不同退化程度赤桉人工林土壤生態(tài)功能變化對(duì)比1)

雷晨雨

( 永州市林業(yè)科學(xué)研究所，永州，425045)

王猛 田瑞杰

( 西南林業(yè)大學(xué))

馮德楓張春華孫永玉

( 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院高原林業(yè)研究所)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的重要場(chǎng)所，土壤生態(tài)功能的發(fā)揮直接關(guān)乎地表植被的生存和生長(zhǎng)[1]。干熱河谷地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，土層瘠薄，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)外界干擾敏感性強(qiáng)且自我恢復(fù)能力差，是我國(guó)西南地區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)[2]。人工植被恢復(fù)被認(rèn)為是提高土壤生態(tài)功能的有效手段[3]，自20世紀(jì)60年代開始，元謀干熱河谷地區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模、大時(shí)間跨度的造林活動(dòng)[4]，唐國(guó)勇等[5]研究證明在元謀干熱河谷地區(qū)營(yíng)造新銀合歡和大葉相思人工林22 a后，土壤的全量養(yǎng)分及速效養(yǎng)分均有顯著提升，但由于造林地樹種單一，后期管理不當(dāng)，造林區(qū)放牧、采藥等人為活動(dòng)頻繁，使得人工林林下植被和凋落物狀況發(fā)生變化，出現(xiàn)不同程度的地表裸露以及物種單一化趨勢(shì)，林地退化現(xiàn)象非常明顯，這也導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)功能發(fā)生改變。

植被與土壤相互影響相互作用，土壤為植物個(gè)體、植物種群的生長(zhǎng)乃至森林群落的穩(wěn)定提供水分、熱量、空氣、肥力的支撐[6]，植被在退化過程中，覆蓋度、枯落物以及根系活動(dòng)的改變導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生變化，這又反過來(lái)影響植被的退化進(jìn)程[7]。過去對(duì)于干熱河谷地區(qū)退化人工林的研究主要集中于退化現(xiàn)象的描述和生態(tài)系統(tǒng)光合碳分配特征[8-9]，對(duì)于土壤持水能力及碳匯能力的研究報(bào)道較少，因此，本研究對(duì)比分析不同退化梯度上的人工赤桉林土壤持水、養(yǎng)分供給、碳匯三方面土壤性質(zhì)的變化，揭示干熱河谷人工林退化與土壤生態(tài)功能的變化關(guān)系，以期為干熱河谷現(xiàn)存人工林管護(hù)及后續(xù)人工林營(yíng)造提供一定的理論依據(jù)，這對(duì)于西南生態(tài)脆弱區(qū)的保護(hù)也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣地調(diào)查與樣品采集

2020年8月中旬，在云南省楚雄州元謀縣馬頭山地區(qū)，選取坡向和坡度等基本條件一致的赤桉人工林作為研究對(duì)象，參照紀(jì)中華等[10]對(duì)干熱河谷坡地退化劃分標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)合實(shí)地情況，依照地表植被蓋度將其劃分為輕度退化(植被蓋度90%)、中度退化(植被蓋度60%)、重度退化(植被蓋度30%)3種人工林類型(表1)，并選取附近原生灌草樣地作為對(duì)照。每類樣地共設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的小樣方，對(duì)每個(gè)小樣方草本層物種數(shù)、蓋度和優(yōu)勢(shì)種平均高度進(jìn)行調(diào)查(表1)，隨后在每個(gè)小樣方內(nèi)用內(nèi)徑5 cm的土鉆分別采集土壤深度0

草本層Rickness指數(shù)及Coverage指數(shù)計(jì)算參考孫映通等[11]的方法。

物種豐富度Richness指數(shù)=S。

蓋度Coverage指數(shù)=Ac/A。

式中:S為樣方內(nèi)草灌木物種的數(shù)目，Ac為草本灌木垂直投影面積，A為小樣方面積。

表1 樣地地表植被狀況

1.2 土壤性質(zhì)測(cè)定

碳密度及碳儲(chǔ)量計(jì)算參照隆衛(wèi)革等[15]的方法。計(jì)算公式為：

式中:i為土壤剖面分層層數(shù);DSOCi為第i層土壤碳密度；Ci為第i層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di和Ei分別為第i層土壤密度(g/cm3)和土層厚度(cm)；SSOC為有機(jī)碳儲(chǔ)量。

土壤密度及持水能力按照《土壤物理性質(zhì)測(cè)定法》流程測(cè)定計(jì)算[16]，土壤孔隙度用土壤密度與土粒密度(2.65 g·cm-3)差計(jì)算[16]。

土壤總孔隙度=(1-土壤密度/土粒密度)×100%

Wt=10 000×Pt×h，

Wo=10 000×Po×h，

Wc=10 000×Pc×h。

式中：Wt為土壤最大持水量(t·hm-2)；Wc為土壤毛管持水量(t·hm-2)；Wo為土壤非毛管持水量(t·hm-2)；Pt為土壤總孔隙度(%)；Po為土壤非毛管孔隙度(%);Pc為土壤毛管孔隙度(%);h為取樣土壤厚度(m)，h=0.3 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化程度赤桉人工林土壤理化性質(zhì)差異

結(jié)果顯示(表2)，0

表2 不同退化程度及土層深度赤桉人工林土壤理化性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)方面也隨著林地的退化有一定的改變，土壤密度在不同土層表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，土壤孔隙度對(duì)土壤水、肥、氣、熱和微生物活性等有著重要的調(diào)節(jié)作用[17]。土壤孔隙度分為毛管孔隙度和非毛管孔隙度，毛管孔隙貯存水分供樹木根系吸收或土壤蒸散，非毛管孔隙為飽和土壤水分提供通道和蓄存空間[18]。0

表3 不同退化階段土壤持水量差異 t·hm-2

2.2 不同退化程度赤桉人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及活性碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異

活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為土壤穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在一定程度上忽略了有機(jī)碳總量下降對(duì)活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能造成的潛在影響，選擇土壤活性碳分配比例為指標(biāo)來(lái)指示土壤變化，具有更準(zhǔn)確、更敏感的優(yōu)點(diǎn)[19]。ROC分配比例可用于表征土壤SOC的穩(wěn)定性[20]，也可以用于指示SOC活度，ROC分配比例越大，說明土壤SOC活度越高，被分解礦化的潛力越大[19]。DOC分配比例指示土壤SOC的溶解能力，反映SOC流失水平，與SOC的礦化量具有較好的正相關(guān)性[21]。POC分配比例反映了土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其比值越高，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定。

表4 不同退化程度赤桉人工林土壤碳匯功能

在對(duì)不同退化程度間赤桉人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳儲(chǔ)量、活性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配比例進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)(表4、5、6)：土壤的SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各個(gè)土層中均表現(xiàn)為隨退化程度加深而降低。除了POC表現(xiàn)出隨退化程度加深而不斷降低的趨勢(shì)外，其余2種活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)則沒有隨赤桉人工林的退化表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。w(DOC)∶w(SOC)和w(ROC)∶w(SOC)的變化趨勢(shì)較為一致，均表現(xiàn)出隨退化的加重不斷增大的趨勢(shì)，而w(POC)∶w(SOC)則正好相反。

表5 不同退化程度赤桉人工林土壤ROC、POC、DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表6 不同退化程度赤桉人工林土壤3種活性碳分配比例

2.3 地表植被指數(shù)與土壤理化性質(zhì)、碳組分相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示(表7和表8)，Richness指數(shù)和Coverage指數(shù)與土壤SOC、有機(jī)碳密度、全氮、POC、w(POC)∶w(SOC)、毛管孔隙度和毛管持水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與w(DOC)∶w(SOC)、w(ROC)∶w(SOC)、土壤最大持水量、總孔隙度、非毛管持水量和非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。Height指數(shù)與SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳密度、POC、毛管孔隙度和毛管持水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與DOC含w(DOC)∶w(SOC)、w(ROC)∶w(SOC)、非毛管持水量和非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表7 土壤碳匯功能變量相關(guān)性分析

表8 土壤持水功能變量相關(guān)性分析

元謀干熱河谷赤桉人工林土壤隨著退化程度的加劇，其土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度、儲(chǔ)量、全氮和硝態(tài)氮、全磷及有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈下降趨勢(shì)。各活性碳組分隨著退化程度的改變含量未有表現(xiàn)出規(guī)律性變化，ROC和DOC分配比例隨著退化程度的加劇呈升高的趨勢(shì),POC分配比例則表現(xiàn)出相反趨勢(shì)，隨著退化的加劇，土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性也在下降。相關(guān)性分析結(jié)果表明土壤持水能力與土壤孔隙度有顯著的相關(guān)關(guān)系，人工林退化使得土壤孔隙結(jié)構(gòu)惡化，孔隙度下降，這導(dǎo)致土壤持水能力發(fā)生改變。整體來(lái)看，赤桉人工林隨著退化的加劇，其土壤養(yǎng)分總量及植物可利用的有效部分下降，孔隙結(jié)構(gòu)均呈惡化趨勢(shì)，其碳匯功能也受到一定影響，整體土壤生態(tài)功能發(fā)生退化。

3 討論

土壤是植物生存的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分狀況會(huì)對(duì)植物個(gè)體、植物種群的生長(zhǎng)乃至森林群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而地表植被變化也會(huì)在一定程度上改變土壤的養(yǎng)分狀況[22-23]。在本研究中，灌草地土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)要顯著高于退化赤桉人工林，隨著人工林退化的加劇，各土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)都表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，呈現(xiàn)這種規(guī)律可能是兩個(gè)因素作用的結(jié)果：一方面可能是草本層植被對(duì)地表徑流的削弱。降雨產(chǎn)生的地表徑流會(huì)造成土壤氮元素的流失[24-25]，而高蓋度草本群落能顯著降低地表徑流量[26]，這使得有著較高草本層蓋度樣地的氮流失量會(huì)較低；另一方面，土壤全氮主要來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化[27]，在本研究中，土壤SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著人工林的退化而降低，同時(shí)SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，這表明，人工林退化使得植被蓋度和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，導(dǎo)致土壤氮的流失量增大而輸入量減少，所以土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出隨退化程度的加劇而減少的趨勢(shì)。土壤全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出隨退化程度加劇而減少的趨勢(shì)，但兩者在同一土壤剖面的變化趨勢(shì)并不一致，推測(cè)可能是由于放牧和土壤侵蝕的共同作用，改變了土壤磷的分布特征。

土壤密度是表征土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，有研究認(rèn)為[27]，土壤密度大通常表明土壤存在著退化趨勢(shì),且密度值越大,土壤退化越為嚴(yán)重。在本研究中，不同退化階段人工林表層土壤密度隨著退化程度的加劇表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，這與部分學(xué)者的研究結(jié)果有所不同[28-29]，但也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)的顯著下降會(huì)導(dǎo)致土壤退化對(duì)土壤密度的影響在總體上呈相反趨勢(shì)[30]，重度退化樣地存在侵蝕溝和地表板結(jié)現(xiàn)象，土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土壤密度隨深度增加而增加[31]，這使得重度退化樣地土壤密度相較于輕度退化樣地較低。土壤孔隙表現(xiàn)和持水量隨退化的加劇而下降可能是該地區(qū)存在的放牧活動(dòng)所導(dǎo)致的，放牧?xí)茐耐寥澜Y(jié)構(gòu)，降低植被蓋度與根系量[32-33]，導(dǎo)致土壤持水能力的退化，土壤孔隙度和持水量與地上植被狀況表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系也在一定程度上印證了這一觀點(diǎn)。

隨著放牧和其他人為活動(dòng)的進(jìn)行，人工林灌木草本層植被破壞，土壤生態(tài)功能發(fā)生改變，具體表現(xiàn)在土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤持水能力的下降，同時(shí)由于植被地上部分被牛羊啃食，使得地上部分的養(yǎng)分歸還量減小，這進(jìn)一步導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的退化。用于表示地表植被狀況的物種豐富度、蓋度、植株高度3個(gè)指標(biāo)都與土壤持水能力表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，推測(cè)在干熱河谷地區(qū)，地表植被退化可能是引起人工林土壤養(yǎng)分狀況惡化的重要驅(qū)動(dòng)因子。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)，通過增加土壤碳庫(kù)可有效減緩大氣CO2濃度上升，這在調(diào)控全球碳循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用[34]。土地植被變化通常會(huì)改變土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能[35]。在本研究中，隨著退化的加劇，干熱河谷赤桉人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)碳儲(chǔ)量均呈下降趨勢(shì)[36-38]。植物的枝葉殘?bào)w分解后形成的腐殖質(zhì)經(jīng)過淋溶等作用后，其中的含碳化合物進(jìn)入土壤中被微生物釋放到土壤中，成為土壤碳的主要來(lái)源[39]。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量隨退化程度的提高而減少，是因?yàn)椴荼緦又脖黄茐乃鶎?dǎo)致的，隨著退化的加劇，地表植被蓋度和高度都急劇下降，這使得植物生物量減少，植被根系和凋落物歸還量隨之降低[38]，土壤碳來(lái)源減少。

碳庫(kù)穩(wěn)定性也是評(píng)價(jià)土壤碳匯功能的重要指標(biāo)[40]，土壤碳穩(wěn)定性較高時(shí)，土壤SOC主要以不易氧化有機(jī)碳、芳香碳的形式被儲(chǔ)存于大顆粒團(tuán)聚體中，不容易被微生物分解利用，但在土壤穩(wěn)定性較低時(shí)，各種活性碳組分成為土壤微生物主要的碳來(lái)源，這部分碳通過土壤呼吸作用進(jìn)入大氣中，將會(huì)促進(jìn)溫室效應(yīng)[41]。在本研究中，DOC和ROC分配比例均隨退化程度的升高而增大，這說明在退化程度較高的人工林中，土壤碳活性更高，更易被土壤中微生物利用，而POC分配比例則與前兩者表現(xiàn)出相反趨勢(shì)，意味著土壤中團(tuán)聚體穩(wěn)定性也在逐步下降，對(duì)土壤侵蝕抵抗能力減弱，這進(jìn)一步說明元謀地區(qū)赤桉人工林土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性隨著退化程度的加劇而下降。同時(shí)相關(guān)性分析結(jié)果顯示土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性指標(biāo)與表示地表植被狀況的草本物種豐富度、草本層蓋度、草本層優(yōu)勢(shì)種平均高3個(gè)指數(shù)表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，推測(cè)在干熱河谷地區(qū)，地表植被可能是引起人工林土壤碳匯功能下降的重要驅(qū)動(dòng)因子。

4 結(jié)論

在元謀干熱河谷地區(qū)赤桉人工林隨著地表植被狀況的不斷惡化，土壤碳匯、養(yǎng)分供給、水分固持等生態(tài)功能發(fā)生退化，主要體現(xiàn)在養(yǎng)分總量和有效養(yǎng)分含量的下降，土壤最大持水量下降和孔隙度結(jié)構(gòu)改變，以及土壤碳儲(chǔ)量的減少，土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性減弱，而地表植被破壞可能是引起人工林植被退化的主要因子之一，故元謀干熱河谷現(xiàn)存人工林的管護(hù)，對(duì)于放牧、劈柴等對(duì)地上植被造成破壞的人為活動(dòng)管控是重中之重。