紅壤退化地森林恢復(fù)后土壤有機碳對土壤水庫庫容的影響

黃榮珍,朱麗琴,王 赫,賈 龍,劉 勇,段洪浪,吳建平,劉文飛

南昌工程學(xué)院,江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室, 南昌 330099

紅壤退化地森林恢復(fù)后土壤有機碳對土壤水庫庫容的影響

黃榮珍*,朱麗琴,王 赫,賈 龍,劉 勇,段洪浪,吳建平,劉文飛

南昌工程學(xué)院,江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室, 南昌 330099

亞熱帶紅壤侵蝕退化地實施生態(tài)恢復(fù)后生物生產(chǎn)力恢復(fù)迅速,但土壤尤其是土壤水庫的功能并未獲得同步恢復(fù),導(dǎo)致土壤水庫對于降水和地表徑流的調(diào)節(jié)能力低下,區(qū)域性洪澇災(zāi)害和季節(jié)性干旱依然突出。采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方式,研究了南方紅壤侵蝕退化地典型植被恢復(fù)類型(馬尾松與闊葉樹復(fù)層林、木荷與馬尾松混交林、闊葉混交林)0—60cm土層土壤水庫各種庫容差異,以及土壤總有機碳和活性有機碳密度分布特征,采用典型相關(guān)分析方法對土壤水庫庫容與土壤有機碳密度兩組指標(biāo)進行相關(guān)分析。結(jié)果表明：隨著土層深度的增加,各森林恢復(fù)類型死庫容呈上升趨勢,興利庫容和最大有效庫容呈下降趨勢,防洪庫容變化趨勢不明顯,木荷與馬尾松混交林興利庫容略高。不同森林恢復(fù)類型同一土層土壤總有機碳密度均表現(xiàn)為馬尾松與闊葉樹復(fù)層林>木荷與馬尾松混交林>闊葉混交林,而活性有機碳密度則以闊葉混交林最大。典型相關(guān)分析表明,土壤有機碳水平對土壤水庫庫容的增加具有顯著的因果影響關(guān)系(P=0.01),其中對有機碳水平起到主導(dǎo)性貢獻作用的是水溶性有機碳。因此,對于退化紅壤地森林恢復(fù)初期,可通過適當(dāng)密植和立體種植,提高林地生物量和土壤碳密度,并在馬尾松等先鋒樹種針葉林分中補植闊葉喬灌木,以增加土壤活性有機碳含量,增大土壤水庫容量,從而有利于土壤水庫結(jié)構(gòu)和功能以及退化生態(tài)系統(tǒng)的快速恢復(fù)。

土壤水庫；庫容；土壤有機碳；典型相關(guān)分析；森林恢復(fù)；紅壤

植被恢復(fù)過程是與土壤環(huán)境相適應(yīng)的過程[1],其顯著特征表現(xiàn)在凋落物腐化后歸還土壤、植被根系生長穿插及土壤微生物活動等,不僅能夠向土壤提供新的碳源,而且能夠改變土壤的孔隙狀況,增加土壤的通氣性能及透水性能,從而改善土壤環(huán)境,提高土壤肥力[2]；土壤結(jié)構(gòu)和功能的改善反過來將促進生物多樣性的形成、植被的加速生長。然而在我國南方紅壤侵蝕區(qū),侵蝕退化恢復(fù)地雖然植被覆蓋率和多樣性有了很大的提升,在暴雨季節(jié)依然面臨山洪頻發(fā)的威脅,這在2016年夏季得到充分體現(xiàn)。究其原因,很多侵蝕地雖然植被得以快速恢復(fù),但土壤包括土壤水庫的生態(tài)功能未能得到同步的恢復(fù)。加上降雨量大而集中,且暴雨頻繁,降雨無法及時入滲,從而形成超滲地表徑流、造成強烈土壤沖刷。與華北潮土、東北黑土、西北黃土相比,紅壤由于本身黏粒含量較高,其防洪庫容和有效庫容大約僅為它們的一半,使紅壤更容易受到干旱威脅[3]。已有研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳含量的提高可改善土壤的持水性能[4],土壤有機質(zhì)的積累構(gòu)成了土壤水分環(huán)境恢復(fù)和改善的主導(dǎo)因素[1]。通過植被恢復(fù),土壤有機碳增加,土壤結(jié)構(gòu)及其水力特性得到改善,土壤水庫蓄水供水調(diào)水及抗侵蝕功能得到提高。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對退化地有機碳恢復(fù)、土壤水分物理性狀的研究不少[5-6],且有一些影響深遠的研究成果,但是,對于退化地有機碳與土壤水庫容的相關(guān)關(guān)系研究很少,尤其是有機碳不同組分和土壤水庫各種庫容之間的實證定量研究更少。由于土壤水庫容和退化地有機碳均表現(xiàn)為多個維度因素,應(yīng)用簡單相關(guān)分析方法無法滿足多維度變量之間相關(guān)分析的要求,而典型相關(guān)分析模型卻能分析兩組變量之間的相關(guān)性?；诖它c,本文分別選取死庫容、興利庫容和防洪庫容作為土壤水庫容的變量,土壤總有機碳、微生物量碳、水溶性有機碳和易氧化有機碳作為土壤有機碳的變量,應(yīng)用SAS分析軟件通過典型相關(guān)分析模型來分析退化地森林恢復(fù)后土壤有機碳和土壤水庫容之間的相關(guān)性,為從土壤有機碳-土壤結(jié)構(gòu)-土壤恢復(fù)力角度理解土壤結(jié)構(gòu)與功能相互作用提供新的認識,從而有助于植被-土壤-水分環(huán)境互動關(guān)系及演變機理的深入研究和探討,并為南方嚴(yán)重紅壤侵蝕退化區(qū)植被恢復(fù)樹種選擇、搭配和水土保持生態(tài)恢復(fù)實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在中國科學(xué)院江西省千煙洲紅壤丘陵綜合開發(fā)試驗站 (115°04′13″E,26°44′48″N),屬典型紅壤丘陵地貌,海拔高度在100 m左右,相對高差在20—50m。土壤類型為紅壤,成土母質(zhì)為紅色砂巖。該區(qū)年均氣溫為17.9 ℃,年均降水量為1489mm,年均日照為1406h,無霜期為323d,屬典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。該站的原生植被以中亞熱帶常綠闊葉林為主,由于人類長期開發(fā)和破壞,原生植被遭到嚴(yán)重破壞,在建站初期已退化為灌草叢,且多處出現(xiàn)不同程度的水土流失,現(xiàn)土地利用類型以人工林為主。各試驗地基本情況見表1。

闊葉混交林(BF,對照)：主要喬木樹種為樟樹(Cinnamomumcamphora)、楓香(Liquidambarformosana)、鵝掌楸(Liriodendronchinense)、厚樸(Magnoliaofficinalis)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)。林下植被主要有黃瑞木(Adinandramillettii)、石斑木(Rhaphiolepisindica)、香椿(Toonasinensis)、秤星樹(Llexasprella)、三葉赤楠(Syzygiumgrijsii)、深山含笑(Micheliamaudiae)、桂花(Osmanthusfragrans)、檵木(LoropetalunChinense)、朱砂根(Ardisiacrenata)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、淡竹葉(LophatherumgracileBrongn)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、鱗毛蕨(Dryopteris)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-veneris)等。

木荷與馬尾松混交林(SP)：主要喬木樹種為木荷(Schimasuperba)和馬尾松(Pinusmassoniana)。林下植被主要有黃瑞木、青岡櫟、白櫟(Quercusfabri)、檵木、深山含笑、六月雪(Serissajaponica)、淡竹葉、麥冬、海金沙(Lygodiumjaponicum)、

馬尾松與闊葉樹復(fù)層林(PB)：主要喬木樹種為馬尾松、黃瑞木、楓香、三角槭(Acerbuergerianum)、白櫟。林下植被主要有三葉赤楠、烏飯樹(Vacciniumbracteatum)、檵木、秤星樹、淡竹葉、芒萁、菝葜(SmilacisChinaeRhizoma)、狗脊蕨等。

表1 試驗地概況

PB:Pinusmassonianaand broad-leaved tree multiple layer forest, SP:Schimasuperba-Pinusmassonianamixed forest, BF: broad-leaved mixed forest

1.2 土壤采集與測定方法

1.2.1 土壤采集

2014年4月,在BF、SP和PB 3種林地分別設(shè)立3塊20m×20m固定標(biāo)準(zhǔn)地,共9塊。在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按“S”型布設(shè)5個取樣點,每個取樣點開挖土壤剖面,用環(huán)刀按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm四個層次采集原狀土樣(分析時取0—10 cm與10—20 cm平均值作為0—20 cm的數(shù)值,有機碳的數(shù)據(jù)類同),每個層次分別用環(huán)刀取3個樣,用來測定土壤飽和持水量、毛管持水量和土壤容重。另用自封袋采集對應(yīng)土壤層次土樣,用孔徑2mm的土壤篩分離出直徑大于2mm的石礫,小于2mm的土樣用四分法分成兩份,其中一份鮮土保存在4℃冰箱中,用于微生物量碳、水溶性有機碳測定使用,另一份風(fēng)干研磨過篩,作為凋萎持水量、總有機碳、易氧化有機碳測定使用。

1.2.2 測定方法

土壤飽和持水量、毛管持水量和土壤容重采用環(huán)刀法測定：將裝有濕土的環(huán)刀,揭去上底蓋,保留一墊有濾紙的帶網(wǎng)眼底蓋,放入平底盆中,注入并保持盆中水層高度至環(huán)刀上沿不淹沒為止,使其吸水12h,水平取出,立即稱重；接著放置在鋪有干砂的平底盤中2h,再次稱重；然后將環(huán)刀土樣放在105℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,稱量烘干土及環(huán)刀重量,從而分別計算土壤飽和持水量、毛管持水量和土壤容重。土壤凋萎持水量采用飽和K2SO4法測定[7]。土壤總有機碳(SOC)采用K2Cr2O7氧化-外加熱法測定。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提[8],并用碳氮分析儀(multi N/C 3100)測定浸提液有機碳濃度。土壤水溶性有機碳(WSOC)根據(jù)Chantigny[9]等方法,稍作修改：首先稱取鮮土10g(過2mm篩),按土水比1∶10加入100mL去離子水,封口后在25℃恒溫振蕩器上以200 r/min振蕩30min,然后用中速定量濾紙過濾,濾液以4000 r/min離心10min,取上清液用0.45μm濾膜進行抽濾,最后用碳氮分析儀(multi N/C 3100)測定濾液相應(yīng)濃度。土壤易氧化有機碳(ROC)采用KMnO4氧化比色法測定[10]。

1.3 數(shù)據(jù)計算

(1)土壤水庫各庫容計算[11]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Wli為第i層土壤凋萎持水量(%)；ri為第i層土壤容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)；Ci為第i層土壤毛管持水量(%)；Si為第i層土壤飽和持水量(%)；n為土壤層次。

(2)土壤有機碳密度計算[12]

(5)

式中,SOCi為第i層土壤有機碳密度(kg/m2)；Ti為第i層的土壤有機碳含量(g/kg)；ri為第i層的土壤容重(g/cm3)；Hi為第i層的土壤厚度(cm)；Di為直徑大于2mm的石礫所占的體積百分比(%)；n為土壤層次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)為各重復(fù)實測值的平均值,數(shù)據(jù)統(tǒng)計及采用Microsoft Excel 2003進行,典型相關(guān)分析采用SAS 8.1軟件進行,制圖采用PowerPoint 2003進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水庫各庫容狀況

土壤水庫死庫容即土壤凋萎持水量所對應(yīng)的庫容,其蓄持的水分無法被植物吸收利用,也不能從土壤中釋放,保持相對穩(wěn)定,對徑流調(diào)節(jié)不起作用。由表2可見,3種森林恢復(fù)類型土壤水庫死庫容均隨土層深度的增加而增大,其中BF、SP 20—40 cm、40—60 cm的死庫容顯著大于表層0—20 cm(P<0.05),但兩類型的20—40 cm與40—60 cm之間,以及PB的各個土壤層次之間的死庫容不存在顯著性差異(P>0.05)。BF 剖面0—60 cm總死庫容顯著大于PB(P<0.05)。

土壤水庫興利庫容是對應(yīng)于毛管持水量與凋萎持水量之間的貯水庫容,表征土壤較長時間貯存水分的能力,其大小在中小尺度上對消減洪峰流量具有重要意義。3種森林恢復(fù)類型0—60 cm土層興利庫容大小順序依次為SP>BF>PB,三者之間不存在顯著性差異(表2),表明SP土壤所能貯存的水量更多,調(diào)節(jié)洪峰流量的潛力更大。3種類型土壤水庫興利庫容均以0—20 cm土層最大,隨土層深度的增加而降低,其中BF、SP表層0—20 cm興利庫容顯著大于20—40 cm、40—60 cm(P<0.05)。

土壤水庫防洪庫容是指土壤剖面中非毛管孔隙的容量,表征土壤暫時貯存水分的能力,也是雨水進入土壤并補充地下水的主要通道[11]。3種恢復(fù)類型0—60 cm土層防洪庫容以PB最大(表1),顯著大于SP和BF(P<0.05),防洪庫容在土壤剖面不同層次中的變化規(guī)律不明顯,但每個層次PB的防洪庫容顯著大于SP、BF的(P<0.05)。

土壤水庫總庫容是指土壤剖面中所有孔隙的容量,表征土壤所能容蓄水分的總量,由死庫容、興利庫容和防洪庫容組成。0—60 cm土層總庫容表現(xiàn)SP>BF>PB,但相互之間沒有顯著差異(P>0.05)。從土壤剖面不同層次看,BF、SP表層0—20 cm總庫容顯著大于20—40 cm、40—60 cm(P<0.05),但PB的不同層次之間不存在顯著差異。

表2 土壤水庫各庫容值

表中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同大寫字母表示土壤層次間差異達顯著水平(P<0.05),不同小寫字母表示森林恢復(fù)類型之間差異達顯著水平(P<0.05)

2.2 土壤有機碳和活性有機碳密度分布

不同森林恢復(fù)類型下,同一土層土壤總有機碳(SOC)密度均表現(xiàn)出PB>SP>BF(表3)；在0—20 cm土層,BF略小于SP且顯著小于PB(P<0.05)；在20—40 cm土層,BF和SP、PB土壤SOC密度相互之間存在顯著性差異(P<0.05),在40—60 cm土層,表現(xiàn)為SP、PB顯著大于BF(P<0.05)、SP與PB之間無顯著差異(P>0.05)。在0—60 cm整個土壤厚度,3種恢復(fù)類型SOC密度在5.794—8.717kg/m2之間,BF顯著小于SP和PB(P<0.05)。隨著土層深度的增加,各類型土壤SOC密度均呈下降趨勢,BF、SP和PB 均呈現(xiàn)出0—20 cm土層土壤SOC密度顯著大于20—40 cm、40—60 cm土層(P<0.05)；同時,除SP外,BF和PB 20—40 cm土壤SOC密度都顯著大于40—60 cm土層,顯示出土壤SOC密度在>20 cm土壤深度急劇縮小,且在20—60 cm深度變化幅度減小。

表3 土壤有機碳密度分布

表中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同大寫字母表示土壤層次間差異達顯著水平(P<0.05),不同小寫字母表示森林恢復(fù)類型間差異達顯著水平(P<0.05)

土壤微生物量碳(MBC)是反映土壤微生物活性強弱和有機質(zhì)分解過程的重要生物學(xué)指標(biāo),表征土壤質(zhì)量的總體狀況。由表3可以看出,3種類型同一土層土壤MBC密度大小順序均表現(xiàn)為BF>PB>SP,BF在0—20 cm、20—40 cm土層均顯著大于SP和PB(P<0.05)。隨著土層深度的增大,各類型土壤MBC密度總體成下降趨勢,下降的幅度在上層土壤較為明顯；BF、SP和PB 20—40 cm土層MBC含量分別比0—20 cm土層下降了59.57%、54.70%和49.98%。

土壤水溶性有機碳(WSOC)是微生物自身生長及生物分解過程中的主要物質(zhì)和能量來源[13],3種森林恢復(fù)類型同一土層土壤WSOC密度大小順序均表現(xiàn)為SP>BF>PB(表3),SP顯著高于BF、PB(P<0.05),BF與PB之間無顯著性差異(P>0.05)。隨著土層深度的增加,土壤WSOC密度變化趨勢不明顯,各層之間變化幅度不大。BF 0—60 cm土層土壤WSOC密度顯著小于SP(P<0.05),而略微大于PB。

易氧化有機碳(ROC)可反映土壤有機碳庫的微小變化,其與土壤有機碳呈顯著正相關(guān)[14]。在同一土層深度下,BF土壤ROC密度最高(表2),在0—20 cm、20—40 cm土層顯著大于SP、PB(P<0.05)。隨著土層深度的增加,各類型土壤ROC密度均呈逐漸降低的趨勢,相鄰?fù)翆泳嬖陲@著差異(P<0.05)。BF 0—60 cm土層ROC密度顯著大于SP、PB(P<0.05)。

2.3 土壤水庫庫容與土壤有機碳的典型相關(guān)分析

本文將土壤SOC(x1)、MBC(x2)、WSOC(x3)和ROC密度(x4)作為原因組,將土壤水庫的死庫容(y1)、興利庫容(y2)和防洪庫容(y3)作為4個有機碳密度綜合作用的結(jié)果組,然后將兩組指標(biāo)做典型相關(guān)分析。土壤區(qū)分0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm四個層次對上述7個指標(biāo)進行原因組和結(jié)果組的對應(yīng)分析。

在0—60 cm土層,第一對典型變量解釋了86.61%的信息量,第二對典型變量解釋了11.55%的信息量,根據(jù)對該兩對典型變量進行Wilks′ Lambda、Pillai′s Trace、Hotelling-Lawler和Trace Roy′s Greatest Root等四種典型相關(guān)分析的總體檢驗,顯著性都小于0.001,因此,有機碳組與庫容組之間存在著典型相關(guān)關(guān)系,能夠用有機碳數(shù)據(jù)解釋庫容數(shù)據(jù)。

2.3.1 相關(guān)系數(shù)矩陣

原因組的x1、x2、x3和x44個指標(biāo)兩兩之間的相關(guān)系數(shù)在-0.2131—0.4693之間(表4),結(jié)果組的y1、y2和y33個變量間的相關(guān)系數(shù)在0.1885—0.6233之間,說明原因組4個變量之間、 結(jié)果組的3個指標(biāo)之間的相關(guān)程度均不高,組內(nèi)變量相互之間的信息重疊性不高,因此,典型相關(guān)分析可以將其一起分別作為原因組、結(jié)果組。

從有機碳組和庫容組兩兩之間的相關(guān)系數(shù)來看,x3與y1、y2間的相關(guān)系數(shù)分別為0.6917和0.7867,說明土壤WSOC密度的增加對土壤水庫的死庫容和興利庫容的增長具有明顯的影響。對于土壤水庫防洪庫容來說,土壤SOC密度影響最大,相關(guān)系數(shù)為0.2516。

表4 不同因子間的相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3.2 典型相關(guān)系數(shù)及檢驗

由表5可知,第一對典型變量的典型相關(guān)系數(shù)為0.840,通過顯著性檢驗(P=0.01)；第二對典型變量的典型相關(guān)系數(shù)為0.492,通過顯著性檢驗(P=0.01),可利用其進行補充分析；第三對典型變量的典型相關(guān)系數(shù)為0.220,沒有通過顯著性檢驗(P=0.01)。因此,有機碳組與庫容組之間存在典型相關(guān)關(guān)系,能夠用有機碳數(shù)據(jù)來解釋庫容數(shù)據(jù),可以用第一對和第二對典型變量來進行典型相關(guān)關(guān)系分析。

表5 典型相關(guān)系數(shù)及檢驗

2.3.3 典型變量系數(shù)

為了分析兩組因子形成典型變量時相對作用的大小,來自有機碳的原因組第一對典型變量為：

M1=0.196x1+0.052x2+1.000x3+0.049x4

對于有機碳原因組的第一對典型變量,x3的系數(shù)最大,為1.000,因此可近似代表土壤有機碳水平。來自庫容的結(jié)果組第一典型變量為：

N1=0.463y1+0.673y2+0.111y3

對于庫容結(jié)果組的第一對典型變量,興利庫容和死庫容的系數(shù)相對較大,兩者聯(lián)合可表示土壤水庫庫容狀況。

第二對典型變量的典型相關(guān)系數(shù)為0.4918,可利用其進行補充分析,來自有機碳的原因組第二對典型變量為：

M2=0.833x1+0.114x2-0.003x3-0.848x4

對于有機碳原因組的第二對典型變量,x1的系數(shù)最大,為0.833,表明其對土壤有機碳水平具有顯著性影響；x4的系數(shù)的絕對值為0.848,顯示其反向即不易氧化的有機碳對土壤有機碳水平具有重要的影響。

N2=0.346y1+0.116y2+0.986y3

對于庫容結(jié)果組的第二對典型變量,防洪庫容的系數(shù)高達0.986,表明其對土壤水庫庫容狀況具有極顯著的影響。

2.3.4 典型結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析基于因子在典型變量上的負載系數(shù)展開,在第一對典型變量中(圖1),y1、y2、y3在庫容結(jié)果組N1上的負載系數(shù)都是正數(shù),且y1和y2的負載系數(shù)較高,分別為0.861和0.926,因此,3個庫容變量與結(jié)果組第一對典型變量N1是正相關(guān)的,且與y1、y2的相關(guān)程度很高。x3在原因組的第一對典型變量M1上的負載系數(shù)很高,達0.981,而x1、x2和x4的負載系數(shù)不高,說明原因組第一對典型變量M1反映土壤的有機碳水平。

圖1 第一對典型變量的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.1 Structure relation of the first pair of canonical variables

圖2 第二對典型變量的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.2 Structure relation of the second pair of canonical variables

利用第二對典型變量進行補充分析發(fā)現(xiàn)(圖2),y2、y3在庫容結(jié)果組N2上的負載系數(shù)都是正數(shù),且y3的負載系數(shù)高達0.958,因此,這2個庫容變量與結(jié)果組第二對典型變量N2是正相關(guān)的,且與y3相關(guān)程度高。x1在原因組的第二對典型變量M2上的負載系數(shù)高達0.633,而在x2、x3和x4上的負載系數(shù)不高,說明原因組第二對典型變量M2也能一定程度上反映土壤的有機碳水平。

3 討論

3.1 森林恢復(fù)對土壤水庫庫容的影響

本研究3種森林恢復(fù)類型0—20 cm、0—60 cm土層的總庫容分別為65—71 mm和195—199 mm,遠小于東北黑土的120 mm和330 mm、華北潮土的108 mm和300 mm[15]、紅壤區(qū)中齡林地的103—106 mm和307—347 mm、亞熱帶常綠闊葉天然林的126—130 mm和345—351 mm[16]。本研究的3種恢復(fù)林地前身水土流失嚴(yán)重,表層原生疏松土壤遭受沖刷,土壤有機碳損耗大,土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致其土壤水庫庫容低下,森林恢復(fù)后,雖然水土流失和有機碳的礦化得到有效控制,土壤有機碳狀況有了大幅度的改善,但恢復(fù)的時間相對較短,要達到亞熱帶地帶性常綠森林下的土壤結(jié)構(gòu)和功能還需要漫長的時間。

東北黑土死庫容、興利庫容和防洪庫容占總庫容的比例范圍為30%—42%、40%—42%、17%—28%,華北潮土的分別為30%—37%、33%—41%、22%—37%,亞熱帶常綠闊葉天然林的分別為18%—25%、50%—51%、24%—32%[15,16]。本研究中3種恢復(fù)森林土壤死庫容、興利庫容和防洪庫容占總庫容的比例范圍為13%—27%、61%—75%、7%—21%,表明與黑土、潮土和天然林地紅壤相比,紅壤恢復(fù)林地土壤水庫不僅死庫容、興利庫容、防洪庫容與總庫容小,而且死庫容和防洪庫容占比小、興利庫容占比大。死庫容占比較小可能與成土母質(zhì)為紅色砂巖有關(guān),其發(fā)育形成的土壤微細黏粒含量較第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤低；防洪庫容占比小、興利庫容占比大可能與紅壤黏粒、Fe/Al氧化物含量高,而有機質(zhì)含量低有關(guān),導(dǎo)致由Fe、Al氧化物形成的微團聚體多、有機質(zhì)形成的微團聚體及大團聚體相對較少。侵蝕退化恢復(fù)地土壤水庫防洪庫容占比較小的特性對于其透水理水、土壤結(jié)構(gòu)與功能的恢復(fù)造成巨大的負面影響,一方面不利于雨水的滲透和地表徑流的削弱,在雨強較大時無法及時滲透,從而形成較大的地表徑流和較強的土壤沖刷；另一方面土壤水分未能得到充分的補充,導(dǎo)致土壤含水量經(jīng)常處于虧缺狀態(tài),影響林木根系水分吸收和土壤微生物活動,不能快速有效培育土壤肥力,同時也延滯恢復(fù)地森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán),使得土壤結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)緩慢。

3.2 森林恢復(fù)對不同土壤有機碳的影響

本研究森林恢復(fù)30a后3種森林0—20 cm、0—60 cm土壤總有機碳密度分別達31.89—42.78 t/hm2與57.94—87.17 t/hm2,亞熱帶紅壤嚴(yán)重退化地恢復(fù)24a馬尾松林地(福建長汀)的為21.10 t/hm2、30.90 t/hm2[5],亞熱帶不同演替階段林地(湖南鷹嘴界自然保護區(qū))的分別可達31.81—38.84 t/hm2、60.31—71.15 t/hm2[12],亞熱帶常綠闊葉林分別可達61.69—77.27 t/hm2、143.66—180.30 t/hm2[17],本研究結(jié)果大于嚴(yán)重侵蝕退化的馬尾松恢復(fù)林地,接近于不同演替階段的馬尾松林、馬尾松闊葉樹混交林,遠小于亞熱帶的地帶性常綠闊葉天然林。土壤有機碳增加的幅度和速率取決于氣候、土壤類型、植物類型和管理等因素[18]。本研究所在亞熱帶區(qū)域降雨與光照充沛、夏季高溫多雨、雨熱基本同季,具備優(yōu)越的植物生長和凋落物分解的氣候條件,有利于土壤有機碳的積累。3種森林類型選用適用于該區(qū)退化土地的水土保持先鋒樹種馬尾松、木荷和楓香等品種,具有成活率高、生長迅速、生產(chǎn)力高、凋落物豐富的特點。在造林過程中實施穴狀整地、保留原有的植被,撫育過程中將砍伐的灌木和草本用于林地覆蓋,而非傳統(tǒng)的全墾、火燒整地和移除采伐剩余物,減少了土地的干擾[19]、增加了凋落物對土壤有機碳的補充、降低了原有土壤有機碳的礦化[20]。

闊葉混交林MBC、WSOC、ROC占SOC的比例分別為1.78%、9.61%和50.81%,木荷與馬尾松混交林的分別為0.77%、9.68%和24.25%,馬尾松與闊葉樹復(fù)層林的分別為0.76%、6.00%和18.00%；除了木荷與馬尾松混交林的WSOC,闊葉混交林其它類型活性有機碳密度及其占總有機碳的比例均大于馬尾松與闊葉樹復(fù)層林、木荷與馬尾松混交林,這與不同林分凋落物和細根的數(shù)量、性質(zhì)及空間分布密切相關(guān)。土壤SOC和WSOC的主要來源是凋落物和細根,不同植物類型凋落物、根系數(shù)量和質(zhì)量不同,導(dǎo)致其水溶性有機物、根際分泌物與微生物數(shù)量和質(zhì)量相異[21],而此3個因素對于土壤團聚體形成與穩(wěn)定性提高具有顯著影響[6,22],從而進一步對土壤水庫的庫容和功能發(fā)揮產(chǎn)生作用。

本研究中,闊葉混交林的凋落物總量和凋落葉潛在有機碳歸還量均顯著低于木荷與馬尾松混交林、馬尾松與闊葉樹復(fù)層林,且木荷與馬尾松混交林低于馬尾松與闊葉樹復(fù)層林,與SOC的變化一致。凋落物通過微生物分解和淋溶等方式歸還SOC和WSOC,特別是新近凋落物可將大量WSOC 釋放到土壤中[23],構(gòu)成土壤WSOC 最重要的“源”[24],在相同氣候條件和林齡下,樹種組成是影響森林凋落物產(chǎn)量與其有機碳的主要因素[25],不同樹種組成引起的凋落物組分差異即凋落物質(zhì)量也會造成C歸還差異,其中落葉是凋落物C歸還的主要組分,這也使得亞熱帶森林中闊葉樹的SOC和WSOC含量均比針葉樹高[26]。本研究中闊葉混交林林分密度和生物量低于木荷與馬尾松混交林、馬尾松與闊葉樹復(fù)層林,但其落葉中闊葉量大、易于分解,使得其SOC只略小于后兩者。闊葉易于分解和快速歸返的特性可為土壤微生物創(chuàng)造更有利的繁殖條件,促進微生物活性和數(shù)量的增加[27],微生物活動的加強又促進根系的代謝和分泌,從而直接影響WSOC的增加[28]。相比較于SOC,WSOC活躍、礦化快,可更快與土壤發(fā)生相互作用[28,29],WSOC除了依賴于SOC含量外,還取決于林地自身的微環(huán)境,包括凋落物的數(shù)量和質(zhì)量、根系狀況及土壤理化性質(zhì)等,目前關(guān)于侵蝕地森林恢復(fù)后WSOC規(guī)模和動態(tài)還缺乏深入了解。

項目組前期研究發(fā)現(xiàn)細根生物量與SOC、WSOC顯著相關(guān),且與WSOC相關(guān)系數(shù)大于SOC(未發(fā)表的數(shù)據(jù)),Ussiri等的研究也表明在礦山草地上恢復(fù)的森林細根生物量碳可導(dǎo)致SOC 62%的差異[30],顯示細根殘渣和根際沉積提供的有機碳是SOC和WSOC的重要來源[31]。細根不僅影響著WSOC和SOC的數(shù)量,還影響著兩者的空間垂直分布。細根碳對SOC形成的貢獻依賴于其生物量、周轉(zhuǎn)速率、分泌物、菌根分布范圍和土壤特征[32,33]。因前期嚴(yán)重土壤侵蝕造成養(yǎng)分和SOC損失,導(dǎo)致侵蝕退化地恢復(fù)后植被生產(chǎn)力低下,凋落葉歸還少[19],細根就超過凋落物成為SOC、WSOC輸入的重要渠道和主要來源[20],特別是在土壤動物活動難以將源自凋落物葉的有機物質(zhì)搬運到達的下層土壤中[21,34],根系不僅通過將土壤顆粒束綁在一起而增加團聚體,同時也增加充當(dāng)束綁介質(zhì)作用的微生物[27]。因此,選擇細根生產(chǎn)力豐富的樹木品種,對于快速增加侵蝕退化地的土壤團聚體,改善土壤水庫庫容狀況具有至關(guān)重要的意義。

3.3 森林恢復(fù)后土壤有機碳對土壤水庫庫容的影響

由圖1可知,第一對典型變量間的相關(guān)系數(shù)達0.840,顯示每當(dāng)土壤有機碳水平提高1%時,土壤水庫庫容就會增加0.84%。這種作用體現(xiàn)了土壤有機碳水平對土壤水庫庫容的增加有顯著的因果影響關(guān)系,其中對有機碳水平起到主導(dǎo)性貢獻作用的是水溶性有機碳密度。同時,土壤的有機碳水平對土壤水庫防洪庫容的影響程度明顯小于死庫容和興利庫容。根據(jù)第一對典型變量結(jié)構(gòu)關(guān)系,若土壤有機碳水平提高1%,死庫容和興利庫容可分別增加0.72%和0.78%,而防洪庫容僅增加0.16%。本研究中第二對典型變量間的相關(guān)系數(shù)為0.492,說明每當(dāng)土壤有機碳水平提高1%時,土壤水庫庫容就會增加0.49%(圖2)。這種作用體現(xiàn)了土壤有機碳水平對土壤水庫庫容的增加有較好的因果影響關(guān)系,其中總有機碳對有機碳水平增加起到主要作用。其中土壤有機碳水平對土壤水庫防洪庫容的影響程度明顯高于死庫容和興利庫容。根據(jù)第二對典型變量結(jié)構(gòu)關(guān)系,若土壤有機碳水平提高1%,興利庫容和防洪庫容可分別增加0.11%和0.47%。

Wick等人的研究表明,隨著植被恢復(fù)有機質(zhì)增加,大團聚體增加、微團聚體下降,即土壤大孔隙增加、小孔隙減少[6,35]。而Dexter等人則認為隨著有機質(zhì)的增加,微團聚體(小孔隙)也增加[36]。這可能與有機質(zhì)的質(zhì)量有關(guān),但目前對于有機質(zhì)與團聚體關(guān)系的研究中只關(guān)注其數(shù)量,對于其質(zhì)量的影響研究不多[6,36-37]。同時,研究團聚體時,大團聚體得到更多的關(guān)注和研究,缺乏對微團聚體比較深入的了解[6,36]。構(gòu)成土壤水庫庫容的孔隙存在于不同大小團聚體之間和內(nèi)部,依據(jù)自然特性,其等級的形成和團聚體等級相對應(yīng)[38],要達到促進植被恢復(fù)和提高森林理水調(diào)水功能的統(tǒng)一目的,需要大、小團聚體都得到增加,方可令防洪庫容和興利庫容同時得以改善和提升,達到防洪和蓄水、供水的多重目的。

4 結(jié)論

本研究得出水溶性有機碳對于興利庫容、死庫容具有顯著的促進作用,而總有機碳對于防洪庫容具有明顯的改善作用。馬尾松與闊葉樹復(fù)層林因林木保留密度大、凋落物量大、土壤有機碳密度大,顯現(xiàn)出較大的由大孔隙形成的防洪庫容；而闊葉混交林、木荷與馬尾松混交林中的闊葉樹占比高、凋落物中闊葉比例大、土壤活性有機碳密度高,表現(xiàn)出更高的由小孔隙形成的興利庫容、死庫容。因此,對于紅壤退化地森林或植被恢復(fù)初期,可通過適當(dāng)密植和立體種植,栽植凋落物量和細根生物量豐富的植物品種,以提高生態(tài)系統(tǒng)生物量和土壤碳密度,擴大土壤水庫的防洪庫容。同時,可在馬尾松等先鋒樹種針葉林分中補植闊葉喬灌木,以增加土壤活性有機碳含量,增大土壤水庫興利庫容,從而增強土壤的透水、蓄水、供水性能,這對有效防治侵蝕區(qū)水土流失、提高土壤的水源涵養(yǎng)能力和減緩季節(jié)性干旱具有重要的實踐意義。

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Effects of soil organic carbon on soil reservoir capacity after forest restoration in degraded red soil

HUANG Rongzhen, ZHU Liqin, WANG He, JIA Long, LIU Yong, DUAN Honglang, WU Jianping, LIU Wenfei

NanchangInstituteofTechnology,JiangxiKeyLaboratoryofDegradedEcosystemRestorationandWatershedEco-Hydrology,Nanchang330099,China

In a degraded red soil in subtropical China, the soil reservoir did not show a synchronized recovery with the rapid increase of biomass, resulting in frequent floods and droughts at the regional scale. The aim of this study was to determine the changes in soil organic carbon and soil reservoir capacity and their relationship following afforestation. Based on field investigations and lab assays, the differences of soil reservoir capacity in the 0—60 cm soil layer and the distribution characteristics of total organic carbon density and active organic carbon density were studied in three typical types of forest restoration in southern degraded red soil, i.e.Pinusmassonianaand broad-leaved tree multiple layer forest(PB),Schimasuperba-Pinusmassonianamixed forest(SP), and broad-leaved mixed forest(BF). The correlation between soil reservoir capacity and soil organic carbon density was also analyzed using a canonical correlation analysis model. The results showed that with increased soil depth, all three forest restoration types exhibited growth trends in soil invalid capacity, while the storage capacity and the flood control capacity showed downward trends. However, the trend of flood control capacity was not obvious. Additionally, the storage capacity in the SP was higher than that in other forests. The total organic carbon density in the same layers was ranked as follows: PB > SP > BF. The active organic carbon density was largest in BF, suggesting that BF was propitious to the accumulation of active organic carbon. The soil organic carbon was positively correlated with soil reservoir capacity (P= 0.01), and soil dissolved organic carbon played the dominant role for the increase of organic carbon levels. As a result, we could develop close-planting and stereoscopic planting appropriately to improve plant biomass and soil carbon density, and then interplant broad-leaved species with pioneer coniferous tree species such asPinusmassonianaat the early stage of forest restoration in degraded red soil. This strategy can increase the active soil organic carbon content and enhance soil reservoir capacity, which is conducive to the rapid recovery of the eroded soil and ecosystem.

soil reservoir ; reservoir capacity; soil organic carbon; canonical correlation analysis; forest restoration; red soil

國家自然科學(xué)基金資助項目 (31160179)；江西省自然科學(xué)基金資助項目(20151BAB204033)；江西省水利廳科技資助項目(KT201546)；江西省高等學(xué)?！笆濉彼帘３峙c荒漠化防治重點學(xué)科培育基金資助項目

2016- 08- 04;

2016- 11- 04

10.5846/stxb201608041609

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huangrz@nit.edu.cn

黃榮珍,朱麗琴,王赫,賈龍,劉勇,段洪浪,吳建平,劉文飛.紅壤退化地森林恢復(fù)后土壤有機碳對土壤水庫庫容的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(1):238- 248.

Huang R Z, Zhu L Q, Wang H, Jia L, Liu Y, Duan H L, Wu J P, Liu W F.Effects of soil organic carbon on soil reservoir capacity after forest restoration in degraded red soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):238- 248.