海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機碳分布特征及其影響因素

陳紅利， 趙志忠， 吳 慧， 吳 雯， 董 鵬

（海南師范大學 地理與環境科學學院，海南 ?？?571158）

全球碳循環研究已成為當前全球變化研究的熱點之一[1]。陸地生態系統通過調控物質和能量的流動參與并深刻影響著全球碳循環，而森林作為陸地生態系統的主體，是陸地生態系統中分布面積最廣、系統結構最復雜、生物種類最豐富、具有最高初級生產力的生態系統，其碳存儲量約占全球陸地生態系統的77%[2-3]。全球森林生態系統的碳存儲量為650 Gt，45%的碳存儲于森林土壤中[4]。因此，森林土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）的分布特征及其影響因素已成為國內外學者研究的熱點。

熱帶森林在全球碳循環中扮演著重要的角色，其地上生物量占整個陸地植物生物量的三分之二，其土壤碳庫約占全球土壤碳庫的30%[5]。近十年來的大氣二氧化碳記錄表明，陸地表面充當了一個強大的全球碳匯，其中很大一部分碳匯可能位于熱帶地區[6]。然而，世界范圍內原始的熱帶森林正在被廣泛地砍伐和破碎化，并通過演替形成了大面積的次生林[7]，因而關于熱帶次生林系統土壤碳庫的研究逐漸得到國內外學者的關注。目前，關于熱帶次生林系統的研究主要集中于林分生物量與生產力[8-9]、微生物群落結構[10-11]、林分結構與物種組成[12-13]、演替與動態變化[14-16]等方面，對土壤有機碳分布特征及其影響因素的研究較少。在二十世紀五六十年代，海南由于經濟發展需要對熱帶雨林原始林進行了開發利用，1989年開始實行封山育林后形成了大面積的次生林，是研究熱帶次生林土壤碳庫的理想場所，但其熱帶雨林次生林有機碳分布特征及影響因素等方面的研究嚴重滯后。

本研究以海南島東部的吊羅山、七仙嶺以及五指山熱帶次生林土壤為研究對象，分析海南島東部熱帶次生林土壤有機碳質量分數的空間與垂直分布特征，探究影響土壤有機碳分布的主控因子及其對海南島東部熱帶次生林土壤有機碳質量分數分布的影響機制，以期增加對熱帶森林生態系統土壤碳庫的認識，并為保護區合理有效地管理土壤碳庫提供科學依據。

1 研究區概況

本研究以海南島東部的吊羅山、七仙嶺、五指山3 個區域為研究區（109°32′E—110°03′E，18°14′N—18°59′N）（圖1）。研究區屬熱帶季風氣候區，雨量充沛，有明顯的多雨季與少雨季。吊羅山年平均氣溫24.6 ℃，年降水量1 870 ～ 2 760 mm，主要土壤類型為山地黃壤、赤紅壤、磚紅壤[17]。七仙嶺年平均氣溫23.0 ℃，年降水量1 575 ～ 2 325 mm，主要土壤類型為山地黃壤、赤紅壤、磚紅壤。五指山年平均氣溫 22.4 ℃，年降水量2 308 ～ 2 488 mm，主要土壤類型為山地黃壤、赤紅壤、磚紅壤[18]。研究區內植被類型多樣，生境復雜，高海拔地區保存有部分原始的熱帶森林，低海拔地區存在受到人為干擾后演替形成的大面積次生林，主要林型為杉木林、松林、楓香林。

圖1 海南島樣地分布示意圖Figure 1 Schematic diagram of sampling site distribution in Hainan Island

2 材料與方法

2.1 土樣采集與處理

選取位于海南島東部的五指山、七仙嶺、吊羅山3個區域的次生林為研究對象。2021年8月在此范圍內選取10個具有代表性的樣地，在每個20 m × 20 m樣地內布設3個5 m × 5 m樣方，每個樣方內采用S形與對角線法確定5個采樣點，清除土壤表面覆蓋的枯枝落葉后在每個采樣點分別取0 ～ 10 cm、11 ～ 30 cm、31 ～ 50 cm深度的柱狀樣品，采樣后將同一樣方內同一土層的土壤混合，共采集90個土壤樣品。將采集的土壤樣品帶回實驗室，在自然條件下風干后去除根系、石礫及動植物殘體等侵入體，并過2 mm 土篩后用于測定有機碳（SOC）、酸堿度（pH）、土壤粒徑組成等指標。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sampling sites

2.2 指標測定

利用有機元素分析儀（Elementarvario TOC，德國）測定土壤有機碳；按美國制[19]分級標準進行土壤粒度分級，利用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000，Malver，英國）測定土壤粒度，并計算黏粒（< 0.002 mm）、粉粒（0.002 ～ 0.050 mm）、砂粒（0.050 ～ 2.000 mm）含量；采用電位法（水土比2.5∶1.0）測定pH。

2.3 數據處理

使用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。利用單因素方差分析(one-way ANOVA)與最小顯著性差異法( LSD) 進行顯著性和多重比較（α= 0.05）。采用皮爾遜（Pearson）相關系數評價土壤有機碳質量分數與土壤基本理化性質間的相關關系。采用逐步回歸分析方法篩選影響土壤有機碳質量分數的主控因子，并建立回歸模型以量化主控因子對海南島東部次生林土壤有機碳質量分數的影響程度。使用Origin 2021軟件進行繪圖。以標準誤差（SE）衡量誤差水平。

變異系數是測量數據變異程度的相對統計量[20]，可消除測量尺度與量綱對數據分析的影響，計算公式為

式中，CV為變異系數，s為樣品有機碳質量分數標準差，w為樣品有機碳質量分數平均值。

3 結果與討論

3.1 土壤有機碳空間分布特征

對研究區3個區域次生林土壤有機碳質量分數數據進行經典統計學分析，結果如表2所示。

表2 土壤有機碳質量分數統計學分析Table 2 Statistical analysis of soil organic carbon mass fraction

研究區0 ～ 50 cm深度土壤有機碳質量分數為45.69 ～ 111.09 g/kg，3個區域的均值由大到小分別為五指山、七仙嶺、吊羅山 。有機碳質量分數最小值出現在吊羅山（45.69 g/kg），最大值出現在五指山（111.09 g/kg）。土壤有機碳質量分數變異系數為10.74% ～ 30.94%，五指山土壤有機碳質量分數表現為弱變異，吊羅山與七仙嶺土壤有機碳質量分數均表現為中等變異，最大變異系數出現在七仙嶺（30.94%），最小變異系數出現在五指山（10.78%）。

研究結果表明，海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數高于海南島西部[21]，這是由于來自太平洋的東南季風受到五指山山脈的阻擋，使得海南島東西部降水分布產生差異，東部多雨區降雨量為西部少雨區的3倍[22]，從而使東西部的林分組成、郁閉度等產生差異，具體表現為東部的植被覆蓋率更高，郁閉度更大，因而凋落物更豐富，進而使東部熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數高于西部。此外，五指山區域地勢陡峭，可進入性差，受人為因素干擾較小，為土壤碳庫的積累提供了相對穩定的環境，且其垂直帶譜更完整、森林組成種類更復雜、層間植物更豐富，故五指山次生林土壤不僅可原位積累凋落物，同時可通過重力以及坡面徑流接收更多來自高海拔區域的凋落物，使得五指山次生林土壤平均有機碳質量分數高于七仙嶺與吊羅山。

3.2 土壤有機碳質量分數垂直剖面分布特征

吊羅山、七仙嶺、五指山土壤有機碳質量分數在垂直方向上的分布差異如圖2所示。

圖2 土壤有機碳質量分數垂直剖面分布Figure 2 Vertical profile distribution of soil organic carbon mass fraction

在0 ～ 50 cm土壤深度范圍內，吊羅山土壤有機碳質量分數為35.66 ～ 95.82 g/kg，七仙嶺土壤有機碳質量分數為30.52 ～ 98.49 g/kg，五指山土壤有機碳質量分數為51.10 ～ 152.36 g/kg，各區域土壤有機碳質量分數均隨著土層深度的增加而逐漸減小。在吊羅山與五指山區域，0 ～ 10 cm 深度土壤有機碳質量分數與11 ～30 cm、31 ～ 50 cm深度土壤有機碳質量分數均存在顯著差異（P< 0.05）。除七仙嶺區域31 ～ 50 cm土層外，相同土層的土壤有機碳質量分數由大到小均分別為五指山、七仙嶺、吊羅山。3 個區域0 ～ 10 cm 土層的有機碳質量分數無顯著差異。在11 ～ 30 cm 和31 ～50 cm土層中，五指山土壤有機碳質量分數與吊羅山、七仙嶺均有顯著差異（P< 0.05），而吊羅山與七仙嶺間無顯著差異。

3個區域各層土壤有機碳質量分數占全剖面（0 ～50 cm）比例均隨著土層深度的增加而逐漸減?。▓D3）。3 個區域 0 ～ 10 cm 深度土壤有機碳質量分數全剖面占比為50.01% ～ 52.23%，表明海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數分布呈現表聚性特征，這與相關研究結果一致[23-25]。植物根系的垂直分布格局與光合產物的分配共同決定著土壤有機碳的垂直分布[26]，隨著土層深度的增加根系數量逐漸減少，直接影響到各深度土壤所接收到的有機質，從而表現出表聚性特征[27]。在0 ～ 50 cm的全剖面土壤中，吊羅山各層土壤有機碳質量分數占比為9.23% ～51.67%，七仙嶺各層土壤有機碳質量分數占比為16.00% ～ 52.23%，五指山各層土壤有機碳質量分數占比為17.17% ～ 50.01%，吊羅山土壤有機碳質量分數占比的垂直變化幅度最大，七仙嶺次之，五指山最小。

圖3 各土層有機碳質量分數占全剖面 (0 ～ 50 cm)有機碳質量分數比例Figure 3 Proportion of organic carbon mass fraction in each soil layer to the total profile (0 ～ 50 cm) organic carbon mass fraction

3.3 土壤有機碳質量分數與土壤理化因子相關分析

吊羅山、七仙嶺、五指山熱帶雨林次生林土壤基本理化性質如表3所示。

表3 各區域土壤基本理化性質Table 3 Basic physical and chemical properties of soil in each area

七仙嶺各土層pH 均顯著高于五指山（P< 0.05），0 ～10 cm 土層的黏粒含量顯著低于吊羅山與五指山。吊羅山0 ～10 cm 土層的砂粒含量顯著低于七仙嶺與五指山（P< 0.05）?？傮w上，五指山各土層黏粒含量較高，pH較七仙嶺與吊羅山低。為探討土壤基本理化性質對土壤有機碳質量分數的影響，計算了他們的Pearson相關系數，結果見表4。結果表明：吊羅山土壤有機碳質量分數與土壤黏粒含量極顯著正相關（P< 0.01)，與土壤砂粒含量顯著負相關（P< 0.05）；七仙嶺土壤有機碳質量分數與土壤黏粒含量顯著正相關（P< 0.05）；五指山土壤有機碳質量分數與土壤黏粒含量極顯著正相關（P< 0.01)，與土壤砂粒含量顯著負相關（P< 0.05）；pH和土壤粉粒含量對3個區域的土壤有機碳質量分數均無顯著性影響。

表4 土壤有機碳質量分數與土壤基本理化性質之間的相關系數Table 4 Correlation coefficient between soil organic carbon mass fraction and basic soil physicochemical properties

以土壤有機碳質量分數為因變量，土壤pH、黏粒含量、粉粒含量以及砂粒含量為自變量進行逐步回歸分析，結果見表5。吊羅山和五指山回歸模型由土壤黏粒含量構成, 回歸關系達極顯著水平（P< 0.01），對土壤有機碳質量分數變化的解釋量分別為 70.1% 和 68.1%；七仙嶺回歸模型由土壤黏粒含量與砂粒含量構成，回歸關系達極顯著水平（P< 0.01）， 可解釋83.1%的土壤有機碳質量分數變化。在各回歸模型中,土壤黏粒含量的標準化回歸系數均大于其他因子, 表明土壤黏粒含量是土壤有機碳質量分數的主控因子。

表5 逐步線性回歸結果Table 5 Results of stepwise linear regression

本研究表明熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數與黏粒含量極顯著正相關或顯著正相關，與相關研究結果一致[28]。黏粒具有較大的比表面積，能暴露更多的正電荷位與土壤中帶負電荷的腐殖質結合[28]，形成有機無機復合體,從而降低微生物對土壤有機質的分解[29]，進而對土壤有機質起到物理保護作用。土壤有機碳質量分數與pH無顯著相關關系，與丁亞鵬等[30]、曹新光等[31]研究結果一致。但宋彥彥等[32]的研究表明土壤有機碳質量分數與pH正相關，王棣等[24]研究表明土壤有機碳質量分數與pH極顯著負相關，說明pH在局部范圍內影響土壤有機碳的含量[27]。土壤有機碳質量分數與粉粒含量呈正相關，但不顯著，與王會利等[33]的研究結果一致。砂粒比表面積較小，對土壤有機質的吸附作用較弱，且疏松的結構使微生物較快分解有機物質，導致土壤有機質存蓄能力弱[34]。但七仙嶺土壤有機碳質量分數與砂粒含量無顯著相關關系，或因區域內所有環境因子的綜合作用削弱了砂粒含量的影響，其具體機理還有待進一步研究。

4 結論

本研究以海南島東部熱帶雨林次生林土壤為研究對象，分析了土壤有機碳質量分數的空間與垂直分布特征，并探討了影響土壤有機碳質量分數的土壤理化因子，得出如下結論：

（1）海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數均值由大到小分別為五指山、七仙嶺、吊羅山，且3個區域土壤有機碳質量分數均隨著土層的加深而遞減，呈明顯表聚性特征。

（2）海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數與黏粒含量顯著或極顯著正相關，與土壤pH、粉粒含量無顯著相關關系。砂粒含量與吊羅山、五指山土壤有機碳質量分數呈顯著負相關關系。其中，黏粒含量在各區域回歸模型中的標準化回歸系數均大于其他土壤理化因子，是海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機碳質量分數的主控因子。