陳紅利， 趙志忠， 吳 慧， 吳 雯， 董 鵬

（海南師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 ?？?571158）

全球碳循環(huán)研究已成為當(dāng)前全球變化研究的熱點(diǎn)之一[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)通過調(diào)控物質(zhì)和能量的流動(dòng)參與并深刻影響著全球碳循環(huán)，而森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布面積最廣、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、生物種類最豐富、具有最高初級(jí)生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，其碳存儲(chǔ)量約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的77%[2-3]。全球森林生態(tài)系統(tǒng)的碳存儲(chǔ)量為650 Gt，45%的碳存儲(chǔ)于森林土壤中[4]。因此，森林土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）的分布特征及其影響因素已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

熱帶森林在全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色，其地上生物量占整個(gè)陸地植物生物量的三分之二，其土壤碳庫約占全球土壤碳庫的30%[5]。近十年來的大氣二氧化碳記錄表明，陸地表面充當(dāng)了一個(gè)強(qiáng)大的全球碳匯，其中很大一部分碳匯可能位于熱帶地區(qū)[6]。然而，世界范圍內(nèi)原始的熱帶森林正在被廣泛地砍伐和破碎化，并通過演替形成了大面積的次生林[7]，因而關(guān)于熱帶次生林系統(tǒng)土壤碳庫的研究逐漸得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前，關(guān)于熱帶次生林系統(tǒng)的研究主要集中于林分生物量與生產(chǎn)力[8-9]、微生物群落結(jié)構(gòu)[10-11]、林分結(jié)構(gòu)與物種組成[12-13]、演替與動(dòng)態(tài)變化[14-16]等方面，對(duì)土壤有機(jī)碳分布特征及其影響因素的研究較少。在二十世紀(jì)五六十年代，海南由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要對(duì)熱帶雨林原始林進(jìn)行了開發(fā)利用，1989年開始實(shí)行封山育林后形成了大面積的次生林，是研究熱帶次生林土壤碳庫的理想場(chǎng)所，但其熱帶雨林次生林有機(jī)碳分布特征及影響因素等方面的研究嚴(yán)重滯后。

本研究以海南島東部的吊羅山、七仙嶺以及五指山熱帶次生林土壤為研究對(duì)象，分析海南島東部熱帶次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間與垂直分布特征，探究影響土壤有機(jī)碳分布的主控因子及其對(duì)海南島東部熱帶次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響機(jī)制，以期增加對(duì)熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的認(rèn)識(shí)，并為保護(hù)區(qū)合理有效地管理土壤碳庫提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究以海南島東部的吊羅山、七仙嶺、五指山3 個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)（109°32′E—110°03′E，18°14′N—18°59′N）（圖1）。研究區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，有明顯的多雨季與少雨季。吊羅山年平均氣溫24.6 ℃，年降水量1 870 ～ 2 760 mm，主要土壤類型為山地黃壤、赤紅壤、磚紅壤[17]。七仙嶺年平均氣溫23.0 ℃，年降水量1 575 ～ 2 325 mm，主要土壤類型為山地黃壤、赤紅壤、磚紅壤。五指山年平均氣溫 22.4 ℃，年降水量2 308 ～ 2 488 mm，主要土壤類型為山地黃壤、赤紅壤、磚紅壤[18]。研究區(qū)內(nèi)植被類型多樣，生境復(fù)雜，高海拔地區(qū)保存有部分原始的熱帶森林，低海拔地區(qū)存在受到人為干擾后演替形成的大面積次生林，主要林型為杉木林、松林、楓香林。

圖1 海南島樣地分布示意圖Figure 1 Schematic diagram of sampling site distribution in Hainan Island

2 材料與方法

2.1 土樣采集與處理

選取位于海南島東部的五指山、七仙嶺、吊羅山3個(gè)區(qū)域的次生林為研究對(duì)象。2021年8月在此范圍內(nèi)選取10個(gè)具有代表性的樣地，在每個(gè)20 m × 20 m樣地內(nèi)布設(shè)3個(gè)5 m × 5 m樣方，每個(gè)樣方內(nèi)采用S形與對(duì)角線法確定5個(gè)采樣點(diǎn)，清除土壤表面覆蓋的枯枝落葉后在每個(gè)采樣點(diǎn)分別取0 ～ 10 cm、11 ～ 30 cm、31 ～ 50 cm深度的柱狀樣品，采樣后將同一樣方內(nèi)同一土層的土壤混合，共采集90個(gè)土壤樣品。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在自然條件下風(fēng)干后去除根系、石礫及動(dòng)植物殘?bào)w等侵入體，并過2 mm 土篩后用于測(cè)定有機(jī)碳（SOC）、酸堿度（pH）、土壤粒徑組成等指標(biāo)。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sampling sites

2.2 指標(biāo)測(cè)定

利用有機(jī)元素分析儀（Elementarvario TOC，德國）測(cè)定土壤有機(jī)碳；按美國制[19]分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤粒度分級(jí)，利用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000，Malver，英國）測(cè)定土壤粒度，并計(jì)算黏粒（< 0.002 mm）、粉粒（0.002 ～ 0.050 mm）、砂粒（0.050 ～ 2.000 mm）含量；采用電位法（水土比2.5∶1.0）測(cè)定pH。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。利用單因素方差分析(one-way ANOVA)與最小顯著性差異法( LSD) 進(jìn)行顯著性和多重比較（α= 0.05）。采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤基本理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系。采用逐步回歸分析方法篩選影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主控因子，并建立回歸模型以量化主控因子對(duì)海南島東部次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度。使用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。以標(biāo)準(zhǔn)誤差（SE）衡量誤差水平。

變異系數(shù)是測(cè)量數(shù)據(jù)變異程度的相對(duì)統(tǒng)計(jì)量[20]，可消除測(cè)量尺度與量綱對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，計(jì)算公式為

式中，CV為變異系數(shù)，s為樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差，w為樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤有機(jī)碳空間分布特征

對(duì)研究區(qū)3個(gè)區(qū)域次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析Table 2 Statistical analysis of soil organic carbon mass fraction

研究區(qū)0 ～ 50 cm深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.69 ～ 111.09 g/kg，3個(gè)區(qū)域的均值由大到小分別為五指山、七仙嶺、吊羅山 。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值出現(xiàn)在吊羅山（45.69 g/kg），最大值出現(xiàn)在五指山（111.09 g/kg）。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)為10.74% ～ 30.94%，五指山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為弱變異，吊羅山與七仙嶺土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為中等變異，最大變異系數(shù)出現(xiàn)在七仙嶺（30.94%），最小變異系數(shù)出現(xiàn)在五指山（10.78%）。

研究結(jié)果表明，海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于海南島西部[21]，這是由于來自太平洋的東南季風(fēng)受到五指山山脈的阻擋，使得海南島東西部降水分布產(chǎn)生差異，東部多雨區(qū)降雨量為西部少雨區(qū)的3倍[22]，從而使東西部的林分組成、郁閉度等產(chǎn)生差異，具體表現(xiàn)為東部的植被覆蓋率更高，郁閉度更大，因而凋落物更豐富，進(jìn)而使東部熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于西部。此外，五指山區(qū)域地勢(shì)陡峭，可進(jìn)入性差，受人為因素干擾較小，為土壤碳庫的積累提供了相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，且其垂直帶譜更完整、森林組成種類更復(fù)雜、層間植物更豐富，故五指山次生林土壤不僅可原位積累凋落物，同時(shí)可通過重力以及坡面徑流接收更多來自高海拔區(qū)域的凋落物，使得五指山次生林土壤平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于七仙嶺與吊羅山。

3.2 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直剖面分布特征

吊羅山、七仙嶺、五指山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在垂直方向上的分布差異如圖2所示。

圖2 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直剖面分布Figure 2 Vertical profile distribution of soil organic carbon mass fraction

在0 ～ 50 cm土壤深度范圍內(nèi)，吊羅山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.66 ～ 95.82 g/kg，七仙嶺土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.52 ～ 98.49 g/kg，五指山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.10 ～ 152.36 g/kg，各區(qū)域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著土層深度的增加而逐漸減小。在吊羅山與五指山區(qū)域，0 ～ 10 cm 深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與11 ～30 cm、31 ～ 50 cm深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在顯著差異（P< 0.05）。除七仙嶺區(qū)域31 ～ 50 cm土層外，相同土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小均分別為五指山、七仙嶺、吊羅山。3 個(gè)區(qū)域0 ～ 10 cm 土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。在11 ～ 30 cm 和31 ～50 cm土層中，五指山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吊羅山、七仙嶺均有顯著差異（P< 0.05），而吊羅山與七仙嶺間無顯著差異。

3個(gè)區(qū)域各層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占全剖面（0 ～50 cm）比例均隨著土層深度的增加而逐漸減?。▓D3）。3 個(gè)區(qū)域 0 ～ 10 cm 深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)全剖面占比為50.01% ～ 52.23%，表明海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)表聚性特征，這與相關(guān)研究結(jié)果一致[23-25]。植物根系的垂直分布格局與光合產(chǎn)物的分配共同決定著土壤有機(jī)碳的垂直分布[26]，隨著土層深度的增加根系數(shù)量逐漸減少，直接影響到各深度土壤所接收到的有機(jī)質(zhì)，從而表現(xiàn)出表聚性特征[27]。在0 ～ 50 cm的全剖面土壤中，吊羅山各層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為9.23% ～51.67%，七仙嶺各層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為16.00% ～ 52.23%，五指山各層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為17.17% ～ 50.01%，吊羅山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比的垂直變化幅度最大，七仙嶺次之，五指山最小。

圖3 各土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占全剖面 (0 ～ 50 cm)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例Figure 3 Proportion of organic carbon mass fraction in each soil layer to the total profile (0 ～ 50 cm) organic carbon mass fraction

3.3 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤理化因子相關(guān)分析

吊羅山、七仙嶺、五指山熱帶雨林次生林土壤基本理化性質(zhì)如表3所示。

表3 各區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)Table 3 Basic physical and chemical properties of soil in each area

七仙嶺各土層pH 均顯著高于五指山（P< 0.05），0 ～10 cm 土層的黏粒含量顯著低于吊羅山與五指山。吊羅山0 ～10 cm 土層的砂粒含量顯著低于七仙嶺與五指山（P< 0.05）?？傮w上，五指山各土層黏粒含量較高，pH較七仙嶺與吊羅山低。為探討土壤基本理化性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，計(jì)算了他們的Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表4。結(jié)果表明：吊羅山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤黏粒含量極顯著正相關(guān)（P< 0.01)，與土壤砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)（P< 0.05）；七仙嶺土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤黏粒含量顯著正相關(guān)（P< 0.05）；五指山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤黏粒含量極顯著正相關(guān)（P< 0.01)，與土壤砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)（P< 0.05）；pH和土壤粉粒含量對(duì)3個(gè)區(qū)域的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無顯著性影響。

表4 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤基本理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between soil organic carbon mass fraction and basic soil physicochemical properties

以土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為因變量，土壤pH、黏粒含量、粉粒含量以及砂粒含量為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果見表5。吊羅山和五指山回歸模型由土壤黏粒含量構(gòu)成, 回歸關(guān)系達(dá)極顯著水平（P< 0.01），對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的解釋量分別為 70.1% 和 68.1%；七仙嶺回歸模型由土壤黏粒含量與砂粒含量構(gòu)成，回歸關(guān)系達(dá)極顯著水平（P< 0.01）， 可解釋83.1%的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。在各回歸模型中,土壤黏粒含量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)均大于其他因子, 表明土壤黏粒含量是土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主控因子。

表5 逐步線性回歸結(jié)果Table 5 Results of stepwise linear regression

本研究表明熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏粒含量極顯著正相關(guān)或顯著正相關(guān)，與相關(guān)研究結(jié)果一致[28]。黏粒具有較大的比表面積，能暴露更多的正電荷位與土壤中帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)結(jié)合[28]，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體,從而降低微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解[29]，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)起到物理保護(hù)作用。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH無顯著相關(guān)關(guān)系，與丁亞鵬等[30]、曹新光等[31]研究結(jié)果一致。但宋彥彥等[32]的研究表明土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH正相關(guān)，王棣等[24]研究表明土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH極顯著負(fù)相關(guān)，說明pH在局部范圍內(nèi)影響土壤有機(jī)碳的含量[27]。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粉粒含量呈正相關(guān)，但不顯著，與王會(huì)利等[33]的研究結(jié)果一致。砂粒比表面積較小，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的吸附作用較弱，且疏松的結(jié)構(gòu)使微生物較快分解有機(jī)物質(zhì)，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)存蓄能力弱[34]。但七仙嶺土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砂粒含量無顯著相關(guān)關(guān)系，或因區(qū)域內(nèi)所有環(huán)境因子的綜合作用削弱了砂粒含量的影響，其具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究以海南島東部熱帶雨林次生林土壤為研究對(duì)象，分析了土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間與垂直分布特征，并探討了影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的土壤理化因子，得出如下結(jié)論：

（1）海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值由大到小分別為五指山、七仙嶺、吊羅山，且3個(gè)區(qū)域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著土層的加深而遞減，呈明顯表聚性特征。

（2）海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏粒含量顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤pH、粉粒含量無顯著相關(guān)關(guān)系。砂粒含量與吊羅山、五指山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，黏粒含量在各區(qū)域回歸模型中的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)均大于其他土壤理化因子，是海南島東部熱帶雨林次生林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主控因子。