海南植膠區土壤有機碳儲量的估算

王大鵬　吳小平　羅雪華吳炳孫　王文斌　張永發　鄒碧霞

摘 要 分別采用固定深度法、等效質量法和縱向擬合法對海南植膠區土壤有機碳儲量進行了估算。結果表明，海南植膠區4種不同母質分別發育而成的磚紅壤土壤有機碳儲量均具有明顯的垂直分布性，隨著土壤深度的增加，有機碳儲量逐漸降低。3種方法計算的海南植膠區4種磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量平均為47.98～59.14 Mg/hm2，遠低于同氣候帶原始森林土壤有機碳儲量。

關鍵詞 海南植膠區 ；有機碳儲量

中圖分類號 S714.9 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.001

Abstract Soil organic carbon storage in rubber plantations in Hainan was calculated by using the fixed depth method， equivalent mass method and vertical fitting method. The results showed that the soil organic carbon storage of latosols derived from four different parent materials in rubber plantation in Hainan was obviously vertically distributed and declined gradually with the depth of soil layer. The soil organic carbon storage of four types of latosol at the soil layers of 0～60 cm in rubber plantations in Hainan was approximately 47.98～59.14 Mg/hm2， which was much less than that in the soil of the primary forests in the same climate zone.

Keywords Hainan rubber plantation ； soil organic carbon storage

森林作為陸地生態系統最大的碳庫，在全球碳循環中發揮了重要作用。據統計，全球森林碳儲量大約為861 Pg，其中森林土壤碳儲量約為383 Pg，占森林總碳儲量的44%[1]。當前，估算并量化區域乃至全球森林碳儲量已經成為全球碳循環研究的熱點，這對準確評估全球碳收支平衡及其對氣候變化的影響具有重要意義[1-2]。

橡膠是熱帶地區重要的人工林生態系統。2010年全球橡膠種植面積達9.4 Mhm2，較1990年增加了143%[3]。研究表明，熱帶人工林的建立能有效地固持大氣中的碳[4-5]。中國人工林的建造和森林的再增長，使森林起著碳“匯”的作用也已得到研究的證實，對減緩全球氣候變化具有良好的效應[6-7]。然而由于森林土壤有機碳同樣具有高度的空間變異性。因此，在估算森林土壤碳儲量時仍存在很大的不確定性，導致數據結果差異較大[8-9]。為此，國內學者對土壤有機碳儲量估算中存在的不確定性進行了研究，探討了產生這種不確定性的原因，并且比較了各種方法和標準之間的差異[9-12]。目前以實測資料為基礎來估算土壤有機碳儲量的研究越來越被重視[12-13]，而海南植膠區土壤有機碳儲量的相關研究卻鮮見報道。本研究采用實測數據，分別以固定深度法、等效質量法和縱向擬合法對海南植膠區4種不同母質分別發育而成的磚紅壤土壤碳儲量進行估算和比較，以期為海南橡膠林生態系統碳循環研究及土壤管理提供相應的依據。

1 材料與方法

1.1 材料

在海南選取有代表性的膠園，于4種不同母質分別發育而成的磚紅壤上共挖掘土壤剖面64個。其中鐵質磚紅壤區土壤剖面9個，硅鋁質磚紅壤區23個，硅質磚紅壤區22個，鐵鋁質磚紅壤區10個。剖面采集深度均為60 cm，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分層采集。每層采集環刀樣品3個，測定并計算平均土壤容重。于樣地內采用直徑為3 cm的土鉆隨機選取5點采集土壤樣品，等層混合成一個樣品，過2 mm篩后，室內風干，用于測定土壤有機碳含量，采用重鉻酸鉀-外熱源法測定[14]。

1.2 方法

采用實測數據，分別以固定深度法、等效質量法和縱向擬合法對海南植膠區4種母質發育的磚紅壤土壤有機碳儲量進行估算。固定深度法是基于等深度的計算土壤碳儲量的傳統方法，即通過實測土壤有機碳含量、土層厚度以及土壤容重等計算一定深度的土壤有機碳儲量，計算公式[15]為：

SOCFD=Ci×ρi×Di×0.1（1）

式中，SOCFD（SOCFixed Depth，Mg/hm2）為某一固定深度的土壤有機碳儲量，i為土層代號，n為固定深度土壤剖面中土層數，Ci為第i層土壤有機碳含量（g/kg），ρi為土壤容重（g/cm3），Di為土層厚度（cm），0.1為轉換系數。本研究采集的土壤高度風化，石礫含量少，忽略不計。

等效質量法[16-17]，首先用固定深度法（1）計算土壤碳儲量，其次，計算固定深度下的土壤質量，公式如下：

Msoil=ρi×Di×100（2）

式中，Msoil為某一固定深度的土壤質量（Mg/hm2），100為轉換系數。

再次，從每個土壤深度選取不同樣點的最輕土壤質量作為參考質量，計算多余的土壤質量，公式如下：

Mex=Msoil-Mref（3）

式中，Mex為多余的土壤質量（Mg/hm2），Mref為參考質量（Mg/hm2）。

最后，計算等效質量的土壤碳儲量（SOCFM），公式如下：

SOCFM=SOCFD-Mex×Csn×0.001（4）

式中，SOCFM為等效質量的土壤有機碳儲量（Mg/hm2），Csn為最深層土壤的有機碳含量（g/kg），0.001為轉換系數。

縱向擬合法[12]：首先根據實測數據來擬合土壤有機碳隨土壤深度變化的近似函數，然后利用該函數計算不同深度土壤有機碳的平均含量，最后再結合土壤質地、厚度和土壤容重來計算土壤有機碳儲量（SOCVF，Mg/hm2）。

1.3 統計分析

方差和相關性分析采用SPSS 11.5（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）進行。不同土壤類型區有機碳儲量平均值的比較采用最小顯著差異法（Least-significant difference，LSD），差異的顯著性均為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 固定深度法

采用固定深度法計算的海南植膠區土壤有機碳儲量見表1。海南植膠區4種不同母質分別發育而成的磚紅壤土壤有機碳儲量在土壤剖面中均呈現隨著土壤深度的增加而減少的趨勢。在0～20 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于24.19～30.86 Mg/hm2，不同母質差異不顯著；在20～40 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于14.70～21.19 Mg/hm2，鐵鋁質磚紅壤有機碳儲量顯著高于鐵質磚紅壤（p<0.05）；在40～60 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于9.83～14.11 Mg/hm2，仍以鐵鋁質磚紅壤最高，鐵質磚紅壤最低。從整個土壤剖面來看，4種磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量介于48.71～66.15 Mg/hm2，平均為57.97 Mg/hm2，以鐵鋁質磚紅壤最高，而鐵質磚紅壤最低。

2.2 等效質量法

以等效質量法計算的海南植膠區土壤有機碳儲量見表2。在0～20 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于22.74～25.87 Mg/hm2，不同母質之間差異不顯著；在20～40 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于12.64～16.36 Mg/hm2，同樣不存在顯著性差異；在40～60 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于7.14～11.25 Mg/hm2，其中硅鋁質磚紅壤顯著高于鐵質磚紅壤和硅質磚紅壤（p<0.05）。從整個土壤剖面來看，4種磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量介于43.99～51.46 Mg/hm2，平均為47.98 Mg/hm2，不同母質發育的磚紅壤土壤有機碳儲量之間不存在顯著性差異。

2.3 縱向擬合法

海南植膠區4種母質發育的磚紅壤土壤有機碳含量在土壤剖面中具有明顯的垂直分布性，隨著土層深度的增加，有機碳含量逐漸降低（圖1）。相關性分析發現，4種母質發育的磚紅壤土壤有機碳含量與土層深度均呈極顯著負相關關系（p<0.01），相關系數分別為-0.712**，-0.640**，-0.629**，-0.707**。可以通過縱向擬合法來擬合土壤有機碳含量隨土壤深度變化的近似函數。利用實測土壤有機碳的剖面數據作散點圖，分別用線性函數、對數函數、二次多項式函數、冪函數和指數函數對其進行擬合。對各種函數的擬合結果進行比較，發現對數函數的擬合結果最好，擬合的對數函數曲線方程見圖1。

以擬合的對數函數方程計算4種磚紅壤不同土層深度土壤的有機碳含量，由此計算對應的土壤有機碳儲量（表3）。在0～20 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于25.02～31.47 Mg/hm2，鐵鋁質磚紅壤有機碳儲量顯著高于其他類型土壤（p<0.05）；在20～40 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于15.05～20.71 Mg/hm2，以鐵鋁質磚紅壤最高，硅質磚紅壤和硅鋁質磚紅壤居中，鐵質磚紅壤最低；40～60 cm土層，4種磚紅壤有機碳儲量介于10.17～14.71 Mg/hm2，以鐵鋁質磚紅壤和硅鋁質磚紅壤最高，鐵質磚紅壤最低。從整個土壤剖面來看，4種磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量介于50.24～66.89 Mg/hm2，平均為59.14 Mg/hm2，以鐵鋁質磚紅壤最高，硅質磚紅壤和硅鋁質磚紅壤居中，鐵質磚紅壤最低。

3 討論

固定深度法是基于等深度計算土壤有機碳儲量的傳統方法，也是目前最為常用的一種計算方法。采用固定深度法計算的海南植膠區4種不同母質分別發育而成的磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量介于48.71～66.15 Mg/hm2，平均為57.97 Mg/hm2。然而由于傳統的固定深度法忽視了因土壤容重變異所引起的土壤層次質量變化，從而導致碳儲量的計算結果產生一定偏差。采用等效質量法可以有效地消除這種偏差，特別是在耕作土壤上[16-17]。在森林土壤特別是有土地利用變化的森林土壤碳儲量估算研究中也逐漸認識到這個問題的重要性，以避免因土壤容重增加而過高地估算了土壤碳儲量[3，18-19]。采用等效質量法計算的海南植膠區4種母質發育的磚紅壤0～60 cm土壤有機碳儲量介于43.99～51.46 Mg/hm2，平均為47.98 Mg/hm2。

森林及人工林土壤有機碳的主要來源為枯枝落葉和植物根系。這種碳輸入方式決定了有機碳含量既具有表聚性，在土壤剖面中又具有垂直分布性[20]。雖然受到諸如植被類型、土壤質地以及容重異質性等因素的影響，森林及人工林土壤有機碳儲量在土壤剖面中同樣具有明顯的垂直分布性，即隨著土壤深度的增加，有機碳儲量逐漸降低[20-21]。本研究結果表明，海南植膠區4種母質發育的磚紅壤有機碳儲量在土壤剖面中均呈現隨著土壤深度的增加而減少的趨勢，這與前人研究結果基本一致。然而這種垂直變化特征也說明了可以應用縱向擬合法來計算土壤有機碳儲量[12]。本研究利用實測數據擬合了海南植膠區4種母質發育的磚紅壤土壤有機碳含量隨土壤深度變化的對數函數，并計算了土壤有機碳儲量，結果表明，4種母質發育的磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量介于50.24～66.89 Mg/hm2，平均為59.14 Mg/hm2。從3種方法的計算結果來看，縱向擬合法的計算結果與固定深度法接近，且均大于等效質量法。

楊懷等[20]的研究結果表明，海南尖峰林、霸王嶺、五指山、吊羅山和鸚哥嶺等5個熱帶原始森林0～100 cm土層有機碳儲量大約為147.30～169.10 Mg/hm2。郭曉偉等[21]的研究表明，海南尖峰嶺0～60 cm土層有機碳儲量約為79.15 Mg/hm2。張曉琳等[22]的研究表明，海南吊羅山原始森林0～50 cm土層有機碳儲量為98.80 Mg/hm2。李江[23]的研究表明，中國熱帶季雨林0～60 cm土層有機碳儲量為101.00 Mg/hm2。本研究中3種有機碳儲量的計算結果均表明，海南植膠區土壤有機碳儲量已遠遠低于同氣候帶原始森林土壤有機碳儲量。海南植膠區大多由原始森林和次生雨林開墾而來，這種結果反映了森林被砍伐后以及植膠過程中橡膠林生態系統碳輸入和輸出平衡的變化，具體表現為：（1）砍伐森林后碳的直接損失（即森林砍伐后，在植膠過程中擾動了土壤，加重了表層土壤的流失，加速了土壤碳分解[24]），可能導致植膠初期土壤有機碳儲量嚴重下降；（2）植膠生產中，系統中碳輸入變少，而輸出增加，與熱帶森林相比，橡膠林生態系統擁有更低的凈初級生產力和地上部分生物量[25]，同時生產中收獲膠乳和收集薪柴也會使得系統中的碳輸入量減少。另外，諸如水土流失、施肥不足、膠園更新等因素都可能加速橡膠林土壤有機碳的損失。然而值得注意的是，由于土壤有機碳具有高度的時空變異性，海南植膠區土壤有機碳儲量的估算仍需要多點、定位和長期監測研究。

4 結論

海南植膠區土壤有機碳儲量在土壤剖面中具有明顯的垂直分布性，即隨著土壤深度的增加，有機碳儲量逐漸降低。以固定深度法、等效質量法和縱向擬合法對海南植膠區土壤有機碳儲量進行估算，海南植膠區4種不同母質分別發育而成的磚紅壤0～60 cm土層有機碳儲量平均為47.98～59.14 Mg/hm2，遠低于同氣候帶原始森林土壤有機碳儲量。

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