喀斯特槽谷区植被演替对土壤有机碳储量及固碳潜力的影响研究

2022-03-21罗雨溪孔德兵王永欣张韵芝李厚德

绿色科技 2022年4期

罗雨溪，孔德兵，王永欣，曹婷，张韵芝，李厚德

(1.西南大学地理科学学院，重庆 400715；2.重庆金佛山喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站，重庆 400715)

1 引言

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库。据估算，全球仅1 m深度的土壤中储存的有机碳量约为1500 Gt，是陆地生物量碳库的3.8倍，大气碳库的3倍[1]。土壤有机碳既能为植被生长提供碳源，维持土壤良好的物理结构，是土壤肥力的物质基础[2,3]；同时也具有巨大的外影响性，能以CO2等温室气体的形式向大气释放碳，其较小的变幅都能引起大气CO2浓度的显著变化，在全球碳循环和气候变化过程中都起着极其重要的作用[4]。相关研究结果表明，土壤有机碳受气候、植被、土壤理化特性以及人类活动等诸多物理、生物和人为因素的影响，其中植被类型变化是影响土壤有机碳和陆地生态系统碳循环最为直接、最重要和最深刻的因素之一[5,6]。

西南地区是我国喀斯特生态系统的主要分布区之一，其以分布面积最大、发育类型最齐全和生态环境最脆弱而著称于世。西南地区近20年来响应国家“退耕还林还草”的政策，是我国退耕还草还林的主要区域之一，生态恢复效果显著[7,8]。随着耕地的弃耕，植被类型从农作物逐渐向草地、灌丛或森林等植被类型演替，植被类型的变化显著改变了土壤原有的结构和属性，从而导致土壤有机碳的数量和质量发生明显变化[9,10]。然而，目前关于典型喀斯特地区植被类型变化对土壤有机碳土壤储量及固碳潜力的研究还较为缺乏。

喀斯特地区土壤有机碳的固定不仅可以增加土壤有机质的含量，提供植被生长发育的良好物质基础，提升水土保持效应；还能够降低大气CO2浓度，缓解全球气候变暖。因此，本研究通过对西南典型低山喀斯特槽谷小流域内的耕地、草地、灌丛和林地4种不同植被类型下的土壤进行分层取样，分析不同植被演替阶段以及不同土层深度土壤有机碳含量和储量的分布特征，揭示不同植被类型下0～30 cm土壤有机碳的固碳潜力。研究结果有助于了解喀斯特槽谷区退耕还林还草过程中土壤质量的变化状况，并为研究区内土地的合理利用与管理以及退化生态系统碳收支平衡与保护提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于重庆市歇马镇缙云山青木关小流域(106.17′ E，29.40′ N)，属于典型的岩溶槽谷区，流域面积约19 km2。该地属亚热带季风湿润气候，夏热冬暖，无霜期340～350 d。多年平均气温为16.5 ℃，最冷月(1月)均温7.8 ℃；多年平均降水量约1250 mm，雨热同期，受青藏高压和副热带高压的影响，7、8月份常出现30～50 d的干旱。秋季多阴雨，冬季多云雾，日照时数长。流域内人类活动主要分布于槽谷洼地两侧，大面积的林地被开垦为农田，对该地自然生态环境产生影响。自2003 年国家实施退耕还林还草政策以来，区域内耕地逐渐被弃耕恢复，形成了不同恢复阶段的弃耕地。目前研究区土地利用类型以林地为主，约占流域面积的65.7%，耕地面积次之，约占流域面积的24.0%；此外还分布着一些处于不同恢复阶段的草地和灌丛地。

2.2 土壤采样与处理

本研究在重庆金佛山喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站虎头村观测点附近，选取邻近的耕地、草地、灌丛和林地4 种典型的植被类型来进行土壤取样。在每个植被类型的采样区中，随机设置4 个重复取样样方采用多点混合取样法进行土壤取样，每个取样点分三层取样，每层间隔10 cm，取样深度为30 cm，取样后回填恢复原状，减少对样地的破坏。同时，在每个采样区中采用环刀法进行土壤容重的测定。将取好的土壤样品写好标签带回实验室进行预处理，先沿自然结构的裂隙掰成小块，去除砾石和残留的根系，在自然状态下风干。土壤样品风干后分别过2 mm和0.25 mm的土壤筛后备用。

2.3 测定方法

2.3.1 土壤有机碳含量的测定

土壤有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法进行测定。

2.3.2 土壤有机碳储量的计算

目前研究中常用的估算土壤有机碳储量的方法是等体积法，即通过比较相同体积土壤内的有机碳储量来比较管理措施对土壤碳库动态的影响。本文采用等体积法计算各植被类型下每层土壤深度内土壤有机碳的储量，然后通过加和的方法获得研究区内0～30 cm土层有机碳的总储量。该方法的计算公式如下：

(1)

式(1)中，S是土壤有机碳储量(Mg C/hm2)；Ti为第i层的土壤厚度(cm)；BDi为第i层土壤容重(g/cm3)；Ei为第i层土壤有机碳含量(g/kg)；K为常数10-1；n为土壤的层数，本文中n=3。

2.3.3 土壤有机碳存储潜力的计算

本文中土壤有机碳存储潜力是指在某区域内特定土壤、气候等环境条件不变的情况下，在未来一段时间内植被演替为有机碳储量最大的植被类型时土壤有机碳固碳量的增加值。其计算公式如下：

SQi=Sm-Si

(2)

式(2)中：SQi为研究内第i种植被类型的土壤有机碳截获潜力值；Sm为研究区内土壤有机碳储量的最大值；Si为研究区内第i种植被类型的土壤有机碳储量。

2.4 数据处理

运用SPSS 19.0 (SPSS 19.0 for windows,Chicago,IL,USA)进行数据统计分析，采用单因素方差分析(ANOVA)和LSD多重比较检验植被类型演替对土壤有机碳含量、储量和潜力的影响，显著性检验水平为0.05。采用Excel 2016进行作图。

3 结果

3.1 不同植被类型下的土壤有机碳含量

不同植被类型下土壤有机碳含量的垂直分布特征如图1所示。从图1中可以看出，喀斯特槽谷区不同植被演替阶段的土壤有机碳含量(0～30 cm)为9.12～12.37 g/kg。植被类型变化对土壤有机碳含量具有显著性影响，各植被类型中林地的土壤有机碳含量最高，为12.37g/kg；耕地和灌丛次之，分别为12.32 g/kg和10.60 g/kg；草地中土壤有机碳含量最低，仅为9.12 g/kg。在表层0～10 cm土层中，林地下的土壤有机碳含量显著高于其他植被类型(P<0.05)，而在10～20 cm和20～30 cm土层，耕地下的土壤有机碳含量显著高于草地(P<0.05)，而与灌丛和林地下的土壤有机碳含量没有显著差异。

图1 不同植被类型下土壤有机碳含量的垂直分布特征

在同一植被类型下，土壤不同土层深度下的土壤有机碳含量也具有显著差异。研究区内4种植被类型0～10、10～20 和20～30 cm土层深度的土壤有机碳含量的平均值分别为15.86、10.18 和7.27 g/kg，即随着土壤深度的增加，土壤有机碳含量呈显著下降的趋势。在耕地和草地两种植被类型下，土壤有机碳含量在各土层中表现为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm；而在灌丛和林地两种植被类下，0～10 cm土层土壤有机碳含量显著高于10～20 和20～30 cm土层，但10～30 cm土层内的2个土层间土壤有机碳含量无显著性差异。

3.2 不同植被类型下的土壤有机碳储量

表1中给出了各植被类型下0～30 cm深度土壤有机碳的储量。从表1中可以看出，研究区内耕地、草地、灌丛和林地0～30 cm土层深度土壤有机碳储量分别为57.69、41.55、48.05和60.42 Mg C/hm2。各植被类型下，林地的土壤有机碳储量最大，草地的土壤有机碳储量最小。与土壤有机碳含量的垂直分布特征相同，在各土层土壤中，表层0～10 cm土层土壤有机碳含量最高，4种植被类型下土壤0～10 cm土层土壤有机碳储量均显著高于10～20 和20～30 cm土层；而10～20 和20～30 cm土层土壤有机碳储量没有显著差异。

表1 不同植被类型下土壤有机碳储量的分布特征 Mg C/hm2

不同植被类型对土壤有机碳储量也具有显著影响，且在不同土层深度内的影响有所不同。在0～10 cm土层深度，林地的土壤有机碳储量最大，为32.41 Mg C/hm2，其显著高于其他3 种植被类型。在10～20 和20～30 cm土层深度，耕地的土壤有机碳储量均为最大，分别为19.60 和16.02 Mg C/hm2，其显著高于草地，但与灌丛和林地下的土壤有机碳储量没有显著差异。在20～30 cm土层，灌丛和林地下的土壤有机碳储量显著高于草地；但在10～20 cm土层，草地、灌丛和林地下的土壤有机碳储量没有显著差异。

3.3 不同植被类型下的土壤固碳潜力

图2给出了研究区内0～30 cm不同植被类型下土壤有机碳总的储量值。从图2中可以看出，林地的土壤有机碳储量值最大，并且本研究区内植被类型演替的顶级群落也为林地。因此在本文中以林地稳定状态时的土壤有机碳储量(60.42 Mg C/hm2)做为研究区内土壤有机碳的饱和值，来估算其他植被类型下土壤有机碳的固碳潜力。通过比较可以发现，研究区内耕地、草地和灌丛3种植被类型与林地下的土壤有机碳储量的差值分别为2.73、18.87和12.37 Mg C/hm2，也就是说，研究区内草地的固碳潜力最大，灌丛次之，而耕地的固碳潜力最小。

图2 不同植被类型下土壤有机碳的总储量

4 讨论

4.1 植被演替对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳含量主要取决于植被每年的归还率和分解速率，归还量大、分解速率缓慢会导致土壤积累较多的有机碳[11]。随着植被类型的变化，输入土壤中的地上和地下生物量会发生变化，进而导致土壤有机碳的含量发生变化。本文中，0～30 cm土层土壤有机碳含量的平均值表现为林地(12.37 g/kg)>耕地(12.32 g/kg)>灌丛(10.60 g/kg)>草地(9.12 g/kg)，表明林地土壤的有机碳含量最高，而草地土壤的有机碳含量最低。这与戴慧等[12]对浙江天童地区栲树群落的研究发现相似，他们也发现常绿阔叶林中土壤的有机碳含量高于其它植被类型土。在植被演替过程中，林地土壤枯枝落叶的输入增加和土壤扰动的减少带来了有机碳含量的增加[13]。与草地和灌丛相比，耕地内土壤有机碳含量较高，这主要是由于当地的农业管理措施决定的。研究区位于西南典型的喀斯特区，区内以山地为主，耕地面积较少，当地农户每年会将大量的农家有机肥施入土壤中，从而提高了土壤中的有机碳含量。此外，研究区的耕地几乎全部处于山地的下部，在雨季形成的坡面径流也会将上部草地和灌丛等处的可溶性的有机碳带到下部的耕地中，进而导致耕地土壤中有机碳含量的升高。

在土壤剖面上，各土壤有机碳含量均随着土壤深度的增加呈显著的下降趋势，这与之前的许多研究结果相一致[14～16]，其原因主要是因为地上凋落物的分解效应增加了表层土壤有机碳的积累，同时根系分布较为发达的表层土壤也有利于有机碳的积累。在土壤剖面上，耕地、草地、灌丛和林地上层(0～10 cm)和下层(20～30 cm)土壤有机碳的差异分别为5.61、8.96、7.05、12.75 g/kg，表明耕地中土壤有机碳在垂直剖面上的变异最小。这主要是由于耕地的翻耕导致的，研究区内的耕地会经常的翻耕以此来改良土壤的理化性质，在翻耕后0～30 cm土层深度内的土壤会发生混合，从而导致0～30 cm土层内土壤有机碳含量的变异性变小。

4.2 植被演替对土壤碳储量和固碳潜力的影响

耕地弃耕恢复植被后会导致地上和地下生物量的增加，从而增加输入土壤中的有机物的量；此外，弃耕弃耕后人类活动对土壤的干扰也会减少。因此，学者们普遍认为耕地弃耕恢复植被后土壤有机碳储量会显著上升。本研究的结果表明：0～30 cm土层土壤有机碳储量的大小顺序也表现为林地(60.42 Mg C/hm2)>耕地(57.69 Mg C/hm2)>灌丛(48.05 Mg C/hm2)>草地(41.55 Mg C/hm2)。不难理解土壤有机碳储量的这些变化趋势与研究区内土壤有机碳含量变化趋势一致，因为从公式(1)中可以知道土壤有机碳含量是决定土壤有机碳储量的一个重要因素。在植被从草地转变为灌丛再转变为林地的过程中，土壤有机碳储量呈显著的上升趋势，表明植被演替有助于喀斯特槽谷区土壤有机碳的截获。与耕地相比，灌丛地和草地中的土壤有机碳储量略低，这主要是由于耕地中大量农家肥的施入导致的。此外，坡面径流中可溶性有机碳含量和富含土壤有机碳的表层土壤的迁移也是导致山体下部耕地中土壤有机碳储量增高的一个重要原因[17]。

当环境条件稳定时，土壤在一定时间内的有机碳储量是表征土壤固碳潜力的重要评价指标。在弃耕地的演替过程中，随着演替的进行，生态系统生产力逐渐趋于成熟稳定，当生态演替达到顶级时，群落内的生物量也基本处于最大值，此时生态系统基本处于稳定状态。因此随着植被演替的进行土壤有机碳含量与储量也会逐渐达到饱和点而趋于稳定。在本研究的区域内，森林生态系统是生态演替的顶级群落，4 种植被类型中，林地下土壤有机碳储量也最大，为60.42 Mg C/hm2，因此可将林地作为本研究区域内土壤有机碳储量的饱和值。根据不同植被类型下土壤有机碳储量的现状值，发现研究区内各植被类型下土壤有机碳固碳潜力大小顺序为草地(18.87 Mg C/hm2)>灌丛(12.37 Mg C/hm2)>耕地(2.73 Mg C/hm2)，即草地土壤的固碳潜力最大，而耕地土壤的固碳潜力最小，这与其他研究中得出的结果基本相同[18]。

本研究采用的土壤剖面深度仅为0～30 cm，而已有研究表明，30 cm土层深度下的土壤也拥有巨大的碳储量和存储潜力，所以本研究中土壤有机碳储量和存储潜力的估计值要明显小于研究区内实际的土壤有机碳储量及存储潜力，因此在未来研究中应加大深层土壤有机碳动态变化的研究。此外，本研究中估算的土壤有机碳固碳潜力，是在气候、植物种类等影响因素不变的情况下进行的，但未来随着环境等影响因素的变化，土壤的固碳潜力状况也会受到影响，因此要想更准确地估算出该地区一段时间内土壤的固碳能力和潜力，还需要深入研究。