一种森林土壤碳储量的研究方法与流程

本发明属于森林土壤碳储量研究领域，具体涉及一种森林土壤碳储量的研究方法。

背景技术：

近年来,碳储量问题日益成为全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题。土壤是陆地生态系统的核心，土壤碳循环和碳蓄积研究是当前陆地生态系统碳循环以及全球变化研究的热点内容之一。土壤碳库储量反映土壤系统的固碳能力,确定土壤碳库的储量、空间分布,是研究陆地生态系统碳循环的基础,是研究土壤与大气间温室气体通量、碳循环收支平衡计算的重要手段,是建立土壤碳库清单、评估其历史亏缺或盈余、预测土壤碳固定潜力的一项基础工作。森林生态系统作为陆地生物圈的主体,在碳循环中起着重要的作用，不仅本身维持着大量的碳库(约占全球植被碳库的86％以上),同时也维持着巨大的土壤碳库(约占全球土壤碳库的73％)(poetwm等)，其碳库的变化被认为是导致大气碳库和全球气候变化的主要原因,其表现出巨大的碳汇源效应。

海南省是我国唯一全部地处热带的省份，包括热带雨林、季雨林等在内的热带森林生态系统以其丰富的物种多样性、复杂的群落结构和极高的生产力，成为我国森林生态系统中最关键、最核心的组成部分。近年来，陆续开展了有关森林生态系统碳平衡的研究，如周卫卫等开展了海南琼中3种森林枯落物的现存量及持水特性研究，向仰州等海南桉树人工林生态系统生物量和碳储量时空格局，林晓东等海南人工林、人工草地土壤易氧化有机碳和轻组碳含量初探等。这些不同区域不同林型凋落物和碳储量的测定为我省评价相应林型土壤生态系统碳汇/碳源能力提供基础数据。但缺乏对海南岛滨海台地不同类型森林土壤碳储量的研究。通过对森林土壤有机碳组分的认识，以及各组分及其相互间动态变化研究，探讨不同类型森林土壤有机碳库的时空动态，为准确评估我省滨海台地森林土壤的碳吸收量和吸收潜力、预测和维护人工林生态系统长期生产力、指导人工林的可持续经营和改造提供参考，同时为研究海南滨海台地生态系统碳循环乃至全球碳平衡奠定基础。

技术实现要素：

本发明的目的是：通过样地实测获得精准数据以分析其分布规律及与环境变量间的关系,将有助于探讨滨海台地人工林土壤的生态功能,并对滨海台地林地的可持续经营和林地生产力的恢复具有重要意义。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：一种森林土壤碳储量的研究方法，包括以下步骤：

s1.采用路线调查和野外样方调查方法对多个区域滨海台地进行调查，选择出具有代表性的区域的不同森林类型为调查对象建立样地；

s2.对所述样地内或外延挖掘土壤剖面采集土壤样品，对森林土壤物理性质、化学性质和生物学性状进行分析和测定，获得滨海台地不同森林类型土壤肥力现状与趋势；

s3.研究土壤各层次枯落物现存碳特征、根系生物量存量碳特征和微生物形态碳，进而获得滨海台地各种森林类型土壤碳密度现状与格局；

s4.通过研究滨海台地主要森林类型土壤碳的分布状态和存量特征，得出每一种森林类型土壤碳的变异幅度；通过年度定点定时的观测，获得各种成分碳年度转换特点，得出森林碳的积累特征；

s5.对区域主要的森林类型土壤碳储量进行估算研究。

进一步的，步骤s1中，以椰子林、木麻黄林、相思林、桉树林和乡村次生林5种森林类型为调查对象并建立样地，采用水泥界桩或pvc管对每个样地做标记，通过手持gps定位设备记录样地坐标信息,然后对样地内的植物进行调查。

进一步的，步骤s2具体包括：

s21.对多种森林类型不同土层深度的土壤容重进行了测定和分析；

s22.对多种类型森林土壤进行取样分析，测定了土壤剖面中有机碳含量；

s23.对多种类型森林的土壤肥力进行分析；

s24.对滨海台地森林土壤有机碳与土壤因子的关系进行分析。

进一步的，步骤s3具体包括：

s31.对森林0-40cm根系碳含量、根系碳密度和根系碳储量进行比较分析；

s32.对森林枯落物碳含量、枯落物碳密度和枯落物碳储量进行比较分析。

进一步的，步骤s21中，在进行所述剖面土壤容重分析时，应对各个森林类型的各个土层深度的土壤容重进行测定和分析，得到土壤容重随土壤深度的变化趋势。

进一步的，步骤s22中，在进行所述剖面土壤有机碳分布分析时，应对各个森林类型各土层深度的有机碳含量进行统计分析,得出各个森林类型、各土壤深度土层中土壤有机碳含量在统计上差异的显著性。

进一步的，步骤s23中，应对不同类型森林土壤有机碳含量和对应的土壤全氮、土壤全磷、土壤速效钾和土壤铵态氮含量进行相关性分析。

附图说明

图1为本发明的研究流程图；

图2(a)-(e)分别为海南滨海台地森林木麻黄、次生林、椰树、桉树和相思的土壤容重示意图；

图3(a)-(d)分别为海南滨海台地森林土壤有机碳与土壤全氮、全磷、速效钾、铵态氮的相关性分析图；

图4(a)-(f)分别为海南滨海台地5种森林类型的根系碳含量、根系碳密度、根系碳储量、枯落物碳含量、枯落物碳密度、枯落物碳储量的比较图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明技术方案进一步说明。

本实施例的森林土壤碳储量的研究方法，包括以下步骤：

s1.开展不同森林类型植被调查

采用路线调查和野外样方调查方法对12个市县滨海台地进行调查，最终在12个市县滨海台地中选择出具有代表性的4个市县(文昌、临高乐东、万宁)海南岛滨海台地不同森林类型(主要以椰子林、木麻黄林、相思林、桉树林、乡村次生林等5种森林类型)为调查对象并建立样地，采用水泥界桩或pvc管对每个样地做标记。通过手持gps记录样地坐标信息,然后对样地内的植物进行调查，以了解植被特点与土壤碳储存特征的关系。

s2.对不同类型森林土壤理化和生物学性状特征研究

对所建立的样地内或外延挖掘土壤剖面采集土壤样品，对森林土壤物理性质、化学性质(有机质、ph值、全氮磷钾钙镁、速效氮磷钾镁等)和生物学性状进行分析和测定，以揭示滨海台地不同森林类型土壤肥力现状与趋势，为森林的可持续经营提供科学依据，并阐明土壤性状与碳储存特征的关系。

s21.分析剖面土壤容重

在12个市县中选取文昌、临高、乐东、万宁4个市县滨海台地选取木麻黄、次生林、椰树、桉树和相思等5种森林类型，共挖掘100cm土壤剖面20个。其中木麻黄挖掘土壤剖面4个、次生林4个、椰树4个、桉树4个和相思4个。对不同土层深度的土壤容重进行了测定和分析，结果见图2(a)-(e)。其中，木麻黄林0-100cm土层容重介于1.34-1.39g/cm3。其表土土壤容重最大，随着土壤深度的增加，大致呈减少趋势；次生林0-100cm土层容重介于1.48-1.57g/cm3。随着土壤深度的增加，土壤容重逐渐增大；椰树林0-100cm土层容重介于1.39-1.57g/cm3。其表层土壤容重最小，随着土壤深度的增加，土壤容重逐渐增大；桉树林0-100cm土层容重介于1.36-1.43g/cm3。其土壤容重在剖面上呈现先增大后减少的趋势；相思林0-100cm土层容重介于1.31-1.37g/cm3。其土壤容重在剖面上的变化趋势与桉树林大体一致。

s22.分析剖面土壤有机碳分布

表1海南滨海台地森林土壤有机碳含量的比较/(g/kg)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

对海南5种类型森林土壤进行取样分析，测定了土壤剖面中有机碳含量(见表1)。海南5种森林土壤有机碳含量介于1.79-10.6g/kg，属于低有机碳含量土壤，且变异较大。5种森林土壤有机碳含量在土壤剖面中具有明显的垂直分布性，随着土壤深度的增加呈降低趋势。木麻黄林0-100cm土壤有机碳含量介于2.14-6.46g/kg；次生林介于3.62-10.6g/kg；椰树林介于1.79-6.13g/kg；桉树林介于3.32-8.83g/kg；相思林介于3.31-7.98g/kg。对不同森林不同土层有机碳含量进行统计分析，结果表明，5种森林0-10cm、10-20cm和60-100cm土层中土壤有机碳含量在统计上差异并不显著。5种类型森林20-40cm土层中有机碳含量差异显著(p<0.05)，其中相思林最高，桉树林、次生林和木麻黄林次之，椰树林最低。5种类型森林40-60cm土层中有机碳含量差异显著(p<0.05)，同样以相思林最高，桉树林、次生林和木麻黄林次之，椰树林最低。

s23.分析不同森林类型土壤肥力

表2海南滨海台地森林土壤ph的比较

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地森林土壤ph介于5.14-6.62之间(表2)。其中木麻黄林0-100cm土壤ph介于6.10-6.55，属于弱酸性土壤；次生林0-100cm土壤ph介于5.17-5.56，属于强酸性土壤；椰树林0-100cm土壤ph介于6.42-6.62，属于弱酸性土壤；桉树林0-100cm土壤ph介于5.41-5.93，属于酸性土壤；相思林0-100cm土壤ph介于5.14-5.20，属于强酸性土壤；就表层土壤(0-10cm)而言，5种森林土壤ph差异显著(p<0.05)。椰树林和木麻黄表层土壤ph显著高于其他3种森林。

表3海南滨海台地森林土壤全氮的比较/(g/kg)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地森林土壤全氮的比较见表3。海南滨海台地5种森林土壤全氮介于0.20-1.04g/kg之间，基本上属于低氮肥力土壤。5种森林土壤全氮含量在土壤剖面中具有明显的垂直分布性，随着土壤深度的增加呈降低趋势。其中木麻黄林0-100cm土壤全氮介于0.20-0.54g/kg，属于低氮肥力土壤；次生林0-100cm土壤全氮介于0.42-1.04g/kg，除表土层(0-10cm)外，其他土层氮肥力仍然不高；椰树林0-100cm土壤全氮介于0.23-0.55g/kg，土壤氮肥力低；桉树林0-100cm土壤全氮介于0.34-0.68g/kg，土壤氮肥力低；相思林0-100cm土壤全氮介于0.36-0.76g/kg，土壤氮肥力同样不高。5种森林表层土壤(0-10cm)全氮含量之间差异显著(p<0.05)，其中次生林表层土壤全氮显著的高于木麻黄林和椰树林。

表4海南滨海台地森林土壤全磷的比较/％

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

表5海南滨海台地森林土壤全钾的比较/％

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地5种森林土壤全磷介于0.03％-0.09％，基本上不超过0.1％(表4)。统计分析结果表明，5种森林土壤全磷含量之间差异不大。海南滨海台地5种森林土壤全钾介于0.65％-1.60％，大多介于四级和五级之间(表5)。除表层土壤(0-10cm)和深层土壤(60-100cm)外，5种森林土壤其他土层全钾含量存在显著差异(p<0.05)。基本上以次生林最高，木麻黄林最低。

表6海南滨海台地森林土壤有效磷的比较/(mg/kg)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地5种森林土壤有效磷含量介于2.33-167.76mg/kg，之间变异很大(表6)。在土壤剖面中基本上随着土壤深度的增加呈降低趋势。其中，木麻黄林0-100cm土壤有效磷介于13.28-86.40mg/kg，有效磷含量丰富；次生林0-100cm土壤有效磷介于19.71-29.78mg/kg，有效磷含量丰富；椰树林0-100cm土壤有效磷介于27.12-167.76mg/kg，有效磷含量丰富；桉树林0-100cm土壤有效磷介于2.33-4.56mg/kg，有效磷含量低；相思林0-100cm土壤有效磷介于2.58-4.96mg/kg，有效磷含量低。5种森林40-100cm土壤有效磷含量之间差异不大。而0-40cm土壤有效磷差异显著(p<0.05)，基本上以椰树林最高，桉树林和相思林最低。

表7海南滨海台地森林土壤速效钾的比较/(mg/kg)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地5种森林土壤速效钾含量介于4.85-74.49mg/kg，之间变异较大(表7)。其含量变化在土壤剖面中大致也呈现随着土壤深度的增加而减少的趋势。其中，木麻黄林0-100cm土壤速效钾介于4.85-12.45mg/kg，速效钾含量低；次生林0-100cm土壤速效钾介于27.66-39.42mg/kg，速效钾含量较低；椰树林0-100cm土壤速效钾介于23.73-74.49mg/kg，速效钾含量中等；桉树林0-100cm土壤速效钾介于9.06-19.19mg/kg，速效钾含量低；相思林0-100cm土壤速效钾介于20.41-42.07mg/kg，速效钾含量较低。5种森林不同土层土壤速效钾含量差异显著(p<0.05)，大致以椰树林和次生林最高，木麻黄和桉树林最低。

表8海南滨海台地森林土壤硝态氮的比较/(mg/kg)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地5种森林土壤硝态氮含量介于0.86-7.97mg/kg(表8)。木麻黄林0-100cm土壤硝态氮含量介于0.86-3.00mg/kg；次生林0-100cm土壤硝态氮含量介于1.64-4.69mg/kg；椰树林0-100cm土壤硝态氮含量介于1.00-5.68mg/kg；桉树林0-100cm土壤硝态氮含量介于1.18-2.54mg/kg；相思林0-100cm土壤硝态氮含量介于1.70-7.97mg/kg。大致以相思林最高，木麻黄和桉树林最低。

表9海南滨海台地森林土壤铵态氮的比较/(mg/kg)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

海南滨海台地5种森林土壤铵态氮含量介于2.43-9.89mg/kg(表9)。木麻黄林0-100cm土壤铵态氮含量介于2.43-5.38mg/kg；次生林0-100cm土壤铵态氮含量介于5.83-8.54mg/kg；椰树林0-100cm土壤铵态氮含量介于3.67-5.27mg/kg；桉树林0-100cm土壤铵态氮含量介于5.51-6.24mg/kg；相思林0-100cm土壤铵态氮含量介于5.23-9.89mg/kg。5种森林表层(0-10cm)土壤铵态氮含量无显著差异。其他土层土壤铵态氮含量大致以相思林、次生林和桉树林最高，木麻黄林最低。

s24.分析海南滨海台地森林土壤有机碳与土壤因子的关系

对5种森林土壤有机碳含量和对应的土壤全氮含量进行相关性分析(图3(a)-(d))，发现二者呈极显著正相关(r＝0.761**，p<0.01)，说明滨海台地森林土壤有机碳和土壤全氮有很好的正相关关系；对5种森林土壤有机碳含量和对应的土壤全磷含量进行相关性分析，发现二者呈极显著正相关(r＝0.360**，p<0.01)，说明滨海台地森林土壤有机碳和土壤全磷有很好的正相关关系；对5种森林土壤有机碳含量和对应的土壤速效钾含量进行相关性分析，发现二者呈极显著正相关(r＝0.329**，p<0.01)，说明滨海台地森林土壤有机碳和土壤速效钾有很好的正相关关系；对5种森林土壤有机碳含量和对应的土壤铵态氮含量进行相关性分析，发现二者呈极显著正相关(r＝0.245**，p<0.01)，说明滨海台地森林土壤有机碳和土壤铵态氮含量有很好的正相关关系。

s3.研究枯落物现存碳特征及根系生物量存量碳特征和微生物形态碳

通过研究土壤各层次各种形态碳成分如枯落物包括根系、土壤有机碳、土壤微生物碳，了解当前海南岛滨海台地各种森林类型土壤碳密度现状与格局，为进一步的土壤碳储量估算提供依据。

对海南滨海台地森林0-40cm根系碳含量(图4a)、根系碳密度(图4b)和根系碳储量(图4c)进行了比较分析。结果表明，5种森林根系碳含量介于442.12-486.57g/kg之间，其中以木麻黄根系碳含量最高，次生林最低(p<0.05)。5种森林根系碳密度介于0.03-0.05kg/m2，之间差异不显著。5种森林根系碳储量介于0.29-0.47t/hm2，之间同样差异不显著。

对海南滨海台地森林枯落物碳含量(图4d)、枯落物碳密度(图4e)和枯落物碳储量(图4f)进行了比较分析。结果表明，5种森林枯落物碳含量介于384.13-477.55g/kg之间，其中次生林枯落物显著低于其他森林(p<0.05)。5种森林枯落物碳密度介于0.05-0.33kg/m2，以木麻黄和桉树林最高，而椰树林最低。5种森林枯落物碳储量介于0.53-3.26t/hm2，同样以以木麻黄和桉树林最高，而椰树林最低。

s4.对不同森林类型土壤有机碳密度及碳积累特征研究

通过研究阐明海南岛滨海台地主要森林类型土壤碳的分布状态和存量特征，得出每一种森林类型土壤碳的变异幅度。通过年度定点定时的观测，获得各种成分碳年度转换特点，得出森林碳的积累特征，为大面积估算土壤碳提供科学依据。

表10海南滨海台地森林土壤有机碳密度的比较/(kg/m²)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

对海南滨海台地5种森林土壤有机碳密度进行了比较，见表10。从剖面土壤碳密度来看，5种森林表层(0-10cm)土壤有机碳密度介于0.79-1.47kg/m²，以次生林最高，桉树林、相思林和椰树林居中，而木麻黄林最低。其他土层碳密度不同森林之间不存在显著差异。5种森林0-100cm土壤有机碳密度介于3.57-6.00kg/m²，之间差异不显著，且变异较大。研究表明(杨怀等，2016)，海南尖峰岭、霸王岭等5个主要热带原始森林0-100cm土壤有机碳密度大概为14.98-18.46kg/m²。由此可见，滨海台地5种森林土壤有机碳密度远远低于该区原始森林土壤碳密度。

s5.对主要森林类型土壤碳储量进行估算研究

森林土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡,土壤有机碳库研究对准确估算土壤碳蓄积,反映土壤肥力,对生物生长和估算海南岛森林固碳能力有着非常重要的现实意义。

表11海南滨海台地森林土壤有机碳储量的比较/t/hm²)

注：同行数据后面不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

对海南滨海台地5种森林土壤有机碳储量进行了比较，见表11。从剖面土壤碳储量来看，5种森林表层(0-10cm)土壤有机碳储量介于7.9-14.67t/hm²，以次生林最高，桉树林、相思林和椰树林居中，而木麻黄林最低(p<0.05)。其他土层碳储量不同森林之间不存在显著差异。5种森林0-100cm土壤有机碳储量介于35.68-60.01kg/m²，之间差异不显著，且变异较大。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。