南海諸島的土壤及其生態系統特征

龔子同，張甘霖,*，楊飛,

1. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），江蘇 南京 210008；2. 中國科學院大學，北京 100049

中國是一個海洋大國，南中國海上的東沙、西沙、中沙和南沙四大群島，就是中國先民所稱的“千里長沙”、“萬里石塘”，是海上的絲綢之路，也是南疆的屏障。中國南海有著獨特的自然環境和豐富的資源，面對著浩瀚湛藍的海洋和形如珍珠般星羅棋布于其上的島礁，作為土壤工作者，在充滿了自豪感的同時也意識到身上的一份責任，并深知研究南海諸島土壤的重大意義，自20世紀上半頁就開始不斷地進行南沙群島和西沙群島土壤及其生態系統的研究。

1 南海諸島土壤研究的歷程

1.1 南沙群島的首次土壤考察

1947年2月，應當時海軍司令部之邀，前地質調查所派員調查南沙群島資源，以謀開發，席連之奉命前往。這位出生于1917年，畢業于浙江大學的土壤學者，1947年3月24日由京赴滬，4月18日乘中業號軍艦南航，經臺灣高雄及廣州兩地補充給養，5月11日到達海南島之榆林港，時值南中國海有一低氣壓，狂風暴雨，難以航行，候至18日雨過天晴，出海南航，至當月21日晚抵達目的地——南沙群島最大的島嶼太平島。

太平島海拔2.5 m，東西長1350 m，南北寬350 m，狹長似海參，面積0.432 km2，地處赤道熱帶，土壤資源豐富，且多鳥糞磷礦，植物生長茂盛，可生長椰子、香蕉、木瓜，也可種植各種蔬菜。

因受軍艦航程安排所限，席先生南沙之行耗時3個月，而實際工作只有2天。他利用短暫的時間，竭盡全力，踏遍全島每一個角落。因該島許多地方被珊瑚、貝殼砂覆蓋，席先生命名那里的土壤為石質土（lithological soils），其下劃分為若干土系，如南沙系、長島系和太平島系，以及鳥糞磷礦等。他采集了一批土壤和鳥糞磷礦標本，遠涉重洋，帶回北京。在這次考察基礎上著有《廣東南沙群島土壤紀要》[1]（附太平島土壤圖）。文章雖較簡明，但這是一篇具有重要歷史價值的早期土壤學文獻。

1.2 西沙群島土壤的初次考察

1947年春，同樣應當時海軍總司令部之邀，前地質調查所派員調查西沙群島資源，以謀開發。陸發熹奉命前往。這位1912年10月出生，畢業于中山大學的土壤學者，1947年3月赴滬，4月4日搭乘中基軍艦前往，同月22日抵達西沙群島中之永興島，23日先在永興島工作，后在石島及和五島（東島）工作。5月1日離島經榆林港返廣州。

陸發熹的考察以永興島為主。永興島是西沙群島中最大的島嶼，約2.1 km2。該島古名林島（Wood Island），光復后，永興艦最先抵此，遂改今名。陸先生命名該島土壤為黑色石灰土和海灘沖積土，其下劃分為若干土系，如林島系與永興島系等。對土壤剖面描述甚祥，并繪有永興島和石島的1:20000的土壤圖。陸先生調查時島上的鳥糞磷礦僅存1×105t左右，考察后著有《廣東西沙群島土壤及鳥糞磷礦》[2]一文。這是對西沙群島最早的土壤學研究的重要文獻。

1.3 西沙群島土壤的詳細考察

1974年1月西沙自衛反擊戰后，受到勝利的鼓舞，南京土壤研究所主動向中國科學院申請赴西沙考察。在廣東省政府、廣州軍區的批準和支持下，龔子同、蔣柏藩、張紹德、吳志東和王振榮一行5人組成考察組，于同年11月上島考察。這是繼陸發熹27年后的又一次土壤考察。

這次考察的特點是，（1）時間長。不是短短的幾天，而是長達2個月的實地考察，雖抵離主島船只稍大，而島際船只很小。風高浪大，曾經歷臺風，又屢遇險情。（2）范圍廣。先后考察了永興島、石島、珊瑚島、金銀島、琛航島、晉卿島和趙述島等9個島嶼，大的有1.2 km2，小的只有0.2 km2，上島后考察采樣和制圖是前所未有的。（3）專業性很強。運用了土壤學各學科手段，如土壤礦物、土壤微形態、土壤微生物、農業化學（特別是磷的農業化學）和土壤改良等知識和手段進行綜合研究。

通過考察采集了大量土樣、植物樣品進行實驗室分析，著有“我國西沙群島土壤的鳥糞磷礦”等[3-4]，對那里的富磷高鈣的土壤首次命名為“磷質石灰土”，后被第2次土壤普查和教科書廣泛采用。

1.4 南沙群島土壤的又一次探索

20世紀90年代初，應邀參加“南沙群島自然地理”考察和研究。由于研究所遠離南沙，又無法直接上島，困難顯而易見。但龔子同、周瑞榮和劉良梧等人通過多種途徑開展工作，終于克服了困難：首先，在該所標本庫中找到了當年席連之所采集的5個剖面18個土樣；其次，南海海洋研究所趙煥庭先生為他們提供了永暑礁人工菜園土、信義礁沙洲土壤、以及永暑礁和渚碧礁的雨水樣；再次，搜集了不少南沙的新資料。以此為基礎，我們開展了大量實驗室為主的土壤專題研究。

20世紀40年代的土壤樣本，限于當時的條件，只對4個樣品進行了20個項目次的分析。而這次專題研究，對所采集樣本進行了物理、化學、礦物組成，以及全套大量元素、微量元素和14C的測定。測定的項目次數以千計。

通過上述研究，我們對南沙群島土壤有了進一步的了解，在此基礎上不僅寫了《南沙群島土壤和土壤地理》等論文[5-8]，而且在《Pedosphere》和《Scientia Geologica Sinica》上發表了文章[9-10]，并在南海海洋生物國際會議上把我們的研究成果介紹到國外[11]。

2 土壤形成類型

2.1 成土條件

南海諸島雨量豐沛，熱量充足，無四季之分，平均氣溫26.5 ℃，年降雨量1500 mm左右，為赤道熱帶氣候。島上的巖石主要是第四紀珊瑚、貝殼碎屑灰巖和近期海浪堆積的珊瑚、貝殼碎屑砂。諸島面積小，海拔低，僅數米或十多米。南海諸島的鳥類，據初步調查有紅腳鰹鳥等60余種，其中以紅腳鰹鳥最多。過去此種鳥類極多，成千上萬棲息于島上，目前東島仍有紅腳鰹鳥與褐鰹鳥共居于麻楓桐林內，登高遠望，宛如一片棉田。南海諸島的植被，初步估計約有200余種，主要建群植物：喬木有白避霜花、海岸桐、海棠果等，灌木有銀毛柴、草海桐、海巴戟、水芫花等，草本植物有錐穗純葉草、鹽地鼠尾草、厚藤、海馬齒莧等，還有大量的栽培植物，主要是椰子和各種蔬菜。

2.2 成土過程

成土過程主要包括生物質積累和分解、鹽漬和脫鹽以及磷的富集和淋溶。

2.2.1 生物累積和分解

土壤形成的生物作用中，除植物的作用外，還有鳥類參加。土壤有機質質量分數一般在80~100 g·kg-1，在某些植被郁閉度大、鳥類活動頻繁之地，可達170~300 g·kg-1，而林相遭破壞或植被差的土壤，土壤有機質質量分數不足50 g·kg-1，甚至更少。有機質在剖面中的分布表層高，隨著深度增加而急劇減少。

2.2.2 鹽漬和脫鹽

每一個海島都被無邊的海水所環抱。海水、地下水、降雨還有植物都給島上的土壤帶來鹽分，與此同時，在大量的降水作用下鹽分不斷淋失。在高溫多雨的情況下，加上土壤質地疏松，因此，除濱海地區外，土壤含鹽質量分數大部分≤1 g·kg-1。

2.2.3 磷的富集和淋溶

頻繁的鳥類活動，使地表有大量鳥糞堆積。在高溫多雨的情況下，鳥糞迅速分解，釋放出大量磷酸鹽，隨著枯枝落葉腐解過程中產生的腐植酸一起下淋。雖然磷的移動性小，但在長期成土過程中也發生淀積，引起剖面分異。從西沙群島的統計來看表層（A層）全磷（P2O5）質量分數為281.0~299.7 g·kg-1，淀積層（Bt層）為285.2 g·kg-1，即使母質層（C層）也有5 g·kg-1。

2.3 土壤特性

2.3.1 土壤顆粒

熱帶土壤的質地一般是比較黏重的。而南海諸島土壤，由于其繼承母質特點而質地很粗，大部分為砂壤土、緊砂土和松砂土，黏粒含量很低，只有百分之幾，甚至不含黏粒。這些“砂”不同于石英砂，大部分系磨圓度很小的珊瑚、貝殼碎屑。南沙、中沙、西沙中的“沙”，反映了這里土壤的特點。

2.3.2 黏土礦物

熱帶土壤的黏土礦物以三水鋁礦和高嶺石為主，經X光衍射和電子顯微鏡鑒定，這里土壤的黏土礦物以水云母為主。

2.3.3 化學性質

熱帶高度風化的土壤酸性不含石灰，而島上的土壤pH 8.5左右，CaCO3質量分數在30%~50%，最高可達90%以上。熱帶土壤中磷（P2O5）一般在1.0 g·kg-1左右，而這里土壤中的磷高達250 g·kg-1，土壤總磷中無機磷占80%~90%，無機磷中Ca-P占80%~90%，Ca-P中Ca10-P占90%~97%，是全國含磷最高的土壤（表1）。微量元素中Sr、B、Zn、Cu、Cd等元素含量較高。土壤中有效性P2O5、K2O和Zn比較高，有效性Mn、Fe、Mo、B含量較低。

2.3.4 土壤腐殖質

腐殖質組成與熱帶、亞熱帶石灰性土壤有相似之處。土壤腐殖質（有機質）與土壤交換量，有效Zn、Cu、B、Mn、Fe有正相關。

2.3.5 土壤微生物

土壤微生物總量比較高，細菌、放線菌和真菌的數量都不低，放線菌數量特別高，有的甚至超過了細菌的數量。在這種高磷土壤上，雖然以磷酸三鈣為磷源，但分離了6株不同類型的磷細菌，并沒有發現它們有很大的溶磷能力。

總之，這是一種高磷富鈣的土壤，從國際化的中國土壤系統分類來看，它主要是富磷巖性均腐土和雛形土（圖1）。此外，還有鹽成土和砂質新成土[12]。

2.4 鳥糞磷礦

所分布的鳥糞磷礦，經X光衍射鑒定，可以判斷這部分磷酸鹽主要是以羥磷灰石形態存在。根據土壤薄片的微形態觀察，這是一種似晶質的膠狀磷灰石或可稱為膠磷礦。成土過程中，大部分珊瑚、貝殼碎屑逐漸被膠磷礦所浸染、包被、部分交代以至完全交代（圖2和圖3）。

圖1 西沙群島土壤剖面 Fig. 1 A soil profile of Hsisha islands

圖2 土壤中的膠磷礦膜 Fig. 2 Collophanite cutans in soil

圖3 被膠磷礦交代的有孔蟲 Fig. 3 Foraminifer that substituted for collophanite

2.5 土壤類型分布

表1 南海諸島富磷巖性均腐土的一般化學性質 Table 1 General chemical properties of Phosphi-Lithomorphic Isohumisols in South China Sea Islands

土壤發育于大小不同的礁盤上，一出礁盤，水深一落千丈，最深可達5567 m。各島一般均被砂堤所環抱，自礁盤而上即為不同厚度的砂堤，其外緣受海水影響為鹽成土，內側為砂質新成土，越過砂堤為不同磷含量的石灰性土壤。大部分島嶼呈橢圓形，如永興島、太平島、金銀島和珊瑚島等；晉卿島和甘泉島呈梨形；東島和北島則有東南向西北延伸。因此概括地說，南海諸島土壤呈不對稱的同心圓式分布，圓中心為鳥糞磷礦，向外依次為富磷巖性均腐土（磐狀磷質石灰土）、磷質石灰性雛形土（磷質石灰土）、砂質新成土（砂土）和正常鹽成土（鹽土）（圖4）。

圖4 不對稱的同心圓式土壤分布示意圖 Fig. 4 A sketch of asymmetric concentric distribution of soils in a typical island

3 土壤生態系統及其保護

3.1 獨特的富磷生態系統

研究發現，南海諸島是一個獨特的富磷生態系統。土壤是這個生態系統的紐帶。

中國熱帶、亞熱帶土壤含磷一般不足1.0 g·kg-1，而南海諸島土壤中的磷含量要高出其數倍至上百倍。鳥類活動是這個系統中的重要因素。南海諸島上有大量的紅腳鰹鳥等鳥類，海鳥以海洋中的魚類為食，通過食物鏈和排泄物把海洋生物中所含的大量磷素帶進海島土壤。

土壤中高磷特性明顯地反映在植物的化學組成上。一般熱帶植物含磷只有2 g·kg-1，而島上植物含磷都在10 g·kg-1以上，一般說，其含量次序為咸水草>草本植物>灌木>喬木。其中，海馬齒莧和西沙黃細心的含磷量可達21 g·kg-1以上。

土壤特性同時影響淺層地下水。海島土壤淺層地下水磷素含量最高4.9 mg·L-1，最低0.2 mg·L-1（n=13），大氣降水中也含有0.02 mg·L-1。

海洋是一個巨大容器，磷溶于水但不揮發，海洋中的磷由魚類等水生生物富集，通過鳥類把水圈中的磷帶到了生物圈，鳥類活動和植物的生長促進了在巖石圈上（珊瑚、貝殼碎屑）富磷土壤的形成，即在生物圈和巖石圈的相互作用下形成了土壤圈。在大氣圈作用下，土壤圈中的磷發生淋溶，繼而又進入水圈。這樣形成了一個磷的生物地球化學循環。

圖5 海島生態系統中與富磷土壤形成相關的物質循環 Fig. 5 Material cycling on an island ecosystem in relation to island soil frmation

圖6 海島土壤剖面中磷的分布模式 Fig. 6 Phosphorus distribution patterns in typical island soils

地殼中的元素磷（P）為0.12%（重量克拉克值），位居元素中的第13位。而群島上土壤中磷在所有元素中僅次于鈣而居第2位。群島土壤中的磷，像鹽漬土中的鹽分、紅壤中的鐵鋁一樣，在生物圈中起突出作用。假如把某一元素的過多或缺乏作為生物地球化學區域特征的話，那么群島應是一個富磷的生物地球化學生態系統（圖5），而有別于其他地區。島上不同類型的土壤，由于成土時間不同，剖面中磷的分布模式存在較大差異（圖6）。有趣的是，城市土壤生態系統也是一個富磷的生態系統，其形成過程與海島生態系統有相似之處，只是在城市土壤生態系統中促使磷素循環和富集的是人類活動[13-14]。

3.2 生態系統中的土壤

土壤形成的物質基礎是珊瑚、貝殼砂。珊瑚礁在波浪的作用下堆積了這些生物碎屑，當堆積物在漲潮不再被淹時即成沙洲。隨著沙洲的擴大、地下水的積存且能生長植物即成島嶼，同時也形成了這個生態系統的紐帶——土壤。一般認為土壤是不可再生資源，在南海諸島由于有如下特點，土壤顯得特別珍貴。

(1)面積很小。南海的面積數以百萬km2計，在碧波浩渺的海洋上星散著200多個島、礁、沙灘，而真正露出水面的島嶼與沙洲只有50多個，其中最大的為西沙群島中的永興島（2.1 km2），而南沙群島中最大島嶼為太平島，僅0.432 km2。南海諸島總面積大約也只有10多個km2，相當于大陸一個小鎮。雖然南海諸島在南海中似乎是“滄海一粟”，但面對著廣闊的領海和經濟區的劃定，它的重要性是不可估量的。在這個意義上，南海諸島土壤真是“寸土寸金”。

(2)形成時間長。珊瑚島礁是由珊瑚的骨骼構成。從珊瑚蟲到珊瑚碎屑，這是一個漫長的過程。即使在海鳥和植物生長作用下形成土壤，據14C斷代，這里土壤的形成一般需要1000~2000年（表2）。

表2 中國南海諸島不同土壤的14C年齡 Table 2 14C ages of different soils on the South China Sea Islands

(3)基礎肥力不高。在良好的植被下土壤形成有機質（A）層，而島的周邊有很多沒有A層、肥力較差的砂性土；在A層以下通常即為砂土。A層一經破壞，土壤肥力急劇下降。因土壤pH高、富含CaCO3，因而土壤缺乏有效態Fe、Mn、Mo、B等元素。

因此，要維護這個生態系統，首先要保護好土壤。

3.3 保護土壤生態系統的措施

一般土壤物質像空氣一樣只有使用價值而無交換價值。但在太平洋、印度洋一些珊瑚島國上，土壤可以當作商品，因為當地土壤是一種稀缺資源。因此，我們建議：

(1)嚴禁侵占土地。香港土地有限，所以有很多人工墊海的舉措和經驗，與香港比，這里的土地更為稀缺，一些必要的建筑最好在礁盤上建設，機場跑道完全可以在沿海沙地上建造。應該向空中或海洋要地，并通過立法把保護土壤確定下來，破壞土壤無異于一種犯罪行為。

(2)鼓勵人工造田。歷來一些戰士回家，帶回的東西不盡相同，但有一樣是相同的，他們帶來了家鄉的泥土，一方面可以造田，另一方面也可以改良土壤，特別是對這里的砂質石灰性土壤，如能摻入黏性的酸性土壤（如海南的鐵鋁土/磚紅壤）更好。現有的鳥糞磷礦資源有限，不宜繼續開采，應留作保護生態和改良土壤之用。

(3)保護現有的林木草地。隨著旅游的開放，必然會有一些游客到來。建議有的島嶼可以開放，有的應建立自然保護區，以保持其原生態，如東島，那里鳥類頗多，如果游客蜂擁而至，可能驅散鳥群。在開放的島上也應以木板或沙子建立參觀通道，不能隨便進入林子和踐踏草地，以利于林木、蔬菜的生長。為了彌補土地的不足，可以采用水培技術以擴大蔬菜生產。

綜觀上述的考察，這些考察均集中在抗戰勝利后、1974年西沙自衛反擊戰后以及1988年中越海戰以后展開的，可見我們對海島的考察研究不僅只是學術研究，更有重要的國防意義。

如果我們在建設海島、保衛海島的同時，保持南海諸島上以土壤為紐帶的生態系統，那么我們就可以把一個個島嶼都打造成像一艘艘永不沉沒的航空母艦一樣，守衛我們的南海，在建設生態系統的同時保衛國防和維護世界的持久和平。

[1] 席連之. 廣東南沙群島土壤紀要[J]. 土壤季刊, 1947, 6(3): 77-80.

[2] 陸發熹. 廣東西沙群島土壤及鳥糞磷礦[J]. 土壤季刊, 1947, 6(3): 67-76.

[3] 中國科學院南京土壤研究所考察組. 南海諸島土壤和鳥糞磷礦[J]. 土壤, 1976 (3):125-131.

[4] 中國科學院南京土壤研究所西沙群島考察組. 我國西沙群島土壤和鳥糞磷礦[M]. 北京: 科學出版社, 1977: 1-65.

[5] 龔子同, 周瑞榮. 南沙群島的富磷巖性均腐土[J]. 土壤學報, 1995, 32(S1): 69-80.

[6] 龔子同, 周瑞榮, 劉良梧. 南沙群島土壤和土壤地理, 南沙群島自然地理[M]. 北京:科學出版社, 1996:232-257.

[7] 龔子同, 劉良梧, 周瑞榮. 南海諸島土壤的形成和年齡[J]. 第四紀研究, 1996 (1): 88-95.

[8] 龔子同, 黃標, 周瑞榮. 南海諸島土壤的地球化學特征及其生物有效性[J]. 土壤學報, 1997, 34(1): 10-27.

[9] GONG Zitong, LIU Liangwu, ZHOU Ruirong, et al. Soils in Islands of South China Sea and their ages[J]. Scientia Geologica Sinica, 1995(S): 247-250.

[10] GONG Zitong, HUANG Biao. Geochemical characteristics of soils in Islands of South China Sea[J]. Pedosphere, 1995, 5(4): 333-342.

[11] GONG Zitong, ZHANG Ganlin. Formation and evolution of soils on South China Sea Island[C]//The Marine Biology of South China Sea. Hong Kong: Hong Kong University Press, 1988: 175-184.

[12] 龔子同, 張甘霖, 陳志成. 土壤發生與系統分類[M]. 北京: 科學出版社, 2007:1-126.

[13] 張甘霖. 城市土壤的生態服務功能演變與城市生態環境保護[J]. 科技導報, 2005,23(3): 16-19.

[14] YUAN Dagang, ZHANG Ganlin, GONG Zitong, et al. Variations of soil phosphorus accumulation in Nanjing, China as affected by urban development[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2007, 170(2): 244-249.