喀斯特槽谷區植被演替對土壤有機碳儲量及固碳潛力的影響研究

羅雨溪，孔德兵，王永欣，曹 婷，張韻芝，李厚德

(1.西南大學 地理科學學院，重慶 400715；2.重慶金佛山喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站，重慶 400715)

1 引言

土壤是陸地生態系統中最大的有機碳庫。據估算，全球僅1 m深度的土壤中儲存的有機碳量約為1500 Gt，是陸地生物量碳庫的3.8倍，大氣碳庫的3倍[1]。土壤有機碳既能為植被生長提供碳源，維持土壤良好的物理結構，是土壤肥力的物質基礎[2,3]；同時也具有巨大的外影響性，能以CO2等溫室氣體的形式向大氣釋放碳，其較小的變幅都能引起大氣CO2濃度的顯著變化，在全球碳循環和氣候變化過程中都起著極其重要的作用[4]。相關研究結果表明，土壤有機碳受氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動等諸多物理、生物和人為因素的影響，其中植被類型變化是影響土壤有機碳和陸地生態系統碳循環最為直接、最重要和最深刻的因素之一[5,6]。

西南地區是我國喀斯特生態系統的主要分布區之一，其以分布面積最大、發育類型最齊全和生態環境最脆弱而著稱于世。西南地區近20年來響應國家“退耕還林還草”的政策，是我國退耕還草還林的主要區域之一，生態恢復效果顯著[7,8]。隨著耕地的棄耕，植被類型從農作物逐漸向草地、灌叢或森林等植被類型演替，植被類型的變化顯著改變了土壤原有的結構和屬性，從而導致土壤有機碳的數量和質量發生明顯變化[9,10]。然而，目前關于典型喀斯特地區植被類型變化對土壤有機碳土壤儲量及固碳潛力的研究還較為缺乏。

喀斯特地區土壤有機碳的固定不僅可以增加土壤有機質的含量，提供植被生長發育的良好物質基礎，提升水土保持效應；還能夠降低大氣CO2濃度，緩解全球氣候變暖。因此，本研究通過對西南典型低山喀斯特槽谷小流域內的耕地、草地、灌叢和林地4種不同植被類型下的土壤進行分層取樣，分析不同植被演替階段以及不同土層深度土壤有機碳含量和儲量的分布特征，揭示不同植被類型下0～30 cm土壤有機碳的固碳潛力。研究結果有助于了解喀斯特槽谷區退耕還林還草過程中土壤質量的變化狀況，并為研究區內土地的合理利用與管理以及退化生態系統碳收支平衡與保護提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究區位于重慶市歇馬鎮縉云山青木關小流域(106.17′ E，29.40′ N)，屬于典型的巖溶槽谷區，流域面積約19 km2。該地屬亞熱帶季風濕潤氣候，夏熱冬暖，無霜期340～350 d。多年平均氣溫為16.5 ℃，最冷月(1月)均溫7.8 ℃；多年平均降水量約1250 mm，雨熱同期，受青藏高壓和副熱帶高壓的影響，7、8月份常出現30～50 d的干旱。秋季多陰雨，冬季多云霧，日照時數長。流域內人類活動主要分布于槽谷洼地兩側，大面積的林地被開墾為農田，對該地自然生態環境產生影響。自2003 年國家實施退耕還林還草政策以來，區域內耕地逐漸被棄耕恢復，形成了不同恢復階段的棄耕地。目前研究區土地利用類型以林地為主，約占流域面積的65.7%，耕地面積次之，約占流域面積的24.0%；此外還分布著一些處于不同恢復階段的草地和灌叢地。

2.2 土壤采樣與處理

本研究在重慶金佛山喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站虎頭村觀測點附近，選取鄰近的耕地、草地、灌叢和林地4 種典型的植被類型來進行土壤取樣。在每個植被類型的采樣區中，隨機設置4 個重復取樣樣方采用多點混合取樣法進行土壤取樣，每個取樣點分三層取樣，每層間隔10 cm，取樣深度為30 cm，取樣后回填恢復原狀，減少對樣地的破壞。同時，在每個采樣區中采用環刀法進行土壤容重的測定。將取好的土壤樣品寫好標簽帶回實驗室進行預處理，先沿自然結構的裂隙掰成小塊，去除礫石和殘留的根系，在自然狀態下風干。土壤樣品風干后分別過2 mm和0.25 mm的土壤篩后備用。

2.3 測定方法

2.3.1 土壤有機碳含量的測定

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法進行測定。

2.3.2 土壤有機碳儲量的計算

目前研究中常用的估算土壤有機碳儲量的方法是等體積法，即通過比較相同體積土壤內的有機碳儲量來比較管理措施對土壤碳庫動態的影響。本文采用等體積法計算各植被類型下每層土壤深度內土壤有機碳的儲量，然后通過加和的方法獲得研究區內0～30 cm土層有機碳的總儲量。該方法的計算公式如下：

(1)

式(1)中，S是土壤有機碳儲量(Mg C/hm2)；Ti為第i層的土壤厚度(cm)；BDi為第i層土壤容重(g/cm3)；Ei為第i層土壤有機碳含量(g/kg)；K為常數10-1；n為土壤的層數，本文中n=3。

2.3.3 土壤有機碳存儲潛力的計算

本文中土壤有機碳存儲潛力是指在某區域內特定土壤、氣候等環境條件不變的情況下，在未來一段時間內植被演替為有機碳儲量最大的植被類型時土壤有機碳固碳量的增加值。其計算公式如下：

SQi=Sm-Si

(2)

式(2)中：SQi為研究內第i種植被類型的土壤有機碳截獲潛力值；Sm為研究區內土壤有機碳儲量的最大值；Si為研究區內第i種植被類型的土壤有機碳儲量。

2.4 數據處理

運用SPSS 19.0 (SPSS 19.0 for windows,Chicago,IL,USA)進行數據統計分析，采用單因素方差分析(ANOVA)和LSD多重比較檢驗植被類型演替對土壤有機碳含量、儲量和潛力的影響，顯著性檢驗水平為0.05。采用Excel 2016進行作圖。

3 結果

3.1 不同植被類型下的土壤有機碳含量

不同植被類型下土壤有機碳含量的垂直分布特征如圖1所示。從圖1中可以看出，喀斯特槽谷區不同植被演替階段的土壤有機碳含量(0～30 cm)為9.12～12.37 g/kg。植被類型變化對土壤有機碳含量具有顯著性影響，各植被類型中林地的土壤有機碳含量最高，為12.37g/kg；耕地和灌叢次之，分別為12.32 g/kg和10.60 g/kg；草地中土壤有機碳含量最低，僅為9.12 g/kg。在表層0～10 cm土層中，林地下的土壤有機碳含量顯著高于其他植被類型(P<0.05)，而在10～20 cm和20～30 cm土層，耕地下的土壤有機碳含量顯著高于草地(P<0.05)，而與灌叢和林地下的土壤有機碳含量沒有顯著差異。

圖1 不同植被類型下土壤有機碳含量的垂直分布特征

在同一植被類型下，土壤不同土層深度下的土壤有機碳含量也具有顯著差異。研究區內4種植被類型0～10、10～20 和20～30 cm土層深度的土壤有機碳含量的平均值分別為15.86、10.18 和7.27 g/kg，即隨著土壤深度的增加，土壤有機碳含量呈顯著下降的趨勢。在耕地和草地兩種植被類型下，土壤有機碳含量在各土層中表現為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm；而在灌叢和林地兩種植被類下，0～10 cm土層土壤有機碳含量顯著高于10～20 和20～30 cm土層，但10～30 cm土層內的2個土層間土壤有機碳含量無顯著性差異。

3.2 不同植被類型下的土壤有機碳儲量

表1中給出了各植被類型下0～30 cm深度土壤有機碳的儲量。從表1中可以看出，研究區內耕地、草地、灌叢和林地0～30 cm土層深度土壤有機碳儲量分別為57.69、41.55、48.05和60.42 Mg C/hm2。各植被類型下，林地的土壤有機碳儲量最大，草地的土壤有機碳儲量最小。與土壤有機碳含量的垂直分布特征相同，在各土層土壤中，表層0～10 cm土層土壤有機碳含量最高，4種植被類型下土壤0～10 cm土層土壤有機碳儲量均顯著高于10～20 和20～30 cm土層；而10～20 和20～30 cm土層土壤有機碳儲量沒有顯著差異。

表1 不同植被類型下土壤有機碳儲量的分布特征 Mg C/hm2

不同植被類型對土壤有機碳儲量也具有顯著影響，且在不同土層深度內的影響有所不同。在0～10 cm土層深度，林地的土壤有機碳儲量最大，為32.41 Mg C/hm2，其顯著高于其他3 種植被類型。在10～20 和20～30 cm土層深度，耕地的土壤有機碳儲量均為最大，分別為19.60 和16.02 Mg C/hm2，其顯著高于草地，但與灌叢和林地下的土壤有機碳儲量沒有顯著差異。在20～30 cm土層，灌叢和林地下的土壤有機碳儲量顯著高于草地；但在10～20 cm土層，草地、灌叢和林地下的土壤有機碳儲量沒有顯著差異。

3.3 不同植被類型下的土壤固碳潛力

圖2給出了研究區內0～30 cm不同植被類型下土壤有機碳總的儲量值。從圖2中可以看出，林地的土壤有機碳儲量值最大，并且本研究區內植被類型演替的頂級群落也為林地。因此在本文中以林地穩定狀態時的土壤有機碳儲量(60.42 Mg C/hm2)做為研究區內土壤有機碳的飽和值，來估算其他植被類型下土壤有機碳的固碳潛力。通過比較可以發現，研究區內耕地、草地和灌叢3種植被類型與林地下的土壤有機碳儲量的差值分別為2.73、18.87和12.37 Mg C/hm2，也就是說，研究區內草地的固碳潛力最大，灌叢次之，而耕地的固碳潛力最小。

圖2 不同植被類型下土壤有機碳的總儲量

4 討論

4.1 植被演替對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳含量主要取決于植被每年的歸還率和分解速率，歸還量大、分解速率緩慢會導致土壤積累較多的有機碳[11]。隨著植被類型的變化，輸入土壤中的地上和地下生物量會發生變化，進而導致土壤有機碳的含量發生變化。本文中，0～30 cm土層土壤有機碳含量的平均值表現為林地(12.37 g/kg)>耕地(12.32 g/kg)>灌叢(10.60 g/kg)>草地(9.12 g/kg)，表明林地土壤的有機碳含量最高，而草地土壤的有機碳含量最低。這與戴慧等[12]對浙江天童地區栲樹群落的研究發現相似，他們也發現常綠闊葉林中土壤的有機碳含量高于其它植被類型土。在植被演替過程中，林地土壤枯枝落葉的輸入增加和土壤擾動的減少帶來了有機碳含量的增加[13]。與草地和灌叢相比，耕地內土壤有機碳含量較高，這主要是由于當地的農業管理措施決定的。研究區位于西南典型的喀斯特區，區內以山地為主，耕地面積較少，當地農戶每年會將大量的農家有機肥施入土壤中，從而提高了土壤中的有機碳含量。此外，研究區的耕地幾乎全部處于山地的下部，在雨季形成的坡面徑流也會將上部草地和灌叢等處的可溶性的有機碳帶到下部的耕地中，進而導致耕地土壤中有機碳含量的升高。

在土壤剖面上，各土壤有機碳含量均隨著土壤深度的增加呈顯著的下降趨勢，這與之前的許多研究結果相一致[14～16]，其原因主要是因為地上凋落物的分解效應增加了表層土壤有機碳的積累，同時根系分布較為發達的表層土壤也有利于有機碳的積累。在土壤剖面上，耕地、草地、灌叢和林地上層(0～10 cm)和下層(20～30 cm)土壤有機碳的差異分別為5.61、8.96、7.05、12.75 g/kg，表明耕地中土壤有機碳在垂直剖面上的變異最小。這主要是由于耕地的翻耕導致的，研究區內的耕地會經常的翻耕以此來改良土壤的理化性質，在翻耕后0～30 cm土層深度內的土壤會發生混合，從而導致0～30 cm土層內土壤有機碳含量的變異性變小。

4.2 植被演替對土壤碳儲量和固碳潛力的影響

耕地棄耕恢復植被后會導致地上和地下生物量的增加，從而增加輸入土壤中的有機物的量；此外，棄耕棄耕后人類活動對土壤的干擾也會減少。因此，學者們普遍認為耕地棄耕恢復植被后土壤有機碳儲量會顯著上升。本研究的結果表明：0～30 cm土層土壤有機碳儲量的大小順序也表現為林地(60.42 Mg C/hm2)>耕地(57.69 Mg C/hm2)>灌叢(48.05 Mg C/hm2)>草地(41.55 Mg C/hm2)。不難理解土壤有機碳儲量的這些變化趨勢與研究區內土壤有機碳含量變化趨勢一致，因為從公式(1)中可以知道土壤有機碳含量是決定土壤有機碳儲量的一個重要因素。在植被從草地轉變為灌叢再轉變為林地的過程中，土壤有機碳儲量呈顯著的上升趨勢，表明植被演替有助于喀斯特槽谷區土壤有機碳的截獲。與耕地相比，灌叢地和草地中的土壤有機碳儲量略低，這主要是由于耕地中大量農家肥的施入導致的。此外，坡面徑流中可溶性有機碳含量和富含土壤有機碳的表層土壤的遷移也是導致山體下部耕地中土壤有機碳儲量增高的一個重要原因[17]。

當環境條件穩定時，土壤在一定時間內的有機碳儲量是表征土壤固碳潛力的重要評價指標。在棄耕地的演替過程中，隨著演替的進行，生態系統生產力逐漸趨于成熟穩定，當生態演替達到頂級時，群落內的生物量也基本處于最大值，此時生態系統基本處于穩定狀態。因此隨著植被演替的進行土壤有機碳含量與儲量也會逐漸達到飽和點而趨于穩定。在本研究的區域內，森林生態系統是生態演替的頂級群落，4 種植被類型中，林地下土壤有機碳儲量也最大，為60.42 Mg C/hm2，因此可將林地作為本研究區域內土壤有機碳儲量的飽和值。根據不同植被類型下土壤有機碳儲量的現狀值，發現研究區內各植被類型下土壤有機碳固碳潛力大小順序為草地(18.87 Mg C/hm2)>灌叢(12.37 Mg C/hm2)>耕地(2.73 Mg C/hm2)，即草地土壤的固碳潛力最大，而耕地土壤的固碳潛力最小，這與其他研究中得出的結果基本相同[18]。

本研究采用的土壤剖面深度僅為0～30 cm，而已有研究表明，30 cm土層深度下的土壤也擁有巨大的碳儲量和存儲潛力，所以本研究中土壤有機碳儲量和存儲潛力的估計值要明顯小于研究區內實際的土壤有機碳儲量及存儲潛力，因此在未來研究中應加大深層土壤有機碳動態變化的研究。此外，本研究中估算的土壤有機碳固碳潛力，是在氣候、植物種類等影響因素不變的情況下進行的，但未來隨著環境等影響因素的變化，土壤的固碳潛力狀況也會受到影響，因此要想更準確地估算出該地區一段時間內土壤的固碳能力和潛力，還需要深入研究。

5 結論

(1)植被類型變化對土壤有機碳含量和有機碳儲量具有顯著影響，各植被類型下0～30 cm土層土壤有機碳含量的變化范圍為9.12～12.37 g/kg，而土壤有機碳儲量的變化范圍為41.55～60.42 Mg C/hm2。

(2)各植被類型下土壤有機碳含量與儲量具有相似的變化規律，其大小順序均表現為林地>耕地>灌叢>草地，表明隨著植被演替的進行，土壤有機碳含量與儲量具有顯著的上升趨勢。

(3)研究區0～30 cm土層深度內土壤有機碳的飽和碳儲量為60.42 Mg C/hm2。與林地相比，草地、灌叢和耕地的土壤有機碳固碳潛力分別為18.87、12.37 和2.73 Mg C/hm2，表明研究區內草地和灌叢具有較大的固碳潛力，即研究區內植被的恢復有助于土壤有機碳的截獲。