人工修复措施对严重退化红壤固碳效益的影响

2010-05-08黄荣珍樊后保

水土保持通报 2010年2期

黄荣珍，樊后保，李凤，肖龙

(1.南昌工程学院生态环境系，江西南昌330099;2.泰和县水土保持站，江西泰和343700)

全球气候变暖已经成为无可争议的事实，造成气候变暖的主要原因是以二氧化碳为主的温室气体排放过多，而降低大气中二氧化碳等温室气体的含量有两种办法:一是直接的节能减排，二是间接手段，即通过生态手段吸附、固化大气中的二氧化碳。

在间接减排的各种努力中，森林的经营与管理具有十分重要和不可替代的作用和地位。森林就像地球的“肺”，在吸收二氧化碳、减缓全球气温上升方面发挥着举足轻重作用，作为陆地生态系统的主体，其汇聚着全球植被碳库86%以上的碳及全球土壤碳库73%的碳[1-2]。江西省作为我国南方严重的红壤侵蚀区，在侵蚀劣地生态修复方面开展了卓有成效的工作，近几十年森林覆盖率大幅度提高，但总体上依然暴露出林分质量偏低，未能充分发挥当地丰富气候资源潜力的态势，这与缺乏科学研究支持及由此带来的认识不足、资金缺位密切相关，严重制约了广大水土流失地生态修复工作的深入开展。以往在进行生态修复效益评价时，对其吸收二氧化碳、抑制气候变暖效益往往忽略或重视不够。本研究选择在井冈山水土保持科技示范园(水利部第一批水土保持科技示范园)设立实验地，以严重侵蚀红壤地不同人工修复措施林分为研究对象，对群落的乔木层、土壤层的碳储量及其“碳汇”价值进行探讨，以期对人工修复林分的“碳汇”效益有更深入的了解，为生态修复的生态补偿提供理论依据和基础数据，促进生态修复工作的深入开展。

1 研究区概况

试验地位于泰和县老虎山小流域内，地理位置为东经 114°52′—114°54′，北纬 26°50′—26°51′，属中亚热带季风气候，多年平均雨量为1 363 mm。无霜期288 d，平均气温为18.6℃，平均大于10℃的积温为5 918℃，极端最高、最低气温分别为40.4℃和-6℃。老虎山小流域属平原面丘陵区，海拔在80～200 m之间，境内丘坡平缓，坡度多在5°左右，土壤为第四纪红色粘土发育而成的红壤，厚度一般为3～40 m。

试验地包括裸露地(植被恢复前的对照，用CK表示)，以及在裸露地上治理恢复的强烈干扰马尾松(Pinus massoniana)林分(打松枝、耙松针，无任何抚育管理措施，用A表示)，竹节沟马尾松林分(开挖水平竹节沟，用B表示)，种草竹节沟马尾松林分(带状种草且开挖水平竹节沟，用C表示)和竹节沟湿地松(Pinuselliotti)林分(开挖水平竹节沟，用D表示)，治理前均为A层土壤全部剥蚀，B层出露，本底条件相似。

裸露地属强度土壤侵蚀，B层出露，地表无任何草灌。马尾松和湿地松都是1983年同密度植苗造林治理形成的，竹节沟全部为2000年开挖完成。本试验于2008年4月进行每木调查和土壤样品的野外采样。调查强烈干扰马尾松平均树高4.44 m、平均胸径9.38 cm，密度1 450株/hm2，林地内除了少数的萌芽松苗外，没有灌木和草本;竹节沟马尾松平均树高6.44 m、平均胸径8.04 cm，密度 1 500株/hm2，林地内偶见极少数的低矮草灌。种草竹节沟马尾松平均树高5.68 m、平均胸径8.85 cm，密度1 525株/hm2，草种为2002年播种的百喜草(Paspalum notatum Flugge)，林地内现存极少数的低矮灌木，草本的覆盖率约为40%。竹节沟湿地松平均树高13.12 m、平均胸径14.74 cm，密度1 300株/hm2，林地内现存少数的低矮草灌，草灌的覆盖率约为30%。为研究方便，林地内的草灌由于量少数微，且没有合适的方程供计算选择，故不计入生物量及固碳量。

2 研究方法

2.1 材积与林分固碳量计算方法

单株材积采用同位于泰和县、红壤侵蚀地上建立起来的二元材积方程[3]，标准地的材积采取每木调查法、计算单株材积的总和得到。

式中:V马，V湿——分别为马尾松、湿地松单株林木的树干材积(m3);D——林木的胸径(cm);H ——林木的树高(m)。

根据研究，同地区和同年龄马尾松木材干物质密度346.6 kg/m3，湿地松木材干物质密度 298.9 kg/m3[3];马尾松干、叶、枝、根分别占生物量干质量的比例为 65.1%，11.8% ，10.5% ，12.6%[4];含碳量分别为51.614%，44.617%，47.563%，50.737%[5];湿地松干、叶、枝、根的比例分别为63.8%，11.2% ，12.9%，12.1%[4];含碳量分别为 54.786%，59.33%，5.59%和56.311%[6]。

2.2 土壤碳计算方法

土壤碳库储量计算采用的公式为:

式中:SOCP——每一土层土壤碳库储量(t/hm2);d——每一土层厚度(cm);Q——土壤容重(g/cm3);f——每一土层＞2 mm 石砾含量(%);c——每一土层深度有机碳含量(g/kg)。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定。

2.3 固碳价值计算方法

目前对森林生态系统单位CO2吸收功能经济价值的评估多采用碳税法和造林成本法。由于西方国家税收水平较高，造林成本法又难以反映人们的实际支付意愿，取2种计算方法的平均值更接近其实际价值，碳税法在计算中一般使用瑞典税率(150美元/t)，折合成人民币约为1 245元/t[7]，中国的造林成本一般采用 71.2元/t，折合为 261.3元/t[8]。

3 结果与分析

3.1 不同林分乔木层固碳量

从图1可以看出，强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松林分林木的固碳量分别为 6.12 ，6.83 ，8.20，32.69 t/hm2;以竹节沟湿地松最高，分别为强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松的5.34，4.48和3.99倍，其中竹节沟马尾松和种草竹节沟马尾松比较接近，种草的比没种草的高19.96%，同时两者分别比强烈干扰马尾松高11.58%和33.85%。说明湿地松生长快、生物量大，固定CO2的能力强，而两种开挖竹节沟的马尾松林均高于受到强烈扰动破坏林分，这与竹节沟截短坡长、减缓坡度，改变坡面小地形，调控坡面径流、改善坡面水肥运动状况从而促进林木生长有关;种草的优于没有种草的，揭示了种草不仅可以增加地表覆盖，直接减少径流和土壤冲刷，亦可通过种草从而有利于乔木生长、更好保护地表，起到间接的水土保持作用。

叶、枝、根的固碳量占总量的比例都在33%(湿地松为37%)以上，其重要性不可轻视，因此，森林被采伐利用时，木材部分被制成家具或建筑物可以被“永久的”保存起来，成为缓冲性质的林产品碳库，对调节地球环境中碳周转速率和周转量具有重要的意义[9];采伐剩余物枝、叶、皮、根等应保留在林地内，让其在自然状态下缓慢分解，经由腐殖质的最后分解阶段常常需要很长的时间——有时达到几年或几十年[4]，减缓CO2排放。同时，如果能够在采伐后及时完成CO2更新过程，所造成的CO2的排放量不是很大。反之，森林采伐后，大量树根、叶、枝、皮等被移出林外作薪材，或进行“炼山”，这将导致大量的有机质在很短时间内迅速氧化分解，尤其是土壤表层有机质在高温下迅速氧化，将排放大量的CO2[10]。

图1 不同林分乔木层固碳量

3.2 土壤有机碳含量及其垂直分布

裸露地80 cm土层内土壤有机碳平均含量为3.03 g/kg(图2)，变幅在2.5～3.3 g/kg之间。人工修复后，竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松林80 cm土层内土壤有机碳含量分别比裸露地高48.68%，92.20%和213.67%，既使是强烈干扰马尾松也比裸露地高23.19%。人工修复后土壤有机碳含量的增加主要是由于植物凋落物分解输入和土壤侵蚀的减少。裸露地0—80 cm土层内土壤有机碳含量没有显著的垂直变化(图2)，而人工修复后土壤有机碳含量垂直变化明显，其中以竹节沟湿地松最为突出。4种人工修复林分0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm土壤有机碳含量均显著高于裸露地的(图2)，其中0—10 cm土层土壤有机碳含量修复最为明显，竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松比裸露地增加了1.89，3.69和4.48倍，强烈干扰马尾松增加的相对较少，仅有1.47倍，这主要与植物凋落物和草本聚集在地表有关。在20 cm土层深度以下土壤有机碳含量下降速率变缓，20—80 cm仅竹节沟湿地松显著高于裸露的。40 cm土层深度以下的土壤容重大，养分贫乏，根系数量少，因此人工植被修复对底层土壤有机碳的影响较小。竹节沟湿地松在40—80 cm土层深度土壤有机碳含量与裸露地的仍有较大差异，超出了其根系活跃的深度，此问题有待于进一步研究。

种草竹节沟马尾松林地播种百喜草6 a后0—10 cm的土壤有机碳含量相比10—20 cm土层急剧增加(图2)，增大了1.36倍，20—80 cm 土层有机碳含量则与没种草的没有明显差异，表明土壤有机碳的修复效果最主要体现在0—10 cm土层，即侵蚀退化地种草治理可能在短时间内修复表层土壤有机碳含量。这主要是因为百喜草根系匍匐地表，每到冬季百喜草茎叶及须根大量枯死，为表层土壤补充了大量的有机物质，而且百喜草的覆盖有效减少了土壤有机质的流失。

图2 土壤有机碳垂直分布

3.3 不同林分土壤碳储量

土壤是仅次于海洋和地质库的碳储库，全球土壤有机碳库约1 500 Pg(1 Pg=1015g)，大约分别是大气(750 Pg)和陆地生物(550～570 Pg)碳库的2～3倍，在全球碳循环中起着至关重要的作用，它的微小变化可能对大气CO2浓度具有显著影响[11]。自然植被遭人为严重破坏时，导致土壤有机碳的损失，而适当的管理和植被恢复可以使退化土壤重新吸存有机碳，成为缓和大气CO2浓度上升的有效手段之一[12]。从表1可以看出，不同人工修复林分土壤碳储量不同，以裸露地最低，分别为强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松的86.31%，72.75%，62.46%和36.84%。主要是因为裸露地没有凋落物的归还与自肥作用，且在长期的土壤侵蚀和矿化作用影响下，土壤有机碳损失严重。修复为种草竹节沟马尾松林和竹节沟湿地松林后土壤有机碳储量显著增加，0—80 cm土层的碳储量分别为49.060和83.170 t/hm2，但仍明显低于我国亚热带常绿阔叶林(124 t/hm2)和亚热带、热带常绿针叶林(95 t/hm2)及亚热带、热带灌丛矮林(94.9 t/hm2)[13]，也低于一些研究者估算的我国森林土壤的平均碳储量(115.90或193.55 t/hm2)[13-14]，以及世界土壤的平均碳储量(189.10 t/hm2)[14]。

在0—80 cm土层内，土壤有机碳储量均随着土壤深度增加而减少(表1)。0—10 cm土层土壤有机碳储量修复最明显，强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松分别比裸露地分别增加了0.41，0.80，2.33和3.19倍。按相同的土层厚度计算，人工修复后，0—10 cm土层土壤有机碳储量所占比重最大，尤其是种草竹节沟马尾松0—10 cm土层的土壤有机碳储量占土壤有机碳总储量的27.32%，而裸露地0—10cm土层有机碳储量与其它层次的差异较小。

表1 不同人工修复措施林分土壤碳储量 t/hm2

人工修复后，0—20 cm土层是土壤储存有机碳的主要层次，如裸露地0—20 cm土层有机碳储存量只占0—80 cm土层的26.37%，而强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松地则分别占30.94%，31.76%，39.73%和 37.56%，分别比裸露地增加了35.93%，65.53%，141.23%和286.58%;而在40 cm土层深度以下，每个层次土壤有机碳储量占总储量的比例相对稳定，强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松地分别约为20%，22%，19%和16%左右，因此，上述措施对40 cm以下深度土壤有机碳储量的影响不明显。

3.4 不同林分固碳价值

不同林分固碳价值差异显著(表2)，强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松林分的固碳价值分别为3.14，3.69，4.31和8.73万元/hm2，比裸露地分别增加了0.36，0.60，0.87和2.78倍。人工修复的植被碳库中以强烈干扰马尾松最低，竹节沟湿地松最高，后者是前者的5.34倍，竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松的植被碳库价值居中，分别是竹节沟湿地松20.90%和25.07%。以裸露地为对照，强烈干扰马尾松、竹节沟马尾松、种草竹节沟马尾松和竹节沟湿地松林分增加的固碳价值分别为0.83，1.38，2.00和 6.42万元/hm2。

表2 不同林分固碳价值

4种人工修复林分中，除了竹节沟湿地松，另外3种林分土壤碳库价值所占比例俱在85%以上，显示了保护土壤碳库、提高其固碳能力的重要性。保护土壤碳库、提升其碳吸存能力，除了改变小地形、增加地表覆盖、避免径流破坏外，还需要栽植速生、乔灌草结合或种植凋落物量大的植物，以增加土壤的有机物质输入。在严重侵蚀退化的立地条件下，创造有利于苔藓、地衣等低等植物生存的微环境，促进微生物种群和数量的增加，加快生态系统正向演替的进程。

4 结论

(1)人工修复明显增加了侵蚀退化地的有机质的恢复，固定了大量的CO2，增加了碳汇，显示了其显著的固碳效益。在4种人工修复林分中，强烈干扰马尾松的固碳量最低，竹节沟湿地松的最高，其原因在于湿地松前期生长迅速、枝叶繁茂，而强烈干扰马尾松经常存在打枝、耙松针、人为践踏频繁、水土流失严重等障碍，生长严重不良。

(2)土壤有机碳含量随着土层深度的增加而降低，裸露地土壤碳储量极低，有机碳的垂直分布也不明显。人工恢复显著增加了侵蚀退化地土壤有机碳含量和储量，尤其是0—10 cm土层土壤有机碳含量和储量受植被恢复影响最大，0—20 cm土层是储存有机碳的主要层次，40 cm以下深度土层有机碳受植被恢复的影响很小。

(3)与同纬度的地带性植物群落相比，严重退化修复地上的植被碳库和土壤碳库都相差甚远，揭示其尚有很大的碳吸存潜力，但在侵蚀退化地上，各种营养元素含量极低，植被生长环境条件恶劣，依靠植物自身能力恢复速度十分缓慢，亟需外来进一步的人工干预，以加速其恢复的进程，此也将提供一个巨大的碳吸存空间，从而为延缓气候变暖做出积极贡献。

(4)我国南方红壤严重侵蚀劣地普遍采用马尾松、湿地松两种先锋树种，本研究结果表明湿地松的固碳效益远大于马尾松，但其短期内并不能取代乡土树种马尾松，作为外来树种，湿地松抗逆性不如前者，2008年春的雨雪冻害致其大面积倒伏，要更大面积地推广种植，需要开展进一步的改良和研究。

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