植被恢復對昆陽磷礦土壤有機碳儲量的影響

趙 川, 和麗萍, 李貴祥, 邵金平, 柴 勇

(云南省林業(yè)科學院, 昆明 650201)

植被恢復對昆陽磷礦土壤有機碳儲量的影響

趙 川, 和麗萍, 李貴祥, 邵金平, 柴 勇

(云南省林業(yè)科學院, 昆明 650201)

植被恢復是既能保持磷礦開采同時又能有效扼制礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的退化，并逐步恢復已退化的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最有效的生物措施。為揭示植被恢復對昆陽磷礦土壤有機碳和碳素積累的影響，研究探討了昆陽磷礦不同恢復林地的土壤有機碳儲量變化。結果表明：(1) 不同恢復林地的土壤有機碳含量存在顯著差異(p<0.05)，7種不同植被恢復人工林土壤平均有機碳含量分別是廢棄地的14.29倍、11.83倍、11.40倍、5.89倍、15.48倍、15.59倍、18.53倍。(2) 土壤有機碳在剖面的含量表現(xiàn)出明顯的“表聚作用”，均以表土層(0—20 cm)最大，且隨土層厚度的增加，呈下降趨勢。(3) 不同恢復林地的土壤有機碳密度差別較大，變化趨勢和土壤有機碳含量的變化趨勢一致，且在同一林分土壤中，單位深度土壤各土層平均有機碳密度均以表層最大，隨土層的增加而降低。(4) 土壤有機碳主要存儲于0—20 cm土層中，平均含量為53.60%，隨著土層的加深，土壤有機碳所占比重急劇下降，經(jīng)過植被恢復，7種人工林土壤有機碳儲量較廢棄地0—20 cm土壤有機碳儲量提高了26.53%，20.39%，34.48%，10.81%，28.62%，39.52%，36.71%，說明目前礦區(qū)通過植被恢復后的土壤狀況顯著優(yōu)于未進行恢復措施的廢棄地。

土壤有機碳儲量; 植被恢復; 林分類型; 昆陽磷礦

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其碳儲量占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的2/3[1]。土壤有機碳是土壤中較為活躍的部分，其含量和動態(tài)在土壤質(zhì)量演變和全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用[2]。植被恢復是既能保持磷礦開采同時又能有效扼制礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的退化，并逐步恢復已退化的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最有效的生物措施。礦區(qū)廢棄地作為重構土體，其土壤與自然立地條件下的土壤存在顯著差異，主要表現(xiàn)為土壤層序紊亂、土壤結構性差、養(yǎng)分貧瘠，這些特殊性嚴重阻礙植物生長，進而影響微生物對凋落物和根系等土壤養(yǎng)分主要來源的分解與轉(zhuǎn)化，最終可能會緩解碳氮的形成[3]。因此，土壤有機碳成為衡量礦區(qū)土壤修復質(zhì)量好壞的一個重要指標，研究礦區(qū)廢棄地植被恢復土壤有機碳儲量的變化過程對認識土壤質(zhì)量的演變及其恢復效果評價有重要意義。

昆陽磷礦為我國磷化工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展做出了重大貢獻[4]。但是隨著近三十多年來的開采，對其地質(zhì)環(huán)境造成了一定影響與破壞，誘發(fā)了一系列地質(zhì)災害和地質(zhì)環(huán)境問題。項目組通過前期研究，提出了礦區(qū)生態(tài)修復綜合配套技術，使示范區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到恢復和改善，為全省礦區(qū)廢棄地生態(tài)環(huán)境恢復治理工程提供有效的技術支撐及示范樣板。目前自然條件下植被恢復與有機碳變化的關系已有大量研究，一系列研究表明，植被恢復可顯著提高有機碳含量[5]，且在一定恢復年限內(nèi)有機碳含量與恢復年限成正比[6-7]。但關于礦區(qū)廢棄地植被恢復對土壤有機碳儲量的影響研究尚少，特別是對土壤不同層次有機碳的變化規(guī)律至今無人報道。本文的目的就是通過研究昆陽磷礦廢棄地植被恢復過程中不同林分的土壤有機碳含量和有機碳儲量變化，為合理評價植被恢復對土壤的碳匯效應及對土壤的改良與管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于昆明市西南72 km，地理坐標為東經(jīng)103°31′10″—103°34′48″，北緯24°12′58″，屬北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.7℃，歷年平均降水量907.1 mm。礦區(qū)內(nèi)土壤主要為紅壤及沖積土。現(xiàn)有的各種植被類型都是在原有植被破壞后，植被恢復過程而形成的次生植被。礦區(qū)周圍的植被大體可分為森林、灌叢、灌草叢和栽培植被4大類型。礦區(qū)附近的森林以暖溫性針葉林為主，主要有云南松(Pinusyunnanensis)次生林和華山松(Pinusarmandii)林，此外有以旱冬瓜(Alnusnepalensis)為主的落葉闊葉林。灌叢主要由落葉灌木山柳(Clethrabarbinervis)和榛子(Corylusheterophylla)組成，其中也有一些常綠種類如杜鵑(RhododendronsimsiiR.spp)、水紅木(Viburnumcylindricum)、楊梅(Myricarubra)等，但數(shù)量較少，另外在灌叢中零星生長著云南松、華山松等喬木樹種，形成稀樹灌叢。灌草叢主要是由喬本科植物組成的禾草灌草叢。在禾草灌草叢中除草本植物外，常有少量灌木種類存在[8]。

1.2 樣品采集與分析

本研究所選樣地均是在礦區(qū)廢棄地采用平臺覆土的方式進行植被恢復的，主要成分都是以采場剝離表土(紅壤)為主，同白云巖、黑頁巖和風化巖石混合而成。根據(jù)林木種植的措施、布局劃分出7種人工植物群落，種植時間為2005年，包括藍桉(Eucalyptusglobulus)林、直干桉(E.maideni)林、圣誕樹(Acaciadealbata)林、藏柏(Cupressustorulosa)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林、廢棄地(尚未采取任何植被恢復措施的區(qū)域)。于2015年7月進行群落調(diào)查和土壤樣品的采集。在各人工林分內(nèi)有代表性的地段，設置3個20 m×20 m 的標準固定樣地，對樣地內(nèi)喬木進行每木檢尺(表1)。每個樣地分別設3個土壤剖面，觀察剖面物理性質(zhì)，分別在0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm深度取環(huán)刀土及混合土樣，用于測定土壤容重及室內(nèi)化學分析，每個樣點重復取3個樣作為平行。將所取樣本帶回實驗室后立即將鮮土樣在室內(nèi)鋪于牛皮紙上，自然風干后去除石塊、根莖及各種新生體和侵入體，研磨，過篩后保存?zhèn)溆谩２⑼瑫r測定>2 mm 的石礫含量(體積分數(shù))。

土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)采用濃硫酸—重鉻酸鉀氧化外加熱法測定[9]，土壤容重采用烘干法測定，在(105±2)℃條件下烘干至恒重。

1.3 相關計算及數(shù)據(jù)分析

土壤有機碳儲量是在一個特定有機碳庫中的有機碳量或者單位面積的有機碳庫[10]，第i層單位面積土壤有機碳儲量占剖面總有機碳儲量的百分比Ri按照下面方法計算。如果某一土體的剖面由k層組成，則該剖面的土有機碳密度計算公式為[11]：

SOCi=OiHiBi(1-Gi)/100

(1)

式中：SOCi為土壤剖面第i層有機碳密度(kg/m2)；Hi為第i層土壤的厚度(cm)；Bi為第i層土壤的容重(g/cm3)；Oi為i層土壤的有機碳含量(g/kg)；Gi為直徑≥2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。

如果某一土壤剖面由k層組成，那么該剖面的有機碳密度 (kg/m2)為：

(2)

式中：k為土層數(shù)。

表1 樣地基本情況

第i層單位面積土壤有機碳儲量占剖面總有機碳儲量的百分比按照下面公式計算：

(3)

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 11.5實用統(tǒng)計軟件和Excel 2003數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復林分土壤有機碳含量及其分布特征

由表2可看出，7種植被恢復人工林樣地和廢棄地0—60 cm土壤平均有機碳含量為1.22±0.12～22.61±1.35 g/kg，大小依次為旱冬瓜+圣誕樹林(22.61±1.35 g/kg)>旱冬瓜林(19.02±1.93 g/kg)>栓皮櫟林(18.89±1.17 g/kg)>藍桉林(17.43±1.12 g/kg)>直干桉林(14.43±1.23 g/kg)>圣誕樹林(13.91±1.05 g/kg)>藏柏林(7.19±0.59 g/kg)>廢棄地(1.22±0.12 g/kg)，其中旱冬瓜+圣誕樹林、旱冬瓜林、栓皮櫟林、藍桉林、直干桉林、圣誕樹林、藏柏林平均有機碳含量分別是廢棄地的18.53倍、15.59倍、15.48倍、14.29倍、11.83倍、11.40倍、5.89倍。

表2 不同林分土壤有機碳含量 g/kg

注：不同大、小寫字母分別表示同一林分類型不同土層和不同林分類型同一土層間在p<0.05水平下差異性顯著。

土壤有機碳含量在土壤剖面的分布也存在明顯差異，不同植被恢復林地土壤各層有機碳含量為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，各植被類型土壤層有機碳含量均以表土層(0—20 cm)最大，且隨土層厚度的增加，土壤有機碳含量呈下降趨勢。

2.2 不同植被恢復林分土壤有機碳密度及其分布特征

不同植被恢復林分樣地土壤有機碳密度在0—60 cm不同土層的垂直分布見圖1，分析結果表明：7種不同植被恢復人工林和廢棄地0—60 cm土壤平均有機碳密度為5.33±0.20～0.36±0.12 kg/m2，整個土壤層面上土壤平均有機碳密度大小順序為旱冬瓜+圣誕樹林>栓皮櫟林>旱冬瓜林>藍桉林>直干桉林>圣誕樹林>藏柏林>廢棄地。

注：Ⅰ表示藍桉林；Ⅱ表示直干桉林；Ⅲ表示圣誕樹林；Ⅳ表示藏柏林；Ⅴ表示栓皮櫟林；Ⅵ表示旱冬瓜林；Ⅶ表示旱冬瓜+圣誕樹林；Ⅷ表示廢棄地。下同。

圖1不同植被恢復林分土壤有機碳密度

2.3 不同植被恢復林分土壤有機碳儲量的剖面分布

根據(jù)公式(2)，(3)計算7種不同植被恢復人工林樣地0—60 cm土壤層次單位面積有機碳儲量占剖面有機碳總儲量的百分比。由圖2可知，各樣地的有機碳儲量均隨著土層加深所占比例逐漸降低，各樣地的有機碳主要集中于土層0—20 cm內(nèi)，大小順序為旱冬瓜林(62.67%)>旱冬瓜+圣誕樹林(59.88%)>圣誕樹林(57.85%)>栓皮櫟林(53.10%)>藍桉林(51.58%)>直干桉林(47.61%)>藏柏林(42.49%)，平均含量為53.60%；20—40 cm土層中有機碳儲量排序為藏柏林(35.77%)>直干桉林(34.04%)>旱冬瓜+圣誕樹林(30.12%)>藍桉林(30.02%)>栓皮櫟林(26.44%)>圣誕樹林(25.39%)>旱冬瓜林(23.28%)，平均含量為29.30%；40—60 cm 土層中有機碳儲量排序為藏柏林(21.74%)>栓皮櫟林(20.47%)>藍桉林(18.38%)>直干桉林(18.35%)>圣誕樹林(16.76%)>旱冬瓜林(14.05%)>旱冬瓜+圣誕樹林(9.99%)，平均含量為17.11%。

圖2不同植被恢復林分土壤有機碳儲量剖面分布

3 結論與討論

(1) 昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復林分土壤有機碳含量隨著土層深度增加顯著減少，不同林分類型及土層間土壤有機碳含量存在明顯差異；植被恢復對礦區(qū)土壤有機碳含量有了較大的提高；同一地區(qū)不同的林分類型因地表植被覆蓋、枯落物分解程度、進入土壤的生物殘渣、組成植物根系以及土壤微生物的分解作用等不同，土壤有機物質(zhì)的輸入和輸出也不相同，從而影響土壤有機碳含量[12-13]。

(2) 昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復林地的土壤有機碳在剖面的含量表現(xiàn)出明顯的“表聚作用”，各樣地的有機碳主要集中于土層0—20 cm內(nèi)，隨著剖面深度的增加，有機碳含量逐漸降低，主要是因為影響土壤有機碳含量的因素(樹木、地表植被的根系、凋落物等)主要集中在土壤表層。

(3) 昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地7種不同恢復林地的土壤有機碳密度差別較大，變化趨勢和土壤有機碳含量的變化趨勢一致，且在同一林分土壤中，單位深度土壤各土層平均有機碳密度均以表層最大，隨土層的增加而降低。不同植被恢復林分中，受不同植物根系分布、凋落物分解程度以及人為干擾等因素的影響，土壤有機碳含量及土壤容重出現(xiàn)不同的變化，導致土壤有機碳密度也隨之出現(xiàn)差異[14]。

(4) 7種不同植被恢復人工林土壤有機碳主要存儲于0—20 cm土層中，隨著土層的加深，土壤有機碳所占比重急劇下降，最底層(40—60 cm)土層的土壤有機碳百分比最低。這主要是因為不同林分導致有機物進入土壤的方式和植物殘體量不同，從而造成有機碳含量的垂直分布狀況存在較大差異。同時，根系的垂直分布直接影響輸入到土壤剖面各個層次的有機碳數(shù)量；而且隨土層深度的增加分解者的活動減弱，導致植物碎屑在土壤中的位置越深，其分解也越慢[15-16]。經(jīng)過植被恢復，7種人工林土壤有機碳儲量較廢棄地0—20 cm土壤有機碳儲量提高了26.53%，20.39%，34.48%，10.81%，28.62%，39.52%，36.71%，說明目前礦區(qū)通過植被恢復后的土壤狀況顯著優(yōu)于未進行恢復措施的廢棄地。

綜上所述，碳輸入主要來源的地表凋落物以及根系這兩個生物因素的差異是造成礦區(qū)廢棄地不同植被恢復林分碳儲量和碳素積累差異較大的原因；植被恢復不僅顯著影響地表凋落物的積累量和性質(zhì)，而且顯著影響土壤有機碳的積累速率。

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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

國家自然科學基金項目“云南磷礦廢棄地植被修復土壤質(zhì)量演變機理研究”(41361076)

趙川(1973—),男,云南大理人,助理工程師,主要從事森林生態(tài)學研究。E-mail:zhaochuangk3@126.com

和麗萍(1972—),女,云南麗江人,博士,副研究員,主要從事土壤生態(tài)學和山地災害恢復研究。E-mail:kmhlp@sina.com

S714.5

：A

：1005-3409(2017)05-0168-04