土壤是陆地生态系统的最大碳库，其中，森林土壤碳贮量约占全球土壤碳贮量的39%(Luan et al., 2011)，且森林土壤有机碳储量的变化影响着森林生态系统碳循环过程(徐小锋等，2007; Lal，2004; Tang et al., 2013).植物通过光合作用固定的大气中碳素有一部分贮存于土壤中，这对缓解全球气候变化过程发挥着重要作用(Vesterdal et al., 2012; Chen et al., 2013).研究发现，土壤有机碳(SOC)主要分布于1 m深范围，以表层含量最大(Jobbágy et al., 2000).由于受土地利用方式与环境因素的综合影响，土壤有机碳密度存在一定的差异性(Schulp et al., 2008，Vesterdal et al., 2008; 林培松等，2009).因此，估算土壤有机碳密度，探寻出土壤有机碳密度的影响因子，已成为全球生态系统碳循环研究的热点问题.

南长山岛地处庙岛群岛南端，渤海海峡的南部，是我国北方最具代表性的海岛之一(《中国海岛志》编纂委员会，2013).南长山岛生态系统兼具海、陆双重特性(石洪华等，2009)，林木立地条件差，土壤贫瘠，时常受到大风、寒潮、海岸侵蚀等自然灾害影响(韩广轩等，2009; Donato et al., 2012)，局部地区受人为干扰较大，特殊的环境使南长山岛森林土壤有机碳密度与其他陆域地区存在较大差异.近年来，国内外众多学者对森林生态系统土壤有机碳及其影响因子进行了大量研究，这些研究多集中于陆域森林土壤(武小钢等，2011; Wang et al., 2010; Wiesmeier et al., 2013; Waldchen et al., 2013).针对海岛森林土壤有机碳储量的研究已有一定基础，但有关立地条件、土壤质地及其理化性质对海岛森林土壤碳储量影响的认识还不足，不利于海岛森林碳储量的准确估算.

在自然条件下，气候、植被类型、土壤母质、质地及其理化性质是影响土壤有机碳分布的主要因素(Chen et al., 2013; 王淑平等，2003; Harrison-Kirk et al., 2013).土壤机械组成与土壤养分密切相关(Harrison-Kirk et al., 2013; Haile et al., 2010)，对植被的生长、发育具有重要作用，进而影响土壤有机碳密度.因此，本研究以南长山岛黑松林(P. Thunbergii)、刺槐林(R. Pseudoacacia)、侧柏林(P. Orientalis)、针阔混交林4种森林类型为主要对象，研究分析表层土有机碳密度及其分布特征，探讨不同植被类型和环境因子的影响，旨在为庙岛群岛森林生态系统固碳能力评估提供基础数据.

南长山岛(37°53′~37°57′ N，120°43′~120°46′ E)位于渤海海峡南部海域，面积约13.21 km²，海岸线长21.60 km，为庙岛群岛第一大岛，是渤海、黄海的分界线.该地属东亚季风型气候，年均气温12.0 ℃，1月平均气温最低，约为-1.6 ℃，8月平均气温最高，约为24.5 ℃.年均降水量537.1 mm，多集中在6—9月，年均日照时数2612 h.南长山岛地貌类型为低丘陵，岩石类型为石英岩和板岩(《中国海岛志》编纂委员会，2013).土壤主要有棕壤和褐土.棕壤主要分布在低丘陵和基岩斜坡上，土层厚度约30 cm，质地粗，多砂砾，蓄水能力差，养分含量少.褐土主要分布在黄土台地及黄土坡，成土母质为黄土状堆积物，主要为耕地.植被以暖温带种属为主，多为人工栽培，林木覆盖率约44.8%，黑松林、刺槐林、侧柏林及针阔混交林是主要森林类型.

根据南长山岛植被分布特征，依据代表性和可达性原则，于2012年7月设置18个调查样地，样地设置一般为20 m×20 m；由于立地条件、地形限制，个别样方(样地4、5、7、17)为10 m×10 m(图 1).各样方基本生境特征见表 1.分别调查统计森林立地条件及各样方内乔木、灌木、草本植物各生长指标.

图 1(Fig. 1)

图 1 南长山岛调查样方分布(样地15和18、1和14为相邻较近的不同样方，因生境不同，分别设置了调查样方) Fig. 1 Locations of the sampling plots on the Nanchangshan Island

表1(Table 1)

表1 样地基本概况 Table 1 Description of sampling plots in the Nanchangshan Island

表1 样地基本概况 Table 1 Description of sampling plots in the Nanchangshan Island 植被类型 (土地利用方式) 样地号 海 拔/ m 坡度/ (°) 坡 向 黑松 1 53 25.6 NE   2 68 13.2 SE   3 86 24.0 SW   4 142 8.0 SE   5 62 46.0 SW   6 94 53.0 NE   7 96 65.0 SW   8 46 29.0 SE 刺槐 9 48 24.1 E   10 69 45.0 SE   11 46 3.0 SW   12 56 11.0 SW 侧柏 13 56 18.0 SW 针阔混交林 14 52 7.3 NW   15 59 11.0 NW 水库沿岸草地 16 20 16.0 NW 果园 17 26 8.0 NW 农田 18 51 3.0 S

在每个样地分别选取3个取样点，多点表层土(0~30 cm)均匀混合获得样方土样，带回实验室后自然风干，除去草根、大石砾等杂质，过2 mm 钢筛，磨细待测.同时，用环刀(100 cm³)取样后在105 ℃烘至恒重，称量并计算土壤含水率和土壤容重.

土壤理化性质按中国土壤学会编写的《土壤农业化学分析方法》进行测定(鲁如坤，2000).土壤质地和土壤比表面积采用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000，Malvern Instruments Co.，UK)测定；土壤有机碳含量采用灼烧法测定(Wiesmeier et al., 2013).土壤有机碳密度(SOC_i，kg · m^-2)是评价和衡量土壤有机碳储量的一个重要指标，指单位面积上一定深度土层中的土壤有机碳储量，计算公式如下(杜有新等，2011)：

所有数据均采用SPSS18. 0统计软件进行统计分析.不同土地利用方式土壤有机碳密度间的差异性比较采用单因素方差分析(One-Way ANOVA).对土壤理化性质进行正态分布检验，以确定相关分析方法的选择.正态分布检验结果表明，土壤理化性质满足正态性(p>0.05).因此，土壤理化性质与土壤有机碳密度间的相关性分析采用Pearson相关分析.图形运用Origin Pro8. 0软件制作.

由图 2可知，南长山岛不同土地利用方式土壤有机碳密度差异显著(p<0.01)，呈现为：森林>农田>水库沿岸草地>果园.4 种林分表层土有机碳密度在3.65~4.90 kg · m^-2之间，排序为：针阔混交林>刺槐>黑松>侧柏.这是植被类型-立地环境-群落结构-林下植被等多因素综合作用的结果.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同土地利用方式土壤有机碳密度 Fig. 2 Soil organic carbon density under different l and -use types in the Nanchangshan Island

南长山岛表层土壤以砂土为主，直径大于2 mm石砾含量较高(质量百分比约为30%~50%).森林土壤砂粒含量变化范围为81.79%~93.40%，粉砂粒含量变化范围为6.59%~18.01%，黏粒含量低，变化范围为0.008%~0.227%(图 3).

南长山岛森林表层土壤理化指标均存在显著差异(表 2)，这种差异是由不同树种生理特性及林下环境所引起.监测样地中森林土壤多为酸性土壤，pH值变化范围为5.28~7.65.由于森林生态系统土壤表面覆盖有凋落物，南长山岛森林表层土壤有机质变化范围为10.95~34.99 g · kg^-1，平均值为22.45 g · kg^-1，普遍高于其他类型土壤(表 2).

图 3(Fig. 3)

图 3 南长山岛森林表层土壤质地 Fig. 3 Soil texture of forest in the Nanchangshan Island

表2(Table 2)

表2 南长山岛土壤理化性质 Table 2 Physical-chemical properties of soil in the Nanchangshan Island

表2 南长山岛土壤理化性质 Table 2 Physical-chemical properties of soil in the Nanchangshan Island 样地号 pH 含盐量 TP/ (g·kg-1) TK/ (g·kg-1) TN/ (g·kg-1) 有机质 / (g·kg-1) C/N 1 5.36 0.08% 0.18 1.80 1.37 21.94 9.29 2 6.96 0.09% 0.23 2.18 1.49 19.75 7.68 3 5.61 0.11% 0.25 2.11 1.28 20.14 9.10 4 5.74 0.12% 0.32 1.82 1.45 24.81 9.90 5 5.30 0.13% 0.29 2.58 1.83 34.99 11.07 6 7.65 0.11% 0.43 2.55 0.55 10.95 11.51 7 5.28 0.05% 0.17 1.55 0.76 12.68 9.67 8 5.86 0.05% 0.22 1.95 1.75 33.28 11.04 9 7.38 0.06% 0.46 2.86 1.08 15.42 8.31 10 6.15 0.12% 0.30 2.57 1.40 23.98 9.95 11 7.58 0.06% 0.43 2.94 1.51 21.80 8.39 12 5.35 0.07% 0.41 2.10 2.43 28.37 6.78 13 6.81 0.10% 0.41 2.67 1.32 25.42 11.17 14 6.68 0.12% 0.33 2.80 1.04 12.64 7.06 15 7.15 0.08% 0.52 2.77 1.67 30.65 10.66 16 8.33 0.12% 0.59 3.76 0.85 13.45 9.16 17 7.28 0.10% 0.32 2.85 0.34 9.08 15.45 18 6.34 0.05% 0.25 2.55 0.78 19.38 14.46

不同立地条件的差异性影响着植被的组成，进而影响森林土壤有机碳密度(杜有新等，2011;李甜甜等，2007).Pearson 相关分析结果(图 4)表明，南长山岛不同立地条件森林表层土壤有机碳密度与坡度相关性不显著(r=-0.459，p=0.085).本研究中样地海拨最大相差仅122 m，土壤有机碳密度与海拔相关性不显著.

图 4(Fig. 4)

图 4 南长山岛不同坡度森林土壤有机碳密度 Fig. 4 Soil organic carbon density under different slopes in the Nanchangshan Island

相关性分析表明，南长山岛森林表层土壤有机碳密度与土壤质地相关性不显著.对森林土壤理化性质与土壤有机碳密度进行Pearson 相关分析，结果表明(表 3)，土壤有机碳密度与全磷、全钾含量不相关；与土壤全氮(r=0.763，p<0.01)、有机质(r=0.833，p<0.01)含量均呈显著正相关，这与许多研究结果一致(李甜甜等，2007;胡启武等，2006;董洪芳等，2010; Satrio et al., 2009; González et al., 2012).

表3(Table 3)

表3 南长山岛森林土壤有机碳密度与土壤理化性质相关系数 Table 3 Correlation coefficients between SOC density and soil physical-chemical properties in the forest plots

表3 南长山岛森林土壤有机碳密度与土壤理化性质相关系数 Table 3 Correlation coefficients between SOC density and soil physical-chemical properties in the forest plots   有机碳密度 pH 含盐量 TP TK TN 有机质 注：* * p<0.01(2-tailed). pH 0.015             含盐量 -0.054 -0.094           TP 0.397 0.678** -0.011         TK 0.241 0.744** 0.183 0.753**       TN 0.763** -0.371 -0.083 0.100 -0.046     有机质 0.833** -0.361 0.040 0.053 -0.020 0.832**   C/N 0.142 0.004 0.205 0.020 -0.025 -0.222 0.317

植被凋落物归还量和土壤有机碳的积累与释放过程共同影响森林生态系统土壤有机碳库的变化(吕超群等，2004).由于森林生态系统中林下分布着灌草及凋落物，有利于土壤碳积累.农田生物量较大，定期收割，在移走地上秸秆的同时留下了根系，土壤碳积累不足.水库沿岸草地虽然生长茂密，但经常受水淹影响.果园人为干扰较多，果树修剪控制生长，使输入土壤的有机物量减少；另一方面，土壤深翻使土壤有机碳分解加快.南长山岛森林土壤较其他类型土壤有机碳密度具有一定优势(图 2).南长山岛表层土壤平均有机碳密度高于山东省聊城市耕层(20 cm)土壤有机碳密度(0.56~2.27 kg · m^-2)(张金萍等，2007)，导致这种现象的原因可能是海岛地区良好的水热条件有利于土壤C素的积累.另一方面，受到海风等因素影响导致迎风坡土壤流失程度高于山坳地区(王晓丽等，2013)，加之人为活动的干扰，不利于土壤C的贮存，南长山岛表层土壤平均有机碳密度低于山东省平均水平(6.00 kg · m^-2)(张保华等，2008).

不同森林类型局部范围内林木根系-土壤小生境有所差别，冠层光合固定能力、光合产物分配不同，引起凋落物的产量、种类不同，因此，不同植被类型土壤有机碳密度具有一定的差异(杨万勤等，2007).南长山岛针阔混交林群落结构明显，林下灌层主要为扁担木、荆条、紫穗槐等，草本层主要为披针叶苔草、隐子草等，物种丰富，林下植被覆盖度较高，加之阔叶林叶质较易腐蚀分解，因此，具有较高的土壤有机碳密度.纯林林型相对单一，地表枯落物输入少，南长山岛纯林土壤有机碳密度低于针阔混交林，大小依次为：刺槐>黑松>侧柏(图 2).黑松、刺槐林为南长山岛优势树种，有研究表明，南长山岛黑松乔木层碳储量高于刺槐林(王晓丽等，2013)，但刺槐为豆科植物，植物体内氮素含量相对较高，植物枯枝、落叶等凋落物N素含量高，可促进微生物活动，加强凋落物的分解释放，有利于土壤碳素的积累，因此，刺槐林土壤有机碳密度高于黑松.

立地条件与森林土壤有机碳密度具有一定的相关性.坡度在一定程度上影响植被蒸腾、水分入渗及土壤流失程度等，继而影响到植被的生长与凋落物的归还量及其分解，土壤有机碳密度随之产生差异性(李甜甜等，2007).南长山岛森林为人工林，森林对土壤具有一定的水土保持能力，对降雨冲刷具有一定的缓解作用，因而南长岛森林表层土壤有机碳密度与坡度相关性不显著.有大量研究表明，降雨量、温度及海拔对土壤有机碳密度具有一定的影响(Chen et al., 2013;Wiesmeier，2013;黄从德等，2009;Kumar et al., 2013)，但本研究区内森林土壤有机碳密度与海拔相关性不显著.这是因为样地海拨最大相差仅122 m，其温度、降水等气象条件基本相似，难以成为主要影响因素.

自然条件下，土壤结构、理化性质的不同导致土壤有机碳密度具有显著差异.随着土壤深度的增加，土壤有机碳含量与气候的关系逐渐减弱，而与质地的关系逐渐增强(Jobbágy et al., 2000).而本文研究对象为表层土，这可能造成了土壤有机碳密度与土壤质地相关性不显著；最为重要的是，虽然土壤黏粒含量对有机质具有稳定作用(李甜甜等，2007; Harrison et al., 2013; Grüneberg et al., 2013)，但南长山岛各样地的土壤含石率均较高，不同样地的土壤粒径组成差异不显著，极低的土壤黏粒含量(0.01%~0.23%)对有机质的吸附固定作用不是很明显，导致二者相关性不显著.土壤过酸或过碱均会影响植被的生长发育，而土壤微生物活性对土壤酸碱度较为敏感.南长山岛森林土壤pH值变化范围为5.28~7.65，其中，pH低于5.5的监测点只有4个，土壤pH对微生物干扰较小，与森林土壤有机碳密度相关性不显著(表 3).N、P是植物生长所必需的营养元素，对土壤有机碳密度具有一定的影响.土壤中的N绝大部分以有机态形式存在，较低的矿质有效氮会降低土壤有机碳的矿化速率(Wang et al., 2005; 李顺姬等，2010)，有利于土壤有机碳的积累.

植被类型、立地条件及土壤自身条件都是影响森林土壤碳汇能力的主导因子.因此，合理协调林分结构，抚育适宜海岛地区生存的优势树种，积极营造混交林，加强海岛森林植被保护，可有效提高海岛森林土壤碳储量.

1)南长山岛不同土地利用方式的0~30 cm土层的土壤有机碳密度呈现为：森林>农田>水库沿岸草地>果园.其中，不同森林表层土壤有机碳密度在3.65~4.90 kg · m^-2之间，大小排序为：针阔混交林>刺槐>黑松>侧柏，体现出了林分类型的差异性.

2)坡度与南长山岛森林表层土壤有机碳密度相关性不显著.

3)南长山岛森林表层土壤有机碳密度与土壤质地相关性不明显，但与全氮(r=0.763，p<0.01)、有机质(r=0.833，p<0.01)含量均呈显著正相关，丰富的土壤有机质增加了土壤氮素含量并提高了有机碳储量.