張寶成，李世杰，白艷芬，郭 穎，向仰州*

(1.遵義師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 遵義 563002；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽 550003；3.遵義師范學(xué)院 公共管理學(xué)院，貴州 遵義 563002)

黔北喀斯特不同演替階段森林土壤的有機(jī)碳儲量

張寶成1，李世杰2，白艷芬3，郭 穎2，向仰州2*

(1.遵義師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 遵義 563002；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽 550003；3.遵義師范學(xué)院 公共管理學(xué)院，貴州 遵義 563002)

【目的】為喀斯特區(qū)域的生態(tài)政策和生態(tài)補(bǔ)償提供重要的科技支撐。【方法】采用空間代替時(shí)間的方法分析人工林和不同森林演替階段的土壤固碳能力?！窘Y(jié)果】與森林演替頂級階段相比，人工林土壤固碳潛力較大；與年齡相近的演替初期生態(tài)系統(tǒng)比較，人工林能夠快速地增加較深層(10～50 cm)土壤有機(jī)碳的含量；隨著森林年齡的增加，表層(0～10 cm)土壤有機(jī)碳呈增加趨勢，演替初級階段土壤中的有機(jī)碳占37.96 %，演替中期的占32.73 %，演替頂級的占31.02 %；人工林0～10 cm土層有機(jī)碳占26.26 %?！窘Y(jié)論】實(shí)施退耕還林進(jìn)行人工造林能夠較快地增加土壤有機(jī)碳的含量，而且能夠增加較深土層的有機(jī)碳的含量。

演替階段；土壤有機(jī)碳；森林；喀斯特；人工林

【研究意義】由于大量化石燃料的應(yīng)用，森林自然資源過渡利用，土地利用方式的頻繁轉(zhuǎn)變，造成大氣CO2濃度快速增加。CO2濃度由工業(yè)革命時(shí)的280 μl/L增加到目前的400 μl/L[1]。大氣CO2濃度增加導(dǎo)致氣候變暖，對生產(chǎn)生活產(chǎn)生了一系列的影響[2-3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】森林碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫，碳儲量為1146 Pg，是陸地碳庫的56 %[4]。森林的碳密度分別是草地和農(nóng)田系統(tǒng)的4和16倍[5]。全球碳庫中生物碳庫為560 Pg，土壤碳庫是2500 Pg(其中有機(jī)碳庫是1500 Pg)約是生物碳庫的4.5倍[6]。森林生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力隨著演替階段的變化呈先增加后降低趨勢[7]。通常認(rèn)為，老齡林由于無凈CO2吸收[8]。但森林群落處于不同年齡階段(演替)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化即植物組成發(fā)生變化，這改變土壤碳的輸入過程進(jìn)而影響到凋落物和根系的輸入，同時(shí)影響有機(jī)碳的驅(qū)動者微生物群落[9]等進(jìn)而改變土壤有機(jī)碳含量[10]。有研究表明，老齡林土壤仍是重要的碳匯[11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】遵義為喀斯特區(qū)域，隨著近年來退耕還林等措施的推廣，其森林土壤有機(jī)特征的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，采用空間演替序列代替時(shí)間的研究方法[9,12]，對遵義喀斯特地區(qū)退耕還林、演替初級階段、演替中期和演替頂級4種森林土壤有機(jī)碳進(jìn)行研究，以期為喀斯特區(qū)域的生態(tài)政策和生態(tài)補(bǔ)償提供重要的科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遵義處于貴州省北部，遵義年平均氣溫15.1 ℃，全市各地年降水量為1015.2～1223.7 mm。遵義地區(qū)為喀斯特地貌，面積為30762 km2，占貴州省總面積的17.46 %。人工林的植物群落為榿木-樺木-禾本草-蕨類，演替初期的群落組成為櫟類-莢迷-蕨類-草，演替中期的組成為櫟類-木姜子-杜鵑-禾本草，演替頂級的為亮葉水青岡-珙桐-金佛山云竹-草。

1.2 采樣地點(diǎn)

采樣地點(diǎn)遵義市道真縣上壩鄉(xiāng)(雙河、新田壩和八一村)和綏陽縣(巖坪村、杉木箐和寬闊水自然保護(hù)區(qū)中心管理站)。

1.3 土壤有機(jī)碳的測定

森林的演替階段以森林群落的外貌和優(yōu)勢種的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行劃分[9]，森林類型為人工林、演替初級階段、演替中級階段和演替頂級階段。在每個樣地平坦的區(qū)域設(shè)置樣方，在每個樣方移除凋落物然后進(jìn)行分層取樣，每個樣地采集3個樣品風(fēng)干并除去細(xì)根和植物殘?bào)w，樣品過2 mm篩用以分析土壤有機(jī)碳。

不同森林土壤通過挖土壤剖面的方法對其分層取樣。表層土壤(0～10 cm)用多樣點(diǎn)混合的方法降低土壤的空間異質(zhì)性；土壤分層參照標(biāo)準(zhǔn)按照0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm劃分[13]，取每層土樣進(jìn)行混合后，在室內(nèi)風(fēng)干，挑出其中的石礫和細(xì)根并進(jìn)行土壤有機(jī)碳分析測試；采用環(huán)刀法測土壤容重。土壤有機(jī)碳的測試采用重鉻酸鉀加熱分析法。

圖1 4種不同森林演替階段0～100 cm土壤有機(jī)碳密度Fig.1 Density of soil organic carbon in four forests succession stage from 10 cm to 100 cm

土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算公式如下[14]：

式中，Hi是i土壤的厚度(cm)，Bi是i層土壤的容重(g/cm3)，Oi是i層土壤的有機(jī)碳含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel和SPSS 17.0進(jìn)行處理，繪圖用Origin 8.0進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳的儲量

由圖1可知，演替頂級土壤有機(jī)碳密度最高，其次是演替中級階段，人工林土壤有機(jī)碳儲量高于演替初級階段而低于演替中級階段和演替頂級階段。演替頂級階段的土壤有機(jī)碳高達(dá)1841.18、1594.3、832.15和948.85 g/m2。

由圖2可知，4種生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量中0～10 cm含量最高。土壤有機(jī)碳含量均隨土壤深度的增加而呈降低趨勢。其中演替頂級、演替中級和演替初期在0～10 cm土層與10～20 cm土層之間的土壤有機(jī)碳含量變化差異顯著，0～10 cm土壤有機(jī)碳含量分別是10～20 cm的1.81、1.95和1.83倍，人工林0～10 cm層土壤有機(jī)碳含量與10～20 cm層比較接近。4種生態(tài)系統(tǒng)的10～20 cm與20～30 cm土層以及20～30 cm與30～50 cm土層的上層有機(jī)碳含量是其下層的1.03～1.51倍，土壤有機(jī)碳含量差異較小。但深層土壤30～50 cm與50～100 cm間有機(jī)碳的差異大，這2層中演替頂級階段上層是下層的3.03倍，演替階段中級階段上層是下層的2.5倍，演替初期上層是下層的1.26倍，人工林土壤有機(jī)碳的上層(30～50 cm)是下層(50～100 cm)的1.99倍。

圖2 4種森林不同土層的土壤有機(jī)碳儲量Fig.2 Organic carbon storage in different soil depth in four succession forests stage

土層(cm)Soildepth人工林Forestplantation演替初期Earlysuccession演替中期Middlesuccession演替頂級Climaxsuccession0～1019.77±0.82a26.64±12.94b54.92±42.78c78.67±8.65d10～2018.54±1.65a14.55±2.82a29.11±12.50b43.46±1.85c20～3015.65±1.24a9.61±0.85b28.15±10.96b36.04±1.44c30～5010.68±0.44a7.41±0.89a20.60±8.82b24.30±3.30c50～1005.36±0.82a5.90±0.78a8.03±0.21a8.24±1.87a

2.2 土層土壤有機(jī)碳的含量

由表1可知，4種系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量變化關(guān)系差異顯著。演替初期、演替中級和演替頂級土壤有機(jī)碳在0～50 cm差異顯著。0～10 cm演替頂級土壤有機(jī)碳是人工林、演替初期和演替中期的3.98、2.95和1.43倍；10～20 cm演替頂級土壤有機(jī)碳分別是人工林、演替初期和演替中期的2.34、2.99和1.49倍；20～30 cm演替頂級土壤有機(jī)碳分別是人工林、演替初期和演替中期的2.30、3.75和1.28倍；30～50 cm演替頂級土壤有機(jī)碳分別是人工林、演替初期和演替中期的2.28、3.28和1.18倍；50～100 cm演替頂級土壤有機(jī)碳與人工林、演替初期和演替中期的含量比較接近。

3 討 論

3.1 土壤層有機(jī)碳含量垂直分布差異大

土壤深層有機(jī)碳儲藏潛力很大。土壤有機(jī)碳含量受輸入生物量和分解等因素共同作用[3]。土壤微生物和酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤動物的影響土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化[10,15]。森林土壤有機(jī)碳的重要驅(qū)動力土壤動物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)組成[15]受到顯著的影響，另外一種重要的分解者微生物群落結(jié)構(gòu)細(xì)菌和真菌[9]、分解酶活性[10]，進(jìn)而影響到不同土壤層的有機(jī)碳。

土壤有機(jī)碳的輸入來源為植物根系表皮凋落物、根系分泌物以及表層淋溶的有機(jī)碳[16]。土壤孔隙是影響深層土壤有機(jī)碳的重要因子，有利于地表可溶性有機(jī)碳的淋溶，同時(shí)根系生理代謝促進(jìn)土壤有機(jī)碳的增加，由于植物根系的生物量呈倒金字塔形式，隨著時(shí)間的推移根系先作用土壤部分有機(jī)碳增加積累較大。因此，演替頂級的土壤有機(jī)碳垂直層差異最大，其次是演替中級。與不同演替階段的森林群落相比，人工林地下投入的死亡根系數(shù)量少，轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳需要較長的時(shí)間，因此在時(shí)間相差較小的情況下，人工林有機(jī)碳含量的差異比演替初級的差異大。

3.2 不同演替階段土壤有機(jī)碳含量差異明顯

不同演替階段森林生態(tài)系統(tǒng)土壤不同層有機(jī)碳含量有明顯差別，主要是森林處于不同演替階段，改變了地表層的覆蓋進(jìn)而影響到林冠層土壤的溫度和濕度[17]。不同演替階段由于地表凋落物層厚度蓄水能力的差異[18]調(diào)控到不同土壤層的溫度和濕度[17]，降水是影響濕度的重要因子，研究區(qū)的降水量較高，為1015.2～1223.7 mm，在降水的作用下把地表腐殖質(zhì)及上層經(jīng)過微生物和土壤動物分解的可溶性有機(jī)碳和小顆粒碳通過淋溶等作用分布在不同的土層進(jìn)而影響到不同土層土壤有機(jī)碳的含量。這可能是造成不同演替階段土壤有機(jī)碳變化的重要因素。溫度和濕度微環(huán)境的變化影響到植物物種組成，改變了植物功能群。

不同演替階段，植物群落組成、不同生活型功能群、凋落物和腐殖質(zhì)差異很大，如松針質(zhì)比較粗硬富含蠟質(zhì)，而闊葉樹相對比較容易分解[12]。演替階段差異由于植物群落組成改變了植物功能組造成的凋落物品質(zhì)差異[12]。植物功能組變化改變了凋落物層的數(shù)量和品質(zhì)，影響到土壤有機(jī)碳驅(qū)動力變化。如溫度和降水變化增加了分解者土壤動物的數(shù)量[19]，溫度影響到分解者微生物的碳代謝和微生物的活性[20]。

生態(tài)系統(tǒng)演替高級階段表層土壤有機(jī)碳的含量比較高。這可能是在演替高級階段森林地表的枯枝落含量比較高，增加了土壤有機(jī)碳輸入，促進(jìn)了表層土壤有機(jī)碳的含量，因此不同演替階段土壤有機(jī)碳變化明顯。土壤有機(jī)碳主要來自根系分泌物和根部凋落死亡，地表的輸入較小，造成垂直差異較小。人工林與年齡比較相近的演替初級森林相比，主要是0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量，而較深層10～50 cm土層土壤有機(jī)碳反而比自然生態(tài)系統(tǒng)碳儲量高，可能是由于人工林通常選擇生長迅速的林木，根系比較發(fā)達(dá)。從土壤有機(jī)碳的角度考慮，這意味著推廣應(yīng)用退耕還林工程能夠在較短時(shí)間內(nèi)增加土壤有機(jī)碳。土壤有機(jī)碳常受土壤礦物的包裹，比較穩(wěn)定，因此土壤有機(jī)碳的含量備受關(guān)注。人工林能夠促進(jìn)土壤較深層(gt;10 cm)有機(jī)碳儲量快速增加。由此可見，在貴州喀斯特區(qū)域?qū)嵤┩烁€林工程是一項(xiàng)重要的增加碳匯措施，由于人工造林加快森林演替進(jìn)程[12]。綜上所述，不同演替階段土壤微環(huán)境溫度和濕度的變化[10]和凋落物的品質(zhì)差異，影響到分解驅(qū)動者土壤動物和微生物的數(shù)量和活性從而影響土壤有機(jī)碳的輸入，進(jìn)而影響不同演替階段土壤層有機(jī)碳。

3.3 土壤有機(jī)碳與其他區(qū)域差異

本研究的人工林的土壤有機(jī)碳含量(19.77 g/kg)高于福建人工杉木林(14.54 g/kg)[21]。森林演替頂級/晚期土壤有機(jī)碳含量差異較大，本研究中土壤有機(jī)碳含量最高(78.67 g/kg)，其次是東北的闊葉紅松林(73.34 g/kg)和楊樺成熟林(70.32 g/kg)[9]，約是黃土高原側(cè)柏林和油松林的1.87～2.29倍[22]，這可能與森林樹種類型和氣候區(qū)域有關(guān)。演替中級/中期也出現(xiàn)類似規(guī)律，表明在研究退耕還林對土壤有機(jī)碳的影響要充分考慮到還林的樹種類型，以及區(qū)域氣候特征進(jìn)行綜合評估。森林的演替一定程度上反映出森林的年齡，森林年齡是影響土壤有機(jī)碳含量的重要因子。隨著人口增加和土地資源減少，人類在資源利用需求和生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境效益需要結(jié)合不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)碳能力、水土保持能力、凈化空氣能力等多因素進(jìn)行權(quán)衡綜合評價(jià)。

4 結(jié) 論

(1)與自然演替高級階段相比，退耕還林工程對增加土壤有機(jī)碳仍有很大的發(fā)展空間。

(2)演替頂級階段土壤有機(jī)碳的垂直分布比較明顯。

(3)與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，實(shí)施退耕還林進(jìn)行人工造林能夠較快的增加土壤有機(jī)碳含量；而且能夠增加較深土層的有機(jī)碳，說明人工造林是一項(xiàng)重要的減緩大氣溫室氣體措施。

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(責(zé)任編輯 劉忠麗)

OrganicCarbonStorageofForestSoilinDifferentSuccessionStagesofKarstinNorthernGuizhou

ZHANG Bao-cheng1, LI Shi-jie2, BAI Yan-fen3, GUO Ying2, XIANG Yang-zhou2*

(1.College of Life Science, Zunyi Normal University, Guizhou Zunyi 563002,China; 2.Guizhou Institute of Forestry Inventory and Planning, Guizhou Guiyang 550003,China； 3.School of Public Policy and Management, Zunyi Normal College， Guizhou Zunyi 563002, China)

【Objective】This study aimed to provide an important scientific support for ecological policies and compensation of karst region. 【Method】A method of using spatial succession sequences instead of time was adopted in this study. 【Result】Compared with the maxiumum stage of forest succession, the potential of soil carbon sequestration in plantation is great. Compared with the early successional ecosystem, plantation can rapidly increase soil organic carbon content in soil deeper from 10 cm to 50 cm. In the initial stage of succession, organic carbon accounted for 37.96 % in surface soil, 32.73 %, and in middle succession stage, 31.02 % in succession climax and 26.26 % in plantation forest.【Conclusion】A method of conversion of cropland to forest and artificial afforestation can increase the amount of organic carbon, especially the deep soil.

Succession stages; Soil organic carbon; Forest; Karst; Forest plantation

S718.51+6

A

1001-4829(2017)11-2548-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.027

2017-05-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31660106)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05000000)；貴州省教育廳項(xiàng)目[黔教合KY字(2014)260];遵義師范學(xué)院博士啟動基金項(xiàng)目[遵師BS(2014)06和BS(2014)07]；貴州省千層次創(chuàng)新型人才[遵市科合人才(2016)4]

張寶成(1978-)，男，博士，陜西南鄭人，從事生態(tài)功能研究,E-mail:woshimiantian@126.com，*為通訊作者：向仰州，E-mail:yzhxiang18@126.com。