南亚热带不同造林模式碳汇林土壤碳积累与碳汇功能

徐英明,虞依娜,*,李 鑫,李 昊,何明威,林 森

1 华南农业大学林学与风景园林学院,广州 510642 2 广东省梅州市五华县林业局,梅州 514400

工业革命以后,由于化石燃料的大量使用和土地利用方式的变化,大气中CO2快速升高[1],大气CO2的吸收与固定是缓解全球变暖的有效途径之一[2-4]。土壤碳库作为陆地生态系统中重要的碳库之一,在缓解全球气候变化,特别是全球气候变暖方面发挥着重要作用[5-6]。造林和再造林是固定吸收大气CO2重要途径[7-9],森林成长过程中,树木的生长与土壤有机碳储量的增加,能够有效固定大气中的CO2,是陆地生态系统重要的碳汇[10]。同时,土壤碳周转速率慢,受各种干扰影响小,因此通过造林提高大气CO2在土壤中的吸收,最后转化为稳定的腐殖质,从长远来看,对解缓全球气候变化意义重大[11]。

碳汇造林是指在确定了基线情景的土地上,以增加碳汇为主要目的,采取一种或几种有别于基线情景的经营管理措施,并对造林及其林分生长过程实施碳汇计量和监测而开展的有特殊要求的营造林活动,具有严格的方法学和技术支持[12-14]。REDD+(Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation)(减少森林砍伐与森林退化引起的碳排放)在2009年哥本哈根COP15大会后被列入世界森林减排范畴,成为今后最具潜力的森林增汇减排措施,受到国内外学者的广泛关注[15-16]。不少学者研究了造林后土壤碳的变化,如刘延惠等[17]研究了宁夏六盘山华北落叶松(Larixprincipis upprechtii)人工林土壤全碳含量变化,结果表明造林后土壤碳含量呈现先下降后上升的变化过程,其对造林干扰的敏感程度随土层加深而减弱；Paul等[18]统计分析了世界范围内43个课题涉及的204块样地,结果表明造林后初始5年的土壤碳储量约下降3.64%,之后土壤碳储量逐年增大。也有学者对不同造林模式的人工林生物量和碳储量进行了研究,发现造林模式对人工林碳储量有重要影响[9,19]。李铁华等[20]曾对湖南溆浦马尾松人工林封育后的效果进行分析,结果表明封育后,土壤有机质含量有显著提高；胡庭兴等[21]通过总结四川柏木低效防护林改造的成果得到,在补植混交后,土壤有机质含量由1.47%增加到2.47%。然而,对于不同造林模式(如：新造林、封山育林、补植套种)碳汇林土壤碳累积与碳汇功能方面的研究而尚不多见。

本研究选择立地条件(土壤、气候、地貌等)基本相同的宜林山地为造林点,通过监测新造林(I)、封山育林(II)、补植套种(III)3种造林模式土壤全碳的变化,研究不同造林模式碳汇林土壤碳的积累与碳汇功能,以期为碳汇林增汇提供理论依据,进而为碳汇林造林模式的选择与土壤固碳能力的研究提供基础数据。

1 研究区概况

研究区位于广东省梅州市五华县,属中低纬度南亚热带季风性湿润气候,年均气温21.2℃,年均降水1519.7 mm,蒸发量1844.8 mm,冬春季节蒸发量多,占年蒸发量的36.4%。年均雷暴天数77 d,无霜期330 d。调查点植被属南亚热带常绿阔叶林,主要树种以杉木(Cunninghamialanceolata)、木荷(Schimasuperba)、枫香(Liquidambarformosana))和马尾松(Pinusmasoniana)为主。

研究区碳汇林距五华县林业局约15 km,碳汇造林集中在2012年,区内造林树种为马尾松和木荷,以幼林和中龄为主,碳汇造林年限为5年。植物垂直分布不明显,灌草层数量多,但结构亦较为单一。研究区土壤主要以赤红壤为主,石块较多,大多呈团粒状,本土类有机质和氮素缺乏,但磷、钾、钙元素较多,由于颜色较深,吸热强,散热快,吸湿性小,因此易受易受干旱和水土流失,作为广东省水土流失最严重的地区之一,水土流失面积达965.22 km2[22]。

2 研究方法

2.1 碳汇造林基线情景确定

碳汇造林是林业碳汇CCER(核证自愿减排量)项目的类型之一,是以增加碳汇为目的,实施碳汇计量和监测而开展的有特殊要求的营造林活动[5],通常要求每隔4—5年进行一次碳汇量的监测和核证,如果不计成本的话,可每年都监测。其中碳汇造林开展之前需要进行基线情景确定,基线情景指能合理的代表在没有开展碳汇造林项目活动时历史的和现在的地表植被、土地利用、人为活动和碳库的状况[8]。本研究在2012年碳汇造林开展前,根据研究地林业局资料记载,选取2012年之前5年就是宜林荒山,并有少量的次生林为研究点,可保守的假定2012年之前5年研究地土壤碳、枯落物和枯死木3个碳库处于稳定或退化状态,其碳储量变化为零,因此在对基线碳储量变化进行计量时,2012年实测土壤碳储量数据即为碳汇造林土壤全碳基线数据。

2.2 碳汇造林试验设计

2012年对确定了基线情景的研究点进行碳汇造林,并在研究区内实施不同的造林模式,分别为新造林(I)、封山育林(II)和补植套种(III)。新造林即对确定了项目活动基线的研究地,采用带状清理方式,以种植穴为带状从山顶到山脚清除小范围植被,重新进行造林。封山育林即对确定了碳汇项目基线的研究地,利用森林的自我更新能力,除定期实行适当的人为育林外,其他时间禁止放牧、垦荒、砍柴等人为活动的破坏,并纳入碳汇林管护范围。补植套种即选取确定了碳汇项目基线的研究地,对老龄枯死树木采伐后,进行施肥补植。3种模式主要造林树种为木荷和马尾松。按国家林业局文件[14]《造林项目碳汇计量与监测指南》,在每个造林模式下设置3个重复20 m×20 m的样方,共9个样方,作为固定样地进行长期定位观测研究土壤碳的持续变化,样地基本概况参见表1。

Ⅰ：新造林 New afforestation；Ⅱ：封山育林 Closed mountain afforestation；Ⅲ：补植套种 Replanting

2.3 土壤样品采集与处理

本研究分别于造林前(2012年)和造林后(2016年)进行土壤采样与处理。每个20 m×20 m的样方内按照“品”字型采样法选择3个采样点,除去地表凋落物后进行采样,采样深度为60 cm。每个采样点按0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm层采集土壤样品。每层取环刀一个、小铝盒一个计算土壤含水率与容重[23-24]。最后每层取土样500 g左右,共计81个土壤带回实验室。将采集回来的土壤样品自然风干后用木棍压碎,先过10目(2 mm筛孔),以四分法取适量样品磨细过60目(0.2 mm筛孔)或100目(0.15 mm筛孔)测定土壤全碳含量。

2.4 土壤全碳含量的测定和碳储量的计算

土壤全碳含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定[25]。采用下式计算土壤单位面积碳储量[26]：

土壤碳储量：T(Mg C/hm2)=∑0.1Ei×Di×Ci(1-Gi)

式中,Ei代表第i层土层厚度(cm)；Di代表第i层土壤容重(g/cm3)；Ci代表第i层土壤全碳含量(g C/kg)；Gi代表第i层直径大于2 mm的石砾所占的体积百分比(%)；0.1为单位换算系数。

2.5 数据统计分析

应用SPSS 22.0统计分析软件,采用独立样本t检验分析造林前后土壤全碳含量和碳储量的差异性,采用单因素方差分析法分析不同造林模式变化量组合之间的全碳含量和碳储量差异显著性,并进行多重比较,研究不同造林模式对2012—2016年土壤全碳含量和碳储量的影响。最后运用GraphPad Prism 7.0成图,文中图表数据为平均值±标准差。

3 结果与分析

3.1 不同造林模式碳汇林土壤全碳含量分析

土壤容重结果表明：造林前后土壤容重均呈现出随土层深度增加而增加,造林前(2012年)与造林后(2016年),3种造林模式土壤容重无显著差异(P>0.05),然而造林后土壤容重相比造林前总体上降低,说明碳汇造林改善了土壤物理性状(表2)。

表2 各造林模式对土壤容重的影响

各造林模式的样本数为27;各年份同一列不同小写字母表示不同造林模式间差异显著(P<0.05)

表3 各造林模式对土壤碳含量的影响

各年份同一行不同大写字母表示不同土壤层间差异显著(P<0.05)；各年份同一列不同小写字母表示不同造林模式间差异显著(P<0.05)

造林前后全碳含量结果分析：2012年,3种造林模式土壤全碳含量与土壤容重,不同造林模式之间土壤全碳含量无显著差异,且表现为随土层深度增加而降低。各造林模式0—20 cm土层土壤全碳含量最高,介于(3.036±0.631)—(4.742±1.776) g C/kg之间,分别是20—40 cm层1.253—2.018倍和40—60 cm层的1.419—3.370倍。经过接近5年碳汇造林,2016年3种模式之间土壤全碳含量存在显著差异(P<0.05),尤其表层土差异更为显著。通过对造林前后土壤碳含量统计分析表明,造林前后土壤碳含量差异显著(P<0.05),说明碳汇造林对土壤碳含量产生较大影响(表3)。

2012—2016年,3种造林模式全碳含量累计变化量结果表明：2012—2016年间,0—20 cm土层中模式III土壤全碳含量增加最多,为3.021 g C/kg,而模式I减少了0.861 g C/kg,减少最多；20—40 cm层中依然模式III增加最多,为2.629 g C/kg,I模式减少了0.172 g C/kg；40—60 cm层中,模式II土壤全碳含量增加最多,为2.315 g C/kg,模式I减少最多,为0.228 g C/kg。3种造林模式3个土层土壤碳含量变化量的多重比较结果表明：模式I与模式III差异极显著(P<0.01),而模式I与模式II土壤全碳含量变化量差异显著(P<0.05),模式II与模式III土壤全碳含量变化量差异较显著(P<0.05)。说明模式I碳含量出现负增长,下降最多,而模式III下土壤碳含量增加最多,模式III表现出明显的碳汇效应(表4)。

表4 不同造林模式2012—2016年土壤碳含量变化量

同一列不同小写字母表示不同造林模式间差异显著(P< 0.05)

3.2 不同造林模式碳汇林土壤碳储量分析

造林前后碳储量结果分析：2012年3种造林模式土壤碳储量随土层深度的增加而减少,3种造林模式(0—60 cm)土壤碳储量由大到小依次为补植套种(III)>新造林(I)>封山育林(II),统计分析表明不同造林模式造林前(2012年)土壤碳储量差异不显著(P>0.05)。而碳汇造林5年后(2016年),3种造林模式(0—60 cm)土壤碳储量由大到小依次为补植套种(III)>封山育林(II)>新造林(I),3种造林模式土壤碳储量差异显著(P< 0.05)(表5)。

表5 各造林模式对土壤碳储量的影响

各年份同一行不同大写字母表示不同土壤层间差异显著(P< 0.05)；各年份同一列不同小写字母表示不同造林模式间差异显著(P< 0.05)

图1 不同造林模式土壤碳储量的变化情况 Fig.1 The changes of soil carbon storage in different afforestation patterns图中不同小写字母表示不同造林模式间差异显著P < 0.05;Ⅰ：新造林 New afforestation；Ⅱ：封山育林 Closed mountain afforestation；Ⅲ：补植套种 Replanting

2012—2016年3种造林模式碳储量累计变化量结果表明：2012—2016年间,模式I 0—60 cm土壤碳储量减少了1.826 Mg C/hm2。模式III 0—60 cm土壤碳储量增加,且增加最多,为23.093 Mg C/hm2,说明补植套种(III)模式有利于碳汇林生态系统土壤有机碳储量增加。不同造林模式土壤碳储量变化量多重比较结果表明：新造林(I)模式与补植套种(III)模式土壤碳储量变化量差异极显著(P<0.01),新造林(I)模式与封山育林(II)模式土壤碳储量变化量差异显著(P<0.05),而封山育林(II)模式与补植套种(III)模式土壤碳储量变化量差异不显著(P>0.05)。各造林模式土壤碳储量变化量呈现出补植套种(III)>封山育林(II)>新造林(I)(图1)。

4 结论与讨论

(1)造林前后土壤碳储量差异显著(P<0.05),且土壤碳储量在0—20 cm土层最高,随土层加深而减少。郑顺安等[27]的研究表明,森林凋落物的分解、对大气中含碳气体的吸收、大气含碳物质的沉降及岩石的风化是森林土壤中碳素的重要来源,其中凋落物是森林土壤中碳的主要来源。土壤表层有机物质的积累主要依赖凋落物的分解,凋落物主要集中在土壤表层,而中下层土壤不能直接接收地表植物残体,主要依靠上层的淋溶下移和地下部分植物残体分解,导致土壤层有机质含量自上而下依次减小。植物根系也主要集中在土壤表层,其垂直分布直接影响送到土壤各层次的碳及养分含量[28-29]。邓坤枚等[30]研究表明,云南松成熟林的根系生物量以0—30 cm土层最多,占总根系生物量的93.7%,且大多数是粗根；<2 mm细根0—30 cm土层生物量占0—85 cm土层总细根生物量的73.5%；另外,树木的生长需要根系从深层土壤中吸收养分。因此,表层土壤碳的积累大于消耗,而深层土壤碳消耗大于积累。因此碳汇造林后由于林间枯落物增加以及根系的发展,使土壤全碳增加,且随土层加深而减少,本研究得出造林前后各土层土壤碳储量依次呈现出A层> B层> C层,正说明说明造林模式对表层土壤碳储量影响最大。

(2)3种造林模式之间土壤碳储量差异显著,模式I起初几年土壤碳储量有一定下降,而模式II与模式III土壤碳汇效益显著。3种造林模式土壤碳储量变化量由大到小依次为补植套种(III)>封山育林(II)>新造林(I),其中模式I与模式III土壤碳储量变化量差异极显著(P<0.01),模式I与模式II土壤碳储量变化量差异显著(P<0.05),而模式II与模式III土壤碳储量变化量差异不显著(P>0.05)。造成这种差异可能是凋落物在不同造林模式下分布差异形成的。枯落物及植被根系是土壤—植被系统碳循环最重要的联结库,其对土壤的结构和理化功能都可能施加重要的影响[31-32],一般认为,枯落物以及根系的发展可以有效地减少或防止土壤的碳流失[33]。对土壤理化性质和活性也具有重要的调节作用[34],并有利于土壤有机质的形成[35]。同时有研究指出,森林凋落物现存量的变化对土壤碳储量影响很大[33],龚伟等[36]曾通过研究发现,凋落物以及植被根系的输入能够增加土壤碳生物活性,使土壤碳矿化速率增加,进而增大土壤碳储量。本研究3种造林模式下,新造林(I)模式造林后0—20 cm土层土壤碳储量减少了2.233 Mg C/hm2,说明这种模式下枯落物呈现减少趋势,主要是由于大多处于幼林,枯落物较少,根系发展不成熟；封山育林(II)模式造林后0—20 cm土层土壤碳储量增加了7.143 Mg C/hm2,说明这种模式下枯落物呈增长趋势,主要是由于没有人为干扰,使枯落物留存较多,根系发展较为稳定。而补植套种(III)模式造林后0—20 cm土层土壤碳储量增加最多,为8.670 Mg C/hm2,说明这种模式下最利于枯落物的增加,该模式在不破坏原有林木的基础上对林分进行施肥补植,一方面原有地块枯落物留存下来,另一方面新造树木又补给了枯落物,发展了根系,3种造林模式下枯落物量与根系发展能力由大到小依次为补植套种(III)>封山育林(II)>新造林(I),这与3种造林模式土壤全碳的变化规律一致。

新造林(I)模式土壤碳储量减少,可能与降水造成的土壤侵蚀有关,土壤侵蚀使地表枯落物流失以及损害了根系发展,该研究点地处南亚热带,属南亚热带季风气候,降雨较多且持续时间长,这样就极易造成水土流失,从而土壤碳流失[10,37]。根据五华县政府网站公布以及杨永欢等研究[38],五华县解放前水土流失就非常严重,1950年普查,全县水土流失面积为681.1 km2,其中面状流失为408.7 km2,沟状流失为204.3 km2,崩岗流失为68.1 km2。1999年省水利厅利用卫星遥感测得五华县水土流失面积为541.6 km2,其中面状流失为210.56 km2,沟状流失为141.02 km2,崩岗为22117个,流失面积为190.02 km2,土壤侵蚀模数每年为5110 t/km2,而近几年五华县水土流失面积965.22 km2,占梅州的1/3,五华水土流失依然严重。本研究中新造林(I)模式是将原有植被砍伐重新造林,这样造成了土壤层的松动,在五华水土流失严重的环境下,极易造成水土流失,使土壤碳流失[39-40]。而补植套种(III),在原有林木的基础上对林分进行施肥补植,一方面,通过改变林分密度和结构,从而改变植被竞争,为土壤微生物活动提供条件,分解凋落物改变土壤有机质及养分,另一方面由于对原林木不进行砍伐,树木碳储量固定较为稳定,不利于在降雨作用下造成水土流失,因此碳储量增加最多[40]。而封山育林(II)不对其进行砍伐以及人为的扰动,使得原来有林地土壤碳贮藏稳定,然而缺少林分空间层次从而这种造林模式对土壤碳储量影响变动不大,增量也不显著[20,41]。

(3)应该加强造林模式多样化的研究,筛选不同的造林模式,以提高碳汇林的碳汇功能。本文研究得出碳汇造林5年的数据显示,封山育林(II)5年间增加了12.616 Mg C/hm2,补植套种(III)增加了23.093 Mg C/hm2,而李开志对四川不同改造措施马尾松低效林土壤碳进行研究显示[26],5年间全砍重造林增加了15.937 Mg C/hm2,补植混交增加了5.510 Mg C/hm2,封山育林增加了4.431 Mg C/hm2。本文碳汇造林补植套种模式(III)的碳储量是马尾松改造林的4.191倍,因此,不仅需要加强碳汇造林技术研究,更应该研究碳汇造林模式,使造林更加优化,达到更好的碳汇效益,从而减缓CO2的排放,缓解全球变暖。