熱帶海岸防護林土壤活性有機碳分布特征：人工林與天然次生林的比較

陳小花 楊青青 余雪標(biāo) 陳宗鑄 楊琦 雷金睿

摘 要 本研究旨在比較熱帶海岸天然次生林與人工林土壤活性有機碳的差異，從而提高沿海防護林土壤有機碳庫的存儲能力和維持土壤碳平衡提供理論依據(jù)。選取海南島沿海防護林中典型的2種人工林和2種天然次生林作為研究對象，通過測定土壤活性有機碳及養(yǎng)分含量，對熱帶海岸天然次生林與人工林土壤有機碳的積累能力及土壤養(yǎng)分與有機碳相關(guān)性的差異進行分析。結(jié)果表明：（1）該研究區(qū)4種林分土壤總有機碳、輕組有機碳和易氧化有機碳均表現(xiàn)為瓊崖海棠天然次生林>香蒲桃天然次生林>大葉相思人工林>木麻黃人工林；（2）4種林分土壤輕組有機碳占總有機碳比例以天然次生林最高，而人工林則具有更低的輕組有機碳分配比例；反之，人工林的土壤易氧化有機碳占總有機碳比例顯著高于天然次生林；（3）4種林分的土壤活性有機碳與土壤全氮、土壤容重相關(guān)性顯著，此外，2種人工林林地土壤活性有機碳與土壤含水量、pH、碳氮比同樣具有相關(guān)性。相關(guān)性分析結(jié)果表明，人工林土壤活性有機碳與土壤各因子的相關(guān)性較天然次生林更為密切。這說明熱帶海岸林地土壤碳含量總體較低，與人工林相比，天然次生林土壤有機碳具有較大穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 海防林；土壤活性有機碳；人工林；天然次生林；熱帶海岸

中圖分類號 Q948.113 文獻標(biāo)識碼 A

Abstract The analysis of the differences of soil active organic carbon（AOC）in natural forest and plantation was aimed to improve the storage capacity of the soil organic carbon storage and to provide theoretical basis for maintaining the balance of soil carbon. Respectively in the four forest types of Calophyllum inophyllum natural secondary forest， Syzygium odoratum natural secondary forest， Acacia auriculiformis planted forest， Casuarina equisetifolia planted forest in tropical coastal of Hainan province， the soil AOC and nutrient reserves were determined in order to analyze the differences of the correlations between soil nutrient and AOC and the accumulation of AOC influencing factors. The results showed：（1）The total organic carbon（TOC）， light fraction organic carbon（LFOC）and easily-oxidized carbon（EOC）of the forest soils in the study area was Calophyllum inophyllum natural secondary forest>Syzygium odoratum natural secondary forest>Acacia auriculiformis planted forest>Casuarina equisetifolia planted forest.（2）The highest soil LFOC to TOC ratio was obtained for natural forest. In contrast， lower soil LFOC to TOC ratio was observed for plantation. However， the soil EOC accounted for SOC ratio in plantation was significantly higher than the natural forest.（3）The correlation analysis between the four forests types showed that the soil active organic content was strongly correlated with soil total nitrogen， and soil bulk density. The same was with soil water content， soil pH， soil C/N of correlation in plantation. Correlation analysis results showed that the plantation soil organic carbon was closely related to soil nutrient.The results showed that the soil carbon content in the tropical forest coast was generally low， compared with the plantation， the soil organic carbon in secondary forest with higher stability.

Key words coastal shelterbelt； soil active organic carbon； plantation； secondary forest； tropical coastal

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.018

森林土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對全球碳循環(huán)和碳平衡至關(guān)重要[1]。土壤活性有機碳（Active organic carbon，AOC）是指在一定條件下，具有一定的溶解性、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，并且其形態(tài)和空間位置對植物和微生物來說，是活性比較高的那一部分土壤碳素[2]。它能夠在短期內(nèi)檢測出土壤全碳變化之前的微小變化[3-4]，是土壤碳庫動態(tài)變化的敏感性指標(biāo)[5-6]。因此，深入研究土壤活性有機碳各組分的動態(tài)變化特征，對調(diào)控土壤養(yǎng)分流、維持土壤肥力及完善碳循環(huán)的動態(tài)平衡機制具有十分重要的意義。

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤AOC一直是研究的熱點。研究結(jié)果表明，土壤活性有機碳庫是極易變動的，其組分動態(tài)與周轉(zhuǎn)速率主要受森林植被類型、演替過程及由此造成的凋落物輸入類型、數(shù)量、質(zhì)量和季節(jié)、溫濕度、pH等變化的控制[7]。Quideau等[8]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)造林后土壤AOC含量增加，但Collier等[9]卻發(fā)現(xiàn)在濕地造林后土壤水溶性有機碳含量沒有明顯的變化。在熱帶地區(qū)，Li等[10]研究發(fā)現(xiàn)波多黎各的次生林中重組分有機碳占總土壤有機碳的比例顯著高于松樹人工林，次生林較人工林更能積累更多的重組分有機碳，主要原因在于次生林能有效地轉(zhuǎn)化活性有機碳組分為長期儲備的有機碳。楊青青等[11]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海南文昌森林類型的變化引起土壤AOC含量顯著的變化。以上研究結(jié)果表明了森林類型的變化對土壤AOC的影響可能不是一個簡單的過程，在不同區(qū)域森林類型變化可能產(chǎn)生的結(jié)果不同。

中國海南島臨近熱帶氣旋多發(fā)區(qū)，常受臺風(fēng)襲擾。自20世紀(jì)50年代以來，中國政府積極實施沿海防護林建設(shè)工程，人工林已基本上覆蓋了沒有森林的海岸，因此，海南島熱帶海岸的植被主要由人工林和天然次生林組成。目前，這2類不同性質(zhì)森林的土壤AOC有何差異一直未得到很好的回答。鑒于此，本研究旨在探討熱帶海岸地區(qū)不同防護林類型的土壤活性有機碳庫的差異及土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，為維持熱帶海岸帶生態(tài)平衡發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)森林生態(tài)定位研究站（地理位置19°43′N，110°57′E），屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，年均降雨量為1 740 mm；氣溫高，年均氣溫為23.9 ℃；地勢平坦，海拔為45～50 m，土壤為濱海沙壤土，是典型的濱海臺地地貌。自20世紀(jì)50年代以來，中國政府積極實施沿海防護林建設(shè)工程，人工林已基本上覆蓋了原先荒蕪的海岸，因此，該地區(qū)主要由人工林和天然次生林組成的沿海防護林（下文簡稱“海防林”）覆蓋。本研究選取了典型的2種人工林和2種天然次生林作為研究對象，介紹如下：（1）香蒲桃天然次生林（Syzygium odoratum natural secondary forest，簡稱“SSF”）主要以香蒲桃為主，重要值為35.6，林分年齡在20 a以上。常見植物有竹葉木姜（Litsea pseudoelongata）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、黃槿（Hibiscus tiliaceus）和山楝（Aphanamixis polystachya）等。（2）瓊崖海棠天然次生林（Calophyllum inophyllum

natural secondary forest，簡稱“CSF”）主要以瓊崖海棠為主，重要值為14.9，其次是海桐（Pittosporum tobira），重要值為13.8，林分年齡在20 a以上。樣區(qū)內(nèi)主要植物為：瓊涯海棠（Calophyllum inophyllum）、木麻黃（Casuarina equisetifolia）、椰子（Cocos nucifera）、潺槁木姜子（Litsea glutinosa）、九節(jié)木（Psychotria rubra）（灌木）、桃金娘等。（3）木麻黃人工林（Casuarina

equisetifolia planted forest ，簡稱“CPF”）于2009年2月種植，初值密度為4 m×1.2 m，為人工純林，林下植被稀少。（4）大葉相思人工林（Acacia auriculiformis

planted forest，簡稱“APF”）的樹齡約7 a，平均株行距3 m×1.2 m，為人工純林，林下植被稀少。樣地基本情況見表1。

1.2 試驗設(shè)計和采樣

選擇立地條件一致的瓊崖海棠天然次生林（CSF）、香蒲桃天然次生林（SSF）、木麻黃人工林（CPF）、大葉相思人工林（APF），各設(shè)置一個面積為1 hm2（100 m×100 m）的樣地。在每個樣地上隨機選擇3塊面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方，按照地形分布采用完全隨機布設(shè)方法，每個樣方挖取3個剖面。除去地表凋落物，在土壤剖面挖取0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm共5個土層，每個土層用環(huán)刀打入進行取土。一部分鮮土用于土壤密度和土壤含水量的測定；另一部分新鮮土樣在實驗室去雜，過2 mm的土壤篩，在室內(nèi)通風(fēng)條件下風(fēng)干后存于密閉自封袋中，用于化學(xué)指標(biāo)的測定。

土壤總有機碳含量（Total organic carbon content，簡稱“TOC”）的測定采用油浴-重鉻酸鉀氧化法；土壤輕組有機碳含量（Light fraction organic carbon content，簡稱“LFOC”）的測定采用1.7 g/mL的碘化鈉重液分離法[12]；土壤易氧化有機碳含量（Easily-oxidized carbon content，簡稱“EOC”）的測定采用K2MnO4氧化-比色法[13]；土壤密度（Soil bulk density，簡稱“SBD”）采用環(huán)刀法；土壤酸堿度（pH）的測定采用電位法，土水比為1 ∶ 2.5[14]；全氮含量（Total nitrogen，TN）采用半微量凱氏法；土壤含水量（Soil water content，SWC）采用（105±2）℃烘箱烘干法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel和SAS 9.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan檢驗比較不同數(shù)據(jù)組之間的差異；利用Person相關(guān)系數(shù)進行土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海防林土壤總有機碳分布特征

由表2可知，研究區(qū)4種海防林的土壤總有機碳含量均隨土層深度的增加而不斷減小。在0～10 cm土層中，不同海防林土壤總有機碳含量占土壤剖面的 23.53%～35.91%，明顯高于其余4個土層，說明土壤總有機碳的分布具有比較明顯的表聚現(xiàn)象，由于該區(qū)域土壤有機碳源主要來源于地表凋落物的積累及分解轉(zhuǎn)化，表層土壤表現(xiàn)尤為突出，其次土壤母質(zhì)對該區(qū)土壤總有機碳含量貢獻起關(guān)鍵作用。4種海防林的土壤總有機碳含量從大到小的順序是：瓊崖海棠天然次生林>香蒲桃天然次生林>大葉相思人工林>木麻黃人工林。天然次生林在各土層（0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm）的土壤總有機碳含量均顯著高于人工林，表明天然次生林的碳匯能力高于人工林。主要原因有3點；一是人工林種植時間短，林下植被覆蓋率小，土壤碳來源數(shù)量少；二是種植初期人為干擾強度大，造林過程中極易造成土壤養(yǎng)分的缺失；三是人工林多為針葉和硬闊葉樹種，林下凋落物難以被微生物分解，總體對土壤碳的貢獻率較低。

2.2 不同海防林土壤活性有機碳分布特征

與土壤總有機碳分布特征一樣，4種海防林的土壤活性有機碳的2個指標(biāo)輕組有機碳含量（LFOC）、易氧化有機碳含量（EOC）隨土層的加深而遞減（圖1）。天然次生林土壤易氧化有機碳含量（EOC）不同土壤層次降幅較大，各土層間差異顯著（p<0.05）；人工林土壤易氧化有機碳含量（EOC）隨土層深度增加波動較弱，特別是在40～100 cm內(nèi)各土層含量相差不大，不存在顯著差異（p>0.05）。4種森林土壤輕組有機碳含量（LFOC）和易氧化有機碳含量（EOC）從大到小的順序是：瓊崖海棠天然次生林>香蒲桃天然次生林>大葉相思人工林>木麻黃人工林，說明天然次生林的土壤活性碳含量顯著高于人工林。

2.3 不同海防林土壤活性有機碳分配特征

土壤活性有機碳占總有機碳的比例比活性碳含量更能反映森林土地利用變化對土壤碳行為的影響。由圖2可知，研究區(qū)不同林分類型不同土層的土壤輕組有機碳占有機碳比例為13.72%～38.62%，隨著土壤剖面的深度增加呈先升高后降低的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在40～60 cm土壤層。不同林分類型0～100 cm土層的輕組有機碳所占比例的平均值大小為香蒲桃天然次生林（27.1%）>瓊崖海棠天然次生林（26.0%）>大葉相思人工林（17.6%）>木麻黃人工林（14.2%）?？傮w表現(xiàn)為天然次生林土壤輕組有機碳所占比例高于人工林，且差異顯著（p<0.05）。

易氧化有機碳占土壤有機碳含量的多少可用于表征土壤有機碳的穩(wěn)定性。研究區(qū)不同林分類型不同土層的土壤易氧化有機碳占有機碳比例為49.3%～70.1%，隨土層加深逐漸減少。不同林分類型0～100 cm土層的易氧化有機碳所占比例的平均值大小為木麻黃人工林（62.2%）>大葉相思人工林（61.1%）>香蒲桃天然次生林（60.4%）>瓊崖海棠天然次生林（58.0%）?？傮w表現(xiàn)為人工林土壤易氧化有機碳所占比例高于天然次生林，其中20～100 cm土壤層存在顯著差異（p<0.05），這與不同林分類型0～100 cm土層輕組有機碳占有機碳比例的變化規(guī)律基本相反。說明該研究區(qū)土壤碳素活性大、易轉(zhuǎn)化，其中人工林土壤碳不穩(wěn)定性較天然次生林強。

2.4 土壤活性有機碳與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表3可知，該研究區(qū)土壤輕組有機碳和土壤易氧化有機碳含量均與土壤全氮含量達極顯著正相關(guān)，與土壤密度存在極顯著負(fù)相關(guān)。人工林林地土壤活性有機碳與土壤含水量、pH、碳氮比亦存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p<0.01）?？傮w來說，人工林林地土壤活性有機碳與土壤含水量、pH、碳氮比之間的相關(guān)性比天然次生林更強。

3 討論

3.1 熱帶海岸林地土壤有機碳含量較低

本研究結(jié)果表明，在1 m深土壤剖面，熱帶海岸天然次生林和人工林土壤有機碳含量均值在1.35～6.58 g/kg之間，明顯低于海南島尖峰嶺（11.32 g/kg）、霸王嶺（14.84 g/kg）、五指山（13.58 g/kg）、吊羅山（13.60 g/kg）、鸚哥嶺（16.26 g/kg）等5個熱帶原始森林的土壤有機碳含量[15]，原因有3點：（1）熱帶海岸天然次生林和人工林的植被郁閉度低于原始林，且林下植被稀少[16]，導(dǎo)致地表凋落物現(xiàn)存量較少；（2）熱帶海岸林地距海較近，土壤類型為濱海沙壤土，降水極易引起土壤淋溶，促使土壤養(yǎng)分丟失；（3）熱帶海岸豐富的降水和持續(xù)高溫條件加速了有機質(zhì)的分解和物質(zhì)的再循環(huán)，熱帶風(fēng)暴及臺風(fēng)氣候?qū)ι值膰?yán)重破壞導(dǎo)致土壤養(yǎng)分大量流失，均不利于土壤有機碳的積累。

3.2 熱帶海岸天然次生林土壤活性有機碳含量顯著高于人工林

本研究中天然次生林土壤有機碳、輕組有機碳和易氧化有機碳含量均顯著高于人工林，這與劉榮杰等[17]的研究結(jié)果一致。一方面人工林種植年限短，林分結(jié)構(gòu)單一，地表土壤有機碳來源受限，其次在高溫高濕條件下，熱帶地表凋落物不易存留，大多當(dāng)年就分解完；另一方面因為研究區(qū)距海較近，木麻黃和大葉相思作為保護海岸的先鋒樹種，其它耐海岸生長環(huán)境的林下植被不易生長，造成林下植被覆蓋度低。以上說明人工林土壤受強降雨沖刷強度加大，促使土壤養(yǎng)分的流失，是形成人工林土壤碳庫含量相對較低的主要原因。

該研究區(qū)土壤有機碳、輕組有機碳和易氧化有機碳含量均隨土層深度的增加而減少。因為熱帶海岸土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、土壤貧瘠，土壤碳主要來源于地表凋落物，其分解產(chǎn)物率先向淺層土壤轉(zhuǎn)移，在土壤淋溶作用下，分解產(chǎn)物隨土壤水分向下層遷移，在遷移過程中，分解產(chǎn)物不斷被礦質(zhì)土壤固持和被稀釋。故淺層土壤有機碳的貢獻率較高[15]。其中，香蒲桃天然次生林和木麻黃人工林0～20 cm土壤有機碳含量分別占0～100 cm土層的62.95%和45.59%，0～20 cm土壤輕組有機碳含量分別占0～100 cm土層的51.95%和43.30%，0～20 cm土壤易氧化有機碳含量分別占0～100 cm土層的66.04%和48.70%，說明熱帶海岸香蒲桃天然次生林淺層土壤有機碳貢獻率較木麻黃人工林強。

3.3 熱帶海岸天然次生林土壤有機碳固存能力高于人工林

熱帶海岸天然次生林在1 m深剖面土壤輕組有機碳分配比例高于人工林，土壤輕組有機碳占有機碳比例變化范圍在13.72%～38.6%之間，高于李潔等[18]報道的亞熱帶丘陵幾種林地土壤輕組有機碳占有機碳比例（3.2%～20.2%）。在濱海臺地的特殊生態(tài)環(huán)境中，地上凋落物是輕組有機碳主要來源之一，不同林分類型林下林分密度、蓋度和植被生長狀況對輕組有機碳含量起關(guān)鍵性作用，這與其他的研究結(jié)果一致[19-20]。土壤輕組有機碳主要來源于地表凋落物腐殖層。本研究中，2種人工林地表凋落物存留量少，歸還至土壤的輕組部分有機質(zhì)自然不高。另外，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種人工林各土壤層易氧化有機碳含量占土壤有機碳的比例（53.0%～70.1%）均大于天然次生林（49.3%～67.6%），顯著高于其它地區(qū)的研究結(jié)果[21-22]。易氧化有機碳所占比例越高，越不利于土壤碳的儲存[23]，這意味著天然次生林有較高的凋落物輸入及林下植被結(jié)構(gòu)對于有機質(zhì)有更好的存蓄功能。

3.4 土壤活性有機碳與土壤因子的關(guān)系

本研究中土壤活性有機碳與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系，這是因為土壤活性有機碳的代謝依賴于含氮化合物，并受到氮供應(yīng)的限制[24]。土壤活性有機碳與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明熱帶海岸濱海沙壤土土質(zhì)疏松，保水保肥能力弱，不利于活性有機碳的積累。與天然次生林相比，人工林土壤輕組有機碳和易氧化有機碳與土壤密度、含水率、pH、全氮、碳氮比的相關(guān)性較緊密，說明土壤因子的微弱變化都能引起人工林土壤有機碳的損失，應(yīng)減少人為干擾，重點組建單一樹種林分結(jié)構(gòu)多樹種化、群落多樣化。因此，從碳儲存能力方面考慮，今后在海岸防護林建設(shè)中重點加強對天然次生林群落的保護，人為促進單樹種林分結(jié)構(gòu)向多樹種群落的更新，為維持熱帶海岸帶生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展提供保障。

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