蔡文良，謝艷云，唐雯

重慶水利電力職業(yè)技術學院水利工程學院，重慶 402160

放眼全球生態(tài)系統(tǒng)，其主要的構成是海洋、陸地及大氣等，海洋分布面積廣闊，但是為人們提供居住生活的區(qū)域絕大部分還是依賴于陸地（Lange et al.，2015；Dietzel et al.，2017；Liang et al.，2017），盡管其面積不足全球的一半，但是卻成為了人類及大多數(shù)動植物生活的載體，對于全球生態(tài)系統(tǒng)起著尤為重要的作用。就陸地生態(tài)而言，其80%左右的碳庫主要依靠著森林系統(tǒng)，由于森林面積廣闊，因此其對土壤碳庫的影響超過了70%（Van et al.，2015；Schuur et al.，2015），作為尤為重要的碳調節(jié)系統(tǒng)，其固碳量達到了陸地碳庫的三分之二，其林地碳含量的不斷變化將對陸地碳平衡產(chǎn)生著關鍵作用，甚至對大氣碳庫產(chǎn)生制約作用。對于陸地有機碳而言，憑借其數(shù)量龐大的碳儲量，在整個大氣碳循環(huán)過程中的作用尤為關鍵，其10%的變化相當于人類活動30年所產(chǎn)生的二氧化碳量，由此可見其變化對碳循環(huán)的影響（Jian et al.，2016；Huang et al.，2018）。就土壤有機碳而言，其較為明顯的特點就是穩(wěn)定而長效，且是關鍵的碳源物質之一，在碳循環(huán)中扮演著無可替代的角色。這也是大量學者開展有機碳研究的原因之所在（Pries et al.，2016），通過不少學者的研究發(fā)現(xiàn)，中國森林碳儲量已經(jīng)在發(fā)生著較明顯的變化，對于碳循環(huán)產(chǎn)生著制約（Liu et al.，2017；Ahirwal et al.，2017），且進行了大量的實地研究。

熱帶森林面積雖然僅占全球植被的22%，但其凈初級生產(chǎn)力卻占世界陸地生產(chǎn)力的32%-43%，其植被碳儲量占全球植被活體碳庫的46%，土壤碳儲量占全球土壤碳庫的11%，熱帶森林在全球碳循環(huán)中的重要作用已引起了研究人員的廣泛關注（梁博毅等，2016；姚武韜等，2017；盧同平等，2018）。海南熱帶森林占全國熱帶森林面積的31.4%，是受全球氣候變化影響的敏感區(qū)域，在生態(tài)環(huán)境建設中起舉足輕重的作用（李強等，2019）。海南島尖峰嶺位于世界熱帶的北緣，其熱帶山地雨林屬于由熱帶雨林向亞熱帶雨林過渡的類型，這一過渡性質決定了其在研究世界熱帶和亞熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)中具有不可替代的地位（郭曉偉等，2015；楊懷等，2016）。前人對海南尖峰嶺的土壤性質已開展了大量的研究，然而對海南島熱帶原始林土壤碳儲量的研究尚不多見（王亞軍等，2016；周文君等，2016）。本文以海南主要熱帶原始森林土壤為研究對象，采用土壤縱向擬合法和土壤分層法分別計算土壤碳儲量，闡明其與地形、植被、土壤理化性質的關系，為進一步精確估算海南島熱帶原始林土壤碳庫提供科學依據(jù)。研究熱帶雨林土壤有機碳儲量和垂直分布特征，對于深入分析熱帶雨林土壤有機碳儲量，以及熱帶雨林的保護具有重要的科學和指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)域位于尖峰嶺自然保護區(qū)內，其山地雨林較為原始，形成了較自然的生態(tài)分布，受到所在區(qū)域地理位置的制約，該區(qū)域的林木分布主要是熱帶山地雨林，該研究區(qū)域南北長度大約600 m，東西寬約1000 m，其海拔接近于950 m，具有較為復雜的地形分布。該區(qū)域具有復雜多樣的物種分布，其多樣性較高，但是并沒有明顯的優(yōu)勢種群；對于該區(qū)域而言，其林分生物量約為645 t·hm-2，受到所在經(jīng)緯度的影響，其氣候特點具有明顯的熱帶季風特點，其水分條件較為豐富；根據(jù)近年來其氣象資料研究得知，其年均氣溫接近于20 ℃，最低氣溫約為14 ℃，其年均積溫超過了7200 ℃，由于該區(qū)域具有較好的水熱條件，因此具有接近于88%，降雨量超過2400 mm，呈現(xiàn)出典型的干季、濕季分布；但是該區(qū)域常常受到臺風的影響，年均達到8次以上，強臺風影響約為3次，出現(xiàn)2次以上臺風登陸；該區(qū)域大部分降雨出現(xiàn)在夏季，且該區(qū)域夏季相對較長，且暴雨居多，容易受到水澇的影響。

1.2 樣地設置

在尖峰嶺熱帶山地原始雨林選擇20年香蒲桃天然林（優(yōu)勢種為香蒲桃Sweet acuminatissima、伴生有大葉蒲葵Livistona saribus、油丹Alseodaphne hainanensis和三角瓣花Prismatomeris tetrandra）、20年南亞松天然林（優(yōu)勢種為南亞松Pinus latteri、厚殼桂Cryptocarya chinensis、大葉白顏Gironnierasubaequalis）、20年桉樹人工林（優(yōu)勢種為桉樹Eucalyptus、油丹Alseodaphne hainanensis和三角瓣花Prismatomeris tetrandra）和20年橡膠人工林樣地（優(yōu)勢種為橡膠Hevea brasiliensis，伴生大葉蒲葵Livistona saribus、三角瓣花Prismatomeris tetrandra），于2016年8月進行野外土壤采樣，每種林型選擇3個重復樣地，每個樣地設置15個重復樣方（10 m×10 m），分5個剖面層次采取土樣（0-20、20-40、40-60、60-80、80-100 cm）。其中，0-20 cm層清除土壤表層枯落物和腐殖質，然后用土鉆取土壤樣品，再以交叉點為基點，在基點周圍選取4個采樣點采集土壤混合樣品，然后四分法保留1 kg土壤自然風干；在挖取每份土樣的同時，采集環(huán)刀土測定土壤容重，2017年和2018年重復上述采樣。

1.3 土壤養(yǎng)分測定

土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化容量法測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定；電導率采用電極法；黏粉粒含量采用干篩法；全氮采用凱氏定氮法；全磷采用鉬銻抗比色法；活性有機碳（LOC）采用高錳酸鉀氧化法（王亞軍等，2018）。

土壤有機碳儲量是指單位面積一定厚度的土層中有機碳的質量（Mg·hm-2）。不同退耕還林地土壤有機碳儲量采用等質量法計算，該法能夠避免單位體積土壤質量不同引起的碳儲量差異，能更準確反映不同土地利用措施對有機碳庫儲量的短期影響。計算公式如下（李強等，2019）：

式中m1為單位面積土壤質量，Mg·hm-2；ω為土壤有機碳質量分數(shù)，g·kg-1；ρ為土壤體積質量，g·cm-3；d為土壤深度，m。

所有數(shù)據(jù)均為各處理結果的平均值；影響采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）；數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS 21.0。

2 結果與分析

2.1 熱帶山地雨林土壤有機碳含量

由表1可知，在垂直方向，不同年份熱帶山地雨林土壤有機碳含量均隨著土層深度的增加而逐漸降低，表層最大，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，且有機碳主要集中分布在土壤的表層，其中表層隨著年份的增加其增加趨勢較為明顯，深層有機碳含量隨年份的變化不明顯。對于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳變化范圍在5.58-6.21 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均顯著（P＜0.05）；對于南亞松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳變化范圍在5.34-6.15 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均顯著（P＜0.05）；對于桉樹人工林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳變化范圍在1.66-1.75 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，2018年顯著高于2016年和2017年（P＜0.05），2016年和2017年差異不顯著（P＞0.05）；對于橡膠人工林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳變化范圍在1.69-1.74 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，2018年顯著高于2016年和2017年（P＜0.05），2016年和2017年差異不顯著（P＞0.05）。此外，不同年份不同土層深度熱帶山地雨林土壤有機碳含量均表現(xiàn)為香蒲桃天然林和南亞松天然林顯著高于桉樹人工林和橡膠人工林。

表1 熱帶山地雨林土壤有機碳含量 Table 1 Soil organic carbon of tropical mountain rainforest in Hainan Jianfengling g·kg-1

2.2 熱帶山地雨林土壤有機碳儲量

由表2可知，在垂直方向，不同年份熱帶山地雨林土壤有機碳儲量均隨著土層深度的增加而逐漸降低，表層最大，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，且有機碳儲量主要集中分布在土壤的表層，其中表層隨著年份的增加其增加趨勢較為明顯，深層有機碳儲量隨年份的變化不明顯。對于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳儲量變化范圍在67.60-74.48 g·m-2之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均顯著（P＜0.05）；對于南亞松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳儲量變化范圍在69.85-74.85 g·m-2之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均顯著（P＜0.05）；對于桉樹人工林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳儲量變化范圍在22.82-26.22 g·m-2之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均顯著（P＜0.05）；對于橡膠人工林，2016-2018年0-100 cm平均土層有機碳儲量變化范圍在20.56-23.58 g·m-2之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均顯著（P＜0.05）。此外，不同年份不同土層深度熱帶山地雨林土壤有機碳儲量均表現(xiàn)為香蒲桃天然林和南亞松天然林顯著高于桉樹人工林和橡膠人工林。

表2 熱帶山地雨林土壤有機碳儲量 Table 2 Soil organic carbon storage of tropical mountain rainforest in Hainan jianfengling g·m-2

由表3可知，在垂直方向，不同年份熱帶山地雨林土壤有機碳占有機碳儲量比例均隨著土層深度的增加呈先增加后降低趨勢。對于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有機碳占有機碳儲量比例變化范圍在41.48-44.88之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，其中2018年有所降低；對于南亞松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有機碳占有機碳儲量比例變化范圍在39.57-45.48之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，其中2018年有所降低；對于桉樹人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有機碳占有機碳儲量比例變化范圍在38.56-41.79之間，隨著年份的增加呈明顯的降低趨勢；對于橡膠人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤有機碳占有機碳儲量比例變化范圍在41.15-45.40之間，隨著年份的增加呈明顯的降低趨勢。

2.3 土壤活性有機碳含量及所占比例

由表4可知，在垂直方向，不同年份熱帶山地雨林土壤活性有機碳均隨著土層深度的增加而逐漸降低，表層最大，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，且土壤活性有機碳主要集中分布在土壤的表層，其中表層隨著年份的增加其增加趨勢較為明顯，深層土壤活性有機碳隨年份的變化不明顯。對于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土層土壤活性有機碳變化范圍在1.60-1.67 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均不顯著（P＞0.05）；對于南亞松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土層土壤活性有機碳變化范圍在1.56-1.65 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢；對于桉樹人工林，2016-2018年0-100 cm平均土層土壤活性有機碳變化范圍在0.35-0.38 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均不顯著（P＞0.05）；對于橡膠人工林，2016-2018年0-100 cm平均土層土壤活性有機碳變化范圍在0.33-0.37 g·kg-1之間，隨著年份的增加呈明顯的增加趨勢，并且不同年份差異均不顯著（P＞0.05）；此外，不同年份不同土層深度熱帶山地雨林土壤活性有機碳均表現(xiàn)為香蒲桃天然林和南亞松天然林顯著高于桉樹人工林和橡膠人工林。

此外，在垂直方向，不同年份熱帶山地雨林土壤活性有機碳占有機碳比例均隨著土層深度的增加呈先增加后降低的波動趨勢。對于香蒲桃天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有機碳占有機碳比例變化范圍在26.84-28.64之間，隨著年份的增加呈降低趨勢；對于南亞松天然林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有機碳占有機碳比例變化范圍在26.55-29.18之間，隨著年份的增加呈降低趨勢；對于桉樹人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有機碳占有機碳比例變化范圍在20.87-21.85之間，隨著年份的增加呈增加趨勢；對于橡膠人工林，2016-2018年0-100 cm平均土壤活性有機碳占有機碳比例變化范圍在19.62-21.26之間，隨著年份的增加呈增加趨勢。

表3 熱帶山地雨林土壤有機碳占有機碳儲量比例 Table 3 The ratio of soil organic carbon in soil organic carbon storage of tropical mountain rainforest in Hainan jianfengling

表4 土壤活性有機碳含量及所占比例 Table 4 Content and proportion of active organic carbon in soil of tropical mountain rainforest in Hainan jianfengling

2.4 土壤有機碳和活性有機碳的影響因素

由圖1可知，土壤有機碳和活性有機碳受各種因素的影響，本研究中，采用線性相關分析了土壤有機碳和活性有機碳與pH值、電導率、砂粒（2.00-0.05 mm）含量、黏粉粒（＜0.05 mm）含量、全氮和全磷含量的相關性。結果顯示土壤有機碳與pH值和砂粒含量呈顯著的負相關關系（P＜0.05），與電導率、黏粉粒含量、全氮呈顯著的正相關關系（P＜0.05），與全磷含量沒有顯著的相關性（P＞0.05），其中與全氮的相關系數(shù)最大。

圖1 土壤有機碳含量的影響因素 Fig. 1 Influencing factors of soil organic carbon content

由圖2可知，土壤活性有機碳與pH值和砂粒含量呈顯著的負相關關系（P＜0.05），與電導率、黏粉粒含量、全氮呈顯著的正相關關系（P＜0.05），與全磷含量沒有顯著的相關性（P＞0.05），其中與全氮的相關系數(shù)最大。此外，土壤活性有機碳的相關系數(shù)高于土壤有機碳。

2.5 土壤深度和林型對土壤有機碳和活性有機碳的影響

由表5可知，土壤深度和林型對土壤有機碳和活性有機碳具有顯著的影響，其中林型和土層深度對有機碳含量具有顯著的影響（P＜0.05）；林型對有機碳儲量具有顯著的影響（P＜0.05）；林型、土層深度、林型×土層深度對土壤活性有機碳具有顯著的影響（P＜0.01）。

3 討論

溫室效應對環(huán)境產(chǎn)生了重要的影響，其緩解方法之一就是通過土壤來提升碳儲量，這在陸地碳循環(huán)過程中具有重要意義（許格希等，2016），也是不少學者所關注的。對于尖峰嶺熱帶雨林而言，其生態(tài)系統(tǒng)分布的空間差異尤為明顯，這對于碳儲量的分布起著較大的制約作用，同時對其儲量情況估算產(chǎn)生不確定性。通過研究發(fā)現(xiàn)，與全國平均森林碳儲量相比而言，該區(qū)域明顯較低，主要原因在于其低緯度分布的特點，在降雨及高溫影響之下，有機質分解的速度提升，這樣能夠加速物質循環(huán)，對碳成分的消耗較大，降低了碳積累（劉順等，2017；馮德楓等，2017）。但該區(qū)域碳儲量高于廣西及北美等地，這說明其固碳能力還是較為明顯。

通過研究得知，土層深度不同，其有機碳分布也呈現(xiàn)較為明顯的差異，這不僅與凋落物分布有關，同時還受到淋溶作用的影響，此外，根系分布的深度及發(fā)達程度也會直接制約著碳儲量，微生物活動強弱也對碳分布產(chǎn)生明顯制約（姚武韜等，2017；熊壯等，2018）。深入探討有機碳的土層分布差異能夠對碳庫變化產(chǎn)生更詳細的了解，從而對其動態(tài)變化及碳循環(huán)過程進行更深入的探究，并開展相應的碳平衡預測（萬忠梅等，2011；張仕吉等，2016）。通過本研究分析得知，對于20 cm土層而言，其碳儲量具有更大的變化性，與其他土層相比而言穩(wěn)定性較差，而20-100 cm處土壤具有更強的碳儲量穩(wěn)定性。與更深處土壤相比而言，上層具有更大的碳密度，主要原因在于凋落物作用下形成了較多碳含量，且淺層處根系更為發(fā)達，因此出現(xiàn)了較大的碳密度，且容易產(chǎn)生較明顯的變化。在土層不斷增加的情況下，活性碳含量逐漸遞減，主要原因在于微生物分解作用下大量的凋落物等腐殖質被分解為有機質，并逐漸進入土壤，這使得淺層土壤具有更高含量的有機質，從而導致土層深處具有較低含量的活性碳（萬曉華等，2016；許格希等，2016；高君亮等，2016）。通過相關分析得知，對于土壤活性碳及有機碳而言，其與pH值的負相關達到顯著，但與電導率及全氮之間的正相關具有顯著性，均通過了0.05的檢驗水平；但是與全磷之間并沒有明顯的關系；其中相關系數(shù)最大的是全氮。

圖2 土壤活性有機碳含量的影響因素 Fig. 2 Influencing factors of soil active organic carbon content

表5 土壤深度和林型對土壤有機碳和活性有機碳的影響 Table 5 Effects of soil depth and forest type on soil organic carbon and active organic carbon

對于有機碳而言，其不僅受到水分及溫度等自然環(huán)境因子的制約，同時不同的土地利用方式也會對碳儲量產(chǎn)生明顯的制約，此外，二氧化碳濃度也會造成相應的影響（寧川川等，2016）。通過研究分析得知，對于有機碳含量而言，其與土壤黏粉粒之間的正相關達到顯著水平，但與砂粒之間具有負向的關系（楊勇等，2015；羅薇等，2018），以往學者通過分析也得出了類似的結論。微生物活性受到土壤pH值的影響，最終導致碳素輸出受到明顯制約；通過相關分析得知，對于土壤活性碳及有機碳而言，其與全氮之間的正相關具有顯著性，且具有較大的相關系數(shù)。本研究在實驗分析過程中采用了交互分析，對于有機碳及活性碳而言，不僅林木類型差異能夠帶來顯著影響，而且還受到土層深度的制約，二者的交互作用也對其產(chǎn)生顯著影響（P＜0.01）。

4 結論

2016-2018年熱帶山地雨林土壤有機碳含量和有機碳儲量在垂直方向呈一致的變化規(guī)律，均隨著土層深度的增加而逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，其中表層隨著年份的增加其增加趨勢較為明顯，深層有機碳含量隨年份的變化不明顯。2016-2018年熱帶山地雨林不同土層深度土壤活性有機碳均表現(xiàn)為香蒲桃天然林和南亞松天然林顯著高于桉樹人工林和橡膠人工林。土壤有機碳和活性有機碳與pH值和砂粒含量呈顯著的負相關關系（P＜0.05），與全磷含量沒有顯著的相關性（P＞0.05），其中與全氮的相關系數(shù)最大，土壤活性有機碳的相關系數(shù)高于土壤有機碳。由此說明全氮對土壤有機碳和活性有機碳的貢獻較大，并且土壤活性有機碳的變化更為敏感。土壤深度和林型對土壤有機碳和活性有機碳具有顯著的影響，其中土壤活性有機碳對林型和土層深度的響應較為敏感，而林型和土層深度海南尖峰嶺熱帶山地雨林土壤有機碳儲量起著決定性作用。