海南岛东部热带雨林次生林土壤有机碳分布特征及其影响因素

陈红利， 赵志忠， 吴 慧， 吴 雯， 董 鹏

（海南师范大学 地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

全球碳循环研究已成为当前全球变化研究的热点之一[1]。陆地生态系统通过调控物质和能量的流动参与并深刻影响着全球碳循环，而森林作为陆地生态系统的主体，是陆地生态系统中分布面积最广、系统结构最复杂、生物种类最丰富、具有最高初级生产力的生态系统，其碳存储量约占全球陆地生态系统的77%[2-3]。全球森林生态系统的碳存储量为650 Gt，45%的碳存储于森林土壤中[4]。因此，森林土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）的分布特征及其影响因素已成为国内外学者研究的热点。

热带森林在全球碳循环中扮演着重要的角色，其地上生物量占整个陆地植物生物量的三分之二，其土壤碳库约占全球土壤碳库的30%[5]。近十年来的大气二氧化碳记录表明，陆地表面充当了一个强大的全球碳汇，其中很大一部分碳汇可能位于热带地区[6]。然而，世界范围内原始的热带森林正在被广泛地砍伐和破碎化，并通过演替形成了大面积的次生林[7]，因而关于热带次生林系统土壤碳库的研究逐渐得到国内外学者的关注。目前，关于热带次生林系统的研究主要集中于林分生物量与生产力[8-9]、微生物群落结构[10-11]、林分结构与物种组成[12-13]、演替与动态变化[14-16]等方面，对土壤有机碳分布特征及其影响因素的研究较少。在二十世纪五六十年代，海南由于经济发展需要对热带雨林原始林进行了开发利用，1989年开始实行封山育林后形成了大面积的次生林，是研究热带次生林土壤碳库的理想场所，但其热带雨林次生林有机碳分布特征及影响因素等方面的研究严重滞后。

本研究以海南岛东部的吊罗山、七仙岭以及五指山热带次生林土壤为研究对象，分析海南岛东部热带次生林土壤有机碳质量分数的空间与垂直分布特征，探究影响土壤有机碳分布的主控因子及其对海南岛东部热带次生林土壤有机碳质量分数分布的影响机制，以期增加对热带森林生态系统土壤碳库的认识，并为保护区合理有效地管理土壤碳库提供科学依据。

1 研究区概况

本研究以海南岛东部的吊罗山、七仙岭、五指山3 个区域为研究区（109°32′E—110°03′E，18°14′N—18°59′N）（图1）。研究区属热带季风气候区，雨量充沛，有明显的多雨季与少雨季。吊罗山年平均气温24.6 ℃，年降水量1 870 ～ 2 760 mm，主要土壤类型为山地黄壤、赤红壤、砖红壤[17]。七仙岭年平均气温23.0 ℃，年降水量1 575 ～ 2 325 mm，主要土壤类型为山地黄壤、赤红壤、砖红壤。五指山年平均气温 22.4 ℃，年降水量2 308 ～ 2 488 mm，主要土壤类型为山地黄壤、赤红壤、砖红壤[18]。研究区内植被类型多样，生境复杂，高海拔地区保存有部分原始的热带森林，低海拔地区存在受到人为干扰后演替形成的大面积次生林，主要林型为杉木林、松林、枫香林。

图1 海南岛样地分布示意图Figure 1 Schematic diagram of sampling site distribution in Hainan Island

2 材料与方法

2.1 土样采集与处理

选取位于海南岛东部的五指山、七仙岭、吊罗山3个区域的次生林为研究对象。2021年8月在此范围内选取10个具有代表性的样地，在每个20 m × 20 m样地内布设3个5 m × 5 m样方，每个样方内采用S形与对角线法确定5个采样点，清除土壤表面覆盖的枯枝落叶后在每个采样点分别取0 ～ 10 cm、11 ～ 30 cm、31 ～ 50 cm深度的柱状样品，采样后将同一样方内同一土层的土壤混合，共采集90个土壤样品。将采集的土壤样品带回实验室，在自然条件下风干后去除根系、石砾及动植物残体等侵入体，并过2 mm 土筛后用于测定有机碳（SOC）、酸碱度（pH）、土壤粒径组成等指标。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic information of sampling sites

2.2 指标测定

利用有机元素分析仪（Elementarvario TOC，德国）测定土壤有机碳；按美国制[19]分级标准进行土壤粒度分级，利用马尔文激光粒度仪（Mastersizer 2000，Malver，英国）测定土壤粒度，并计算黏粒（< 0.002 mm）、粉粒（0.002 ～ 0.050 mm）、砂粒（0.050 ～ 2.000 mm）含量；采用电位法（水土比2.5∶1.0）测定pH。

2.3 数据处理

使用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据统计分析。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)与最小显著性差异法( LSD) 进行显著性和多重比较（α= 0.05）。采用皮尔逊（Pearson）相关系数评价土壤有机碳质量分数与土壤基本理化性质间的相关关系。采用逐步回归分析方法筛选影响土壤有机碳质量分数的主控因子，并建立回归模型以量化主控因子对海南岛东部次生林土壤有机碳质量分数的影响程度。使用Origin 2021软件进行绘图。以标准误差（SE）衡量误差水平。

变异系数是测量数据变异程度的相对统计量[20]，可消除测量尺度与量纲对数据分析的影响，计算公式为

式中，CV为变异系数，s为样品有机碳质量分数标准差，w为样品有机碳质量分数平均值。

3 结果与讨论

3.1 土壤有机碳空间分布特征

对研究区3个区域次生林土壤有机碳质量分数数据进行经典统计学分析，结果如表2所示。

表2 土壤有机碳质量分数统计学分析Table 2 Statistical analysis of soil organic carbon mass fraction

研究区0 ～ 50 cm深度土壤有机碳质量分数为45.69 ～ 111.09 g/kg，3个区域的均值由大到小分别为五指山、七仙岭、吊罗山 。有机碳质量分数最小值出现在吊罗山（45.69 g/kg），最大值出现在五指山（111.09 g/kg）。土壤有机碳质量分数变异系数为10.74% ～ 30.94%，五指山土壤有机碳质量分数表现为弱变异，吊罗山与七仙岭土壤有机碳质量分数均表现为中等变异，最大变异系数出现在七仙岭（30.94%），最小变异系数出现在五指山（10.78%）。

研究结果表明，海南岛东部热带雨林次生林土壤有机碳质量分数高于海南岛西部[21]，这是由于来自太平洋的东南季风受到五指山山脉的阻挡，使得海南岛东西部降水分布产生差异，东部多雨区降雨量为西部少雨区的3倍[22]，从而使东西部的林分组成、郁闭度等产生差异，具体表现为东部的植被覆盖率更高，郁闭度更大，因而凋落物更丰富，进而使东部热带雨林次生林土壤有机碳质量分数高于西部。此外，五指山区域地势陡峭，可进入性差，受人为因素干扰较小，为土壤碳库的积累提供了相对稳定的环境，且其垂直带谱更完整、森林组成种类更复杂、层间植物更丰富，故五指山次生林土壤不仅可原位积累凋落物，同时可通过重力以及坡面径流接收更多来自高海拔区域的凋落物，使得五指山次生林土壤平均有机碳质量分数高于七仙岭与吊罗山。

3.2 土壤有机碳质量分数垂直剖面分布特征

吊罗山、七仙岭、五指山土壤有机碳质量分数在垂直方向上的分布差异如图2所示。

图2 土壤有机碳质量分数垂直剖面分布Figure 2 Vertical profile distribution of soil organic carbon mass fraction

在0 ～ 50 cm土壤深度范围内，吊罗山土壤有机碳质量分数为35.66 ～ 95.82 g/kg，七仙岭土壤有机碳质量分数为30.52 ～ 98.49 g/kg，五指山土壤有机碳质量分数为51.10 ～ 152.36 g/kg，各区域土壤有机碳质量分数均随着土层深度的增加而逐渐减小。在吊罗山与五指山区域，0 ～ 10 cm 深度土壤有机碳质量分数与11 ～30 cm、31 ～ 50 cm深度土壤有机碳质量分数均存在显著差异（P< 0.05）。除七仙岭区域31 ～ 50 cm土层外，相同土层的土壤有机碳质量分数由大到小均分别为五指山、七仙岭、吊罗山。3 个区域0 ～ 10 cm 土层的有机碳质量分数无显著差异。在11 ～ 30 cm 和31 ～50 cm土层中，五指山土壤有机碳质量分数与吊罗山、七仙岭均有显著差异（P< 0.05），而吊罗山与七仙岭间无显著差异。

3个区域各层土壤有机碳质量分数占全剖面（0 ～50 cm）比例均随着土层深度的增加而逐渐减小（图3）。3 个区域 0 ～ 10 cm 深度土壤有机碳质量分数全剖面占比为50.01% ～ 52.23%，表明海南岛东部热带雨林次生林土壤有机碳质量分数分布呈现表聚性特征，这与相关研究结果一致[23-25]。植物根系的垂直分布格局与光合产物的分配共同决定着土壤有机碳的垂直分布[26]，随着土层深度的增加根系数量逐渐减少，直接影响到各深度土壤所接收到的有机质，从而表现出表聚性特征[27]。在0 ～ 50 cm的全剖面土壤中，吊罗山各层土壤有机碳质量分数占比为9.23% ～51.67%，七仙岭各层土壤有机碳质量分数占比为16.00% ～ 52.23%，五指山各层土壤有机碳质量分数占比为17.17% ～ 50.01%，吊罗山土壤有机碳质量分数占比的垂直变化幅度最大，七仙岭次之，五指山最小。

图3 各土层有机碳质量分数占全剖面 (0 ～ 50 cm)有机碳质量分数比例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 土壤有机碳质量分数与土壤理化因子相关分析

吊罗山、七仙岭、五指山热带雨林次生林土壤基本理化性质如表3所示。

表3 各区域土壤基本理化性质Table 3 Basic physical and chemical properties of soil in each area

七仙岭各土层pH 均显著高于五指山（P< 0.05），0 ～10 cm 土层的黏粒含量显著低于吊罗山与五指山。吊罗山0 ～10 cm 土层的砂粒含量显著低于七仙岭与五指山（P< 0.05）。总体上，五指山各土层黏粒含量较高，pH较七仙岭与吊罗山低。为探讨土壤基本理化性质对土壤有机碳质量分数的影响，计算了他们的Pearson相关系数，结果见表4。结果表明：吊罗山土壤有机碳质量分数与土壤黏粒含量极显著正相关（P< 0.01)，与土壤砂粒含量显著负相关（P< 0.05）；七仙岭土壤有机碳质量分数与土壤黏粒含量显著正相关（P< 0.05）；五指山土壤有机碳质量分数与土壤黏粒含量极显著正相关（P< 0.01)，与土壤砂粒含量显著负相关（P< 0.05）；pH和土壤粉粒含量对3个区域的土壤有机碳质量分数均无显著性影响。

表4 土壤有机碳质量分数与土壤基本理化性质之间的相关系数Table 4 Correlation coefficient between soil organic carbon mass fraction and basic soil physicochemical properties

以土壤有机碳质量分数为因变量，土壤pH、黏粒含量、粉粒含量以及砂粒含量为自变量进行逐步回归分析，结果见表5。吊罗山和五指山回归模型由土壤黏粒含量构成, 回归关系达极显著水平（P< 0.01），对土壤有机碳质量分数变化的解释量分别为 70.1% 和 68.1%；七仙岭回归模型由土壤黏粒含量与砂粒含量构成，回归关系达极显著水平（P< 0.01）， 可解释83.1%的土壤有机碳质量分数变化。在各回归模型中,土壤黏粒含量的标准化回归系数均大于其他因子, 表明土壤黏粒含量是土壤有机碳质量分数的主控因子。

表5 逐步线性回归结果Table 5 Results of stepwise linear regression

本研究表明热带雨林次生林土壤有机碳质量分数与黏粒含量极显著正相关或显著正相关，与相关研究结果一致[28]。黏粒具有较大的比表面积，能暴露更多的正电荷位与土壤中带负电荷的腐殖质结合[28]，形成有机无机复合体,从而降低微生物对土壤有机质的分解[29]，进而对土壤有机质起到物理保护作用。土壤有机碳质量分数与pH无显著相关关系，与丁亚鹏等[30]、曹新光等[31]研究结果一致。但宋彦彦等[32]的研究表明土壤有机碳质量分数与pH正相关，王棣等[24]研究表明土壤有机碳质量分数与pH极显著负相关，说明pH在局部范围内影响土壤有机碳的含量[27]。土壤有机碳质量分数与粉粒含量呈正相关，但不显著，与王会利等[33]的研究结果一致。砂粒比表面积较小，对土壤有机质的吸附作用较弱，且疏松的结构使微生物较快分解有机物质，导致土壤有机质存蓄能力弱[34]。但七仙岭土壤有机碳质量分数与砂粒含量无显著相关关系，或因区域内所有环境因子的综合作用削弱了砂粒含量的影响，其具体机理还有待进一步研究。

4 结论

本研究以海南岛东部热带雨林次生林土壤为研究对象，分析了土壤有机碳质量分数的空间与垂直分布特征，并探讨了影响土壤有机碳质量分数的土壤理化因子，得出如下结论：

（1）海南岛东部热带雨林次生林土壤有机碳质量分数均值由大到小分别为五指山、七仙岭、吊罗山，且3个区域土壤有机碳质量分数均随着土层的加深而递减，呈明显表聚性特征。

（2）海南岛东部热带雨林次生林土壤有机碳质量分数与黏粒含量显著或极显著正相关，与土壤pH、粉粒含量无显著相关关系。砂粒含量与吊罗山、五指山土壤有机碳质量分数呈显著负相关关系。其中，黏粒含量在各区域回归模型中的标准化回归系数均大于其他土壤理化因子，是海南岛东部热带雨林次生林土壤有机碳质量分数的主控因子。