近20年海南岛土壤有机碳时空变异

吕丽平 王登峰 魏志远 漆智平 唐树梅

摘 要 为探明海南土壤有机碳变化规律，以海南岛表层土壤有机碳为研究对象，在收集调查相关历史资料的基础上，采集土壤样品并测定其土壤有机碳含量，利用ArcGIS空间分析模块，分析1980s～2000s海南土壤有机碳时空变异特征并探讨其主要影响因素。结果表明，1980s和2000s海南表层土壤有机碳含量变幅为2.90～93.74 g/kg和0.25～44.67 g/kg，表层土壤有机碳含量总体呈下降趋势，全岛平均下降了5.86 g/kg。按土壤有机碳等级划分标准，1980s时期海南土壤有机碳主要分布在3、4级，而在2000s期间主要分布在4、5级，表明海南土壤有机碳含量低的分布面积逐渐增大，而高含量的土壤分布面积在减小。在海南特殊的气候条件下，降水量和温度显著影响土壤有机碳含量；土壤有机碳的空间变异性主要受降水量和土壤初始有机碳含量及土地利用方式的影响；再加上人为活动频繁，加剧了土壤有机碳含量的下降。为了海南农业生产的可持续发展，遏止海南土壤有机碳含量进一步降低，大力提倡秸秆还田，增施有机肥，采用保护性耕作措施是海南省土地使用管理的当务之急。

关键词 土壤有机碳；时空变异；影响因子

中图分类号 S153 文献标识码 A

The Spatial and Temporal Variability of SOC in

Hainan Island Over the Past 20 Years

Lü Liping1，2， WANG Dengfeng3， WEI Zhiyuan3， QI Zhiping3， TANG Shumei2*

1 Sinochem Fertilizer Co.， Ltd. Fujian Branch， Xiamen， Fujian 361011， China

2 College of Agronomy， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

3 Tropical Crops Genetic Resources Institute， CATAS， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract The objective of this study was to investigate the variation of the surface soil organic carbon which as the research object in Hainan. On the base of the historical data and investigations， we collected samples and measured SOC to investigate the temporal and Sspatial variability of SOC in Hainan in 1980s-2000s and explored the main factors by using ArcGIS Spatial Analysis Module. The results showed that SOC in 1980s and 2000s ranged from 2.90 to 93.74 g/kg and 0.25 to 44.67 g/kg respectively which was a downward trend and the average decrease was 5.86 g/kg. According to the SOC grade standard， the SOC in 1980s distributed mostly in the third and four grade， while in 2000s the SOC was concentrated in the grade 4 and 5. It showed that the distribution area of low levels of SOC was increasing gradually， and the area of high levels was reducing. With the special climatic conditions in Hainan， rainfall and temperature significantly affect SOC content； spatial variability of SOC was mainly affected by precipitation and initial SOC content and the impact of land use patterns； coupled with frequent human activities increased the decline in SOC content. For the sustainable development of agricultural production in Hainan we must make some measures to stop SOC decreasing by increasing strongly straw return， organic fertilizer and taking conservation of land-use management.

Key words Soil organic carbon； Spatial and temporal variability； Impact factor

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.020

土壤有机碳是土壤肥力和土壤质量评价的重要指标，是自然界中碳储存的重要形式之一。全球陆地土壤有机碳总量是大气圈碳总量的2倍，在全球碳循环中起着重要的作用，其微小的变化就可能影响全球碳循环平衡。工业革命至今，大气CO2浓度由280 ppmv上升至396.80 ppmv[1]，其中所增加量的10%来自于土地利用方式的改变所导致的碳排放，是大气CO2主要人为因素来源[2]。最新研究发现热带地区土壤的碳周转与全球气候变化密切相关[3]。热带地区土壤有机碳储量对温度上升的敏感性和大气中CO2每年增长量对热带地区温度异常性的敏感性呈极显著的正相关性[4]。

海南岛地处热带，在高温、强降雨、强蒸发及人类活动不断加剧的背景下，海南土壤有机碳库易于发生变化，这不仅影响了土壤肥力及作物的产量，而且还对区域气候带来影响。目前，有关海南土壤有机碳含量空间分布特征的研究已有较多报道[5-7]，但针对海南土壤有机碳时空变化趋势及其影响因子的研究报道较少。因此，本研究利用海南第二次土壤普查资料及近期海南土壤调研资料分析海南土壤有机碳变化趋势，解析海南土壤有机碳变化的主要影响因子，并提出应对海南土壤有机碳变化的建议，为稳定和增加海南土壤碳库提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛地处E108°37′～111°03′，N18°10′～20°10′，有3个地级市，14个县，陆地面积为3.54万km2，其中农田面积约为41万hm2[8]，占陆地面积的11.59%。山地和丘陵占39%，台地和阶地占50%，平原占11%。山地主要分布在岛中部偏南地区、山地中散布着丘陵性盆地；台地和阶地主要分布于山地丘陵周围；平原为环岛滨海平原。中部为山区、四周沿海平原，总体呈山地、丘陵、台地和沿海平原三级环状地貌。海南岛具有热带海洋气候特征，全年暖热，雨量充沛，干湿季节明显，热带风暴和台风频繁。

1.2 方法

1.2.1 样品采集和资料收集 通过近年环岛实地取样，共采集435个土样，作为2000s样点；同时调查收集海南农田作物轮作模式、施肥、灌溉等土地使用管理措施相关资料；历史资料是指第二次土壤普查海南各县市土壤普查报告，共选取314个土样数据作为1980s样点；同时收集海南统计年鉴、气象水文资料、农业耕作历史资料等。

1.2.2 分析方法 两个时期的土壤有机碳含量均采用重铬酸钾氧化-外加热法（油浴法）测定。

1.3 数据处理与分析

实验基础数据采用Excel 2007处理分析。由于第二次土壤普查采样点缺少经纬度数据，利用ArcGIS软件，参考前人的研究方法[9]，结合近期采样点绘制两个时期采样点位图（图1），建立1980s、2000s海南土壤空间属性数据库。

在构建两时段土壤空间属性数据库基础上，采用ArcGIS空间分析模块进行空间插值，绘制两时期海南土壤有机碳的空间分布图，借助于空间分析工具的栅格计算器计算获取两时期土壤有机碳含量分布差异。

2 结果与分析

2.1 1980s期间海南表层土壤有机碳含量分布

1980s期间海南表层土壤有机碳含量空间分布如图2所示，在第二次土壤普查期间，海南岛表层土壤有机碳含量变幅为2.90～93.74 g/kg，平均有机碳含量为13.00g/kg。其中有机碳含量为8.00～12.00 g/kg的区域约占海南岛陆地面积（35 400 km2）的76.0%；较高的有机碳含量（>16.00 g/kg）主要分布在海南岛北部（海口市）和中部地区（白沙、琼中、屯昌），面积约为6 609.2 km2（18.67%）；土壤有机碳含量较低（<6.00 g/kg）的土壤主要分布在文昌市南部区域及东方沿海地区，面积约为626.6 km2（1.77%）。土壤有机碳含量为12.00～16.00 g/kg的土壤面积约为15 144.1 km2，约占全岛陆地面积的42.78%。由此可见，海南土壤有机碳分布表现为以白沙、琼中、屯昌为相对高值中心向沿海地区递减，即整体表现为海南岛中部区域的有机碳值高于沿海区域。1980s期间海南表层土壤有机碳含量主要分布于海南岛中部的山脉地区和北部的火山岩地区，其他沿海地区碳含量则相对较低。

2.2 2000s期间海南表层土壤有机碳含量分布

与1980s相比，2000s海南表层土壤有机碳含量发生较大变化（图3）。2000s期间海南岛表层土壤有机碳含量变幅为0.25～44.67 g/kg，平均有机碳含量为7.14 g/kg。较高有机碳含量（8.00～12.00 g/kg）区域主要集中在海口、澄迈、儋州、五指山与陵水、三亚交界处等地区，分布面积约为4 115.86 km2（占陆地面积的11.63%）；有机碳含量小于4.00 g/kg主要分布在西部地区和沿海一带，分布面积约8 885.40 km2（占陆地面积的25.10%），其他地区的有机碳含量处于中间水平。海南岛整体有机碳分布表现中部高于沿海地区，北部区域有机碳高于南部区域。

2.3 两时段海南表层土壤有机碳含量变化

近20年来，海南表层土壤有机碳总体呈降低趋势（图4），土壤有机碳含量平均降低5.86 g/kg。区内土壤有机碳含量变化空间分布不均。有机碳小幅增加（>0 g/kg）的区域仅出现在儋州娥曼镇、兰训镇等地区和文昌南部小块区域，但增加幅度较小。有机碳最大变化量（>15 g/kg）出现在海口、临高火山岩地区，有机碳减少量在10～15 g/kg范围内的区域集中在中部高海拔地区（白沙、琼中、五指山）延伸到陵水和万宁、乐东沿海区域。综上，不同区域的土壤有机碳变化幅度不同。在1980s～2000s年期间里，海南表层土壤有机碳变化表现为海口部分区域及中部地区的变化较大，且变化量逐渐向四周沿海区域递减。

土壤有机碳划分等级标准是根据土壤有机质各等级相对应含量乘以0.58换算而得。根据标准将1980s、2000s两个时期海南土壤有机碳含量划分等级并计算等级所占的面积比见表1。可知，1980s期间海南土壤有机碳3级分布面积最广，约为19 414.89 km2，所占面积比为57.03%；其次是4级，占全岛面积的31.97%；面积最小的是5级，仅占总面积的1.53%；6级没有分布。各等级分布面积大小顺序依次为3级>4级>2级>1级>5级>6级。2000s期间海南土壤有机碳含量等级集中分布在4、5级；其中分布面积最大为4级，约为21 294.59 km2，面积比为62.56%；1级几乎没有分布，此时6级有分布，但所占面积较小。2000s期间各等级面积大小顺序依次为4级>5级>3级>6级>2级>1级。

两个时期，海南土壤有机碳含量等级变化的具体情况是：4、5、6级面积均有所增加，其中4级增加的最大；而1、2、3级面积均有不同程度的减少，其中3级减小面积最广，减小幅度为49.71%。各等级变化程度依次为3级>4级>5级>2级>6级>1级。从土壤有机碳含量等级变化可以看出，在1980s～2000s期间海南土壤有机碳下降程度较大。

2.4 海南农田土壤变化速率

拟合1980s时期海南农田土壤有机碳含量与近20年土壤有机碳年均变化量（g·kg-1·yr-1）二者关系（图5），结果表明土壤有机碳含量的年均变化量与其初始值呈负相关，与前人研究结果一致[10-12]。可见，农田土壤有机碳初始含量越高，有机碳分解越快，损失就越大。

2.5 外界因素对土壤有机碳时空变异的影响

2.5.1 温度对土壤有机碳时空变异的影响 不同年均温度区域土壤有机碳含量存在差异，如图6所示，年均温大于25 ℃地区有机碳含量显著低于年均温≤22 ℃地区的，与年均温为23～25 ℃地区的差异不显著。可见，土壤有机碳含量与年均温度呈负相关，表明土壤经过长期的风化作用所积累的有机碳量与当地温度关系密切。由图7可以看出，年均温大于25 ℃地区有机碳变化量显著低于年均温≤22 ℃地区的，与年均温为23～25 ℃地区的差异不显著。

2.5.2 降水量对土壤有机碳时空变异的影响 不同年均降水量区域土壤有机碳含量存在差异（图8），年均降水量大于2 400 mm的区域土壤有机碳含量显著高于年均降水量小于1 800 mm的地区，年均降水量大于2 200 mm的区域土壤有机碳含量显著高于年均降水量小于1 200 mm的地区，与其他年降水量范围地区的差异不显著。

不同年均降水量对土壤有机碳变化的影响与其对碳初始含量的影响相似（图9），即年均降水量大于2 400 mm的区域有机碳变化量显著高于年均降水量小于1 800 mm的地区，年均降水量大于2 200 mm的区域有机碳变化量显著高于年均降水量小于1 200 mm的地区，与其他年降水量范围地区的差异不显著。表明在海南地区随着年均降水量的升高，土壤有机碳变化量增大，即碳变化和年均降水量的关系整体表现为正相关关系。但是年均降水量处于中等范围时（1 800～2 200 mm），有机碳变化量波动较大。

2.5.3 土地利用方式的改变对土壤有机碳时空变异的影响 在1980s～2000s期间，各市县的稻田和旱地土壤有机碳含量都有不同程度的下降（图10），其中海口和东方地区稻田土壤有机碳下降最多，下降幅度超过50%，儋州的稻田有机碳下降最小；但儋州旱地土壤有机碳下降幅度最大，为26.09%，东方的次之，三亚的最小。各县市的园地也有不同程度的变化，其中东方地区的园地有机碳下降最为明显，下降幅度为37.89%，其次为儋州的，三亚园地土壤有机碳反而增加了。

各市县不同土地利用方式土壤有机碳含量均表现为园地>稻田>旱地（图10），根据调查资料，分析1980s～2000s期间海南土地利用方式变化情况（图11）。在20年间里，海南土地利用方式发生一定的变化，水田面积减少了0.62%，林地面积减少了2.08%，草地面积减少了4.34%，旱地面积增加了5.25%。所减少的水田面积主要是山地田转变为旱地，部分被改利用为建设用地；所减少的林地主要是疏林、灌木林、园地转变为旱地耕作；减少的草地也主要是转变为旱地和建设用地[8]。

2.5.4 施用化学肥料对土壤有机碳时空变异的影响

由图12可知，海南总施肥量整体趋势表现为逐年增加，由1989年的12.0×104 t到2010年的117.50×104 t，是1989年的近10倍。可见近20年海南农业施用化肥量增加速度之快。

图13为近20年海南各种单质化肥和复合肥施用量趋势图。氮肥、磷肥、钾肥及复合肥施用量呈逐年上升趋势，但是各种肥料增长率有一定的差异。1989～1998年间，氮磷钾肥施用量增长趋势较缓慢，复合肥施用量增长趋势较快。2000～2010年各种肥料施用量都呈现快速增长趋势，特别是2000～2007年，增长速度较快，2007年后增长速度较为平稳，但复合肥的施用量增长速度极快，甚至超过了氮磷钾肥。

通过氮磷钾的单质肥料施用比例可以侧面反映农业生产中肥料施用是否合理。1989年氮磷钾肥料施用比例为1 ∶ 0.23 ∶ 0.15，10年后的比例为1 ∶ 0.33 ∶ 0.26，而至2007年时施用比例为1 ∶ 0.78 ∶ 0.44。在1990s初，海南农业生产偏施氮肥，之后不平衡的氮磷钾施用比例稍有好转。近20年里海南农业化肥施用量呈快速增长趋势，而土壤有机碳含量却呈下降趋势，表明农业施用化肥量与有机碳的变化有一定的关系。

3 讨论与结论

土壤经过长期的风化作用所积累的有机碳量与当地温度及降水量密切相关[13-14]。土壤有机碳变化量和年均降水量呈正相关，这与杨红飞等[15]研究降水变化对草地土壤有机碳影响结果相似；降水的变化会影响土壤含水量，改变土壤呼吸速率，进而影响土壤有机碳变化量。土壤有机碳变化量与年均温度呈负相关性，与前人研究结果不一致[16]，一般认为有机质的分解是随着温度的升高而加快的，但也有研究表明有机质的分解对温度的响应成相反趋势[11]，表明两者关系比较复杂，可能受其他因素的影响[14]。在海南年均温高的地区，其碳的减少量较小，年均温较低的地区其碳的减少量较高。但是海南常年高温且昼夜温差大，整个岛内年均温度差异不大。结合土壤有机碳变化速率与土壤有机碳初始含量的关系可知，当土壤有机碳含量较低时，其变化速率也较低。海南年均温度较高的区域其土壤有机碳含量较低，该区域土壤有机碳变化速率低。可见海南年均温度较高的区域土壤有机碳变化较小主要是因为土壤有机碳初始含量较少，表明温度不是海南土壤有机碳空间变化分布差异的主要影响因子。

土地利用方式的改变加剧了海南土壤有机碳的变化，与孔雨光、李家永的研究结果相似[17-18]。不同土地利用方式，土壤各粒径团聚体的百分含量不同，而大团聚体对土壤有机碳具有一定的富集和保护作用[17]，改变土地利用方式总体上会导致土壤碳的释放[14]，纵观海南这20多年间土地利用情况可知，海南农业进入快速发展时期，土地的大量开垦改变了土壤的物理结构，加快了土壤有机质的矿化作用，降低了土壤有机质储量[18]。

长期施用化肥也是海南土壤有机碳变化的因子之一。长期施用单质化肥的比例不合理或单施用化肥，对土壤的有机碳含量及稳定性产生一定的影响作用[19]。长期单施用化肥，土壤有机碳含量及活性有机碳含量均会有所降低[20-21]。Ji Y J[22]研究了施用氮肥对土壤有机碳和土壤结构性质的影响，结果表明过量施用氮肥后导致土壤根系微生物减少，从而对土壤的结构造成负面的影响。

本研究只基于1980s、2000s两个时期的土壤、气候数据，关于温度、降雨量和土地利用方式、施用化肥之间协同作用对土壤有机碳含量影响的研究仍未清楚，今后应加强土壤有机碳动态检测，进一步研究土壤有机碳变化规律。

综上所述，在海南特殊的气候条件下，降水量和温度显著影响土壤有机碳含量；土壤有机碳的空间变异性主要受降水量和土壤初始有机碳含量及土地利用方式的影响；再加上人为活动频繁，加剧了土壤有机碳含量的下降。为了海南农业生产的可持续发展，遏止海南土壤有机碳的下降趋势，大力提倡秸秆还田，增施有机肥，已经刻不容缓，采用保护性耕作措施是海南省土地使用管理的当务之急。

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