陳小花,楊青青,陳宗鑄,余雪標(biāo) ,楊 琦,雷金睿
(1.海南省林業(yè)科學(xué)研究所,海南 ???571100;2.海南大學(xué) 熱帶農(nóng)林學(xué)院,海南 ???570228)
海南島熱帶海岸森林土壤易氧化有機(jī)碳分布規(guī)律及其對(duì)土壤因子的響應(yīng)
陳小花1,楊青青1,陳宗鑄1,余雪標(biāo)2,楊 琦1,雷金睿1
(1.海南省林業(yè)科學(xué)研究所,海南 ???571100;2.海南大學(xué) 熱帶農(nóng)林學(xué)院,海南 海口 570228)
為了揭示熱帶海岸森林土壤易氧化有機(jī)碳的分布規(guī)律,探討土壤因子對(duì)易氧化有機(jī)碳的影響,本研究利用高錳酸鉀氧化-比色方法測(cè)定研究區(qū)域內(nèi)不同林分類(lèi)型(香蒲桃天然次生林、瓊崖海棠天然次生林、椰子人工林、木麻黃人工林、大葉相思人工林)的土壤易氧化有機(jī)碳含量,采用簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)法和冗余分析方法評(píng)估土壤因子對(duì)易氧化有機(jī)碳的影響。結(jié)果表明:在1 m深剖面內(nèi),土壤易氧化有機(jī)碳的變化范圍為0.60~9.05 g·kg-1,各土層間隨土壤深度的增加而降低且變化差異顯著,均值表現(xiàn)為椰子人工林(4.36 g·kg-1)>瓊崖海棠天然次生林(3.99 g·kg-1)>香蒲桃天然次生林(3.83 g·kg-1)>大葉相思人工林(1.29 g·kg-1)>木麻黃人工林(0.85 g·kg-1)。5種林分類(lèi)型下,土壤有機(jī)碳活度均表現(xiàn)為隨土層深度的增加顯著降低,在0~20 cm土層,不同林型間均表現(xiàn)為木麻黃人工林>大葉相思人工林>香蒲桃天然次生林>椰子人工林>瓊崖海棠天然次生林,說(shuō)明木麻黃與大葉相思人工林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性較差。EOC的分布受土壤因子(BD、SWC、pH、TN、C/N)的影響,其中,EOC與TN具有最大的正相關(guān)性,與BD具有最大的負(fù)相關(guān)。本研究揭示了海南島熱帶海岸不同林地土壤碳庫(kù)的敏感性和穩(wěn)定性,研究了不同林分類(lèi)型土壤EOC和土壤養(yǎng)分的關(guān)系,有助于了解熱帶海岸林地土壤養(yǎng)分狀況的供應(yīng)環(huán)境及碳匯響應(yīng)機(jī)理,為評(píng)價(jià)熱帶海岸林分類(lèi)型對(duì)土壤碳吸存能力的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
熱帶海岸;林分類(lèi)型;土壤易氧化有機(jī)碳;土壤因子;土壤有機(jī)碳活度
土壤易氧化有機(jī)碳(Easily-oxidized carbon,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“EOC”)是土壤有機(jī)碳(Soil total organic carbon, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SOC”)組成之一,對(duì)外部環(huán)境變化響應(yīng)非常敏感,不同程度上反映了SOC的有效性和時(shí)效性[1]。土壤EOC含量的多少可以表征土壤碳穩(wěn)定性的大小,同時(shí),土壤碳的穩(wěn)定性可由土壤EOC與SOC的比值來(lái)表征,土壤EOC占SOC的比例越大,土壤碳活性越大,碳穩(wěn)定性越差[2]。土壤EOC含量很大程度上取決于SOC含量[3],Biederbeck等[4]研究指出,SOC的短暫波動(dòng)主要來(lái)源于易氧化、易分解部分的變化。因此,土壤EOC可作為土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性的指示因子。
森林生態(tài)系統(tǒng)土壤EOC一直是研究的熱點(diǎn)。徐秋芳等[5]對(duì)灌木林和闊葉林土壤EOC含量、分配比例進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)二者差異性并不顯著,而朱志建等[6]的研究結(jié)論與其相悖。姜霞等[7]對(duì)黔中地區(qū)三種林分土壤有機(jī)碳庫(kù)比較發(fā)現(xiàn),不同林分類(lèi)型土壤EOC含量存在差異。賈重建等[8]研究發(fā)現(xiàn),SOC及其組分受土地利用類(lèi)型、成土母質(zhì)等因素影響,其中,土壤EOC分配比例表現(xiàn)為草地>旱地,果園>林地。張俊華等[9]對(duì)海南熱帶橡膠園土壤EOC空間變異特征發(fā)現(xiàn),土壤EOC含量變幅大且隨著土層的加深而減少。關(guān)于海南島熱帶海岸不同森林系統(tǒng)的EOC分布規(guī)律的研究還未見(jiàn)報(bào)道。
鑒于此,本研究選取海南島熱帶海岸瓊崖海棠天然次生林(Calophyllum inophyllumnatural secondary forest,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CIS”)、香蒲桃天然次生林(Syzygium odoratumnatural secondary forest,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SOS”)、椰子人工林(Cocos nuciferaplanted forest,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CNP”)、大葉相思人工林(Acacia auriculiformisplanted forest,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“AAP”)和木麻黃人工林(Casuarina equisetifoliaplanted forest,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CEP”)為研究對(duì)象,采用簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)法和冗余分析方法評(píng)估土壤因子對(duì)易氧化有機(jī)碳的影響。擬探明以下3個(gè)科學(xué)問(wèn)題:
(1)海南島熱帶海岸不同林地EOC分布規(guī)律;(2)海南島熱帶海岸不同林地碳庫(kù)的敏感性和穩(wěn)定性;(3)EOC對(duì)土壤因子的響應(yīng)。
試驗(yàn)點(diǎn)地處海南文昌龍樓鎮(zhèn)(北緯19°43′,東經(jīng)110°57′),位于海南文昌市東部,東、南、北三面環(huán)海,海岸線長(zhǎng)22 km,屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候,具有氣溫高、日照長(zhǎng)、雨量充足,氣候溫和的濕潤(rùn)氣候特點(diǎn)。地勢(shì)低平,平原階地,海拔高度均在45~50 m。年平均溫度23.9℃,最低極溫0.3~6.6 ℃。年平均>10℃積溫為8 474.3 ℃。年平均日照1 953.8 h。年太陽(yáng)輻射總能量為455.44~481.39 kJ/cm2。干、濕季明顯,春旱突出,年降水量1 721.6 mm。土壤類(lèi)型為濱海沙壤土,是強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)高頻發(fā)區(qū)域,年平均發(fā)生2.6個(gè)。因此,房前屋后自然成林地或是人工種植林地是研究區(qū)分布的主要典型林分類(lèi)型。
經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察,根據(jù)典型性和代表性原則,結(jié)合立地條件及種植面積大小,在文昌生態(tài)定位站選擇5種林分類(lèi)型,共設(shè)置5塊樣地(1 hm2)。各樣地調(diào)查基本情況和土壤理化性質(zhì)如表1所示。每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)挖取 5個(gè)土壤剖面,共計(jì)25個(gè)土壤剖面。由于土壤腐殖質(zhì)厚度約為 10 cm,故按0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~100 cm 5個(gè)層次將土壤剖面分五層,按層將同一采樣點(diǎn)3個(gè)剖面的土樣混合均勻。同時(shí)用環(huán)刀分層采樣,每個(gè)剖面每個(gè)土層取2 個(gè)環(huán)刀土樣。
表1 不同林分類(lèi)型的基本概況Table 1 Basic situations of different types of forest
土壤EOC含量的測(cè)定:采用333 mmol/L KMnO4氧化-比色法:稱(chēng)取過(guò)0.25 mm土壤篩的含有15 mg碳的土壤樣品置于100 mL塑料瓶?jī)?nèi)(控制在25 ℃條件下),加入25 mL高錳酸鉀溶液(濃度為333 mmol/L),密封瓶口,以25 r/min振蕩1 h,4 000 r/min離心 5 min,然后吸取上清液用去離子水稀釋250倍,之后在565 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行比色;同時(shí)配制標(biāo)準(zhǔn)系列濃度的KMnO4溶液并進(jìn)行比色,然后繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。最后利用標(biāo)準(zhǔn)曲線查處回歸方程,根據(jù)高錳酸鉀的消耗量求出碳含量。
土壤密度(Soil bulk density,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“BD”)采用環(huán)刀法;土壤pH值,根據(jù)土水比為1∶2.5測(cè)定;全氮(Total nitrogen ,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“TN”)含量采用半微量凱氏法;土壤含水量(Soil water content, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SWC”)采用(105±2)℃烘箱烘干法。SOC含量的測(cè)定采用油浴-重鉻酸鉀氧化法;土壤碳活度=EOC/(SOC-EOC)[10]。
為了探明不同林分類(lèi)型之間的差異,利用SAS9.1軟件對(duì)土層各指標(biāo)進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA),對(duì)有顯著差異的處理用最小顯著差異法( LSD) 進(jìn)行多重比較。
冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)是通過(guò)原始變量與典型變量之間的相關(guān)性,分析引起原始變量變異的原因。以原始變量為因變量,典型變量為自變量,建立線性回歸模型,則相應(yīng)的確定系數(shù)等于因變量與典型變量間相關(guān)系數(shù)的平方。它描述了由于因變量和典型變量的線性關(guān)系引起的因變量變異在因變量總變異中的比例。
本研究中,以土壤因子(BD、SWC、PH、TN、C/N)為自變量,以土壤EOC為因變量,通過(guò)除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Detrended correspondence analysis,DCA)結(jié)果中“Lengths of gradient”判別排序模型的選擇(?milauer等),結(jié)果中“Lengths of gradient”最大值為2.5,選擇線性排序模型。通過(guò)冗余分析(Redundancy analysis,RDA)方法進(jìn)行排序分析,采用Monte Carlo檢驗(yàn)(499次Permutation置換)檢測(cè)自變量(土壤因子)和因變量(EOC)是否存在統(tǒng)計(jì)意義上的顯著相關(guān)關(guān)系,探討土壤EOC對(duì)土壤因子的響應(yīng)。以上分析在Canoco 4.5軟件完成。
如表2所示,從不同土層來(lái)看,在剖面中土壤EOC具有明顯的垂直分布特征,均隨土層深度增加而減小。5種林分類(lèi)型土壤EOC含量變化范圍為0.60~9.05 g·kg-1,按照平均值大小依次為椰子人工林(4.36 g·kg-1)、瓊崖海棠天然次生林(3.99 g·kg-1)、香蒲桃天然次生林(3.83 g·kg-1)、大葉相思人工林(1.29 g·kg-1)和木麻黃人工林(0.85 g·kg-1),其中0~10 cm土層中土壤EOC含量最高,按照以上林分類(lèi)型分別為 9.05、7.51、7.36、2.41 和 1.11 g·kg-1,是 60~100 cm土層中土壤EOC含量的8.15、4.37、5.94、5.13和1.85倍。
表2 不同林分類(lèi)型土壤0~100 cm易氧化性有機(jī)碳含量?Table 2 Organic carbonoxidation of 0-100 cm soil depth in different forest types (g·kg-1)
從不同林型來(lái)看,椰子人工林0~40 cm各土層EOC含量均顯著高于其余林分類(lèi)型,而香蒲桃與瓊崖海棠天然次生林各對(duì)應(yīng)土層之間無(wú)顯著差異,但均顯著高于木麻黃和大葉相思人工林。40~60 cm土層,瓊崖海棠天然次生林的土壤EOC含量最大,均顯著高于其余林分類(lèi)型,而香蒲桃天然次生林與椰子人工林之間差異不顯著,但均顯著高于木麻黃人工林和相思人工林。60~100 cm土層,各個(gè)林分類(lèi)型之間的差異顯著性與40~60 cm土層相似。木麻黃與大葉相思人工林之間除0~10 cm、10~20 cm土層差異顯著外,其余土層間無(wú)顯著差異。
土壤有機(jī)碳活度表征了土壤碳的穩(wěn)定性。如表3所示,不同林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳活度均表現(xiàn)為隨土層深度的增加顯著降低。0~10 cm土層土壤有機(jī)碳活度表現(xiàn)為木麻黃人工林>大葉相思人工林>香蒲桃天然次生林>瓊崖海棠天然次生林,椰子人工林最低,且顯著低于木麻黃人工林,其余各林分類(lèi)型間差異不顯著。相對(duì)于0~10 cm土層,以上5種林分類(lèi)型在10~20 cm土層土壤有機(jī)碳活度分別下降了22.13%、17.19%、15.49%、19.34%、14.21%。
表3 不同林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳活度的分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil organic carbon activity under different forest types
由表4可知,該研究區(qū)各個(gè)林分類(lèi)型土壤EOC含量與TN含量極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.912~0.967 之間;與土壤BD存在極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)在-0.950~-0.734之間。與土壤pH值、土壤C/N的相關(guān)性因林分類(lèi)型不同存在差異,其中瓊崖海棠天然次生林和大葉相思人工林土壤EOC含量與土壤pH值呈極顯著正相關(guān),香蒲桃次生林和木麻黃人工林土壤EOC含量與土壤pH呈顯著及極顯著負(fù)相關(guān),椰子人工林無(wú)明顯相關(guān)性;瓊崖海棠天然次生林、木麻黃人工林和大葉相思人工林土壤EOC含量與土壤C/N極顯著負(fù)相關(guān),而其余林分類(lèi)型無(wú)明顯相關(guān)性。各個(gè)林分類(lèi)型土壤EOC含量與SWC無(wú)明顯相關(guān)性。
表4 土壤易氧化有機(jī)碳與土壤容重、含水率、pH值、全氮、C/N 相關(guān)系數(shù)?Table 4 Correlation coefficient of between easily oxidized soil organic carbon content (EOC) content and soil bulk density(BD), soil water content(WC),pH, total nitrogen (TN) content, soil C/N under different forest types
RDA分析的結(jié)果(圖1)能夠很好的驗(yàn)證上述相關(guān)系數(shù)分析的結(jié)果。第一軸對(duì)響應(yīng)變量具有較強(qiáng)的解釋?zhuān)忉屃繛?3.8%。從EOC與土壤因子的關(guān)系來(lái)看,EOC與TN具有最大的正相關(guān)性,與PH、SWC具有相對(duì)小的正相關(guān);EOC與BD具有最大的負(fù)相關(guān),與C/N具有明顯的負(fù)相關(guān)。從EOC與林分類(lèi)型的關(guān)系來(lái)看,EOC在5種林分的分布大小為:椰子人工林(CNP)>瓊崖海棠天然次生林(CIS)>香蒲桃天然次生林(SOS)>大葉相思人工林(AAP)>木麻黃人工林(CEP)。
圖1 EOC與土壤因子的冗余分析Fig.1 RDA ordination diagram of EOC and soil variables
本研究結(jié)果顯示不同林地EOC分布差異顯著,原因如下:(1)在熱帶海岸地區(qū),林地SOC主要來(lái)源于地表枯落物,而EOC與枯落物現(xiàn)存量成反比關(guān)系[11],5種森林的地表枯落物差異大,導(dǎo)致了林地土壤EOC含量的差異分布。(2)土壤侵蝕的淋溶和淋失作用是易氧化有機(jī)碳的含量差異的決定性因素,5種森林因地表植被密度不同對(duì)雨水的消能作用和對(duì)徑流的攔擋作用存在較大差異。土壤EOC隨土層深度增加而下降,與己有研究結(jié)果一致[12-13]。各個(gè)林分類(lèi)型EOC含量均值在0.85~4.36 g·kg-1之間,與吳建國(guó)等[13]對(duì)甘肅六盤(pán)山林區(qū)的研究結(jié)果接近(0.605~1.682 g·kg-1),本研究中木麻黃人工林與大葉相思人工林EOC含量波動(dòng)在0.47~2.41 g·kg-1之間,低于林曉東[14]對(duì)海南人工林的研究值范圍(3.95~7.95 g·kg-1)。各個(gè)林分類(lèi)型EOC占SOC的比例均值為58.03%~62.20%,均高于徐秋芳等[5]對(duì)中亞熱帶地區(qū)灌木林和闊葉林的研究結(jié)果(53.41%,53.26%),這可能是由于該研究區(qū)位于熱帶濱海臺(tái)地,年均溫度較中亞熱帶地區(qū)高,促進(jìn)了土壤中微生物、動(dòng)物的活性并加快了土壤中其他形態(tài)活性碳向EOC轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致EOC含量升高,因而EOC分配比例處于較高狀態(tài),與欒軍偉[15]研究結(jié)論一致,但分配比例過(guò)高會(huì)削弱土壤有機(jī)物質(zhì)的積累能力[5]。
本研究通過(guò)土壤有機(jī)碳活度比較不同林地碳庫(kù)的穩(wěn)定性。研究結(jié)果顯示,5種林分類(lèi)型之間土壤有機(jī)碳活度相差不大,有機(jī)碳活度在58.03%與62.22%之間,這是因?yàn)?種林地處于相同的氣候(熱帶海洋性季風(fēng)氣候)和土壤類(lèi)型(濱海沙土)。本研究0~20 cm土層土壤有機(jī)碳活度為1.61~2.35,顯著高于紅壤丘陵區(qū)荒地(0.44)和松林(0.45)表層0~20 cm土壤有機(jī)碳活度[16];亦顯著高于延河流域森林區(qū)5種典型林型植被0~20 cm土層土壤有機(jī)碳活度范圍1.18~1.43[10]。這也說(shuō)明了土壤有機(jī)碳活度可能取決于土壤類(lèi)型及氣候類(lèi)型。表層土壤碳活度較深層土壤高,這是因?yàn)楸韺油寥狼治g的淋溶和淋失作用比地下土壤層更強(qiáng)烈。目前在熱帶海岸森林地表徑流的研究還不足,應(yīng)進(jìn)一步加長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間,揭示熱帶海鳥(niǎo)海拔梯度基本一致的情況下,不同林分類(lèi)型土壤易氧化有機(jī)碳含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化及響應(yīng)機(jī)制。
本研究表明,EOC的分布是受土壤因子影響的。EOC含量與TN含量極顯著正相關(guān),與王淑萍等[17]的研究結(jié)果一致。有關(guān)研究中指出,氮元素是森林土壤對(duì)植物生長(zhǎng)的主要限制因子[18],在一定范圍內(nèi),含氮量高的有機(jī)質(zhì)易被土壤微生物分解及轉(zhuǎn)化,間接促進(jìn)土壤中有效碳的形成[3]。土壤養(yǎng)分活化可作為提高土壤肥力的有效途徑,能及時(shí)反映土壤質(zhì)量變化,對(duì)土壤固碳能力及固碳潛力進(jìn)行評(píng)估[19]。BD是土壤最重要的物理性質(zhì)之一,不僅能反映土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力水平,還是區(qū)域尺度土壤碳貯量估算的重要參數(shù)[20]。本研究中EOC含量與BD存在極顯著負(fù)相關(guān),與有關(guān)研究中表明的土壤有機(jī)質(zhì)含量與BD關(guān)系相符[21]。
(1)海南島熱帶海岸森林土壤EOC分布規(guī)律是:土壤EOC具有明顯的垂直分布特征,隨土層深度增加而減??;EOC在不同林地具有顯著差異。
(2)海南島熱帶海岸森林土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性較低。人工林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性較差,而天然次生林的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性較好。
(3)EOC的分布受土壤因子(BD、SWC、PH、TN、C/N)的影響,其中,TN與BD是影響EOC分布最主要的土壤因子。
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Distribution of soil easily oxidized organic carbon and its response to soil factors in the tropical coastal forest of Hainan island, China
CHEN Xiaohua1, YANG Qingqing2, CHEN Zongzhu1, YU Xuexiao2, YANG Qi1, LEI Jinrui1
(1.Hainan Forestry Science Research Institute, Haikou 571100, Hainan, China; 2.Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228, Hainan, China)
This study is aimed to reveal the distribution of soil easily oxidized organic carbon(EOC) in tropical coastal forest, and to evaluate the effect of soil factors on the EOC. The contents of soil easily oxidized organic carbon in five kinds of forests were determined.The name of fi ve kinds of forests areCalophyllum inophyllumnatural secondary forest(CIS),Syzygium odoratumnatural secondary forest(SOS),Cocos nuciferaplanted forest(CNP),Acacia auriculiformisplanted forest(AAP),Casuarina equisetifoliaplanted forest(CEP). The results show that:(1)EOC had obvious vertical distribution characteristics, and decreased with the increase of soil depth.EOC also had signi fi cant difference in different forest land(CNP>CIS>SOS>AAP>CEP). (2)The activity of soil organic carbon showed a signi fi cant decrease with the increase of soil depth.The sort of soil organic carbon activity is: CEP>AAP>SOS>CNP>CIS. (3)The distribution of EOC was affected by soil factors (BD, SWC, PH, TN, C/N), among which, EOC and TN had the biggest positive correlation, and the BD had the biggest negative correlation.This study further shows that the stability of soil organic carbon in tropical coastal forests of Hainan island is relatively low.This study is helpful to understand the soil carbon storage condition and its response mechanism in tropical coastal forest land.
Costa tropical; forest types; soil easily oxidized organic carbon; soil factors; soil organic carbon activity
S714.8
A
1673-923X(2017)11-0140-06
10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.023
2016-08-14
海南省省屬科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)(KYYS-2015-18;KYYS-2016-22)
陳小花,助理工程師,碩士
陳宗鑄,高級(jí)工程師;E-mail:30160280@qq.com
陳小花,楊青青,陳宗鑄,等.海南島熱帶海岸森林土壤易氧化有機(jī)碳分布規(guī)律及其對(duì)土壤因子的響應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017, 37(11): 140-145.
[本文編校:吳 毅]