海南文昌3种森林类型凋落物及土壤有机碳现状分析

陈小花等

摘 要 针对海南文昌滨海台地3种森林类型（人促更新次生林、次生林、椰子林）林下枯落物现存量及土壤活性有机碳性状（有机碳、易氧化有机碳及轻组有机碳含量）进行了测定。结果如下：3种林型凋落物层现存量及总碳储量分别为：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；均为分解层（包括半分解层和全分解层）>未分解层。1 m深土层深度内，3种林型土壤SOC、EOC及LFOC含量变化规律一致，均呈下降趋势，且不同林型不同土层间各组分含量差异显著（p<0.05）。经相关性分析表明，土壤SOC、EOC及LFOC相互之间具有显著正相关。说明在土壤母质、土壤类型、气候条件基本一致条件下不同植被类型土壤碳库组分比例及变化规律相似，但土壤各组分含量大小各异，从土层分布情况来看，林下凋落物质量和人为因素是碳储量关键影响因子。

关键词 海南；凋落物；土壤SOC含量；土壤EOC含量；土壤LFOC含量

中图分类号 X173 文献标识码 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

海南省是中国唯一全部地处热带的省份，包括热带雨林、季雨林等在内的热带森林生态系统以其丰富的物种多样性、复杂的群落结构和极高的生产力成为中国森林生态系统中最关键、最核心的组成部分[1]。近年来，开展了有关森林生态系统碳平衡的研究，在不同森林生态系统水平上，天然次生林枯落物层与人工林相比具有更为重要的水文生态意义[2]；向仰州[3]研究结果表明，桉树人工林生态系统碳储量集中在土壤层和乔木层，随林龄增加，土壤层碳储量所占的比例下降，植被层的比例上升；林晓东等[4]研究结果表明，海南人工牧草地土壤易氧化有机碳、轻组有机碳含量分布与按降雨量划分的气候类型区关系密切，表现为潮湿区>湿润区>半湿润区>半干旱区；王春燕[5]研究结果表明，橡胶人工林土壤生态系统具有明显的碳汇功能，且土壤各组分呼吸的大小基本均表现为：土壤微生物呼吸>根系呼吸>凋落物呼吸。这些不同区域不同林型凋落物和碳储量的测定为海南省评价相应林型土壤生态系统碳汇/碳源能力提供基础数据。但缺乏对滨海台地多种林型碳储量的研究。

本研究选择海南文昌滨海台地椰子林、次生林和人促更新次生林3种典型林型为研究对象。椰子林是海南特有树种，属于经济林，也作为一道风景林，早期由人工种植后经自然生长形成的林区群落；次生林多位于房前屋后所形成的小面积林区，林下灌木较多，是滨海台地常见的植被生态类型；而人促更新次生林兼具人工成分和天然成分，是一种新型植被类型。在土壤母质、土壤类型和微气候条件基本一致的情况下，探讨不同林型凋落物量和土壤部分活性有机碳含量的特征结构，通过对森林土壤有机碳组分的认识，以及各组分及其相互间动态变化研究，明确土壤有机碳动态及其在陆地生态系统碳循环中的地位和作用，为研究海南滨海台地生态系统碳循环乃至全球碳平衡奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于文昌市龙楼镇卫星发射场缓冲区，北纬19°43′，东经110°57′。该地区气候属热带季风海洋性气候，雨量充足，气候温和为湿润气候区。地势低平，平原阶地，海拔高度在45～50 m，主要土壤类型为滨海沉积物沙壤土，pH为5.0～6.6。

1.2 方法

1.2.1 样地选择 根据土壤和植被情况，选择区内3种主要森林类型：椰子纯林（异龄林）、次生林（自然村落附近的风水林，保护完整）和人促更新次生林（早期是人工林，但经过几十年后，人工林仅剩下很少量分布在林内的单株，整个林分均系在原人工林基础上自然发育而来，以下简称“混杂林”，保存完整）作为调查对象。3种森林类型形成时间均在20 a以上，基本情况见表1。土壤样品于2013年7～9月采集，同一种森林类型设置3个典型样地，每个样地按照地形分布随机取3个剖面，在每个剖面按照腐殖层、0～20、20～40、40～60和60～100 cm自上而下将土层划分为5层，并将相同土层的土样均匀混合为一个样品。取回土样在阴凉通风处风干、过筛；并在每个森林类型中选取1 m×1 m的枯落物小样方7个，按照未分解层和分解层收集枯落物装于自封袋作为供试材料。

1.2.2 样品分析 土壤容重采用环刀法测定；土壤易氧化有机碳的测定采用333 mmol/L KMnO4氧化-比色法[4]；土壤轻组有机碳用1.8 g/cm3 ZnCl2重液分得；土壤有机质测定采用油浴-重铬酸钾氧化法；植物全碳测定采样重铬酸钾-硫酸氧化法。

土壤有机碳密度计算方法：

2 结果与分析

2.1 3种森林类型凋落物现存量特征

植物残体是土壤有机碳最重要来源，表层土壤有机碳主要来源于地上凋落物和分布于表层的细根。通过对滨海台地3种森林类型现存量调查，结果（表2）显示人促更新次生林、椰子林和次生林凋落物现存量存在一定差别，林分现存量大小依次为椰子林（4.53 t/hm2）>次生林（1.76 t/hm2）>人促更新次生林（1.53 t/hm2）。对3种森林类型林下枯落物各层现存量进行方差分析表明，椰子林分解层枯落物现存量显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间差异不显著（p>0.05）；就未分解层枯落物现存量而言，除了椰子林与人促更新次生林之间达显著水平（p<0.05）外，其余林分间差异不显著（p>0.05）。

从林下枯落物重量组成来看，结果显示3种森林类型枯落物各层次现存量所占比例各不相同，基本上是分解层大于未分解层，未分解层现存量占凋落物层总量的比例以次生林和人促更新次生林最大，达38.6%，椰子林为24.3%；而分解层现存量占凋落物总量比例刚好相反。说明不同林分凋落物的分解强度不同，与路翔和郑路等[6-7]对不同森林类型凋落物研究结果一致。这与树木本身的生物学特性、林龄、林分密度和林地水热条件有关。

2.2 3种森林类型凋落物层碳储量差异

凋落物养分归还是土壤肥力的重要来源，也是土壤碳量的主要来源。通过测定，由表2可知，3种森林类型凋落物层总碳储量分别为椰子林（1.51 t/hm2）、次生林（0.65 t/hm2）、人促更新次生林（0.60 t/hm2）。不同森林凋落物各亚层碳含量表现出相同规律，即分解层>未分解层，碳含量变化随着凋落物分解程度的加深而下降。说明凋落物在分解过程中遵循碳循环模式，进而转化为更稳定的存在方式。受制于样地小气候环境、土壤性质和土壤动物、土壤微生物等因素。

2.3 3种森林类型土壤容重

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标。通过测定，由表3可知：3种林型土壤容重随土层深度增加，变化规律基本一致，均为上升趋势。次生林、人促更新次生林和椰子林土壤容重1 m深剖面垂直分布范围分别为0.89～0.94 g/cm3、0.85～0.93 g/cm3和0.90～0.97 g/cm3，各对应层土壤容重相比，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对应土层间相差不大。经方差分析表明，次生林0～20 cm土层容重与20 cm以下各土层的差异显著（p<0.05），其余各土层间差异不显著（p>0.05）；人促更新次生林除40～60 cm与60～100 cm土壤层之间差异不显著外（p>0.05），其余各土壤两两间差异显著（p<0.05）；而椰子林除0～20 cm土层容重与60～100 cm的差异显著外（p<0.05），其余各土层间差异不显著（p>0.05）。说明同一质地条件下不同林型间林地土壤结构，松紧度发生了不同程度的改变，且变化程度与容重大小受质地、植被类型和林分密度影响有关。

2.4 3种森林类型土壤有机碳特征

2.4.1 土壤有机碳含量垂直分布特征 森林土壤有机碳是一个复杂的有机复合体，是植物所需养分和土壤微生物生命活动的能量来源，也是衡量土壤肥力的重要指标。通过3种森林类型土壤有机碳含量剖面分布情况调查，结果（表4）显示：3种林型土壤有机碳含量随土层深度的增加呈现一定的变化趋势：其中次生林、人促更新次生林和椰子林腐殖层有机碳含量均最高，介于11.68～15.60 g/kg之间，分别是0～20 cm土层含量的1.61、1.66和1.92倍，且随着土层深度的增加，土壤有机碳含量总体表现为下降的趋势，至60～100 cm土层SOC含量分别下降了80%、72%和86%。经方差分析表明，3种林型腐殖层SOC含量与0～100 cm土层内各土层的差异显著（p<0.05）。1 m深土层深度内，次生林和人促更新次生林SOC含量垂直分布均为：40 cm以上土层SOC含量与40 cm以下各土层的差异显著（p<0.05），40 cm以上各土层间差异不显著（p>0.05）；椰子林0～20 cm土层SOC含量除与20～40 cm土层的差异不显著（p>0.05），与其余土层均有显著差异（p<0.05）。说明土壤有机碳主要集中在土壤表层，具有表面聚集性，这主要是由于地表凋落物的积累及分解为土壤表层提供了丰富的有机碳源且不同森林类型对林下有机碳蓄积有重要影响。

2.4.2 土壤易氧化有机碳含量及其分配特征 易氧化有机碳是土壤有机碳中周转最快的组分[8]，是土壤有机质动态变化的敏感性指标[9]。通过3种森林类型土壤EOC含量垂直剖面分布测定，结果（表5）显示随着土层深度增加，3种林型土壤EOC含量变化趋势基本一致，呈替减趋势，下降速度呈慢--快--慢的现象。次生林、人促更新次生林和椰子林腐殖层EOC含量均较高，介于8.15～8.86 g/kg之间，分别是0～20 cm土层的1.3、1.4和1.2倍；20～40 cm土层出现急剧下降，下降值高达61%；至40 cm以上EOC含量下降程度趋于平缓。经方差分析表明，3种林型的EOC含量垂直分布均为：腐殖层EOC含量与0～100 cm土层内各土层的差异显著（p<0.05）；0～20、20～40 cm土层之间差异显著且与40 cm以上各土层的差异达显著（p<0.05），而40 cm以上各土层差异不显著（p>0.05）。各个林分轻组有机碳含量的垂直分布表明，EOC含量土壤表层变异大，深层变异小。

土壤中易氧化碳含量与土壤总碳的比值可以表征土壤有机碳活性，反映土壤有机碳稳定性，占土壤总碳比例越高，说明土壤碳活性越高，稳定性越差[10]。本研究3种林型腐殖层土壤EOC含量为8.15～8.86 g/kg，EOC含量占对应层土壤总SOC含量的57%～71%。而0～20 cm土层SOC含量下降到6.20～7.45 g/kg，EOC含量占对应层土壤总SOC含量比例上升为84%～92%。20～40 cm土层EOC含量降低幅度较大，介于2.90～3.66 g/kg之间，EOC含量占对应层土壤总SOC含量的比例波动到39%～63%。而40～60与60～100 cm土层EOC含量变幅不大，介于1.77～2.14 g/kg之间，EOC含量占对应层土壤总SOC含量的41%～69%。次生林、人促更新次生林和椰子林EOC含量占土壤总有机碳含量的比例在整个土壤剖面上呈升-降-升-降的变化趋势（表6）。次生林、人次更新次生林和椰子林0～100 cm土层EOC含量占土壤总有机碳的比例介于40%～92%。说明不同林地不同土层之间土壤碳活性存在差异，相比之下，0～20 cm土层碳活性较强及稳定性差。

2.4.3 土壤轻组有机碳含量及其分配特征 土壤轻组有机质作为活性碳库中最活跃的成分之一，是土壤易变性有机碳的重要指标，对土地利用变化的响应比较敏感，能够指示土壤肥力。通过3种森林类型土壤LFOC含量测定，表7显示次生林不同土壤深度的LFOC含量较高（1.02～2.23 g/kg），人促更新次生林LFOC含量介于0.88～2.10 g/kg之间，椰子林LFOC含量波动范围为0.67～1.51 g/kg。随着土层深度增加，3种森林类型LFOC含量变化规律一致，逐层平缓递减，其中次生林和人促更新次生林各对应层土壤LFOC含量相差不大，且各土层LFOC含量均高于椰子林。方差分析结果表明，3种林型土壤LFOC含量垂直分布均为上下各土层之间差异显著（p<0.05）。说明本研究3种林型LFOC含量变异较大，这与土壤母质、温度、降雨频率及林分类型有关。

3种林分腐殖层LFOC含量介于1.51～2.23 g/kg之间，占对应层土壤SOC含量的9.68%～19.09%；而0～20 cm土层LFOC含量下降到1.43～1.88 g/kg，占对应层土壤SOC含量百分比上升至17.57%～25.90%；40～60 cm土层增加幅度更大，占对于层土壤SOC含量的比例波动到了37.37%～46.73%；相比之下3种林型中椰子林LFOC含量占土壤SOC的比例在整个剖面均较低，这与椰子林土壤孔隙度低、林分密度及土壤湿度大有关。次生林、人促更新次生林和椰子林在腐殖层及1 m深土层深度内土壤LFOC含量占土壤总SOC含量比例分别为32.38%、25.94%和22.57%。按土层剖面垂直分布来看，3种林型对应层土壤LFOC含量占SOC含量比例均呈逐级递增趋势，至60～100 cm土层出现下降（表8）。本研究的3种林型LFOC占SOC的比例为（9.68%～46.73%），介于森林轻组有机碳占总有机碳的4%～63%之间[11]。

2.5 3种森林类型土壤中EOC、LFOC与SOC相关性

3种森林类型土壤轻组有机碳及易氧化有机碳与有机碳关系见图1：相关性达显著正相关，方程为线性函数，分别为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为易氧化有机碳含量/（g/kg），y2为轻组有机碳含量/（g/kg），x为有机碳含量/（g/kg）。本文得出有机碳含量与易氧化有机碳含量、轻组有机碳含量有显著的相关性，与前人[12-16]的研究结果一致，说明有机碳含量是轻组有机碳的重要影响因子，且土壤易氧化碳在较大程度上依赖于总有机碳的碳量。同时土壤轻组有机碳与易氧化有机碳相关性也达显著正相关，方程为y3=0.1 150x+0.966 6（R2=0.616 6），其中y3为轻组有机碳含量/（g/kg），x为易氧化有机碳含量/（g/kg）。说明土壤有机碳各组分密切相关及具有稳定性。

3 讨论与结论

（1）文昌滨海台地3种森林类型林下凋落物现存量及碳储量存在一定差异但变化规律一致，均为椰子林>次生林>人促更新次生林，且分解层>未分解层。本研究中3种林型凋落物现存量（1.53～4.53 t/hm2）均低于伍恩华[17]对海南岛北部海岸木麻黄凋落物现存量（14.49～15.90 t/hm2）。说明林地凋落物现存量是一个动态值，它受制于气候、地形、土壤、林分特征、生物区系及经营活动等因素。且与张家武等[18]对马尾松不同林分密度与凋落物关系呈正相关研究结果存在差异。这与文昌地区常年有台风，加上椰子树树型高大笔直及叶片果实较大导致抗台风能力弱，最终导致落叶落果多有关。所以说森林凋落物受林分密度、树型、林分结构及外界条件等多种因素影响。

（2）1 m深土层深度内，3种林型土壤容重介于0.85～0.97 g/cm3，均低于1 g/cm3，且随土层加深增加；而土壤SOC含量随土层深度的增加呈递减趋势，腐殖层SOC含量介于11.68～15.60 g/kg之间，显著高于其余1 m土层深度内各土层SOC含量。说明3种森林类型土壤有机碳主要集中在土壤表层，具有表面聚集性，这主要是由于地表凋落物的积累及分解为土壤表层提供了丰富的有机碳源且不同森林类型对林下有机碳蓄积有重要影响。以上研究结论与很多研究结果一致[19-21]。说明土壤有机碳主要受地上地表凋落物化学组成、植物根系和地下微生物的分解积累程度直接影响。且林地土壤碳密度与陈步峰[22]研究结果相比明显偏低，这与滨海台地土壤质地有关，说明对于不同林型土壤有机碳及碳密度差异，土壤母质是一个重要因素。

（3）腐殖层及1 m土层深度内，3种林型土壤EOC和LFOC含量变化规律一致，均呈递减趋势，但两者变幅存在差异，且各组分占土壤总SOC含量比例无规律性。土壤EOC、LFOC占土壤总SOC比例分别在60%～70%和23%～32%之间，且三者之间呈线性正相关。本研究中次生林、人次更新次生林和椰子林0～100 cm土层EOC含量占土壤总有机碳的比例介于40%～91%。说明不同林地不同土层之间土壤碳活性存在差异，相比之下，0～20 cm土层碳活性较强且稳定性差。这与滨海地区受到台风、风暴潮、干旱等频发性的自然灾害相对强度大及次数多有关。3种林型对应层土壤LFOC含量占SOC含量比例均呈逐级递增趋势，至60～100 cm土层出现下降。而钟羡芳[23]、商素云[24]等研究表明轻组有机碳占土壤总有机碳比例随着土壤深度加深呈下降现象。这可能与滨海台地土壤容重低，孔隙度大，常年雨水多导致地表养分向地下淋溶强度大有关，且轻组密度小，更易随水流流失。3种森林类型土壤中EOC、LFOC与SOC相关性说明土壤有机碳水平控制了土壤EOC、LFOC含量，这与EOC、LFOC的主导影响因素是土壤全碳[25-26]的结论一致。说明易氧化有机碳和轻组有机碳对土壤有机碳变化有不同程度的响应指示且土壤有机碳内部各组分密切相关及具有相对稳定性。

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