海南植胶区土壤有机碳储量的估算

王大鹏　吴小平　罗雪华吴炳孙　王文斌　张永发　邹碧霞

摘 要 分别采用固定深度法、等效质量法和纵向拟合法对海南植胶区土壤有机碳储量进行了估算。结果表明，海南植胶区4种不同母质分别发育而成的砖红壤土壤有机碳储量均具有明显的垂直分布性，随着土壤深度的增加，有机碳储量逐渐降低。3种方法计算的海南植胶区4种砖红壤0～60 cm土层有机碳储量平均为47.98～59.14 Mg/hm2，远低于同气候带原始森林土壤有机碳储量。

关键词 海南植胶区 ；有机碳储量

中图分类号 S714.9 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.001

Abstract Soil organic carbon storage in rubber plantations in Hainan was calculated by using the fixed depth method， equivalent mass method and vertical fitting method. The results showed that the soil organic carbon storage of latosols derived from four different parent materials in rubber plantation in Hainan was obviously vertically distributed and declined gradually with the depth of soil layer. The soil organic carbon storage of four types of latosol at the soil layers of 0～60 cm in rubber plantations in Hainan was approximately 47.98～59.14 Mg/hm2， which was much less than that in the soil of the primary forests in the same climate zone.

Keywords Hainan rubber plantation ； soil organic carbon storage

森林作为陆地生态系统最大的碳库，在全球碳循环中发挥了重要作用。据统计，全球森林碳储量大约为861 Pg，其中森林土壤碳储量约为383 Pg，占森林总碳储量的44%[1]。当前，估算并量化区域乃至全球森林碳储量已经成为全球碳循环研究的热点，这对准确评估全球碳收支平衡及其对气候变化的影响具有重要意义[1-2]。

橡胶是热带地区重要的人工林生态系统。2010年全球橡胶种植面积达9.4 Mhm2，较1990年增加了143%[3]。研究表明，热带人工林的建立能有效地固持大气中的碳[4-5]。中国人工林的建造和森林的再增长，使森林起着碳“汇”的作用也已得到研究的证实，对减缓全球气候变化具有良好的效应[6-7]。然而由于森林土壤有机碳同样具有高度的空间变异性。因此，在估算森林土壤碳储量时仍存在很大的不确定性，导致数据结果差异较大[8-9]。为此，国内学者对土壤有机碳储量估算中存在的不确定性进行了研究，探讨了产生这种不确定性的原因，并且比较了各种方法和标准之间的差异[9-12]。目前以实测资料为基础来估算土壤有机碳储量的研究越来越被重视[12-13]，而海南植胶区土壤有机碳储量的相关研究却鲜见报道。本研究采用实测数据，分别以固定深度法、等效质量法和纵向拟合法对海南植胶区4种不同母质分别发育而成的砖红壤土壤碳储量进行估算和比较，以期为海南橡胶林生态系统碳循环研究及土壤管理提供相应的依据。

1 材料与方法

1.1 材料

在海南选取有代表性的胶园，于4种不同母质分别发育而成的砖红壤上共挖掘土壤剖面64个。其中铁质砖红壤区土壤剖面9个，硅铝质砖红壤区23个，硅质砖红壤区22个，铁铝质砖红壤区10个。剖面采集深度均为60 cm，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分层采集。每层采集环刀样品3个，测定并计算平均土壤容重。于样地内采用直径为3 cm的土钻随机选取5点采集土壤样品，等层混合成一个样品，过2 mm筛后，室内风干，用于测定土壤有机碳含量，采用重铬酸钾-外热源法测定[14]。

1.2 方法

采用实测数据，分别以固定深度法、等效质量法和纵向拟合法对海南植胶区4种母质发育的砖红壤土壤有机碳储量进行估算。固定深度法是基于等深度的计算土壤碳储量的传统方法，即通过实测土壤有机碳含量、土层厚度以及土壤容重等计算一定深度的土壤有机碳储量，计算公式[15]为：

SOCFD=Ci×ρi×Di×0.1（1）

式中，SOCFD（SOCFixed Depth，Mg/hm2）为某一固定深度的土壤有机碳储量，i为土层代号，n为固定深度土壤剖面中土层数，Ci为第i层土壤有机碳含量（g/kg），ρi为土壤容重（g/cm3），Di为土层厚度（cm），0.1为转换系数。本研究采集的土壤高度风化，石砾含量少，忽略不计。

等效质量法[16-17]，首先用固定深度法（1）计算土壤碳储量，其次，计算固定深度下的土壤质量，公式如下：

Msoil=ρi×Di×100（2）

式中，Msoil为某一固定深度的土壤质量（Mg/hm2），100为转换系数。

再次，从每个土壤深度选取不同样点的最轻土壤质量作为参考质量，计算多余的土壤质量，公式如下：

Mex=Msoil-Mref（3）

式中，Mex为多余的土壤质量（Mg/hm2），Mref为参考质量（Mg/hm2）。

最后，计算等效质量的土壤碳储量（SOCFM），公式如下：

SOCFM=SOCFD-Mex×Csn×0.001（4）

式中，SOCFM为等效质量的土壤有机碳储量（Mg/hm2），Csn为最深层土壤的有机碳含量（g/kg），0.001为转换系数。

纵向拟合法[12]：首先根据实测数据来拟合土壤有机碳随土壤深度变化的近似函数，然后利用该函数计算不同深度土壤有机碳的平均含量，最后再结合土壤质地、厚度和土壤容重来计算土壤有机碳储量（SOCVF，Mg/hm2）。

1.3 统计分析

方差和相关性分析采用SPSS 11.5（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行。不同土壤类型区有机碳储量平均值的比较采用最小显著差异法（Least-significant difference，LSD），差异的显著性均为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 固定深度法

采用固定深度法计算的海南植胶区土壤有机碳储量见表1。海南植胶区4种不同母质分别发育而成的砖红壤土壤有机碳储量在土壤剖面中均呈现随着土壤深度的增加而减少的趋势。在0～20 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于24.19～30.86 Mg/hm2，不同母质差异不显著；在20～40 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于14.70～21.19 Mg/hm2，铁铝质砖红壤有机碳储量显著高于铁质砖红壤（p<0.05）；在40～60 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于9.83～14.11 Mg/hm2，仍以铁铝质砖红壤最高，铁质砖红壤最低。从整个土壤剖面来看，4种砖红壤0～60 cm土层有机碳储量介于48.71～66.15 Mg/hm2，平均为57.97 Mg/hm2，以铁铝质砖红壤最高，而铁质砖红壤最低。

2.2 等效质量法

以等效质量法计算的海南植胶区土壤有机碳储量见表2。在0～20 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于22.74～25.87 Mg/hm2，不同母质之间差异不显著；在20～40 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于12.64～16.36 Mg/hm2，同样不存在显著性差异；在40～60 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于7.14～11.25 Mg/hm2，其中硅铝质砖红壤显著高于铁质砖红壤和硅质砖红壤（p<0.05）。从整个土壤剖面来看，4种砖红壤0～60 cm土层有机碳储量介于43.99～51.46 Mg/hm2，平均为47.98 Mg/hm2，不同母质发育的砖红壤土壤有机碳储量之间不存在显著性差异。

2.3 纵向拟合法

海南植胶区4种母质发育的砖红壤土壤有机碳含量在土壤剖面中具有明显的垂直分布性，随着土层深度的增加，有机碳含量逐渐降低（图1）。相关性分析发现，4种母质发育的砖红壤土壤有机碳含量与土层深度均呈极显著负相关关系（p<0.01），相关系数分别为-0.712**，-0.640**，-0.629**，-0.707**。可以通过纵向拟合法来拟合土壤有机碳含量随土壤深度变化的近似函数。利用实测土壤有机碳的剖面数据作散点图，分别用线性函数、对数函数、二次多项式函数、幂函数和指数函数对其进行拟合。对各种函数的拟合结果进行比较，发现对数函数的拟合结果最好，拟合的对数函数曲线方程见图1。

以拟合的对数函数方程计算4种砖红壤不同土层深度土壤的有机碳含量，由此计算对应的土壤有机碳储量（表3）。在0～20 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于25.02～31.47 Mg/hm2，铁铝质砖红壤有机碳储量显著高于其他类型土壤（p<0.05）；在20～40 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于15.05～20.71 Mg/hm2，以铁铝质砖红壤最高，硅质砖红壤和硅铝质砖红壤居中，铁质砖红壤最低；40～60 cm土层，4种砖红壤有机碳储量介于10.17～14.71 Mg/hm2，以铁铝质砖红壤和硅铝质砖红壤最高，铁质砖红壤最低。从整个土壤剖面来看，4种砖红壤0～60 cm土层有机碳储量介于50.24～66.89 Mg/hm2，平均为59.14 Mg/hm2，以铁铝质砖红壤最高，硅质砖红壤和硅铝质砖红壤居中，铁质砖红壤最低。

3 讨论

固定深度法是基于等深度计算土壤有机碳储量的传统方法，也是目前最为常用的一种计算方法。采用固定深度法计算的海南植胶区4种不同母质分别发育而成的砖红壤0～60 cm土层有机碳储量介于48.71～66.15 Mg/hm2，平均为57.97 Mg/hm2。然而由于传统的固定深度法忽视了因土壤容重变异所引起的土壤层次质量变化，从而导致碳储量的计算结果产生一定偏差。采用等效质量法可以有效地消除这种偏差，特别是在耕作土壤上[16-17]。在森林土壤特别是有土地利用变化的森林土壤碳储量估算研究中也逐渐认识到这个问题的重要性，以避免因土壤容重增加而过高地估算了土壤碳储量[3，18-19]。采用等效质量法计算的海南植胶区4种母质发育的砖红壤0～60 cm土壤有机碳储量介于43.99～51.46 Mg/hm2，平均为47.98 Mg/hm2。

森林及人工林土壤有机碳的主要来源为枯枝落叶和植物根系。这种碳输入方式决定了有机碳含量既具有表聚性，在土壤剖面中又具有垂直分布性[20]。虽然受到诸如植被类型、土壤质地以及容重异质性等因素的影响，森林及人工林土壤有机碳储量在土壤剖面中同样具有明显的垂直分布性，即随着土壤深度的增加，有机碳储量逐渐降低[20-21]。本研究结果表明，海南植胶区4种母质发育的砖红壤有机碳储量在土壤剖面中均呈现随着土壤深度的增加而减少的趋势，这与前人研究结果基本一致。然而这种垂直变化特征也说明了可以应用纵向拟合法来计算土壤有机碳储量[12]。本研究利用实测数据拟合了海南植胶区4种母质发育的砖红壤土壤有机碳含量随土壤深度变化的对数函数，并计算了土壤有机碳储量，结果表明，4种母质发育的砖红壤0～60 cm土层有机碳储量介于50.24～66.89 Mg/hm2，平均为59.14 Mg/hm2。从3种方法的计算结果来看，纵向拟合法的计算结果与固定深度法接近，且均大于等效质量法。

杨怀等[20]的研究结果表明，海南尖峰林、霸王岭、五指山、吊罗山和鹦哥岭等5个热带原始森林0～100 cm土层有机碳储量大约为147.30～169.10 Mg/hm2。郭晓伟等[21]的研究表明，海南尖峰岭0～60 cm土层有机碳储量约为79.15 Mg/hm2。张晓琳等[22]的研究表明，海南吊罗山原始森林0～50 cm土层有机碳储量为98.80 Mg/hm2。李江[23]的研究表明，中国热带季雨林0～60 cm土层有机碳储量为101.00 Mg/hm2。本研究中3种有机碳储量的计算结果均表明，海南植胶区土壤有机碳储量已远远低于同气候带原始森林土壤有机碳储量。海南植胶区大多由原始森林和次生雨林开垦而来，这种结果反映了森林被砍伐后以及植胶过程中橡胶林生态系统碳输入和输出平衡的变化，具体表现为：（1）砍伐森林后碳的直接损失（即森林砍伐后，在植胶过程中扰动了土壤，加重了表层土壤的流失，加速了土壤碳分解[24]），可能导致植胶初期土壤有机碳储量严重下降；（2）植胶生产中，系统中碳输入变少，而输出增加，与热带森林相比，橡胶林生态系统拥有更低的净初级生产力和地上部分生物量[25]，同时生产中收获胶乳和收集薪柴也会使得系统中的碳输入量减少。另外，诸如水土流失、施肥不足、胶园更新等因素都可能加速橡胶林土壤有机碳的损失。然而值得注意的是，由于土壤有机碳具有高度的时空变异性，海南植胶区土壤有机碳储量的估算仍需要多点、定位和长期监测研究。

4 结论

海南植胶区土壤有机碳储量在土壤剖面中具有明显的垂直分布性，即随着土壤深度的增加，有机碳储量逐渐降低。以固定深度法、等效质量法和纵向拟合法对海南植胶区土壤有机碳储量进行估算，海南植胶区4种不同母质分别发育而成的砖红壤0～60 cm土层有机碳储量平均为47.98～59.14 Mg/hm2，远低于同气候带原始森林土壤有机碳储量。

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