生態(tài)恢復(fù)對紅壤侵蝕地土壤有機(jī)碳組成及穩(wěn)定性的影響

江淼華, 呂茂奎, 林偉盛, 謝錦升,*,楊玉盛

1 閩江學(xué)院海洋學(xué)院地理科學(xué)系, 福州 350108 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

在全球氣候變化背景下，如何恢復(fù)退化土壤的固碳能力是當(dāng)代生態(tài)學(xué)和土壤學(xué)最關(guān)注的焦點(diǎn)問題和優(yōu)先領(lǐng)域之一。通過造林、改善農(nóng)林業(yè)的管理是增加退化土壤碳固定和減緩大氣CO2濃度增加的重要方法[1]，具有成本低、潛力大和可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。我國土壤退化嚴(yán)重，如何增加退化土壤的碳匯已成為我國亟待解決的重大戰(zhàn)略性科學(xué)問題[2]。南方紅壤區(qū)是僅次于黃土高原的第二大侵蝕退化區(qū)，特別是花崗巖發(fā)育的紅壤大面積嚴(yán)重退化，碳密度低，固碳潛力大[2- 3]，因此增加侵蝕退化紅壤的固碳能力對我國氣候變化國際談判具有重要意義。生態(tài)恢復(fù)的主要目標(biāo)是恢復(fù)植被與土壤肥力，已有的研究大多關(guān)注紅壤侵蝕地生態(tài)恢復(fù)對生物多樣性、水土保持功能、土壤養(yǎng)分以及小氣候的影響[3]。土壤有機(jī)碳是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，近年來土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的研究倍受關(guān)注[4- 5]。福建省長汀縣是南方典型的紅壤侵蝕區(qū)，自20世紀(jì)80年代至今，水土保持得到了當(dāng)?shù)卣某掷m(xù)重視，該區(qū)先后對此類退化系統(tǒng)生態(tài)進(jìn)行了大量的恢復(fù)與重建工作，“紅色沙漠”已變成滿山翠綠，極大地改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境[2]。生態(tài)環(huán)境改善后，準(zhǔn)確評價(jià)生態(tài)恢復(fù)對侵蝕紅壤區(qū)土壤有機(jī)碳，尤其是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定過程中土壤中不同有機(jī)碳組分的動態(tài)變化，對于今后生態(tài)恢復(fù)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)是由不同分解階段和不同周轉(zhuǎn)速率的有機(jī)物組成。目前，多數(shù)研究采用物理分組法(如振蕩分散或重液懸浮)分離出分布在團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)質(zhì)，用來解釋不同SOM庫與土壤結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[6]，或解釋土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和分解過程[7- 9]。按照粒徑大小可將SOM分為顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(Particulate Organic Matter, POM, >53 μm)和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)(Mineral-associated Organic Matter, MOM, <53 μm)[6]。其中，顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)通常由新近的未分解或半分解的動植物殘?bào)w組成，其介于土壤“活性庫”與“惰性庫”之間有機(jī)質(zhì)的“慢庫”，對環(huán)境條件變化敏感[10]，而礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)是與粘粒和粉粒結(jié)合的那部分碳，其周轉(zhuǎn)慢且穩(wěn)定[10- 11]。通常利用POC/MOC值來反映土壤有機(jī)碳的質(zhì)量和穩(wěn)定程度[12- 14]。因此，本研究應(yīng)用土壤有機(jī)碳物理分組方法，結(jié)合時(shí)空代換法，探討紅壤侵蝕地植被恢復(fù)過程馬尾松林表層土壤不同組分有機(jī)碳含量及其分配比例的變化，揭示紅壤侵蝕地馬尾松恢復(fù)過程中土壤固碳機(jī)制的演變過程及長期有效性，以期為今后侵蝕地生態(tài)恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

長汀縣河田鎮(zhèn)地處福建西南部汀江上游，l16°18′—116°31′E，25°33′—25°48′N，海拔300—500 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量、蒸發(fā)量分別為1700 mm和1403 mm；年平均氣溫17.5—19.2℃，平均無霜期為260 d，平均日照時(shí)數(shù)為1924.6 h，≥10℃積溫為4100—4650℃。該鎮(zhèn)屬長汀縣最大的河谷盆地，四周被低山高丘所環(huán)抱，中部開闊；土壤主要為燕山運(yùn)動早期形成的中粗?；◢弾r發(fā)育的紅壤，可蝕性較高，原有地帶性植被(常綠闊葉林)基本破壞殆盡，現(xiàn)有植被主要以馬尾松(Pinusmassoniana)次生林和人工林為主?；◢弾r風(fēng)化殼深厚(一般深度為10 m，有的可厚達(dá)百米)，降雨侵蝕力高，加之植被的大面積破壞使得河田鎮(zhèn)成為全國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，許多地方的表層土壤已被剝蝕殆盡，后期的植被恢復(fù)極為困難。

本研究選取的不同恢復(fù)年限樣地土壤母巖一致，成土條件相同，地形條件及地表生態(tài)過程相似，所選樣地治理前土壤侵蝕狀況以及土壤有機(jī)質(zhì)含量與侵蝕裸地(CT1)基本一致。因此，不同恢復(fù)年限馬尾松林土壤有機(jī)質(zhì)的差異主要由植被恢復(fù)和治理措施引起的植物生長條件差異及土壤生態(tài)過程差異造成。試驗(yàn)地基本概況見表1。

表1 試驗(yàn)地概況

2 研究方法

2.1 土樣采集

于2011年7月在每個(gè)試驗(yàn)地設(shè)立3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，分別進(jìn)行本底和生物量調(diào)查。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地上用內(nèi)徑為5 cm的土鉆按照S形隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合的原則取樣，取8—10個(gè)點(diǎn)，使每個(gè)樣地有3組0—10 cm和10—20 cm土層混合土樣。

2.2 土壤有機(jī)C含量測定

土壤有機(jī)C含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀高溫外加熱氧化法，土壤全氮采用全自動凱氏定氮法，不同粒徑土壤有機(jī)碳氮采用碳氮元素分析儀(Vario Max CNS，德國)測定。

2.3 物理分組

具體測定方法參照Carter等[15]：稱取經(jīng)過2 mm篩的風(fēng)干土樣20 g，放在250 mL的塑料瓶中，加入100 mL濃度為5 g/L的六偏磷酸鈉((NaPO3)6)溶液，用往復(fù)震蕩器震蕩2 h(90 r/min)。把分散液和土壤全部置于53 μm和250 μm套篩上，用細(xì)水流沖洗樣品至瀝濾液澄清(即不含細(xì)土顆粒為止)，轉(zhuǎn)移篩上土壤至預(yù)先稱重的燒杯中，在60℃下過夜烘干稱量，根據(jù)篩網(wǎng)孔徑大小分為粗顆粒態(tài)有機(jī)碳(coarse POC, cPOC, >250 μm)和細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳(fine POC, fPOC, 53—250 μm)，篩下土壤為礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC, <53 μm)。根據(jù)各部分的重量計(jì)算出各組分占整個(gè)土壤樣品質(zhì)量的比例，通過分析烘干樣品中有機(jī)碳含量，計(jì)算不同粒徑土壤有機(jī)碳數(shù)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

文中各組分有機(jī)碳含量的凈增加量為不同恢復(fù)年限下各組分含量減去相應(yīng)對照(CT1)的差值。所有數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析在Excel 2007和SPSS 17.0軟件下進(jìn)行，方差分析采用LSD法，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價(jià)不同因子間的相關(guān)關(guān)系，顯著性水平設(shè)為α=0.05，用Excel 2007軟件作圖。

圖1 植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳含量的變化 Fig.1 The change of soil organic carbon content during the ecological restoration圖中CT1表示恢復(fù)前對照(侵蝕裸地)，CT2表示恢復(fù)后對照(次生林)，同一土層不同小寫字母表示樣地間差異顯著(P<0.05)，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳含量的變化

圖1表明，植被恢復(fù)過程中侵蝕地表層(0—20 cm)土壤有機(jī)碳含量顯著增加，其中以0—10 cm土層增加更顯著。在植被恢復(fù)10 a時(shí)，與對照(CT1)相比，0—10 cm土壤有機(jī)碳含量極顯著增加(P<0.01)，比CT1增加了2.4倍，而10—20 cm土壤有機(jī)碳含量與CT1無顯著差異；植被恢復(fù)30 a后，0—10 cm土壤有機(jī)碳含量極顯著高于CT1以及恢復(fù)10 a的治理措施樣地；而10—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量極顯著高于CT1，但與恢復(fù)10 a的治理措施樣地?zé)o顯著差異。這說明植被恢復(fù)優(yōu)先影響0—10 cm土層，隨著治理年限的增加，才逐漸促進(jìn)下層土壤有機(jī)碳的積累。植被恢復(fù)到30 a后，土壤有機(jī)碳含量仍顯著低于恢復(fù)后的對照(CT2)，說明侵蝕地仍有較大的固碳潛力。

3.2 土壤顆粒態(tài)機(jī)碳含量的變化

植被恢復(fù)過程中，土壤粗顆粒態(tài)有機(jī)碳(cPOC)和細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳(fPOC)含量均遞增趨勢，不同土層兩個(gè)粒徑POC含量差異顯著(圖2)。植被恢復(fù)10 a時(shí)，0—10 cm土層土壤有機(jī)碳主要以fPOC的形式積累，兩個(gè)土層cPOC含量并未顯著增加。與植被恢復(fù)10 a相比，恢復(fù)至30 a后，0—10 cm土層土壤cPOC含量的增加量明顯高于fPOC組分，也極顯著高于植被恢復(fù)10 a時(shí)該組分的有機(jī)碳含量(P<0.01) (圖3)；然而，10—20 cm土層fPOC含量仍顯著高于10 a的治理樣地，同時(shí)土壤cPOC含量仍沒有得到顯著提高，說明植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳優(yōu)先在fPOC中積累，而且對亞表層土壤cPOC組分的影響仍需要更長的植被恢復(fù)過程。

圖2 植被恢復(fù)過程中土壤不同組分的有機(jī)碳含量Fig.2 The soil organic carbon content of different size fraction during the ecological restoration圖中CT1表示恢復(fù)前對照(侵蝕裸地)，CT2表示恢復(fù)后對照(次生林); cPOC, 粗顆粒態(tài)有機(jī)碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳 fine particulate organic carbon; MOC, 礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳mineral associated organic carbon; 同一組分不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

土壤POC(cPOC+fPOC)作為土壤有機(jī)碳的活性碳組分，其占土壤有機(jī)碳的比例在一定程度上能夠指示土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。由表2可以看出，植被恢復(fù)10 a，0—10 cm和10—20 cm土層POC/SOC分別為64.1%和46.7%；植被恢復(fù)至30 a后，兩個(gè)土層POC/SOC相對減小，且逐漸接近于CT2。此外，cPOC/SOC明顯小于fPOC/SOC，隨著恢復(fù)年限增加，cPOC/SOC逐漸增加。

圖3 植被恢復(fù)過程中土壤不同組分有機(jī)碳含量的凈增加量Fig.3 The net increase of different size soil organic carbon content during the ecological restorationcPOC, 粗顆粒態(tài)有機(jī)碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳 fine particulate organic carbon; MOC, 礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳mineral associated organic carbon; *表示與對照間差異顯著(P<0.05)，**表示與對照間極顯著差異(P<0.01)，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

3.3 礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的變化

植被恢復(fù)過程中礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)也呈遞增趨勢(圖2)。通過10年的恢復(fù)時(shí)期并未顯著增加土壤MOC含量，直到30 a時(shí)，與CT1相比0—10 cm和10—20 cm土壤MOC含量的積累量均達(dá)到顯著或極顯著水平(P<0.05或P<0.01)(圖3)，分別增加了6.45 g/kg和2.91 g/kg。

由表1可知，長期受到土壤侵蝕影響的CT1土壤MOC含量占總有機(jī)碳比例的65.7%以上。通過植被恢復(fù)措施的治理，MOC/SOC逐漸減小，這是顆粒態(tài)有機(jī)碳含量優(yōu)先增加所引起。植被恢復(fù)10 a傾向于增加fPOC含量，在短期內(nèi)難以快速提高土壤MOC含量，因?yàn)檫@部分是土壤的惰性碳庫。

表2 植被恢復(fù)過程中各土層土壤不同組分有機(jī)碳分配比例

表中CT1表示恢復(fù)前對照(侵蝕裸地)，CT2表示恢復(fù)后對照(次生林); cPOC, 粗顆粒態(tài)有機(jī)碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳 fine particulate organic carbon; MOC, 礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳mineral associated organic carbon

3.4 POC/MOC比值的變化

一般而言，POC/MOC比值越大，土壤有機(jī)質(zhì)越不穩(wěn)定。由圖4表明，植被恢復(fù)過程中POC/MOC比值呈先升高后降低趨勢，與CT1相比，植被恢復(fù)10 a和30 a，土壤POC/MOC比值均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，說明植被恢復(fù)初期土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性相對較低。不同樣地表層土壤POC/MOC比值均顯著高于亞表層(P<0.05)，且10—20 cm土層POC/MOC比值均小于1，說明亞表層土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性高于表層，同時(shí)土壤MOC構(gòu)成了亞表層土壤碳庫的主要部分。

3.5 不同土壤有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量的相關(guān)性

相關(guān)分析表明，紅壤侵蝕地植被恢復(fù)10 a，土壤cPOC和MOC與SOC相關(guān)性均不顯著，而fPOC與SOC極顯著相關(guān)(表3)，植被恢復(fù)30 a后，土壤POC和MOC與SOC均達(dá)到極顯著相關(guān)，說明植被恢復(fù)初期(0—10 a)，主要以fPOC形式積累，隨后fPOC逐漸向MOC和cPOC轉(zhuǎn)化。

圖4 植被恢復(fù)過程中土壤POC/MOC比值的變化 Fig.4 The change of the POC/MOC ratios during the ecological restoration圖中CT1表示恢復(fù)前對照(侵蝕裸地)，CT2表示恢復(fù)后對照(次生林);同一土層不同小寫字母表示樣地間差異顯著(P<0.05)，同一樣地不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

表3植被恢復(fù)過程中不同土壤有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量的相關(guān)性

Table3Therelationshipbetweenthedifferentfractioncontentandtotalcontentofsoilorganiccarbonduringecologicalrestoration

顆粒有機(jī)碳Particulate organic carbon試驗(yàn)地SiterPcPOCCT10.0880.86910 a0.6630.15230 a0.994**0.001CT20.972**0.000fPOCCT10.986**0.00010 a0.945**0.00430 a0.961**0.002CT20.959**0.002MOCCT10.977**0.00110 a0.7710.07330 a0.948**0.004CT20.935**0.006

表中CT1表示恢復(fù)前對照(侵蝕裸地)，CT2表示恢復(fù)后對照(次生林); cPOC, 粗顆粒態(tài)有機(jī)碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳 fine particulate organic carbon; MOC, 礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳mineral associated organic carbon

4 討論

4.1 植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳的分配模式

侵蝕退化地采取生態(tài)恢復(fù)措施后，顯著增加了土壤碳吸存[16]。植被恢復(fù)過程中，林地植被覆蓋度明顯增加，馬尾松的生長也得到促進(jìn)(表1)，一方面直接減少了土壤有機(jī)碳的流失，另一方面則通過凋落物及死亡的根系的養(yǎng)分歸還，增加了土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入量，進(jìn)而顯著增加了土壤有機(jī)碳含量及儲量[2,17]。因此，隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤有機(jī)碳含量呈上升趨勢。

依據(jù)土壤有機(jī)碳在土壤中的存在狀態(tài)，土壤有機(jī)碳分為顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。植被恢復(fù)過程中，土壤有機(jī)碳含量顯著提高，土壤中不同組分的有機(jī)碳含量也相應(yīng)增加。侵蝕地植被恢復(fù)后，林地覆蓋度增加，土壤有機(jī)質(zhì)輸入增加。有機(jī)碳在土壤不同組分中積累，從而促使土壤有機(jī)碳含量增加。Guggenberger等[18]指出在合理的土地利用系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)增長主要表現(xiàn)在顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)的變化上。土壤POC主要來源于新鮮植物殘?bào)w的輸入，在植被恢復(fù)初期，由于治理措施(如，施肥、整地等)促進(jìn)了馬尾松和林下植被的快速生長[19]，林地植被覆蓋顯著提高，建立了凋落物和細(xì)根的物質(zhì)循環(huán)途徑，凋落物歸還量顯著提高。此外，由于細(xì)顆粒有機(jī)碳優(yōu)先富集[20]，因此，土壤fPOC含量顯著增加，該組分占總有機(jī)碳的50.5%，這與相關(guān)研究相似，即土壤POC含量占總碳10%以上，而且可高達(dá)30%—85%[21- 22]。另外，根據(jù) SOC的飽和理論，有機(jī)碳首先在細(xì)顆粒中累積，當(dāng)粘粒含量相對較低、有機(jī)質(zhì)來源豐富、與粘粒結(jié)合的有機(jī)質(zhì)量達(dá)到飽和時(shí)，有機(jī)質(zhì)開始轉(zhuǎn)向粗顆粒中累積[20]，因此植被恢復(fù)10 a并未顯著增加土壤cPOC含量，恢復(fù)至30 a后，與恢復(fù)10 a相比，土壤fPOC含量沒有顯著變化，而土壤cPOC和MOC均顯著增加。通過對10—20 cm土層cPOC和MOC含量的研究發(fā)現(xiàn)，盡管植被恢復(fù)30 a之久，土壤cPOC含量仍未顯著增加，而土壤MOC含量增加量已達(dá)到顯著水平，這也進(jìn)一步證實(shí)了SOC的飽和理論[20]。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)10 a，土壤cPOC和MOC與SOC相關(guān)性均不顯著，而fPOC與SOC極顯著相關(guān)(表3)，植被恢復(fù)30 a后，土壤POC和MOC與SOC均達(dá)到極顯著相關(guān)，這充分反應(yīng)了植被恢復(fù)過程土壤有機(jī)碳在土壤中積累特征，即植被恢復(fù)初期(0—10 a)，主要以fPOC形式積累，隨后fPOC逐漸向MOC和cPOC轉(zhuǎn)化，且fPOC含量處于相對穩(wěn)定的水平，最終不同組分有機(jī)碳的碳分配模式逐漸趨近于CT2。

4.2 植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性

POC表征土壤中易被利用的活性有機(jī)碳，而MOC表征了土壤中相對穩(wěn)定且周轉(zhuǎn)期長的有機(jī)碳， 因此POC/MOC比值在一定程度上反映了土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[12]。一般而言，POC/MOC比值越大，土壤有機(jī)質(zhì)活性較高，易受土壤侵蝕和礦化等影響。本研究中，植被恢復(fù)過程中POC/MOC值呈先升高后趨近于CT2的趨勢，唐光木等[23]研究了新疆綠洲農(nóng)田不同開墾年限土壤POC/MOC值同樣也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是因?yàn)橹脖换謴?fù)初期(0—10 a)施肥[24]、整地等治理措施使得土壤物理、化學(xué)和微生物學(xué)特性得到顯著改善，植被快速生長，動植物殘?bào)w和腐殖化物質(zhì)顯著增加，土壤POC含量顯著提高，使得POC/MOC值增大。經(jīng)過30 a的恢復(fù)期后，土壤POC/MOC值相對降低，趨近于相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)CT2，因?yàn)殚L期生態(tài)恢復(fù)后土壤生物、化學(xué)、物理特性相對穩(wěn)定，有機(jī)物的輸入和輸出之間達(dá)到相對平衡，非保護(hù)性顆粒態(tài)有機(jī)碳逐漸向穩(wěn)定性礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，因此，POC/MOC值呈現(xiàn)下降的趨勢，土壤有機(jī)碳較穩(wěn)定，不易被生物所利用。而且亞熱帶馬尾松林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性是最接近常綠闊葉林[25]，甚至比闊葉人工林土壤穩(wěn)定性高[26]，說明在紅壤侵蝕地上建植馬尾松林對增加退化土壤碳固定和減緩大氣CO2濃度增加具有重要意義。

5 結(jié)論

侵蝕退化地生態(tài)恢復(fù)顯著提高了土壤有機(jī)碳及不同組分有機(jī)碳含量。生態(tài)恢復(fù)10 a，土壤有機(jī)碳主要以fPOC形式積累，但穩(wěn)定性較差；隨著生態(tài)恢復(fù)年限增加，表層土壤fPOC含量相對不變，cPOC和MOC含量均顯著增加，說明生態(tài)恢復(fù)過程中土壤固碳模式符合SOC飽和理論。生態(tài)恢復(fù)過程中土壤POC/MOC比值呈先升高后降低的趨勢，說明隨著生態(tài)恢復(fù)時(shí)間的增加，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性逐漸提高。因此，生態(tài)恢復(fù)對于侵蝕地碳固定的長期有效性具有重要意義。