比例 Table 3 The ratio of soil organic carbon in soil organic carbon storage of tropical mountain rainforest in Hainan jianfengling

表4 土壤活性有机碳含量及所占比例 Table 4 Content and proportion of active organic carbon in soil of tropical mountain rainforest in Hainan jianfengling

2.4 土壤有机碳和活性有机碳的影响因素

由图1可知，土壤有机碳和活性有机碳受各种因素的影响，本研究中，采用线性相关分析了土壤有机碳和活性有机碳与pH值、电导率、砂粒（2.00-0.05 mm）含量、黏粉粒（＜0.05 mm）含量、全氮和全磷含量的相关性。结果显示土壤有机碳与pH值和砂粒含量呈显著的负相关关系（P＜0.05），与电导率、黏粉粒含量、全氮呈显著的正相关关系（P＜0.05），与全磷含量没有显著的相关性（P＞0.05），其中与全氮的相关系数最大。

图1 土壤有机碳含量的影响因素 Fig. 1 Influencing factors of soil organic carbon content

由图2可知，土壤活性有机碳与pH值和砂粒含量呈显著的负相关关系（P＜0.05），与电导率、黏粉粒含量、全氮呈显著的正相关关系（P＜0.05），与全磷含量没有显著的相关性（P＞0.05），其中与全氮的相关系数最大。此外，土壤活性有机碳的相关系数高于土壤有机碳。

2.5 土壤深度和林型对土壤有机碳和活性有机碳的影响

由表5可知，土壤深度和林型对土壤有机碳和活性有机碳具有显著的影响，其中林型和土层深度对有机碳含量具有显著的影响（P＜0.05）；林型对有机碳储量具有显著的影响（P＜0.05）；林型、土层深度、林型×土层深度对土壤活性有机碳具有显著的影响（P＜0.01）。

3 讨论

温室效应对环境产生了重要的影响，其缓解方法之一就是通过土壤来提升碳储量，这在陆地碳循环过程中具有重要意义（许格希等，2016），也是不少学者所关注的。对于尖峰岭热带雨林而言，其生态系统分布的空间差异尤为明显，这对于碳储量的分布起着较大的制约作用，同时对其储量情况估算产生不确定性。通过研究发现，与全国平均森林碳储量相比而言，该区域明显较低，主要原因在于其低纬度分布的特点，在降雨及高温影响之下，有机质分解的速度提升，这样能够加速物质循环，对碳成分的消耗较大，降低了碳积累（刘顺等，2017；冯德枫等，2017）。但该区域碳储量高于广西及北美等地，这说明其固碳能力还是较为明显。

通过研究得知，土层深度不同，其有机碳分布也呈现较为明显的差异，这不仅与凋落物分布有关，同时还受到淋溶作用的影响，此外，根系分布的深度及发达程度也会直接制约着碳储量，微生物活动强弱也对碳分布产生明显制约（姚武韬等，2017；熊壮等，2018）。深入探讨有机碳的土层分布差异能够对碳库变化产生更详细的了解，从而对其动态变化及碳循环过程进行更深入的探究，并开展相应的碳平衡预测（万忠梅等，2011；张仕吉等，2016）。通过本研究分析得知，对于20 cm土层而言，其碳储量具有更大的变化性，与其他土层相比而言稳定性较差，而20-100 cm处土壤具有更强的碳储量稳定性。与更深处土壤相比而言，上层具有更大的碳密度，主要原因在于凋落物作用下形成了较多碳含量，且浅层处根系更为发达，因此出现了较大的碳密度，且容易产生较明显的变化。在土层不断增加的情况下，活性碳含量逐渐递减，主要原因在于微生物分解作用下大量的凋落物等腐殖质被分解为有机质，并逐渐进入土壤，这使得浅层土壤具有更高含量的有机质，从而导致土层深处具有较低含量的活性碳（万晓华等，2016；许格希等，2016；高君亮等，2016）。通过相关分析得知，对于土壤活性碳及有机碳而言，其与pH值的负相关达到显著，但与电导率及全氮之间的正相关具有显著性，均通过了0.05的检验水平；但是与全磷之间并没有明显的关系；其中相关系数最大的是全氮。

图2 土壤活性有机碳含量的影响因素 Fig. 2 Influencing factors of soil active organic carbon content

表5 土壤深度和林型对土壤有机碳和活性有机碳的影响 Table 5 Effects of soil depth and forest type on soil organic carbon and active organic carbon

对于有机碳而言，其不仅受到水分及温度等自然环境因子的制约，同时不同的土地利用方式也会对碳储量产生明显的制约，此外，二氧化碳浓度也会造成相应的影响（宁川川等，2016）。通过研究分析得知，对于有机碳含量而言，其与土壤黏粉粒之间的正相关达到显著水平，但与砂粒之间具有负向的关系（杨勇等，2015；罗薇等，2018），以往学者通过分析也得出了类似的结论。微生物活性受到土壤pH值的影响，最终导致碳素输出受到明显制约；通过相关分析得知，对于土壤活性碳及有机碳而言，其与全氮之间的正相关具有显著性，且具有较大的相关系数。本研究在实验分析过程中采用了交互分析，对于有机碳及活性碳而言，不仅林木类型差异能够带来显著影响，而且还受到土层深度的制约，二者的交互作用也对其产生显著影响（P＜0.01）。

4 结论

2016-2018年热带山地雨林土壤有机碳含量和有机碳储量在垂直方向呈一致的变化规律，均随着土层深度的增加而逐渐降低，表现出明显的“表聚性”，其中表层随着年份的增加其增加趋势较为明显，深层有机碳含量随年份的变化不明显。2016-2018年热带山地雨林不同土层深度土壤活性有机碳均表现为香蒲桃天然林和南亚松天然林显著高于桉树人工林和橡胶人工林。土壤有机碳和活性有机碳与pH值和砂粒含量呈显著的负相关关系（P＜0.05），与全磷含量没有显著的相关性（P＞0.05），其中与全氮的相关系数最大，土壤活性有机碳的相关系数高于土壤有机碳。由此说明全氮对土壤有机碳和活性有机碳的贡献较大，并且土壤活性有机碳的变化更为敏感。土壤深度和林型对土壤有机碳和活性有机碳具有显著的影响，其中土壤活性有机碳对林型和土层深度的响应较为敏感，而林型和土层深度海南尖峰岭热带山地雨林土壤有机碳储量起着决定性作用。