海南岛中东部热带雨林原始林土壤有机碳分布特征及影响因素

吴 雯，赵志忠，韩 瑛，唐 薇，董 鹏

（海南师范大学 地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

土壤碳库是陆地生态系统中最大的有机碳库，土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）的微小变化将给大气和气候带来巨大的影响[1]。SOC的含量是反映土壤质量以及土壤健康的标志，直接反映土壤中的物理、化学和生物过程以及土壤肥力和土地生产力[2]。森林SOC是陆地碳库的重要组成部分，据估算，森林SOC储量占全球SOC储量的73%[3]。森林土壤碳库的巨大库容使其在全球碳循环中发挥重要作用[4]。已有研究表明，森林SOC含量受到气候、海拔高度、植被类型及分布、土壤理化性质等多方面的影响，不同区域SOC含量特征存在差异[5]。热带雨林作为热带地区特殊的植被类型，土壤碳储量占到全球土壤碳储量的11%[6]。海南岛是中国热带雨林典型地区之一，吊罗山热带雨林保护区、五指山热带雨林保护区和七仙岭国家温泉森林公园是中国珍稀的原始热带雨林区，在海南森林生态系统中占有重要地位。已有学者对海南部分热带雨林区的SOC分布特点及有机碳储量进行了初步研究，如吴仲民等对海南岛尖峰岭林区SOC进行实地观测并参考相关历史资料估算出当地林区SOC储量[7]；蔡文良等于2016—2018年连续3年研究了海南尖峰岭热带山地雨林不同林型SOC储量及其山地垂直分布特征，为该区域山地土壤碳库储量的准确预测提供了参考[5]。上述研究都局限于局部地区SOC赋存特点和有机碳储量的分析，而对海南岛中东部热带雨林整体SOC累积特征、时空分布特征及其未来变化趋势的研究明显不足。本研究以海南岛中部和东部地区的五指山热带雨林保护区、吊罗山热带雨林保护区和七仙岭国家温泉森林公园的原始林高海拔、中海拔和低海拔区0～10、10～30和30～50 cm土壤为研究对象，分析其SOC含量，研究SOC空间分布特征，探讨热带雨林SOC分布影响因素，为揭示海南岛热带雨林的碳循环规律提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于海南岛中东部，涉及五指山、琼中、白沙、保亭、陵水、万宁等6个市（县）。区内气候以热带海洋性季风气候为主，多年平均气温为22.5～25.4 ℃，年平均降雨量为2 000～3 000 mm，雨量充沛但时空分布不均匀，干湿季节明显，春旱突出，热带风暴和台风频繁。区内地形以山地为主，土壤类型主要为山地黄壤和山地赤红壤。本研究选择的五指山热带雨林保护区、吊罗山热带雨林保护区和七仙岭国家温泉森林公园均广泛分布大片原始林，特别是高海拔区原始林保存完好。研究区原始林植被具有垂直分带特征，其中海拔600 m以下的低海拔地区主要分布半落叶季雨林和常绿季雨林，如野芭蕉、蝴蝶树和大榕树等；海拔600～1 000 m的中海拔地区主要分布沟谷雨林与热带山地雨林，如细叶榕树、陆均松、鸡毛松和坡垒等；海拔1 000 m以上的高海拔区主要分布苔藓矮林，如树蕨、凤尾蕨和皇冠蕨等。

2 材料与方法

2.1 样品采集

吊罗山热带雨林保护区（DLS）、五指山热带雨林保护区（WZS）和七仙岭国家温泉森林公园（QXL）位于海南岛中部和东部山区。采样时间为2020 年8 月1 日至14 日、2021 年1 月9 日至21 日和8 月9 日至20 日。根据海南岛热带雨林原始林植被垂直分带现象，选取高海拔（＞1 000 m）、中海拔（600～1 000 m）和低海拔区（＜600 m）人为干扰较少的区域为样地，面积约20 m×20 m，共8个样地，每个样地根据实际地形采用对角线法或S形法随机确定4～5个取样点（图1），记录样点处海拔及坡度，清除土壤表面覆盖的枯枝落叶后开展柱状样品（0～10、10～30、30～50 cm）取样，共采集样品117个，将不同取样点处于同一层的样品混合，取500 g作为一个样品装入密封袋中，再将采集样品中的动植物残体和砾石等杂质剔除掉，在室内进行自然风干。

图1 研究区采样点分布Figure 1 Distribution of sampling points in the study area

2.2 测试分析方法

采用德国Elementarvario TOC 分析仪通过高温燃烧法测定SOC含量。为消除样品中无机碳对测定结果的影响，每个样品需要在上机测试前进行酸化处理。将部分样品研磨、过筛，称取烘干至恒重的土壤3 g，放至小烧杯中，并设置平行样，加入1 mol/L 盐酸30 mL，用磁力搅拌器搅拌至无气泡产生。静止24 h后，倾倒上清液，转至离心管中，加入去离子水润洗，离心6～8次，至pH试纸检测离心后的上清液呈中性，放入烘箱烘干，冷却后研磨粉碎。称取0.020～0.025 g样品上机测定有机碳含量。

利用GPS定位仪和水准仪获取海拔、坡度数据。

称取0.5 g过2 mm孔径筛的风干土壤样品放入50 mL小烧杯中，加入过氧化氢溶液1 mL，并用玻璃棒搅拌，待土壤样品不再反应时移至电热板上加热，然后加入1 mL六偏磷酸钠溶液，搅拌后静置过夜。将处理后的样品放入超声波清洗机振荡，超声分散15 min。最后使用Mastersizer 2000激光粒度仪（测量范围为0.02～2 000.00 μm）测定沉积物的粒径。

使用德国Testo 206 pH 计测定土壤pH。称取5 g 土壤样品置于小烧杯中，加入双蒸水12.5 mL，搅拌7 min，然后测定浊液pH。

3 结果与分析

3.1 海南岛中东部热带雨林原始林SOC分布特征

3.1.1 热带雨林不同区域SOC分布特征

海南岛中东部地区光热充足，降水丰富，土壤类型主要为山地黄壤和山地赤红壤。本研究采样区域以山地为主，植被覆盖率相对较高。样品分析结果表明，研究区原始林0～50 cm 土层SOC 含量为27.76～188.46 g/kg，平均值为64.86±10.57 g/kg，变异系数为0.65。研究区SOC含量较高可能与研究区原始林植被发育较好、枯枝落叶丰富、有机碳来源充足有着密切的联系[8]。

进一步研究发现，研究区内0～50 cm土层SOC含量在不同热带雨林区存在明显差异（表1）。五指山热带雨林保护区的原始林SOC含量在3个雨林区中最高，其原因可能是五指山热带雨林保护区地处中部，交通不便，人类干扰极少，雨林中保存大量的枯枝落叶，提供了丰富的有机碳来源；同时，五指山热带雨林保护区地势最高，雨量最为丰富，高温高湿的气候使其土壤微生物长期处于厌氧环境中，热带雨林中大量的枯枝落叶被微生物分解使有机物输入量较高。

表1 研究区热带雨林SOC含量描述统计分析Table 1 Descriptive statistical analysis of SOC level distribution in tropical rain forest in the studied area

3.1.2 不同海拔热带雨林SOC分布特征

本研究将海拔分为3个等级，分别为低海拔（＜600 m）、中海拔（600～1 000 m）和高海拔（＞1 000 m）。对五指山热带雨林保护区、吊罗山热带雨林保护区和七仙岭国家温泉森林公园等3个热带雨林区不同海拔原始林SOC含量进行分析发现，研究区热带雨林中海拔地区的原始林SOC含量最高，而低海拔和高海拔地区的原始林SOC含量较低（七仙岭国家温泉森林公园海拔低于五指山热带雨林保护区和吊罗山热带雨林保护区，未采集高海拔样品）（图2）。这一现象可能与植物的垂直分带具有密切联系[9]，研究区内高海拔地区（＞1 000 m）主要植被是苔藓矮林，提供的枯枝落叶相对较少，有机碳来源相对较少；中等海拔区（600～1 000 m）主要植被为沟谷雨林与热带山地雨林，提供了大量枯枝落叶，经微生物分解可为土壤提供丰富的有机碳来源；低海拔区（＜600 m）广泛分布常绿季雨林，有丰富的枯枝落叶来源，然而海南台风和暴雨频繁，坡地流水经汇流后到低海拔区水流明显加大，这些坡地流水可将大量枯枝落叶带到沟口被河流迁移，导致其有机碳来源相对较少。

图2 不同区域热带雨林土壤有机碳随海拔分布规律Figure 2 Distribution law of soil organic carbon with altitude in tropical rain forests in different regions

3.1.3 热带雨林SOC沿剖面分布特征

研究区内SOC含量的垂直变化较为一致，均随着土壤深度的增加而减小，研究结果与很多学者的研究结果一致，但SOC 含量的递减速度随土壤深度的增加先快后慢。如图3 所示，从土壤表层开始至50 cm 深度，研究区原始林SOC 平均含量随土壤深度的增加逐渐下降，10～30 cm 较表层降低55.44%，30～50 cm 较10～30 cm土层降低28.61%。0～10、10～30和30～50 cm深度土层SOC含量分别占50 cm深度土壤剖面有机碳总量的58.17%、25.92%和15.91%。植物根系、枯落物、动物及微生物遗体等是SOC的主要来源，主要集中于土壤表层，对SOC积累的影响也随土壤深度的增加而降低，因此表层土壤有较高的有机碳含量[9]。根系的垂直分布格局决定着SOC的垂直分布特征[10]，直接影响输入到土壤剖面各层的有机碳数量。土壤较深处的养分含量较低，根组织的化学组成也随深度变化，分解者的活动减弱，分解速率较慢，SOC的周转变慢，有机碳含量较低。

图3 不同热带雨林土壤有机碳沿剖面分布规律Figure 3 Distribution law of soil organic carbon along the profile in different tropical rain forests

3.2 海南岛中东部热带雨林原始林SOC分布的影响因素

3.2.1 坡度对SOC含量的影响

坡度是影响坡面侵蚀的重要因素。在同样的降水条件下，坡度的大小会影响土壤流失的程度。海南岛中东部热带雨林坡度为2～58°。对测得的热带雨林坡度数据与SOC含量进行分析发现，坡面坡度较大时坡面径流较快，径流泥沙较容易迁移出坡面，易受到侵蚀，受到的重力和淋洗作用较强，不利于土壤有机质的积累，研究区坡度较高地区的SOC含量都比较低。缓坡及平地土层较厚[11]，利于土壤有机质聚集，各雨林区的缓坡和平地SOC含量较大并随坡度的增加而降低。对海南岛中东部各样点的SOC含量与其坡度进行相关性分析，结果如表2所示。

表2 研究区热带雨林土壤有机碳与坡度相关性系数Table 2 Correlation coefficient between soil organic carbon and slope in tropical rain forest in the studied area

总体上，各土层SOC含量与坡度呈负相关关系，表层SOC含量受坡度影响更大。不同研究区SOC含量与坡度的相关性强弱顺序为五指山热带雨林保护区＞吊罗山热带雨林保护区＞七仙岭国家温泉森林公园。各土层SOC含量与坡度之间的相关性存在差异，这可能是由于不同坡度区域的地形、作物、水土保持措施、地表覆盖以及水文特征等景观要素各异，但总体上呈现出各土层SOC含量随坡度增加而降低的趋势[12]。

3.2.2 粒度对土壤SOC含量的影响

已有研究表明，热带雨林SOC分布常受到土壤粒度的影响[13]，不同区域SOC的含量、土壤粒径的分布及二者的关系会随之发生分化，表现出明显的时空分异。分别对研究区不同区域热带雨林原始林SOC含量和粘粒（＜2 μm）、粉粒（2～50 μm）、砂粒（＞50 μm）的含量进行相关性分析，结果如图4所示，研究区的土壤颗粒组成以砂粒为主。五指山热带雨林保护区和吊罗山热带雨林保护区SOC的含量与粘粒和粉粒的含量呈负相关关系，与砂粒含量呈正相关关系。七仙岭国家温泉森林公园SOC的含量与粘粒和粉粒含量呈正相关关系，与砂粒含量呈负相关关系。进一步分析还可发现，七仙岭国家温泉森林公园的砂粒占比高于五指山热带雨林保护区和吊罗山热带雨林保护区。研究区不同雨林区土壤粒度总体受到土壤母质的风化作用和流水作用的影响，七仙岭国家温泉森林公园基岩主要以火山玄武岩为主，而五指山热带雨林保护区和吊罗山热带雨林保护区基岩主要以花岗岩为主。一般来说，在相同的水热条件下，玄武岩相对花岗岩的抗风化能力略弱，常形成丰富的松散细粒碎屑物，但由于流水作用的影响，玄武岩风化物中细粒碎屑物容易流失，最终导致七仙岭国家温泉森林公园土壤中的砂粒占比偏高。粉粒和粘粒比表面积较大，土壤中铁、铝氧化物及碱性元素（如钙）等易吸附有机碳，两者结合形成有机-无机复合体，对有机碳起到了物理或化学固定，增强了其难降解性，因此粉粒和粘粒对有机碳的固持和保护作用较强。五指山热带雨林保护区和吊罗山热带雨林保护区土壤中的粘粒和粉粒含量较七仙岭国家温泉森林公园高，有机碳含量也较高，所以土壤质地分布对土壤总有机碳分布有重要影响。

图4 土壤有机碳与粒度相关性分析Figure 4 Correlation analysis between soil organic carbon and particle size

3.2.3 pH值对土壤SOC含量的影响

海南岛热带雨林SOC分布特征除了受到土壤粒度的影响外，还与土壤的酸碱度有关[13]。海南岛中东部热带雨林土壤pH值为3.99～6.86。对海南岛中东部0～50 cm土层SOC含量与土壤pH值进行相关性分析，结果见图5。总体而言，研究区原始林土壤pH值在低于5.5时与SOC含量呈负相关关系，研究区原始林土壤pH值高于5.5时SOC含量呈上升趋势。微生物是土壤有机物质分解和周转的主要驱动力，因此能影响微生物生理作用的因素均会对有机物质的分解和转化有影响[14]。各种微生物都有最适宜的pH范围，pH值过低（＜5.5）或过高（＞8.5）的土壤环境对一般的微生物都不大适宜，其有机碳的分解速率降低，影响到有机碳的含量[15]。土壤pH值越小土壤酸度就越高，微生物的活动被抑制，减缓了有机碳的分解速率，从而增加了SOC的含量；当土壤pH值逐渐增大，微生物活动剧烈，有机碳分解速率增加，从而使有机碳含量降低。

图5 热带雨林土壤有机碳与pH值相关性分析Figure 5 Correlation analysis between soil organic carbon and pH value in different tropical rain forests

4 结论

（1）总体来说，研究区SOC含量相对较高，3个雨林区SOC含量的大小次序为五指山热带雨林保护区＞七仙岭国家温泉森林公园＞吊罗山热带雨林保护区。五指山热带雨林保护区天然林SOC含量较高与该区大量的枯枝落叶易于保存、雨量丰富及有机物输入量较高具有密切关系。

（2）研究区不同区域SOC含量在0～50 cm土层剖面上都呈现出从表层向深层不断下降的趋势，3个区域SOC 最高含量均出现在0～10 cm 土层，表明研究区的SOC 具有“表聚性”。SOC 由表层到中层呈跳跃式下降，导致这一现象的原因是天然林SOC的来源丰富，但向下迁移相对难度较大。

（3）研究区SOC含量表现为中海拔最高，低海拔和高海拔地区较低，这与垂直分带具有密切联系，低海拔和中海拔地区枯枝落叶都比较丰富，但低海拔区受坡地汇流影响，有机碳来源相对较少。

（4）研究区坡度较高的地区SOC含量较低，受到的重力和淋溶作用较强，有机碳不易储存，坡度低利于SOC积累。

（5）研究区的土壤颗粒组成以砂粒为主。七仙岭国家温泉森林公园土壤中的砂粒占比高于五指山热带雨林保护区和吊罗山热带雨林保护区，砂粒含量较高的雨林区SOC含量较低。

（6）研究区土壤均呈酸性，pH值为3.99～6.86。土壤pH值低于5.5时其与SOC含量呈负相关关系，土壤pH大于5.5时其与SOC含量呈正相关关系。在微生物适宜的生境下，如pH大于5.5，有机碳分解速率增高，SOC不易积累。反之，微生物活性减弱，SOC含量增高。

本研究设置的样点较少，下一步可适当增加样点数量，探究土壤含水量、林龄、林分密度、林分结构以及凋落物层厚度等因素对SOC含量的影响，以便综合分析热带雨林SOC含量分异的影响因素。