海南樂東5種森林土壤有機碳儲量的比較

邢維奮+石珊奇+薛楊+王小燕+林之盼

摘 要 對海南樂東的次生林、大葉相思（Acacia auriculiformis）、木麻黃（Casuarina equisetifolia）、桉樹（Eucalyptus robusta）、椰樹（Cocosnucifera）等5種典型森林土壤有機碳含量、密度及儲量進行了比較分析。結果表明，5種森林0～100 cm土壤有機碳平均含量介于1.55～8.52 g/kg，以次生林最高，大葉相思和木麻黃最低；5種森林0～100 cm土壤有機碳密度介于1.51～9.49 kg/m2，以次生林最高，木麻黃最低；5種森林0～100 cm土壤有機碳儲量分別為次生林94.86 mg/hm2、椰樹73.72 mg/hm2、桉樹44.93 mg/hm2、大葉相思30.80 mg/hm2、木麻黃15.10 mg/hm2，4種人工林土壤碳儲量要低于天然次生林。

關鍵詞 海南 ；次生林 ；人工林 ；土壤有機碳

中圖分類號 S714.9 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.05.004

Comparison of Soil Organic Carbon Storage in 5 Different Forest

Plantations in Ledong County of Hainan Province

XING Weifen1） SHI Shanqi2） XUE Yang3） WANG Xiaoyan3） LIN Zhipan3）

（1 Huangliu Township Agricultural Service Center， Ledong， Hainan 572500；

2 Forestry Bureau of Ledong County， Ledong， Hainan 572500，

3 Hainan Forestry Institute， Haikou， Hainan 571100）

Abstract Soil samples were collected from the soil 0～100 cm deep from 5 different forest plantations （Secondary forest， Acacia auriculiformis， Casuarina equisetifolia， Eucalyptus robusta， Cocos nucifera） in Ledong county of Hainan province to determine the content， density and storage of organic carbon in the soils under the forest plantations. The results showed that the organic carbon content in the soil 0～100 cm deep ranged from 1.55 to 8.52 g/kg from the soil samples of the 5 plantations， the highest in the secondary forest and the lowest in the plantations of both A. auriculiformis and C. equisetifolia. The soil organic carbon density ranged from 1.51 to 9.49 kg/m2， the highest in the secondary forest and the lowest in C. equisetifolia. The soil organic carbon storage was 94.86 mg/ha in the secondary forest， 73.72 mg/ha in A. auriculiformis， 44.93 mg/ha in C. equisetifolia， 30.80 mg/ha in E. robusta and 15.10 mg/ha in Cocos nucifera. The secondary forest had the highest organic carbon storage in the soil.

Keywords Hainan Province ； secondary forest ； plantation ； soil organic carbon

森林在全球碳循環中扮演重要角色。研究表明，全球森林碳儲量約為861 Pg，熱帶森林碳儲量約471 Pg，約占全球森林碳儲量的55%。在熱帶森林中，大約有32%的碳儲存在土壤中[1]。準確的評估當前及未來森林碳儲量、碳排放及收支平衡，對于減少溫室氣體排放、減緩全球氣候變化具有重要意義[1-2]。

我國人工林面積位于世界首位。研究表明[1，3]，大規模的退耕還林、建造人工林，對于增加森林面積和碳儲量、提高生態服務價值以及減緩氣候變化具有非常重要的作用。多年以來，海南堅持綠色發展，大力推進生態文明建設，全面提升森林面積和質量。“十二五”期間海南省累計完成造林159萬畝，森林覆蓋率達62%。如何繼續開展森林資源保護和建設工作對于涵養水源、保護生物物種多樣性、促進全省生態環境建設都具有極其重要的作用。自2001年起，海南省樂東縣就開始實施了國家公益林規劃、保護和建設的系列工作，在人工林的建設、保護和發展方面取得了可喜成績。本研究以樂東縣次生林為參照，并選取大葉相思、木麻黃、桉樹、椰樹等4種典型人工林，比較分析了5種森林類型土壤有機碳含量、密度及有機碳儲量，為了解該區森林土壤碳儲量、指導人工林的可持續經營和改造提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

樂東縣位于海南島西南部。地理坐標為北緯度18°24′～18°58′，東經108°39′～109°24′。全境東西長72 km，南北寬58 km。總面積2 747 km2。該區域屬熱帶海洋性季風氣候，光照充足，熱量豐富，雨量充沛，輕風無霜，為濕潤氣候區。年平均溫度24℃，年降水量1 600 mm。

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與分析

在樂東縣選擇具有代表性的5種典型森林類型：次生林（Secondary forest），E109°62′40″，N 18°56′12″、大葉相思（Acacia auriculiformis），E109°9′22″，N18°45′38″、木麻黃（Casuarinaequisetifolia），E109°13′30″，N18°30′1″、桉樹（Eucalyptus robusta），E109°13′30″，N19°47′12″、椰子樹（Cocosnucifera），E109°9′22″，N19°45′04″為調查對象進行研究，并建立樣地。在典型地段分別設置 20 m×20 m的標準地各3塊，采用PVC管對每個樣地做標記。調查記錄各標準地的經緯度、郁閉度并對喬木層進行每木檢尺。林地基本概況表1。

土壤樣品于2015年11月間進行采集。分別在每塊標準樣地內挖掘剖面2個，剖面采集深度均為100 cm，按照0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm 分5層采集土壤樣品。每層采集環刀樣品3個，測定并計算土壤容重。把同一土層樣品混合后，過2 mm篩，室內風干研磨后過0.149 mm篩，重鉻酸鉀-外熱源法測定土壤有機碳含量[4]。土壤全氮，半微量開氏法；土壤全磷，酸溶-鉬銻抗比色法；土壤有效磷，BrayⅠ提取-鉬銻抗吸光光度法；土壤速效鉀，乙酸銨浸提-火焰光度法；土壤硝態氮，1 mol/L KCl浸提-連續流動分析儀；土壤銨態氮，1 mol/L KCl浸提-連續流動分析儀。

1.2.2 計算方法

以固定深度法對5種森林土壤有機碳儲量進行估算，即通過土壤有機碳含量、土層厚度以及土壤容重等計算一定深度的土壤有機碳儲量，計算公式[5]如下：

SOCFD=Ci×ρi×Di×0.1（1）

式中，SOCFD（SOCFixed Depth，mg/hm2）為某一固定深度的土壤有機碳儲量，i為土層代號，n為固定深度土壤剖面中土層數，Ci為第i層土壤有機碳含量（g/kg），ρi為土壤容重（g/cm3），Di為土層厚度（cm），0.1為轉換系數。5種森林土壤高度風化，石礫含量很少，忽略不計。

某一土層的有機碳密度（SOCdensity，kg/m2）計算公式[6]為：

SOCdensity=Ci×ρi×Di/100（2）

式中，i為土層代號，Ci為第i層土壤有機碳含量（g/kg），ρi為容重（g/cm3），Di為土層厚度（cm）。

1.2.3 統計分析

采用Microsoft Excel 2003處理數據。方差和相關性分析用SAS 8.1 （SAS Institute Inc，Cary，NC，USA）進行。各處理平均值比較采用最小顯著差異法（LSD）。用Excel 2003軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量的比較

對樂東5種森林土壤進行取樣分析，測定了土壤剖面中有機碳含量（見表2）。

海南5種森林土壤有機碳含量介于0.37～20.8 g/kg，屬于低有機碳含量土壤，且變異較大。5種森林土壤有機碳含量在土壤剖面中具有一定的垂直分布性，大致隨著土壤深度的增加呈降低趨勢。對不同森林不同土層有機碳含量進行統計分析，結果表明，5種森林0～10、20～40、40～60和60～100 cm土層中土壤有機碳含量在統計上差異顯著（p<0.05）。0～10 cm土層中，次生林土壤有機碳含量顯著高于大葉相思、木麻黃以及桉樹，而與椰樹沒有差異；20～40 cm土層中，木麻黃土壤有機碳含量顯著低于其他森林；40～60 cm土層中，次生林土壤有機碳含量顯著高于其他森林；60～100 cm土層中，次生林土壤有機碳含量顯著高于木麻黃，而與其他3種森林差異不顯著；從整個土壤剖面平均來看，5種森林0～100 cm土壤有機碳平均含量介于1.55～8.52 g/kg，以次生林最高，桉樹和椰樹居中，而大葉相思和木麻黃最低。

2.2 土壤有機碳密度的比較

對樂東5種森林土壤有機碳密度進行了比較，結果見表3。

從剖面土壤碳密度來看，5種森林表層（0～10 cm）土壤有機碳密度介于0.85～2.55 kg/m2，以次生林最高，木麻黃林最低；10～20 cm土層碳密度介于0.13～1.32 kg/m2，不同森林之間無顯著差異；20～40 cm土壤有機碳密度介于0.20～1.50 kg/m2，大葉相思和木麻黃顯著低于次生林、椰樹和桉樹；40～60 cm土壤有機碳密度介于0.10～1.92 kg/m2，次生林顯著高于其他森林；60～100 cm土壤有機碳密度介于0.23～2.41 kg/m2，以次生林和椰樹最高，而木麻黃最低。從0～100 cm土層土壤有機碳密度綜合來看，5種森林土壤有機碳密度介于1.51～9.49 kg/m2，以次生林最高，木麻黃最低。

2.3 土壤有機碳儲量的比較

對樂東5種森林土壤有機碳儲量進行了比較，見表4。

從剖面土壤碳儲量來看，5種森林表層（0～10 cm）土壤有機碳儲量介于8.48～25.53 mg/hm2，以次生林最高，椰樹、大葉相思和桉樹林居中，而木麻黃林最低（p<0.05）。10～20 cm土層有機碳儲量介于1.33～13.24 mg/hm2，不同森林之間差異不顯著；20～40 cm土壤有機碳儲量介于1.97～14.98 mg/hm2，次生林、椰樹和桉樹林有機碳儲量顯著高于大葉相思和木麻黃林；40～60 cm土壤有機碳儲量介于1.01～19.21 mg/hm2，次生林土壤有機碳儲量顯著高于其他森林；60～100 cm土壤有機碳儲量介于2.32～24.08 mg/hm2，木麻黃林土壤有機碳儲量顯著低于次生林和椰樹林。從0～100 cm土層土壤有機碳儲量綜合來看，5種森林土壤有機碳儲量介于15.10～94.86 mg/hm2，以次生林最高，木麻黃最低。

2.4 土壤有機碳與土壤因子的關系

對5種森林土壤有機碳含量和對應的土壤全氮含量進行相關性分析，發現二者呈極顯著正相關（r=0.850**，p<0.01），說明樂東5種森林土壤有機碳和土壤全氮有很好的正相關關系，提高土壤全氮水平有利于土壤的固碳；對5種森林土壤有機碳含量和對應的土壤全磷含量進行相關性分析，發現二者也呈極顯著正相關（r=0.574**，p<0.01）；對5種森林土壤有機碳含量和對應的土壤有效磷含量進行相關性分析，發現二者呈極顯著正相關（r=0.567**，p<0.01）；對5種森林土壤有機碳含量和對應的土壤速效鉀含量進行相關性分析，發現二者呈極顯著正相關（r=0.671**，p<0.01）；對5種森林土壤有機碳含量和對應的土壤硝態氮含量進行相關性分析，發現二者呈極顯著正相關（r=0.880**，p<0.01）；對5種森林土壤有機碳含量和對應的土壤銨態氮含量進行相關性分析，發現二者呈極顯著正相關（r=0.619**，p<0.01）。上述結果說明，土壤速效養分與土壤有機碳含量關系密切，5種森林土壤管理中提高土壤速效養分對于增加土壤有機碳含量、提高土壤固碳水平有著重要作用。見圖1。

3 討論與結論

枯枝落葉和植物根系是森林及人工林土壤有機碳的主要輸入來源。這種碳的輸入方式決定了土壤有機碳含量在土壤剖面中的分布既具有表聚性，又具有垂直分布性。這種分布特征雖然受到如植被、土壤質地以及容重等眾多因素的影響，總體而言森林及人工林土壤有機碳含量、密度及儲量在土壤剖面中仍然具有明顯的垂直分布性，即隨著土壤深度的增加，有機碳含量、密度及儲量逐漸降低[7-9]。本研究結果表明，樂東5種典型森林土壤有機碳含量、密度及儲量在土壤剖面中也具有較為明顯的垂直分布性，隨著土壤深度的增加基本呈現減少的趨勢，這與前人結果基本一致。

大量相關研究結果表明，海南尖峰嶺[10]0～60 cm土壤有機碳儲量約為79 mg/hm2。海南吊羅山[11]原始森林0～50 cm土壤有機碳儲量為99 mg/hm2。海南吊羅山、霸王嶺、尖峰林、鸚哥嶺和五指山等[12]5個熱帶原始森林0～100 cm土壤有機碳儲量大約為147～169 mg/hm2。另有綜合研究表明，我國熱帶季雨林[13]0～60 cm土壤有機碳儲量為101 mg/hm2。本研究的結果表明，樂東5種森林0～100 cm土壤有機碳儲量介于15.10～94.86 mg/hm2，這種結果遠低于海南不同地區原始森林土壤有機碳儲量值。其中，5種森林中次生林0～100 cm土壤有機碳儲量最高為94.86 mg/hm2。與林齡為50年的次生林相比，其他4人工林土壤有機碳儲量要低于次生林，其中大葉相思和木麻黃分別僅為30.80和15.10 mg/hm2。海南人工林的建立大多是由原始森林、熱帶灌叢、海岸荒坡和次生雨林砍伐開墾而來，4種人工林土壤有機碳儲量低于次生林以及遠低于同氣候帶原始森林的結果反映了人工林在建立和培育過程中系統碳輸入和碳輸出的失衡。本研究表明，樂東5種森林土壤有機碳含量與土壤全氮等6種土壤養分指標均具有很好的相關性（圖1）。除次生林外，其他4種森林土壤低有機碳含量土壤的結果（表2）也意味著樂東森林土壤肥力的全面下降。鑒于樂東5種森林類型土壤全氮、全磷及其他土壤速效養分與土壤有機碳含量關系密切，在5種森林土壤管理中能否在幼林期通過施肥或其他森林經營措施提高土壤全氮及其他速效養分對于增加土壤有機碳含量、提高土壤固碳水平有著重要作用。后續研究中圍繞培育人工林土壤有機碳氮庫，全面提升土壤肥力對于提高樂東及海南人工林質量、森林蓄積量和森林碳匯可能具有重要指導意義和實用價值。值得指出的是，由于森林土壤有機碳具有高度的時空變異性，海南森林土壤有機碳的相關工作迫切的需要開展多點、長期和原位監測研究。

參考文獻

[1] Pan Y， Birdsey R A， Fang J， et al. A large and persistent carbon sink in the world's forests[J]. Science， 2011， 333（6 045）： 988-993.

[2] Bonan G B. Forests and climate change： forcings， feedbacks， and the climate benefits of forests[J]. science， 2008， 320（5 882）： 1 444-1 449.

[3] Piao S， Fang J， Ciais P， et al. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China[J]. Nature， 2009， 458（7 241）： 1 009-1 013.

[4] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業出版社，1999：27-34.

[5] Ellert B H， Janzen H H， VandenBygaart A J， et al. Measuring change in soil organic carbon storage. In： Carter M R， Gregorich E G （Eds.）， Soil sampling and methods of analysis[M]. Boca Raton： CRC Press， 2007：25-38.

[6] 杜章留，任圖生，胡春勝. 保護性耕作對太行山前平原土壤熱水解和酸解有機碳的影響[J]. 中國農業科學，2013，46（11）：2 249-2 256.

[7] 周 莉，李保國，周廣勝. 土壤有機碳的主導影響因子及其研究進展[J]. 地球科學進展，2005，20（1）：99-105.

[8] 王大鵬，王文斌，鄭 亮，等. 中國主要人工林土壤有機碳的比較[J]. 生態環境學報，2014，23（4）：698-704.

[9] 張 城，王紹強，于貴瑞，等. 中國東部地區典型森林類型土壤有機碳儲量分析[J]. 資源科學，2006，28（2）：97-103.

[10] 郭曉偉，駱土壽，李意德，等. 海南尖峰嶺熱帶山地雨林土壤有機碳密度空間分布特征[J]. 生態學報，2015，35（23）：7 878-7 886.

[11] 張曉琳，王 帥，王 旭，等. 海南吊羅山自然保護區土壤有機碳貯量研究[J]. 熱帶作物學報，2014，35（2）：362-368.

[12] 楊 懷，李意德，任 海，等. 海南島熱帶原始森林主要分布區土壤有機碳密度及影響因素[J]. 植物生態學報，2016，40（4）：292-303.

[13] 李 江. 中國主要森林群落林下土壤有機碳儲量格局及其影響因子研究[D]. 雅安：四川農業大學，2008.