海南省西部热带雨林次生林土壤有机碳的分布特征1)

2022-10-08吴慧赵志忠王军广陈红利霍红义吴雯

东北林业大学学报 2022年9期

吴慧赵志忠王军广陈红利霍红义吴雯

(海南师范大学，海口，571158)

碳广泛存在大气、海洋、生物体、土壤中，是地球上最丰富的元素之一，其中全球土壤有机碳储量是大气碳储量的2倍，是陆地植被碳储量的2～4倍[1]。土壤有机碳是土壤的重要组成部分，其质量分数的高低影响土壤质量、产量以及水分的维持[2]，土壤对CO2的吸收固持功能在缓解全球气候变暖方面具有突出作用[3]。土壤有机碳(SOC)受气候、地形、水文、植被等自然要素和施肥、培土等人为活动的影响[4]，土壤有机碳直接影响土壤的理化性质，同时也受其影响，两者相互联系[5-6]，共同促进土壤生态系统的发展和变化。

一般认为，森林生态系统总碳量约占全球的45%，其中约50%聚集在土壤表层和枯枝落叶层[7-8]，而在森林生态系统中，热带雨林土壤碳储量占全球碳库的11%[9]，故而其在全球碳循环的重要性受到特别关注。我国现有的森林面积原始林和次生林分别占6%和57%[10]，次生林占主体地位，其对我国实现碳达峰与碳中和目标具有不可忽视的作用。

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作为我国首批国家公园的海南热带雨林公园，其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。区内的热带雨林由天然原始林和次生林组成，其中大部分分布于海拔500 m以下的次生林是热带雨林的主要组成部分。长期以来，因海南热带山地雨林分布地地势陡峻，树多藤密，可进入性较差，导致人们对海南省热带雨林土壤有机碳的分布特征研究较少。虽有李意德等[11]、杨怀[12]、郭晓伟等[13]学者开展过热带山地雨林碳储量估算、土壤碳氮空间格局、土壤有机碳空间分布特征研究，对海南岛热带山地雨林土壤有机碳研究具有一定的借鉴意义，但这些研究范围仅局限在尖峰岭，不能充分反映热带雨林土壤有机碳的赋存规律。且需特别指出的是，学者们对雨林区边缘林带的次生林土壤有机碳的赋存规律没有开展过研究，人类干扰下热带雨林土壤有机碳赋存规律及影响机理还未厘清。海南岛尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭山地处于世界热带雨林的北部边缘，其特殊的地理位置对我国研究热带雨林具有重要作用，有鉴于此，本文以海南省热带雨林西部区域最具代表性的3座山地外围区次生林作为研究对象，分析其在空间范围内和垂直方向上土壤有机碳质量分数的分布规律，探讨土壤粒度、pH对土壤有机碳分布特征的影响，为厘清热带雨林地区土壤有机碳影响因子和碳汇特征，旨在为海南省西部次生林碳库储量研究提供基础数据，并进而为海南自由贸易港生态文明示范区建设提供科学的理论依据。

1 研究区概况

本文选取位于海南岛热带雨林中西部地区的乐东尖峰岭、昌江霸王岭、白沙鹦哥岭3区域的次生林作为研究对象(18°24′～19°30′N，108°38′～109°42′E)地处热带季风气候，光照充足、日照时间长，尖峰岭年均气温19.8 ℃，年均降水量2 449 mm，≥10 ℃的年平均积温7 204 ℃[14]；霸王岭年平均气温22.5 ℃，平均降水量2 553 mm；随海拔的增加由山地红壤逐渐转变为山地黄壤和山地草甸土[15]；鹦哥岭年均气温为22 ℃，年降水量为1 800～2 700 mm[16]。西部山区干湿季分明，地势起伏大，生物数量多、种类丰富。原生植被以原始热带季雨林为主，林分复杂[17]。原生林外围则由于人类的开发，次生林占比最高，本次研究选择的样区均为于次生林区(图1)，林区树种主要为水杉、铁杉、马尾松、鸡毛松、马占相思等，少量经济林地主要为橡胶林和槟榔林地。

图1 采样点具体位置分布

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与测定

2021年8月在霸王岭、尖峰岭、鹦哥岭3座山的外围选取具有代表性11样地(表1)，每个样地采用梅花布点法选择样点用洛阳铲采集距离地表面0

分别采样Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0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，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有机碳的影响是否具有显著性，采用origin 2021软件作图。

表1 不同样地的基本情况

2.2 数据处理

土壤有机碳采用国标HJ615-2011重铬酸钾氧化-分光光度法；土壤质地分类主要采取马尔文激光粒度分析仪法[18]，pH的测定采用国标HJ962-2018电位法测定[19]。

3 结果与分析

3.1 次生林土壤总有机碳质量分数空间分布特征

土壤D10、D50、D90分别表示当累积粒度分布体积达到10%、50%、90%时，此时粒径的大小(d)用d(0.1)、d(0.5)、d(0.9)表示，其中d(0.5)表示中值粒径，大于或者小于其粒径的各占50%。通过马尔文激光粒度分析仪检测出海南岛西部典型热带雨林次生林沿垂直剖面土壤粒度的分布(表3)。研究结果表明，当土壤垂直纵剖面距离地表0

酸性湿润淋溶土在土壤深度(h)0

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就每一个区域来说，土壤有机碳质量分数垂直分布显示自表层到下部质量分数变低，也是因为土壤有机碳主要来自凋落物分解，在淋溶作用下，有机碳逐步往下部迁移，因此表层有机碳质量分数偏高，呈现出表聚现象，这与区内其他地方一致。

3.2 次生林土壤有机碳质量分数垂直分布特征

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砂堤堆好后，在秋冬季节，选择抗旱、耐瘠薄、根系发达的乡土树种刺槐、柳桩进行栽植，栽植密度0.5m×0.5m，定植后要及时灌水，确保成活。次年开春，即使上部干枯，下部仍能发芽抽梢。

海南省干湿季分明，降水量主要集中在5—10月，由于五指山的阻挡作用，东南季风带来的降水由东部往西逐步偏少，导致鹦哥岭地区降水量大于霸王岭地区，尖峰岭地区的降水量最少。同样，由于水量偏少，尖峰岭地区土壤微生物量较少，微生物对凋落物的分解速度较慢。由于土壤有机碳的主要来源于凋落物的分解，故而导致尖峰岭地区土壤有机碳质量分数偏低。其次，尖峰岭地区次生林分布地区因降水偏少，与另2个林区相比，树林郁闭较疏，凋落物偏少，也导致土壤有机碳偏少。张固成[21]等研究发现海南岛滨海地区受到海洋侵蚀、植被覆盖率低等因素影响，对土壤有机碳的输入少；吕成文[22]等对海南岛土壤有机碳质量分数的研究也得出从中部山地向沿海土壤有机碳不断递减。

海南省高温多雨的气候条件，森林生态系统的物种丰富度较高，再加上有机残体幼嫩的物理状态矿化速率更高，所以动物残体、植被凋落物对土壤有机碳贡献度大[23]，同时表层受到人为施加的有机肥料，改变了土壤物理结构，增加土壤养分、提高保肥能力。10 cm

表2 海南省西部山地不同层次土壤有机碳质量分数

3.3 土壤粒度与海南省西部地区次生林土壤有机碳相关性分析

海南省西部地区尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭3座山地总有机碳质量分数平均值分别为(12.21±1.13)、(13.07±1.39)、(15.27±1.39)g/kg，虽然相差不大，但是总体上呈现出从沿海到内地有机碳(SOC)质量分数不断增加的趋势。

将西部3座山地的土壤有机碳与粒度分布做双变量相关分析，尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭土壤有机碳质量分数与D10、D90呈现弱相关，海南省西部山地与D50具有显著性差异，其D50平均值分别为115.19、117.43、106.63 μm。尖峰岭与D50具有极显著性差异，呈现正相关(R=0.64)；霸王岭与D50具有显著性差异，呈现弱正相关(R=0.482)；鹦哥岭与D50具有极显著性差异，呈现显著负相关(R=-0.62)(表4)。表明尖峰岭土壤有机碳受到粉黏粒和细砂粒的影响，并且是随着这些细颗粒物的增加而增加。各西部山区土壤有机碳与黏粒相关性不同，这可能是因为尖峰岭、霸王岭的d(0.5)以粉黏粒为主；而鹦哥岭的d(0.5)以细砂粒和极细砂粒为主，随着年限的延长，当砂粒成为其主要碳库，土壤生产力和质量存在下降的风险。大多数研究表明，土壤有机碳与粉黏粒呈正相关[27-28]。这说明粒径作为土壤的理化性质之一，它会影响土壤保持碳的能力，在一定程度上可以反映土壤有机碳的质量分数。

表3 不同山地土壤粒径沿土壤剖面的垂直分布特征

表4 土壤有机碳与粒度分布相关性

3.4 土壤pH与海南省西部地区次生林土壤有机碳相关性分析

海南省西部山区次生林土壤有机碳不仅受到土壤粒度影响，还受到pH制约。尖峰岭pH分布范围在4.61～7.42；霸王岭pH分布范围在4.81～6.53之间；鹦哥岭pH分布范围在4.76～6.22(表5)；距离0

这句话提醒了菲利普，他打电话询问去过亚当家的急救人员，得到肯定回复后立刻报了警。警察马上赶到亚当家，取走了那个可疑的药瓶。

设定距离地表面0

pH影响微生物活动从而进一步影响土壤有机碳质量分数[29]，酸碱性不同的土壤有机碳由大到小依次为中性土、微酸性土、微碱性土、酸性土，偏碱性土壤微生物活动受到抑制，故土壤有机碳质量分数低；pH偏低土壤带有正电荷，利于吸附带负电荷的有机质，相反pH偏高土壤对吸附有机质具有选择性[30]。本研究土壤有机碳质量分数由高到低为鹦哥岭、霸王岭、尖峰岭。