红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态

2013-12-16何圣嘉谢锦升曾宏达周艳翔吕茂奎杨玉盛

生态学报 2013年10期

何圣嘉，谢锦升，曾宏达，田浩，周艳翔，胥超，吕茂奎，杨玉盛

(湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建师范大学，福州 350007)

近年来，退化地造林已成为国际上普遍用于保护土壤，阻止荒漠化，并增加土壤碳吸存的一个方法，而由此新产生的巨大碳汇对缓解今后大气CO2浓度升高、减缓全球气候变化具有重要意义［1］。随着土地利用/覆被变化对陆地生态系统碳通量的影响成为全球碳循环与气候变化的一大研究热点，围绕土地利用变化对土壤碳库影响的研究在全球范围内得到了广泛的开展［2］，但有关侵蚀退化地植被恢复对土壤有机碳影响的研究仍相对匮乏［3］。土壤有机碳储量是土壤中动植物残体等有机物质的输入与损失之间的动态平衡［4］，是一个受气候、植被、土壤性状、土地利用变化等因素综合影响的动态变化过程。因此，基于土壤有机碳库静态基础上的研究并不能很好地反映土壤有机碳库的动态变化，而土壤有机碳模型将是唯一可能的方法［5］。以洛桑实验站100多年长期定位试验数据为基础而建立的RothC模型，所需参数较少，且易获取，是目前世界上影响较大的土壤碳循环机理模型之一。由于受土壤类型、气候和土地利用变化等因素的限制，RothC模型在对热带土壤湿度和作物覆盖对有机质分解速度影响［6］、水稻土有机碳变化的预测［7］及土地利用变化引起土壤有机碳骤降情况的模拟［8］可能存在相对较大的偏差;但就整体而言，RothC模型成功地模拟了世界不同地区耕地、草地以及林地土壤有机碳的周转［8-11］，能够较为准确地反映土壤有机碳的变化趋势。

自20世纪80年代以来，长期的水土保持生态恢复工作使得南方红壤侵蚀区恢复了大面积的马尾松，在改善当地生态环境、增加林业碳汇等方面成效显著。然而，由于当前有关南方红壤侵蚀区马尾松生态恢复后土壤有机碳库动态的研究甚少，导致在对马尾松水土保持林作效益评价时往往缺少对其碳汇效益的评估［12］。本研究以RothC模型为主要研究手段，旨在研究红壤侵蚀地马尾松恢复过程中土壤有机碳的动态变化，以期为RothC模型在该地区适用性问题和今后水土保持生态恢复工作及其相应林地碳增汇评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区与试验地概况

长汀县河田镇地处福建西南部汀江上游，东经 116°18'—116°31'，北纬 25°33'—25°48'，海拔 300—500m，属中亚热带季风气候区，年均降雨量、蒸发量分别为1700mm和1403mm;年平均气温17.5—19.2℃。土壤主要为燕山运动早期形成的中粗粒花岗岩发育的红壤，可蚀性较高，原有地带性植被(常绿阔叶林)基本破坏殆尽，现以马尾松(Pinus massoniana)次生林和人工林为主。该镇的水土流失面积为13586.8 hm2，约占全镇土地面积的 46.7%(2003 年调查资料)［12］。

本研究中涉及的试验样地包括:(1)植被恢复前对照区，分别于河田镇的游屋背、马坑垄以及石官凹、科教园及乌石岽附近未采取生态恢复措施侵蚀退化地设置对照;对照区的土壤侵蚀一般达强度以上，林地表层土壤流失殆尽，淀积层出露，地表植被以稀疏的马尾松小老头树和少量芒萁(Dicranopteris dichotoma)、野古草(Arundinclla setosa)为主;表层(0—20cm)土壤有机质含量为1.4—5.3g/kg，马尾松平均胸径和树高分别为4.3—6.6cm 与3.1—4.6cm，平均林分密度为611 株/hm2，林下植被盖度小于0.6，有的甚至低于0.3。(2)侵蚀地恢复治理马尾松样地概况见表1。

1.2 样地布设与采样分析

于2011年7月在每个试验地设立3个20m×20m的标准地，分别进行本底和生物量调查。在每个标准地的上、中、下坡各布设一个样点，调查深度为1m土壤剖面的特征，进行分层取样，用环刀法测定土壤的容重和含水量。除此之外，为使表层0—20cm土壤样品更加具有代表性，用内径为5cm的土钻在每个标准地内根据随机、等量、多点混合的原则，选取10个点按0—10和10—20cm进行分层取样。用浓硫酸-重铬酸钾外加热氧化法测定土壤有机碳含量［13］。

表1 研究样地基本概况Table 1 Basic situation of study area

1.3 RothC 模型

RothC模型是依据洛桑实验站100多年长期定位试验数据建立的，是目前世界上影响较大的土壤碳循环机理模型之一;该模型根据土壤有机碳的分解速率将土壤有机碳库划分为4个活性碳库(易分解植物残体(DPM)、难分解植物残体(RPM)、微生物生物量(BIO)、腐殖质(HUM))和1个惰性碳库(IOM)，各分库有机碳的分解周转见图1。

图1 RothC模型结构图［14］Fig.1 The structure of the Rothamsted Carbon Model

1.4 参数输入

1.4.1 气象数据

RothC 26.3模型所需的气象数据包括月平均温度、月平均降雨量和蒸发量(由长汀县气象局提供，为1951—1990近40年逐月平均值)(表2)。

1.4.2 土壤及管理数据

过去一些研究［15-17］表明本研究区未治理侵蚀退化地表层(0—20cm)土壤有机碳储量大致为3.29—3.83 tC/hm2，与本研究中游坊屋背样地表层碳储量(3.61 tC/hm2)较为接近，故以此为整个研究区马尾松恢复前侵蚀地碳储量的背景值，作为模型模拟的起始点，运用模型逆向运行计算得到各分库的初始值。造林后的具体措施主要参考之前相关研究以及长汀县2005、2007、2008植被恢复工程施工设计，然鉴于水东坊马尾松样地的历史资料相对完整，故以此作为治理初期的管理措施:每666.7m2施粗垃圾1000 kg，猪粪375 kg，钙镁磷肥25 kg，硼砂1 kg，并于种植前施碳铵25kg，过磷酸钙11.5 kg;造林成活后追肥两次，每次每666.7m2施1.5kg尿素，并于第2年追施尿素5kg，第3年追施磷酸钙10kg，碳铵10kg。

表2 研究区气象数据Table 2 Climate data of study area

DPM/RPM为输入植物残体中易分解有机物质与难分解有机物质的比例，DPM/RPM的值越小，表示输入有机碳的分解越缓慢。然而，由于一些客观原因本研究没有对该指标进行实测，故采用模型的预设值0.25(落叶林地)。样地土壤年植物残体的输入量则通过以植被较差的侵蚀地(游屋背)为背景，在已知土壤有机碳的情况下，运用模型逆向运行的功能计算维持该有机碳水平所需的有机碳数量输入量，之后则以实测样地的植物残体输入量为基础，结合马尾松林年凋落物量与林龄、胸径、树高的关系方程［18］按比例推算样地每年通过植物残体输入的有机碳量。然而，将实测的 IOM数据与用 Falloon等［18］提出的经验公式(IOM=0.049TOC1.139)比较发现，用以上公式计算得到的IOM值仅为实测值的16%—56%。之前Xu［20］与Leifeld［21］的研究中同样也存在类似的现象。故本研究用实测的IOM代替模型模拟得到的初始IOM值，并根据以下公式，对年植物残体输入量进行了校正［20］。

式中，M0和M1分别表示原先计算得到的年植物残体输入量和校正后的年植物残体输入量。本研究中RothC 26.3模型所用到的土壤数据及其他数据见表3。

表3 模型所需土壤及其他数据Table 3 Soil and other data required by the model

1.5 数据分析与模拟结果评价

采用Excel2003与SPSS17.0进行统计和数据分析。利用均方根误差(RMSE)、平均误差(M)、模拟效率值(EF)和决定系数(CD)对模型模拟结果进行评价。

2 结果分析与讨论

2.1 模型校正与结果评价

本研究中利用伯湖、石官凹、乌石岽、水东坊马尾松样地表层土壤的实测有机碳数据(包括历史数据，见表4)对RothC 26.3模型进行了校正，然后用科教园、游坊、八十里河、露湖的实测数据(含部分历史数据，表4)对模型短期模拟结果进行检验，模型模拟结果评价指标计算结果详见表5。

从表4可以看出，马尾松恢复过程中0—20cm土层有机碳储量短期和长期模拟的r都在0.9(P＜0.01)以上，模型模拟值与实测值之间表现出高度正相关;而根据模拟结果和实测值计算得到的平均误差(M)较小，意味着模拟结果的整体偏差(一致性误差)较小。然而，由于M的计算公式中不包含平方项，使得高于实测值或者低于实测值所产生的偏差可以相互抵消，容易忽略数据间非一致性偏差。CD值表示模拟值能够解释观测值总体方差的比例，其值大于1表示模拟值能够较实测均值更好地描述实测数据。均方根误差(RMSE)通常可直接用于不同模型模拟结果中误差大小的比较，其值越小表示模拟精度越高。总体来看，两个模拟过程中RMSE都要小于20%(表3—表6)，且土壤有机碳储量长期模拟的RMSE值接近10%，可见模拟预测值与实测值之间达到了较高的一致性;与此同时，模拟效率值(EF)都达到了0.7以上则表明模型的模拟效果较好。

表4 模型校正及验证数据Table 4 Calibration and verification data of the model

表5 模拟值与实测值比较分析Table 5 Comparative analysis of simulated and measured values

2.2 生态恢复过程中土壤碳库动态

过去红壤侵蚀退化地马尾松恢复过程中土壤有机碳库动态的反演(短期模拟)结果如图2所示。在短期模拟的基础上，以封禁治理26a的水东坊马尾松样地为背景，假设气候、植物残体输入量等因子不变，对侵蚀退化地植被(马尾松)建植后，在不受人为干扰的情况下，向当地顶级群落(次生林)演替过程中表层土壤有机碳储量的变化进行模拟(图3)，并对为期180a的模拟结果进行回归分析，得出了马尾松林表层土壤有机碳储量与其恢复年限的相对关系方程(图4):

式中，x为恢复年限(a)，y为有机碳储量(tC/hm2)。

在本研究中，由于在造林前对侵蚀退化地施用了基肥(使侵蚀地0—20cm土层有机碳储量已经由原先的3.61tC/hm2迅速上升至 7.68tC/hm2)，而后又在造林成活后的前几年又进行了多次追肥，从而使侵蚀退化地在马尾松林恢复6—7a后，其林地土壤碳储量便表现出净积累(图2)。由于造林前的频繁整地将有效促进土壤有机质的分解，导致土壤有机碳损失;加之马尾松林建植初期林下植被的匮乏，造林整地容易引发较为严重的水土流失，进一步造成土壤有机碳的大量流失;再者，因为造林初期乔木层与根系的生物量都较小，使得土壤凋落物与死亡根系的输入量不足以维持当前土壤有机碳水平，故最终导致马尾松林地土壤有机碳储量在造林后的前2a持续下降(下降速率约0.738 tC·hm-2·a-1)(图2)，但随着马尾松幼林的快速生长和林下植被的恢复，林地凋落物输入量快速增加，造林后第3年表层土壤有机碳储量开始出现净增长(图2，表6);但与造林前通过堆肥等措施后土壤有机碳储量水平相比，马尾松林恢复后前5a，林地表层土壤的平均碳吸存速率为-0.104 tC/hm2(表现为碳源)，下降幅度达6.78%(表6)，显著高于Paul等［23］报道的全球造林后的前5a土壤有机碳流失水平(3.64%)。

图2 侵蚀地马尾松恢复后土壤有机碳库动态变化Fig.2 Dynamic of soil organic carbon in erosive land during the restoration of Pinus massoniana

图3 长期演替土壤有机碳储量动态模拟Fig.3 Simulation for dynamic of soil organic carbon during long succession

图4 土壤有机碳动态模拟结果回归分析Fig.4 Regression analysis of simulation results of soil organic carbon dynamics

根据图5可以看出，侵蚀退化地在马尾松林建植后15—25a内，林地表层土壤的碳吸存速率以非线性的形式增加，并达到最大值(约0.5—0.6 tC·hm-2·a-1);而马尾松建植后30年内表层土壤碳的平均积累速率约为0.385 tC·hm-2·a-1，略高于之前Post和Kwon［1］报道的重新建植的森林土壤碳的平均累积速率0.338 tC·hm-2·a-1。而在向当地顶级群落演替过程中，表层土壤碳吸存的速率随恢复时间的变化关系表现为类似于抛物线的形式，长期平均碳吸存速率约为0.156 tC·hm-2·a-1。凋落物中的各个组分对林地养分归还的贡献有着较大的差别，其中凋落的针叶对马尾松林地养分归还的影响最大［24］，频繁的清除林下凋落物(特别是松针)将直接减少土壤有机物质和养分的输入量。由于无法统计历史上这类人为干扰的频数与强度，故本研究中没有排除这一人为干扰，可能使模拟结果存在一定的高估，造成估算得到的碳吸存量及壤碳吸存速率偏大。但就整体而言，RothC 26.3模型还是较好地模拟了侵蚀退化红壤马尾松恢复后林地表层土壤有机碳库的动态变化。

表6 植被恢复后前5年0—20cm土层碳库动态Table 6 Dynamic of 0—20cm soil organic carbon in first 5 years after restoration

图5 恢复过程中表层土壤净碳吸存量及固碳速率变化Fig.5 Quantity and rate of net carbon sequestration in topsoil during the restoration

2.3 林地土壤碳汇效益及固碳潜力评价

土壤碳吸存的速率、碳库的大小及质量通常取决于气候、土壤、树种、凋落物的性质等因子的综合作用，而土壤碳吸存速率在时间尺度上变化表现为非线性［25］，也就意味着土壤中所能固定的碳并非无限增加的，而是存在一个最大固持量，即碳饱和水平［26］。直接外推法和模型法是目前有关土地利用∕覆被变化后土壤碳汇效益及固碳潜力评价的主要手段。本研究以未经治理的侵蚀退化地(CK1)为对照，根据直接外推法计算了侵蚀退化地马尾松植被恢复过程中的碳汇效益;根据之前得到的马尾松林表层土壤有机碳储量与其恢复年限的相对关系方程计算出0—20cm土层碳吸存达到平衡时所需的时间(约184a)和碳储量(36.85 tC/hm2)，并以此为得到不同恢复阶段土壤的固碳潜力和最大固碳潜力(33.26 tC/hm2)(表7)。整个演替过程中表层土壤的碳汇量及固碳潜力的计算公式如下:

式中，SCS为0—20cm土层碳汇量(tC/hm2)，x为马尾松治理恢复年限(a)，ck1为侵蚀裸地(游坊屋背)表层(0—20cm)有机碳储量(tC/hm2);SOCbalance为平衡时土壤碳储量(tC/hm2)，SOC为当前土壤碳储量(tC/hm2)。

表7 侵蚀退化地马尾松恢复过程中表层土壤碳汇及固碳潜力Table 7 Carbon sink and sequestration potential of topsoil during the restoration

根据表7可以发现，侵蚀退化地在马尾松恢复20a内，林地0—20cm土层对碳的固持量比治理前净增了10 tC/hm2，而在接下来的25a内的平均碳吸存速率下降为0.372 C·hm-2·a-1，碳汇量从20 tC/hm2上升至30 tC/hm2所需的时间约为67a，特别是从当土壤有机碳储量接近饱和时，表层土壤碳汇量增加3.26 tC/hm2(从30 tC/hm2上升为33.26 tC/hm2)所需的时间更是长达74a左右。由此可见，当土地利用方式或者土地管理措施发生变化后，土壤碳吸存的速率通常可以在短期内达到最大值［27］;具体表现为土壤有机碳水平越低(与饱和水平的差距越大)，土壤碳更为容易快速积累，且随着土壤有机碳的不断增加(与饱和水平的差距不断缩小)，土壤对有机碳的固持能力不断下降［25］;特别是当土壤有机碳含量接近甚至达到饱和容量时，即便有外源碳的输入，土壤有机碳库亦不再增加［28］。

然而，土壤有机碳水平只是该地区天然条件(生产力、水分状况、温度等)下碳输入与损耗的平衡状态的反映，但并不是该地区土壤有机碳储量上限的体现［26］。因此，当外界条件发生改变(如:气候变化等)，将影响土壤有机碳的平衡水平。目前国际上用于土壤有机碳动态模拟的模型基本是以一级动力学方程为基础来模拟土壤中各个分库(模型概念库)有机质的分解，这也就意味着土壤达到平衡时的有机碳储量与外源碳的输入量具有线性关系;尽管这些模型对有机碳水平在中等以下的土壤的碳动态的模拟效果较好，但随着外源碳输入的提高，可能会使有机碳周转模型过高地估计土壤真正的固碳能力。正是基于土壤有机碳周转模型可能存在的不足，West［28］和Stewart［29］认为当土壤有机碳水平与其饱和值之间的差距较大时，采用一级动力学方程可以较好地实现土壤有机碳动态变化的模拟预测，但当土壤有机碳储量逼近碳平衡点时，用渐近线方程代替一级动力学方程可以更好地模拟碳库动态。本研究中对侵蚀退化地马尾松恢复过程中林地土壤碳平衡点的估算是建立在有机碳输入量、分解速率、气候条件等不变、以及没有人为干扰破坏的前提下进行的。特别是气候条件的改变，将直接或者间接地影响外源碳的输入及土壤有机碳的分解，对土壤有机碳储量饱和容量的模拟预测造成一些不确定的影响，需今后进一步研究;由于研究过程中忽略了一些实际存在的人为干扰和破坏，将低估侵蚀地马尾松演替过程中土壤碳储量达到饱和点所需的时间。

3 结论

(1)RothC 26.3模型可以较好的模拟红壤侵蚀退化地马尾松恢复过程中0—20cm土层有机碳库的动态变化，短期模拟和长期模拟都较好地反映了植被恢复过程中土壤有机碳的变化趋势(R2达0.8以上)。侵蚀退化地在马尾松林建植后，林地表层土壤碳吸存速率以非线性的形式上升，并在15—25a内到达最大值约0.5—0.6 tC·hm-2·a-1，植被建植后30a内表层土壤碳的平均积累速率为0.385 tC·hm-2·a-1，红壤侵蚀退化地自马尾松建植之后演替至当地顶级群落整个过程中林地平均碳吸存速率为0.156 tC·hm-2·a-1。

(2)根据模拟结果的拟合方程，计算得到研究区红壤侵蚀退化地0—20cm土层的碳饱和容量约为36.85 tC/hm2，固碳潜力约为33.26 tC/hm2(扣除对照后)。

(3)红壤侵蚀退化地在马尾松恢复20年内，林地0—20cm土层净碳汇量约为10 tC/hm2;而在接下来的25年内，平均碳吸存则速率下降为0.372 tC·hm-2·a-1;碳汇量从20 tC/hm2上升至30 tC/hm2所需的时间约为67a，特别是从当土壤有机碳储量接近饱和时，表层土壤碳汇量增加3.26 tC/hm2(从30 tC/hm2上升为33.26 tC/hm2)所需的时间更是长达74a左右。

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