喀斯特槽谷區(qū)植被演替對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及固碳潛力的影響研究

羅雨溪，孔德兵，王永欣，曹 婷，張韻芝，李厚德

(1.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，重慶 400715)

1 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)。據(jù)估算，全球僅1 m深度的土壤中儲(chǔ)存的有機(jī)碳量約為1500 Gt，是陸地生物量碳庫(kù)的3.8倍，大氣碳庫(kù)的3倍[1]。土壤有機(jī)碳既能為植被生長(zhǎng)提供碳源，維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu)，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)[2,3]；同時(shí)也具有巨大的外影響性，能以CO2等溫室氣體的形式向大氣釋放碳，其較小的變幅都能引起大氣CO2濃度的顯著變化，在全球碳循環(huán)和氣候變化過(guò)程中都起著極其重要的作用[4]。相關(guān)研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳受氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動(dòng)等諸多物理、生物和人為因素的影響，其中植被類型變化是影響土壤有機(jī)碳和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)最為直接、最重要和最深刻的因素之一[5,6]。

西南地區(qū)是我國(guó)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的主要分布區(qū)之一，其以分布面積最大、發(fā)育類型最齊全和生態(tài)環(huán)境最脆弱而著稱于世。西南地區(qū)近20年來(lái)響應(yīng)國(guó)家“退耕還林還草”的政策，是我國(guó)退耕還草還林的主要區(qū)域之一，生態(tài)恢復(fù)效果顯著[7,8]。隨著耕地的棄耕，植被類型從農(nóng)作物逐漸向草地、灌叢或森林等植被類型演替，植被類型的變化顯著改變了土壤原有的結(jié)構(gòu)和屬性，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生明顯變化[9,10]。然而，目前關(guān)于典型喀斯特地區(qū)植被類型變化對(duì)土壤有機(jī)碳土壤儲(chǔ)量及固碳潛力的研究還較為缺乏。

喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳的固定不僅可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，提供植被生長(zhǎng)發(fā)育的良好物質(zhì)基礎(chǔ)，提升水土保持效應(yīng)；還能夠降低大氣CO2濃度，緩解全球氣候變暖。因此，本研究通過(guò)對(duì)西南典型低山喀斯特槽谷小流域內(nèi)的耕地、草地、灌叢和林地4種不同植被類型下的土壤進(jìn)行分層取樣，分析不同植被演替階段以及不同土層深度土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的分布特征，揭示不同植被類型下0～30 cm土壤有機(jī)碳的固碳潛力。研究結(jié)果有助于了解喀斯特槽谷區(qū)退耕還林還草過(guò)程中土壤質(zhì)量的變化狀況，并為研究區(qū)內(nèi)土地的合理利用與管理以及退化生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市歇馬鎮(zhèn)縉云山青木關(guān)小流域(106.17′ E，29.40′ N)，屬于典型的巖溶槽谷區(qū)，流域面積約19 km2。該地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，夏熱冬暖，無(wú)霜期340～350 d。多年平均氣溫為16.5 ℃，最冷月(1月)均溫7.8 ℃；多年平均降水量約1250 mm，雨熱同期，受青藏高壓和副熱帶高壓的影響，7、8月份常出現(xiàn)30～50 d的干旱。秋季多陰雨，冬季多云霧，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)。流域內(nèi)人類活動(dòng)主要分布于槽谷洼地兩側(cè)，大面積的林地被開墾為農(nóng)田，對(duì)該地自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。自2003 年國(guó)家實(shí)施退耕還林還草政策以來(lái)，區(qū)域內(nèi)耕地逐漸被棄耕恢復(fù)，形成了不同恢復(fù)階段的棄耕地。目前研究區(qū)土地利用類型以林地為主，約占流域面積的65.7%，耕地面積次之，約占流域面積的24.0%；此外還分布著一些處于不同恢復(fù)階段的草地和灌叢地。

2.2 土壤采樣與處理

本研究在重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站虎頭村觀測(cè)點(diǎn)附近，選取鄰近的耕地、草地、灌叢和林地4 種典型的植被類型來(lái)進(jìn)行土壤取樣。在每個(gè)植被類型的采樣區(qū)中，隨機(jī)設(shè)置4 個(gè)重復(fù)取樣樣方采用多點(diǎn)混合取樣法進(jìn)行土壤取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)分三層取樣，每層間隔10 cm，取樣深度為30 cm，取樣后回填恢復(fù)原狀，減少對(duì)樣地的破壞。同時(shí)，在每個(gè)采樣區(qū)中采用環(huán)刀法進(jìn)行土壤容重的測(cè)定。將取好的土壤樣品寫好標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理，先沿自然結(jié)構(gòu)的裂隙掰成小塊，去除礫石和殘留的根系，在自然狀態(tài)下風(fēng)干。土壤樣品風(fēng)干后分別過(guò)2 mm和0.25 mm的土壤篩后備用。

2.3 測(cè)定方法

2.3.1 土壤有機(jī)碳含量的測(cè)定

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法進(jìn)行測(cè)定。

2.3.2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算

目前研究中常用的估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的方法是等體積法，即通過(guò)比較相同體積土壤內(nèi)的有機(jī)碳儲(chǔ)量來(lái)比較管理措施對(duì)土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)的影響。本文采用等體積法計(jì)算各植被類型下每層土壤深度內(nèi)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，然后通過(guò)加和的方法獲得研究區(qū)內(nèi)0～30 cm土層有機(jī)碳的總儲(chǔ)量。該方法的計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，S是土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(Mg C/hm2)；Ti為第i層的土壤厚度(cm)；BDi為第i層土壤容重(g/cm3)；Ei為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；K為常數(shù)10-1；n為土壤的層數(shù)，本文中n=3。

2.3.3 土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)潛力的計(jì)算

本文中土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)潛力是指在某區(qū)域內(nèi)特定土壤、氣候等環(huán)境條件不變的情況下，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)植被演替為有機(jī)碳儲(chǔ)量最大的植被類型時(shí)土壤有機(jī)碳固碳量的增加值。其計(jì)算公式如下：

SQi=Sm-Si

(2)

式(2)中：SQi為研究?jī)?nèi)第i種植被類型的土壤有機(jī)碳截獲潛力值；Sm為研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的最大值；Si為研究區(qū)內(nèi)第i種植被類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 19.0 (SPSS 19.0 for windows,Chicago,IL,USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(ANOVA)和LSD多重比較檢驗(yàn)植被類型演替對(duì)土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量和潛力的影響，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。采用Excel 2016進(jìn)行作圖。

3 結(jié)果

3.1 不同植被類型下的土壤有機(jī)碳含量

不同植被類型下土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征如圖1所示。從圖1中可以看出，喀斯特槽谷區(qū)不同植被演替階段的土壤有機(jī)碳含量(0～30 cm)為9.12～12.37 g/kg。植被類型變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量具有顯著性影響，各植被類型中林地的土壤有機(jī)碳含量最高，為12.37g/kg；耕地和灌叢次之，分別為12.32 g/kg和10.60 g/kg；草地中土壤有機(jī)碳含量最低，僅為9.12 g/kg。在表層0～10 cm土層中，林地下的土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他植被類型(P<0.05)，而在10～20 cm和20～30 cm土層，耕地下的土壤有機(jī)碳含量顯著高于草地(P<0.05)，而與灌叢和林地下的土壤有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著差異。

圖1 不同植被類型下土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征

在同一植被類型下，土壤不同土層深度下的土壤有機(jī)碳含量也具有顯著差異。研究區(qū)內(nèi)4種植被類型0～10、10～20 和20～30 cm土層深度的土壤有機(jī)碳含量的平均值分別為15.86、10.18 和7.27 g/kg，即隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳含量呈顯著下降的趨勢(shì)。在耕地和草地兩種植被類型下，土壤有機(jī)碳含量在各土層中表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm；而在灌叢和林地兩種植被類下，0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量顯著高于10～20 和20～30 cm土層，但10～30 cm土層內(nèi)的2個(gè)土層間土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著性差異。

3.2 不同植被類型下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

表1中給出了各植被類型下0～30 cm深度土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量。從表1中可以看出，研究區(qū)內(nèi)耕地、草地、灌叢和林地0～30 cm土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為57.69、41.55、48.05和60.42 Mg C/hm2。各植被類型下，林地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，草地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最小。與土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征相同，在各土層土壤中，表層0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量最高，4種植被類型下土壤0～10 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均顯著高于10～20 和20～30 cm土層；而10～20 和20～30 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量沒(méi)有顯著差異。

表1 不同植被類型下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的分布特征 Mg C/hm2

不同植被類型對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量也具有顯著影響，且在不同土層深度內(nèi)的影響有所不同。在0～10 cm土層深度，林地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，為32.41 Mg C/hm2，其顯著高于其他3 種植被類型。在10～20 和20～30 cm土層深度，耕地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均為最大，分別為19.60 和16.02 Mg C/hm2，其顯著高于草地，但與灌叢和林地下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量沒(méi)有顯著差異。在20～30 cm土層，灌叢和林地下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于草地；但在10～20 cm土層，草地、灌叢和林地下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量沒(méi)有顯著差異。

3.3 不同植被類型下的土壤固碳潛力

圖2給出了研究區(qū)內(nèi)0～30 cm不同植被類型下土壤有機(jī)碳總的儲(chǔ)量值。從圖2中可以看出，林地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量值最大，并且本研究區(qū)內(nèi)植被類型演替的頂級(jí)群落也為林地。因此在本文中以林地穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(60.42 Mg C/hm2)做為研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳的飽和值，來(lái)估算其他植被類型下土壤有機(jī)碳的固碳潛力。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)耕地、草地和灌叢3種植被類型與林地下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差值分別為2.73、18.87和12.37 Mg C/hm2，也就是說(shuō)，研究區(qū)內(nèi)草地的固碳潛力最大，灌叢次之，而耕地的固碳潛力最小。

圖2 不同植被類型下土壤有機(jī)碳的總儲(chǔ)量

4 討論

4.1 植被演替對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳含量主要取決于植被每年的歸還率和分解速率，歸還量大、分解速率緩慢會(huì)導(dǎo)致土壤積累較多的有機(jī)碳[11]。隨著植被類型的變化，輸入土壤中的地上和地下生物量會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的含量發(fā)生變化。本文中，0～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量的平均值表現(xiàn)為林地(12.37 g/kg)>耕地(12.32 g/kg)>灌叢(10.60 g/kg)>草地(9.12 g/kg)，表明林地土壤的有機(jī)碳含量最高，而草地土壤的有機(jī)碳含量最低。這與戴慧等[12]對(duì)浙江天童地區(qū)栲樹群落的研究發(fā)現(xiàn)相似，他們也發(fā)現(xiàn)常綠闊葉林中土壤的有機(jī)碳含量高于其它植被類型土。在植被演替過(guò)程中，林地土壤枯枝落葉的輸入增加和土壤擾動(dòng)的減少帶來(lái)了有機(jī)碳含量的增加[13]。與草地和灌叢相比，耕地內(nèi)土壤有機(jī)碳含量較高，這主要是由于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)管理措施決定的。研究區(qū)位于西南典型的喀斯特區(qū)，區(qū)內(nèi)以山地為主，耕地面積較少，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶每年會(huì)將大量的農(nóng)家有機(jī)肥施入土壤中，從而提高了土壤中的有機(jī)碳含量。此外，研究區(qū)的耕地幾乎全部處于山地的下部，在雨季形成的坡面徑流也會(huì)將上部草地和灌叢等處的可溶性的有機(jī)碳帶到下部的耕地中，進(jìn)而導(dǎo)致耕地土壤中有機(jī)碳含量的升高。

在土壤剖面上，各土壤有機(jī)碳含量均隨著土壤深度的增加呈顯著的下降趨勢(shì)，這與之前的許多研究結(jié)果相一致[14～16]，其原因主要是因?yàn)榈厣系蚵湮锏姆纸庑?yīng)增加了表層土壤有機(jī)碳的積累，同時(shí)根系分布較為發(fā)達(dá)的表層土壤也有利于有機(jī)碳的積累。在土壤剖面上，耕地、草地、灌叢和林地上層(0～10 cm)和下層(20～30 cm)土壤有機(jī)碳的差異分別為5.61、8.96、7.05、12.75 g/kg，表明耕地中土壤有機(jī)碳在垂直剖面上的變異最小。這主要是由于耕地的翻耕導(dǎo)致的，研究區(qū)內(nèi)的耕地會(huì)經(jīng)常的翻耕以此來(lái)改良土壤的理化性質(zhì)，在翻耕后0～30 cm土層深度內(nèi)的土壤會(huì)發(fā)生混合，從而導(dǎo)致0～30 cm土層內(nèi)土壤有機(jī)碳含量的變異性變小。

4.2 植被演替對(duì)土壤碳儲(chǔ)量和固碳潛力的影響

耕地棄耕恢復(fù)植被后會(huì)導(dǎo)致地上和地下生物量的增加，從而增加輸入土壤中的有機(jī)物的量；此外，棄耕棄耕后人類活動(dòng)對(duì)土壤的干擾也會(huì)減少。因此，學(xué)者們普遍認(rèn)為耕地棄耕恢復(fù)植被后土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量會(huì)顯著上升。本研究的結(jié)果表明：0～30 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的大小順序也表現(xiàn)為林地(60.42 Mg C/hm2)>耕地(57.69 Mg C/hm2)>灌叢(48.05 Mg C/hm2)>草地(41.55 Mg C/hm2)。不難理解土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的這些變化趨勢(shì)與研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致，因?yàn)閺墓?1)中可以知道土壤有機(jī)碳含量是決定土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的一個(gè)重要因素。在植被從草地轉(zhuǎn)變?yōu)楣鄥苍俎D(zhuǎn)變?yōu)榱值氐倪^(guò)程中，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈顯著的上升趨勢(shì)，表明植被演替有助于喀斯特槽谷區(qū)土壤有機(jī)碳的截獲。與耕地相比，灌叢地和草地中的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量略低，這主要是由于耕地中大量農(nóng)家肥的施入導(dǎo)致的。此外，坡面徑流中可溶性有機(jī)碳含量和富含土壤有機(jī)碳的表層土壤的遷移也是導(dǎo)致山體下部耕地中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增高的一個(gè)重要原因[17]。

當(dāng)環(huán)境條件穩(wěn)定時(shí)，土壤在一定時(shí)間內(nèi)的有機(jī)碳儲(chǔ)量是表征土壤固碳潛力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在棄耕地的演替過(guò)程中，隨著演替的進(jìn)行，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力逐漸趨于成熟穩(wěn)定，當(dāng)生態(tài)演替達(dá)到頂級(jí)時(shí)，群落內(nèi)的生物量也基本處于最大值，此時(shí)生態(tài)系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此隨著植被演替的進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量也會(huì)逐漸達(dá)到飽和點(diǎn)而趨于穩(wěn)定。在本研究的區(qū)域內(nèi)，森林生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)演替的頂級(jí)群落，4 種植被類型中，林地下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量也最大，為60.42 Mg C/hm2，因此可將林地作為本研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的飽和值。根據(jù)不同植被類型下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的現(xiàn)狀值，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)各植被類型下土壤有機(jī)碳固碳潛力大小順序?yàn)椴莸?18.87 Mg C/hm2)>灌叢(12.37 Mg C/hm2)>耕地(2.73 Mg C/hm2)，即草地土壤的固碳潛力最大，而耕地土壤的固碳潛力最小，這與其他研究中得出的結(jié)果基本相同[18]。

本研究采用的土壤剖面深度僅為0～30 cm，而已有研究表明，30 cm土層深度下的土壤也擁有巨大的碳儲(chǔ)量和存儲(chǔ)潛力，所以本研究中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和存儲(chǔ)潛力的估計(jì)值要明顯小于研究區(qū)內(nèi)實(shí)際的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及存儲(chǔ)潛力，因此在未來(lái)研究中應(yīng)加大深層土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的研究。此外，本研究中估算的土壤有機(jī)碳固碳潛力，是在氣候、植物種類等影響因素不變的情況下進(jìn)行的，但未來(lái)隨著環(huán)境等影響因素的變化，土壤的固碳潛力狀況也會(huì)受到影響，因此要想更準(zhǔn)確地估算出該地區(qū)一段時(shí)間內(nèi)土壤的固碳能力和潛力，還需要深入研究。

5 結(jié)論

(1)植被類型變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量具有顯著影響，各植被類型下0～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為9.12～12.37 g/kg，而土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化范圍為41.55～60.42 Mg C/hm2。

(2)各植被類型下土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量具有相似的變化規(guī)律，其大小順序均表現(xiàn)為林地>耕地>灌叢>草地，表明隨著植被演替的進(jìn)行，土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量具有顯著的上升趨勢(shì)。

(3)研究區(qū)0～30 cm土層深度內(nèi)土壤有機(jī)碳的飽和碳儲(chǔ)量為60.42 Mg C/hm2。與林地相比，草地、灌叢和耕地的土壤有機(jī)碳固碳潛力分別為18.87、12.37 和2.73 Mg C/hm2，表明研究區(qū)內(nèi)草地和灌叢具有較大的固碳潛力，即研究區(qū)內(nèi)植被的恢復(fù)有助于土壤有機(jī)碳的截獲。