耕地造林和撂荒2種植被恢復(fù)方式碳儲量差異

彭 陽，白彥鋒，姜春前，徐 睿，劉秀紅

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京 100091）

大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體濃度增加引起全球氣候變暖，這已經(jīng)成為當前人類面臨的最為嚴重的環(huán)境問題之一［1］。通過植樹造林實現(xiàn)森林碳匯功能是當前最為快捷和有效的碳平衡方法之一［2］。其中，將農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯值耐恋乩梅绞?，已成為國家減排增匯的一項重要措施［3］。中國自20世紀90年代以來在全國開展 “退耕還林”工程，除了體現(xiàn)在植物覆被的變化以及社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益之外，其固碳效益也引起了人們重視［4］。中國 “退耕還林”工程的實施將會增強陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能［5］。迄今為止，已有許多學(xué)者對耕地變?yōu)榱值睾蟮纳鷳B(tài)系統(tǒng)碳儲量變化［6］及不同造林樹種［7］、不同退耕年限［8］、不同立地條件［9］等因素對退耕還林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響進行了研究。在耕地上造林，相對于耕地來說其生物量碳儲量明顯增加，但土壤碳儲量的變化還未得到一致的結(jié)果。耕地的恢復(fù)方式除通過造林外，還有一種方式是撂荒。在20世紀后期由于山區(qū)人口減少，全球出現(xiàn)了耕地撂荒的現(xiàn)象［10］，即由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田撂荒地。農(nóng)田撂荒地已經(jīng)是分布廣泛的土地利用類型之一［11］。一般來說，只要破壞不嚴重，農(nóng)田撂荒地可以通過自然演替進行植被恢復(fù)。PRACH等［12］認為：農(nóng)田撂荒地的自然演替是一種成本低廉、生態(tài)有效的恢復(fù)方式。NOVARA等［13］認為：農(nóng)田撂荒地從草本演替為木本植物階段后，其土壤碳儲量增加了14 g·kg-1。森林碳儲量及其變化的準確估算是核算碳匯的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。造林碳匯一般是計算造林增加的碳儲量減去造林前的土地利用在無人為介入的情況下通過自然生長所固定的碳。通常在估算其自然生長所固定的碳時多采用模型預(yù)測或簡單推理。如魏亞韜［14］采用簡單推理法來確定造林前的荒山通過自然生長所到達的狀態(tài)，估算其碳儲量。本研究中，耕地通過撂荒的方式恢復(fù)即為無人為介入植被自然生長的狀態(tài)。因此，本研究估算耕地在撂荒恢復(fù)后其生態(tài)系統(tǒng)碳儲量能夠為核算中國造林碳匯提供理論和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。此外，估算耕地通過造林方式（以下簡稱 “退耕還林地”）與撂荒方式（以下簡稱 “農(nóng)田撂荒地”）恢復(fù)14 a后的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，比較分析耕地在造林和撂荒方式下生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的差異及空間分配特征。研究結(jié)果將明晰耕地的不同植被恢復(fù)方式對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響，這對今后耕地采用何種恢復(fù)經(jīng)營措施具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于湖南省會同縣境內(nèi)（26°50′N,109°36′E），地處云貴高原東緣和雪峰山脈西南部，海拔高度為300～500 m，為低山丘陵地貌類型。氣候?qū)俚湫蛠啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.6℃，年平均降水量1 265.0 mm，年平均相對濕度80%。土壤類型為山地紅黃壤。地帶性植被為常綠闊葉林，以殼斗科Fagaceae的常綠樹種如栲Castanopsis fargesii和青岡Cyclobalanopsis glauca等為主，人工林樹種多為杉木Cunninghamia lanceolata和馬尾松Pinus massoniana等。

在2016年7-8月，選取具有相似立地條件且恢復(fù)均為14 a的農(nóng)田撂荒地和退耕還林地為研究對象進行調(diào)查。2個樣地的土壤類型均為山地黃壤。各樣地基本概況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及植被調(diào)查 在農(nóng)田撂荒地和退耕還林地分別按照坡位選取10塊大小為10 m×10 m的標準樣地。①喬木層：對標準樣地內(nèi)所有喬木進行每木檢尺，記錄樹種名稱、胸徑和樹高。②林下植被層：在各個標準樣地的四角和中央各設(shè)1個2 m×2 m的樣方，記錄樣方內(nèi)所有灌木和草本的種名、基徑以及株高。在樣方內(nèi)選取一些主要灌木、草本植株，測量其基徑和株高后挖取全株帶回實驗室，在105℃恒溫條件下殺青10～30 min，然后在75℃下烘至恒量，稱量并記錄各株植株總干質(zhì)量以及灌木各器官干質(zhì)量，草本植物記錄地上、地下部分干質(zhì)量，同時用作分析樣品。③凋落物層：在各個標準樣地內(nèi)分別隨機選取3個1 m×1 m的樣方收集凋落物。收集的凋落物全部稱其濕質(zhì)量。取部分樣品，稱濕質(zhì)量后再稱其干質(zhì)量得到凋落物含水量，同時用于測定碳質(zhì)量分數(shù)。④土壤層：在各個標準樣地內(nèi)按對角線法布點3個，并均按0～10，10～20，20～40，40～60，60～80 cm分層用土鉆分別采集土壤樣品。將同一樣方內(nèi)相同土層所取的樣品等量混合帶回實驗室，土壤樣品風(fēng)干后過2 mm篩備用。同時，在每個標準地內(nèi)各挖1個規(guī)格為100 cm×100 cm的土壤剖面，采用環(huán)刀法測定土壤容重。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic information of plots

1.2.2 碳儲量計算方法 （1）生物量的計算。①喬木層：根據(jù)所測得樹高和胸徑，采用當?shù)厣鷳B(tài)站建立的各樹種異速生長方程得出。具體方程見當?shù)厣鷳B(tài)站數(shù)據(jù)集［15］。②灌木層：根據(jù)所測的基徑和株高，采用當?shù)厣鷳B(tài)站已有的灌木生物量方程進行估算。具體方程見當?shù)厣鷳B(tài)站數(shù)據(jù)集［15］。③草本層：當?shù)厣鷳B(tài)站數(shù)據(jù)庫中有利用收獲法測得的多種草本層地上、地下部生物量，根據(jù)相同基徑、株高的同種草本具有相似生物量，故利用計算機在數(shù)據(jù)庫中查找與調(diào)查時記錄的草本同種且基徑株高一致的植株，計算這些條件相同的草本生物量平均值作為所調(diào)查草本植株的生物量。④凋落物層：采用干質(zhì)量/鮮質(zhì)量比估算其生物量。（2）碳質(zhì)量分數(shù)的測定。采用元素分析儀測定采集的白櫟Quercus fabri，楓香，梵天花和芒等主要喬木、灌木、草本各器官碳質(zhì)量分數(shù)和所有凋落物碳質(zhì)量分數(shù)以及土壤碳質(zhì)量分數(shù)。其中農(nóng)田撂荒地的凋落物平均碳質(zhì)量分數(shù)為378.1 g·kg-1，退耕還林地的凋落物平均碳質(zhì)量分數(shù)為465.1 g·kg-1。其余實際測定的物種碳質(zhì)量分數(shù)見表2～4。未采集的喬木、灌木和草本平均碳質(zhì)量分數(shù)引自生態(tài)站長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)［15］。（3）碳儲量的計算。①生物量碳儲量為各部分生物量乘以相對應(yīng)的碳質(zhì)量分數(shù)后得出。②土壤碳儲量根據(jù)下列公式［16］進行計算。

其中：S為土壤層有機碳儲量（t·hm-2），Ci為第i層土壤碳質(zhì)量分數(shù)（g·kg-1），di為第i層土壤的平均容重（g·cm-3），Hi表示第i層土壤的厚度（cm），n為土壤層數(shù)。③森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為喬木層、灌木層、草本層、凋落物層、土壤層碳儲量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel處理數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0進行t檢驗和單因素方差分析，應(yīng)用最小顯著差異法（LSD）分析不同數(shù)據(jù)組間的差異性，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

表2 2種恢復(fù)方式下喬木層主要樹種碳質(zhì)量分數(shù)Table 2 Carbon content of main species of tree layer under two rehabilitation approaches

表3 2種恢復(fù)方式下灌木層主要物種碳質(zhì)量分數(shù)Table 3 Carbon content of main species of shrub layer under two rehabilitation approaches

表4 2種恢復(fù)方式下草本層主要物種碳質(zhì)量分數(shù)Table 4 Carbon content of main species of herb layer under two rehabilitation approaches

2 研究結(jié)果

2.1 喬木層碳儲量及分配特征

恢復(fù)14 a后的退耕還林地喬木層碳儲量是農(nóng)田撂荒地的2.76倍，兩者具有顯著差異（P＜0.05）（表5）。其中，退耕還林地的喬木層地上部碳儲量為 （68.05±7.89）t·hm-2，農(nóng)田撂荒地為 （19.77±2.95）t·hm-2，前者高于后者且為后者的3.44倍；而農(nóng)田撂荒地的喬木層地下部碳儲量（即樹根碳儲量）略高于退耕還林地，但兩者并沒有顯著差異（P＞0.05）。由于不同恢復(fù)方式形成的樹種不同，因此喬木層各器官碳儲量分配有所不同。農(nóng)田撂荒地的喬木層各器官碳儲量大小依次為樹干＞樹根＞樹枝＞樹皮＞樹葉。退耕還林地的喬木層各器官碳儲量大小依次為樹干＞樹葉＞樹皮＞樹枝＞樹根。盡管2種恢復(fù)方式下均為樹干對喬木層碳儲量的貢獻率最大，但是其余各器官碳儲量分配格局卻大不相同。

表5 2種恢復(fù)方式生物量碳儲量及分配Table 5 Biological carbon storage and allocation under two rehabilitation approaches

2.2 灌木層碳儲量及分配特征

耕地在2種恢復(fù)方式下灌木層總碳儲量具有顯著差異（P＜0.05）（表5）。農(nóng)田撂荒地的灌木層總碳儲量、地上部碳儲量及地下部碳儲量均高于退耕還林地，分別是其的3.20倍、3.27倍、3.04倍。由此可見：耕地的自然恢復(fù)方式更有利于灌木層碳的積累。盡管農(nóng)田撂荒地灌木層碳儲量高于退耕還林地，但2種恢復(fù)方式的灌木層各器官碳儲量分配卻具有相似的特征，即枝干碳儲量占灌木層碳儲量的比例最大，葉片對灌木層碳儲量貢獻率最小。

2.3 草本層碳儲量及分配特征

農(nóng)田撂荒地的草本層總碳儲量、地上部及地下部碳儲量均是退耕還林地的2.27倍、2.16倍、2.50倍，并且各部分皆有顯著差異（P＜0.05）（表5）。這說明自然恢復(fù)的方式比人工恢復(fù)方式更有利于草本層碳儲量的積累。在草本層器官碳儲量分配方面，2種恢復(fù)方式的草本層碳儲量具有相似的分配格局。2種恢復(fù)方式均以地上部分碳儲量對草本層碳儲量的貢獻率最大，皆占60%以上，地上部碳儲量近似是地下部的2倍。

2.4 凋落物層碳儲量

2種恢復(fù)方式下凋落物碳儲量具有顯著差異（P＜0.05）（表5）。退耕還林地的凋落物碳儲量為農(nóng)田撂荒地的4.11倍。退耕還林地的凋落物主要是由杉木的落葉組成，而農(nóng)田撂荒地樹木較少，可能造成此結(jié)果。

2.5 土壤碳儲量及分配特征

耕地在2種恢復(fù)方式下土壤碳質(zhì)量分數(shù)均隨土壤深度的增加而依次減?。ū?）。農(nóng)田撂荒地與退耕還林地0～10 cm深的土壤碳質(zhì)量分數(shù)分別為60～80 cm土壤層的5.9倍和3.2倍。此外，農(nóng)田撂荒地的0～10 cm與10～20 cm深的土壤碳質(zhì)量分數(shù)要略高于退耕還林地，其余土層碳質(zhì)量分數(shù)均略低于后者，但這2種恢復(fù)方式下每層土壤碳質(zhì)量分數(shù)差異并不顯著。

在碳儲量方面，退耕還林地土壤總碳儲量略高于農(nóng)田撂荒地，但兩者之間沒有顯著差異（P＞0.05）（表6）。土壤碳儲量在水平分布上，除0～10 cm以及10～20 cm土壤層碳儲量為農(nóng)田撂荒地高于退耕還林地外，其余土層碳儲量大小正好相反。在垂直分布上，農(nóng)田撂荒地土壤層碳儲量隨土壤深度的增加逐漸減??；退耕還林地土壤碳儲量大小依次為20～40 cm＞0～10 cm＞40～60 cm＞10～20 cm＞60～80 cm。由此可見，盡管農(nóng)田撂荒地與退耕還林地土壤總碳儲量沒有顯著差異（P＞0.05），但是在各土壤層分布方面卻有一些不同。

表6 2種恢復(fù)方式下土壤碳儲量及分配Table 6 Carbon storage and allocation of soil under two rehabilitation approaches

表7 2種恢復(fù)方式生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及分配Table 7 Carbon storage and allocation of ecosystem under two rehabilitation approaches

2.6 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及分配特征

退耕還林地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量是農(nóng)田撂荒地的1.5倍，兩者具有顯著差異（P＜0.05）（表7）。由此說明，恢復(fù)14 a的退耕還林地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力要優(yōu)于恢復(fù)相同年限的農(nóng)田撂荒地。在碳分配方面，農(nóng)田撂荒地的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量以土壤碳儲量為主，占總碳儲量的72.39%，其次是喬木層；而在退耕還林地中，土壤碳庫與喬木層碳庫對生態(tài)系統(tǒng)的貢獻率大小相近，所占比率分別為50.13%和47.34%。除土壤層和喬木層外，其余各層對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的貢獻率大小均為凋落物層＞草本層＞灌木層，但各部分碳儲量所占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的比例有所不同。在農(nóng)田撂荒地中，凋落物層、草本層、灌木層碳儲量所占比例依次為0.81%，0.81%和0.23%；在退耕還林地中，各部分碳儲量所占比例依次為2.23%，0.23%和0.04%。

3 結(jié)論

本研究中，退耕還林地的生物量碳儲量（75.26±8.88）t·hm-2要明顯高于農(nóng)田撂荒地（27.67±4.04）t·hm-2，前者是后者的2.72倍。其中，退耕還林地喬木層、凋落物層碳儲量要遠高于農(nóng)田撂荒地，但后者的林下植被層碳儲量要高于前者。此外，在2種恢復(fù)方式下，生物量碳儲量的分配均為喬木層＞凋落物層＞草本層＞灌木層。

在2種恢復(fù)方式下土壤碳質(zhì)量分數(shù)均隨土壤深度的增加而減小。退耕還林地0～80 cm深土壤碳儲量略高于農(nóng)田撂荒地，但兩者并沒有顯著差異（P＞0.05）。農(nóng)田撂荒地的表層土壤（0～20 cm）碳儲量要高于退耕還林地，其他土層則相反。

退耕還林地在恢復(fù)14 a后生態(tài)系統(tǒng)碳儲量要高于農(nóng)田撂荒地，且兩者的生態(tài)系統(tǒng)碳分配格局也有所不同。農(nóng)田撂荒地是以土壤碳庫對生態(tài)系統(tǒng)的貢獻率最高，而退耕還林地生物量與土壤碳庫對生態(tài)系統(tǒng)的貢獻率相近。

4 討論

本研究中，退耕還林地的喬木層碳儲量要高于農(nóng)田撂荒地。這主要是由于恢復(fù)14 a后，退耕還林地的杉木林已成長為中齡林，而農(nóng)田撂荒地卻只有少量的喬木，且大多為幼樹。農(nóng)田撂荒地生長環(huán)境良好，周圍是常綠闊葉林和杉木林，易于種子傳播，在恢復(fù)14 a后才出現(xiàn)少量的喬木。

農(nóng)田撂荒地的林下植被層碳儲量要高于退耕還林地，這與ZHENG等［17］研究的中國紅壤區(qū)自然恢復(fù)14 a的次生林林下植被層碳儲量要高于人工林的研究結(jié)果一致。這可能是由于退耕還林地中杉木林冠層郁閉度較高，消光系數(shù)大，林下光照較弱，灌木、草本稀疏，進而影響林下植被層碳儲量。

退耕還林地的表層土壤（0～20 cm）碳儲量要低于農(nóng)田撂荒地。這可能是由于退耕還林地受人工整地干擾的影響，表層土壤碳大量流失，但對深層土壤碳儲量影響卻不大。這與陳亮中等［18］研究三峽庫區(qū)以農(nóng)田作對照的退耕還林對土壤碳儲量的影響的結(jié)論相似。農(nóng)田撂荒地土壤碳儲量要略高于洪瑜［19］研究的湘中丘陵地區(qū)的恢復(fù)30 a的撂荒地（61.38 t·hm-2），說明撂荒地周圍環(huán)境不同，其固碳能力有所差異。2種恢復(fù)方式下的土壤碳儲量均高于張偉暢等［20］估算的湖南洪江市農(nóng)田土壤碳儲量（40.48 t·hm-2）。這說明退耕地?zé)o論是自然恢復(fù)還是人工恢復(fù)都有助于土壤碳的固定。

退耕還林地的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量要高于農(nóng)田撂荒地，說明耕地在這一時段內(nèi)采用人工恢復(fù)的方式較自然恢復(fù)固碳能力更強。這與施志娟［21］得出的自然恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量高于人工恢復(fù)的結(jié)論相反。本研究中，耕地在2種恢復(fù)方式下生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的差異主要是由于2種恢復(fù)方式對其喬木層碳儲量的差異較大。

總的來說，退耕還林對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球氣候變化有重要意義，然而耕地的自然恢復(fù)更有利于林下植被層的碳積累。在本研究中，只考慮了耕地恢復(fù)14 a后的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量大小，故不知道如果在較長的時間尺度下，2種恢復(fù)方式生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的差異是否仍舊如本研究結(jié)果一樣。再者，退耕還林地中造林樹種的不同會導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的不同，農(nóng)田撂荒地周圍環(huán)境不同也會導(dǎo)致其演替進程的不同，進而會影響兩者比較的結(jié)果。因此，關(guān)于耕地的2種恢復(fù)方式對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響還有待進一步研究。此外，本研究僅估算了耕地在造林和撂荒方式下的碳儲量，并未考慮耕地在2種恢復(fù)方式下的碳儲量變化以及在造林過程中產(chǎn)生的碳排放問題。在未來的研究中，可以進一步核算耕地造林產(chǎn)生的碳匯。

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