不同生態恢復模式對黃土殘塬溝壑區深層土壤有機碳的影響

黃艷章, 信忠保

1 北京林業大學水土保持學院,北京 100083 2 北京林業大學山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站,北京 100083 3 北京林業大學水土保持國家林業局重點實驗室,北京 100083

陸地生態系統土壤碳庫儲量是植被碳庫或全球大氣碳庫的2—3倍[1- 3],其微小變化就可能嚴重影響全球碳循環的平衡；土壤有機碳(Soil Organic Carbon, SOC)又是土壤養分循環轉化的核心,是評價土壤質量的重要指標[4]。因此,在當前全球碳循環失衡、植被類型變化活躍的情況下,土壤碳庫儲量的變化受到了越來越多的關注。

深層土壤有機碳(1 m以下)是土壤碳庫的重要組成部分。全球深層SOC(不包括農田)的平均儲量超過1 m剖面的50%,在土壤碳庫中的比重不容忽視[2,5]。在黃土高原溝壑區,1—2 m土層的SOC儲量占2 m土層儲量的37.2%[6]；黃土丘陵區,人工刺槐林、檸條林以及撂荒地深層土壤(1—2 m)的有機碳密度占2 m土層SOC密度的比例可達35%—40%[7]；內蒙古地區,喬木林和灌木林地3 m SOC儲量的50%儲存在1 m以下土層[8]。近年來,深層SOC由于自身穩定的性質[9- 10]以及所占的比例之大引起了眾多學者的關注。

土壤有機碳含量是植被[11-12]、土壤[13-14]和人為等因素綜合作用的結果。在歷史上因植被類型改變和土壤開墾導致的土壤碳庫的流失量累計為55—78 Gt[15],但植被恢復可以增加SOC含量[4,16- 17]。Jackson等[18]指出土地利用變化影響SOC的輸入和周轉,是SOC變化的重要驅動力。郭月峰等[19]研究表明,農地SOC含量比山杏林地、小葉楊林地、油松山杏混交林、天然次生灌木林分別低30.96%,27.97%,48.05%,69.56%；在0—20 cm土層,Gao等[20]發現退耕30年的草地和棗園有機碳含量顯著高于農地(P<0.05)；孫文義等[21]在研究黃土高原0—100 cm土層時發現天然次生林的SOC比人工林高42%—82%。表明不同的植被類型會影響SOC的輸入和周轉,從而影響土壤的碳匯效益。

目前研究大多集中于2 m以內的土壤[6,22- 24],由于黃土高原土層深厚,須加強深層SOC的研究,尤其對恢復模式的研究較少,還不夠系統全面[12,25]。黃土高原退耕還林還草工程實施近20年來,大規模的生態恢復工程增加了區域植被蓋度[26],勢必會對土壤的碳匯產生影響,甚至影響到較深土層。所以在估算退耕還林土壤碳匯量時,應該考慮深層SOC,只按1 m土層計算SOC儲量,會低估退耕還林還草工程的碳匯效益。

本研究調查了天然次生林、人工生態林、人工經濟林等3種生態恢復模式4 m深土壤剖面的SOC儲量及垂直分布特征,評估了3種生態恢復模式的碳匯效益,并分析了不同樹種間土壤碳匯效益的差異。研究結果為黃土高原地區的土壤碳匯效益的合理評估以及生態恢復模式和樹種的選擇及配置提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蔡家川流域(36°14′—36°18′N,110°40′—110°48′E)位于山西省黃土高原西南部吉縣境內,流域面積39.33 km2,主溝道長度12.15 km,為昕水河一級支流,流域大體呈西東走向,流域主溝道及部分支溝常年有水。蔡家川流域為典型的黃土殘塬、梁峁侵蝕地貌,流域沖溝發育,溝壑縱橫,溝壑密度0.8 km/km2。流域海拔在900—1586 m之間,相對高差700 m左右,平均海拔1172 m。流域屬暖溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫10.2 ℃,光照時數平均2563.8 h,無霜期172天,多年平均蒸發量為1650.8 mm,風向冬季多西北風,其余三季多偏南風,年均風速為2.0 m/s,年平均降水量為575.9 mm,降雨年際變化大,主要集中在6—9月份,約占全年降水量的80.6%。

蔡家川流域植被種類多,生長較好,森林覆蓋率在79%左右。作為國家級野外科學觀測研究站,擁有實驗林場1.6萬畝,對全流域水土保持長期定位監測。流域內森林生態系統包括天然次生林、人工促進自然植被恢復封禁35年以上的植被和不同時期的人工林。天然次生林分布在溝域上游,主要包括荊條(Vitexnegundo)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、山楊(Populusdavidiana)、暴馬丁香(Syringareticulata)；人工生態林主要是上世紀末的退耕還林工程和1990年以來的中日政府間技術合作項目所栽植的刺槐(Robiniapseudoacacia)、側柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)等。流域內現有經濟林地49 hm2、占流域面積的1.25%,是當地主要經濟來源,有蘋果(Maluspumila)、梨(Pyrusspp)等。農地主要是玉米(Zeamays)和小麥(Triticumaestivum)。灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、杠柳(Periplocasepium)、胡枝子(Lespedezabicolor)、連翹(Forsythiasuspensa)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等。蔡家川流域作為山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站主要觀測流域,殘塬溝壑地貌類型典型,生態恢復模式和植被類型多樣,并且具有長期定位觀測基礎。因此,蔡家川流域是研究黃土高原殘塬溝壑區不同生態恢復模式對土壤深層有機碳影響的絕佳溝域。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

蔡家川流域生態恢復模式包括天然次生林、人工生態林、人工經濟林等3種。流域上游陰坡多為天然次生林,研究調查了荊條林、山楊林和遼東櫟林3個樣地；中游峁頂是人工生態林主要分布區,研究調查了油松刺槐混交林、刺槐林、油松林、側柏林等4個樣地以及蘋果和梨2種人工經濟林樣地；在溝域中游坡中布設了農地作為對照樣地,并對河谷農地和坡中撂荒草地進行了調查(表1)。研究共包括12種植被類型或土地利用方式,每樣地布設10 m×10 m樣方,除蘋果經濟林采樣點為3個,其他每樣方各布設2個4 m土壤剖面采樣點。使用內徑為5 cm的土鉆,按20 cm間隔采集0—400 cm土壤樣品,25個4 m取樣點共取得土樣500個。調查樣地1 m深的土壤剖面,用100 cm3環刀在每層采集原狀土壤,取得6個重復,測定土壤容重。

表1 樣地概況

1.2.2土壤理化性質分析

采樣當天測量土壤容重和含水量,采用直接烘干法測量土壤含水量,環刀法測量土壤容重。剩余樣品陰涼處自然風干,仔細挑出枝葉、根系、蝸牛殼及鈣結核等,用四分法取適量土樣磨碎并分別通過直徑為2 mm和0.25 mm的土壤篩,用來測試SOC含量和土壤粒徑。采用重鉻酸鉀外加熱法測定SOC含量。土壤粒徑采用激光衍射法(馬爾文激光顆粒分析儀MS- 2000)測定。土壤粒徑分級根據美國制土壤質地分級標準,即黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm

1.2.3數據處理

數據處理及作圖使用Microsoft Excel 2016軟件；用SPSS 20.0進行ANOVA 分析,LSD法進行差異顯著性檢驗；采用逐步線性回歸分析得到土壤容重的傳遞函數。土壤有機碳密度(SOCD)的計算：

SOCD=SOC×ρ×H×(1-δ2mm/100)×10-1

式中,SOCD為土壤有機碳密度(t/hm2)；SOC為土壤有機碳含量(g/kg)；ρ為土壤容重(g/cm3),H為土層厚度(cm)；δ2mm為粒徑大于等于2 mm的礫石體積含量,由于黃土區礫石含量極低,該值忽略不計。

由于1 m以下土壤容重實測難度較大,因此采用土壤容重傳遞函數估算深層土壤容重。大量研究表明土壤容重主要取決于SOC含量和質地[27-28],門明新等[29]比較的14種已有土壤容重傳遞函數都與SOC含量或土壤質地密切相關。本研究以60個1 m剖面的土壤容重實測值為因變量,深度、土壤質地和SOC含量為自變量,通過逐步線性回歸分析,得到土壤容重傳遞函數(r2=0.609,P<0.01)：

BD=0.453+0.146/SOC+0.074(%Silt)+0.063ln(depth)+0.008(%Sand)

式中,BD為土壤容重(g/cm3)；SOC為土壤有機碳含量(g/kg)；depth為土層深度(cm)；Silt為黏粒含量(%)；Sand為砂粒含量(%)。利用土壤容重傳遞函數所得土壤容重估計值與實測值吻合度較好,均方根誤差為6.7%,可用于估算深層土壤容重。

2 結果

2.1 土壤有機碳的變化特征

流域內SOC含量在0—60 cm顯著降低,60—400 cm SOC相對穩定(圖1)。有機碳含量在0—60 cm內隨深度快速下降(P<0.05),由表層的(11.03±7.51) g/kg減少到(2.40±0.93) g/kg,降幅達到78.22%。60 cm以下各土層SOC差異不顯著且含量較低,僅(1.81±0.88) g/kg。流域內4 m SOC儲量為(129.21±47.59) t/hm2,垂直變化規律與SOC含量基本一致。同土層有機碳含量變異系數在38%—68%之間,屬于中等變異。

圖1 土壤有機碳垂直分布及變異系數Fig.1 Vertical distribution and coefficient of variation of soil organic carbon不同小寫字母表示不同土層之間土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05)

2.2 生態恢復模式對土壤有機碳含量的影響

蔡家川流域3種生態恢復模式可以顯著提高土壤有機碳,各恢復模式SOC含量與坡中農地相比都有所增加(圖2)。3種生態恢復模式中,天然次生林0—400 cm土壤碳匯效益最顯著(P<0.05),比坡中農地增加了196.23%。天然次生林、人工生態林、人工經濟林0—20 cm表層SOC含量較農田表層土壤((4.60±0.32) g/kg)分別提高了400.88%、112.13%、62.77%；100—300 cm土層內,3種恢復模式的SOC含量顯著增加(P<0.05)；100—200 cm土層人工經濟林有SOC 含量高于人工生態林,但不顯著；在300—400 cm土層,人工經濟林的碳匯效益不再明顯(P<0.05)。

2.3 植被類型對土壤有機碳含量的影響

在0—400 cm各土層內,植被類型間的SOC含量存在顯著差異(表3)。表層20 cm SOC含量山楊林最高為(29.93±6.58) g/kg(P<0.05),坡中農地最低((4.28±0.45) g/kg),兩者相差5.99倍；在20—40 cm及40—100 cm土層,荊條灌木林SOC含量((8.36±0.38) g/kg,(3.79±0.48) g/kg)顯著高于其他11種植被類型(P<0.05)。

河谷地帶水沙匯集,土壤較肥沃,歷史上多次接受洪水泥沙沉積,SOC含量較高并在垂直方向存在波動。河谷農地SOC在0—80 cm與其他植被類型同樣呈降低趨勢,在100 cm以下SOC含量漸漸增加,并高于其他植被類型(P<0.05)；在200—300 cm顯著高于其他11種植被類型的有機碳含量(P<0.05),在300—400 cm SOC含量顯著下降(P<0.05),但仍顯著高于其他植被類型(P<0.05)。

同一生態恢復模式不同植被類型土壤碳匯效益存在差異(表2)。天然次生林各植被類型有機碳含量較高,遼東櫟林為(2.36±0.58) g/kg,荊條林為(3.42±0.55) g/kg,山楊林為(3.53±1.01) g/kg,且含量差異不顯著；人工生態林各植被間的有機碳含量差異較大,油松刺槐混交林有機碳含量最高,為(3.08±0.39) g/kg(P<0.05),顯著高于油松林((1.70±0.17) g/kg)和側柏林((1.30±0.19) g/kg)。油松刺槐混交林的有機碳含量與天然次生林中的山楊林和荊條林碳匯效益明顯,三者之間沒有顯著差異。

表2 不同植被類型有機碳含量統計值

表中不同大寫字母表示不同植被類型土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05)

2.4 生態恢復對土壤有機碳儲量的影響

天然次生林、人工生態林、人工經濟林的SOC儲量較坡中農地都顯著提高(P<0.05),生態恢復帶來的土壤碳匯效益明顯(表4)。天然次生林4 m剖面SOC儲量為(166.40±42.90) t/hm2,比坡中農地的(58.73±4.73) t/hm2增加了183.33%；人工生態林和人工經濟林4 m剖面SOC儲量分別為(111.32±13.30) t/hm2和(104.60±7.10) t/hm2,分別比坡中農地高89.54%、78.11%。SOC儲量表現為天然次生林高于人工生態林和人工經濟林,坡中農地最低(P<0.05)。

3種生態恢復模式對土壤深層(1—4 m)SOC儲量皆有明顯增加。天然次生林、人工生態林、人工經濟林的深層(1—4 m)SOC儲量分別為(77.81±8.40) t/hm2、(65.55±7.71) t/hm2、(61.32±3.16) t/hm2,較坡中農地增加了109.43%、76.43%、65.06%。

25個取樣點1—4 m深層SOC儲量占整個4 m SOC儲量的58.61%±9.15%,其中,2—4 m SOC儲量占深層SOC儲量的66.13%±4.60%。天然次生林對表層有機碳儲量貢獻較大,深層只占到4 m剖面的46.76%,人工生態林和人工經濟林的深層土壤有機碳儲量都占到了整個土壤剖面的58%以上(圖3)。天然次生林和人工生態林深層單位深度土壤有機碳儲量占比均一,100—200 cm有機碳儲量約是200—400 cm的一半；而人工經濟林100—200 cm有機碳儲量占比較高。可能是人工經濟林的整地措施對100—200 cm有機碳儲量產生影響。

表3 不同植被類型下土壤有機碳平均含量

表中不同大寫字母表示不同植被類型在同一土層土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一植被類型在不同土層土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05)

圖3 三種生態恢復類型各層有機碳儲量所占比例Fig.3 The proportions of SOC storage in each layer of the three ecological restoration patternsa是每20 cm土層有機碳儲量所占比例；b是0—20 cm、20—100 cm、100—200 cm、200—400 cm土層有機碳儲量所占比例

3 討論

3.1 不同植被類型間有機碳儲量的差異性

植被是SOC含量垂直分布的重要控制因子[30]。一方面,碳是構成植被體的骨架元素[31],植被類型不同,碳骨架也隨之不同,進入土壤中的植被殘體量以及根系生物量存在較大差異,進而造成土壤中有機物向下輸入的數量和質量[32]以及土壤有機質的分解速率不同[33-34]；另一方面,不同的植被類型會在其下墊面形成獨特的小氣候,影響微生物活性,進一步影響凋落物的分解[35]。

三種恢復模式中天然次生林SOC儲量最高,是人工生態林、人工經濟林、坡中農地的1.49、1.59、2.83倍,與孫文義等[21]對黃土區天然次生林各層 SOC儲量研究結果一致,混交林的土壤碳匯能力與天然次生林相似,40 cm以下SOC含量顯著高于(P<0.05)刺槐林、油松林、側柏林,有機碳儲量分別是它們的1.37、1.73、2.14倍。表明天然次生林的土壤碳匯能力高于其他恢復模式。主要是由于天然次生林具有完整的群落結構,且微生物的多樣性指數和豐度均高于人工林[36],生態系統和碳循環相對良好穩定。而混交林能夠通過增加林地的物種多樣性,提高林分結構的穩定性,有利于有機碳的積累[37]和改善生產力[38],董敏慧等[39]發現松樹樟樹混交林的土壤微生物碳氮含量均高于兩種純林,本研究結果與其一致。

人工經濟林與人工生態林的碳匯效益沒有顯著差異,甚至經濟林碳儲量略高于某些人工生態林樹種,且在100—200 cm處土壤有機碳儲量與其他模式相比仍占比較大。整地如深耕使有機碳快速到達土壤深層,增加了SOC的穩定性及深層SOC儲量[40]。當前,關于經濟林碳匯效益方面存在不同的認識,一些研究指出經濟林的建設會造成SOC降低[12],但陳磊等[41]指出蘋果園有利于SOC的固存。原因可能與區域自然條件、經濟林樹種、經營管理方式等因素有關[42]。

研究發現河谷農地有機碳儲量最高,為(203.84±20.04) t/hm2,顯著高于坡中農地,且單位深度的土壤有機碳儲量都處在較高水平。可能是河谷農地地勢低洼,地形平坦,卯坡侵蝕土壤和上游泥沙匯集于此,帶來大量土壤有機碳就地沉積埋藏；河谷農地利于地下水的匯集,導致表層水溶性碳向深層淋溶更加明顯[43]；加之充足的水分[42]和長期耕作培肥,造成河谷農地有機碳儲量較高。

3.2 深層土壤有機碳的重要性及其影響因素

森林生態系統的SOC儲量經常會被低估。本研究中表層20 cm的SOC儲量占4 m土壤有機碳庫的20.02%±8.54%,20 cm以下為79.98%±8.54%。與Lal[1]指出的0.3—3 m土層占3 m土壤有機碳庫的77%一致。雖然研究中60 cm以下SOC含量((1.81±0.88) g/kg)顯著低于0—20 cm的SOC含量((11.03±7.51) g/kg),但黃土區土層常厚達數十米以上,所以深層(1—4 m)SOC不容忽視。任何增加新鮮有機碳的土地利用和農業措施變化都會刺激古代埋藏層碳的損失[9],Mu等[44]發現青藏高原深層凍土層會釋放溫室氣體加劇全球氣候變化,深層SOC儲量如此之大,會對全球氣候變化產生深刻影響。另一方面,在估算該區退耕還林草的土壤碳匯量時,應該考慮深層土壤的有機碳儲量,否則會明顯低估退耕還林草的土壤碳匯效應[7]。

SOC含量隨土壤深度的增加而降低,且深層SOC含量變化不大,這與多數研究結果一致[25,45]。在本研究中,深層(1—4 m)SOC含量在1.62—2.01 g/kg之間；在陜西神木,深層SOC含量幾乎在1.00 g/kg以下[2]；整個黃土高原橫斷面上,深層SOC含量在1.49—2.01 g/kg之間[32],表明深層SOC含量較低。原因可能是凋落物和根系為表層土壤提供了豐富的碳源[12, 21],而碳供應量隨土壤深度的增加而迅速減弱,且黃土區深層水分匱缺,細根分布較少,導致植被根系轉化為SOC較少[24]；另外,在較深土層中,SOC分解在很大程度上受土壤通氣狀況影響[46],深層土壤空隙水分含量較低,通氣條件較好,可促進SOC的分解[47],造成深層SOC含量較低。各植被類型100—400 cm的SOC儲量變化不大,變異系數極低為1.50%±0.54%,Balesdent等[48]研究發現 1—2 m處土層放射性有機碳表觀年齡約有95%為50年以前,說明深層土壤環境隨深度變化較小,造成1—4 m間的SOC變化不大。

土壤碳匯能力取決于土層深度、黏粒含量及礦物屬性、植物有效持水能力、土地利用動態、有機碳本底值等[1]。許明祥等[7]研究發現土地利用動態解釋了79.7%的土壤有機碳變異性,而地形影響極小；相反,孟國欣等[24]指出地形對土壤有機碳影響較大,解釋了22.02%的土壤有機碳變異性。可以發現影響土壤有機碳的因素綜合復雜。生態恢復對土壤深層有機碳積累的影響過程與機制,是當前生態恢復對土壤碳循環調控領域的重要研究命題。由于大多數研究都采用“空間代替時間”的研究方法,不可避免的對研究結果帶來一定的變異性[47],進而在解釋植被對深層有機碳的貢獻時會造成一定的影響。今后的研究需要加強在時間尺度和有機碳本底值的研究,避免空間變異的影響,正確評估生態恢復的碳匯速率及碳匯量。

4 結論

(1)生態恢復能夠顯著增加SOC儲量,天然次生林和人工混交林是碳匯效益良好的生態恢復模式。天然次生林有機碳儲量((166.40±42.90) t/hm2)比坡中農地顯著(P<0.05)增加183.33%,是人工生態林、人工經濟林的1.49、1.59倍；而混交林((160.47±18.17) t/hm2)的碳匯效益與天然次生林((166.40±42.90) t/hm2)相近。

(2)在評估生態恢復碳匯效益和估算土壤碳庫總量時,深層SOC儲量地位顯著。深層(1—4 m)SOC儲量約占4 m剖面的(58.61±9.15%,2 m以下土壤有機碳儲量((49.94±22.35) t/hm2)占深層土壤有機碳的66.13%±4.60%。天然次生林、人工生態林和人工經濟林1 m以下有機碳儲量分別占4 m剖面的 46.76%、58.89%、58.62%。

(3)生態恢復碳匯效益表現出顯著的表聚性特征,SOC含量在0—60 cm隨深度增加迅速降低,從(11.03±7.51) g/kg減少到(2.40±0.93) g/kg,降幅達78.22%；60—400 cm SOC含量變化較為穩定,含量較低為(1.81±0.88) g/kg。