安徽皇藏峪自然保護(hù)區(qū)森林土壤碳庫的變化特征

于法展,張忠啟,單勇兵

(江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲庫,其變化是導(dǎo)致大氣碳庫和全球氣候變化的重要原因,在陸地碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1]。土壤有機碳(SOC)是土壤碳庫的重要組成部分,對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響,同時還可以改善土壤結(jié)構(gòu)以及維持土壤的穩(wěn)定性,其含量和分布受氣候、地形地貌、植被類型和結(jié)構(gòu)、人類活動等諸多因素的影響[2]。引起土壤碳庫的最初變化主要是土壤中穩(wěn)定性較差、微生物活性較高、移動較快、容易礦化和氧化的有機碳,即活性有機碳(ASOC),它能夠在土壤全碳變化之前反映出土壤管理措施以及周圍環(huán)境引起的微小變化。受氣候、土壤母質(zhì)和人為管理等多種因素的影響,ASOC在不同區(qū)域、不同植被類型上存在差異[3-5]。土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)可以表征土壤活性有機碳庫的庫容及動態(tài)變化過程,具體是指樣品SOC含量和參考SOC含量的比值乘以SOC的活度指數(shù)[6]。它能夠直觀反映出土地經(jīng)營措施對土壤碳庫質(zhì)量的影響效果,其數(shù)值大小可以表明外部管理措施對碳庫質(zhì)量的影響程度,數(shù)值越大表明土壤質(zhì)量在上升,數(shù)值越小則說明土壤質(zhì)量在下降[7]。CPMI包含了人為干擾下碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù)2個指標(biāo),它既可以反映外界因素對SOC數(shù)量的影響,又可以反映ASOC的數(shù)量變化,進(jìn)而更全面、動態(tài)化地反映外界因素對SOC的影響,因此成為土壤碳庫研究的重要內(nèi)容[8-10]。

由于森林土壤質(zhì)量和環(huán)境與SOC,CPMI相關(guān)密切,對人類干擾活動和氣候變化較為敏感,近年來成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。Lefroy等[11]綜合了SOC的總量與活性,首次提出CPMI的概念,有效評價外部因素對土壤碳庫的影響；沈宏等[12]對不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫活度(A)和CPMI進(jìn)行了系統(tǒng)研究；王晶等[13]研究了施肥對黑土ASOC和CPMI的影響；薛萐等[14]研究了黃土丘陵區(qū)不同年限的人工刺槐林在生態(tài)恢復(fù)過程中ASOC和CPMI的變化特征；蔡太義等[15]研究了不同年限免耕秸稈覆蓋下ASOC和CPMI的特征,結(jié)果表明ASOC和CPMI能夠快速準(zhǔn)確地反映不同年限免耕覆蓋對土壤碳庫的影響；馬艷芹等[16]研究了紫云英還田后配施氮肥可以顯著增加土壤微生物生物量碳含量,提高微生物熵值和CPMI。以上學(xué)者多結(jié)合長期定位實驗,對CPMI的累積效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前對森林土壤碳庫的研究多集中在其影響因子和區(qū)域差異對比上,對于不同森林類型土壤碳庫的變化特征研究還有待進(jìn)一步加強。本文以安徽皇藏峪自然保護(hù)區(qū)典型森林土壤為研究對象,以坡裸地作為對照,探討不同森林類型下SOC,ASOC和CPMI的分布特征及其影響因素,旨在揭示不同森林類型對土壤碳庫質(zhì)量的影響,并對不同森林類型的固碳效果進(jìn)行對比評價,為森林土壤碳庫的動態(tài)演變以及有機碳庫的提高提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

皇藏峪自然保護(hù)區(qū)屬于低山丘陵森林生態(tài)系統(tǒng)類型,地處安徽省蕭縣城東南30 km處,地理坐標(biāo)為34°00′～34°06′ N,117°03′～117°06′ E,面積約2 270 hm2,平頂山為最高峰海拔392 m。該保護(hù)區(qū)位于暖溫帶的南緣,既屬于大陸性季風(fēng)氣候,又受海洋性氣候的影響,年均溫14.7 ℃,年降水量850～900 mm,降水季節(jié)分配不均,多集中在夏季[17]。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林密布,植物種類豐富,主要森林類型:1)黃連木(Pistaciachinensis)、黃檀(Dalbergiahupeana)林,主要分布于西北坡麓地帶,喬木層郁閉度0.5～0.7,灌木層蓋度20%～30%；2)刺槐(Rubiniapseudoacacia)林,為人工刺槐林侵入多種其他落葉樹而形成的一種類型,因林下植物每年秋季均被砍盡,該類型林中只見大樹,缺少幼樹,喬木層郁閉度0.3～0.4；3)栓皮櫟(Quercusvariabilis)林,主要分布于山體中部地形較緩的山坡,喬木層郁閉度0.4～0.7,灌木層蓋度30%～60%；4)槲櫟(Quercusaliena)林,分布在栓皮櫟林的上部,面積較小,基本為槲櫟純林,喬木層的郁閉度為0.5；5)栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)林,分布于山體中上部山坡上,人工種植的側(cè)柏林未經(jīng)管理,栓皮櫟侵入后形成的一種混交類型,喬木層的郁閉度高達(dá)0.8以上；6)梧桐(Firmianasimplex)林,分布在溝谷附近的山坡,與青檀林和栓皮櫟林相鄰,在局部區(qū)域,梧桐基本成純林,喬木層郁閉度0.4～0.5；7)青檀(Pteroceltistatarinowii)林,主要分布于山體中上部地形陡峭之處,喬木層郁閉度0.4～0.6,灌木層蓋度10%～30%。該保護(hù)區(qū)的土壤包括粗骨褐土與淋溶褐土兩個亞類[17]:粗骨褐土由石灰?guī)r殘積、坡積物發(fā)育而成,土層淺薄(土體厚度<30 cm),礫石或巖屑含量高(>35 %),表土層pH值7.1,有機質(zhì)含量8.2 g/kg,主要分布在山體中上部；淋溶褐土成土母質(zhì)系第四紀(jì)黃土,土層深厚(土體厚度>100 cm),表土層pH值7.6,有機質(zhì)含量17.8 g/kg,集中出現(xiàn)在山麓地帶。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與土壤測定

2018年6月在研究區(qū)內(nèi)選取7塊測試樣地和1塊對照坡裸地,樣區(qū)一般選擇在森林類型區(qū)的核心部位的成熟林地。每個森林類型區(qū)內(nèi)均設(shè)3個重復(fù)樣方,闊葉林樣地大小為50 m×40 m,針葉林樣地大小為25 m×20 m。每個森林類型樣區(qū)內(nèi)土壤采樣時設(shè)3個重復(fù),每個重復(fù)的土樣按5點混合法采集,每個樣點需采集0～10 cm,10～20 cm和20～40 cm共3個土層的混合樣,各土層的混合樣品經(jīng)充分混合后每個取約1kg,并將其分為2份,1份用以SOC的測定,另1份低溫箱帶回用于ASOC的測定。采樣的同時系統(tǒng)調(diào)查地上森林類型的覆蓋狀況以及地形、地貌等周邊環(huán)境條件狀況。皇藏峪自然保護(hù)區(qū)8塊研究樣地的基本概況如表1所示。SOC用島津TOC-5000A分析儀測定；ASOC采用高錳酸鉀氧化-比色法測定,分析測試所用的高錳酸鉀溶液(0.333 mol/L)需要專門配制。具體的測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[18]。

表1 樣地基本概況

2.2 計算方法與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)徐明崗等[19]對CPMI等相關(guān)指標(biāo)的計算,選擇棄荒的坡裸地為參照土壤,不同森林類型下土壤碳庫指數(shù)(CPI)、碳庫活度(A)、碳庫活度指數(shù)(AI)以及碳庫管理指數(shù)(CPMI)等的計算公式如下:

CPI=樣品TOC含量/參照土壤TOC含量

(1)

A=ASOC含量/(TOC-ASOC)含量

(2)

AI=樣品土壤A/參照土壤A

(3)

CPMI(%)=CPI×AI×100

(4)

式中:TOC為土壤總有機碳,即SOC含量；(TOC-ASOC)為非活性有機碳(NASOC),SOC,ASOC含量的單位為g/kg。所有森林SOC,ASOC,NASOC以及CPMI相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析在Excel 2007和SPSS 24.0軟件下完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型下SOC的變化特征

不同森林類型下SOC含量的剖面變化特征如表2所示。棄荒的坡裸地(T8)除外,比較不同森林類型下(T1—T7)0～10cm土層中的SOC含量,栓皮櫟、側(cè)柏林(T5)下SOC含量最大,達(dá)到30.17 g/kg,梧桐林(T6)下SOC含量最小,為17.94 g/kg；就10～20cm土層而言,栓皮櫟、側(cè)柏林(T5)下SOC含量最高(21.05g/kg),而梧桐林(T6)最低(12.38 g/kg),分別較上層土壤降低了30.23%和30.99%,其變幅差異不大；從20～40cm土層來看,不同森林類型下SOC含量均較低且差異較小,與其上2層SOC含量有較大不同,下降幅度較大。這表明SOC含量隨土層深度增加而降低的趨勢下,不同森林類型之間SOC含量的遞變規(guī)律相似。林地SOC含量主要受其森林凋落物以及根系分泌物的分解、轉(zhuǎn)化和累積等過程的綜合影響[20],且大部分積聚在0～20cm土層中,隨著土層的不斷加深,不同森林類型下SOC含量下降幅度變大,而20～40cm土層的SOC含量受地上森林類型的影響不明顯(均<10 g/kg)。不同森林類型下SOC表聚現(xiàn)象明顯,其SOC含量的變化幅度與土層深度有關(guān)。SPSS 24.0軟件統(tǒng)計結(jié)果顯示,8塊研究樣地中,坡裸地(T8)隨土層加深而降低的幅度最大,其他7種森林類型下不同土層的SOC含量變化幅度最大的是栓皮櫟、側(cè)柏林(T5),變幅最小的是梧桐林(T6)。坡裸地(T8)與其他7種林地土壤比較,整個土層(0～40cm)的SOC含量最小(6.78 g/kg),不同森林類型下SOC含量的平均值(0～40cm)大小排序為栓皮櫟、側(cè)柏林>刺槐林>黃連木、黃檀林>栓皮櫟林>槲櫟林>青檀林>梧桐林。這是由于地上部分的森林類型在一定程度上決定了有機物質(zhì)的輸入量,不同森林類型的凋落釋歸量有所不同,從而影響到SOC含量的明顯提高。

表2 不同森林類型下SOC含量的剖面變化特征

3.2 不同森林類型下ASOC的變化特征

由于土壤碳庫組成的復(fù)雜性,要對其動態(tài)進(jìn)行量度是非常困難的,通常采用ASOC來衡量土壤碳庫的變化狀況以及指示土壤的綜合活力水平[21]。不同森林類型下ASOC含量的剖面變化特征如表3所示。從0～10cm土層的不同森林類型ASOC含量來看,栓皮櫟、側(cè)柏林下ASOC含量最高(2.01 g/kg),其次是刺槐林(1.71 g/kg),坡裸地除外,梧桐林下ASOC含量最低(1.15 g/kg)；不同森林類型10～20cm土層的ASOC含量較上層土壤出現(xiàn)了一定程度的降低,刺槐林下ASOC含量最高(1.16 g/kg),梧桐林最低(0.64 g/kg)；從20～40cm土層來看,刺槐林下ASOC含量降低為0.87 g/kg,而梧桐林降至0.37 g/kg,不同森林類型ASOC含量均出現(xiàn)一定幅度的降低。隨著土層深度的增加,ASOC含量呈現(xiàn)降低的趨勢,表明不同森林類型下ASOC含量的剖面分布特征與SOC含量的變化規(guī)律具有協(xié)同性。盡管SOC含量和ASOC含量在土壤剖面上均表現(xiàn)為下降,但是SOC含量下降的幅度明顯大于ASOC。造成的原因是ASOC含量所占比例較小,SOC含量主要取決土體內(nèi)水分對SOC的運移狀況,不同的水熱條件對土壤的下滲作用主要影響了SOC的淋溶和累積,而ASOC更趨于向下層土壤遷移。0～40cm土層不同森林類型下ASOC含量的大小排序為栓皮櫟、側(cè)柏林>刺槐林>栓皮櫟林>槲櫟林>青檀林>黃連木、黃檀林>梧桐林,坡裸地最低。即栓皮櫟、側(cè)柏林對SOC的提升效果最好(碳庫活性明顯提高),表明不同森林類型可以影響枯落層厚度以及土壤微生物活性,通過溫度、水分等生態(tài)因子的變化影響著SOC的分解及轉(zhuǎn)化。

3.3 不同森林類型下CPMI的變化特征

0～40cm土層的SOC,ASOC含量及基于公式(1)—(4)分別計算了各森林類型和對照坡裸地土壤的CPI,A,AI和CPMI,數(shù)值如表4所示。ASOC/TOC(%)可以體現(xiàn)土壤活性有機碳庫的狀況,能夠表明森林土壤碳的穩(wěn)定性,其比值越高說明SOC活性越大,越易于被微生物分解和植物吸收利用,其穩(wěn)定性越差;反之,比值越小其穩(wěn)定性也就越強[14]。由表4可知,黃連木、黃檀林(T1)下ASOC/TOC(%)最小,坡裸地(T8)最大。這是由于黃連木、黃檀林受人為干擾嚴(yán)重,其長勢較差,導(dǎo)致ASOC中的微生物量含量相對較低,林下土壤碳比較穩(wěn)定；而坡裸地SOC的分解轉(zhuǎn)化速率較快,其土壤碳容易被吸收分解(活性最大),其穩(wěn)定性較差。CPMI能夠指示土壤碳庫的變化特征,該數(shù)值上升說明森林土壤處于良性管理狀態(tài),其碳庫質(zhì)量增強,反之則指示土壤碳庫質(zhì)量減弱[7]。它可以作為量化土壤碳庫動態(tài)的重要指標(biāo),也是土壤肥力質(zhì)量的重要表征[22]。除坡裸地外,不同森林類型下ASOC含量為0.73～1.36 g/kg,NASOC含量為9.20～17.79 g/kg,CPI為1.46～2.82,A為0.062～0.097,AI為0.559～0.874；不同森林類型CPMI(%)從大到小排序為栓皮櫟、側(cè)柏林>刺槐林>栓皮櫟林>槲櫟林>青檀林>黃連木、黃檀林>梧桐林,均高于對照坡裸地,表明不同森林類型有較高的固碳潛力,對該土壤CPMI的提高均有不同程度的促進(jìn)作用?？梢?皇藏峪自然保護(hù)區(qū)不同森林類型下SOC的積累量大于分解量,土壤碳庫整體呈增加趨勢,森林植被對維持陸地碳庫穩(wěn)定有重要作用,該區(qū)森林土壤肥力質(zhì)量處在較好狀態(tài)。

表3 不同森林類型下ASOC含量的剖面變化特征

4 結(jié)論與討論

1) 皇藏峪自然保護(hù)區(qū)不同森林類型下SOC表聚現(xiàn)象明顯,隨著土層深度的增加,SOC含量和ASOC含量均表現(xiàn)為下降趨勢,SOC含量下降的幅度明顯大于ASOC,這與郭璐璐等[23]、弓文艷等[24]、滕秋梅等[6]的研究結(jié)論一致。

2) 栓皮櫟、側(cè)柏林下SOC含量和ASOC含量均大于其他森林類型,這主要與森林植物群落的類型和結(jié)構(gòu)有關(guān),不同森林類型的凋落釋歸量有所不同,不同土層分布特征與森林類型有關(guān),森林類型決定了凋落物回歸量和SOC的輸入。

3) 不同森林類型下ASOC/TOC(%)大小排序為青檀林>槲櫟林>栓皮櫟林>刺槐林>梧桐林>栓皮櫟、側(cè)柏林>黃連木、黃檀林,不同森林類型可以提高林下土壤碳的穩(wěn)定性；不同森林類型下CPMI(%)排序為栓皮櫟、側(cè)柏林>刺槐林>栓皮櫟林>槲櫟林>青檀林>黃連木、黃檀林>梧桐林,不同森林類型有較高的固碳潛力,對該土壤CPMI的提高均有不同程度的促進(jìn)作用。

4) 表征森林土壤碳庫特征的SOC,ASOC以及CPMI均受森林類型和土層深度的影響,CPMI既可以反映外界因素對SOC數(shù)量的影響,又可以反映ASOC的數(shù)量變化,對森林土壤碳庫質(zhì)量的量化評價提供參考。