鄒耀進 王旭 梁卿雅 李超 王鑫瑤

摘 要 海南島土壤有機碳研究工作多集中在森林土壤，而灌叢土壤尚未引起足夠重視。本文以海南島24個灌叢樣地的72個土壤剖面為研究對象，分析其有機碳含量、有機碳密度及其碳儲量，以期揭示海南島灌叢土壤有機碳的分布特征，并初步估算海南島灌叢土壤的有機碳儲量，為評價海南島灌叢的重要生態(tài)價值提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：海南島灌叢土壤平均有機碳含量為（6.20±0.61）g/kg，平均土壤有機碳密度為5.94 kg/m2；土壤有機碳含量及各土層統(tǒng)一到10 cm厚度的平均有機碳密度隨土壤深度的增加而減少；海南島灌叢土壤（100 cm）的有機碳儲量約為1.48×107 t。其中，土壤表層（0～30 cm）與（0～50 cm）的貢獻率分別為46.15%和65.28%，與其它類型土壤一致。

關(guān)鍵詞 海南島；灌叢；土壤有機碳含量；有機碳密度；碳儲量

中圖分類號 S714 文獻標(biāo)識碼 A

Abstract At present， the investigation of soil organic carbon in Hainan Island is mainly concentrated in the forest soil， but shrub communitiessoil has not attracted enough attention. This study was based on the survey of 72 soil profiles of 24 shrub communities plots in Hainan Island， and then analyzed its concentration and density of soil organic carbon and the carbon storage. The results suggested the distribution characteristics and preliminarily estimated the storage of soil organic carbon in the shrub community of Hainan Island， as well as provided the theoretical basis for important ecological value in the shrub community of Hainan Island. The results showed that the concentration of soil organic carbon in the shrub community of Hainan Island was（6.20±0.61）g/kg， and the average density of soil organic carbon was 5.94 kg/m2. The concentration and average density of soil organic carbon with the soil layer of 10 cm thickness in the shrub community of Hainan Island decreased with the increase of soil depth. The storage of soil organic carbon in the shrub soil（100 cm）of Hainan Island was about 1.48×107 t， and the contribution rate of soil surface layer（0-30 cm）and（0-50 cm） were 46.15% and 65.28%， respectively， it is consistent with other types of soil.

Key words Hainan Island； shrub community； soil organic carbon concentration； soil organic carbon density； carbon storage

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.04.005

灌叢作為廣泛分布的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型，在群落演替、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和碳匯功能等方面都扮演著極其重要的角色[1]。中國灌叢面積近2×108 hm2[2]，占中國陸地總面積的1/5，分布面積僅次于草地。而土壤作為最大的碳庫之一，有機碳含量約為1 500 Pg[3]，是陸地植被碳庫的2～4倍[4-6]，是全球碳循環(huán)的重要組成部分。因此，土壤有機碳研究對于全球碳循環(huán)及氣候變化都具有重大意義。Bohn[7-8]于1976年和1982年先后兩次分別根據(jù)土壤分布圖及相關(guān)土組的有機碳含量和FAO制的187個土壤剖面有機碳密度值，估算全球土壤有機碳庫儲量為2 946 Pg和2 200 Gt。潘根興[9]根據(jù)《中國土種志》的基本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算得到中國土壤有機碳庫總量為50 Gt，相當(dāng)于全球碳庫總量約1/40～1/30。王紹強等[10-11]根據(jù)中國第一次和第二次土壤普查數(shù)據(jù)估算的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳總量分別為100.18 Gt和92.418 Gt，平均碳密度為10.83 kg/m2和10.53 kg/m2。李克讓等[12]利用全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)，運用GIS技術(shù)建立土壤空間和屬性數(shù)據(jù)庫，計算了2 456個剖面的兩種深度（100 cm、20 cm）的土壤有機碳密度，計算出不同土壤類型的有機碳密度及儲量，并用模型計算出中國土壤碳儲量為82.65 Gt。由于土壤的差異性和復(fù)雜性，盡管已經(jīng)有很多學(xué)者對大尺度范圍上的土壤有機碳儲量進行了估算，但仍需要更多實地實測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才能對某一地區(qū)某一類型土壤有機碳儲量進行更科學(xué)的計算。

對于海南島土壤有機碳而言，郭曉偉等[13]在海南島尖峰嶺熱帶山地雨林60 hm2大樣地內(nèi)采用野外布點采樣、實驗室測定和地統(tǒng)計學(xué)分析相結(jié)合的方法，對其土壤有機碳密度空間分布特征進行了研究；郭志華等[14]測出海南清瀾港紅樹林濕地土壤有機碳含量為（9.1±1.08）～（66.2±5.17）g/kg，且隨土壤深度增加先升高后降低，在60～70 cm處有最大值；鄭永良等[15]計算了芒果人工林土壤總有機碳含量（3.1～6.9）g/kg；楊懷等[16]以海南尖峰嶺、霸王嶺、五指山、吊羅山、鸚哥嶺5個熱帶原始森林土壤為研究對象，用縱向擬合法和分層估算法分別估算其土壤有機碳密度，發(fā)現(xiàn)前者明顯高于后者（p<0.05）；張曉琳等[17]通過對吊羅山15個土壤剖面的研究，計算出吊羅山保護區(qū)土壤總有機碳為2.82×106 t。他們都是針對海南島某一地區(qū)某一森林類型土壤有機碳進行了探索，卻極少涉及灌叢土壤的研究，以至于目前針對海南島灌叢土壤有機碳的實測研究工作仍基本處于空白。

本研究以海南島24個灌叢群落樣地的72個土壤剖面為基礎(chǔ)，研究其土壤有機碳含量、有機碳密度及有機碳儲量，來揭示海南島灌叢土壤的有機碳分布特征，估算其有機碳儲量。以期能為評價海南島灌叢重要生態(tài)價值提供理論依據(jù)，為更大尺度土壤有機碳估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島是中國海南省的陸地主體，地處E108°37′～111°05′，N18°10′～20°18′之間，地形呈橢圓狀，具有顯著環(huán)狀梯級結(jié)構(gòu)。全島位于熱帶地區(qū)，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22～26 ℃，光照率為50%～60%。年降雨量約1 500～2 000 mm，土壤以磚紅壤為主，土壤pH多呈弱酸性，雨季鮮明，具有極其豐富的物種多樣性。樣地基本情況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計 2016年7～9月，通過咨詢和收集資料了解海南島灌叢的分布狀況，然后在海南島灌叢分布較廣的市縣中布設(shè)24個具有代表性的灌叢樣地，每個樣地內(nèi)設(shè)置3個5 m×5 m的灌叢樣方，每個灌叢樣方內(nèi)設(shè)置1個1 m×1 m的草本樣方，調(diào)查記錄灌木植物種名、蓋度、高度、基圍、冠幅、生長期和草本植物種名、多度、平均高度和覆蓋度等指標(biāo)。并在每個灌叢樣方內(nèi)挖取1個100 cm深土壤剖面，記錄土壤發(fā)生層厚度，并按照剖面法和土鉆法分0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 6個層次對土壤進行調(diào)查、取樣，其中剖面土壤用于測定土壤容重，土鉆土壤測定有機碳含量。

1.2.2 測定方法 土壤容重用環(huán)刀法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀法測定；粒徑大于2 mm的礫石體積用篩分法測定。

1.2.3 土壤有機碳密度的計算 土壤有機碳密度（SOC）是評價和衡量土壤特性的一個重要的指標(biāo)[18]。某土層i土壤有機碳碳密度（kg/m2）計算公式如下：

SOCi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

其中，Ci為土壤有機碳含量（g/kg）；Di為土壤容重（g/cm3）；Ei為土層厚度（cm）；Gi為直徑大于2 mm的石礫所占體積百分比（%）。

某一土壤剖面的有機碳密度為該剖面各層SOCi之和，即：

SOC=ΣSOCi

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Excel 2013進行原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、整理及圖表制作，并運用SPSS 22.0版本軟件的Duncan多重比較法分析不同土層有機碳密度之間的差異顯著性（p<0.05時，表明差異顯著）。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南島灌叢土壤有機碳含量

如圖1所示，海南島灌叢土壤在0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 6個土層中，0～10 cm土層的有機碳含量在（2.99±1.24）～（20.18±6.24）g/kg之間，在所有土層中平均有機碳含量最高； 6個土層平均土壤有機碳含量分別為（9.66±4.79）、（7.79±4.46）、（6.64±3.91）、（5.14±2.46）、（4.37±2.18）和（3.58±2.18）g/kg，呈現(xiàn)遞減趨勢，這與諸多學(xué)者的研究結(jié)果一致[19-23]，也與森林、草原的土壤有機碳含量分布結(jié)果相似[24-28]。

海南島灌叢各土層有機碳含量差異性較大，最高為（20.88±1.65）g/kg，最低為（0.38±0.07）g/kg（其中，樣地P20土層70 cm以下為基質(zhì)，因此不做計算、比較），平均有機碳含量較低，僅為（6.20±0.61）g/kg。土壤有機碳含量直接取決于掉落物的輸入與分解，此二者又與水、熱條件密切相關(guān)，而人為干擾通常也在土壤有機碳積累過程中扮演重要角色。王淑平等[29]通過對中國東北樣帶土壤有機碳與年降水、年均溫之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)：降水量和溫度對土壤有機碳的積累具有正交互作用，表明土壤有機碳是降水量、溫度及其它影響因子綜合作用的結(jié)果，且適宜的溫度有利于土壤有機碳的積累，反之則對土壤有機碳的積累具有負效應(yīng)。海南島地處熱帶地區(qū)，灌叢多位于低海拔地區(qū)，豐富的降水和持續(xù)的高溫條件加速掉落物等有機質(zhì)的分解、物質(zhì)再循環(huán)和流失，這不利于土壤有機碳的積累[16]。同時，調(diào)查也顯示海南島灌叢普遍受人工干擾強度較大（表1），容易造成土壤碳的損失；而從灌叢的立地條件來看，海南島土質(zhì)較好的區(qū)域往往種植橡膠或其他人工林，灌叢一般位于立地條件相對惡劣的區(qū)域。這些都可能是導(dǎo)致其土壤平均有機碳含量較低的原因。

2.2 海南島灌叢土壤有機碳密度

如表2所示，海南島24個灌叢樣地的各土層有機碳密度在（0.22±0.03）～（3.41±0.04）kg/m2之間，通過Duncan多重比較法可見各樣地6個土層之間有機碳密度大部分差異性顯著（p<0.05）。0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm的各土層平均土壤有機碳密度分別為1.06、0.89、0.73、1.15、0.93、1.18 kg/m2，0～100 cm平均土壤有機碳密度為5.94 kg/m2。結(jié)果遠低于于東升等[30]估算的中國土壤平均有機碳密度9.60 kg/m2，但與其文章中發(fā)布的《圖1.中國土壤有機碳密度（1 m）分布》中海南島土壤有機碳密度基本一致，也說明本研究能在一定程度上為大尺度上土壤有機碳密度估算提供基礎(chǔ)實測數(shù)據(jù)。

為保證不同土層土壤有機碳密度的可比性，本研究將各土層統(tǒng)一到10 cm厚度進行比較，每一土層10 cm厚度的有機碳密度依次為1.06、0.89、0.73、0.57、0.46、0.39 kg/m2，則呈現(xiàn)隨土層深度增加而減少的趨勢，與其土壤有機碳含量的剖面垂直分布規(guī)律一致。

就0～100 cm整個土層而言，各樣地土壤有機碳密度在0.81～12.56 kg/m2之間。其中樣地P2、P3、P10和P16的有機碳密度明顯低于其他樣地，造成這種差異的主要與其地表植被有關(guān)。不同植被類型將形成特定的土壤表層小氣候[31]，影響土壤有機碳的輸入和微生物對有機碳的分解、轉(zhuǎn)化。P2與P3的灌叢優(yōu)勢種單一且均為多年生植物豬屎豆，P10優(yōu)勢種為翻白葉且蓋度較低，僅為62%，P16雖然灌木層優(yōu)勢種相對豐富，但其草本層蓋度僅為5%，且人為干擾強烈（表1）， 這些都影響了土壤有機碳的積累，使得這4個樣地的土壤有機碳密度明顯低于其他樣地。

2.3 海南島灌叢土壤有機碳儲量及其分配

根據(jù)各年《海南省年鑒》可知海南島灌叢面積約為2.5×105 hm2，本研究以此為基礎(chǔ)結(jié)合調(diào)查的24個樣地0～100 cm平均土壤有機碳密度（5.94 kg/m2）估算海南島灌叢土壤有機碳儲量。由此估算出其0～100 cm的土壤有機碳儲量為1.48×107 t，如圖2所示，0～10、10～20、20～30、30～50、50～70 、70～100 cm 6個土層分別占有17.93%、14.83%、12.33%、19.41%、15.64%和19.86%。

各樣地土壤有機碳儲量在各土壤層分布的比重不同，0～30、0～50 cm所占比重分別在25.47%～64.83%和49.72%～82.73%之間，平均值為46.15%和65.28%。Baties等[32]對全球各類型土壤（100 cm）碳儲量的研究中，0～30、0～50 cm碳貯量的平均貢獻率為49%與67%；在Detwiler[33]對熱帶和亞熱帶地區(qū)土地利用變化對土壤碳庫影響的研究中，0～40 cm土壤碳儲量所占比例為35%～80%，平均貢獻率為57%；在李英升等[34]的研究究中0～30 cm土層土壤有機碳密度在江西省4種森林類型的貢獻率為50%左右。本研究結(jié)果與上述一致，可見海南島灌叢淺層土壤對有機碳儲量貢獻較大，與其它類型土壤一樣具有較強的表聚性。

3 討論

3.1 海南島灌叢土壤有機碳含量及碳密度

海南島灌叢土壤平均有機碳含量為（6.20±0.61）g/kg，平均土壤有機碳密度為5.94 kg/m2。與其它灌叢土壤相比較：大于新疆干旱區(qū)8種常見灌叢土壤有機碳密度，其中最大的是金露梅灌叢，其土壤有機碳密度為2.13 kg/m2[35]；土壤有機碳含量高于科爾沁沙地小葉錦雞兒灌木林（2.74 g/kg）以及差不噶蒿灌木林（2.03 g/kg）[36]；與森林土壤有機碳相比較：低于鼎湖山自然保護區(qū)土壤（7.39 kg/m2）[28]；低于吊羅山土壤有機碳密度（15.31 kg/m2）[17]；與廣東省馬尾松林（5.55～6.67 kg/m2）[37]相似。就更大范圍土壤有機碳而言：低于海南島土壤有機碳的算術(shù)平均值（9.48 kg/m2）[12]及全國中國土壤平均有機碳密度的估測值（9.17 kg/m2[3]、9.60 kg/m2[30]）。土壤有機碳主要來源于植物根系、凋落物、動物及微生物遺體等，而在形成土壤有機碳的過程中又受到水、熱及人為干擾等因素的影響。海南島灌叢雖然物種相對豐富，但本身立地條件較差，受到較強的人為干擾，加速了土壤有機碳的流失，而豐富的降水及長年高溫，又使得土壤物質(zhì)循環(huán)速度較快，持有量較低。因此海南島灌叢土壤有機碳密度高于一些干旱及半干旱地區(qū)灌叢，卻低于全國土壤平均水平和大部分森林土壤。

3.2 海南島灌叢土壤有機碳含量及土壤有機碳密度分布規(guī)律

海南島灌叢土壤有機碳含量在剖面垂直分布上呈現(xiàn)隨土壤深度增加而減少的趨勢；各土層統(tǒng)一到10 cm厚度之后，土壤有機碳密度則也呈現(xiàn)了一樣的變化趨勢。土壤有機碳的來源主要集中在土壤表層，隨著土層深度的增加，微生物活動減弱，有機碳的積累降低，而且土壤有機碳容易受植被類型、土壤理化性質(zhì)和氣候等因子的影響，但是無論是森林、灌叢還是草原的表層土壤都具有較強的儲碳能力[19-28]。

海南島灌叢土壤的有機碳含量總體隨土壤深度增加而減少的變化程度并不相同，隨著土壤深度的增加有機碳含量變化程度減??；而且不同樣地同一土層的的土壤有機碳含量也存在較大差異。究其原因，灌叢樣地植被的不同在很大程度上決定了土壤有機物的輸入的多少[31]，土壤的理化性質(zhì)（如pH，團聚體粒徑等）則影響著有機碳的消納[15，38]，而且氣候、海拔、土壤微生物和人工干擾等都對土壤有機碳的持有和周轉(zhuǎn)速度有較大影響[9，39]。海南島不同樣地的優(yōu)勢種數(shù)量和類型都有所不同，不同的植被類型之間光合作用產(chǎn)物的分配差異較大，使得土壤有機物的輸入有所區(qū)別，往往土壤表層輸入的有機物較多，而隨著土層深度的增加逐漸減少，而且加上表層豐富的微生物和光、熱條件使得有機物分解較快，這就形成了不同樣地、不同土層有機碳的分解速率和持有量的差異。

3.3 海南島灌叢土壤有機碳儲量

按照100 cm的土壤剖面深度計算，海南島灌叢群落的土壤有機碳儲量為1.48×107 t。雖然海南島灌叢土壤有機碳密度遠低于吊羅山熱帶雨林，但是其廣大的分布面積卻使得有機碳儲量為吊羅山熱帶雨林土壤總量的5.26倍[17]，這也充分說明了海南島灌叢土壤的重要碳匯功能和生態(tài)價值。在Detwiler[33]對熱帶土壤碳庫的研究中，0～40 cm土層碳儲量占100 cm剖面的比例為35%～80%，而海南島灌叢土壤0～30、0～50 cm所占比例分別為46.15%和65.28%，這也說明海南島灌叢表層土壤與許多類型土壤一樣具有較強儲碳能力。

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