海南岛土壤有机碳的时空演变特征与驱动因子解析

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中国碳达峰与碳中和战略涉及深度社会经济发展转型,以期实现低碳甚至零碳排放的增汇目标。土壤碳库是全球碳库的重要组成部分,增加土壤碳汇是实现碳中和战略目标的有效措施。目前不同区域尺度土壤有机碳的固存特征已有较多报道,但对引起土壤固碳能力变化的驱动因子解析以及不同驱动因子的相对贡献率仍了解不够,阻碍了对不同土壤类型、植被覆盖度和土地利用方式下土壤有机碳时空演变特征的准确评估。此外,全球气候变暖加剧了土壤有机碳储量变化程度,热带地区因其地理位置及气候条件的特殊性,其土壤有机碳储存和周转受环境条件和人为因素影响更为强烈。因此,本文以海南岛为研究对象,从不同时期探究了海南岛土壤有机碳的分布及剖面变化规律,采用相关性分析和随机森林回归算法解析了各驱动因子对海南岛土壤有机碳储量变化的贡献程度。同时,以海南岛芒果园生草措施下的碳周转规律作为区域有机碳调控案例,研究生草模式下芒果品质提高和土壤有机碳变化的主要机制。本研究为合理制定热带地区土地利用管理政策提供了理论依据,为实现我国碳中和的重大战略决策提供了区域数据支持。主要结果如下:(1)海南岛土壤有机碳密度整体分布特征为中部高四周低。其中,中部和东部偏高,为12.5~22.4 kg/m~2;西北部和沿海地区有机碳密度较低,为6.2~12.5 kg/m~2。有机碳密度随土层深度增加而降低。土壤有机碳总储量(0~100 cm)在1980s至2000s期间由325.75 Tg下降至289.44 Tg。海南岛表层土壤中有机碳密度减少较多,其中0~5 cm土层有机碳储量减少了5.61 Tg,5~15 cm减少了11.62 Tg。1980s至2000s期间,海南岛林地土壤有机碳储量由172.58 Tg降低至156.30 Tg,耕地(水田和旱地)有机碳总储量由76.97 Tg增加至90.93 Tg。(2)气候因子、地形因子、生物因子、成土母质、土壤理化性质、以及人为因子等与海南岛土壤有机碳储量的相关性均达到显著水平,但不同驱动因子对土壤有机碳变化的贡献率不同。1980s和2000s土壤理化性质是影响土壤有机碳储量变化的关键因子,其对海南岛土壤有机碳储量演变的相对贡献达到60%。其中,土壤铁元素含量与土壤有机碳储量具有较高的相关系数,且铁含量对土壤有机碳储量变化的影响贡献率较大,达22.26%。(3)海南岛有机碳密度整体呈现下降趋势,在目前气候条件和人为活动状况下,海南岛土壤有机碳密度和储量整体将持续下降。但不同土壤类型或不同土地利用土壤的固碳速率和固碳潜力存在差异。其中,农用地(水田、旱地和园地)土壤碳库亏损严重,且土壤有机碳储量将进一步下降;林地和草地在自然状态下,土壤有机碳密度和储量将逐渐增加。雏形土、富铁土和新成土具有较高固碳潜力,通过采取合理措施进行调控,其固碳潜力可分别增加29.59、54.54和29.28 Tg。水田、旱地、林地和园地面积相对较大,具有较高固碳潜力。通过采取合理措施,海南岛土壤的整体固碳潜力可达424.60 Tg。(4)生草种植对提升芒果园的土壤生物多样性和土壤功能与服务具有重要作用。田间试验表明,生草覆盖对芒果园土壤微生物群落有显著影响。生草覆盖条件下,0~40 cm土壤中真菌多样性变化比土壤细菌多样性变化更为敏感。生草覆盖可以有效地提高土壤真菌多样性,而对土壤细菌多样性地影响较小。土壤有机碳和总氮是影响土壤细菌群落分布最重要的因子;而土壤养分是介导土壤真菌群落结构的最重要因素。综上所述,海南岛独特的地理位置和热带气候特征使该区土壤有机碳的变化十分活跃且周转速率较快,对区域碳循环过程和气候变化产生了重要影响。本研究系统研究了海南岛土壤有机碳密度和储量的时空分布特征,同时量化了不同环境因素和人为因素对海南岛土壤有机碳演变的贡献率。结合芒果园生草措施案例,揭示了生草种植对土壤有机碳变化、微生物多样性和土壤生态服务功能的影响。本研究有助于深入理解热带地区土壤有机碳储量变化趋势及驱动因子,从而探讨减少热带地区土壤碳排放和提高土壤有机碳储量的途径,为制定热带地区土地利用管理政策提供依据。
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