南海諸島的土壤及其生態(tài)系統(tǒng)特征

龔子同，張甘霖,*，楊飛,

1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），江蘇 南京 210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

中國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，南中國(guó)海上的東沙、西沙、中沙和南沙四大群島，就是中國(guó)先民所稱的“千里長(zhǎng)沙”、“萬(wàn)里石塘”，是海上的絲綢之路，也是南疆的屏障。中國(guó)南海有著獨(dú)特的自然環(huán)境和豐富的資源，面對(duì)著浩瀚湛藍(lán)的海洋和形如珍珠般星羅棋布于其上的島礁，作為土壤工作者，在充滿了自豪感的同時(shí)也意識(shí)到身上的一份責(zé)任，并深知研究南海諸島土壤的重大意義，自20世紀(jì)上半頁(yè)就開始不斷地進(jìn)行南沙群島和西沙群島土壤及其生態(tài)系統(tǒng)的研究。

1 南海諸島土壤研究的歷程

1.1 南沙群島的首次土壤考察

1947年2月，應(yīng)當(dāng)時(shí)海軍司令部之邀，前地質(zhì)調(diào)查所派員調(diào)查南沙群島資源，以謀開發(fā)，席連之奉命前往。這位出生于1917年，畢業(yè)于浙江大學(xué)的土壤學(xué)者，1947年3月24日由京赴滬，4月18日乘中業(yè)號(hào)軍艦?zāi)虾剑?jīng)臺(tái)灣高雄及廣州兩地補(bǔ)充給養(yǎng)，5月11日到達(dá)海南島之榆林港，時(shí)值南中國(guó)海有一低氣壓，狂風(fēng)暴雨，難以航行，候至18日雨過天晴，出海南航，至當(dāng)月21日晚抵達(dá)目的地——南沙群島最大的島嶼太平島。

太平島海拔2.5 m，東西長(zhǎng)1350 m，南北寬350 m，狹長(zhǎng)似海參，面積0.432 km2，地處赤道熱帶，土壤資源豐富，且多鳥糞磷礦，植物生長(zhǎng)茂盛，可生長(zhǎng)椰子、香蕉、木瓜，也可種植各種蔬菜。

因受軍艦航程安排所限，席先生南沙之行耗時(shí)3個(gè)月，而實(shí)際工作只有2天。他利用短暫的時(shí)間，竭盡全力，踏遍全島每一個(gè)角落。因該島許多地方被珊瑚、貝殼砂覆蓋，席先生命名那里的土壤為石質(zhì)土（lithological soils），其下劃分為若干土系，如南沙系、長(zhǎng)島系和太平島系，以及鳥糞磷礦等。他采集了一批土壤和鳥糞磷礦標(biāo)本，遠(yuǎn)涉重洋，帶回北京。在這次考察基礎(chǔ)上著有《廣東南沙群島土壤紀(jì)要》[1]（附太平島土壤圖）。文章雖較簡(jiǎn)明，但這是一篇具有重要?dú)v史價(jià)值的早期土壤學(xué)文獻(xiàn)。

1.2 西沙群島土壤的初次考察

1947年春，同樣應(yīng)當(dāng)時(shí)海軍總司令部之邀，前地質(zhì)調(diào)查所派員調(diào)查西沙群島資源，以謀開發(fā)。陸發(fā)熹奉命前往。這位1912年10月出生，畢業(yè)于中山大學(xué)的土壤學(xué)者，1947年3月赴滬，4月4日搭乘中基軍艦前往，同月22日抵達(dá)西沙群島中之永興島，23日先在永興島工作，后在石島及和五島（東島）工作。5月1日離島經(jīng)榆林港返廣州。

陸發(fā)熹的考察以永興島為主。永興島是西沙群島中最大的島嶼，約2.1 km2。該島古名林島（Wood Island），光復(fù)后，永興艦最先抵此，遂改今名。陸先生命名該島土壤為黑色石灰土和海灘沖積土，其下劃分為若干土系，如林島系與永興島系等。對(duì)土壤剖面描述甚祥，并繪有永興島和石島的1:20000的土壤圖。陸先生調(diào)查時(shí)島上的鳥糞磷礦僅存1×105t左右，考察后著有《廣東西沙群島土壤及鳥糞磷礦》[2]一文。這是對(duì)西沙群島最早的土壤學(xué)研究的重要文獻(xiàn)。

1.3 西沙群島土壤的詳細(xì)考察

1974年1月西沙自衛(wèi)反擊戰(zhàn)后，受到勝利的鼓舞，南京土壤研究所主動(dòng)向中國(guó)科學(xué)院申請(qǐng)赴西沙考察。在廣東省政府、廣州軍區(qū)的批準(zhǔn)和支持下，龔子同、蔣柏藩、張紹德、吳志東和王振榮一行5人組成考察組，于同年11月上島考察。這是繼陸發(fā)熹27年后的又一次土壤考察。

這次考察的特點(diǎn)是，（1）時(shí)間長(zhǎng)。不是短短的幾天，而是長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的實(shí)地考察，雖抵離主島船只稍大，而島際船只很小。風(fēng)高浪大，曾經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)，又屢遇險(xiǎn)情。（2）范圍廣。先后考察了永興島、石島、珊瑚島、金銀島、琛航島、晉卿島和趙述島等9個(gè)島嶼，大的有1.2 km2，小的只有0.2 km2，上島后考察采樣和制圖是前所未有的。（3）專業(yè)性很強(qiáng)。運(yùn)用了土壤學(xué)各學(xué)科手段，如土壤礦物、土壤微形態(tài)、土壤微生物、農(nóng)業(yè)化學(xué)（特別是磷的農(nóng)業(yè)化學(xué)）和土壤改良等知識(shí)和手段進(jìn)行綜合研究。

通過考察采集了大量土樣、植物樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，著有“我國(guó)西沙群島土壤的鳥糞磷礦”等[3-4]，對(duì)那里的富磷高鈣的土壤首次命名為“磷質(zhì)石灰土”，后被第2次土壤普查和教科書廣泛采用。

1.4 南沙群島土壤的又一次探索

20世紀(jì)90年代初，應(yīng)邀參加“南沙群島自然地理”考察和研究。由于研究所遠(yuǎn)離南沙，又無(wú)法直接上島，困難顯而易見。但龔子同、周瑞榮和劉良梧等人通過多種途徑開展工作，終于克服了困難：首先，在該所標(biāo)本庫(kù)中找到了當(dāng)年席連之所采集的5個(gè)剖面18個(gè)土樣；其次，南海海洋研究所趙煥庭先生為他們提供了永暑礁人工菜園土、信義礁沙洲土壤、以及永暑礁和渚碧礁的雨水樣；再次，搜集了不少南沙的新資料。以此為基礎(chǔ)，我們開展了大量實(shí)驗(yàn)室為主的土壤專題研究。

20世紀(jì)40年代的土壤樣本，限于當(dāng)時(shí)的條件，只對(duì)4個(gè)樣品進(jìn)行了20個(gè)項(xiàng)目次的分析。而這次專題研究，對(duì)所采集樣本進(jìn)行了物理、化學(xué)、礦物組成，以及全套大量元素、微量元素和14C的測(cè)定。測(cè)定的項(xiàng)目次數(shù)以千計(jì)。

通過上述研究，我們對(duì)南沙群島土壤有了進(jìn)一步的了解，在此基礎(chǔ)上不僅寫了《南沙群島土壤和土壤地理》等論文[5-8]，而且在《Pedosphere》和《Scientia Geologica Sinica》上發(fā)表了文章[9-10]，并在南海海洋生物國(guó)際會(huì)議上把我們的研究成果介紹到國(guó)外[11]。

2 土壤形成類型

2.1 成土條件

南海諸島雨量豐沛，熱量充足，無(wú)四季之分，平均氣溫26.5 ℃，年降雨量1500 mm左右，為赤道熱帶氣候。島上的巖石主要是第四紀(jì)珊瑚、貝殼碎屑灰?guī)r和近期海浪堆積的珊瑚、貝殼碎屑砂。諸島面積小，海拔低，僅數(shù)米或十多米。南海諸島的鳥類，據(jù)初步調(diào)查有紅腳鰹鳥等60余種，其中以紅腳鰹鳥最多。過去此種鳥類極多，成千上萬(wàn)棲息于島上，目前東島仍有紅腳鰹鳥與褐鰹鳥共居于麻楓桐林內(nèi)，登高遠(yuǎn)望，宛如一片棉田。南海諸島的植被，初步估計(jì)約有200余種，主要建群植物：?jiǎn)棠居邪妆芩ā⒑０锻⒑Ｌ墓龋嗄居秀y毛柴、草海桐、海巴戟、水芫花等，草本植物有錐穗純?nèi)~草、鹽地鼠尾草、厚藤、海馬齒莧等，還有大量的栽培植物，主要是椰子和各種蔬菜。

2.2 成土過程

成土過程主要包括生物質(zhì)積累和分解、鹽漬和脫鹽以及磷的富集和淋溶。

2.2.1 生物累積和分解

土壤形成的生物作用中，除植物的作用外，還有鳥類參加。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在80~100 g·kg-1，在某些植被郁閉度大、鳥類活動(dòng)頻繁之地，可達(dá)170~300 g·kg-1，而林相遭破壞或植被差的土壤，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足50 g·kg-1，甚至更少。有機(jī)質(zhì)在剖面中的分布表層高，隨著深度增加而急劇減少。

2.2.2 鹽漬和脫鹽

每一個(gè)海島都被無(wú)邊的海水所環(huán)抱。海水、地下水、降雨還有植物都給島上的土壤帶來鹽分，與此同時(shí)，在大量的降水作用下鹽分不斷淋失。在高溫多雨的情況下，加上土壤質(zhì)地疏松，因此，除濱海地區(qū)外，土壤含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分≤1 g·kg-1。

2.2.3 磷的富集和淋溶

頻繁的鳥類活動(dòng)，使地表有大量鳥糞堆積。在高溫多雨的情況下，鳥糞迅速分解，釋放出大量磷酸鹽，隨著枯枝落葉腐解過程中產(chǎn)生的腐植酸一起下淋。雖然磷的移動(dòng)性小，但在長(zhǎng)期成土過程中也發(fā)生淀積，引起剖面分異。從西沙群島的統(tǒng)計(jì)來看表層（A層）全磷（P2O5）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為281.0~299.7 g·kg-1，淀積層（Bt層）為285.2 g·kg-1，即使母質(zhì)層（C層）也有5 g·kg-1。

2.3 土壤特性

2.3.1 土壤顆粒

熱帶土壤的質(zhì)地一般是比較黏重的。而南海諸島土壤，由于其繼承母質(zhì)特點(diǎn)而質(zhì)地很粗，大部分為砂壤土、緊砂土和松砂土，黏粒含量很低，只有百分之幾，甚至不含黏粒。這些“砂”不同于石英砂，大部分系磨圓度很小的珊瑚、貝殼碎屑。南沙、中沙、西沙中的“沙”，反映了這里土壤的特點(diǎn)。

2.3.2 黏土礦物

熱帶土壤的黏土礦物以三水鋁礦和高嶺石為主，經(jīng)X光衍射和電子顯微鏡鑒定，這里土壤的黏土礦物以水云母為主。

2.3.3 化學(xué)性質(zhì)

熱帶高度風(fēng)化的土壤酸性不含石灰，而島上的土壤pH 8.5左右，CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%~50%，最高可達(dá)90%以上。熱帶土壤中磷（P2O5）一般在1.0 g·kg-1左右，而這里土壤中的磷高達(dá)250 g·kg-1，土壤總磷中無(wú)機(jī)磷占80%~90%，無(wú)機(jī)磷中Ca-P占80%~90%，Ca-P中Ca10-P占90%~97%，是全國(guó)含磷最高的土壤（表1）。微量元素中Sr、B、Zn、Cu、Cd等元素含量較高。土壤中有效性P2O5、K2O和Zn比較高，有效性Mn、Fe、Mo、B含量較低。

2.3.4 土壤腐殖質(zhì)

腐殖質(zhì)組成與熱帶、亞熱帶石灰性土壤有相似之處。土壤腐殖質(zhì)（有機(jī)質(zhì)）與土壤交換量，有效Zn、Cu、B、Mn、Fe有正相關(guān)。

2.3.5 土壤微生物

土壤微生物總量比較高，細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量都不低，放線菌數(shù)量特別高，有的甚至超過了細(xì)菌的數(shù)量。在這種高磷土壤上，雖然以磷酸三鈣為磷源，但分離了6株不同類型的磷細(xì)菌，并沒有發(fā)現(xiàn)它們有很大的溶磷能力。

總之，這是一種高磷富鈣的土壤，從國(guó)際化的中國(guó)土壤系統(tǒng)分類來看，它主要是富磷巖性均腐土和雛形土（圖1）。此外，還有鹽成土和砂質(zhì)新成土[12]。

2.4 鳥糞磷礦

所分布的鳥糞磷礦，經(jīng)X光衍射鑒定，可以判斷這部分磷酸鹽主要是以羥磷灰石形態(tài)存在。根據(jù)土壤薄片的微形態(tài)觀察，這是一種似晶質(zhì)的膠狀磷灰石或可稱為膠磷礦。成土過程中，大部分珊瑚、貝殼碎屑逐漸被膠磷礦所浸染、包被、部分交代以至完全交代（圖2和圖3）。

圖1 西沙群島土壤剖面 Fig. 1 A soil profile of Hsisha islands

圖2 土壤中的膠磷礦膜 Fig. 2 Collophanite cutans in soil

圖3 被膠磷礦交代的有孔蟲 Fig. 3 Foraminifer that substituted for collophanite

2.5 土壤類型分布

表1 南海諸島富磷巖性均腐土的一般化學(xué)性質(zhì) Table 1 General chemical properties of Phosphi-Lithomorphic Isohumisols in South China Sea Islands

土壤發(fā)育于大小不同的礁盤上，一出礁盤，水深一落千丈，最深可達(dá)5567 m。各島一般均被砂堤所環(huán)抱，自礁盤而上即為不同厚度的砂堤，其外緣受海水影響為鹽成土，內(nèi)側(cè)為砂質(zhì)新成土，越過砂堤為不同磷含量的石灰性土壤。大部分島嶼呈橢圓形，如永興島、太平島、金銀島和珊瑚島等；晉卿島和甘泉島呈梨形；東島和北島則有東南向西北延伸。因此概括地說，南海諸島土壤呈不對(duì)稱的同心圓式分布，圓中心為鳥糞磷礦，向外依次為富磷巖性均腐土（磐狀磷質(zhì)石灰土）、磷質(zhì)石灰性雛形土（磷質(zhì)石灰土）、砂質(zhì)新成土（砂土）和正常鹽成土（鹽土）（圖4）。

圖4 不對(duì)稱的同心圓式土壤分布示意圖 Fig. 4 A sketch of asymmetric concentric distribution of soils in a typical island

3 土壤生態(tài)系統(tǒng)及其保護(hù)

3.1 獨(dú)特的富磷生態(tài)系統(tǒng)

研究發(fā)現(xiàn)，南海諸島是一個(gè)獨(dú)特的富磷生態(tài)系統(tǒng)。土壤是這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的紐帶。

中國(guó)熱帶、亞熱帶土壤含磷一般不足1.0 g·kg-1，而南海諸島土壤中的磷含量要高出其數(shù)倍至上百倍。鳥類活動(dòng)是這個(gè)系統(tǒng)中的重要因素。南海諸島上有大量的紅腳鰹鳥等鳥類，海鳥以海洋中的魚類為食，通過食物鏈和排泄物把海洋生物中所含的大量磷素帶進(jìn)海島土壤。

土壤中高磷特性明顯地反映在植物的化學(xué)組成上。一般熱帶植物含磷只有2 g·kg-1，而島上植物含磷都在10 g·kg-1以上，一般說，其含量次序?yàn)橄趟?草本植物>灌木>喬木。其中，海馬齒莧和西沙黃細(xì)心的含磷量可達(dá)21 g·kg-1以上。

土壤特性同時(shí)影響淺層地下水。海島土壤淺層地下水磷素含量最高4.9 mg·L-1，最低0.2 mg·L-1（n=13），大氣降水中也含有0.02 mg·L-1。

海洋是一個(gè)巨大容器，磷溶于水但不揮發(fā)，海洋中的磷由魚類等水生生物富集，通過鳥類把水圈中的磷帶到了生物圈，鳥類活動(dòng)和植物的生長(zhǎng)促進(jìn)了在巖石圈上（珊瑚、貝殼碎屑）富磷土壤的形成，即在生物圈和巖石圈的相互作用下形成了土壤圈。在大氣圈作用下，土壤圈中的磷發(fā)生淋溶，繼而又進(jìn)入水圈。這樣形成了一個(gè)磷的生物地球化學(xué)循環(huán)。

圖5 海島生態(tài)系統(tǒng)中與富磷土壤形成相關(guān)的物質(zhì)循環(huán) Fig. 5 Material cycling on an island ecosystem in relation to island soil frmation

圖6 海島土壤剖面中磷的分布模式 Fig. 6 Phosphorus distribution patterns in typical island soils

地殼中的元素磷（P）為0.12%（重量克拉克值），位居元素中的第13位。而群島上土壤中磷在所有元素中僅次于鈣而居第2位。群島土壤中的磷，像鹽漬土中的鹽分、紅壤中的鐵鋁一樣，在生物圈中起突出作用。假如把某一元素的過多或缺乏作為生物地球化學(xué)區(qū)域特征的話，那么群島應(yīng)是一個(gè)富磷的生物地球化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)（圖5），而有別于其他地區(qū)。島上不同類型的土壤，由于成土?xí)r間不同，剖面中磷的分布模式存在較大差異（圖6）。有趣的是，城市土壤生態(tài)系統(tǒng)也是一個(gè)富磷的生態(tài)系統(tǒng)，其形成過程與海島生態(tài)系統(tǒng)有相似之處，只是在城市土壤生態(tài)系統(tǒng)中促使磷素循環(huán)和富集的是人類活動(dòng)[13-14]。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)中的土壤

土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是珊瑚、貝殼砂。珊瑚礁在波浪的作用下堆積了這些生物碎屑，當(dāng)堆積物在漲潮不再被淹時(shí)即成沙洲。隨著沙洲的擴(kuò)大、地下水的積存且能生長(zhǎng)植物即成島嶼，同時(shí)也形成了這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的紐帶——土壤。一般認(rèn)為土壤是不可再生資源，在南海諸島由于有如下特點(diǎn)，土壤顯得特別珍貴。

(1)面積很小。南海的面積數(shù)以百萬(wàn)km2計(jì)，在碧波浩渺的海洋上星散著200多個(gè)島、礁、沙灘，而真正露出水面的島嶼與沙洲只有50多個(gè)，其中最大的為西沙群島中的永興島（2.1 km2），而南沙群島中最大島嶼為太平島，僅0.432 km2。南海諸島總面積大約也只有10多個(gè)km2，相當(dāng)于大陸一個(gè)小鎮(zhèn)。雖然南海諸島在南海中似乎是“滄海一粟”，但面對(duì)著廣闊的領(lǐng)海和經(jīng)濟(jì)區(qū)的劃定，它的重要性是不可估量的。在這個(gè)意義上，南海諸島土壤真是“寸土寸金”。

(2)形成時(shí)間長(zhǎng)。珊瑚島礁是由珊瑚的骨骼構(gòu)成。從珊瑚蟲到珊瑚碎屑，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。即使在海鳥和植物生長(zhǎng)作用下形成土壤，據(jù)14C斷代，這里土壤的形成一般需要1000~2000年（表2）。

表2 中國(guó)南海諸島不同土壤的14C年齡 Table 2 14C ages of different soils on the South China Sea Islands

(3)基礎(chǔ)肥力不高。在良好的植被下土壤形成有機(jī)質(zhì)（A）層，而島的周邊有很多沒有A層、肥力較差的砂性土；在A層以下通常即為砂土。A層一經(jīng)破壞，土壤肥力急劇下降。因土壤pH高、富含CaCO3，因而土壤缺乏有效態(tài)Fe、Mn、Mo、B等元素。

因此，要維護(hù)這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，首先要保護(hù)好土壤。

3.3 保護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的措施

一般土壤物質(zhì)像空氣一樣只有使用價(jià)值而無(wú)交換價(jià)值。但在太平洋、印度洋一些珊瑚島國(guó)上，土壤可以當(dāng)作商品，因?yàn)楫?dāng)?shù)赝寥朗且环N稀缺資源。因此，我們建議：

(1)嚴(yán)禁侵占土地。香港土地有限，所以有很多人工墊海的舉措和經(jīng)驗(yàn)，與香港比，這里的土地更為稀缺，一些必要的建筑最好在礁盤上建設(shè)，機(jī)場(chǎng)跑道完全可以在沿海沙地上建造。應(yīng)該向空中或海洋要地，并通過立法把保護(hù)土壤確定下來，破壞土壤無(wú)異于一種犯罪行為。

(2)鼓勵(lì)人工造田。歷來一些戰(zhàn)士回家，帶回的東西不盡相同，但有一樣是相同的，他們帶來了家鄉(xiāng)的泥土，一方面可以造田，另一方面也可以改良土壤，特別是對(duì)這里的砂質(zhì)石灰性土壤，如能摻入黏性的酸性土壤（如海南的鐵鋁土/磚紅壤）更好。現(xiàn)有的鳥糞磷礦資源有限，不宜繼續(xù)開采，應(yīng)留作保護(hù)生態(tài)和改良土壤之用。

(3)保護(hù)現(xiàn)有的林木草地。隨著旅游的開放，必然會(huì)有一些游客到來。建議有的島嶼可以開放，有的應(yīng)建立自然保護(hù)區(qū)，以保持其原生態(tài)，如東島，那里鳥類頗多，如果游客蜂擁而至，可能驅(qū)散鳥群。在開放的島上也應(yīng)以木板或沙子建立參觀通道，不能隨便進(jìn)入林子和踐踏草地，以利于林木、蔬菜的生長(zhǎng)。為了彌補(bǔ)土地的不足，可以采用水培技術(shù)以擴(kuò)大蔬菜生產(chǎn)。

綜觀上述的考察，這些考察均集中在抗戰(zhàn)勝利后、1974年西沙自衛(wèi)反擊戰(zhàn)后以及1988年中越海戰(zhàn)以后展開的，可見我們對(duì)海島的考察研究不僅只是學(xué)術(shù)研究，更有重要的國(guó)防意義。

如果我們?cè)诮ㄔO(shè)海島、保衛(wèi)海島的同時(shí)，保持南海諸島上以土壤為紐帶的生態(tài)系統(tǒng)，那么我們就可以把一個(gè)個(gè)島嶼都打造成像一艘艘永不沉沒的航空母艦一樣，守衛(wèi)我們的南海，在建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)保衛(wèi)國(guó)防和維護(hù)世界的持久和平。

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