热带海岸典型森林类型土壤有机碳储量和碳氮垂直分布特征

陈小花 杨青青 余雪标 陈宗铸 杨琦 雷金睿

摘 要 热带海岸森林是重要的碳库，很容易受到人类活动的干扰，包括森林砍伐和气候变化。因此，迫切需要探明森林土壤有机碳储量，为热带海岸森林的保护和恢复提供理论依据。以热带海岸4种典型森林类型为研究对象，研究土壤中有机碳和全氮垂直分布特征及其与其他土壤理化性状关系。结果表明：不同林型土壤有機碳和全氮在土壤剖面中的垂直变化规律一致，表层含量较高，随着剖面深度增加含量逐渐降低，且不同土壤层次间呈现显著性差异。不同森林类型土壤有机碳和全氮含量平均值分别为1.35～7.06、0.08～0.61 g/kg，其中椰子人工林的土壤有机碳和全氮含量平均值最高，分别为7.06、0.61 g/kg，其次是香蒲桃天然次生林（6.07、0.44 g/kg）。各森林类型土壤碳氮比平均值依次为大叶相思人工林﹥木麻黄人工林﹥香蒲桃天然次生林﹥椰子人工林。各森林类型0～100 cm土层土壤有机碳储量从大到小依次为椰子人工林、香蒲桃天然次生林、大叶相思人工林和木麻黄人工林。相关分析结果表明，各个森林类型土壤有机碳与土壤容重呈显著负相关，与全氮呈显著正相关。说明椰子人工林和香蒲桃天然次生林森林生态系统达到平衡稳定状态，其碳汇效益较木麻黄人工林和大叶相思人工林显著，对热带海岸森林生态系统健康的经营与维护具有重要意义。

关键词 热带海岸；土壤碳储量；土壤碳氮比；垂直分布

中图分类号 Q948.113 文献标识码 A

Soil Organic Carbon Storage and Vertical Distribution of

Carbon and Nitrogen Under Different Typical Forest

Types in the Coastal Tropical Area

CHEN Xiaohua1， YANG Qingqing2， YU Xuebiao3 *， CHEN Zongzhu1 *，

YANG Qi1， LEI Jinrui1

1 Hainan Provincial Forestry Science Research Institute， Haikou， Hainan 571100， China

2 Institute of Environment and Plant Protection， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

3 College of Environment and Plant Protection， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract Tropical coastal forests are an important carbon pool and are easily disturbed by human activities， including deforestation and climate change. Therefore， it is urgent to explore the organic carbon storage of forest soil， which provides a theoretical basis for the protection and restoration of tropical coastal forests. We estimated the soil organic carbon（SOC）storage and its vertical distribution under typical forest types， including secondary natural forest of S. odoratum， Coconut plantation， Acacia plantation， Casuarina plantation in the coastal tropical zone. The results showed the vertical variation of soil organic carbon and total nitrogen in the soil profile was consistent with the vertical variation of soil organic carbon and total nitrogen， the content of SOC and total nitrogen（TN）decreased with increasing soil depth on all of the four soil profiles， and the content of SOC and TN showed significant differences among layers. The content of SOC and TN in Coconut plantation was the highest among the four forest types（7.06 g/kg and 0.61 g/kg， respectively）， followed by the natural secondary forest of S. odoratum（6.07 g/kg and 0.44 g/kg）. The mean C/N was in the descending order of Acacia plantation（19.7）， Casuarina plantation（19.3）， secondary natural forest of S. odoratum（14.8）， and Coconut plantation（11.5）. The content of SOC and TN in the four forest soils ranged from 1.35 to 7.06 g/kg and from 0.08 to 0.61 g/kg. The descending order of SOC storage of 0-100 cm soil layer was Coconut plantation（48.09 t/hm2）， secondary natural forest of S. odoratum（41.98 t/hm2）， Acacia plantation（14.28 t/hm2）， and Casuarina plantation（12.06 t/hm2）. Correlation analysis showed significantly negative correlations between SOC and soil bulk density， and positive correlation between TN， but no significant correlations between soil water content. Coconut plantation and secondary natural forest of S. odoratum were the ecosystem equilibrium， and the carbon sequestration benefits than Casuarina plantation and Acacia plantation significantly. Our research has important significance for the management and maintenance of the tropical coastal forest.

Key words tropical coastal； soil carbon storage； soil C/N ratio； vertical distribution

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.01.008

碳和氮是陆地生态系统的重要组成元素。在林地内，土壤有机碳和全氮含量及其动态平衡过程对土壤质量和林地健康状况有重要指示作用，作为土壤肥力和林地生产力评价的重要依据。土壤有机碳（SOC）在转化和积累过程中，对全球碳循环动态[1]及土壤肥力和植物生长均产生巨大影响，进而影响了陆地生物碳库[2]。氮是森林生态系统生产力构成的重要因素，是植物生长发育的必需元素。森林生态系统储存的碳储量占陆地地上部分总碳储量的82%～86%[3]，森林土壤中的碳占土壤总有机碳的73%[4]，而林地内土壤氮素超过整个森林生态系统总氮储量的85%[5]。C/N比被认为是氮素矿化能力的标志[6]。土壤有机碳氮矿化是表征土壤生物自身代谢过程，直接影响土壤中养分的释放与供应、土壤质量的维持和植物生长等[7]。揭示森林土壤有机碳与全氮的分布规律，不仅是一项森林生态系统的基础研究工作，而且对森林经营也具有现实的指导意义。

自20世纪50年代以来，中國政府一直在进行大规模的沿海防护林建设，一方面保护海岸带原有的天然次生林，另一方面种植人工林（如木麻黄、大叶相思、椰子等）。因此，天然次生林和速生人工林越来越成为海岸森林的重要组成部分。学者们对海岸森林土壤有机碳和氮的分布特征已经做了一些初步研究。Nguyen等[8]研究了越南梅金瓯国家公园热带红树林生态系统的碳储量。詹绍芬等[9]测定了海南东寨港红树林保护区山尾、竹山区域的6种红树林群落林下土壤有机碳含量。林宇等[10]研究了闽东南沿海沙地9年生厚荚相思林和木麻黄林土壤（0～60 cm）有机碳（SOC）和全氮（TN）的垂直分布及其与细根生物量和土壤密度的关系。目前，对海南海岸典型的这4种森林（香蒲桃天然次生林、椰子人工林、大叶相思人工林、木麻黄人工林）土壤有机碳储量的研究还不足。

本研究对国家林业局海南文昌森林生态系统定位研究站内典型森林（香蒲桃天然次生林、椰子人工林、大叶相思人工林、木麻黄人工林）进行实地勘察，挖取土壤剖面并测定主要理化参数，分析了土壤有机碳与全氮含量的垂直分布特征及其与土壤理化性状的关系，以期为进一步研究热带海岸森林土壤碳相关研究和调控机理提供基础数据，研究土壤C ∶ N的变化有助于深入理解土壤有机碳氮的积累过程及其土壤质量的变化趋势。为评价区域土地利用变化对土壤有机碳库的影响提供科学依据，有助于制定热带海岸森林的可持续经营措施。

1 研究地区与方法

1.1 实验地概况

实验选址为文昌生态定位研究站，位于文昌市龙楼镇，地理坐标为北纬19°43′，东经110°57′。该区气候为热带海洋性季风气候，属热带湿润区。年日照时间为1 750～2 650 h，年太阳辐射总量为110～140 kcal/cm2；年平均气温为23.9 ℃，最冷月出现在12月至次年2月；年均降雨量为1 740 mm，雨量丰富，降雨集中在5～10月，占全年的80%。该研究区地势低平，平原阶地，海拔高度均在45～50 m。林地有机质含量较低，pH值5.0～6.6，土壤质地多属沙壤土。

4种森林的介绍如下：

香蒲桃天然次生林（Syzygium odoratum natural secondary forest，SSF）：原始林被破坏后自然恢复的森林，多位于房前屋后所形成的小面积林区，林下灌木较多，是热带海岸常见的植被生态类型，树龄在20 a以上。该林带内乔木层乔木树生长较紧密，树冠互相重叠而比较连续，灌木层植物分布亦较紧密，但草本植物种类较少、结构简单，以香蒲桃为优势树种，常见植物还有竹叶木姜（Litsea pseudoelongata）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、黄槿（Hibiscus tiliaceus）、苦楝（Melia azedarach）、九节木（Psychotria rubra）、黄葛榕（Ficus virens）、紫玉盘（Uvaria macrophylla）。

椰子人工林（Cocos nucifera planted forest，CNF）：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，该林带内以椰子树为主，树龄在20 a以上。该群落发育良好，覆盖度为80%～85%，平均株行距为5 m×4 m，平均胸径为15 cm，平均树高为11 m，林下分布常见物种有露兜树（Pandanus tectorius）、飞机草（Eupatorium odoratum）、猩猩草（Euphorbia cyathophora）等植物。

木麻黄人工林（Casuarina equisetifolia planted forest，CEF）：海南沿海地区第一大防护林。属于幼龄林（约4 a），林地植被群落发育良好，覆盖度为50%～55%，林下植被种类和个体数量都很少，零星分布马缨丹（Lantana camara）、飞机草、疏毛白绒草（Leucas mollissima）等。

大叶相思人工林（Acacia auriculiformis planted forest，AAF）：亦是海南沿海地区主要防护林之一。该植被群落发育良好，覆盖度为55%～60%，树龄约7 a，林下植被主要有马樱丹、飞机草、疏毛白绒草等。

1.2 方法

1.2.1 取样设计 在国家林业局海南文昌森林生态系统定位研究站（19°43′N，110°57′E）内选取生长健康具有一定代表性的4种典型森林类型，结合立地条件及种植面积大小，确定每种森林类型样地大小为1 hm2。具体采样方法为：在各样地内设置3个面积为20 m×20 m的标准样方作为重复，每个标准样地按照地形分布随机取3个剖面，按0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm将土壤剖面分5层，按层将同一采样点3个剖面的土样混合均匀，带回实验室作为分析材料，共计60份土样。取回的部分新鲜土样在实验室拣去石栎、植物根系和大于2 mm的碎屑，在室内通风条件下风干后部分过0.149 mm土壤筛，存于密闭自封袋中，用于土壤有机碳、全氮及pH的测定。

1.2.2 样品理化指标的测定 采用常规方法测定土壤各项理化指标，并作3次重复。其中，土壤容重（BD）采用环刀法，土壤pH值根据土水比为1 ∶ 2.5测定，土壤有机碳测定采用油浴-重铬酸钾氧化法，全氮含量采用半微量凯氏法，植物全碳测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法。

土壤含水量（WC）采用（105±2）℃烘箱烘干法，计算公式为：

土壤含水量=（W湿-W干）/（W干-W） （1）

式中，W湿为湿土重+铝盒重，单位为g；W干为干土+铝盒重，单位为g；W为铝盒重，单位为g。

土壤剖面有机碳储量计算方法[11]：

Cso=C×D×E×（1-G）/10 （2）

式中，Cso为土壤有机碳储量（t/hm2），C为土壤有机碳含量（g/kg），D为土壤容重（g/cm3），E为土层厚度（cm），G为直径>2 mm的石砾所占的体积比例（%）。

土壤C/N计算公式如下：

C/N=有机碳/全氮 （3）

1.3 数据处理与分析

SAS 9.0统计分析软件是本研究采用的主要分析工具。不同森林类型土壤剖面上土壤有机碳和全氮的差异采用Duncans法进行多重比较分析；土壤有机碳与土壤理化因子的相关关系采用Pearson相关分析，并用Excel生成表格和图形。

2 结果与分析

2.1 不同森林类型土壤SOC含量垂直分布及差异分析

由表1可知，各个森林类型的土壤有机碳含量在垂直剖面表现为随土壤深度的增加而递减。差异性分析结果表明，0～40 cm各土层间土壤有机碳含量差异显著，越往土层深处，各林型土壤有机碳含量变化不大。整个土壤剖面，木麻黄人工林土壤有机碳含量分布较为均匀。这可能是因为木麻黄人工林只有4 a的历史，凋落物层不是很厚，大部分凋落物还未分解，因而输入到土壤的有机养分较少，表层土壤碳贮存富集现象不明显。

椰子人工林0～10 cm土层的有机碳含量为13.6 g/kg，是所有森林类型土层中的最大值，其他森林类型的0～10 cm土层的有机碳含量在1.6～11.2 g/kg，木麻黄人工林的0～10 cm土层的有机碳含量最低，为1.6 g/kg。各个森林类型的0～10 cm土层的有机碳含量占土壤剖面的23.70%～38.53%，说明了土壤有机碳的分布具有比较明显的表聚现象。

通过对不同森林类型进行比较，结果发现椰子人工林和香蒲桃天然次生林土壤有机碳均显著高于木麻黄人工林和大叶相思人工林。椰子人工林上下土层间有机碳含量变幅最大，相比0～10 cm土层，60～100 cm土层有机碳含量降幅高达86%，其次是香蒲桃天然次生林的80.0%，而木麻黄人工林和大叶相思人工林随土层加深下降幅度较小。这可能是由于不同森林类型土壤有机碳分解转化存在差异造成的。

2.2 不同森林类型土壤全氮比较分析及剖面分布特征

由表2可知，土壤中全氮的含量變化规律与土壤有机碳含量基本一致，相邻土层以0～10 cm与10～20 cm的差异最为显著。椰子人工林0～10 cm土层与其余各土层间的全氮含量差异达显著，而其余各土层之间差异不显著。其余的森林类型在土壤剖面内均有3个土层的全氮含量表现为显著性差异。这与土壤有机碳的土壤剖面垂直分布规律相似。

在0～10 cm土层，以椰子人工林的全氮含量最大（1.35 g/kg），而木麻黄人工林含量最低，仅为0.14 g/kg，不同森林类型之间差异达显著水平。各林型各土层全氮含量仅在0～10 cm土层所占比例范围就高达35.0%～46.82%，均显著高于其余各土层含量，至10～20 cm土层全氮含量降幅较大，其中椰子人工林降值最为明显，高达54%，但>20 cm各土层全氮含量趋于平缓，相比之下，木麻黄人工林和大叶相思人工林在各自剖面各土层间土壤全氮含量波动不大，整体趋于稳定。由此可知，土壤全氮的表聚现象相对土壤有机碳较强。进而说明热带海岸森林凋落物的摄入及人为干扰对森林土壤0～20 cm土层全氮含量的影响最大。

2.3 不同森林类型土壤C/N的变化

本研究中除木麻黄人工林C/N比在60～100 cm土层高于25外，其余土层及其他森林类型土壤C/N基本在8.28～24.22，均低于25 ∶ 1（图1）。木麻黄人工林和大叶相思人工林的C/N随着土层深度增加而增大，最大值出现在60～100 cm土层，分别为26.5和24.2，与吴志祥等[12]得出的土壤C/N在剖面的一般变化规律不相符，而椰子人工林和香蒲桃天然次生林土壤C/N比值呈先增加后下降的变化趋势。各个林型C/N平均值大小为大叶相思人工林（19.69）﹥木麻黄人工林（19.33）﹥香蒲桃天然次生林（14.81）﹥椰子人工林（11.49）。

2.4 不同森林类型土壤有机碳储量分析及剖面分布特征

由图2可知，各个森林类型的土壤有机碳储量存在显著差异，0～100 cm土壤剖面有机碳储量大小为椰子人工林>香蒲桃天然次生林>大叶相思人工林>木麻黄人工林，其有机碳储量分别为48.09、41.98、14.28、12.06 t/hm2，不同森林类型0～40 cm土层的土壤有机碳储量占0～100 cm总碳储量的41%以上，表现出明显的表聚性。各个森林类型的土壤有机碳储量随土层变化规律性基本一致，平均厚度各土层有机碳储量随土层深度增加而减小，但不同森林类型间上下土层土壤有机碳储量变化幅度存在差异。

2.5 土壤有机碳与土壤理化参数相关性

由表3可知，该研究区各个森林类型的土壤有机碳含量与土壤全氮含量存在显著和极显著正相关，相关系数在0.902～0.989，土壤有机碳含量与土壤容重存在显著和极显著负相关，相关系数在-0.936～-0.970。除大叶相思人工林土壤pH与土壤有机碳含量显著正相关性外，其余森林类型土壤有机碳含量与土壤pH无明显相关性。除木麻黄人工林、大叶相思人工林土壤有机碳含量与土壤C/N达显著和极显著负相关外，其余森林类型土壤有机碳含量与土壤C/N无明显相关性。此外，各个森林类型土壤有机碳含量与土壤含水量无明显相关性。

3 讨论

3.1 土壤SOC和TN的分布特征

本研究结果表明，热带海岸主要森林类型的土壤有机碳及全氮含量在土壤剖面由表层至深层逐级递减，这与先前的研究结果相符合[13]。各个森林类型各自剖面不同土层间有机碳含量存在显著差异，差异性在于地表聚积了大量凋落物，同时每年归还至土壤的养分浓度及植物根系分布由上至下呈逐层降低规律[14]，因此对上下土层有机碳的贡献率不相同。

本研究中椰子人工林和香蒲桃天然次生林土壤有机碳含量和全氮均高于木麻黄人工林和大叶相思人工林，不同森林类型之间土壤有机碳、全氮的差异与土壤物理性质、林下生境、凋落物的输入、土壤微生物的活动等有关[15]。同一土层剖面上，0～10 m和10～20 cm土层的有机碳及全氮含量均显著高于其余各土层，这与许多研究结果一致[16]。一方面，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林下植被对土壤有机碳蓄积有重要影响；另一方面，在于地表植被凋落物的矿化分解过程及转化积累场所更接近土壤表层，因此对表层土壤的影响作用大于深层土壤[17]。以上说明同一气候区相同土质条件下不同森林类型对土壤质量均有改善作用，本研究中椰子人工林和香蒲桃天然次生林对土壤肥力影响效果较为显著。

3.2 土壤碳氮比的分布特征

通过土壤碳氮比来衡量土壤有机质的转化能力，可作为表征土壤质量变化的重要指标[18]。本研究各个森林类型0～100 cm土壤剖面平均碳氮比值基本在11.49～20.18，这在一定程度上说明了该区土壤中的有机质分解强度大，氮矿化程度高，氮素流动性强，与陈翠玲等[19]的研究结论一致，特别是在热带海岸雨水充足的地方。木麻黄人工林和大叶相思人工林土壤碳氮比高于椰子人工林与香蒲桃天然次生林土壤碳氮比，表明在幼龄期人为干扰过程中土壤碳固持速率大于土壤氮固持速率，与李建平[20]研究中得出的碳氮比随着封育年限增加而增大，随土层深度增加而降低的结论相悖。一方面是因为人工林凋落物本身不易分解，地表积累的枯枝落叶层阻碍了表层土壤与空气的流通，进而提高有机碳的积累，与之前学者的研究结果一致[21]，另一方面尚属于幼龄阶段的人工林林地随着林地生物量的生长其土壤生境未达到平衡状态。土壤固碳能力（或速率）在生态系统发育（或恢复）进程中呈逐渐下降现象，最终达到一个相对平衡稳定状态[22]。本研究中，木麻黄人工林和大叶相思人工林土壤碳氮比随土层加深呈递增趋势，而椰子人工林和香蒲桃天然次生林则呈先增加后下降变化趋势，与已有研究结论不一致[23]，由于本次研究仅局限在加强物种林型土壤的特征认识上，时间上重复不够，变化动态了解不多。因此，具体原因有待进一步深入研究。

3.3 土壤有机碳储量分布特征

各个森林类型的土壤有机碳储量剖面分布特征不明显，上下各土层间有机碳储量变化幅度存在差异，有的森林类型出现较大的波动性，这主要是因为该研究区土壤肥力低下、土质结构疏松，且常年受台风及降雨淋溶作用强度大有关。本研究中，各个森林类型0～100 cm土层的土壤有机碳储量由高到低排序为：椰子人工林>香蒲桃天然次生林>大叶相思人工林>木麻黄人工林，总碳储量变化范围在12.06～48.09 t/hm2，均小于全国土壤平均碳储量（96.0 t/hm2）[24]。各个森林类型土壤有机碳储量具有明显表聚现象，与梁启鹏等[25]和崔鸿侠等[26]的研究结果一致，进而说明该区域森林土壤有机碳储量的稳定性较差，这与热带海岸特殊的土壤结构及环境因素有关。本研究结果表明，不同森林类型之间土壤有机碳储量变化格局较土壤有机碳含量及全氮变化更为复杂，差异性也变得明显，特别是椰子人工林和香蒲桃天然次生林土壤固碳能力较其他2种人工林突出，为下一步制定热带海岸营林模式和树种的选择提供了可靠依据。

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