巖溶峽谷區(qū)不同退耕還林地土壤有機碳庫差異分析

唐夫凱，崔明?，周金星，閆帥，丁訪軍，呂相海

(1.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京;2.貴州省林業(yè)科學研究院，550005，貴陽;3.中國國際工程咨詢公司，100048，北京)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤中的碳庫構成了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的碳庫［1］。作為大氣中CO2的源與匯，土壤對全球碳收支平衡起重要的影響作用［2］。土壤有機碳是反映土壤質量和土壤緩沖能力的重要指標，它不僅在調節(jié)土壤理化性質、改善土壤結構和提供植物生長所需養(yǎng)分等方面有重要作用，還對全球變化與溫室效應起重要的調控作用［3-4］。對于如何科學定量評價土壤有機碳庫的問題，目前學者多采用土壤碳庫管理指數(shù)［5］(carbon pool management index，ICM)來對土壤碳庫的綜合管理水平進行評價。

巖溶生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，我國巖溶區(qū)面積344 萬km2，石漠化面積12 萬km2，是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。土壤有機碳的積累構成了巖溶系統(tǒng)中最大的碳庫［6］。巖溶系統(tǒng)中碳的轉移過程受到土壤碳的支配和控制，土壤碳成為驅動和制約表層巖溶系統(tǒng)碳轉移的動力［7］。巖溶區(qū)在土地利用和管理過程中，常因干擾了土壤有機碳固存的基礎而加速了土壤碳庫的活動。為加快石漠化治理工作，巖溶地區(qū)開展了大規(guī)模的退耕還林(草)工程，土壤有機碳作為土壤結構保持、養(yǎng)分循環(huán)供應及影響土壤微環(huán)境的核心物質，對退耕還林的生態(tài)效應產生著直接影響［8］;因此，了解巖溶區(qū)土壤有機碳庫的數(shù)量、質量及其周轉變化特征對認識退耕還林生態(tài)效應及其效果評價具有重要意義。目前對巖溶區(qū)土壤有機碳儲量及其影響的研究，多集中于巖溶峰叢洼地［6，9-10］和峰林平原［11-12］，而巖溶高原峽谷區(qū)土壤有機碳的研究未見報道。筆者以花江峽谷地區(qū)耕地、退耕撂荒地及4 種不同退耕還林土壤為研究對象，通過分析土壤有機碳質量分數(shù)和碳庫管理指數(shù)的變化特征來研究生態(tài)恢復過程中土壤的固碳機制及其對土壤經營管理的響應［13-14］，以期為評價巖溶區(qū)退耕促進生態(tài)恢復效果、土壤質量提高及選擇增加土壤碳匯的生態(tài)碳庫管理技術提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省關嶺縣北盤江花江河段峽谷的北岸，海拔500 ～1 200 m，相對高差700 m，屬于典型的喀斯特高原峽谷區(qū);區(qū)內巖溶分布面積比例高達88.07%，石漠化現(xiàn)象極為嚴重，是貴州省典型的生態(tài)脆弱區(qū)。氣候類型主要為中亞熱帶季風濕潤氣候、光熱資源豐富，年均溫18 ℃左右，全年降水量823 mm，季節(jié)分配極為不均，冬春旱及伏旱嚴重。研究區(qū)內土壤以石灰?guī)r和大理巖發(fā)育的石灰土為主，表現(xiàn)為瘠薄、干旱、黏度大的特性。1997 年全區(qū)森林覆蓋面積不足5%［15］，該區(qū)屬珠江流域的上游，20 世紀90 年代開始實施“珠防工程”、退耕還林(草)工程，2003 年基本完成。經過多年的植被恢復和水土流失綜合治理，水土流失得到有效遏制，植被覆蓋率大幅提高，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

2012 年6 月，在研究區(qū)內選擇耕地(CT)、退耕撂荒地(AF)和耕地退耕后種植車桑子(Dodonaea viscosa，DV)、花椒(Zanthoxylum scandens，ZA)、椿樹(Toona sinensis，TS)及油桐(Vernicia fordii，VF)等6種不同土地利用類型，樣地的選擇考慮了營造和管理方法一致、土壤與成土類型基本相同和坡向坡位相近等因素，基本特征見表1。每種類型各設置3個大小為20 m×20 m 的標準樣地，土樣采集方法為五點取樣法，用土鉆取0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm共3 層土樣，共計91 個采樣點，273 份土樣。此外，用環(huán)刀法采集各層的原狀土用來測量土壤密度。

表1 樣地基本特征Tab.1 Description of sample plots

2.2 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

土樣采回后，手選去除土壤中的根系等雜物，土樣經自然風干、磨細過100 目土壤篩。土壤總有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，活性化有機碳的測定采用高錳酸鉀氧化-稀釋熱法［16］。

土壤有機碳密度是指單位面積一定厚度的土層中有機碳的質量，是評價和衡量土壤有機碳儲量的重要指標［17］。某一土層i 的土壤有機碳密度計算公式［18-19］為

式中:DSOC為土壤有機碳密度，kg/m2;Ci為土壤有機碳質量分數(shù)，g/kg;Bi為土壤密度，g/cm3;Hi為土壤深度，m;Gi為第i 層＞2 mm 礫石體積分數(shù)，%。

碳庫管理指數(shù)ICM是表征土壤碳庫變化的指標，能系統(tǒng)和敏感地監(jiān)測土壤有機碳的變化，較為全面和動態(tài)地反映外界條件變化對土壤碳庫的影響［20］。計算時以耕地土壤作為參考土壤，具體方法［21］為:

式中:ICM為碳庫管理指數(shù);ICP為碳庫指數(shù);IA為碳庫活度指數(shù);A 為碳庫活度;x1為樣品全碳質量分數(shù)，g/kg;x2為參考土壤全碳質量分數(shù)，g/kg;x 為樣品碳庫活度;x4為參考土壤碳庫活度;x5為活性有機碳質量分數(shù)，g/kg;x6為非活性有機碳質量分數(shù)，g/kg。

土壤活性有機碳比率RL/T為活性有機碳與總有機碳含量的比值，用來指示土壤有機碳活性強度。

用Excel 軟件進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作，方差分析采用SPSS18.0 統(tǒng)計軟件進行。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳質量分數(shù)

3.1.1 表層土壤有機碳質量分數(shù) 不同退耕還林地表層有機碳質量分數(shù)差異顯著，椿樹林有機碳質量分數(shù)最高(34.07 g/kg)，分別是撂荒地、車桑子地和花椒地的1.40、1.35 和2.05 倍，是耕地的2.62倍。研究區(qū)6 種土地利用方式表層有機碳平均質量分數(shù)為23.97 g/kg，變異系數(shù)為34.00%，屬于中等程度變異(表2)?；ń?、椿樹和油桐樣地有機碳質量分數(shù)屬于弱變異，其他3 類樣地變異程度稍高，且以車桑子地變異程度最高(27.68%)。

表層土壤活性有機碳質量分數(shù)表現(xiàn)為椿樹林＞油桐林＞撂荒地＞車桑子地＞花椒地＞耕地。除花椒地外，其他5 種退耕還林地均與耕地達到顯著差異水平(P ＜0.05)，椿樹林和油桐林、車桑子地和撂荒地、耕地和花椒地組內差異不顯著(P ＞0.05)，組間差異顯著(P ＜0.05)。

表2 不同退耕還林地表層土壤有機碳、活性有機碳質量分數(shù)和土壤活性有機碳比率Tab.2 TOC，LOC and LOC/TOC ratio of different forestlands returned from farmlands in 0-20 cm layer

3.1.2 土壤剖面有機碳分布特征 土壤剖面有機碳質量分數(shù)的變化主要取決于地表植被狀況、有機物輸入量、輸入方式以及土壤淋溶狀況等因素［22］。土壤有機碳的含量隨土壤深度的增加而降低，表層土壤中總有機碳占總剖面的37.15%～45.75%，平均為40.74%，表現(xiàn)出較為明顯的表聚性(圖1(a))。

退耕還林對土壤各層活性有機碳質量分數(shù)的影響也較為明顯。各樣地0 ～20 cm 層活性有機碳含量最高，并隨土層深度的增加而逐漸降低，但不同林型降低的幅度不同(圖1(b))，所有樣地0 ～20 cm土層與20 ～40 cm 土層之間的變化最為明顯(P ＞0.05)，除車桑子地外，其他樣地40 ～60 cm 土層與20 ～40 cm 土層之間的變化不顯著(P ＜0.05)。

圖1 不同退耕還林地土壤總有機碳和活性有機碳質量分數(shù)Fig.1 Contents of total organic carbon and liable organic carbon of different farmlands returned from forests

3.1.3 土壤活性有機碳比率 活性有機碳表征土壤質量和有機質的變化比總有機碳更敏感［23-24］。土壤活性有機碳比率RL/T可以指示有機碳活性強度，其值越大說明碳活度越高，表示有機碳越易被微生物分解，有機碳礦化潛力則越大，土壤質量也越高［25-26］。由于活性有機碳質量分數(shù)常與總有機碳質量分數(shù)存在顯著(P ＜0.01)正線性相關性(本研究LOC 解釋TOC 變化的能力R2為93.2%)，采用活性有機碳比率RL/T可以消除總有機碳質量分數(shù)差異對活性有機碳的影響，比土壤活性有機碳的絕對質量分數(shù)更能反映土壤有機碳的質量及土壤碳庫狀況。

本研究中5 種退耕還林地RL/T值范圍為42.74%～56.32%(表2 和表3)。0 ～20 cm 土層RL/T大小表現(xiàn)為撂荒地＞油桐林＞車桑子地＞耕地＞椿樹林＞花椒地，在剖面內除花椒和車桑子地外，各樣地RL/T均隨土層深度的增加而降低。總體上花椒地土壤質量表現(xiàn)較差，椿樹和油桐林地土壤質量較好，并且到達顯著性水平(P ＜0.05)。查閱文獻發(fā)現(xiàn)，閩江河口濕地5 類利用方式下的RL/T值為8%～20%［20］，云南元謀干熱河谷6 類土地利用方式RL/T值介于31.3%～44.4%之間［27］，本研究RL/T的值介于42.74%～56.32%之間，比他人研究結果明顯偏高，這可能與花江干熱河谷脆弱的生態(tài)環(huán)境和獨特的小氣候條件有關，研究區(qū)雨季降雨集中、溫度高，促進了有機碳的礦化過程，其具體影響機制和過程尚待揭示。

3.2 土壤有機碳庫密度

3.2.1 土壤總有機碳庫密度 各退耕還林地0 ～20 cm 土層內有機碳密度為3.05 ～7.60 kg/m2，均值為5.53 kg/m2;0 ～60 cm 土層內有機碳密度為8.54 ～19.62 kg/m2，均值為14.11 kg/m2，這與其他學者［28］在峰林平原區(qū)的所測值基本一致。在各研究土層中，有機碳密度均表現(xiàn)為椿樹林地最大，油桐林地次之，耕地最小。土壤剖面中有機碳密度表現(xiàn)為椿樹林(19.62 kg/m2)＞油桐林(18.85 kg/m2)＞撂荒地(14.27 kg/m2)＞車桑子地(13.30 kg/m2)＞花椒地(10.10 kg/m2)＞耕地(8.54 kg/m2)。

不同退耕還林地與耕地相比均顯著增加了土壤各層有機碳密度，且不同林地間有機碳密度距表土層越近差異越大(圖2(a))。與耕地相比，各退耕地0 ～20 cm 表土層有機碳密度平均增幅97.46%，明顯高于20 ～60 cm 層有機碳密度的平均增幅(67.41%)，且以椿樹和油桐喬木林地有機碳密度增幅最為明顯。

圖2 不同退耕還林地土壤總有機碳密度和活性有機碳密度Fig.2 Total organic carbon density and liable organic carbon density of different farmlands returned from forests

3.2.2 土壤活性有機碳密度 土壤活性有機碳密度與土壤總有機碳庫密度的大小具有一致性，在60 cm 深土層內活性有機碳密度大小依次為椿樹林＞油桐林＞撂荒地＞車桑子地＞花椒地＞耕地(圖2(b))。各退耕還林地顯著增加了土壤活性有機碳的密度，其增加幅度隨土層的加深而減緩，其中以椿樹林平均增幅最大(127.49%)，油桐林次之(123.93%)，花椒地增幅最小(7.08%)，撂荒地和車桑子地居中。

土壤有機碳密度的大小主要取決于土壤有機碳質量分數(shù)和土壤密度2 個參數(shù)。在60 cm 深的研究土層中，所有退耕還林地有機碳的分布比例均隨土層厚度的增加而降低，這與各層土壤有機碳質量分數(shù)表現(xiàn)出一致的趨勢。不同土地利用類型0 ～20 cm 土層土壤有機碳的密度占整個土壤剖面的35.68%～46.45%，平均為39.30%，表現(xiàn)出很大程度的表聚性。這說明在巖溶高原峽谷區(qū)，表層土壤的有機碳儲量在整個土壤的碳庫儲量中占有很大的比例。這是由于表土層是植物覆被生長和活動最活躍的區(qū)段，而且表土層也是人類活動最強烈的地方;因此，表層土壤中有機碳的儲量大小以及動態(tài)變化對整個土壤有機碳庫的研究具有舉足輕重的意義。

3.3 土壤碳庫管理指數(shù)

表3 為評價不同退耕還林地土壤碳庫管理水平的主要指標，碳庫活度反映了土壤碳素的活躍程度，活度越大則表示土壤質量越高;碳庫管理指數(shù)則揭示了碳庫管理水平的高低。0 ～20 cm 土層中花椒地碳庫活度最低，撂荒地最高;20 ～40 cm 土層內車桑子地碳庫活度最高，其他樣地差異不明顯;40 ～60 cm 土層內所有樣地碳庫活度均無顯著性差異(P ＞0.05)。

不同土地利用方式之間土壤碳庫管理指數(shù)差異顯著。其中，油桐林地ICM為2.10 ～2.93，其碳庫管理水平最優(yōu)。在0 ～40 cm 土層內，除花椒地外，其他4 種退耕地ICM均大于1，且大小順序依次為油桐林＞椿樹林＞車桑子地＞撂荒地＞耕地＞花椒地;就土層厚度而言，總體上表現(xiàn)為隨土層厚度的增加碳庫管理指數(shù)減小，這與土壤有機碳在土壤中的分布規(guī)律一致。這說明除花椒地外，其余幾種退耕類型對土壤的經營管理是科學的，有利于區(qū)域生態(tài)恢復和土壤質量的提高。

表3 不同退耕還林地地土壤碳庫管理指數(shù)Tab.3 Carbon management index of different farmlands returned from forests

4 結論與討論

1)退耕還林地顯著提高了0 ～60 cm 土壤有機碳質量分數(shù)和有機碳密度，表現(xiàn)了退耕提升土壤碳庫及其質量的效應和潛力。不同退耕還林方式對土壤有機碳庫的影響差異較大，椿樹和油桐喬木林地比車桑子、花椒灌叢地和撂荒地更顯著增加了土壤各層有機碳的質量分數(shù)及密度。不同退耕還林地的植被覆蓋狀況、還林林種及其生長的差異性使輸入土壤有機碳源的類型和多寡存在差異，導致土壤有機碳質量分數(shù)必然產生差異［29］。耕地和花椒地土壤有機碳密度偏低是因為樣地石漠化程度較高，受人為干擾影響大，地表植被覆蓋率極低，水土流失相對嚴重，有機質等土壤營養(yǎng)物質流失嚴重。撂荒地和車桑子地由于植被覆蓋好，土壤改良作用較強，但是由于地表有一定的起伏，這些微地形上的差異導致了土壤有機碳積累條件的差異，有的地方可能因微地形的凹陷而積累有機碳，而有的地方可能又因為微地形的隆起而使有機碳沖刷。椿樹林地土壤有機碳質量分數(shù)最高，這主要受植被凋落物的影響，大量的凋落物增加了土壤有機物的輸入量，而且會改變地表的性狀(溫度和濕度等)，進而影響土壤有機質的分解與轉化。

2)各退耕還林地土壤有機碳的質量分數(shù)和密度均隨土層深度的增加而降低，表現(xiàn)出明顯的表聚性特征。0 ～20 cm 層土壤有機碳質量分數(shù)最大，介于13.00 ～34.07 g/kg 之間，分別是剖面均值的1.24 ～1.47 倍，并隨土壤深度增加而逐漸降低;0 ～20 cm 層土壤有機碳密度在3.05 ～7.60 kg/m2之間，分別占整個土壤剖面的35.68%～46.45%，亦顯著高于其他各層。與耕地相比，各退耕還林地對土壤剖面有機碳質量分數(shù)的增加以0 ～40 cm 土層最為明顯。這既與不同退耕類型的植被組成、蓋度，枯落物量及枯落物分解的差異有關，也可能與退耕年限有關，退耕時間短未對深層土壤有機碳產生顯著影響。此外，巖溶地區(qū)土壤厚度較小，土壤與底層的“土壤—巖石”界面處土壤淋溶作用強度大也會影響土壤剖面特別是底層土壤有機碳質量分數(shù)的變化。

3)本研究6 種不同土地利用方式中以椿樹和油桐林地碳庫管理水平最優(yōu)，耕地和花椒地碳庫管理水平最差。碳庫管理指數(shù)不僅能監(jiān)測和反映外界條件對土壤碳庫的影響，還能揭示土壤經營和管理的科學性。碳庫管理指數(shù)升高，表明經營方式對土壤有培肥作用，土壤性能向良性發(fā)展;其值降低則表明土地經營措施不科學［14］。本研究中椿樹和油桐人工林ICM最大，封育的車桑子地和自然恢復的撂荒地ICM次之，碳庫處于良性狀況，其管理措施有助于土壤碳庫的增加;耕地和花椒地由于受人為擾動最為嚴重，ICM最小，說明其碳庫管理不科學，管理方式不利于土壤碳庫水平的提高。因此，對于本研究區(qū)土壤有機碳庫的管理可以得到如下啟示:①土壤碳庫管理水平的高低與地表植被密切相關，在石漠化的治理過程中，要特別注重增加地表植被覆蓋;②耕地和花椒地面積在研究區(qū)中占到1/2 以上，對該區(qū)土壤總有機碳庫儲量貢獻最大，而二者受人為干擾嚴重，碳庫管理水平偏低，在以后的石漠化生態(tài)治理過程中要重視耕地和花椒地的利用和保護。

4)活性有機碳在土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應有最直接作用，G.J.Blair 等［21］的研究表明土壤碳庫的變化主要發(fā)生在活性有機碳部分，用活性有機碳表征土壤質量和有機質的變化比總有機碳更為敏感;采用活性有機碳比率RL/T來評價土壤碳庫狀況與單一的有機碳質量分數(shù)、活性有機碳質量分數(shù)相比更能反映土壤碳庫及其質量的變化。土地利用方式、人為干擾強度、小生境及小氣候狀況都會對土壤碳庫及碳庫管理水平產生影響;因此，在對其進行綜合評價時要綜合分析有機碳質量分數(shù)、碳庫密度、活性有機碳比率和碳庫管理指數(shù)等指標。