海南文昌3種森林類型凋落物及土壤有機碳現狀分析

陳小花等

摘 要 針對海南文昌濱海臺地3種森林類型（人促更新次生林、次生林、椰子林）林下枯落物現存量及土壤活性有機碳性狀（有機碳、易氧化有機碳及輕組有機碳含量）進行了測定。結果如下：3種林型凋落物層現存量及總碳儲量分別為：椰子林4.53、1.51 t/hm2；次生林1.76、0.65 t/hm2；人促更新次生林1.53、0.60 t/hm2；均為分解層（包括半分解層和全分解層）>未分解層。1 m深土層深度內，3種林型土壤SOC、EOC及LFOC含量變化規律一致，均呈下降趨勢，且不同林型不同土層間各組分含量差異顯著（p<0.05）。經相關性分析表明，土壤SOC、EOC及LFOC相互之間具有顯著正相關。說明在土壤母質、土壤類型、氣候條件基本一致條件下不同植被類型土壤碳庫組分比例及變化規律相似，但土壤各組分含量大小各異，從土層分布情況來看，林下凋落物質量和人為因素是碳儲量關鍵影響因子。

關鍵詞 海南；凋落物；土壤SOC含量；土壤EOC含量；土壤LFOC含量

中圖分類號 X173 文獻標識碼 A

Abstract The forest litter amount and soil active organic carbon properties（SOC， EOC and LFOC content）of 3 vegetation types（human erythropoietin updated forest， secondary forest， coconut grove）in coastal platform in Wenchang， Hainan Island were measured. The results were as follows： the litter volume and carbon storage of the three forest types were： coconut grove 4.53 t/hm2 and 1.51 t/hm2， secondary forest 1.76 t/hm2 and 0.65 t/hm2， human erythropoietin update secondary 1.53 t/hm2 and 0.60 t/hm2； And the two prameters in the decomposed layer （including semi-decomposed layer and fully-decomposed layer） were greater than that of the composed layer； Deepened within 1 m soil， the values of the three soils showed a downward with obvious difference. Correlation analysis showed that SOC， EOC and LFOC were positiviely related， meaning the composition and the change rof the organic cabon pool in the soils of the three vegetation types were in same rule as the soil parent material， soil type and climatic conditions were similar， with variation for different value， and forest litter quality and human factors are the key factors to carbon reserves.

Key words Hainan； Litter； Soil SOC content； Soil EOC content； Soil LFOC content

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.027

海南省是中國唯一全部地處熱帶的省份，包括熱帶雨林、季雨林等在內的熱帶森林生態系統以其豐富的物種多樣性、復雜的群落結構和極高的生產力成為中國森林生態系統中最關鍵、最核心的組成部分[1]。近年來，開展了有關森林生態系統碳平衡的研究，在不同森林生態系統水平上，天然次生林枯落物層與人工林相比具有更為重要的水文生態意義[2]；向仰州[3]研究結果表明，桉樹人工林生態系統碳儲量集中在土壤層和喬木層，隨林齡增加，土壤層碳儲量所占的比例下降，植被層的比例上升；林曉東等[4]研究結果表明，海南人工牧草地土壤易氧化有機碳、輕組有機碳含量分布與按降雨量劃分的氣候類型區關系密切，表現為潮濕區>濕潤區>半濕潤區>半干旱區；王春燕[5]研究結果表明，橡膠人工林土壤生態系統具有明顯的碳匯功能，且土壤各組分呼吸的大小基本均表現為：土壤微生物呼吸>根系呼吸>凋落物呼吸。這些不同區域不同林型凋落物和碳儲量的測定為海南省評價相應林型土壤生態系統碳匯/碳源能力提供基礎數據。但缺乏對濱海臺地多種林型碳儲量的研究。

本研究選擇海南文昌濱海臺地椰子林、次生林和人促更新次生林3種典型林型為研究對象。椰子林是海南特有樹種，屬于經濟林，也作為一道風景林，早期由人工種植后經自然生長形成的林區群落；次生林多位于房前屋后所形成的小面積林區，林下灌木較多，是濱海臺地常見的植被生態類型；而人促更新次生林兼具人工成分和天然成分，是一種新型植被類型。在土壤母質、土壤類型和微氣候條件基本一致的情況下，探討不同林型凋落物量和土壤部分活性有機碳含量的特征結構，通過對森林土壤有機碳組分的認識，以及各組分及其相互間動態變化研究，明確土壤有機碳動態及其在陸地生態系統碳循環中的地位和作用，為研究海南濱海臺地生態系統碳循環乃至全球碳平衡奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于文昌市龍樓鎮衛星發射場緩沖區，北緯19°43′，東經110°57′。該地區氣候屬熱帶季風海洋性氣候，雨量充足，氣候溫和為濕潤氣候區。地勢低平，平原階地，海拔高度在45～50 m，主要土壤類型為濱海沉積物沙壤土，pH為5.0～6.6。

1.2 方法

1.2.1 樣地選擇 根據土壤和植被情況，選擇區內3種主要森林類型：椰子純林（異齡林）、次生林（自然村落附近的風水林，保護完整）和人促更新次生林（早期是人工林，但經過幾十年后，人工林僅剩下很少量分布在林內的單株，整個林分均系在原人工林基礎上自然發育而來，以下簡稱“混雜林”，保存完整）作為調查對象。3種森林類型形成時間均在20 a以上，基本情況見表1。土壤樣品于2013年7～9月采集，同一種森林類型設置3個典型樣地，每個樣地按照地形分布隨機取3個剖面，在每個剖面按照腐殖層、0～20、20～40、40～60和60～100 cm自上而下將土層劃分為5層，并將相同土層的土樣均勻混合為一個樣品。取回土樣在陰涼通風處風干、過篩；并在每個森林類型中選取1 m×1 m的枯落物小樣方7個，按照未分解層和分解層收集枯落物裝于自封袋作為供試材料。

1.2.2 樣品分析 土壤容重采用環刀法測定；土壤易氧化有機碳的測定采用333 mmol/L KMnO4氧化-比色法[4]；土壤輕組有機碳用1.8 g/cm3 ZnCl2重液分得；土壤有機質測定采用油浴-重鉻酸鉀氧化法；植物全碳測定采樣重鉻酸鉀-硫酸氧化法。

土壤有機碳密度計算方法：

2 結果與分析

2.1 3種森林類型凋落物現存量特征

植物殘體是土壤有機碳最重要來源，表層土壤有機碳主要來源于地上凋落物和分布于表層的細根。通過對濱海臺地3種森林類型現存量調查，結果（表2）顯示人促更新次生林、椰子林和次生林凋落物現存量存在一定差別，林分現存量大小依次為椰子林（4.53 t/hm2）>次生林（1.76 t/hm2）>人促更新次生林（1.53 t/hm2）。對3種森林類型林下枯落物各層現存量進行方差分析表明，椰子林分解層枯落物現存量顯著高于次生林和人促更新次生林（p<0.05），而次生林和人促更新次生林之間差異不顯著（p>0.05）；就未分解層枯落物現存量而言，除了椰子林與人促更新次生林之間達顯著水平（p<0.05）外，其余林分間差異不顯著（p>0.05）。

從林下枯落物重量組成來看，結果顯示3種森林類型枯落物各層次現存量所占比例各不相同，基本上是分解層大于未分解層，未分解層現存量占凋落物層總量的比例以次生林和人促更新次生林最大，達38.6%，椰子林為24.3%；而分解層現存量占凋落物總量比例剛好相反。說明不同林分凋落物的分解強度不同，與路翔和鄭路等[6-7]對不同森林類型凋落物研究結果一致。這與樹木本身的生物學特性、林齡、林分密度和林地水熱條件有關。

2.2 3種森林類型凋落物層碳儲量差異

凋落物養分歸還是土壤肥力的重要來源，也是土壤碳量的主要來源。通過測定，由表2可知，3種森林類型凋落物層總碳儲量分別為椰子林（1.51 t/hm2）、次生林（0.65 t/hm2）、人促更新次生林（0.60 t/hm2）。不同森林凋落物各亞層碳含量表現出相同規律，即分解層>未分解層，碳含量變化隨著凋落物分解程度的加深而下降。說明凋落物在分解過程中遵循碳循環模式，進而轉化為更穩定的存在方式。受制于樣地小氣候環境、土壤性質和土壤動物、土壤微生物等因素。

2.3 3種森林類型土壤容重

土壤容重、孔隙度是衡量土壤保肥、供肥能力的重要的物理指標。通過測定，由表3可知：3種林型土壤容重隨土層深度增加，變化規律基本一致，均為上升趨勢。次生林、人促更新次生林和椰子林土壤容重1 m深剖面垂直分布范圍分別為0.89～0.94 g/cm3、0.85～0.93 g/cm3和0.90～0.97 g/cm3，各對應層土壤容重相比，椰子林均大于次生林和人促更新次生林，而次生林和人促更新次生林對應土層間相差不大。經方差分析表明，次生林0～20 cm土層容重與20 cm以下各土層的差異顯著（p<0.05），其余各土層間差異不顯著（p>0.05）；人促更新次生林除40～60 cm與60～100 cm土壤層之間差異不顯著外（p>0.05），其余各土壤兩兩間差異顯著（p<0.05）；而椰子林除0～20 cm土層容重與60～100 cm的差異顯著外（p<0.05），其余各土層間差異不顯著（p>0.05）。說明同一質地條件下不同林型間林地土壤結構，松緊度發生了不同程度的改變，且變化程度與容重大小受質地、植被類型和林分密度影響有關。

2.4 3種森林類型土壤有機碳特征

2.4.1 土壤有機碳含量垂直分布特征 森林土壤有機碳是一個復雜的有機復合體，是植物所需養分和土壤微生物生命活動的能量來源，也是衡量土壤肥力的重要指標。通過3種森林類型土壤有機碳含量剖面分布情況調查，結果（表4）顯示：3種林型土壤有機碳含量隨土層深度的增加呈現一定的變化趨勢：其中次生林、人促更新次生林和椰子林腐殖層有機碳含量均最高，介于11.68～15.60 g/kg之間，分別是0～20 cm土層含量的1.61、1.66和1.92倍，且隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量總體表現為下降的趨勢，至60～100 cm土層SOC含量分別下降了80%、72%和86%。經方差分析表明，3種林型腐殖層SOC含量與0～100 cm土層內各土層的差異顯著（p<0.05）。1 m深土層深度內，次生林和人促更新次生林SOC含量垂直分布均為：40 cm以上土層SOC含量與40 cm以下各土層的差異顯著（p<0.05），40 cm以上各土層間差異不顯著（p>0.05）；椰子林0～20 cm土層SOC含量除與20～40 cm土層的差異不顯著（p>0.05），與其余土層均有顯著差異（p<0.05）。說明土壤有機碳主要集中在土壤表層，具有表面聚集性，這主要是由于地表凋落物的積累及分解為土壤表層提供了豐富的有機碳源且不同森林類型對林下有機碳蓄積有重要影響。

2.4.2 土壤易氧化有機碳含量及其分配特征 易氧化有機碳是土壤有機碳中周轉最快的組分[8]，是土壤有機質動態變化的敏感性指標[9]。通過3種森林類型土壤EOC含量垂直剖面分布測定，結果（表5）顯示隨著土層深度增加，3種林型土壤EOC含量變化趨勢基本一致，呈替減趨勢，下降速度呈慢--快--慢的現象。次生林、人促更新次生林和椰子林腐殖層EOC含量均較高，介于8.15～8.86 g/kg之間，分別是0～20 cm土層的1.3、1.4和1.2倍；20～40 cm土層出現急劇下降，下降值高達61%；至40 cm以上EOC含量下降程度趨于平緩。經方差分析表明，3種林型的EOC含量垂直分布均為：腐殖層EOC含量與0～100 cm土層內各土層的差異顯著（p<0.05）；0～20、20～40 cm土層之間差異顯著且與40 cm以上各土層的差異達顯著（p<0.05），而40 cm以上各土層差異不顯著（p>0.05）。各個林分輕組有機碳含量的垂直分布表明，EOC含量土壤表層變異大，深層變異小。

土壤中易氧化碳含量與土壤總碳的比值可以表征土壤有機碳活性，反映土壤有機碳穩定性，占土壤總碳比例越高，說明土壤碳活性越高，穩定性越差[10]。本研究3種林型腐殖層土壤EOC含量為8.15～8.86 g/kg，EOC含量占對應層土壤總SOC含量的57%～71%。而0～20 cm土層SOC含量下降到6.20～7.45 g/kg，EOC含量占對應層土壤總SOC含量比例上升為84%～92%。20～40 cm土層EOC含量降低幅度較大，介于2.90～3.66 g/kg之間，EOC含量占對應層土壤總SOC含量的比例波動到39%～63%。而40～60與60～100 cm土層EOC含量變幅不大，介于1.77～2.14 g/kg之間，EOC含量占對應層土壤總SOC含量的41%～69%。次生林、人促更新次生林和椰子林EOC含量占土壤總有機碳含量的比例在整個土壤剖面上呈升-降-升-降的變化趨勢（表6）。次生林、人次更新次生林和椰子林0～100 cm土層EOC含量占土壤總有機碳的比例介于40%～92%。說明不同林地不同土層之間土壤碳活性存在差異，相比之下，0～20 cm土層碳活性較強及穩定性差。

2.4.3 土壤輕組有機碳含量及其分配特征 土壤輕組有機質作為活性碳庫中最活躍的成分之一，是土壤易變性有機碳的重要指標，對土地利用變化的響應比較敏感，能夠指示土壤肥力。通過3種森林類型土壤LFOC含量測定，表7顯示次生林不同土壤深度的LFOC含量較高（1.02～2.23 g/kg），人促更新次生林LFOC含量介于0.88～2.10 g/kg之間，椰子林LFOC含量波動范圍為0.67～1.51 g/kg。隨著土層深度增加，3種森林類型LFOC含量變化規律一致，逐層平緩遞減，其中次生林和人促更新次生林各對應層土壤LFOC含量相差不大，且各土層LFOC含量均高于椰子林。方差分析結果表明，3種林型土壤LFOC含量垂直分布均為上下各土層之間差異顯著（p<0.05）。說明本研究3種林型LFOC含量變異較大，這與土壤母質、溫度、降雨頻率及林分類型有關。

3種林分腐殖層LFOC含量介于1.51～2.23 g/kg之間，占對應層土壤SOC含量的9.68%～19.09%；而0～20 cm土層LFOC含量下降到1.43～1.88 g/kg，占對應層土壤SOC含量百分比上升至17.57%～25.90%；40～60 cm土層增加幅度更大，占對于層土壤SOC含量的比例波動到了37.37%～46.73%；相比之下3種林型中椰子林LFOC含量占土壤SOC的比例在整個剖面均較低，這與椰子林土壤孔隙度低、林分密度及土壤濕度大有關。次生林、人促更新次生林和椰子林在腐殖層及1 m深土層深度內土壤LFOC含量占土壤總SOC含量比例分別為32.38%、25.94%和22.57%。按土層剖面垂直分布來看，3種林型對應層土壤LFOC含量占SOC含量比例均呈逐級遞增趨勢，至60～100 cm土層出現下降（表8）。本研究的3種林型LFOC占SOC的比例為（9.68%～46.73%），介于森林輕組有機碳占總有機碳的4%～63%之間[11]。

2.5 3種森林類型土壤中EOC、LFOC與SOC相關性

3種森林類型土壤輕組有機碳及易氧化有機碳與有機碳關系見圖1：相關性達顯著正相關，方程為線性函數，分別為y1=0.674 6x-0.117 4（R2=0.857 6）、y2=0.073 4x+0.980 9（R2=0.473 1），其中y1為易氧化有機碳含量/（g/kg），y2為輕組有機碳含量/（g/kg），x為有機碳含量/（g/kg）。本文得出有機碳含量與易氧化有機碳含量、輕組有機碳含量有顯著的相關性，與前人[12-16]的研究結果一致，說明有機碳含量是輕組有機碳的重要影響因子，且土壤易氧化碳在較大程度上依賴于總有機碳的碳量。同時土壤輕組有機碳與易氧化有機碳相關性也達顯著正相關，方程為y3=0.1 150x+0.966 6（R2=0.616 6），其中y3為輕組有機碳含量/（g/kg），x為易氧化有機碳含量/（g/kg）。說明土壤有機碳各組分密切相關及具有穩定性。

3 討論與結論

（1）文昌濱海臺地3種森林類型林下凋落物現存量及碳儲量存在一定差異但變化規律一致，均為椰子林>次生林>人促更新次生林，且分解層>未分解層。本研究中3種林型凋落物現存量（1.53～4.53 t/hm2）均低于伍恩華[17]對海南島北部海岸木麻黃凋落物現存量（14.49～15.90 t/hm2）。說明林地凋落物現存量是一個動態值，它受制于氣候、地形、土壤、林分特征、生物區系及經營活動等因素。且與張家武等[18]對馬尾松不同林分密度與凋落物關系呈正相關研究結果存在差異。這與文昌地區常年有臺風，加上椰子樹樹型高大筆直及葉片果實較大導致抗臺風能力弱，最終導致落葉落果多有關。所以說森林凋落物受林分密度、樹型、林分結構及外界條件等多種因素影響。

（2）1 m深土層深度內，3種林型土壤容重介于0.85～0.97 g/cm3，均低于1 g/cm3，且隨土層加深增加；而土壤SOC含量隨土層深度的增加呈遞減趨勢，腐殖層SOC含量介于11.68～15.60 g/kg之間，顯著高于其余1 m土層深度內各土層SOC含量。說明3種森林類型土壤有機碳主要集中在土壤表層，具有表面聚集性，這主要是由于地表凋落物的積累及分解為土壤表層提供了豐富的有機碳源且不同森林類型對林下有機碳蓄積有重要影響。以上研究結論與很多研究結果一致[19-21]。說明土壤有機碳主要受地上地表凋落物化學組成、植物根系和地下微生物的分解積累程度直接影響。且林地土壤碳密度與陳步峰[22]研究結果相比明顯偏低，這與濱海臺地土壤質地有關，說明對于不同林型土壤有機碳及碳密度差異，土壤母質是一個重要因素。

（3）腐殖層及1 m土層深度內，3種林型土壤EOC和LFOC含量變化規律一致，均呈遞減趨勢，但兩者變幅存在差異，且各組分占土壤總SOC含量比例無規律性。土壤EOC、LFOC占土壤總SOC比例分別在60%～70%和23%～32%之間，且三者之間呈線性正相關。本研究中次生林、人次更新次生林和椰子林0～100 cm土層EOC含量占土壤總有機碳的比例介于40%～91%。說明不同林地不同土層之間土壤碳活性存在差異，相比之下，0～20 cm土層碳活性較強且穩定性差。這與濱海地區受到臺風、風暴潮、干旱等頻發性的自然災害相對強度大及次數多有關。3種林型對應層土壤LFOC含量占SOC含量比例均呈逐級遞增趨勢，至60～100 cm土層出現下降。而鐘羨芳[23]、商素云[24]等研究表明輕組有機碳占土壤總有機碳比例隨著土壤深度加深呈下降現象。這可能與濱海臺地土壤容重低，孔隙度大，常年雨水多導致地表養分向地下淋溶強度大有關，且輕組密度小，更易隨水流流失。3種森林類型土壤中EOC、LFOC與SOC相關性說明土壤有機碳水平控制了土壤EOC、LFOC含量，這與EOC、LFOC的主導影響因素是土壤全碳[25-26]的結論一致。說明易氧化有機碳和輕組有機碳對土壤有機碳變化有不同程度的響應指示且土壤有機碳內部各組分密切相關及具有相對穩定性。

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