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(xiàn)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(jié)果如下：3種林型凋落物層現(xiàn)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(nèi)，3種林型土壤SOC、EOC及LFOC含量變化規(guī)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(jīng)相關(guān)性分析表明，土壤SOC、EOC及LFOC相互之間具有顯著正相關(guān)。說明在土壤母質(zhì)、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(guī)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(zhì)量和人為因素是碳儲量關(guān)鍵影響因子。

關(guān)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(biāo)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(nèi)的熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)以其豐富的物種多樣性、復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)和極高的生產(chǎn)力成為中國森林生態(tài)系統(tǒng)中最關(guān)鍵、最核心的組成部分[1]。近年來，開展了有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究，在不同森林生態(tài)系統(tǒng)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(tài)意義[2]；向仰州[3]研究結(jié)果表明，桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)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(jié)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(qū)關(guān)系密切，表現(xiàn)為潮濕區(qū)>濕潤區(qū)>半濕潤區(qū)>半干旱區(qū)；王春燕[5]研究結(jié)果表明，橡膠人工林土壤生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)為：土壤微生物呼吸>根系呼吸>凋落物呼吸。這些不同區(qū)域不同林型凋落物和碳儲量的測定為海南省評價相應(yīng)林型土壤生態(tài)系統(tǒng)碳匯/碳源能力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。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(jīng)濟林，也作為一道風(fēng)景林，早期由人工種植后經(jīng)自然生長形成的林區(qū)群落；次生林多位于房前屋后所形成的小面積林區(qū)，林下灌木較多，是濱海臺地常見的植被生態(tài)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(zhì)、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(jié)構(gòu)，通過對森林土壤有機碳組分的認(rèn)識，以及各組分及其相互間動態(tài)變化研究，明確土壤有機碳動態(tài)及其在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的地位和作用，為研究海南濱海臺地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)乃至全球碳平衡奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于文昌市龍樓鎮(zhèn)衛(wèi)星發(fā)射場緩沖區(qū)，北緯19°43′，東經(jīng)110°57′。該地區(qū)氣候?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，雨量充足，氣候溫和為濕潤氣候區(qū)。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(jù)土壤和植被情況，選擇區(qū)內(nèi)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(fēng)水林，保護完整）和人促更新次生林（早期是人工林，但經(jīng)過幾十年后，人工林僅剩下很少量分布在林內(nèi)的單株，整個林分均系在原人工林基礎(chǔ)上自然發(fā)育而來，以下簡稱“混雜林”，保存完整）作為調(diào)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(shè)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(fēng)處風(fēng)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(huán)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(zhì)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(jié)果與分析

2.1 3種森林類型凋落物現(xiàn)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(xì)根。通過對濱海臺地3種森林類型現(xiàn)存量調(diào)查，結(jié)果（表2）顯示人促更新次生林、椰子林和次生林凋落物現(xiàn)存量存在一定差別，林分現(xiàn)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(xiàn)存量進行方差分析表明，椰子林分解層枯落物現(xiàn)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(xiàn)存量而言，除了椰子林與人促更新次生林之間達(dá)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(jié)果顯示3種森林類型枯落物各層次現(xiàn)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(xiàn)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(dá)38.6%，椰子林為24.3%；而分解層現(xiàn)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(jié)果一致。這與樹木本身的生物學(xué)特性、林齡、林分密度和林地水熱條件有關(guān)。

2.2 3種森林類型凋落物層碳儲量差異

凋落物養(yǎng)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(xiàn)出相同規(guī)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(huán)模式，進而轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的存在方式。受制于樣地小氣候環(huán)境、土壤性質(zhì)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(biāo)。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(guī)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(yīng)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(yīng)土層間相差不大。經(jīng)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(zhì)地條件下不同林型間林地土壤結(jié)構(gòu)，松緊度發(fā)生了不同程度的改變，且變化程度與容重大小受質(zhì)地、植被類型和林分密度影響有關(guān)。

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(fù)雜的有機復(fù)合體，是植物所需養(yǎng)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(biāo)。通過3種森林類型土壤有機碳含量剖面分布情況調(diào)查，結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)方差分析表明，3種林型腐殖層SOC含量與0～100 cm土層內(nèi)各土層的差異顯著（p<0.05）。1 m深土層深度內(nèi)，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(zhuǎn)最快的組分[8]，是土壤有機質(zhì)動態(tài)變化的敏感性指標(biāo)[9]。通過3種森林類型土壤EOC含量垂直剖面分布測定，結(jié)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(xiàn)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(xiàn)急劇下降，下降值高達(dá)61%；至40 cm以上EOC含量下降程度趨于平緩。經(jīng)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(nèi)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(dá)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(wěn)定性，占土壤總碳比例越高，說明土壤碳活性越高，穩(wěn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(wěn)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(zhì)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(biāo)，對土地利用變化的響應(yīng)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(guī)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(yīng)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(jié)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(zhì)、溫度、降雨頻率及林分類型有關(guān)。

3種林分腐殖層LFOC含量介于1.51～2.23 g/kg之間，占對應(yīng)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(yīng)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(guān)。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(nèi)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(yīng)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(xiàn)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(guān)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(guān)系見圖1：相關(guān)性達(dá)顯著正相關(guān)，方程為線性函數(shù)，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(guān)性，與前人[12-16]的研究結(jié)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(guān)性也達(dá)顯著正相關(guān)，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(guān)及具有穩(wěn)定性。

3 討論與結(jié)論

（1）文昌濱海臺地3種森林類型林下凋落物現(xiàn)存量及碳儲量存在一定差異但變化規(guī)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(xiàn)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(xiàn)存量（14.49～15.90 t/hm2）。說明林地凋落物現(xiàn)存量是一個動態(tài)值，它受制于氣候、地形、土壤、林分特征、生物區(qū)系及經(jīng)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(guān)系呈正相關(guān)研究結(jié)果存在差異。這與文昌地區(qū)常年有臺風(fēng)，加上椰子樹樹型高大筆直及葉片果實較大導(dǎo)致抗臺風(fēng)能力弱，最終導(dǎo)致落葉落果多有關(guān)。所以說森林凋落物受林分密度、樹型、林分結(jié)構(gòu)及外界條件等多種因素影響。

（2）1 m深土層深度內(nèi)，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(nèi)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(jié)論與很多研究結(jié)果一致[19-21]。說明土壤有機碳主要受地上地表凋落物化學(xué)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(jié)果相比明顯偏低，這與濱海臺地土壤質(zhì)地有關(guān)，說明對于不同林型土壤有機碳及碳密度差異，土壤母質(zhì)是一個重要因素。

（3）腐殖層及1 m土層深度內(nèi)，3種林型土壤EOC和LFOC含量變化規(guī)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(guī)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(guān)。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(wěn)定性差。這與濱海地區(qū)受到臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、干旱等頻發(fā)性的自然災(zāi)害相對強度大及次數(shù)多有關(guān)。3種林型對應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)象。這可能與濱海臺地土壤容重低，孔隙度大，常年雨水多導(dǎo)致地表養(yǎng)分向地下淋溶強度大有關(guān)，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(guān)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(dǎo)影響因素是土壤全碳[25-26]的結(jié)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(yīng)指示且土壤有機碳內(nèi)部各組分密切相關(guān)及具有相對穩(wěn)定性。

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