南方紅壤嚴重侵蝕地不同恢復年限馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量特征

劉 政, 許文斌, 田 地, 葛志強, 劉 駿, 胡亞林

(福建農(nóng)林大學 林學院 森林生態(tài)—穩(wěn)定同位素中心, 福建 福州350002)

土壤侵蝕是當今世界上最嚴重的環(huán)境問題之一，全球范圍內約1.09 ×107km2土地受到不同原因的土壤侵蝕[1]，每年導致4.00×109至6.00×109t土壤有機碳損失[2]。中國已成為世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一，土壤侵蝕區(qū)面積達3.56 ×106km2，每年大約5.50×109t土壤被侵蝕而流失[3]。中國南方紅壤丘陵區(qū)面積達1.18 ×106km2，其中水土流失區(qū)約占南方紅壤丘陵區(qū)面積的15%[4]，成為僅次于黃土高原的中國第二大水土流失區(qū)。因此，開展南方紅壤侵蝕地區(qū)植被恢復對生態(tài)系統(tǒng)影響研究具有重要價值。

植被恢復能夠減少地表徑流、提高土壤水分入滲能力，從而成為水土流失治理重要措施之一[1]。近30 a以來，在南方紅壤水土流失區(qū)開展了大規(guī)模的植被恢復，例如長汀縣植被覆蓋度由1975年30.83%提升為2013年60.34%[5]。近年來，研究人員針對中國南方紅壤丘陵區(qū)植被恢復對生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量，尤其是土壤有機碳庫儲量影響開展了一系列研究。例如，Xie等[6]研究發(fā)現(xiàn)中國南方紅壤嚴重水土流失地植被恢復24 a后馬尾松(Pinusmassoniana)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量是裸地的10倍，累積速率達每年4.88 mg/hm2。劉翥等[7]研究表明植被恢復能夠提高土壤可溶性有機質含量和化學穩(wěn)定性，有助于土壤有機碳積累。然而，Dou等[8]研究表明長汀紅壤侵蝕區(qū)馬尾松植被恢復10 a后顯著增加了土壤中凋落物來源新有機碳輸入，但土壤有機碳含量并未顯著提高。同樣，Gong等[9]研究認為南方紅壤植被恢復過程中由于土壤N，P養(yǎng)分的限制，植被恢復早期土壤有機碳積累是非常緩慢的過程。土壤侵蝕地植被恢復過程中生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化受恢復年限、土壤侵蝕強度、植被類型、地形和氣候等多種因素的影響[10-11]。雖然，針對南方紅壤植被恢復對土壤有機碳儲量影響開展了大量研究，但針對植被不同恢復階段對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，尤其1 m深度土壤碳儲量影響的研究未見報道。

中國南方汀江流域水土流失面積1.20×105hm2，其中強度侵蝕區(qū)面積占22.69%[10]。福建長汀縣位于汀江流域上游，屬于典型的花崗巖發(fā)育紅壤嚴重土壤侵蝕地區(qū)[6]。本文以長汀河田地區(qū)未恢復裸地(BL)，10，20，30 a生馬尾松人工林(PM10，PM20，PM30)以及地帶性天然次生林(NF)為研究對象，研究南方紅壤嚴重侵蝕地不同恢復年齡馬尾松人工林植被碳庫和土壤(0—10，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm)碳庫儲量特征。旨在為科學評價中國南方紅壤嚴重侵蝕區(qū)馬尾松人工林植被恢復的固碳潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)(北緯25°33′—25°48′，東經(jīng)116°18′—116°31′)，地形為河谷盆地，海拔300～500 m。該地區(qū)氣候類型屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，年均降水量約為1 737 mm，年均氣溫18.1 ℃，平均無霜期為260 d，平均日照時數(shù)1 925 h[6]。土壤為中粗?；◢弾r發(fā)育的紅壤，抗侵蝕能力低。由于長期人為干擾，帶性常綠闊葉林植被基本破壞，導致嚴重土壤侵蝕和土地退化；20世紀80年代，長汀地區(qū)陸續(xù)開始大規(guī)模水土流失地植被治理，形成以馬尾松(Pinusmassoniana)人工林為主的不同恢復階段的植被。

1.2 樣地設置

2017年5月份，在長汀縣河田鎮(zhèn)選擇海拔、坡度和坡向等立地條件基本一致的裸地(BL)，10 a生馬尾松人工林(PM10)，20 a生馬尾松人工林(PM20)，30 a生馬尾松人工林(PM30)以及地帶性天然次生林(NF)這5種類型森林。裸地為未進行植被恢復的嚴重土壤侵蝕地，由于長期水土流失土壤腐殖質聚積(A)層基本流失，過渡(B)發(fā)生層暴露，地表基本裸漏，尚有馬尾松小老頭樹以及少量鐵芒萁(Dicranopterislinearis)和野古草(Arundinellaanomala)稀疏存在。地帶性天然次生林為原始常綠闊葉林次生演替而形成的針闊混交植物群落，主要以木荷(Schimasuperba)和馬尾松為優(yōu)勢種，林下植被以黃楠(Machilusgrijsii)、梅葉冬青(Ilexasprellavar.asprella)、小蠟(Ligustrumsinense)、油茶(Camelliaoleifera)、黃梔子(Gardeniajasminoides)、石斑木(Raphiolepisindica)等灌木為主，草本主要為鐵芒萁。不同恢復年齡馬尾松人工林下植被主要以鐵芒萁為主。

1.3 樣品采集與分析

首先，在不同類型森林設置3塊重復樣地，距離1 km以上。然而，在每個樣地設置1塊10 m ×10 m調查樣方，采用每木檢尺方法測量樹高、胸徑(DBH,1.3 m)和林分密度(表1)。在每個樣方內隨機選擇3～5棵樹木，用高枝剪采集樹冠中上部樹枝，將樹枝和樹葉分開，并分別混合為1個植物樣品；同時，利用樹木生長錐鉆取3～5個樹芯樣品，并混合為1個混合樣。采用樣方框法調查凋落物層和林下植被層生物量，即在每個樣方內設置3個1 m ×1 m樣方框，將樣方框內林下植被和凋落物分別全部收集用于生物量測定。本研究未進行天然次生林地上生物量調查，相關數(shù)據(jù)引用Xie等[6]在該樣地已報道研究結果。植物樣品帶回實驗室后在65 ℃烘箱中烘干72 h至恒重，稱重，粉碎，用于植物碳含量測定。

在每個樣方內挖1 m深土壤剖面，按0—10，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm分層采集土壤樣品，同時采集不同層次根系樣品用于根系C含量測定。同時，采用環(huán)刀法測定各土層土壤容重。土壤樣品立即帶回實驗室，手撿法挑出植物殘體和石礫，室溫條件下自然風干，采用球磨儀(JXFSTPRP-64，上海凈信)進行粉碎。采用元素分析儀(vario ISOTOPE cube，艾力蒙塔，德國)測定植物和土壤樣品C含量。

表1 研究區(qū)樣地位置和林分概況

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

植被碳庫儲量采用方程(1) 計算：

PCi=PCcon×Bi×D

(1)

式中：PCi——樹木各器官(葉、枝、干、根)碳儲量(mg/hm2)；PCcon——樹木各器官(葉、枝、干、根)碳含量(g/kg)；Bi——樹木各器官生物量(kg/m2)(根據(jù)各林分樹高、胸徑和馬尾松異速生長方程[12]估算)，D——林分密度(株/hm2)。

凋落物和林下植被碳庫儲量，根據(jù)采用樣方框法實際測定單位面積生物量和植物碳含量進行計算。

土壤碳庫儲量采用方程(2)計算：

SCstock=SCcon×BD×H

(2)

式中：SCstock——土壤碳儲量(mg/hm2)；SCcon——土壤碳含量(g/kg)；BD——土壤容重(g/cm3)；H——土層厚度(cm)。

采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。首先，對數(shù)據(jù)進行方差齊次性和正態(tài)分布檢驗，如果數(shù)據(jù)非齊次性進行對數(shù)轉換。隨后，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同恢復階段植物碳庫，不同土層土壤碳含量和碳庫儲量差異顯著性(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同恢復年限馬尾松人工林植被碳庫儲量分配特征

馬尾松人工林植被恢復顯著提高植物碳庫儲量，并隨著植被恢復年齡增加，植被碳庫儲量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(表2)。與裸地(2.48 mg/hm2)相比，30 a生馬尾松人工林(79.39 mg/hm2)植被碳儲量增加31倍(p<0.001)，平均每年增加2.56 mg/hm2。馬尾松人工林恢復的0～10，20～30 a期間，植被碳儲量增加速率為2.06 mg/(hm2·a)，4.71 mg/(hm2·a)，而10～20 a期間植被碳儲量增加速率僅為每年0.92 mg/hm2。與10 a生馬尾松人工林相比，20 a馬尾松人工林凋落物(p=0.003)和林下植被(p<0.001)碳儲量顯著增加，而樹干、樹枝、樹葉和樹根各器官植物碳儲量差異均不顯著(p>0.05)。

不同恢復階段馬尾松人工林植被碳儲量均主要分配在樹干，分別占植被碳儲量45%，58%，60%和68%。隨著馬尾松植被恢復年限的增加，樹干碳儲量占植被總碳儲量的比例逐漸增加，而樹葉和樹枝碳儲量占植被總碳儲量比例逐漸降低，分別由14%和13%減少為6%和10%。

2.2 植被不同恢復階段土壤碳庫儲量特征

植被恢復時間和土層深度對土壤碳含量影響存在顯著的交互性效應(p<0.05，表3)。與嚴重侵蝕裸地相比，不同恢復年限馬尾松人工林0—10 cm深度土壤碳含量均顯著提高，但是10 a生和20 a生馬尾松人工林土壤碳含量差異不顯著(p=0.99)。0—10 cm土層，裸地、10 a和20 a生馬尾松人工林土壤碳含量均顯著低于天然次生林(p<0.05)，而30 a馬尾松人工林土壤碳含量與天然林相比差異不顯著(p=0.95)。在10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm土層，裸地和不同恢復年限馬尾松人工林土壤碳含量差異均不顯著，但顯著低于天然次生林土壤碳含量。

表2 不同恢復年限馬尾松人工林各器官碳庫儲量動態(tài)特征 mg/hm2

注：表中數(shù)值為平均值(n=3)，括號內數(shù)值為標準誤(SE)；同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

表3 天然次生林和不同恢復年限馬尾松人工林不同土層土壤碳含量特征 g/kg

南方紅壤嚴重侵蝕地，植被恢復能夠增加土壤碳儲量。與裸地(8.74 mg/hm2)相比，30 a生馬尾松人工林(27.95 mg/hm2)1 m土壤碳儲量顯著提高(p=0.007)，平均增加速率為每年0.64 mg/hm2(圖1a)。然而，30 a生馬尾松人工林土壤碳儲量依然顯著低于天然次生林(53.18 mg/hm2，p=0.001)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在南方紅壤嚴重侵蝕地馬尾松林植被恢復過程中，僅0—10 cm表層土壤碳儲量顯著增加(p<0.05)，而深層土壤碳儲量增加并不顯著(圖1b)。在0—10 cm土層，30 a生馬尾松人工林(12.94 mg/hm2)與天然次生林(12.84 mg/hm2)相比土壤碳儲量差異不顯著(p=0.95)。然而，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm土層，不同恢復年限馬尾松人工林土壤碳儲量依然顯著低于天然次生林。

注：BL為裸地；PM10，PM20和PM30分別為10 a生、20 a生和30 a生馬尾松人工林； NF為天然次生林。直方柱上方不同小寫字母表示樣地間差異水平顯著(p<0.05)。

圖1天然次生林和馬尾松人工林土壤碳庫儲量和垂直分配特征

2.3 不同恢復階段植被生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量

植被恢復能夠顯著提高生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量(圖2)。與裸地(11.23 mg/hm2)相比，10 a(42.63 mg/hm2)，20 a(51.01 mg/hm2)和30 a(107.34 mg/hm2)生馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量分別增加2.80，3.54，8.56倍。裸地土壤碳庫占生態(tài)系統(tǒng)總碳庫儲量76%，而隨著馬尾松人工林恢復年齡增加，植被碳庫儲量占生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量比例逐漸提高，土壤碳庫所占比例逐漸降低；30 a生馬尾松人工林土壤碳庫儲量僅占生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量26%。與30 a生馬尾松人工林相比，天然次生林土壤碳庫提高了90%，而植被碳庫僅提高了24%。

3 討論與結論

土壤侵蝕與植被恢復過程能夠顯著影響生態(tài)系統(tǒng)結構、過程和生態(tài)服務功能[2,10]。南方紅壤地區(qū)由于長期嚴重水土流失，該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)地表基本呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，地上植被和土壤碳儲量非常低[6,13]。因此，土壤侵蝕地區(qū)植被恢復十分必要。土壤侵蝕地植被恢復是提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲量重要措施，估計全球退化土壤植被恢復每年能夠固持碳大約3.00×1014～8.00×1014g，進而能夠有效緩解由于大氣CO2增加導致的全球氣候變化等問題[2]。本研究發(fā)現(xiàn)，南方紅壤侵蝕區(qū)馬尾松人工林植被恢復能夠顯著提高生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量，30 a生馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量提高8.56倍。Xie等[6]研究發(fā)現(xiàn)，長汀地區(qū)24 a生馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量比未治理裸地提高約10倍。同樣，藍良就[14]研究發(fā)現(xiàn)，南方紅壤未治理侵蝕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為19.12 mg/hm2，而喬、灌、草不同治理模式生態(tài)系統(tǒng)碳儲量顯著提高。雖然南方紅壤水土侵蝕區(qū)馬尾松人工林植被恢復能夠提高生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量，但30 a生馬尾松人工林態(tài)系統(tǒng)碳儲量依然顯著低于天然次生林。曹小玉等[15]報道，在南方紅壤非侵蝕地營造11，23，32 a生馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別能夠達到120.47，161.18，187.29 mg/hm2，明顯高于本研究不同恢復年齡馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量?？梢?，雖然南方紅壤侵蝕地植被恢復能夠提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，但依低于健康生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。本研究結果表明，一方面南方紅壤水土流失區(qū)恢復的馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)依然存在較大的碳增匯潛力；另一方面，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量恢復往往需要長期過程，應該加強南方紅壤地區(qū)天然林保護，避免過度人為干擾導致造成嚴重土壤侵蝕。

圖2 不同恢復年限馬尾松林和天然次生林生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量特征

南方紅壤侵蝕地植被恢復生態(tài)系統(tǒng)碳儲量提高主要是地上植被碳儲量快速增加。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著馬尾松人工林年齡增加，植被碳庫儲量占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量比例不斷提高。同時，增加的植被碳庫主要存在樹干，其次為樹根和樹枝，而林下植被碳儲量增加最少。該結果與以往研究結果基本一致，樹干和地下根系是植物碳主要存儲庫[6,14-15]。南方紅壤嚴重水土流失地區(qū)，馬尾松林植被恢復生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分依然貧瘠，林下植物群落結構單一，以芒萁等草本植物為主[16]。由于林下灌木等植被稀疏，恢復過程中馬尾松人工林林下植被碳儲量增加較小。江軍[16]研究發(fā)現(xiàn)，30 a生馬尾松人工林林下芒萁的生物量甚至低于10 a馬尾松人工林。此外，本研究發(fā)現(xiàn)隨著馬尾松人工林年齡的增加，樹干碳庫儲量占植被碳儲量比例逐漸增加。該研究結果與曹小玉等[15]不同，他們發(fā)現(xiàn)幼齡馬尾松人工林樹干碳儲量占喬木層總碳儲量70%，而成熟林樹干碳儲量所占比例下降為60%。其原因可能是本研究馬尾松人工林土壤養(yǎng)分比較貧瘠，導致地上冠層生物量相對較少，且并沒有隨著林分年齡增加而不斷增加。

在植被恢復過程中，隨著植被碳庫儲量不斷提高，土壤碳庫儲量也逐漸增加。同樣，周國模等[17]研究發(fā)現(xiàn)侵蝕紅壤隨著植被恢復時間的增加，土壤總有機碳和各類活性碳含量均逐漸提高。原因包括：一方面由于植被恢復能夠減少土壤侵蝕和養(yǎng)分流失；另一方面，植被恢復能夠提高地上/地下凋落物和根系分泌物輸入，進而增加土壤有機碳庫儲量和碳周轉速率[2,7,18]。紅壤侵蝕地植被恢復過程中土壤生物數(shù)量和活性逐漸增加[17,19]，進而能夠加快凋落物分解及其土壤有機碳累積。Dou等[8]研究認為南方紅壤侵蝕地區(qū)植被恢復提高土壤有機碳主要是由于地上生物量輸入增加和較慢的土壤老碳分解。呂茂奎等[20]研究表明，南方紅壤侵蝕地植被恢復過程中非保護性土壤有機碳能夠逐漸向保護性有機碳轉化。

以往有關南方紅壤水土流失區(qū)植被恢復對土壤有機碳儲量影響主要關注表層土壤[21]，但實際上深層土壤依然存儲較多的土壤有機碳。本研究發(fā)現(xiàn)，馬尾松人工林恢復過程中僅表層(0—10 cm)土壤碳儲量顯著增加，而深層土壤碳含量和儲量增加不顯著。同樣，謝錦升等[18]研究發(fā)現(xiàn)紅壤侵蝕地不同恢復措施對40 cm以下土壤有機碳儲量影響不大。Wang等[22]采用13C穩(wěn)定同位素技術研究中國亞熱帶地區(qū)人工林對土壤新、老有機碳周轉影響，發(fā)現(xiàn)南方紅壤區(qū)20 a生馬尾松林土壤新有機碳累積量不大，且土壤有機碳累積主要來源于地上凋落物輸入，因而主要提高表層土壤碳含量。張浩等[23]研究發(fā)現(xiàn)，紅壤侵蝕地植被恢復顯著降低表層(0—10 cm)土壤有機碳礦化速率常數(shù)(k值)，而對深層(60—80 cm)土壤礦化速率常數(shù)影響不顯著。王征等[21]研究發(fā)現(xiàn)，黃土丘陵區(qū)植被恢復能夠顯著提高深層(>50 cm)土壤有機碳儲量，主要由于該地區(qū)恢復植被為刺槐林，其根系隨恢復年齡增加而顯著提高。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)馬尾松人工林植被和土壤碳儲量在不同恢復階段增加速率存在差異。馬尾松人工林恢復0—10 a和20—30 a階段，植被和表層土壤碳庫儲量快速增加。然而，10—20 a恢復階段，植被和土壤碳庫儲量增加速率較低?？梢?，土壤侵蝕區(qū)植被恢復過程中生態(tài)系統(tǒng)碳儲量恢復并非線性增加。江軍[16]研究表明，南方紅壤侵蝕地區(qū)植被恢復過程中林下芒萁對土壤有機碳產(chǎn)生重要影響，恢復初期芒萁生物量增加很快，隨后由于林分郁閉度增加，芒萁生物量呈現(xiàn)下降趨勢，導致土壤有機碳累積速率發(fā)生改變。此外，長汀嚴重侵蝕地區(qū)植被治理初期常進行整地、施肥等人為促進措施，從而可能快速減少水土流失，并促進植被生長和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量提高。在馬尾松人工林植被恢復后期，隨著土壤有機碳和養(yǎng)分累積，土壤生物數(shù)量和活性不斷提高，進而加快樹木生長和土壤碳循環(huán)速率[18-19]。

綜上研究表明，南方紅壤侵蝕區(qū)馬尾松人工林植被恢復能夠有效提高植被、土壤碳庫儲量，進而增加生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量。然而，與地帶性天然林相比，馬尾松人工林碳儲量依然較低，嚴重土壤侵蝕地植被恢復恢復往往是緩慢的長期過程。其次，馬尾松人工林植被恢復過程中地上植被恢復較快，而土壤碳庫增加速率相對較慢，且僅土壤表層碳儲量增加。此外，馬尾松不同恢復階段植被和土壤碳庫儲量的恢復速率存在差異，并非線性增加。今后有必要進一步深入研究南方紅壤侵蝕地植被恢復不同階段對深層土壤碳儲量影響研究，保護南方紅壤地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)尤為重要，應該減少植被破壞，避免發(fā)生嚴重土壤侵蝕問題。