植被恢复对昆阳磷矿土壤有机碳储量的影响

赵 川, 和丽萍, 李贵祥, 邵金平, 柴 勇

(云南省林业科学院, 昆明 650201)

植被恢复对昆阳磷矿土壤有机碳储量的影响

赵 川, 和丽萍, 李贵祥, 邵金平, 柴 勇

(云南省林业科学院, 昆明 650201)

植被恢复是既能保持磷矿开采同时又能有效扼制矿区生态环境的退化，并逐步恢复已退化的矿区生态系统最有效的生物措施。为揭示植被恢复对昆阳磷矿土壤有机碳和碳素积累的影响，研究探讨了昆阳磷矿不同恢复林地的土壤有机碳储量变化。结果表明：(1) 不同恢复林地的土壤有机碳含量存在显著差异(p<0.05)，7种不同植被恢复人工林土壤平均有机碳含量分别是废弃地的14.29倍、11.83倍、11.40倍、5.89倍、15.48倍、15.59倍、18.53倍。(2) 土壤有机碳在剖面的含量表现出明显的“表聚作用”，均以表土层(0—20 cm)最大，且随土层厚度的增加，呈下降趋势。(3) 不同恢复林地的土壤有机碳密度差别较大，变化趋势和土壤有机碳含量的变化趋势一致，且在同一林分土壤中，单位深度土壤各土层平均有机碳密度均以表层最大，随土层的增加而降低。(4) 土壤有机碳主要存储于0—20 cm土层中，平均含量为53.60%，随着土层的加深，土壤有机碳所占比重急剧下降，经过植被恢复，7种人工林土壤有机碳储量较废弃地0—20 cm土壤有机碳储量提高了26.53%，20.39%，34.48%，10.81%，28.62%，39.52%，36.71%，说明目前矿区通过植被恢复后的土壤状况显著优于未进行恢复措施的废弃地。

土壤有机碳储量; 植被恢复; 林分类型; 昆阳磷矿

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其碳储量占整个陆地生态系统碳库的2/3[1]。土壤有机碳是土壤中较为活跃的部分，其含量和动态在土壤质量演变和全球碳循环中起着十分重要的作用[2]。植被恢复是既能保持磷矿开采同时又能有效扼制矿区生态环境的退化，并逐步恢复已退化的矿区生态系统最有效的生物措施。矿区废弃地作为重构土体，其土壤与自然立地条件下的土壤存在显著差异，主要表现为土壤层序紊乱、土壤结构性差、养分贫瘠，这些特殊性严重阻碍植物生长，进而影响微生物对凋落物和根系等土壤养分主要来源的分解与转化，最终可能会缓解碳氮的形成[3]。因此，土壤有机碳成为衡量矿区土壤修复质量好坏的一个重要指标，研究矿区废弃地植被恢复土壤有机碳储量的变化过程对认识土壤质量的演变及其恢复效果评价有重要意义。

昆阳磷矿为我国磷化工业和农业生产的发展做出了重大贡献[4]。但是随着近三十多年来的开采，对其地质环境造成了一定影响与破坏，诱发了一系列地质灾害和地质环境问题。项目组通过前期研究，提出了矿区生态修复综合配套技术，使示范区的生态环境得到恢复和改善，为全省矿区废弃地生态环境恢复治理工程提供有效的技术支撑及示范样板。目前自然条件下植被恢复与有机碳变化的关系已有大量研究，一系列研究表明，植被恢复可显著提高有机碳含量[5]，且在一定恢复年限内有机碳含量与恢复年限成正比[6-7]。但关于矿区废弃地植被恢复对土壤有机碳储量的影响研究尚少，特别是对土壤不同层次有机碳的变化规律至今无人报道。本文的目的就是通过研究昆阳磷矿废弃地植被恢复过程中不同林分的土壤有机碳含量和有机碳储量变化，为合理评价植被恢复对土壤的碳汇效应及对土壤的改良与管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于昆明市西南72 km，地理坐标为东经103°31′10″—103°34′48″，北纬24°12′58″，属北亚热带季风气候，年平均气温14.7℃，历年平均降水量907.1 mm。矿区内土壤主要为红壤及冲积土。现有的各种植被类型都是在原有植被破坏后，植被恢复过程而形成的次生植被。矿区周围的植被大体可分为森林、灌丛、灌草丛和栽培植被4大类型。矿区附近的森林以暖温性针叶林为主，主要有云南松(Pinusyunnanensis)次生林和华山松(Pinusarmandii)林，此外有以旱冬瓜(Alnusnepalensis)为主的落叶阔叶林。灌丛主要由落叶灌木山柳(Clethrabarbinervis)和榛子(Corylusheterophylla)组成，其中也有一些常绿种类如杜鹃(RhododendronsimsiiR.spp)、水红木(Viburnumcylindricum)、杨梅(Myricarubra)等，但数量较少，另外在灌丛中零星生长着云南松、华山松等乔木树种，形成稀树灌丛。灌草丛主要是由乔本科植物组成的禾草灌草丛。在禾草灌草丛中除草本植物外，常有少量灌木种类存在[8]。

1.2 样品采集与分析

本研究所选样地均是在矿区废弃地采用平台覆土的方式进行植被恢复的，主要成分都是以采场剥离表土(红壤)为主，同白云岩、黑页岩和风化岩石混合而成。根据林木种植的措施、布局划分出7种人工植物群落，种植时间为2005年，包括蓝桉(Eucalyptusglobulus)林、直干桉(E.maideni)林、圣诞树(Acaciadealbata)林、藏柏(Cupressustorulosa)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣诞树林、废弃地(尚未采取任何植被恢复措施的区域)。于2015年7月进行群落调查和土壤样品的采集。在各人工林分内有代表性的地段，设置3个20 m×20 m 的标准固定样地，对样地内乔木进行每木检尺(表1)。每个样地分别设3个土壤剖面，观察剖面物理性质，分别在0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm深度取环刀土及混合土样，用于测定土壤容重及室内化学分析，每个样点重复取3个样作为平行。将所取样本带回实验室后立即将鲜土样在室内铺于牛皮纸上，自然风干后去除石块、根茎及各种新生体和侵入体，研磨，过筛后保存备用。并同时测定>2 mm 的石砾含量(体积分数)。

土壤有机碳质量分数采用浓硫酸—重铬酸钾氧化外加热法测定[9]，土壤容重采用烘干法测定，在(105±2)℃条件下烘干至恒重。

1.3 相关计算及数据分析

土壤有机碳储量是在一个特定有机碳库中的有机碳量或者单位面积的有机碳库[10]，第i层单位面积土壤有机碳储量占剖面总有机碳储量的百分比Ri按照下面方法计算。如果某一土体的剖面由k层组成，则该剖面的土有机碳密度计算公式为[11]：

SOCi=OiHiBi(1-Gi)/100

(1)

式中：SOCi为土壤剖面第i层有机碳密度(kg/m2)；Hi为第i层土壤的厚度(cm)；Bi为第i层土壤的容重(g/cm3)；Oi为i层土壤的有机碳含量(g/kg)；Gi为直径≥2 mm的石砾所占的体积百分比(%)。

如果某一土壤剖面由k层组成，那么该剖面的有机碳密度 (kg/m2)为：

(2)

式中：k为土层数。

表1 样地基本情况

第i层单位面积土壤有机碳储量占剖面总有机碳储量的百分比按照下面公式计算：

(3)

所有数据均采用SPSS 11.5实用统计软件和Excel 2003数据处理系统，进行数据分析和图表处理。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复林分土壤有机碳含量及其分布特征

由表2可看出，7种植被恢复人工林样地和废弃地0—60 cm土壤平均有机碳含量为1.22±0.12～22.61±1.35 g/kg，大小依次为旱冬瓜+圣诞树林(22.61±1.35 g/kg)>旱冬瓜林(19.02±1.93 g/kg)>栓皮栎林(18.89±1.17 g/kg)>蓝桉林(17.43±1.12 g/kg)>直干桉林(14.43±1.23 g/kg)>圣诞树林(13.91±1.05 g/kg)>藏柏林(7.19±0.59 g/kg)>废弃地(1.22±0.12 g/kg)，其中旱冬瓜+圣诞树林、旱冬瓜林、栓皮栎林、蓝桉林、直干桉林、圣诞树林、藏柏林平均有机碳含量分别是废弃地的18.53倍、15.59倍、15.48倍、14.29倍、11.83倍、11.40倍、5.89倍。

表2 不同林分土壤有机碳含量 g/kg

注：不同大、小写字母分别表示同一林分类型不同土层和不同林分类型同一土层间在p<0.05水平下差异性显著。

土壤有机碳含量在土壤剖面的分布也存在明显差异，不同植被恢复林地土壤各层有机碳含量为1.07±0.11～41.24±1.67 g/kg(表2)，其中最大值是最小值的38.54倍，各植被类型土壤层有机碳含量均以表土层(0—20 cm)最大，且随土层厚度的增加，土壤有机碳含量呈下降趋势。

2.2 不同植被恢复林分土壤有机碳密度及其分布特征

不同植被恢复林分样地土壤有机碳密度在0—60 cm不同土层的垂直分布见图1，分析结果表明：7种不同植被恢复人工林和废弃地0—60 cm土壤平均有机碳密度为5.33±0.20～0.36±0.12 kg/m2，整个土壤层面上土壤平均有机碳密度大小顺序为旱冬瓜+圣诞树林>栓皮栎林>旱冬瓜林>蓝桉林>直干桉林>圣诞树林>藏柏林>废弃地。

注：Ⅰ表示蓝桉林；Ⅱ表示直干桉林；Ⅲ表示圣诞树林；Ⅳ表示藏柏林；Ⅴ表示栓皮栎林；Ⅵ表示旱冬瓜林；Ⅶ表示旱冬瓜+圣诞树林；Ⅷ表示废弃地。下同。

图1不同植被恢复林分土壤有机碳密度

2.3 不同植被恢复林分土壤有机碳储量的剖面分布

根据公式(2)，(3)计算7种不同植被恢复人工林样地0—60 cm土壤层次单位面积有机碳储量占剖面有机碳总储量的百分比。由图2可知，各样地的有机碳储量均随着土层加深所占比例逐渐降低，各样地的有机碳主要集中于土层0—20 cm内，大小顺序为旱冬瓜林(62.67%)>旱冬瓜+圣诞树林(59.88%)>圣诞树林(57.85%)>栓皮栎林(53.10%)>蓝桉林(51.58%)>直干桉林(47.61%)>藏柏林(42.49%)，平均含量为53.60%；20—40 cm土层中有机碳储量排序为藏柏林(35.77%)>直干桉林(34.04%)>旱冬瓜+圣诞树林(30.12%)>蓝桉林(30.02%)>栓皮栎林(26.44%)>圣诞树林(25.39%)>旱冬瓜林(23.28%)，平均含量为29.30%；40—60 cm 土层中有机碳储量排序为藏柏林(21.74%)>栓皮栎林(20.47%)>蓝桉林(18.38%)>直干桉林(18.35%)>圣诞树林(16.76%)>旱冬瓜林(14.05%)>旱冬瓜+圣诞树林(9.99%)，平均含量为17.11%。

图2不同植被恢复林分土壤有机碳储量剖面分布

3 结论与讨论

(1) 昆阳磷矿矿区废弃地不同恢复林分土壤有机碳含量随着土层深度增加显著减少，不同林分类型及土层间土壤有机碳含量存在明显差异；植被恢复对矿区土壤有机碳含量有了较大的提高；同一地区不同的林分类型因地表植被覆盖、枯落物分解程度、进入土壤的生物残渣、组成植物根系以及土壤微生物的分解作用等不同，土壤有机物质的输入和输出也不相同，从而影响土壤有机碳含量[12-13]。

(2) 昆阳磷矿矿区废弃地不同恢复林地的土壤有机碳在剖面的含量表现出明显的“表聚作用”，各样地的有机碳主要集中于土层0—20 cm内，随着剖面深度的增加，有机碳含量逐渐降低，主要是因为影响土壤有机碳含量的因素(树木、地表植被的根系、凋落物等)主要集中在土壤表层。

(3) 昆阳磷矿矿区废弃地7种不同恢复林地的土壤有机碳密度差别较大，变化趋势和土壤有机碳含量的变化趋势一致，且在同一林分土壤中，单位深度土壤各土层平均有机碳密度均以表层最大，随土层的增加而降低。不同植被恢复林分中，受不同植物根系分布、凋落物分解程度以及人为干扰等因素的影响，土壤有机碳含量及土壤容重出现不同的变化，导致土壤有机碳密度也随之出现差异[14]。

(4) 7种不同植被恢复人工林土壤有机碳主要存储于0—20 cm土层中，随着土层的加深，土壤有机碳所占比重急剧下降，最底层(40—60 cm)土层的土壤有机碳百分比最低。这主要是因为不同林分导致有机物进入土壤的方式和植物残体量不同，从而造成有机碳含量的垂直分布状况存在较大差异。同时，根系的垂直分布直接影响输入到土壤剖面各个层次的有机碳数量；而且随土层深度的增加分解者的活动减弱，导致植物碎屑在土壤中的位置越深，其分解也越慢[15-16]。经过植被恢复，7种人工林土壤有机碳储量较废弃地0—20 cm土壤有机碳储量提高了26.53%，20.39%，34.48%，10.81%，28.62%，39.52%，36.71%，说明目前矿区通过植被恢复后的土壤状况显著优于未进行恢复措施的废弃地。

综上所述，碳输入主要来源的地表凋落物以及根系这两个生物因素的差异是造成矿区废弃地不同植被恢复林分碳储量和碳素积累差异较大的原因；植被恢复不仅显著影响地表凋落物的积累量和性质，而且显著影响土壤有机碳的积累速率。

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ImpactsofVegetationRestorationontheSoilOrganicCarbonStorageinKunyangPhosphoriteMine

ZHAO Chuan, HE Liping, LI Guixiang, SHAO Jinping, CHAI Yong

(YunnanAcademyofForestry,Kunming650201,China)

Vegetation restoration can keep phosphate rock mining, effectively curb the mining area ecological environment degradation, and gradually restore the mining area of degraded ecosystem, is one of the most effective measures. The results show that significant differences of soil organic carbon(SOC) contents exist between the different forest types and soil layers, the average organic carbon contents under seven different vegetation restoration plantations (Ⅰ—Ⅶ) are 14.29 times, 11.83 times, 11.40 times, 5.89 times, 15.48 times, 15.59 times, 18.53 times of that of the abandoned land, and the difference is significant (p<0.05); SOC contents of 7 stands present the phenomenon of surface enrichment, showing a decreasing trend from the surface to the deep layer, SOC content is mainly accumulates in 0—20 cm soil layer; vertical distribution of soil organic carbon densitie and vertical distribution of soil organic carbon content characteristics in seven kinds of stands are consistent, soil organic carbon density reduced with increase of soil depth, with soil organic carbon density in topsoil 0—20 cm is maximum; organic carbon reserves decreased with increase of soil depth, while soil organic carbon was mainly concentrated in the 0—20 cm soil layer, the average content is 53.60%. After vegetation restoration, soil organic carbon contents of 0—20 cm soil layers in 7 kinds of plantations increase by 26.53%, 20.39%, 34.48%, 20.39%, 28.62%, 39.52% and 28.62%, respectively, indicating that the soil conditions after vegetation restoration are significantly better than that of the remnant waste land without the recovery measures in the current mining area.

soil organic carbon storage; vegetation restoration; forest types; Kunyang phosphorite mine

2016-09-07

：2016-10-08

国家自然科学基金项目“云南磷矿废弃地植被修复土壤质量演变机理研究”(41361076)

赵川(1973—),男,云南大理人,助理工程师,主要从事森林生态学研究。E-mail:zhaochuangk3@126.com

和丽萍(1972—),女,云南丽江人,博士,副研究员,主要从事土壤生态学和山地灾害恢复研究。E-mail:kmhlp@sina.com

S714.5

：A

：1005-3409(2017)05-0168-04