安徽皇藏峪自然保护区森林土壤碳库的变化特征

于法展,张忠启,单勇兵

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州 221116)

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳储库,其变化是导致大气碳库和全球气候变化的重要原因,在陆地碳循环中发挥着重要作用[1]。土壤有机碳(SOC)是土壤碳库的重要组成部分,对森林生态系统的碳循环产生重要影响,同时还可以改善土壤结构以及维持土壤的稳定性,其含量和分布受气候、地形地貌、植被类型和结构、人类活动等诸多因素的影响[2]。引起土壤碳库的最初变化主要是土壤中稳定性较差、微生物活性较高、移动较快、容易矿化和氧化的有机碳,即活性有机碳(ASOC),它能够在土壤全碳变化之前反映出土壤管理措施以及周围环境引起的微小变化。受气候、土壤母质和人为管理等多种因素的影响,ASOC在不同区域、不同植被类型上存在差异[3-5]。土壤碳库管理指数(CPMI)可以表征土壤活性有机碳库的库容及动态变化过程,具体是指样品SOC含量和参考SOC含量的比值乘以SOC的活度指数[6]。它能够直观反映出土地经营措施对土壤碳库质量的影响效果,其数值大小可以表明外部管理措施对碳库质量的影响程度,数值越大表明土壤质量在上升,数值越小则说明土壤质量在下降[7]。CPMI包含了人为干扰下碳库活度指数和碳库指数2个指标,它既可以反映外界因素对SOC数量的影响,又可以反映ASOC的数量变化,进而更全面、动态化地反映外界因素对SOC的影响,因此成为土壤碳库研究的重要内容[8-10]。

由于森林土壤质量和环境与SOC,CPMI相关密切,对人类干扰活动和气候变化较为敏感,近年来成为国内外学者关注的焦点。Lefroy等[11]综合了SOC的总量与活性,首次提出CPMI的概念,有效评价外部因素对土壤碳库的影响；沈宏等[12]对不同农田生态系统的土壤碳库活度(A)和CPMI进行了系统研究；王晶等[13]研究了施肥对黑土ASOC和CPMI的影响；薛萐等[14]研究了黄土丘陵区不同年限的人工刺槐林在生态恢复过程中ASOC和CPMI的变化特征；蔡太义等[15]研究了不同年限免耕秸秆覆盖下ASOC和CPMI的特征,结果表明ASOC和CPMI能够快速准确地反映不同年限免耕覆盖对土壤碳库的影响；马艳芹等[16]研究了紫云英还田后配施氮肥可以显著增加土壤微生物生物量碳含量,提高微生物熵值和CPMI。以上学者多结合长期定位实验,对CPMI的累积效应进行了系统研究。目前对森林土壤碳库的研究多集中在其影响因子和区域差异对比上,对于不同森林类型土壤碳库的变化特征研究还有待进一步加强。本文以安徽皇藏峪自然保护区典型森林土壤为研究对象,以坡裸地作为对照,探讨不同森林类型下SOC,ASOC和CPMI的分布特征及其影响因素,旨在揭示不同森林类型对土壤碳库质量的影响,并对不同森林类型的固碳效果进行对比评价,为森林土壤碳库的动态演变以及有机碳库的提高提供科学参考。

1 研究区概况

皇藏峪自然保护区属于低山丘陵森林生态系统类型,地处安徽省萧县城东南30 km处,地理坐标为34°00′～34°06′ N,117°03′～117°06′ E,面积约2 270 hm2,平顶山为最高峰海拔392 m。该保护区位于暖温带的南缘,既属于大陆性季风气候,又受海洋性气候的影响,年均温14.7 ℃,年降水量850～900 mm,降水季节分配不均,多集中在夏季[17]。保护区内森林密布,植物种类丰富,主要森林类型:1)黄连木(Pistaciachinensis)、黄檀(Dalbergiahupeana)林,主要分布于西北坡麓地带,乔木层郁闭度0.5～0.7,灌木层盖度20%～30%；2)刺槐(Rubiniapseudoacacia)林,为人工刺槐林侵入多种其他落叶树而形成的一种类型,因林下植物每年秋季均被砍尽,该类型林中只见大树,缺少幼树,乔木层郁闭度0.3～0.4；3)栓皮栎(Quercusvariabilis)林,主要分布于山体中部地形较缓的山坡,乔木层郁闭度0.4～0.7,灌木层盖度30%～60%；4)槲栎(Quercusaliena)林,分布在栓皮栎林的上部,面积较小,基本为槲栎纯林,乔木层的郁闭度为0.5；5)栓皮栎(Quercusvariabilis)、侧柏(Platycladusorientalis)林,分布于山体中上部山坡上,人工种植的侧柏林未经管理,栓皮栎侵入后形成的一种混交类型,乔木层的郁闭度高达0.8以上；6)梧桐(Firmianasimplex)林,分布在沟谷附近的山坡,与青檀林和栓皮栎林相邻,在局部区域,梧桐基本成纯林,乔木层郁闭度0.4～0.5；7)青檀(Pteroceltistatarinowii)林,主要分布于山体中上部地形陡峭之处,乔木层郁闭度0.4～0.6,灌木层盖度10%～30%。该保护区的土壤包括粗骨褐土与淋溶褐土两个亚类[17]:粗骨褐土由石灰岩残积、坡积物发育而成,土层浅薄(土体厚度<30 cm),砾石或岩屑含量高(>35 %),表土层pH值7.1,有机质含量8.2 g/kg,主要分布在山体中上部；淋溶褐土成土母质系第四纪黄土,土层深厚(土体厚度>100 cm),表土层pH值7.6,有机质含量17.8 g/kg,集中出现在山麓地带。

2 研究方法

2.1 样地设置与土壤测定

2018年6月在研究区内选取7块测试样地和1块对照坡裸地,样区一般选择在森林类型区的核心部位的成熟林地。每个森林类型区内均设3个重复样方,阔叶林样地大小为50 m×40 m,针叶林样地大小为25 m×20 m。每个森林类型样区内土壤采样时设3个重复,每个重复的土样按5点混合法采集,每个样点需采集0～10 cm,10～20 cm和20～40 cm共3个土层的混合样,各土层的混合样品经充分混合后每个取约1kg,并将其分为2份,1份用以SOC的测定,另1份低温箱带回用于ASOC的测定。采样的同时系统调查地上森林类型的覆盖状况以及地形、地貌等周边环境条件状况。皇藏峪自然保护区8块研究样地的基本概况如表1所示。SOC用岛津TOC-5000A分析仪测定；ASOC采用高锰酸钾氧化-比色法测定,分析测试所用的高锰酸钾溶液(0.333 mol/L)需要专门配制。具体的测定方法参照《土壤农化分析》[18]。

表1 样地基本概况

2.2 计算方法与数据处理

根据徐明岗等[19]对CPMI等相关指标的计算,选择弃荒的坡裸地为参照土壤,不同森林类型下土壤碳库指数(CPI)、碳库活度(A)、碳库活度指数(AI)以及碳库管理指数(CPMI)等的计算公式如下:

CPI=样品TOC含量/参照土壤TOC含量

(1)

A=ASOC含量/(TOC-ASOC)含量

(2)

AI=样品土壤A/参照土壤A

(3)

CPMI(%)=CPI×AI×100

(4)

式中:TOC为土壤总有机碳,即SOC含量；(TOC-ASOC)为非活性有机碳(NASOC),SOC,ASOC含量的单位为g/kg。所有森林SOC,ASOC,NASOC以及CPMI相关数据的统计和分析在Excel 2007和SPSS 24.0软件下完成。

3 结果与分析

3.1 不同森林类型下SOC的变化特征

不同森林类型下SOC含量的剖面变化特征如表2所示。弃荒的坡裸地(T8)除外,比较不同森林类型下(T1—T7)0～10cm土层中的SOC含量,栓皮栎、侧柏林(T5)下SOC含量最大,达到30.17 g/kg,梧桐林(T6)下SOC含量最小,为17.94 g/kg；就10～20cm土层而言,栓皮栎、侧柏林(T5)下SOC含量最高(21.05g/kg),而梧桐林(T6)最低(12.38 g/kg),分别较上层土壤降低了30.23%和30.99%,其变幅差异不大；从20～40cm土层来看,不同森林类型下SOC含量均较低且差异较小,与其上2层SOC含量有较大不同,下降幅度较大。这表明SOC含量随土层深度增加而降低的趋势下,不同森林类型之间SOC含量的递变规律相似。林地SOC含量主要受其森林凋落物以及根系分泌物的分解、转化和累积等过程的综合影响[20],且大部分积聚在0～20cm土层中,随着土层的不断加深,不同森林类型下SOC含量下降幅度变大,而20～40cm土层的SOC含量受地上森林类型的影响不明显(均<10 g/kg)。不同森林类型下SOC表聚现象明显,其SOC含量的变化幅度与土层深度有关。SPSS 24.0软件统计结果显示,8块研究样地中,坡裸地(T8)随土层加深而降低的幅度最大,其他7种森林类型下不同土层的SOC含量变化幅度最大的是栓皮栎、侧柏林(T5),变幅最小的是梧桐林(T6)。坡裸地(T8)与其他7种林地土壤比较,整个土层(0～40cm)的SOC含量最小(6.78 g/kg),不同森林类型下SOC含量的平均值(0～40cm)大小排序为栓皮栎、侧柏林>刺槐林>黄连木、黄檀林>栓皮栎林>槲栎林>青檀林>梧桐林。这是由于地上部分的森林类型在一定程度上决定了有机物质的输入量,不同森林类型的凋落释归量有所不同,从而影响到SOC含量的明显提高。

表2 不同森林类型下SOC含量的剖面变化特征

3.2 不同森林类型下ASOC的变化特征

由于土壤碳库组成的复杂性,要对其动态进行量度是非常困难的,通常采用ASOC来衡量土壤碳库的变化状况以及指示土壤的综合活力水平[21]。不同森林类型下ASOC含量的剖面变化特征如表3所示。从0～10cm土层的不同森林类型ASOC含量来看,栓皮栎、侧柏林下ASOC含量最高(2.01 g/kg),其次是刺槐林(1.71 g/kg),坡裸地除外,梧桐林下ASOC含量最低(1.15 g/kg)；不同森林类型10～20cm土层的ASOC含量较上层土壤出现了一定程度的降低,刺槐林下ASOC含量最高(1.16 g/kg),梧桐林最低(0.64 g/kg)；从20～40cm土层来看,刺槐林下ASOC含量降低为0.87 g/kg,而梧桐林降至0.37 g/kg,不同森林类型ASOC含量均出现一定幅度的降低。随着土层深度的增加,ASOC含量呈现降低的趋势,表明不同森林类型下ASOC含量的剖面分布特征与SOC含量的变化规律具有协同性。尽管SOC含量和ASOC含量在土壤剖面上均表现为下降,但是SOC含量下降的幅度明显大于ASOC。造成的原因是ASOC含量所占比例较小,SOC含量主要取决土体内水分对SOC的运移状况,不同的水热条件对土壤的下渗作用主要影响了SOC的淋溶和累积,而ASOC更趋于向下层土壤迁移。0～40cm土层不同森林类型下ASOC含量的大小排序为栓皮栎、侧柏林>刺槐林>栓皮栎林>槲栎林>青檀林>黄连木、黄檀林>梧桐林,坡裸地最低。即栓皮栎、侧柏林对SOC的提升效果最好(碳库活性明显提高),表明不同森林类型可以影响枯落层厚度以及土壤微生物活性,通过温度、水分等生态因子的变化影响着SOC的分解及转化。

3.3 不同森林类型下CPMI的变化特征

0～40cm土层的SOC,ASOC含量及基于公式(1)—(4)分别计算了各森林类型和对照坡裸地土壤的CPI,A,AI和CPMI,数值如表4所示。ASOC/TOC(%)可以体现土壤活性有机碳库的状况,能够表明森林土壤碳的稳定性,其比值越高说明SOC活性越大,越易于被微生物分解和植物吸收利用,其稳定性越差;反之,比值越小其稳定性也就越强[14]。由表4可知,黄连木、黄檀林(T1)下ASOC/TOC(%)最小,坡裸地(T8)最大。这是由于黄连木、黄檀林受人为干扰严重,其长势较差,导致ASOC中的微生物量含量相对较低,林下土壤碳比较稳定；而坡裸地SOC的分解转化速率较快,其土壤碳容易被吸收分解(活性最大),其稳定性较差。CPMI能够指示土壤碳库的变化特征,该数值上升说明森林土壤处于良性管理状态,其碳库质量增强,反之则指示土壤碳库质量减弱[7]。它可以作为量化土壤碳库动态的重要指标,也是土壤肥力质量的重要表征[22]。除坡裸地外,不同森林类型下ASOC含量为0.73～1.36 g/kg,NASOC含量为9.20～17.79 g/kg,CPI为1.46～2.82,A为0.062～0.097,AI为0.559～0.874；不同森林类型CPMI(%)从大到小排序为栓皮栎、侧柏林>刺槐林>栓皮栎林>槲栎林>青檀林>黄连木、黄檀林>梧桐林,均高于对照坡裸地,表明不同森林类型有较高的固碳潜力,对该土壤CPMI的提高均有不同程度的促进作用。可见,皇藏峪自然保护区不同森林类型下SOC的积累量大于分解量,土壤碳库整体呈增加趋势,森林植被对维持陆地碳库稳定有重要作用,该区森林土壤肥力质量处在较好状态。

表3 不同森林类型下ASOC含量的剖面变化特征

4 结论与讨论

1) 皇藏峪自然保护区不同森林类型下SOC表聚现象明显,随着土层深度的增加,SOC含量和ASOC含量均表现为下降趋势,SOC含量下降的幅度明显大于ASOC,这与郭璐璐等[23]、弓文艳等[24]、滕秋梅等[6]的研究结论一致。

2) 栓皮栎、侧柏林下SOC含量和ASOC含量均大于其他森林类型,这主要与森林植物群落的类型和结构有关,不同森林类型的凋落释归量有所不同,不同土层分布特征与森林类型有关,森林类型决定了凋落物回归量和SOC的输入。

3) 不同森林类型下ASOC/TOC(%)大小排序为青檀林>槲栎林>栓皮栎林>刺槐林>梧桐林>栓皮栎、侧柏林>黄连木、黄檀林,不同森林类型可以提高林下土壤碳的稳定性；不同森林类型下CPMI(%)排序为栓皮栎、侧柏林>刺槐林>栓皮栎林>槲栎林>青檀林>黄连木、黄檀林>梧桐林,不同森林类型有较高的固碳潜力,对该土壤CPMI的提高均有不同程度的促进作用。

4) 表征森林土壤碳库特征的SOC,ASOC以及CPMI均受森林类型和土层深度的影响,CPMI既可以反映外界因素对SOC数量的影响,又可以反映ASOC的数量变化,对森林土壤碳库质量的量化评价提供参考。