黔北喀斯特不同演替階段森林土壤的有機碳儲量

張寶成，李世杰，白艷芬，郭 穎，向仰州*

(1.遵義師范學院 生命科學學院，貴州 遵義 563002；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設計院，貴州 貴陽 550003；3.遵義師范學院 公共管理學院，貴州 遵義 563002)

黔北喀斯特不同演替階段森林土壤的有機碳儲量

張寶成1，李世杰2，白艷芬3，郭 穎2，向仰州2*

(1.遵義師范學院 生命科學學院，貴州 遵義 563002；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設計院，貴州 貴陽 550003；3.遵義師范學院 公共管理學院，貴州 遵義 563002)

【目的】為喀斯特區(qū)域的生態(tài)政策和生態(tài)補償提供重要的科技支撐。【方法】采用空間代替時間的方法分析人工林和不同森林演替階段的土壤固碳能力?！窘Y果】與森林演替頂級階段相比，人工林土壤固碳潛力較大；與年齡相近的演替初期生態(tài)系統(tǒng)比較，人工林能夠快速地增加較深層(10～50 cm)土壤有機碳的含量；隨著森林年齡的增加，表層(0～10 cm)土壤有機碳呈增加趨勢，演替初級階段土壤中的有機碳占37.96 %，演替中期的占32.73 %，演替頂級的占31.02 %；人工林0～10 cm土層有機碳占26.26 %?！窘Y論】實施退耕還林進行人工造林能夠較快地增加土壤有機碳的含量，而且能夠增加較深土層的有機碳的含量。

演替階段；土壤有機碳；森林；喀斯特；人工林

【研究意義】由于大量化石燃料的應用，森林自然資源過渡利用，土地利用方式的頻繁轉變，造成大氣CO2濃度快速增加。CO2濃度由工業(yè)革命時的280 μl/L增加到目前的400 μl/L[1]。大氣CO2濃度增加導致氣候變暖，對生產(chǎn)生活產(chǎn)生了一系列的影響[2-3]?！厩叭搜芯窟M展】森林碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫，碳儲量為1146 Pg，是陸地碳庫的56 %[4]。森林的碳密度分別是草地和農(nóng)田系統(tǒng)的4和16倍[5]。全球碳庫中生物碳庫為560 Pg，土壤碳庫是2500 Pg(其中有機碳庫是1500 Pg)約是生物碳庫的4.5倍[6]。森林生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力隨著演替階段的變化呈先增加后降低趨勢[7]。通常認為，老齡林由于無凈CO2吸收[8]。但森林群落處于不同年齡階段(演替)結構發(fā)生變化即植物組成發(fā)生變化，這改變土壤碳的輸入過程進而影響到凋落物和根系的輸入，同時影響有機碳的驅動者微生物群落[9]等進而改變土壤有機碳含量[10]。有研究表明，老齡林土壤仍是重要的碳匯[11]?！颈狙芯壳腥朦c】遵義為喀斯特區(qū)域，隨著近年來退耕還林等措施的推廣，其森林土壤有機特征的研究較少。【擬解決的關鍵問題】因此，采用空間演替序列代替時間的研究方法[9,12]，對遵義喀斯特地區(qū)退耕還林、演替初級階段、演替中期和演替頂級4種森林土壤有機碳進行研究，以期為喀斯特區(qū)域的生態(tài)政策和生態(tài)補償提供重要的科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遵義處于貴州省北部，遵義年平均氣溫15.1 ℃，全市各地年降水量為1015.2～1223.7 mm。遵義地區(qū)為喀斯特地貌，面積為30762 km2，占貴州省總面積的17.46 %。人工林的植物群落為榿木-樺木-禾本草-蕨類，演替初期的群落組成為櫟類-莢迷-蕨類-草，演替中期的組成為櫟類-木姜子-杜鵑-禾本草，演替頂級的為亮葉水青岡-珙桐-金佛山云竹-草。

1.2 采樣地點

采樣地點遵義市道真縣上壩鄉(xiāng)(雙河、新田壩和八一村)和綏陽縣(巖坪村、杉木箐和寬闊水自然保護區(qū)中心管理站)。

1.3 土壤有機碳的測定

森林的演替階段以森林群落的外貌和優(yōu)勢種的結構特征進行劃分[9]，森林類型為人工林、演替初級階段、演替中級階段和演替頂級階段。在每個樣地平坦的區(qū)域設置樣方，在每個樣方移除凋落物然后進行分層取樣，每個樣地采集3個樣品風干并除去細根和植物殘體，樣品過2 mm篩用以分析土壤有機碳。

不同森林土壤通過挖土壤剖面的方法對其分層取樣。表層土壤(0～10 cm)用多樣點混合的方法降低土壤的空間異質(zhì)性；土壤分層參照標準按照0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm劃分[13]，取每層土樣進行混合后，在室內(nèi)風干，挑出其中的石礫和細根并進行土壤有機碳分析測試；采用環(huán)刀法測土壤容重。土壤有機碳的測試采用重鉻酸鉀加熱分析法。

圖1 4種不同森林演替階段0～100 cm土壤有機碳密度Fig.1 Density of soil organic carbon in four forests succession stage from 10 cm to 100 cm

土壤有機碳密度的計算公式如下[14]：

式中，Hi是i土壤的厚度(cm)，Bi是i層土壤的容重(g/cm3)，Oi是i層土壤的有機碳含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel和SPSS 17.0進行處理，繪圖用Origin 8.0進行繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳的儲量

由圖1可知，演替頂級土壤有機碳密度最高，其次是演替中級階段，人工林土壤有機碳儲量高于演替初級階段而低于演替中級階段和演替頂級階段。演替頂級階段的土壤有機碳高達1841.18、1594.3、832.15和948.85 g/m2。

由圖2可知，4種生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳含量中0～10 cm含量最高。土壤有機碳含量均隨土壤深度的增加而呈降低趨勢。其中演替頂級、演替中級和演替初期在0～10 cm土層與10～20 cm土層之間的土壤有機碳含量變化差異顯著，0～10 cm土壤有機碳含量分別是10～20 cm的1.81、1.95和1.83倍，人工林0～10 cm層土壤有機碳含量與10～20 cm層比較接近。4種生態(tài)系統(tǒng)的10～20 cm與20～30 cm土層以及20～30 cm與30～50 cm土層的上層有機碳含量是其下層的1.03～1.51倍，土壤有機碳含量差異較小。但深層土壤30～50 cm與50～100 cm間有機碳的差異大，這2層中演替頂級階段上層是下層的3.03倍，演替階段中級階段上層是下層的2.5倍，演替初期上層是下層的1.26倍，人工林土壤有機碳的上層(30～50 cm)是下層(50～100 cm)的1.99倍。

圖2 4種森林不同土層的土壤有機碳儲量Fig.2 Organic carbon storage in different soil depth in four succession forests stage

土層(cm)Soildepth人工林Forestplantation演替初期Earlysuccession演替中期Middlesuccession演替頂級Climaxsuccession0～1019.77±0.82a26.64±12.94b54.92±42.78c78.67±8.65d10～2018.54±1.65a14.55±2.82a29.11±12.50b43.46±1.85c20～3015.65±1.24a9.61±0.85b28.15±10.96b36.04±1.44c30～5010.68±0.44a7.41±0.89a20.60±8.82b24.30±3.30c50～1005.36±0.82a5.90±0.78a8.03±0.21a8.24±1.87a

2.2 土層土壤有機碳的含量

由表1可知，4種系統(tǒng)土壤有機碳含量變化關系差異顯著。演替初期、演替中級和演替頂級土壤有機碳在0～50 cm差異顯著。0～10 cm演替頂級土壤有機碳是人工林、演替初期和演替中期的3.98、2.95和1.43倍；10～20 cm演替頂級土壤有機碳分別是人工林、演替初期和演替中期的2.34、2.99和1.49倍；20～30 cm演替頂級土壤有機碳分別是人工林、演替初期和演替中期的2.30、3.75和1.28倍；30～50 cm演替頂級土壤有機碳分別是人工林、演替初期和演替中期的2.28、3.28和1.18倍；50～100 cm演替頂級土壤有機碳與人工林、演替初期和演替中期的含量比較接近。

3 討 論

3.1 土壤層有機碳含量垂直分布差異大

土壤深層有機碳儲藏潛力很大。土壤有機碳含量受輸入生物量和分解等因素共同作用[3]。土壤微生物和酶活性、微生物群落結構和土壤動物的影響土壤有機碳的轉化[10,15]。森林土壤有機碳的重要驅動力土壤動物的數(shù)量、群落結構組成[15]受到顯著的影響，另外一種重要的分解者微生物群落結構細菌和真菌[9]、分解酶活性[10]，進而影響到不同土壤層的有機碳。

土壤有機碳的輸入來源為植物根系表皮凋落物、根系分泌物以及表層淋溶的有機碳[16]。土壤孔隙是影響深層土壤有機碳的重要因子，有利于地表可溶性有機碳的淋溶，同時根系生理代謝促進土壤有機碳的增加，由于植物根系的生物量呈倒金字塔形式，隨著時間的推移根系先作用土壤部分有機碳增加積累較大。因此，演替頂級的土壤有機碳垂直層差異最大，其次是演替中級。與不同演替階段的森林群落相比，人工林地下投入的死亡根系數(shù)量少，轉化為土壤有機碳需要較長的時間，因此在時間相差較小的情況下，人工林有機碳含量的差異比演替初級的差異大。

3.2 不同演替階段土壤有機碳含量差異明顯

不同演替階段森林生態(tài)系統(tǒng)土壤不同層有機碳含量有明顯差別，主要是森林處于不同演替階段，改變了地表層的覆蓋進而影響到林冠層土壤的溫度和濕度[17]。不同演替階段由于地表凋落物層厚度蓄水能力的差異[18]調(diào)控到不同土壤層的溫度和濕度[17]，降水是影響濕度的重要因子，研究區(qū)的降水量較高，為1015.2～1223.7 mm，在降水的作用下把地表腐殖質(zhì)及上層經(jīng)過微生物和土壤動物分解的可溶性有機碳和小顆粒碳通過淋溶等作用分布在不同的土層進而影響到不同土層土壤有機碳的含量。這可能是造成不同演替階段土壤有機碳變化的重要因素。溫度和濕度微環(huán)境的變化影響到植物物種組成，改變了植物功能群。

不同演替階段，植物群落組成、不同生活型功能群、凋落物和腐殖質(zhì)差異很大，如松針質(zhì)比較粗硬富含蠟質(zhì)，而闊葉樹相對比較容易分解[12]。演替階段差異由于植物群落組成改變了植物功能組造成的凋落物品質(zhì)差異[12]。植物功能組變化改變了凋落物層的數(shù)量和品質(zhì)，影響到土壤有機碳驅動力變化。如溫度和降水變化增加了分解者土壤動物的數(shù)量[19]，溫度影響到分解者微生物的碳代謝和微生物的活性[20]。

生態(tài)系統(tǒng)演替高級階段表層土壤有機碳的含量比較高。這可能是在演替高級階段森林地表的枯枝落含量比較高，增加了土壤有機碳輸入，促進了表層土壤有機碳的含量，因此不同演替階段土壤有機碳變化明顯。土壤有機碳主要來自根系分泌物和根部凋落死亡，地表的輸入較小，造成垂直差異較小。人工林與年齡比較相近的演替初級森林相比，主要是0～10 cm土層土壤有機碳含量，而較深層10～50 cm土層土壤有機碳反而比自然生態(tài)系統(tǒng)碳儲量高，可能是由于人工林通常選擇生長迅速的林木，根系比較發(fā)達。從土壤有機碳的角度考慮，這意味著推廣應用退耕還林工程能夠在較短時間內(nèi)增加土壤有機碳。土壤有機碳常受土壤礦物的包裹，比較穩(wěn)定，因此土壤有機碳的含量備受關注。人工林能夠促進土壤較深層(gt;10 cm)有機碳儲量快速增加。由此可見，在貴州喀斯特區(qū)域實施退耕還林工程是一項重要的增加碳匯措施，由于人工造林加快森林演替進程[12]。綜上所述，不同演替階段土壤微環(huán)境溫度和濕度的變化[10]和凋落物的品質(zhì)差異，影響到分解驅動者土壤動物和微生物的數(shù)量和活性從而影響土壤有機碳的輸入，進而影響不同演替階段土壤層有機碳。

3.3 土壤有機碳與其他區(qū)域差異

本研究的人工林的土壤有機碳含量(19.77 g/kg)高于福建人工杉木林(14.54 g/kg)[21]。森林演替頂級/晚期土壤有機碳含量差異較大，本研究中土壤有機碳含量最高(78.67 g/kg)，其次是東北的闊葉紅松林(73.34 g/kg)和楊樺成熟林(70.32 g/kg)[9]，約是黃土高原側柏林和油松林的1.87～2.29倍[22]，這可能與森林樹種類型和氣候區(qū)域有關。演替中級/中期也出現(xiàn)類似規(guī)律，表明在研究退耕還林對土壤有機碳的影響要充分考慮到還林的樹種類型，以及區(qū)域氣候特征進行綜合評估。森林的演替一定程度上反映出森林的年齡，森林年齡是影響土壤有機碳含量的重要因子。隨著人口增加和土地資源減少，人類在資源利用需求和生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境效益需要結合不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)碳能力、水土保持能力、凈化空氣能力等多因素進行權衡綜合評價。

4 結 論

(1)與自然演替高級階段相比，退耕還林工程對增加土壤有機碳仍有很大的發(fā)展空間。

(2)演替頂級階段土壤有機碳的垂直分布比較明顯。

(3)與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，實施退耕還林進行人工造林能夠較快的增加土壤有機碳含量；而且能夠增加較深土層的有機碳，說明人工造林是一項重要的減緩大氣溫室氣體措施。

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(責任編輯 劉忠麗)

OrganicCarbonStorageofForestSoilinDifferentSuccessionStagesofKarstinNorthernGuizhou

ZHANG Bao-cheng1, LI Shi-jie2, BAI Yan-fen3, GUO Ying2, XIANG Yang-zhou2*

(1.College of Life Science, Zunyi Normal University, Guizhou Zunyi 563002,China; 2.Guizhou Institute of Forestry Inventory and Planning, Guizhou Guiyang 550003,China； 3.School of Public Policy and Management, Zunyi Normal College， Guizhou Zunyi 563002, China)

【Objective】This study aimed to provide an important scientific support for ecological policies and compensation of karst region. 【Method】A method of using spatial succession sequences instead of time was adopted in this study. 【Result】Compared with the maxiumum stage of forest succession, the potential of soil carbon sequestration in plantation is great. Compared with the early successional ecosystem, plantation can rapidly increase soil organic carbon content in soil deeper from 10 cm to 50 cm. In the initial stage of succession, organic carbon accounted for 37.96 % in surface soil, 32.73 %, and in middle succession stage, 31.02 % in succession climax and 26.26 % in plantation forest.【Conclusion】A method of conversion of cropland to forest and artificial afforestation can increase the amount of organic carbon, especially the deep soil.

Succession stages; Soil organic carbon; Forest; Karst; Forest plantation

S718.51+6

A

1001-4829(2017)11-2548-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.027

2017-05-17

國家自然科學基金項目(31660106)；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA05000000)；貴州省教育廳項目[黔教合KY字(2014)260];遵義師范學院博士啟動基金項目[遵師BS(2014)06和BS(2014)07]；貴州省千層次創(chuàng)新型人才[遵市科合人才(2016)4]

張寶成(1978-)，男，博士，陜西南鄭人，從事生態(tài)功能研究,E-mail:woshimiantian@126.com，*為通訊作者：向仰州，E-mail:yzhxiang18@126.com。