南亞熱帶不同造林模式碳匯林土壤碳積累與碳匯功能

徐英明,虞依娜,*,李 鑫,李 昊,何明威,林 森

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣州 510642 2 廣東省梅州市五華縣林業(yè)局,梅州 514400

工業(yè)革命以后,由于化石燃料的大量使用和土地利用方式的變化,大氣中CO2快速升高[1],大氣CO2的吸收與固定是緩解全球變暖的有效途徑之一[2-4]。土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫(kù)之一,在緩解全球氣候變化,特別是全球氣候變暖方面發(fā)揮著重要作用[5-6]。造林和再造林是固定吸收大氣CO2重要途徑[7-9],森林成長(zhǎng)過(guò)程中,樹木的生長(zhǎng)與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加,能夠有效固定大氣中的CO2,是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳匯[10]。同時(shí),土壤碳周轉(zhuǎn)速率慢,受各種干擾影響小,因此通過(guò)造林提高大氣CO2在土壤中的吸收,最后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì),從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,對(duì)解緩全球氣候變化意義重大[11]。

碳匯造林是指在確定了基線情景的土地上,以增加碳匯為主要目的,采取一種或幾種有別于基線情景的經(jīng)營(yíng)管理措施,并對(duì)造林及其林分生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)施碳匯計(jì)量和監(jiān)測(cè)而開展的有特殊要求的營(yíng)造林活動(dòng),具有嚴(yán)格的方法學(xué)和技術(shù)支持[12-14]。REDD+(Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation)(減少森林砍伐與森林退化引起的碳排放)在2009年哥本哈根COP15大會(huì)后被列入世界森林減排范疇,成為今后最具潛力的森林增匯減排措施,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[15-16]。不少學(xué)者研究了造林后土壤碳的變化,如劉延惠等[17]研究了寧夏六盤山華北落葉松(Larixprincipis upprechtii)人工林土壤全碳含量變化,結(jié)果表明造林后土壤碳含量呈現(xiàn)先下降后上升的變化過(guò)程,其對(duì)造林干擾的敏感程度隨土層加深而減弱；Paul等[18]統(tǒng)計(jì)分析了世界范圍內(nèi)43個(gè)課題涉及的204塊樣地,結(jié)果表明造林后初始5年的土壤碳儲(chǔ)量約下降3.64%,之后土壤碳儲(chǔ)量逐年增大。也有學(xué)者對(duì)不同造林模式的人工林生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)造林模式對(duì)人工林碳儲(chǔ)量有重要影響[9,19]。李鐵華等[20]曾對(duì)湖南溆浦馬尾松人工林封育后的效果進(jìn)行分析,結(jié)果表明封育后,土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著提高；胡庭興等[21]通過(guò)總結(jié)四川柏木低效防護(hù)林改造的成果得到,在補(bǔ)植混交后,土壤有機(jī)質(zhì)含量由1.47%增加到2.47%。然而,對(duì)于不同造林模式(如：新造林、封山育林、補(bǔ)植套種)碳匯林土壤碳累積與碳匯功能方面的研究而尚不多見。

本研究選擇立地條件(土壤、氣候、地貌等)基本相同的宜林山地為造林點(diǎn),通過(guò)監(jiān)測(cè)新造林(I)、封山育林(II)、補(bǔ)植套種(III)3種造林模式土壤全碳的變化,研究不同造林模式碳匯林土壤碳的積累與碳匯功能,以期為碳匯林增匯提供理論依據(jù),進(jìn)而為碳匯林造林模式的選擇與土壤固碳能力的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省梅州市五華縣,屬中低緯度南亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年均氣溫21.2℃,年均降水1519.7 mm,蒸發(fā)量1844.8 mm,冬春季節(jié)蒸發(fā)量多,占年蒸發(fā)量的36.4%。年均雷暴天數(shù)77 d,無(wú)霜期330 d。調(diào)查點(diǎn)植被屬南亞熱帶常綠闊葉林,主要樹種以杉木(Cunninghamialanceolata)、木荷(Schimasuperba)、楓香(Liquidambarformosana))和馬尾松(Pinusmasoniana)為主。

研究區(qū)碳匯林距五華縣林業(yè)局約15 km,碳匯造林集中在2012年,區(qū)內(nèi)造林樹種為馬尾松和木荷,以幼林和中齡為主,碳匯造林年限為5年。植物垂直分布不明顯,灌草層數(shù)量多,但結(jié)構(gòu)亦較為單一。研究區(qū)土壤主要以赤紅壤為主,石塊較多,大多呈團(tuán)粒狀,本土類有機(jī)質(zhì)和氮素缺乏,但磷、鉀、鈣元素較多,由于顏色較深,吸熱強(qiáng),散熱快,吸濕性小,因此易受易受干旱和水土流失,作為廣東省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一,水土流失面積達(dá)965.22 km2[22]。

2 研究方法

2.1 碳匯造林基線情景確定

碳匯造林是林業(yè)碳匯CCER(核證自愿減排量)項(xiàng)目的類型之一,是以增加碳匯為目的,實(shí)施碳匯計(jì)量和監(jiān)測(cè)而開展的有特殊要求的營(yíng)造林活動(dòng)[5],通常要求每隔4—5年進(jìn)行一次碳匯量的監(jiān)測(cè)和核證,如果不計(jì)成本的話,可每年都監(jiān)測(cè)。其中碳匯造林開展之前需要進(jìn)行基線情景確定,基線情景指能合理的代表在沒(méi)有開展碳匯造林項(xiàng)目活動(dòng)時(shí)歷史的和現(xiàn)在的地表植被、土地利用、人為活動(dòng)和碳庫(kù)的狀況[8]。本研究在2012年碳匯造林開展前,根據(jù)研究地林業(yè)局資料記載,選取2012年之前5年就是宜林荒山,并有少量的次生林為研究點(diǎn),可保守的假定2012年之前5年研究地土壤碳、枯落物和枯死木3個(gè)碳庫(kù)處于穩(wěn)定或退化狀態(tài),其碳儲(chǔ)量變化為零,因此在對(duì)基線碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行計(jì)量時(shí),2012年實(shí)測(cè)土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)即為碳匯造林土壤全碳基線數(shù)據(jù)。

2.2 碳匯造林試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年對(duì)確定了基線情景的研究點(diǎn)進(jìn)行碳匯造林,并在研究區(qū)內(nèi)實(shí)施不同的造林模式,分別為新造林(I)、封山育林(II)和補(bǔ)植套種(III)。新造林即對(duì)確定了項(xiàng)目活動(dòng)基線的研究地,采用帶狀清理方式,以種植穴為帶狀從山頂?shù)缴侥_清除小范圍植被,重新進(jìn)行造林。封山育林即對(duì)確定了碳匯項(xiàng)目基線的研究地,利用森林的自我更新能力,除定期實(shí)行適當(dāng)?shù)娜藶橛滞?其他時(shí)間禁止放牧、墾荒、砍柴等人為活動(dòng)的破壞,并納入碳匯林管護(hù)范圍。補(bǔ)植套種即選取確定了碳匯項(xiàng)目基線的研究地,對(duì)老齡枯死樹木采伐后,進(jìn)行施肥補(bǔ)植。3種模式主要造林樹種為木荷和馬尾松。按國(guó)家林業(yè)局文件[14]《造林項(xiàng)目碳匯計(jì)量與監(jiān)測(cè)指南》,在每個(gè)造林模式下設(shè)置3個(gè)重復(fù)20 m×20 m的樣方,共9個(gè)樣方,作為固定樣地進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)研究土壤碳的持續(xù)變化,樣地基本概況參見表1。

Ⅰ：新造林 New afforestation；Ⅱ：封山育林 Closed mountain afforestation；Ⅲ：補(bǔ)植套種 Replanting

2.3 土壤樣品采集與處理

本研究分別于造林前(2012年)和造林后(2016年)進(jìn)行土壤采樣與處理。每個(gè)20 m×20 m的樣方內(nèi)按照“品”字型采樣法選擇3個(gè)采樣點(diǎn),除去地表凋落物后進(jìn)行采樣,采樣深度為60 cm。每個(gè)采樣點(diǎn)按0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm層采集土壤樣品。每層取環(huán)刀一個(gè)、小鋁盒一個(gè)計(jì)算土壤含水率與容重[23-24]。最后每層取土樣500 g左右,共計(jì)81個(gè)土壤帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集回來(lái)的土壤樣品自然風(fēng)干后用木棍壓碎,先過(guò)10目(2 mm篩孔),以四分法取適量樣品磨細(xì)過(guò)60目(0.2 mm篩孔)或100目(0.15 mm篩孔)測(cè)定土壤全碳含量。

2.4 土壤全碳含量的測(cè)定和碳儲(chǔ)量的計(jì)算

土壤全碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定[25]。采用下式計(jì)算土壤單位面積碳儲(chǔ)量[26]：

土壤碳儲(chǔ)量：T(Mg C/hm2)=∑0.1Ei×Di×Ci(1-Gi)

式中,Ei代表第i層土層厚度(cm)；Di代表第i層土壤容重(g/cm3)；Ci代表第i層土壤全碳含量(g C/kg)；Gi代表第i層直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)；0.1為單位換算系數(shù)。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析造林前后土壤全碳含量和碳儲(chǔ)量的差異性,采用單因素方差分析法分析不同造林模式變化量組合之間的全碳含量和碳儲(chǔ)量差異顯著性,并進(jìn)行多重比較,研究不同造林模式對(duì)2012—2016年土壤全碳含量和碳儲(chǔ)量的影響。最后運(yùn)用GraphPad Prism 7.0成圖,文中圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同造林模式碳匯林土壤全碳含量分析

土壤容重結(jié)果表明：造林前后土壤容重均呈現(xiàn)出隨土層深度增加而增加,造林前(2012年)與造林后(2016年),3種造林模式土壤容重?zé)o顯著差異(P>0.05),然而造林后土壤容重相比造林前總體上降低,說(shuō)明碳匯造林改善了土壤物理性狀(表2)。

表2 各造林模式對(duì)土壤容重的影響

各造林模式的樣本數(shù)為27;各年份同一列不同小寫字母表示不同造林模式間差異顯著(P<0.05)

表3 各造林模式對(duì)土壤碳含量的影響

各年份同一行不同大寫字母表示不同土壤層間差異顯著(P<0.05)；各年份同一列不同小寫字母表示不同造林模式間差異顯著(P<0.05)

造林前后全碳含量結(jié)果分析：2012年,3種造林模式土壤全碳含量與土壤容重,不同造林模式之間土壤全碳含量無(wú)顯著差異,且表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低。各造林模式0—20 cm土層土壤全碳含量最高,介于(3.036±0.631)—(4.742±1.776) g C/kg之間,分別是20—40 cm層1.253—2.018倍和40—60 cm層的1.419—3.370倍。經(jīng)過(guò)接近5年碳匯造林,2016年3種模式之間土壤全碳含量存在顯著差異(P<0.05),尤其表層土差異更為顯著。通過(guò)對(duì)造林前后土壤碳含量統(tǒng)計(jì)分析表明,造林前后土壤碳含量差異顯著(P<0.05),說(shuō)明碳匯造林對(duì)土壤碳含量產(chǎn)生較大影響(表3)。

2012—2016年,3種造林模式全碳含量累計(jì)變化量結(jié)果表明：2012—2016年間,0—20 cm土層中模式III土壤全碳含量增加最多,為3.021 g C/kg,而模式I減少了0.861 g C/kg,減少最多；20—40 cm層中依然模式III增加最多,為2.629 g C/kg,I模式減少了0.172 g C/kg；40—60 cm層中,模式II土壤全碳含量增加最多,為2.315 g C/kg,模式I減少最多,為0.228 g C/kg。3種造林模式3個(gè)土層土壤碳含量變化量的多重比較結(jié)果表明：模式I與模式III差異極顯著(P<0.01),而模式I與模式II土壤全碳含量變化量差異顯著(P<0.05),模式II與模式III土壤全碳含量變化量差異較顯著(P<0.05)。說(shuō)明模式I碳含量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),下降最多,而模式III下土壤碳含量增加最多,模式III表現(xiàn)出明顯的碳匯效應(yīng)(表4)。

表4 不同造林模式2012—2016年土壤碳含量變化量

同一列不同小寫字母表示不同造林模式間差異顯著(P< 0.05)

3.2 不同造林模式碳匯林土壤碳儲(chǔ)量分析

造林前后碳儲(chǔ)量結(jié)果分析：2012年3種造林模式土壤碳儲(chǔ)量隨土層深度的增加而減少,3種造林模式(0—60 cm)土壤碳儲(chǔ)量由大到小依次為補(bǔ)植套種(III)>新造林(I)>封山育林(II),統(tǒng)計(jì)分析表明不同造林模式造林前(2012年)土壤碳儲(chǔ)量差異不顯著(P>0.05)。而碳匯造林5年后(2016年),3種造林模式(0—60 cm)土壤碳儲(chǔ)量由大到小依次為補(bǔ)植套種(III)>封山育林(II)>新造林(I),3種造林模式土壤碳儲(chǔ)量差異顯著(P< 0.05)(表5)。

表5 各造林模式對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響

各年份同一行不同大寫字母表示不同土壤層間差異顯著(P< 0.05)；各年份同一列不同小寫字母表示不同造林模式間差異顯著(P< 0.05)

圖1 不同造林模式土壤碳儲(chǔ)量的變化情況 Fig.1 The changes of soil carbon storage in different afforestation patterns圖中不同小寫字母表示不同造林模式間差異顯著P < 0.05;Ⅰ：新造林 New afforestation；Ⅱ：封山育林 Closed mountain afforestation；Ⅲ：補(bǔ)植套種 Replanting

2012—2016年3種造林模式碳儲(chǔ)量累計(jì)變化量結(jié)果表明：2012—2016年間,模式I 0—60 cm土壤碳儲(chǔ)量減少了1.826 Mg C/hm2。模式III 0—60 cm土壤碳儲(chǔ)量增加,且增加最多,為23.093 Mg C/hm2,說(shuō)明補(bǔ)植套種(III)模式有利于碳匯林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加。不同造林模式土壤碳儲(chǔ)量變化量多重比較結(jié)果表明：新造林(I)模式與補(bǔ)植套種(III)模式土壤碳儲(chǔ)量變化量差異極顯著(P<0.01),新造林(I)模式與封山育林(II)模式土壤碳儲(chǔ)量變化量差異顯著(P<0.05),而封山育林(II)模式與補(bǔ)植套種(III)模式土壤碳儲(chǔ)量變化量差異不顯著(P>0.05)。各造林模式土壤碳儲(chǔ)量變化量呈現(xiàn)出補(bǔ)植套種(III)>封山育林(II)>新造林(I)(圖1)。

4 結(jié)論與討論

(1)造林前后土壤碳儲(chǔ)量差異顯著(P<0.05),且土壤碳儲(chǔ)量在0—20 cm土層最高,隨土層加深而減少。鄭順安等[27]的研究表明,森林凋落物的分解、對(duì)大氣中含碳?xì)怏w的吸收、大氣含碳物質(zhì)的沉降及巖石的風(fēng)化是森林土壤中碳素的重要來(lái)源,其中凋落物是森林土壤中碳的主要來(lái)源。土壤表層有機(jī)物質(zhì)的積累主要依賴凋落物的分解,凋落物主要集中在土壤表層,而中下層土壤不能直接接收地表植物殘?bào)w,主要依靠上層的淋溶下移和地下部分植物殘?bào)w分解,導(dǎo)致土壤層有機(jī)質(zhì)含量自上而下依次減小。植物根系也主要集中在土壤表層,其垂直分布直接影響送到土壤各層次的碳及養(yǎng)分含量[28-29]。鄧?yán)っ兜萚30]研究表明,云南松成熟林的根系生物量以0—30 cm土層最多,占總根系生物量的93.7%,且大多數(shù)是粗根；<2 mm細(xì)根0—30 cm土層生物量占0—85 cm土層總細(xì)根生物量的73.5%；另外,樹木的生長(zhǎng)需要根系從深層土壤中吸收養(yǎng)分。因此,表層土壤碳的積累大于消耗,而深層土壤碳消耗大于積累。因此碳匯造林后由于林間枯落物增加以及根系的發(fā)展,使土壤全碳增加,且隨土層加深而減少,本研究得出造林前后各土層土壤碳儲(chǔ)量依次呈現(xiàn)出A層> B層> C層,正說(shuō)明說(shuō)明造林模式對(duì)表層土壤碳儲(chǔ)量影響最大。

(2)3種造林模式之間土壤碳儲(chǔ)量差異顯著,模式I起初幾年土壤碳儲(chǔ)量有一定下降,而模式II與模式III土壤碳匯效益顯著。3種造林模式土壤碳儲(chǔ)量變化量由大到小依次為補(bǔ)植套種(III)>封山育林(II)>新造林(I),其中模式I與模式III土壤碳儲(chǔ)量變化量差異極顯著(P<0.01),模式I與模式II土壤碳儲(chǔ)量變化量差異顯著(P<0.05),而模式II與模式III土壤碳儲(chǔ)量變化量差異不顯著(P>0.05)。造成這種差異可能是凋落物在不同造林模式下分布差異形成的?？萋湮锛爸脖桓凳峭寥馈脖幌到y(tǒng)碳循環(huán)最重要的聯(lián)結(jié)庫(kù),其對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和理化功能都可能施加重要的影響[31-32],一般認(rèn)為,枯落物以及根系的發(fā)展可以有效地減少或防止土壤的碳流失[33]。對(duì)土壤理化性質(zhì)和活性也具有重要的調(diào)節(jié)作用[34],并有利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成[35]。同時(shí)有研究指出,森林凋落物現(xiàn)存量的變化對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響很大[33],龔偉等[36]曾通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),凋落物以及植被根系的輸入能夠增加土壤碳生物活性,使土壤碳礦化速率增加,進(jìn)而增大土壤碳儲(chǔ)量。本研究3種造林模式下,新造林(I)模式造林后0—20 cm土層土壤碳儲(chǔ)量減少了2.233 Mg C/hm2,說(shuō)明這種模式下枯落物呈現(xiàn)減少趨勢(shì),主要是由于大多處于幼林,枯落物較少,根系發(fā)展不成熟；封山育林(II)模式造林后0—20 cm土層土壤碳儲(chǔ)量增加了7.143 Mg C/hm2,說(shuō)明這種模式下枯落物呈增長(zhǎng)趨勢(shì),主要是由于沒(méi)有人為干擾,使枯落物留存較多,根系發(fā)展較為穩(wěn)定。而補(bǔ)植套種(III)模式造林后0—20 cm土層土壤碳儲(chǔ)量增加最多,為8.670 Mg C/hm2,說(shuō)明這種模式下最利于枯落物的增加,該模式在不破壞原有林木的基礎(chǔ)上對(duì)林分進(jìn)行施肥補(bǔ)植,一方面原有地塊枯落物留存下來(lái),另一方面新造樹木又補(bǔ)給了枯落物,發(fā)展了根系,3種造林模式下枯落物量與根系發(fā)展能力由大到小依次為補(bǔ)植套種(III)>封山育林(II)>新造林(I),這與3種造林模式土壤全碳的變化規(guī)律一致。

新造林(I)模式土壤碳儲(chǔ)量減少,可能與降水造成的土壤侵蝕有關(guān),土壤侵蝕使地表枯落物流失以及損害了根系發(fā)展,該研究點(diǎn)地處南亞熱帶,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,降雨較多且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),這樣就極易造成水土流失,從而土壤碳流失[10,37]。根據(jù)五華縣政府網(wǎng)站公布以及楊永歡等研究[38],五華縣解放前水土流失就非常嚴(yán)重,1950年普查,全縣水土流失面積為681.1 km2,其中面狀流失為408.7 km2,溝狀流失為204.3 km2,崩崗流失為68.1 km2。1999年省水利廳利用衛(wèi)星遙感測(cè)得五華縣水土流失面積為541.6 km2,其中面狀流失為210.56 km2,溝狀流失為141.02 km2,崩崗為22117個(gè),流失面積為190.02 km2,土壤侵蝕模數(shù)每年為5110 t/km2,而近幾年五華縣水土流失面積965.22 km2,占梅州的1/3,五華水土流失依然嚴(yán)重。本研究中新造林(I)模式是將原有植被砍伐重新造林,這樣造成了土壤層的松動(dòng),在五華水土流失嚴(yán)重的環(huán)境下,極易造成水土流失,使土壤碳流失[39-40]。而補(bǔ)植套種(III),在原有林木的基礎(chǔ)上對(duì)林分進(jìn)行施肥補(bǔ)植,一方面,通過(guò)改變林分密度和結(jié)構(gòu),從而改變植被競(jìng)爭(zhēng),為土壤微生物活動(dòng)提供條件,分解凋落物改變土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分,另一方面由于對(duì)原林木不進(jìn)行砍伐,樹木碳儲(chǔ)量固定較為穩(wěn)定,不利于在降雨作用下造成水土流失,因此碳儲(chǔ)量增加最多[40]。而封山育林(II)不對(duì)其進(jìn)行砍伐以及人為的擾動(dòng),使得原來(lái)有林地土壤碳貯藏穩(wěn)定,然而缺少林分空間層次從而這種造林模式對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響變動(dòng)不大,增量也不顯著[20,41]。

(3)應(yīng)該加強(qiáng)造林模式多樣化的研究,篩選不同的造林模式,以提高碳匯林的碳匯功能。本文研究得出碳匯造林5年的數(shù)據(jù)顯示,封山育林(II)5年間增加了12.616 Mg C/hm2,補(bǔ)植套種(III)增加了23.093 Mg C/hm2,而李開志對(duì)四川不同改造措施馬尾松低效林土壤碳進(jìn)行研究顯示[26],5年間全砍重造林增加了15.937 Mg C/hm2,補(bǔ)植混交增加了5.510 Mg C/hm2,封山育林增加了4.431 Mg C/hm2。本文碳匯造林補(bǔ)植套種模式(III)的碳儲(chǔ)量是馬尾松改造林的4.191倍,因此,不僅需要加強(qiáng)碳匯造林技術(shù)研究,更應(yīng)該研究碳匯造林模式,使造林更加優(yōu)化,達(dá)到更好的碳匯效益,從而減緩CO2的排放,緩解全球變暖。