Soil Organic Carbon Distribution in Five Forest Types in the Northeast of Hainan Island

XUE Yang; SU Shaofeng; LIN Zhipan; WANG Xiaoyan; CHEN Yiqing; XUE Yanwen; CHEN Pingmei

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.027

Chinese Journal of Tropical Crops >

2019 , Vol. 40 >Issue 11: 2294 - 2299

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.027

Ecology and Review

Soil Organic Carbon Distribution in Five Forest Types in the Northeast of Hainan Island

XUE Yang ,
SU Shaofeng ,
LIN Zhipan ,
WANG Xiaoyan ,
CHEN Yiqing ^,^* ,
XUE Yanwen ,
CHEN Pingmei

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Hainan Forestry Institute, Haikou, Hainan 571100, China

Received date: 2019-02-13

Request revised date: 2019-04-26

Online published: 2019-11-28

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Abstract

To reveal the soil organic carbon (SOC) distribution characteristics in different forest types in Northeastern Hainan, the data of SOC content and storage under five forest types (Pinus elliottii×P. caribaea, Casuarina equisetifolia, Cocos nucifera, Secondary forest and Mingled forest) in this region were analyzed. The results showed that in the 0-100 cm soil profile, the average SOC content of the five forests was significantly different (P<0.05). The highest was found in the secondary forest soil (3.78 g/kg), while in Casuarina equisetifolia the values were the minimum (0.90 g/kg); SOC storage values were 46.06 t/hm ² in the secondary forest, 40.52 t/hm ² in the mingled forest, 39.08 t/hm ²in Pinus elliottii×P. caribaea, 31.26 t/hm ² in Cocosnucifera and 15.22 t/hm ² in Casuarina equisetifolia. The secondary forests on shallow marine deposits and mingled forests on coastal sandy soil had relatively high SOC storage, which were significantly higher than Cocos nucifera and Casuarina equisetifolia on the same parent material respectively (P<0.05). In summary, the planting of different types of forests within this region would have a profound prospect on SOC storage, and the establishment of secondary forests and mingled forests may help the increment of SOC sequestration.

Key words： Hainan Island; forest type; soil organic carbon

Cite this article

XUE Yang , SU Shaofeng , LIN Zhipan , WANG Xiaoyan , CHEN Yiqing , XUE Yanwen , CHEN Pingmei . Soil Organic Carbon Distribution in Five Forest Types in the Northeast of Hainan Island[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2019 , 40(11) : 2294 -2299 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.027

森林是全球碳循环中的重要环节,在调节区域乃至全球碳平衡和减缓气候变化等方面发挥重要作用^[1]。其中森林土壤碳储量约为383 Pg,约占森林总碳储量44%,是陆地生态系统最大的有机碳库^[2,3]。就全球森林生态系统而言^[3],热带森林的碳储量约为471 Pg（大概为全球森林碳储量的55%）,其中热带森林土壤大约储存32%的碳。热带森林可能已经成为全球森林生态系统最大的碳汇,但对热带森林碳汇的估算仍具有很大的不确定性^[3,4]。土壤碳库是陆地生态系统最为活跃的碳库,森林土壤有机碳的累积、变化和分解深刻地影响土壤有机碳库的时空变化^[2]。由此可见,研究热带森林土壤有机碳分布特征及储量变化,是估算热带地区森林碳汇的重要依据之一,对于森林生态系统碳循环研究及碳汇管理具有重要意义。目前,我国森林土壤有机碳库储量及变化^{[1, 5]}、土壤有机碳密度的比较^[6,7]、有机碳及其与环境因子的关系^[8,9]已有较多的研究。研究表明,森林的建造能有效地固持大气中的碳,近年来越来越多学者对我国主要人工林土壤有机碳进行了研究^[10,11,12]。但是由于我国森林类型多样、结构复杂,且森林对人为干扰和环境变化的时空动态响应不一,致使对森林土壤碳储量和变率的科学估算还十分困难^[1]。

海南岛地处热带北缘,具有高温、高湿和强降雨的气候条件。在这种气候条件下,土壤有机碳可能具有较强的时空变异性^[13]。本课题组前期对海南部分区域几种森林土壤有机碳进行了研究^[14,15,16],具备了一定的工作基础。基于前期研究结果,我们认为海南岛东北部同类型森林的建立可能深刻地影响土壤有机碳的转化、分布和有机碳库储量,不同森林类型土壤有机碳分布特征存在较大的差异,而相关方面的报道仍然不多。为揭示海南岛东北部不同森林类型土壤有机碳分布特征,本研究选取了海南岛东北部的湿加松林、木麻黄林、椰树林、次生林和混交林等5种典型森林,比较分析了5种森林类型下的土壤有机碳含量及有机碳储量,为了解该区森林土壤有机碳分布特征和指导森林可持续经营提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于海南省文昌市,地处东经108°21′至111°03′,北纬19°20′至20°10′。该研究区为低丘台地向平原过渡地带,平均海拔42.6 m。该区地处热带北缘,属热带海洋性季风气候。年均气温为24 ℃,年均降雨量1799.4 mm。受热带季风气候的影响,该区具有明显的干湿交替,全年降雨主要集中在5月—11月,约占全年降雨总量的70%~90%。

1.2 方法

在海南省文昌市选择5种典型森林类型：湿加松林（110°43′19″E,19°34′01″N）、木麻黄林（110°58′34″E,19°44′23″N）、椰树林（110°51′15″E,19°34′58″N）、次生林（110°51′16″E,19°34′58″N）和混交林（110°57′34″E,19°43′58″N）作为研究对象,并建立固定试验样地（面积各为1 hm²）。在每块样地分别设置30 m×30 m的标准样地3块,采用水泥桩对每个样地做标记。对样地内所有植被进行调查,基本概况详见表1。

表1 海南岛东北部5种典型森林样地概况

Tab. 1 General situation of 5 forest stands in the northeast of Hainan

森林类型 Forest type	地点 Site	树龄 Tree age/a	树高 Tree height/m	土壤类型 Soil type	土壤pH Soil pH	林内主要物种 Main plant species
湿加松林	文昌文教镇	6	8.2	砖红壤	4.5	湿加松、大青、马缨丹、了哥王、毛稔、胜红蓟、鬼针草、小飞蓬、夜香牛、白花蛇舌草、阔叶丰花草、蛇婆子、龙珠果、叶下珠、马鞭草、铺地黍、地杨桃、菠萝等
木麻黄林	文昌岛东昌洒作业区	13	15.6	滨海沙土	5.4	木麻黄、胜红蓟、飞机草、夜香牛、水竹叶、丰花草、短叶黍、结缕草、含羞草、叶下珠、芒草等
椰树林	文昌东郊镇	30	18.9	浅海沉积土	6.6	椰树、猩猩草、地桃花、地毯草、鱼藤、莎草、黄花稔、牛膝、飞机草等
次生林	文昌东郊镇	35	20.6	浅海沉积土	5.0	琼崖海棠、椰子、假萍婆、文昌锥、打铁树、鸭脚木、苦楝、胭脂、九节木、山竹子、银柴、桃金娘、紫玉盘、潺槁木姜树、大青、莎草、胜红蓟、铺地黍、短叶黍、地桃花、光叶菝葜、牛膝、小商陆等
混交林	文昌岛东昌洒作业区	21	16.3	滨海沙土	5.0	潺槁木姜、椰子、琼崖海棠、木麻黄、密花柳叶树,桃金娘、九节木、大青、胡椒木、了哥王、东风橘、飞机草、猩猩草、马鞭草、短叶黍、海金沙、肾蕨、叶下珠、牛膝、蛇舌草、黄花稔、蛇婆子、白花蛇舌草、莎草等

于2017年7月间采集土壤样品。在建立的标准样地内分别挖掘标准土壤剖面1个,土壤剖面的采集深度为100 cm。环刀样品以0~10、10~20、20~40、40~60、60~100 cm分5层采集,每土层随机采集环刀样品3个,采用烘干法测定并计算土壤容重^[16]。同时在每块标准样地“S型”随机选取10个点采集土壤样品,采集深度同上。每2点把同一土层样品混合成一个样品,过2 mm筛,室内风干研磨后过0.149 mm筛。风干后的土壤样品,采用重铬酸钾-外热源法测定土壤有机碳含量;半微量开氏法测定土壤全氮;BrayⅠ提取-钼锑抗吸光光度法测定土壤有效磷;乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾;1 mol/L KCl浸提-流动分析法测定土壤硝态氮和铵态氮^[17]。

1.3 数据处理

采用固定采样深度法^[18,19]计算土壤有机碳储量。

采用Excel 2003软件进行数据处理和图表绘制,所有数据均以平均值±标准差来表示。采用SAS 8.1（SAS Institute Inc,USA）软件进行方差和相关性分析。采用最小显著差异法（LSD）进行平均值的比较。

2 结果与分析

2.1 5种森林土壤有机碳含量的比较

由表2可知,海南岛东北部5种森林不同深度土层土壤有机碳含量仅有0.66~7.32 g/kg。可见,该区5种森林土壤有机碳含量均很低。5种森林土壤有机碳含量在土壤剖面中的垂直分布基本随着土壤深度的增加呈降低趋势。统计分析结果表明,5种森林不同土层中土壤有机碳含量差异显著（P<0.05）。在0~10 cm土层中,以次生林土壤有机碳含量最高,为7.32 g/kg,木麻黄林最低,仅有1.15 g/kg;在10~20 cm土层中,以湿加松林和次生林最高,分别为4.41和4.01 g/kg。在该土层中,仍以木麻黄林最低为0.72 g/kg;在20~40 cm土层中,以湿加松林最高3.09 g/kg,木麻黄最低0.74 g/kg;在40~60 cm土层中,混交林和次生林土壤有机碳含量显著高于椰树林和木麻黄林,分别为2.34 g/kg和2.32 g/kg;在60~100 cm土层中,仍以混交林和次生林最高,而湿加松林和木麻黄林最低。从整个土壤剖面来看,5种森林0~100 cm土壤有机碳平均含量仅有0.90~ 3.78 g/kg,以次生林最高,为3.78 g/kg,木麻黄林最低,仅0.90 g/kg。

表2 不同森林土壤有机碳含量的垂直分布

Tab. 2 Distribution of SOC content in different forest types g·kg^-1

土层深度 Soil depth/cm	湿加松林 Pinus elliottii×P. caribaea	木麻黄林 Casuarina equisetifolia	椰树林 Cocos nucifera	次生林 Secondary forest	混交林 Mingled forest
0~10	5.10±1.04^b	1.15±0.54^c	4.03±0.24^b	7.32±2.62^a	4.99±0.94^b
10~20	4.41±0.92^a	0.72±0.25^c	2.98±0.43^b	4.01±1.21^a	3.17±0.78^b
20~40	3.09±0.44^a	0.74±0.16^d	2.11±0.43^c	2.94±0.77^ab	2.35±0.32^bc
40~60	1.96±0.53^ab	0.66±0.25^c	1.62±0.49^b	2.32±0.49^a	2.34±0.19^a
60~100	1.32±0.21^b	1.25±1.45^b	1.52±0.58^ab	2.30±0.44^a	2.34±0.42^a
0~100	3.18±0.50^b	0.90±0.45^d	2.45±0.35^c	3.78±0.97^a	3.04±0.32^b

	Note: Different lowercase letters in the same row denote significant difference among different forests (P<0.05).
	注：同行数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2.2 5种森林土壤有机碳储量的比较

由表3可知,5种森林不同土层土壤有机碳储量差异显著（P<0.05）。5种森林表层（0~10 cm）土壤有机碳储量介于1.80~10.37 t/hm²,以次生林最高,为10.37 t/hm²,湿加松林、混交林和椰树林居中（分别为7.51、6.94、5.84 t/hm²）,而木麻黄林最低（1.80 t/hm²）;10~20 cm土层的土壤有机碳储量1.13~7.21 t/hm²,以湿加松林最高,木麻黄林最低;20~40 cm土层的土壤有机碳储量介于2.32~9.94 t/hm²,仍以湿加松林最高,木麻黄林最低;40~60 cm土层的土壤有机碳储量介于2.08~7.37 t/hm²,混交林和次生林土壤有机碳储量最高,分别为7.37、7.05 t/hm²,而木麻黄林最低为2.08 t/hm²;60~100 cm土层的土壤有机碳储量介于7.89~14.49 t/hm²,木麻黄林土壤有机碳储量显著低于次生林和混交林。从整个剖面土壤有机碳总储量来看,5种典型森林0~100 cm土层的土壤有机碳储量介于15.22~46.06 t/hm²,以次生林和混交林最高,木麻黄最低。

表3 不同森林土壤有机碳储量

Tab. 3 SOC storage in different forest types t·hm^-2

土层深度 Soil depth/cm	湿加松林 Pinus elliottii×P. caribaea	木麻黄林 Casuarina equisetifolia	椰树林 Cocosnucifera	次生林 Secondary forest	混交林 Mingled forest
0~10	7.51±1.54^b	1.80±0.84^c	5.84±0.35^b	10.37±3.72^a	6.94±1.31^b
10~20	7.21±1.51^a	1.13±0.39^c	4.53±0.65^b	5.74±1.74^b	4.71±1.15^b
20~40	9.94±1.43^a	2.32±0.51^d	6.43±1.30^c	8.69±2.28^ab	7.01±0.97^bc
40~60	6.13±1.65^ab	2.08±0.80^c	4.99±1.52^b	7.05±1.48^a	7.37±0.60^a
60~100	8.28±1.31^bc	7.89±9.15^c	9.47±3.60^abc	14.20±2.73^ab	14.49±2.60^a
0~100	39.08±5.05^ab	15.22±10.46^c	31.26±6.59^b	46.06±9.86^a	40.52±4.36^a

	Note: Different lowercase letters in the same row denote significant difference among different forests (P<0.05).
	注：同行数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2.3 5种森林土壤有机碳与土壤因子的关系

5种森林土壤有机碳含量及相应土壤养分含量的相关性如图1所示。结果发现,5种森林土壤有机碳含量与土壤全氮含量（r=0.781^**,P<0.01,N=250）、土壤速效钾含量（r=0.347^**,P<0.01,N=250）、土壤硝态氮含量（r=0.397^**,P<0.01,N=250）呈极显著正相关;与土壤铵态氮含量呈显著正相关（r=0.127^**,P<0.05,N=250）。这些结果说明,海南岛东北部森林土壤速效养分与土壤有机碳含量关系密切。在森林土壤管理中适当施用氮肥和钾肥可能有利于增加土壤有机碳含量和储量。

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图1 5种森林土壤有机碳含量与土壤因子的关系

Fig. 1 Relationship between SOC content and soil factors in 5 forest types

3 讨论

受土壤母质、植被类型等的影响,海南岛东北部5种典型森林土壤有机碳含量、密度及储量存在显著差异。就0~100 cm土壤剖面有机碳储量而言,5种森林0~100 cm土层的土壤有机碳储量介于15.22~46.06 t/hm²,以次生林和混交林最高,木麻黄最低。研究表明,森林土壤有机碳的输入来源主要是植物的枯枝落叶等凋落物和植物根系^[20],由此说明了植被类型对土壤有机碳累积和储量变化的重要作用。我们前期对文昌滨海台地3种森林类型（人促更新次生林、次生林、椰子林）土壤活性有机碳的初步研究结果^[15]发现,不同林型不同土层间的有机碳、易氧化有机碳及轻组有机碳含量差异显著,林下凋落物质量是影响碳储量的关键因子,这种差异说明同一气候类型下的森林类型对土壤有机碳固持的重要影响。而在同一气候类型区,这种影响也受到如土壤母质、地形等众多因素的影响。从5种森林的土壤母质来看,椰树林和次生林为浅海沉积土、木麻黄和混交林滨海沙土、湿加松林为砖红壤。砖红壤具有较高的土壤肥力,通常具有较高的土壤有机碳储量,而浅海沉积土和滨海沙土较低。但从本研究结果来看,浅海沉积土上的次生林和滨海沙土上的混交林均具有相对较高的土壤有机碳储量,分别显著地高于同一母质上的椰树林和木麻黄林,而与砖红壤上的湿加松林无显著差异。这种结果说明,5种森林土壤有机碳储量的差异除受土壤母质影响外,森林类型可能是影响土壤有机碳储量最为重要的因素。由此可见,不同类型森林的建立深刻地影响了土壤有机碳库储量,这与我们前期假设一致,非常值得进一步深入研究。

另外,相近区域研究结果^[21]表明,海南不同区域5种热带原始森林（霸王岭、鹦哥岭、尖峰岭、吊罗山和五指山）0~100 cm土壤有机碳储量大约为147~169 t/hm²。李江^[22]的研究表明,我国华南地区热带季风雨林土壤有机碳储量（0~60 cm）大约为101 t/hm²。从表层土壤（0~10 cm）有机碳含量来看,5种森林表层土壤有机碳含量仅有1.15~7.32 g/kg,甚至远低于全国农田土壤（0~ 20 cm）有机碳含量水平14.20 g/kg^[23]。由此可见,海南岛东北部5种森林土壤有机碳储量很低,远低于海南不同地区原始森林土壤。由于该区5种森林建立之前大多为热带灌丛和海岸荒坡,土壤有机碳储量很低的结果除了受土壤母质的影响外,可能也反映了该区森林在建立和培育过程中系统碳输入和碳输出的失衡。这种结果同时也说明该区森林土壤可能具有较高的固碳潜力。在后续研究中,应围绕该区森林土壤固碳功能和可持续固碳措施,提高森林土壤有机碳库储量,这对于提高海南东北部森林质量和森林碳汇具有重要指导作用。

从土壤有机碳和土壤因子的相关性来看,海南岛东北部5种森林土壤有机碳含量与土壤全氮等4种土壤养分指标均具有很好的相关性。说明该区5种森林土壤全氮、速效钾、硝态氮和铵态氮等土壤养分对土壤有机碳含量有着重要影响,这与前人研究基本一致^[24,25]。从上述结果也可以看出,土壤速效养分对提高土壤有机碳储量可能具有重要作用。从前期研究结果^[15]分析可知,不同类型森林凋落物可能对林下土壤养分含量也有着重要影响,从而导致不同森林土壤有机碳固存的差异;然而本研究条件下,并没有开展相关研究。另外,在该区5种森林后续土壤管理中,通过施肥或其他森林经营管理措施来提高土壤速效养分水平,可能是增加土壤有机碳含量、提高土壤固碳水平和增加森林土壤碳汇的重要措施,也值得进一步研究。

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