海南西部热带雨林次生林土壤易氧化有机碳分布特征及影响因素

吴 慧，赵志忠，吴 丹

（海南师范大学地理与环境科学学院/海南省地表过程与环境变化重点实验室，海南 海口 571158）

【研究意义】土壤活性有机碳（Active organic carbon,AOC）的迁移转化对土壤养分、植物生长、大气环境具有重要影响，是土壤有机碳（Soil organic carbon,SOC）变化的先行指标［1］，其不仅直接影响土壤化学物质的溶解与迁移转化，还间接影响土壤质量变化［2］，此外，AOC的迁移转化也对陆地生态系统碳循环具有非常重要的意义［3］。易氧化有机碳（Readily oxidizable organic carbon,ROC）作为AOC 的重要组成部分，其在土壤中的赋存特点与演变规律在近年来已成为土壤学、环境科学和生态科学领域的研究热点。

【前人研究进展】森林生态系统是陆地生态系统最大碳库，约占陆地总碳量的46%，而森林土壤碳库占据整个森林生态系统碳库2/3 的库容量［4］，是大气CO2的重要碳汇，其在缓解全球气候变暖中占据重要地位。森林生态系统中巨大的土壤SOC 库容，其较小的幅度变化都是引起大量碳排放，ROC 的地球化学行为能较好地反映生态系统中SOC 的动态变化，因此森林土壤ROC的空间分布、迁移转化及影响机理研究一直备受学者关注。如刘明慧等［5］研究长白山原始红松林不同的海拔梯度变化对土壤ROC 含量和生长季动态变化的影响，认为高海拔的ROC 含量比低海拔ROC 含量高且含量最高值分别出现在5 月和6 月；李学斌等［6］指出不同土地利用方式的改变会导致土壤ROC 发生空间变异，ROC 能够敏感反映土壤碳库的改变；齐思明［7］研究发现不同程度植被恢复会促进＞1 mm 各粒径团聚体中AOC累积，＜1 mm 各粒径ROC 含量随着林龄增加而显著增加，这些研究无疑使人们对森林土壤ROC 有了更深认识。海南热带雨林公园拥有我国面积最大的热带雨林，是海南建设国家生态文明示范区的基石。虽然海南热带山地雨林分布地地势陡峻，可进入性较差，但是已有的学者对雨林生态系统的土壤有机碳分布规律和碳库特征进行过初步研究，如郭晓伟等［8］研究了雨林土壤有机碳密度空间分布特征，指出地形是一个重要的影响因素；管利民等［9］对海南省不同林龄橡胶人工林土壤SOC 分布和影响因素讨论和分析，认为气候条件、土壤质地和林地经营管理都是影响其SOC 含量的主要因子。

【本研究切入点】目前相关研究大都局限于尖峰岭地区的原始林地，有关林区外围次生林及西部其他雨林地区土壤ROC 分布规律及其演化特征的研究甚少涉及，导致中西部地区次生林土壤ROC 分布的总体规律难以厘定。【拟解决的关键问题】海南岛尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭山地处于全球热带雨林的北部边缘，其特殊的地理位置对开展北半球热带雨林研究十分有利，有鉴于此，本研究以海南省西部山区次生林作为研究对象，分析林内土壤ROC 含量的空间和垂直剖面分布特征及其与环境影响因素相关性，旨在扩充区内森林生态系统碳循环的基础资料，以期为合理保护森林生态系统、土壤碳库的培育与改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

选取位于海南省中西部地区乐东县尖峰岭、昌江县霸王岭、白沙县鹦哥岭3 个区域的次生林作为研究对象，地理位置为18° 24'～19° 30' N、108° 38'～109° 42' E，地处热带海洋性季风气候，光照充足、日照时间长，干湿季分明。其中尖峰岭年均气温19.8 ℃，年均降水量2 449 mm［10］；霸王岭年均气温 22.5℃，年均降水量2 553 mm［11］；鹦哥岭年均气温20～24 ℃，年均降水量1 800～2 700 mm［12］。研究区地势起伏大，原始林内生物数量多、种类丰富。在原始林外围，由于人类的开发，次生林占比最高。本次研究选择的样区均位于次生林区，其中尖峰岭采样区位于乐东县西北部，霸王岭和鹦哥岭采样区分别位于昌江县和白沙县东南部。区内土壤类型主要为赤红壤、砖红壤，砖红壤土层深厚，质地黏重，易发生富铁铝化，且表土生物累积作用强，有机质含量较高；赤红壤为砖红壤和红壤的过渡型，风化淋溶作用略差于砖红壤，植被残体降落地面氧化分解促进赤红壤形成和肥力演变。3 座山地树种主要以公益林的马尾松、鸡毛松、水杉、铁杉为主，此外尖峰岭样地还分布有经济林槟榔树、橡胶树等。

2021 年8 月，在霸王岭、尖峰岭、鹦哥岭山地3 片热带雨林的外围区各选取具有代表性的11 个样地，样地海拔范围分别为100～830、190～660、230～420 m，坡度均在35°以下。在样地内随机设置面积约20 m×20 m 的样方，用梅花布点法选择5 个采样点。先去除土壤表面杂物，再用洛阳铲、铁锹等工具在各采样点分层采集距地表面0～10、10～30、30～50 cm 柱状土壤样品，将各个样方内各采样点相同土层的土样混合成一个土样放入已经做好标记的塑料密封袋，共采集99 个样品，分别装入聚乙烯密封袋密封。使用手持GPS 记录经纬度坐标和海拔。

1.2 样品处理与分析

实验室内对土壤样品去除生物肢体、树枝、石块等物质，放入聚乙烯托盘自然风干，选取一部分样品分装测试样品粒度，一部分压碎碾磨，过孔径0.150 mm 筛后，分样待测。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法；土壤粒度分级采用美国制划分标准，激光粒度分析仪（Mastersizer 2000，Malver）测定［13］，计算黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm）所占百分比；土壤ROC 采用高锰酸钾氧化法［14］，在测量土壤有机碳方法的基础上得到改进，根据不同浓度高锰酸钾的氧化程度判断有机碳的活性程度。

分别使用Microsoft excel 2010 和spss 19.0（SPSS Inc.，USA）软件对数据进行预处理和统计分析，采用双变量相关分析法分析各指标Pearson 相关系数，或者采用回归方法分析各指标的相关性。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）分析不同土层对土壤ROC 的影响是否具有显著性，采用origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 海南西部次生林土壤ROC 含量空间分布特征

海南西部尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭山地热带雨林外围次生林土壤ROC 含量平均值分别为2.05（±0.28）、2.64（±0.38）、2.91（±0.33）g/kg，即ROC 平均含量依次为尖峰岭＜霸王岭＜鹦哥岭，这与区内土壤SOC 含量分布特征变化一致。尖峰岭、霸王岭和鹦哥岭在0～50 cm 土壤柱状剖面上ROC 含量范围分别为0.54～4.45、0.56～6.66、0.79～5.28 g/kg，西部3 座山地土壤总体上ROC平均值为2.53（±0.195）g/kg，占SOC 的18.73（±0.256）%（表1），单因素方差分析表明，相同土层不同山地ROC 含量不存在显著差异。相关性分析显示，海南西部3 座山地ROC 与SOC呈现显著或者极显著正相关（表2）。

表1 土壤SOC 和ROC 的描述性统计分析Table 1 Descriptive statistical analysis of SOC and ROC in soil

表2 土壤SOC 和ROC 的相关性分析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变化

在0～50 cm 土壤垂直剖面中，霸王岭土壤表层（0～10 cm）ROC 含量为4.27（±0.58）g/kg，是3 个区中表层土壤ROC 含量最大的；鹦哥岭土壤表层ROC 含量次之，为4.25（±0.38）g/kg。在土壤深层（30～50 cm）中，尖峰岭土壤ROC 含量在3 个区中最小，为1.22（±0.20）g/kg。土壤表层ROC 含量与中层、深层具有显著差异，中层与深层SOC 含量无显著差异（图1）。不同山地0～10 cm ROC 含量占据整个剖面0～50 cm 的48.82%～53.87%，说明ROC 含量表聚性较强，其中尖峰岭表层到中层平均ROC 含量下降幅度最大。

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

尖峰岭、霸王岭和鹦哥岭次生林ROC/SOC自表层向底层逐层递减，这与ROC 含量在土壤垂直剖面的变化规律一致。通过对土壤表层、中层和下层的ROC 占整个土壤垂直剖面的分配比例进行分析，发现表层ROC 的易氧化碳活性远大于中层和下层（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 与土壤质地分布、pH 相关性分析

运用激光粒度分析仪分析得到尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭3 座山地垂直剖面土壤质地分布的质量分数，进一步将粒度与ROC 含量进行相关性分析，发现尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭土壤质地与ROC 均呈极显著相关，尖峰岭、霸王岭ROC 含量与粉粒+黏粒呈极显著负相关，而鹦哥岭ROC含量与粉粒+黏粒呈极显著正相关，ROC 含量与土壤黏粒+粉粒相关系数R2分别为0.37、0.51、0.28（图2）。对土壤pH 值与ROC 含量进行相关性分析，发现土壤ROC 含量与pH 值均呈显著相关，ROC 含量与土壤pH 的相关系数R2分别为0.2116、0.3091、0.2391，相关性强弱依次为霸王岭＞鹦哥岭＞尖峰岭（表4）。

图2 土壤ROC 含量与黏粒+粉粒百分比的相关性Fig.2 Co rrelation analysis between ROC content and proportion of silt+clay

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

3 讨论

海南岛地势具有“中高周低”的特点，夏秋季节主要容易受东南季风和热带气旋的影响，在地势抬升的作用下，海南省中西部3 座山地的降水量由小到大依次为尖峰岭＜霸王岭＜鹦哥岭。需指出的是，海南岛虽然也受西南季风影响，但是西南季风因为经过中南半岛到达海南岛已经是强弩之末，故降水量较小，对区内影响不大，因此东南季风是影响区内降水的主要因素。一般认为，降水量与森林植被对土壤有机质含量具有重要影响，降水量增多会增加土壤有机物产量，并进一步增加土壤有机质总量［15］，而森林植被类型对有机质残体进入土壤中的数量起到关键决定性作用。就海南省西部来说，3 座山地区内次生林的植被类型差别不大，而降水量表现为尖峰岭＜霸王岭＜鹦哥岭，故导致区内SOC 平均含量表现为尖峰岭＜霸王岭＜鹦哥岭。此外，已有研究表明土壤养分与SOC 含量具有极显著相关性，霸王岭和鹦哥岭相较于尖峰岭来说土壤颜色偏深，为棕褐色和砖红色，反映其土壤养分含量更高，进而导致霸王岭和鹦哥岭更利于SOC 的累积。由于ROC 很大程度上取决于SOC,最终使得西部次生林ROC 平均含量为尖峰岭＜霸王岭＜鹦哥岭。

地表往下50 cm 是土壤SOC 累积的主要空间，因此土壤SOC 在0～50 cm 深度范围内的变化特点受到人们的广泛关注［16-17］。海南省西部山区次生林ROC 含量具有随着土层的增加而逐渐减小的特征，而导致这一现象的主要原因有：一是SOC 在垂向上的分布与土壤中的草本和木本植物根系密切相关，深层土壤根系相对较少［18］且由根系腐烂分解产生的有机质也较少，最终导致深部ROC 含量降低；二是表层土壤受暖湿气候环境影响，可以加速地表凋落物分解，因此表层ROC含量高。就每一个区域来说，土壤表层凋落物分解产生的SOC 和ROC 可通过淋溶逐步往下部迁移，所以迁移量自表层往下逐步减少。正是以上原因，导致表层SOC 和ROC 含量偏高且呈现“表聚”现象。

土壤ROC/SOC 比值大小相较于ROC 含量变化更能反映外界环境对ROC 的影响，其比值越大土壤有机碳活性越强，反之则土壤越稳定。区内尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭山地土壤ROC/SOC 比值总体表现为随土壤剖面深度递增而递减，这是因为ROC 大多是由新近凋落植物残体分解组成，区内的热带季风气候导致区内拥有充足的水热资源，促进了微生物对地表枯枝落叶的分解速度加快，使表层ROC 含量的增加速度快于SOC 的增加速度，并最终导致ROC 占全碳比值随着土壤剖面深度递增而递减。但需指出的是，区内ROC/SOC 比值在土壤0～50 cm 垂直剖面上还是有一定差异，不同区域ROC/SOC 比值大小依次为霸王岭＞鹦哥岭＞尖峰岭，其中霸王岭和鹦哥岭的ROC分配比例相差不大，说明霸王岭、鹦哥岭土壤有机碳活性更高，转化速率快。

区内尖峰岭和霸王岭ROC 的分布与粉粒+黏粒含量呈极显著负相关，而鹦哥岭ROC 与粉粒+黏粒呈显著正相关，主要是因为尖峰岭和霸王岭ROC 多分布在大团聚体内部，容易导致活性碳转变成非活性碳［19］，在大团聚体受降水冲刷变成小质地团聚体后，土壤ROC 结合作用减弱，活性碳则失去活性；此外，尖峰岭和霸王岭次生林在山地外围区受到人类活动影响强烈，也加剧了土壤活性成分转变为惰性成分［20］。可以认为，正是上述两个原因最终导致尖峰岭和霸王岭次生林土壤呈现出粉粒+黏粒含量越多而ROC 含量越低的特征。由于鹦哥岭地险山陡，尤其是雨水冲刷破坏了大团聚体的胶结物质，使其微团聚体大量释放出来，但黏粒和粉粒继续分布在小质地团聚体内部，且团聚体不易破碎，稳定性较好，抗侵蚀力较强［21］，微团聚体数量增加反而使土壤ROC 含量变高，因此鹦哥岭ROC 与粉粒+黏粒呈显著正相关。至于不同研究区立地条件具体对ROC 的影响程度如何，还需要进一步更深层次的研究。

pH 可通过影响微生物活性间接影响ROC 含量。微生物在酸性土壤种类受到限制，主要是以真菌的形式存在，可以降低微生物对有机质的分解速度和利用率。西双版纳3 种不同次生演替阶段的热带森林ROC 含量与pH 呈显著负相关［22］，这与本研究结果一致，因此土壤pH 能够对ROC空间分布特征产生重要影响。但也有研究发现秦岭典型林分土壤ROC 含量与pH 值不存在显著相关性［4］，这可能与所处地区气候、植被、微生物数量等条件密切相关。

4 结论

本研究结果表明，海南西部山区次生林土壤ROC 的分布特征受到质地分布、pH 等不同因素影响，进而影响ROC 与SOC 两者之间的关系，研究区内ROC 总体分布规律呈现以下特征：

（1）海南省西部山区尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭次生林土壤ROC 含量平均值分别为2.05（±0.28）、2.64（±0.38）、2.91（±0.33）g/kg，与SOC 含量分布特征变化规律一致。ROC 含量在0～50 cm 土壤垂直剖面上随着土层的增加而逐渐减小，土壤表层ROC 含量与中层、深层差异显著。

（2）西部天然次生林ROC 分配比例在3.82%～43.55%之间，平均值大小依次为霸王岭＞鹦哥岭＞尖峰岭，次生林表层ROC 的活性远大于中层和底层。这是因为研究区ROC 主要是由新近凋落植物残体分解组成，热带季风气候区充足的水热资源导致土壤表层微生物分解速率加快，表层ROC 含量增加速度快于SOC 增加速度，最终导致ROC 占全碳比值随着土壤剖面深度递增而递减。

（3）尖峰岭和霸王岭ROC 与粉粒+黏粒含量呈极显著负相关，而鹦哥岭ROC 与粉粒+黏粒呈极显著正相关；ROC 含量与土壤黏粒+粉粒相关系数R2依次分别为0.37、0.51、0.28；土壤ROC 含量与pH 值均呈显著负相关，相关性强弱依次为霸王岭＞鹦哥岭＞尖峰岭。