胡會峰，劉國華

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085;2.School of Agricultural，F(xiàn)orest，and Environmental Sciences，Clemson University，Clemson 29634，USA)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，全球約有1500 Pg C(0—100 cm內(nèi);1 Pg=1015g)以有機(jī)質(zhì)形式存在于土壤中，其貯量大約是陸地植被碳貯量(500—600 Pg C)的3倍、大氣碳貯量(750 Pg C)的2倍［1-4］，因此土壤有機(jī)碳庫的微小變化，都會對全球碳循環(huán)和碳平衡產(chǎn)生重要影響［5-7］。植被恢復(fù)，特別是造林、再造林，增加了陸地森林生態(tài)系統(tǒng)的碳貯存和“碳匯”功能，有效調(diào)節(jié)了陸地與大氣之間的碳交換，減少了人為源CO2和其他溫室氣體的排放，已被公認(rèn)為是一種減緩全球氣候變化的有效手段［8-11］。此外，通過枯枝落葉腐質(zhì)化和礦質(zhì)化過程及根系與土壤的生理生化作用，森林恢復(fù)還可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)以及土壤養(yǎng)分，而改善后的土壤結(jié)構(gòu)，一方面可以提高土壤保存肥力、固定養(yǎng)分、涵養(yǎng)水分的功能，促進(jìn)植物的健康成長，從而達(dá)到改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境、遏制生態(tài)退化的目的，而另一方面可以增強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)的“碳匯”功能［12-14］。本文目的就是通過研究岷江上游人工油松林恢復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)及土壤有機(jī)碳含量的變化特征，一方面為我們理解植被恢復(fù)過程中植物與土壤的相互作用機(jī)理，指導(dǎo)退化生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和重建提供理論支持，另一方面也為評估區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的“碳匯”功能提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

野外研究位于岷江上游大溝流域——中國科學(xué)院茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(31°42'N，103°54'E，海拔1826 m)站區(qū)。該區(qū)氣候類型屬山地溫帶氣候，年日照時(shí)數(shù)1378.8 h，年日照百分率31%;年均溫9.3℃，極端最高氣溫30.9℃，極端最低氣溫－13.5℃，最冷月1月份平均氣溫－0.9℃，最熱月7月份平均氣溫18.6℃，≥10℃年有效積溫954.1℃，無霜期215 d;年降雨量825.2 mm，年蒸發(fā)量968.7 mm，年均相對濕度81.1%［15-16］。該地段土壤為淋溶褐土至棕壤性土，母巖多變質(zhì)巖，母質(zhì)為千枚巖殘坡積物，高階上為第四紀(jì)黃土狀物質(zhì)［17］。由于長期森林砍伐以及人為破壞，該流域森林資源銳減，大部分原始森林退化成次生灌叢、坡地和荒坡，加之干旱河谷生態(tài)環(huán)境極端脆弱，使環(huán)境退化程度不斷加重，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，是四川省水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展［17-18］。為有效遏止當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境退化，盡快恢復(fù)和重建退化植被，自20世紀(jì)60年代以來，該流域一直通過人工造林來加速恢復(fù)當(dāng)?shù)刂脖唬乐苇h(huán)境退化，目前森林植被中有60年代至90年代等不同年代所造的油松林(Pinus tabulaeformis;PF)、云杉林(Picea asperata)以及自然恢復(fù)的油松-遼東櫟(Quercus wutaishanica)針闊混交林和次生灌叢等，植被長勢良好。

1.2 樣地設(shè)置

采用時(shí)間序列方法，以空間代替時(shí)間，在茂縣生態(tài)站附近主要人工造林區(qū)域，分別選擇4個不同恢復(fù)時(shí)期的人工油松林樣地(PT12(12a)、PT18(18a)、PT25(25a)、PT35(35a))作為恢復(fù)系列的研究對象。其中，人工油松林的林齡采用年輪鉆鉆樹的方法確定:在每個樣地內(nèi)選擇一個10 m×10 m的大樣方，在其中選擇10棵標(biāo)準(zhǔn)木，用年輪鉆在其胸徑處鉆取木芯，通過數(shù)年輪的方法確定每棵樹的林齡，最后取平均來確定整個樣地的恢復(fù)時(shí)期;其余調(diào)查內(nèi)容包括:地理位置、海拔、坡度、坡向、坡位;同時(shí)調(diào)查了每棵樹的胸徑、冠幅、枝下高、樹高等基本特征(表1)。林下主要灌木物種有峨嵋薔薇(Rosa omeiensis)，虎榛子(Qstryopsis davidiana)，美麗胡枝子(Lespedeza formosa)等;主要草本物種有絲葉苔草(Carex capilliformis)，毛果堇菜(Viola collina)等。

1.3 土壤樣品采集和分析

在10 m×10 m的大樣方內(nèi)隨機(jī)選取2個取樣點(diǎn)，采用分層多點(diǎn)混合取土樣方法進(jìn)行。在每個取樣點(diǎn)以0—15 cm，15—30 cm，30—50 cm為土層間隔，用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)取樣，然后將環(huán)刀內(nèi)土壤在105℃ (至少24 h)的高溫下烘干至恒重，稱量并計(jì)算土壤含水率和土壤容重。同時(shí)相應(yīng)地在各個土層取一些土壤，自然風(fēng)干，用2 mm直徑的篩子過篩，揀去石塊、草根等雜質(zhì)，同時(shí)稱量大于2 mm的砂礫的質(zhì)量，進(jìn)一步揀去過篩土壤中的雜質(zhì)(主要是草根、動物的排泄物)后，將來自同一樣方同一土層的土樣混均，用四分法取樣，一部分用于土壤物理指標(biāo)的測定，一部分用土壤粉碎機(jī)(S100，Retsch Co.，Germany)將土壤研細(xì)，備化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析所用。

表1 人工油松林樣地基本情況Table 1 Plot characteristics of Pinus tabulaeformis plantations

土壤理化性質(zhì)按照中國土壤學(xué)會編寫的土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法進(jìn)行［19］，土壤容重和土壤孔隙度采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)取樣分析法(假定土壤比重為2.65 g/cm3)測定;土壤pH值用室內(nèi)用土壤pH計(jì)(Delta320)(1∶2.5的土水質(zhì)量比)測定;土壤質(zhì)地和土壤比表面積采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，Malvern Instruments Co.，UK)測定;土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀油浴外加熱法測定［20］;土壤有機(jī)碳含量(kg/m2)采用分層法計(jì)算［21］，公式如下:

式中，SOC為土壤有機(jī)碳含量(kg/m2)，n為土壤剖面的層數(shù)，Di為土壤第i層的厚度(cm)，ρi為第i層的土壤容重(g/cm3)，Ci為第i層土壤中直徑大于2 mm的砂礫含量(%)，OCi為第i層土壤有機(jī)碳濃度(g/kg)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

相關(guān)分析以及單因素方差分析(Analysis of variance;ANOVA)在SAS 9.1(SAS Institute Inc.，USA)中完成，顯著性檢驗(yàn)采用Fisher's LSD(P＜0.05)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

由表2可見，對不同恢復(fù)階段0—15 cm土壤層而言，所測定的土壤理化指標(biāo)都存在顯著差異，其中土壤比表面積和土壤粘粒含量沿恢復(fù)梯度逐漸增加，PT12土壤比表面積顯著小于PT18，PT25和PT35，PT12和PT18土壤粘粒含量顯著小于PT25和PT35。與PT12相比，PT35顯著增加了土壤砂粒和有機(jī)質(zhì)含量，顯著降低了土壤粉粒含量和pH值;對不同恢復(fù)階段15—30 cm土壤層而言，所測定的土壤理化指標(biāo)除土壤砂粒含量外，都存在顯著差異，其中土壤比表面積和土壤粘粒含量依舊沿恢復(fù)梯度逐漸增加，PT12土壤比表面積顯著小于PT35，PT12和PT18土壤粘粒含量顯著小于PT25和PT35，并且PT25土壤粘粒含量也顯著小于PT35。與PT12相比，PT35顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，顯著降低了土壤粉粒含量和pH值;對不同恢復(fù)階段30—50 cm土壤層而言，所測定的土壤理化指標(biāo)除土壤容重，土壤孔隙度外，其它指標(biāo)依然存在顯著差異，其中土壤比表面積和土壤粘粒含量依舊沿恢復(fù)梯度逐漸增加，PT12和PT18土壤比表面積顯著小于PT35，PT12和PT18土壤粘粒含量顯著小于PT25和PT35，并且PT25土壤粘粒含量也顯著小于PT35。與PT12相比，PT35顯著增加了土壤砂粒和有機(jī)質(zhì)含量，顯著降低了土壤粉粒含量和pH值。

土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析表明(表3)，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤粘粒，土壤比表面積顯著正相關(guān)，與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)。在所測定的土壤物理指標(biāo)中，土壤比表面積與土壤粘粒顯著正相關(guān)，與土壤粉粒顯著負(fù)相關(guān);土壤粘粒與土壤粉粒顯著負(fù)相關(guān)，與土壤砂粒顯著正相關(guān);土壤粉粒則與土壤砂粒顯著負(fù)相關(guān)。

表2 人工油松林恢復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)的變化Table 2 Dynamics of soil physic-chemical properties along the restoration chronosequence in Pinus tabulaeformis plantations

表3 人工油松林土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis with soil physic-chemical properties in Pinus tabulaeformis plantations

2.2 土壤有機(jī)碳含量

從圖1可以看出，沿恢復(fù)梯度，0—50 cm的土壤有機(jī)碳含量呈顯著增加趨勢，從PF12的5.59 kg/m2顯著增加到 PF18 的5.91 kg/m2(6%)，PF25 的8.40 kg/m2(50%)，及 PF35 的12.64 kg/m2(126%)，平均每年增加0.31 kg/m2。此外土壤有機(jī)碳在恢復(fù)過程中表現(xiàn)出加速增加的趨勢，從最初的平均每年增加0.05 kg/m2(PF12—PF18)，提高到中期的 0.36 kg/m2(PF18—PF25)，以及后期的 0.42 kg/m2(PF25—PF35)。

3 結(jié)論與討論

3.1 植被恢復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)的變化趨勢

土壤結(jié)構(gòu)的改善以及土壤肥力的提高，是植被恢復(fù)的一個重要目標(biāo)［13-14］。森林群落演替與土壤演化之間存在相互影響、相互作用的關(guān)系。植被通過根系分泌物和殘?bào)w向土壤提供C、N，影響土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，從而顯著影響土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)［22-23］。通過研究植被恢復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，認(rèn)識植被對土壤肥力、土壤質(zhì)量的作用，揭示植被恢復(fù)過程中土壤肥力的演化機(jī)制，可以為森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理和利用提供理論依據(jù)［24］。研究結(jié)果表明土壤理化性質(zhì)隨著植被的恢復(fù)呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，其中土壤比表面積和土壤粘粒含量表現(xiàn)最為明顯。沿恢復(fù)梯度，在不同的土壤層中，土壤比表面積和土壤粘粒含量都呈現(xiàn)顯著逐漸增加的趨勢，只是顯著性在不同土壤層有所不同而已。此外，與恢復(fù)初期相比，恢復(fù)后期土壤粉粒含量和土壤pH值都有顯著降低，而土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著提高，表明恢復(fù)過程中土壤肥力的持續(xù)改善。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)，一般有機(jī)質(zhì)含量越高，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越多，土壤單粒排列疏松，孔隙度越大，通氣性能越好，土壤容重越低［25］。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤粘粒含量呈顯著正相關(guān)，主要是因?yàn)橥寥兰?xì)顆粒的增多有助于土壤養(yǎng)分的積累［23，26］。土壤比表面積反映土壤固定和吸附營養(yǎng)元素的能力，單位質(zhì)量的面積越大，土壤吸附養(yǎng)分的能力越強(qiáng)，土壤肥力也越高，所以兩者之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。而土壤細(xì)顆粒的多少，也直接反映了單位質(zhì)量土壤表面積的多少，相關(guān)分析也證明土壤比表面積顯著正相關(guān)與土壤粘粒含量，卻顯著負(fù)相關(guān)與土壤粉粒含量。此外劉占鋒等在同一地區(qū)的研究還發(fā)現(xiàn)隨著植被的恢復(fù)，土壤全氮，全磷以及土壤微生物生物量C、N也都有不同程度的增加［23］。游秀花對武夷山不同林齡的馬尾松天然演替林的研究同樣發(fā)現(xiàn):隨著馬尾松天然林群落的進(jìn)展演替，土壤物理性狀得到改善，土壤容重減小，土壤的滲透性、自動調(diào)節(jié)能力、水源涵養(yǎng)功能等能力得到提高，土壤有機(jī)質(zhì)、全N、速效K等土壤養(yǎng)分指標(biāo)遞增［24］。其他類似的研究也表明人工林可以恢復(fù)退化土壤的性狀和維持土壤肥力［27-29］。

圖1 不同恢復(fù)階段人工油松林0—50cm土壤有機(jī)碳含量Fig.1 0—50 cm Soilorganic carbon contentof Pinus tabulaeformis plantations along the restoration chronosequence*

3.2 植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢

植被恢復(fù)，除了有效減緩地區(qū)的生態(tài)惡化，改善地區(qū)環(huán)境外，另一方面利用植物的光合作用和土壤有機(jī)碳的蓄積固定了大氣中的CO2，有助于緩解全球的溫室效應(yīng)［6，10，30-33］。在本研究中，采用時(shí)間序列方法探討了岷江上游人工油松林恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。結(jié)果表明0—50cm土壤有機(jī)碳含量沿恢復(fù)梯度呈顯著逐漸遞增的趨勢，平均年際固碳速率達(dá)到0.31 kg/m2。國內(nèi)外類似的許多研究結(jié)果也證實(shí)了這種增長的存在［6，10，32，34-35］。例如，Zerva 等發(fā)現(xiàn)新英格蘭 12、20、30a 硬木云杉人工林下土壤有機(jī)碳含量分別是 14.、18.1、24.9 kg/m2，平均年際固碳速率為 0.57 kg/m2［35］。

土壤固碳速率受氣候、耕作歷史、土壤母質(zhì)、栽種樹種、恢復(fù)時(shí)間、取樣深度等諸多因素的影響［8，10，32，36］。目前全球次生林和人工林的土壤平均年際固碳速率是33.8 g/m2［32］和30 g/m2［8］。研究結(jié)果要明顯高于全球的平均值，但與熱帶、亞熱帶某些地區(qū)次生林和人工林的土壤固碳速率相當(dāng)。Lugo和Sanchez研究發(fā)現(xiàn)，熱帶波多黎各地區(qū)棄耕100—300a的次生林的土壤固碳速率高達(dá)0.08—0.40 kg/m2［37］;Brown和Lugo也發(fā)現(xiàn)，棄耕50a的亞熱帶桃心木人工林50 cm內(nèi)土壤的固碳速率為0.31 kg/m2［38］。如此高的土壤固碳速率，是與該區(qū)域土壤最初的肥力有關(guān)，土壤越貧瘠，植被恢復(fù)后土壤固碳速率越大［8］。岷江上游以前由于生態(tài)系統(tǒng)退化、水土流失嚴(yán)重，土壤非常貧瘠，因此一旦有植被覆蓋后，土壤肥力就會迅速回升，因此固碳速率較高。許多研究表明土壤固碳速率會隨著恢復(fù)時(shí)間的推移迅速下降［8，33，38-40］。例如，Silver等通過分析文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)在熱帶退耕農(nóng)田和牧場上造林后，0—25 cm土壤100a內(nèi)的平均年際固碳速率為41 g/m2，但是前20a內(nèi)的平均年際固碳速率則高達(dá)130 g/m2［40］。土壤有機(jī)碳固碳速率在本研究尺度內(nèi)，并沒有隨著恢復(fù)時(shí)間的推移迅速下降，反而表現(xiàn)出加速增加的趨勢，從最初的平均每年增加0.05 kg/m2，提高到中期的0.36 kg/m2，以致后期的0.42 kg/m2。一方面表明土壤結(jié)構(gòu)的改善，可以加速土壤有機(jī)碳的累積，另一方面也說明了岷江上游人工油松林在植被恢復(fù)35a之后土壤還具有很大的固碳潛力。

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