海南岛灌丛土壤有机碳分布特征

邹耀进 王旭 梁卿雅 李超 王鑫瑶

摘 要 海南岛土壤有机碳研究工作多集中在森林土壤，而灌丛土壤尚未引起足够重视。本文以海南岛24个灌丛样地的72个土壤剖面为研究对象，分析其有机碳含量、有机碳密度及其碳储量，以期揭示海南岛灌丛土壤有机碳的分布特征，并初步估算海南岛灌丛土壤的有机碳储量，为评价海南岛灌丛的重要生态价值提供理论依据。结果表明：海南岛灌丛土壤平均有机碳含量为（6.20±0.61）g/kg，平均土壤有机碳密度为5.94 kg/m2；土壤有机碳含量及各土层统一到10 cm厚度的平均有机碳密度随土壤深度的增加而减少；海南岛灌丛土壤（100 cm）的有机碳储量约为1.48×107 t。其中，土壤表层（0～30 cm）与（0～50 cm）的贡献率分别为46.15%和65.28%，与其它类型土壤一致。

关键词 海南岛；灌丛；土壤有机碳含量；有机碳密度；碳储量

中图分类号 S714 文献标识码 A

Abstract At present， the investigation of soil organic carbon in Hainan Island is mainly concentrated in the forest soil， but shrub communitiessoil has not attracted enough attention. This study was based on the survey of 72 soil profiles of 24 shrub communities plots in Hainan Island， and then analyzed its concentration and density of soil organic carbon and the carbon storage. The results suggested the distribution characteristics and preliminarily estimated the storage of soil organic carbon in the shrub community of Hainan Island， as well as provided the theoretical basis for important ecological value in the shrub community of Hainan Island. The results showed that the concentration of soil organic carbon in the shrub community of Hainan Island was（6.20±0.61）g/kg， and the average density of soil organic carbon was 5.94 kg/m2. The concentration and average density of soil organic carbon with the soil layer of 10 cm thickness in the shrub community of Hainan Island decreased with the increase of soil depth. The storage of soil organic carbon in the shrub soil（100 cm）of Hainan Island was about 1.48×107 t， and the contribution rate of soil surface layer（0-30 cm）and（0-50 cm） were 46.15% and 65.28%， respectively， it is consistent with other types of soil.

Key words Hainan Island； shrub community； soil organic carbon concentration； soil organic carbon density； carbon storage

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.04.005

灌叢作为广泛分布的陆地生态系统类型，在群落演替、区域生态环境保护和碳汇功能等方面都扮演着极其重要的角色[1]。中国灌丛面积近2×108 hm2[2]，占中国陆地总面积的1/5，分布面积仅次于草地。而土壤作为最大的碳库之一，有机碳含量约为1 500 Pg[3]，是陆地植被碳库的2～4倍[4-6]，是全球碳循环的重要组成部分。因此，土壤有机碳研究对于全球碳循环及气候变化都具有重大意义。Bohn[7-8]于1976年和1982年先后两次分别根据土壤分布图及相关土组的有机碳含量和FAO制的187个土壤剖面有机碳密度值，估算全球土壤有机碳库储量为2 946 Pg和2 200 Gt。潘根兴[9]根据《中国土种志》的基本数据，统计计算得到中国土壤有机碳库总量为50 Gt，相当于全球碳库总量约1/40～1/30。王绍强等[10-11]根据中国第一次和第二次土壤普查数据估算的中国陆地生态系统土壤有机碳总量分别为100.18 Gt和92.418 Gt，平均碳密度为10.83 kg/m2和10.53 kg/m2。李克让等[12]利用全国第二次土壤普查数据，运用GIS技术建立土壤空间和属性数据库，计算了2 456个剖面的两种深度（100 cm、20 cm）的土壤有机碳密度，计算出不同土壤类型的有机碳密度及储量，并用模型计算出中国土壤碳储量为82.65 Gt。由于土壤的差异性和复杂性，尽管已经有很多学者对大尺度范围上的土壤有机碳储量进行了估算，但仍需要更多实地实测的基础数据才能对某一地区某一类型土壤有机碳储量进行更科学的计算。

对于海南岛土壤有机碳而言，郭晓伟等[13]在海南岛尖峰岭热带山地雨林60 hm2大样地内采用野外布点采样、实验室测定和地统计学分析相结合的方法，对其土壤有机碳密度空间分布特征进行了研究；郭志华等[14]测出海南清澜港红树林湿地土壤有机碳含量为（9.1±1.08）～（66.2±5.17）g/kg，且随土壤深度增加先升高后降低，在60～70 cm处有最大值；郑永良等[15]计算了芒果人工林土壤总有机碳含量（3.1～6.9）g/kg；杨怀等[16]以海南尖峰岭、霸王岭、五指山、吊罗山、鹦哥岭5个热带原始森林土壤为研究对象，用纵向拟合法和分层估算法分别估算其土壤有机碳密度，发现前者明显高于后者（p<0.05）；张晓琳等[17]通过对吊罗山15个土壤剖面的研究，计算出吊罗山保护区土壤总有机碳为2.82×106 t。他们都是针对海南岛某一地区某一森林类型土壤有机碳进行了探索，却极少涉及灌丛土壤的研究，以至于目前针对海南岛灌丛土壤有机碳的实测研究工作仍基本处于空白。

本研究以海南岛24个灌丛群落样地的72个土壤剖面为基础，研究其土壤有机碳含量、有机碳密度及有机碳储量，来揭示海南岛灌丛土壤的有机碳分布特征，估算其有机碳储量。以期能为评价海南岛灌丛重要生态价值提供理论依据，为更大尺度土壤有机碳估算提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛是中国海南省的陆地主体，地处E108°37′～111°05′，N18°10′～20°18′之间，地形呈椭圆状，具有显著环状梯级结构。全岛位于热带地区，属热带季风气候，年平均气温22～26 ℃，光照率为50%～60%。年降雨量约1 500～2 000 mm，土壤以砖红壤为主，土壤pH多呈弱酸性，雨季鲜明，具有极其丰富的物种多样性。样地基本情况见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 2016年7～9月，通过咨询和收集资料了解海南岛灌丛的分布状况，然后在海南岛灌丛分布较广的市县中布设24个具有代表性的灌丛样地，每个样地内设置3个5 m×5 m的灌丛样方，每个灌丛样方内设置1个1 m×1 m的草本样方，调查记录灌木植物种名、盖度、高度、基围、冠幅、生长期和草本植物种名、多度、平均高度和覆盖度等指标。并在每个灌丛样方内挖取1个100 cm深土壤剖面，记录土壤发生层厚度，并按照剖面法和土钻法分0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 6个层次对土壤进行调查、取样，其中剖面土壤用于测定土壤容重，土钻土壤测定有机碳含量。

1.2.2 测定方法 土壤容重用环刀法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾法测定；粒径大于2 mm的砾石体积用筛分法测定。

1.2.3 土壤有机碳密度的计算 土壤有机碳密度（SOC）是评价和衡量土壤特性的一个重要的指标[18]。某土层i土壤有机碳碳密度（kg/m2）计算公式如下：

SOCi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

其中，Ci为土壤有机碳含量（g/kg）；Di为土壤容重（g/cm3）；Ei为土层厚度（cm）；Gi为直径大于2 mm的石砾所占体积百分比（%）。

某一土壤剖面的有機碳密度为该剖面各层SOCi之和，即：

SOC=ΣSOCi

1.3 数据处理与分析

本研究采用Excel 2013进行原始数据的统计、整理及图表制作，并运用SPSS 22.0版本软件的Duncan多重比较法分析不同土层有机碳密度之间的差异显著性（p<0.05时，表明差异显著）。

2 结果与分析

2.1 海南岛灌丛土壤有机碳含量

如图1所示，海南岛灌丛土壤在0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 6个土层中，0～10 cm土层的有机碳含量在（2.99±1.24）～（20.18±6.24）g/kg之间，在所有土层中平均有机碳含量最高； 6个土层平均土壤有机碳含量分别为（9.66±4.79）、（7.79±4.46）、（6.64±3.91）、（5.14±2.46）、（4.37±2.18）和（3.58±2.18）g/kg，呈现递减趋势，这与诸多学者的研究结果一致[19-23]，也与森林、草原的土壤有机碳含量分布结果相似[24-28]。

海南岛灌丛各土层有机碳含量差异性较大，最高为（20.88±1.65）g/kg，最低为（0.38±0.07）g/kg（其中，样地P20土层70 cm以下为基质，因此不做计算、比较），平均有机碳含量较低，仅为（6.20±0.61）g/kg。土壤有机碳含量直接取决于掉落物的输入与分解，此二者又与水、热条件密切相关，而人为干扰通常也在土壤有机碳积累过程中扮演重要角色。王淑平等[29]通过对中国东北样带土壤有机碳与年降水、年均温之间关系的研究发现：降水量和温度对土壤有机碳的积累具有正交互作用，表明土壤有机碳是降水量、温度及其它影响因子综合作用的结果，且适宜的温度有利于土壤有机碳的积累，反之则对土壤有机碳的积累具有负效应。海南岛地处热带地区，灌丛多位于低海拔地区，丰富的降水和持续的高温条件加速掉落物等有机质的分解、物质再循环和流失，这不利于土壤有机碳的积累[16]。同时，调查也显示海南岛灌丛普遍受人工干扰强度较大（表1），容易造成土壤碳的损失；而从灌丛的立地条件来看，海南岛土质较好的区域往往种植橡胶或其他人工林，灌丛一般位于立地条件相对恶劣的区域。这些都可能是导致其土壤平均有机碳含量较低的原因。

2.2 海南岛灌丛土壤有机碳密度

如表2所示，海南岛24个灌丛样地的各土层有机碳密度在（0.22±0.03）～（3.41±0.04）kg/m2之间，通过Duncan多重比较法可见各样地6个土层之间有机碳密度大部分差异性显著（p<0.05）。0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm的各土层平均土壤有机碳密度分别为1.06、0.89、0.73、1.15、0.93、1.18 kg/m2，0～100 cm平均土壤有机碳密度为5.94 kg/m2。结果远低于于东升等[30]估算的中国土壤平均有机碳密度9.60 kg/m2，但与其文章中发布的《图1.中国土壤有机碳密度（1 m）分布》中海南岛土壤有机碳密度基本一致，也说明本研究能在一定程度上为大尺度上土壤有机碳密度估算提供基础实测数据。

为保证不同土层土壤有机碳密度的可比性，本研究将各土层统一到10 cm厚度进行比较，每一土层10 cm厚度的有机碳密度依次为1.06、0.89、0.73、0.57、0.46、0.39 kg/m2，则呈现随土层深度增加而减少的趋势，与其土壤有机碳含量的剖面垂直分布规律一致。

就0～100 cm整个土层而言，各样地土壤有机碳密度在0.81～12.56 kg/m2之间。其中样地P2、P3、P10和P16的有机碳密度明显低于其他样地，造成这种差异的主要与其地表植被有关。不同植被类型将形成特定的土壤表层小气候[31]，影响土壤有机碳的输入和微生物对有机碳的分解、转化。P2与P3的灌丛优势种单一且均为多年生植物猪屎豆，P10优势种为翻白叶且盖度较低，仅为62%，P16虽然灌木层优势种相对丰富，但其草本层盖度仅为5%，且人为干扰强烈（表1）， 这些都影响了土壤有机碳的积累，使得这4个样地的土壤有机碳密度明显低于其他样地。

2.3 海南岛灌丛土壤有机碳储量及其分配

根据各年《海南省年鉴》可知海南岛灌丛面积约为2.5×105 hm2，本研究以此为基础结合调查的24个样地0～100 cm平均土壤有机碳密度（5.94 kg/m2）估算海南岛灌丛土壤有机碳储量。由此估算出其0～100 cm的土壤有机碳储量为1.48×107 t，如图2所示，0～10、10～20、20～30、30～50、50～70 、70～100 cm 6个土层分别占有17.93%、14.83%、12.33%、19.41%、15.64%和19.86%。

各样地土壤有机碳储量在各土壤层分布的比重不同，0～30、0～50 cm所占比重分别在25.47%～64.83%和49.72%～82.73%之间，平均值为46.15%和65.28%。Baties等[32]对全球各类型土壤（100 cm）碳储量的研究中，0～30、0～50 cm碳贮量的平均贡献率为49%与67%；在Detwiler[33]对热带和亚热带地区土地利用变化对土壤碳库影响的研究中，0～40 cm土壤碳储量所占比例为35%～80%，平均贡献率为57%；在李英升等[34]的研究究中0～30 cm土层土壤有机碳密度在江西省4种森林类型的贡献率为50%左右。本研究结果与上述一致，可见海南岛灌丛浅层土壤对有机碳储量贡献较大，与其它类型土壤一样具有较强的表聚性。

3 讨论

3.1 海南岛灌丛土壤有机碳含量及碳密度

海南岛灌丛土壤平均有机碳含量为（6.20±0.61）g/kg，平均土壤有机碳密度为5.94 kg/m2。与其它灌丛土壤相比较：大于新疆干旱区8种常见灌丛土壤有机碳密度，其中最大的是金露梅灌丛，其土壤有机碳密度为2.13 kg/m2[35]；土壤有机碳含量高于科尔沁沙地小叶锦鸡儿灌木林（2.74 g/kg）以及差不噶蒿灌木林（2.03 g/kg）[36]；与森林土壤有机碳相比较：低于鼎湖山自然保护区土壤（7.39 kg/m2）[28]；低于吊羅山土壤有机碳密度（15.31 kg/m2）[17]；与广东省马尾松林（5.55～6.67 kg/m2）[37]相似。就更大范围土壤有机碳而言：低于海南岛土壤有机碳的算术平均值（9.48 kg/m2）[12]及全国中国土壤平均有机碳密度的估测值（9.17 kg/m2[3]、9.60 kg/m2[30]）。土壤有机碳主要来源于植物根系、凋落物、动物及微生物遗体等，而在形成土壤有机碳的过程中又受到水、热及人为干扰等因素的影响。海南岛灌丛虽然物种相对丰富，但本身立地条件较差，受到较强的人为干扰，加速了土壤有机碳的流失，而丰富的降水及长年高温，又使得土壤物质循环速度较快，持有量较低。因此海南岛灌丛土壤有机碳密度高于一些干旱及半干旱地区灌丛，却低于全国土壤平均水平和大部分森林土壤。

3.2 海南岛灌丛土壤有机碳含量及土壤有机碳密度分布规律

海南岛灌丛土壤有机碳含量在剖面垂直分布上呈现随土壤深度增加而减少的趋势；各土层统一到10 cm厚度之后，土壤有机碳密度则也呈现了一样的变化趋势。土壤有机碳的来源主要集中在土壤表层，随着土层深度的增加，微生物活动减弱，有机碳的积累降低，而且土壤有机碳容易受植被类型、土壤理化性质和气候等因子的影响，但是无论是森林、灌丛还是草原的表层土壤都具有较强的储碳能力[19-28]。

海南岛灌丛土壤的有机碳含量总体随土壤深度增加而减少的变化程度并不相同，随着土壤深度的增加有机碳含量变化程度减小；而且不同样地同一土层的的土壤有机碳含量也存在较大差异。究其原因，灌丛样地植被的不同在很大程度上决定了土壤有机物的输入的多少[31]，土壤的理化性质（如pH，团聚体粒径等）则影响着有机碳的消纳[15，38]，而且气候、海拔、土壤微生物和人工干扰等都对土壤有机碳的持有和周转速度有较大影响[9，39]。海南岛不同样地的优势种数量和类型都有所不同，不同的植被类型之间光合作用产物的分配差异较大，使得土壤有机物的输入有所区别，往往土壤表层输入的有机物较多，而随着土层深度的增加逐渐减少，而且加上表层丰富的微生物和光、热条件使得有机物分解较快，这就形成了不同样地、不同土层有机碳的分解速率和持有量的差异。

3.3 海南岛灌丛土壤有机碳储量

按照100 cm的土壤剖面深度计算，海南岛灌丛群落的土壤有机碳储量为1.48×107 t。虽然海南岛灌丛土壤有机碳密度远低于吊罗山热带雨林，但是其广大的分布面积却使得有机碳储量为吊罗山热带雨林土壤总量的5.26倍[17]，这也充分说明了海南岛灌丛土壤的重要碳汇功能和生态价值。在Detwiler[33]对热带土壤碳库的研究中，0～40 cm土层碳储量占100 cm剖面的比例为35%～80%，而海南岛灌丛土壤0～30、0～50 cm所占比例分别为46.15%和65.28%，这也说明海南岛灌丛表层土壤与许多类型土壤一样具有较强储碳能力。

参考文献

[1] 胡会峰， 王志恒， 刘国华， 等. 中国主要灌丛植被碳储量[J]. 植物生态学报， 2006， 30（4）： 539-544.

[2] 侯学煜. 中华人民共和国植被图[M]. 北京： 中国地图出版社， 1982.

[3] Lal R. World soils and greenhouse effect[J]. IGBP Global Change Newsletter， 1999， 37（1）： 4-5.

[4] Jenkinson D S， Adams D E， Wild A. Model estimates of CO2 emissions from soil in response to global warming[J]. Nature， 1991， 351： 304-306.

[5] 周国模， 刘恩斌， 佘光辉. 森林土壤碳库研究方法进展[J]. 浙江林学院学报， 2006， 23（2）： 207-216.

[6] Raich J W， Potter C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J]. Global Biochemical Cycles， 1995， 9（1）： 23-36.

[7] BOHN， HINRICH. Estimate of organic carbon in world soils[J].Soil.Sci. Soc.Am. J， 1976（40）： 468-470.

[8] BOHN HL. Estimate of organic carbon in world soils[J]. Soil Sci Soc Am J， 1982， 46： 1 118-1 119.

[9] 潘根兴. 中国土壤有机碳和无机碳库量研究[J].科技通报， 1999， 15（5）： 330-332.

[10] 王绍强， 朱松丽. 中国土壤有机碳库及空间分布特征分析[J]. 地理学报， 2000， 55（5）： 534-544.

[11] 王绍强， 刘纪远， 于贵瑞. 中国陆地土壤有机碳蓄积量估算误差分析[J]. 应用生态学报， 2003， 14（5）： 797-802.

[12] 李克让， 王绍强， 曹明奎. 中国植被和土壤碳贮量[J]. 中国科学， 2003， 33（1）： 72-80.

[13] 郭晓伟， 骆土寿， 李意德， 等. 海南尖峰岭热带山地雨林土壤有机碳密度空间分布特征[J]. 生态学报， 2015（23）： 7 878-7 886.

[14] 郭志华， 张 莉， 郭彦茹， 等. 海南清澜港红树林湿地土壤有机碳分布及其与pH的关系[J]. 林业科学， 2014（10）： 8-15.

[15] 鄭良永， 李 国， 庞观胜， 等. 海南芒果园土壤有机碳特征及影响因素研究[J]. 南方农业学报， 2013（5）： 784-787.

[16] 杨 怀， 李意德， 任 海， 等. 海南岛热带原始森林主要分布区土壤有机碳密度及影响因素[J]. 植物生态学报， 2016（4）： 292-303.

[17] 张晓琳， 王 帅， 王 旭， 等. 海南吊罗山自然保护区土壤有机碳贮量研究[J]. 热带作物学报， 2014（2）： 362-368.

[18] 解宪丽， 孙 波， 周慧珍. 中国土壤有机碳密度和储量的估算与空间分布分析[J]. 土壤学报， 2004， 41（1）： 35-43.

[19] 李鸿博， 史 锟. 不同植物过程土壤剖面有机碳含量和含水量研究[J]. 大连铁道学院学报， 2005， 26（1）： 92-95.

[20] 于建军， 杨 锋， 吴克宁. 河南省土壤有机碳储量及空间分布[J]. 应用生态学报， 2008， 19（5）： 1 058-1 063.

[21] 姜 勇， 张玉革， 梁文举， 等. 潮棕壤不同利用方式有机碳剖面分布及碳储量[J]. 中国农业科学， 2005， 38（3）： 544-550.

[22] 陶 贞， 沈承德， 高全洲， 等. 高寒草甸土壤有机碳储量及其垂直分布特征[J]. 地理学报， 2006， 61（7）： 720-728.

[23] 吴雅琼， 刘国华， 傅伯杰， 等. 青藏高原土壤有机密度垂直分布研究[J]. 环境科学学报， 2008， 28（2）： 362-367.

[24] 张 城， 王绍强， 于贵瑞， 等. 中国东部地区典型森林类型土壤有机碳储量分析[J]. 资源科学， 2006， 28（2）： 97-104.

[25] 程先富， 史学正， 于东升， 等. 兴国县森林土壤有机碳库及其与环境因子的关系[J]. 地理研究， 2004， 23（2）： 75-81.

[26] 宋满珍， 刘琪璟， 吴自荣， 等. 江西森林植被土壤有机碳储量估算及空间分布特征[J]. 江南农业大学学报， 2009， 3（3）： 416-421.

[27] 王绍强， 周成虎， 李克计， 等. 中国士壤有机碳库及空间分布特征分析[J]. 地理学报， 2000， 55（5）： 533-544.

[28] 方云霆， 莫江明， Sandra B， 等. 鼎湖山自然保护区土壤有机碳贮量和分配特征[J]. 生态学报， 2004， 24（1）： 135-142.

[29] 王淑平， 周广胜， 高素华， 等. 中国东北样带土壤活性有机碳的分布及其对气候变化的响应[J].植物生态学报， 2003（6）： 780-785.

[30] 于东升， 史学正， 孙维侠， 等. 基于1： 100万土壤数据库的中国土壤有机碳密度及储量研究[J]. 应用生态学报， 2005， 16（12）： 2 279-2 283.

[31] Berger T W， Neubauer C， Glatzel G. Factors controlling soil carbon and nitrogen stores in pure stands of Norway spruce（Picea abies） and mixed species stands in Austria[J]. Forest Ecology and Management， 2002， 159（1）： 3-14.

[32] Baties N H.Total carbon and nitrogen in the soils of the world. European Journal of Soil Science， 1996， 47： 151-163.

[33] Detwiler R P. Land use change and the global carbon cycle： the role of tropical soil[J]. Biogeochemistry， 1986， 2（1）： 67-93.

[34] 李英升. 江西省典型森林類型土壤碳贮量及碳汇能力研究[J]. 广东农业科学， 2014（14）： 154-158.

[35] 王 鑫， 杨德刚， 熊黑钢， 等. 新疆干旱区8种常见灌丛生物量碳和土壤有机碳特征[J]. 生态学杂志， 2016（8）： 1 996-2 002.

[36] 王永福， 赵学勇， 王少昆， 等. 科尔沁沙地两种固沙灌木林地土壤理化性质和酶活性比较[J]. 中国沙漠， 2015， 35（4）： 937-941.

[37] 张修玉， 管东生， 黎华寿， 等. 广州典型森林土壤有机碳库分配特征[J]. 中山大学学报（自然科学版）， 2009， 48（5）： 137-142.

[38] 李 娟， 廖洪凯， 龙 健， 等. 喀斯特山区土地利用对土壤团聚体有机碳和活性有机碳特征的影响[J]. 生态学报， 2013（7）： 2 147-2 156.

[39] 潘根兴， 李恋卿， 郑聚锋， 等. 土壤碳循环研究及中国稻田土壤固碳研究的进展与问题[J]. 土壤学报， 2008（5）： 901-914.