格氏栲天然林轉(zhuǎn)為人工林對土壤碳儲量的影響

沈彩霞

(福建省三明莘口格氏栲自然保護(hù)區(qū)服務(wù)站，福建 三明 365000)

隨著大氣二氧化碳含量急劇升高，人們對各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和通量的關(guān)注持續(xù)增加，特別是土壤生態(tài)系統(tǒng)中，其表層1 m深度的土壤有機(jī)碳庫儲量達(dá)1400～1500 Pg，是大氣碳庫的3倍和植物碳庫的2～4倍[1]，土壤碳庫的微小變化直接影響到國家和地方政府對其所在地區(qū)的碳匯能力評估和應(yīng)對全球氣候變化的政策制定。人類對木材產(chǎn)品日益增長的需求驅(qū)動了大規(guī)模原始天然林轉(zhuǎn)換為人工林，由此不僅導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生物多樣性喪失，還將使土壤碳分解和侵蝕加強(qiáng)，可能帶來超過50%的碳損失[2]。天然林砍伐轉(zhuǎn)換為耕地、牧草地等用地類型貢獻(xiàn)了全球CO2排放量的17%[3]。已有大量研究評估了全球或地區(qū)尺度天然林轉(zhuǎn)換對土壤有機(jī)碳儲量的影響，如Kashem等[4]的研究顯示天然林轉(zhuǎn)換使枯落物增加從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲量(SOC)的增加，但不同管理措施又使森林轉(zhuǎn)換后土壤有機(jī)碳儲量的變化更加復(fù)雜；Guo等[5]認(rèn)為當(dāng)天然林轉(zhuǎn)變?yōu)獒樔~林時(shí)SOC顯著下降，但轉(zhuǎn)變?yōu)殚熑~林時(shí)沒有顯著變化。所以天然林轉(zhuǎn)換后土壤碳儲量變化受氣候條件、土壤類型、造林樹種和人為管理等多因素控制，具有高度不確定性[6]。

在中國南方的許多地區(qū)，隨著生態(tài)保護(hù)與木材旺盛需求之間的矛盾日益突出，大面積的天然林已轉(zhuǎn)變?yōu)榧內(nèi)斯ち諿7]。竹林因其生長快速、徑直、木材質(zhì)量好、用途廣泛而成為主要栽培樹種。據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果，中國竹林種植面積已達(dá)641.2萬hm2，在大約500個(gè)竹品種中，毛竹是最重要和種植面積最廣的類型，占竹林面積的72%以上，且有逐年增加之趨勢[8]。毛竹林儲存了約(611.2±142.3) Tg的C，其中75%在表層60 cm土壤中[9]，竹林生物量總碳庫占中國森林生態(tài)系統(tǒng)總碳庫的11%[10]，在區(qū)域、國家甚至全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。錐栗是亞熱帶濕潤常綠闊葉林的典型樹種，主要分布于淮河以南的浙、閩、贛等省區(qū)，福建地區(qū)100多年前就有將錐栗作為造林樹種的傳統(tǒng)[11]。毛竹和錐栗的種植有效彌補(bǔ)了天然林砍伐帶來的森林面積損失，但目前對天然林轉(zhuǎn)換為耕地、牧草地[12]以及杉木、竹林、橡膠林、落葉松等[13]人工林后土壤碳儲量變化的研究較多，而較少關(guān)注天然林轉(zhuǎn)換為毛竹林和地帶性典型樹種錐栗林后土壤碳儲量變化及其二者之間的差異，同時(shí)對土壤容重的影響及其與土壤碳儲量的關(guān)系也不明確，這導(dǎo)致對森林轉(zhuǎn)換后土壤碳庫動態(tài)變化缺乏深入理解，影響全球生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯平衡的評估。

在此背景下，本研究旨在評估中亞熱帶山區(qū)以格氏栲為主的天然林以及格氏栲天然林砍伐后人工植樹造林形成的錐栗林和毛竹林內(nèi)0～20 cm土層的土壤容重、碳含量和碳儲量變化特征及差異性，以期為該地區(qū)森林經(jīng)營和碳匯評估管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)(26°19′N、117°36′E)，該區(qū)域東南面和西北面分別與戴云山脈和武夷山脈相連；平均海拔300 m，坡度25°～45°。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫19.1 ℃，多年平均降水量1749 mm，3—8月降水量占全年降水量的80%以上，年均蒸發(fā)量1585 mm，年相對濕度81%。土壤類型為砂巖發(fā)育的細(xì)砂土和粉砂土。

錐栗和毛竹均為格氏栲天然林經(jīng)皆伐煉山后種植的人工純林，林齡相近且為成年林。錐栗林地坡度20°，坡向東南，面積5 hm2。林下植被主要有闊葉箬竹(IndicakamusIatifolius)、狗脊蕨(Woodwardiajapanica)、山莓(Rubuscorchorifolius)、菝葜(Smilaxchina)、玉葉金花(Mussaendapubescens)、黃瑞木(Comusstolonifera)、烏藥(Linderaaggregata)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulu)、苦竹(Sinobambusatootsik)、鹽膚木(Rhuschinensismill)、狗骨柴(Tricalysiadubia)、毛冬青(Ilexpubescens)等，管理方式為每年劈草3次。毛竹林樣地坡度為18°，坡向210°，面積24 hm2，平均胸徑8.2 cm，樹高 8.7 m，林下植被較少，每年除草1次。

1.2 樣品采集分析與碳儲量計(jì)算

于2018年7月，在格氏栲天然林，錐栗、毛竹人工林分各設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)按網(wǎng)格狀選取10個(gè)取樣點(diǎn)，用直徑7.5 cm、高度10 cm的環(huán)刀，采集0～5、5～10、10～20 cm土層的原狀土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤容重。同時(shí)，在每個(gè)樣方內(nèi)按上、中、下坡隨機(jī)選取3個(gè)取樣點(diǎn)，采集0～5、5～10、10～20 cm土層的混合樣品約1 kg，用保鮮盒裝好并帶回實(shí)驗(yàn)室；在室溫下自然風(fēng)干后，用四分法取一部分樣品研磨過2 mm篩，在碳氮元素分析儀(Vario MAX)上測定土壤碳含量。

基于土壤容重和土壤碳含量計(jì)算每個(gè)土層土壤碳儲量。計(jì)算公式為[14]：SOC=h×ρ×C×10，式中：SOC為土壤有機(jī)碳儲量(t·hm-2)；h為土層厚度(m)；ρ為土壤容重(g·cm-3)；C為有機(jī)碳含量(g·kg-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重

由表1可知，格氏栲天然林土壤容重隨土壤深度的增加逐漸增大。0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤容重，格氏栲天然林分別為1.06、1.27、1.30 g·cm-3；錐栗人工林分別為1.39、1.31、1.31 g·cm-3，與格氏栲天然林相比，錐栗人工林土壤容重增加量分別為0.33、0.05、0.01 g·cm-3，增加量百分比分別為31.24%、3.73%、1.07%，錐栗人工林的土壤容重均有不同程度的增加，增加量隨著土壤深度的增加而減??；毛竹人工林分別為1.16、0.96、1.13 g·cm-3，與格氏栲天然林相比，0～5 cm土層的土壤容重有所增加，但僅增加0.10 g·cm-3，增加不明顯，而5～10、10～20 cm土層的土壤容重均有所減小，變化量百分比分別為0.31、0.17 g·cm-3，變化量百分比分別為-24.12%、-13.06%。說明格氏栲天然林轉(zhuǎn)變?yōu)殄F栗和毛竹人工林后土壤容重在不同深度的變化具有差異性，0～5 cm土層的土壤容重均出現(xiàn)增大，且增加量錐栗人工林大于毛竹人工林，而5～10、10～20 cm土層的土壤容重錐栗人工林有所增大但不顯著，而毛竹人工林則出現(xiàn)降低，且降低量大于錐栗林的增加量。

表1 格氏栲天然林轉(zhuǎn)換為錐栗人工林和毛竹人工林后土壤容重變化情況

2.2 土壤碳含量

0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤有機(jī)碳含量，格氏栲天然林分別為25.24、21.05、14.30 g·kg-1；錐栗林人工林分別為13.43、12.68、13.77 g·kg-1，與格氏栲天然林相比，錐栗人工林變化量百分比分別為-46.79%、-39.76%、-3.71%；毛竹人工林分別為15.51、12.68、15.61 g·kg-1，與格氏栲天然林相比，變化量分別為-9.73、-8.37、1.31 g·kg-1，變化量百分比分別為-38.54%、-39.76%、9.19%，其中10～20 cm土層的土壤碳含量增加。錐栗林與毛竹林相比，0～5、10～20 cm土層的土壤碳含量毛竹林大于錐栗林；而5～10 cm土層的土壤碳含量二者一致。

表2 格氏栲天然林轉(zhuǎn)換為錐栗林和毛竹林后土壤碳含量變化情況

表3 格氏栲天然林轉(zhuǎn)換為錐栗林及毛竹林后土壤碳儲量變化情況

2.3 土壤碳儲量

0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤碳儲量，格氏栲天然林分別為13.38、13.34、18.53 t·hm-2；錐栗人工林分別為9.34、8.34、18.04 t·hm-2，與格氏栲天然林相比，變化量分別為-4.04、-5.01、-0.50 t·hm-2，變化量百分比分別為-30.17%、-37.52%、-2.68%，其10～20 cm土層的土壤碳儲量減少量最??；毛竹人工林分別為8.96、6.10、17.59 t·hm-2，與格氏栲天然林相比，變化量分別為-4.42、-7.24、-0.94 t·hm-2，變化量百分比分別為-33.01%、-54.29%、-5.08%，其10～20 cm土層的土壤碳儲量減少量最小?？傮w上，0～20 cm土層的土壤碳儲量，格氏栲天然林為45.25 t·hm-2；錐栗林為35.72 t·hm-2，與格氏栲天然林相比，錐栗林變化量為-9.53 t·hm-2，變化量百分比為-21.08%；毛竹林為32.62 t·hm-2，與格氏栲天然林相比，變化量為-12.60 t·hm-2，變化量百分比為-27.84%。說明格氏栲天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槊窳值奶純α繐p失大于錐栗林。將0～10 cm與10～20 cm土層的土壤碳儲量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，錐栗林和竹林的土壤碳儲量下降主要發(fā)生在0～10 cm，損失量分別達(dá)33.83%和43.61%，而10～20 cm的損失量僅為2.68%和5.08%。

3 討論

3.1 森林轉(zhuǎn)換對土壤容重和土壤碳含量的影響

本研究結(jié)果表明，天然林轉(zhuǎn)換為錐栗人工林后，0～5 cm土層的土壤容重明顯增大；轉(zhuǎn)換為毛竹林后，5～20 cm土層的土壤容重明顯下降。而錐栗人工林(13.29 g·kg-1)、毛竹林(14.60 g·kg-1)土壤有機(jī)碳含量均低于格氏栲天然林(20.20 g·kg-1)。湖南會同毛竹林土壤有機(jī)碳含量為26.07 g·kg-1[16]；縉云山地區(qū)毛竹林有機(jī)碳含量為27.50 g·kg-1，高于當(dāng)?shù)亻熑~林的22.51 g·kg-1[16]；浙江臨安玲瓏山也與縉云山的特征一致，且土壤有機(jī)碳含量為雷竹林(34.78 g·kg-1)>天然林(19.89 g·kg-1)>板栗林(12.17 g·kg-1)[17]。這可能與竹林管理過程施肥使其土壤肥力提高，同時(shí)大量的根系歸還增加土壤有機(jī)碳含量有關(guān)。

容重是計(jì)算土壤層碳和養(yǎng)分質(zhì)量的重要土壤特性，與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、層位、深度、水分、粘粒含量、有機(jī)碳含量和pH等理化性質(zhì)高度相關(guān)[18]。本研究結(jié)果表明，格氏栲天然林和毛竹林的土壤容重均隨土層深度增加而增大，而錐栗林與之相反。本研究3個(gè)樣地具有相同母質(zhì)、地形和氣候條件，但土壤容重具有差異性，天然林砍伐和植樹造林中樹種選擇在很大程度上解釋了這種變化，這與相關(guān)研究中土壤容重與土地利用方式密切相關(guān)的結(jié)論一致[18]。首先，樹種差異改變了枯落物歸還和分解過程，從而導(dǎo)致依賴于有機(jī)質(zhì)輸入和礦化過程的土壤有機(jī)碳含量的變化，進(jìn)而造成土壤容重的差異[19]；另外不同深度的土壤容重差異可能是毛竹和錐栗樹根系結(jié)構(gòu)和生物量差異引起的[20]，毛竹的根系以淺根居多，主要分布在表層，而錐栗和格氏栲根系分布較毛竹更深，根系擾動和養(yǎng)分歸還過程不同導(dǎo)致土壤剖面容重和碳含量的差異。滿秀玲等[21]認(rèn)為天然林砍伐后土壤容重往往出現(xiàn)增大趨勢，但采伐后選擇適當(dāng)樹種及時(shí)人工造林，有利于土壤的保護(hù)和改善。而本研究格氏栲天然林采伐后選擇不同樹種進(jìn)行造林，土壤容重的變化具有差異性，說明不同樹種上層結(jié)構(gòu)組成決定了其生物和物理化學(xué)功能，包括森林生長、碳、水和養(yǎng)分循環(huán)[22]，進(jìn)而表現(xiàn)在土壤特性的差異上。所以未來應(yīng)該加強(qiáng)對不同樹種造林后土壤理化性質(zhì)變化的長期監(jiān)測，以使植樹造林發(fā)揮最大的土壤碳匯和生態(tài)環(huán)境效益。

3.2 森林轉(zhuǎn)換對土壤碳儲量的影響

一般來說，土壤碳儲量是植物地上枯落物、死亡根系、根系分泌物和微生物分解之間建立的平衡關(guān)系，重新造林后需要大量生物量的輸入和較低的碳分解速率才能使土壤碳積累。然而人工造林與天然林相比，由于樹種的選擇、粗放/集約化管理(施肥、耕作和清除林下植被等)、造林年齡等方面的差異，往往對林下層多樣性、土壤微生物多樣性、土壤礦化速率等方面產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致土壤碳儲量的變化。

本研究結(jié)果表明，0～20 cm土層的土壤碳儲量，格氏栲天然林為45.25 t·hm-2，處于亞熱帶森林表層土壤有機(jī)碳儲量的范圍之內(nèi)[23]；而錐栗林、毛竹林分別為35.72、32.65 t·hm-2，低于全國平均值，但接近三峽庫區(qū)(32.00 t·hm-2)[24]和全國耕作土壤平均值(30.00 t·hm-2)[25]，三者均顯著低于全國森林土壤平均值(193.55 t·hm-2)[26]。與格氏栲天然林相比，錐栗林和竹林0～20 cm土層的土壤碳儲量分別下降21.08%和27.84%，說明土地利用變化降低了表層土壤碳儲量，與Yang等[27]的研究結(jié)果相似，碳損失量超過Meta分析中13%的平均值[5]。錐栗林和毛竹林碳損失主要發(fā)生于0～10 cm土層，可能是由于森林轉(zhuǎn)換對土壤的長期擾動破壞了土壤碳的物理保護(hù)，促進(jìn)土壤碳礦化分解，加之林下植被層單一和多樣性喪失，土壤侵蝕加重，導(dǎo)致表層土壤碳儲量的下降[28]。轉(zhuǎn)換為毛竹林后土壤碳儲量低于格氏栲天然林以及錐栗林等闊葉樹種的情況，與Turner等[29]認(rèn)為的天然林轉(zhuǎn)換為闊葉樹種后土壤碳儲量下降較小的結(jié)論一致，He等[30]的研究也顯示地帶性闊葉樹造林比竹林和杉木等樹種具有更大的固碳潛力；但與縉云山地區(qū)[16]毛竹林0～20 cm的土壤碳儲量(57 t·hm-2)高于闊葉林(49.07 t·hm-2)的規(guī)律不一致。毛竹與闊葉樹種土壤碳儲量差異與二者根系生物量、周轉(zhuǎn)速率、碳分配策略等導(dǎo)致的碳輸入模式、速率、質(zhì)量和數(shù)量有關(guān)，雖然毛竹林比木本植物有更高的根生物量、年生長率和周轉(zhuǎn)率[31]，但毛竹林的生產(chǎn)力和土壤碳儲量深受管理措施的影響，與僅進(jìn)行采伐的粗放模式相比，集約化管理雖然增加了土壤微生物生物量碳，但減少了土壤團(tuán)聚體，降低了微生物多樣性、酶活性以及土壤碳礦化率[32-33]，同時(shí)每年進(jìn)行老竹和竹筍的采、挖，減少了對地下碳和凋落物的輸入，可能是導(dǎo)致毛竹林碳儲量低于闊葉林的重要因素[34]。

4 結(jié)論

1)0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤容重，格氏栲天然林分別為1.06、1.27、1.30 g·cm-3；錐栗林分別為1.39、1.31、1.31 g·cm-3，與格氏栲天然林相比，錐栗林土壤容重均有不同程度的增加，增加量隨著土壤深度的增加而減小；毛竹林分別為1.16、0.96、1.13 g·cm-3，與格氏栲天然林相比，0～5 cm土層的土壤容重有所增加，5～10 cm和10～20 cm土層的土壤容重均有所減小。

2)0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤碳含量，格氏栲天然林分別為25.24、21.05、14.30 g·kg-1，錐栗林分別為13.43、12.68、13.77 g·kg-1，與格氏栲天然林相比，錐栗林土壤碳含量均有所下降，且距離地表越近，表層和下層的土壤碳含量更均勻，下降越明顯；毛竹林分別為15.51、12.68、15.61 g·kg-1，與格氏栲天然林相比，0～5 cm和5～10 cm土層的土壤碳含量均有所降低，10～20 cm土層的土壤碳含量有所增加。錐栗林與毛竹林相比，在0～5 cm和10～20 cm土層的土壤碳含量，毛竹林大于錐栗林；而5～10 cm土層的土壤碳含量二者一致。

3)0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤碳儲量，格氏栲天然林分別為13.38、13.34、18.53 t·hm-2，錐栗林分別為9.34、8.34、18.04 t·hm-2，毛竹林分別為8.96、6.10、17.59 t·hm-2。說明格氏栲天然林轉(zhuǎn)變?yōu)殄F栗林和毛竹林后土壤碳儲量均有所損失，主要集中在0～10 cm土層，且毛竹林土壤碳損失量大于錐栗林。

4)本研究僅分析了0～20 cm土層的土壤容重、碳含量及碳儲量的變化情況，而對20 cm以下土層的情況認(rèn)識不足，這可能會高估天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾髮ν寥捞純α康挠绊?，所以未來?yīng)該重點(diǎn)關(guān)注深層土壤理化性質(zhì)及碳儲量變化情況，以便全面評估森林轉(zhuǎn)換帶來的土壤碳庫變化。