水土流失区植被恢复过程中土壤碳汇的形成机理

肖胜生，方少文，杨 洁，郑海金，陈晓安

(江西省水土保持科学研究所，江西南昌330029)

以全球气候变暖和大气中CO2浓度升高为主要特征的全球变化正改变着陆地生态系统的结构和功能，威胁着人类的生存与健康，因而受到世界各国政府、公众和科学界的普遍关注。预防和适应全球变化带来的各种影响，争取环境外交主动权等对土壤侵蚀与水土保持科学研究提出了新的要求，研究揭示区域性土壤侵蚀、水土保持与全球变化之间的关系，是水土保持科学的重要前沿领域之一。2008年在匈牙利召开的第15届国际土壤保持大会就是以“水土保持、气候变化和环境敏感性”为主题，会议强调了全球气候变化背景下环境敏感地区的水土保持与管理。

土壤是仅次于海洋和地质库的碳储库，全球土壤有机碳库约1 500 Pg(1 Pg=1015g)，分别是大气(750 Pg)和陆地生物(550～570 Pg)碳库的2～3倍[1]。由于土壤有机碳贮量巨大，所以其较小幅度的变化就可能影响到碳的排放，以温室效应影响全球气候变化[2]。同时，相对于植被生物量作为碳的临时库，土壤中累积形成的是一种更理想的稳定碳库，植被恢复对土壤有机碳蓄积的影响比对植被生物量碳库的影响更受到关注。

另一方面，土壤有机碳对周围的土壤环境也起着至关重要的作用，它能增加土壤肥力、改善土壤结构与蓄水性能。土壤有机碳含量作为土壤质量的指示剂以及生态系统的重要组成部分已被广泛接受。

1 植被恢复对土壤碳储量的影响

土壤有机碳的吸存和动态与土地利用活动紧密相关。在过去的几个世纪中，土地利用和植被变化改变了陆地面积的1/3～1/2，引起了土壤有机碳的显著变化。植被的恢复与演替过程实际上是植被和土壤相互影响和相互作用的过程。植被通过光合作用向土壤输送有机物质并从土壤中吸收养分，从而对土壤有机碳的周转和积累产生深刻影响;而土壤有机质转化和积累与植被恢复及群落生物多样性之间也存在反馈关系，是不同植物物种竞争代替和植物群落演替的重要驱动力。植被恢复的过程实质是通过植被-土壤复合生态系统间的相互作用来增加土壤有机物的输入，改善土壤结构，提高土壤的生态功能，达到改变区域生态环境的作用。

许多学者对植被恢复或土地利用方式变化过程中土壤碳库的变化进行了深入研究。当自然植被遭人为严重破坏时，会导致土壤有机碳的损失，而适当的管理和植被恢复可以使退化土壤重新吸存有机碳，成为缓和大气CO2浓度上升的有效手段之一。在植被恢复过程中，不仅可以通过植物凋落物分解和根系分泌物直接向土壤输入有机碳，同时还可以通过促进土壤团聚体的形成来固存有机碳，因为有机碳对土壤黏粒的分散-絮凝和大团聚体的稳定性有显著影响[3]。Lal[4]认为退化土壤损失碳的60%～75%能通过生态恢复重新固定，估计全球恢复退化土壤的碳吸存潜力为0.3～0.8 Pg/a。Post和Kwon[5]通过对大量文献数据的总结分析指出，退耕还林可使土壤有机碳含量大幅度提高，年平均固碳速率为33.8 g/m2，可持续50～100年。Zhou等[6]在中国华南的研究表明，即便是树龄大于400年的老龄林土壤(0—20 cm)仍具有较高的碳积累能力，达到每年610 kg/hm2;同时指出，对成熟林(包括人工林)土壤能够可持续积累有机碳的机理还需深入研究，主要是土壤有机碳不同来源的相对贡献及其生物化学稳定性以及不同去向的相对比例问题。

马祥华和焦菊英[7]对黄土高原的研究表明，随着植被的演替恢复，土壤有机质含量表现为先减小后增大的趋势。有机质含量减小时，地上植被参与了土壤有机质的消耗，从而提高了植被的丰富度;以后由于植被的凋落、腐解，土壤有机质含量提高，这样就形成植被与土壤的正向互动状态。

有学者进一步研究指出，植被恢复对土壤养分的影响有较强的表聚效应，其中对0—20 cm土层影响最大，对40 cm以下土层影响很小，土壤有机碳的恢复主要集中在表层[8];植被恢复也影响有机碳质量，表层土壤的轻组有机碳含量和比例高于底层土壤[9]，而轻组有机碳更易被微生物利用。

2 侵蚀逆境下土壤有机碳的损失

土壤侵蚀一般包括4个发展的过程:土壤颗粒的分散、土壤团聚体的破坏、泥沙的运移和再分布以及泥沙的沉积。在这4个过程中土壤侵蚀主要通过以下6个途径来影响土壤有机碳的动态[10]:①土壤团聚体崩解和破坏;②土壤表层有机碳随径流(或沙尘)迁移;③加速土壤有机质原地矿化(因为土壤水分和温度都发生了改变);④在泥沙搬运与再分布过程中土壤有机碳矿化;⑤在沉积区域和植物保护区的有机-无机复合体重新形成中发生团聚化固碳;⑥泥沙沉积区域如冲积平原、水库和海底等对碳的沉积深埋作用。其中，前4个过程会导致有机碳损失，部分释放到大气中;后2个过程则有利于有机碳积累。

研究表明，土壤侵蚀尤其是面蚀会优先运移有机碳，导致碳素在坡面泥沙中富集，其富集比最高能达到50%[11]。国内相关学者对黄土高原的研究表明，土壤流失所携带的大量黏粉粒是有机碳搬运的主要载体，最高可以达到95%[12];同时，侵蚀强度与泥沙中有机碳含量呈递减的对数关系，而与土壤有机碳流失程度呈明显线性关系[12]。

水力侵蚀首先在径流的作用下将可溶性的有机碳、比重较轻的植物残体和凋落物冲刷流失，其次将表土中的土壤颗粒剥蚀、搬运，造成富含有机碳的表层土壤大量流失，从而直接减少土壤中的碳储量;同时，表层土壤大量流失进一步导致表土与亚表土混合，促进了细土壤颗粒如粉粒和黏粒向下移动，表土与低有机碳含量的亚表层混合导致团聚体质量变差，渗透性减弱，从而增大了地表径流，进一步导致有机碳的损失，形成恶性循环。另外，土壤侵蚀还能加速土壤有机质的原地矿化。

有研究证明，在侵蚀逆境下土壤有机碳的损失较为严重。全球损失的土壤有机碳中大约有50%是水蚀、风蚀、冻融侵蚀与人为活动(加速侵蚀)共同作用的结果。Lal[13]研究发现，中国因侵蚀而损失的土壤每年达到5.5 Pg，伴随着约0.016 Pg土壤有机碳的流失，全球陆地生态系统每年因水蚀将有4.0～7.0 Pg的有机碳进入水体。

3 侵蚀逆境下影响土壤有机碳储量的关键因素及其对植被恢复的响应

一般来说，土壤有机碳库的最终含量是进入土壤的植物残体量及其在土壤微生物作用下分解损失量之间平衡的结果。但是对于存在水土流失的侵蚀型土壤来说，土壤碳素动态与土壤碳积累就必须考虑因坡面径流而损失的碳素。因此，在侵蚀逆境下，土壤有机碳含量是4种主要过程相互平衡的结果:凋落物分解与细根分解释放、土壤呼吸与侵蚀损失。其中，前面2种是系统向土壤输入有机碳的主要过程，后面2种则是土壤输出有机碳的主要过程。水土流失区植被恢复下土壤有机碳储量的变化情况是这4种关键过程相互平衡的最终结果。

植被凋落物是土壤有机碳的重要来源，自然植被净初级生产力的70%最终会通过地面凋落物的分解流向地下。在全球和区域尺度上，气候条件是凋落物分解的决定性因子;在局部范围内，凋落物自身的质量是影响凋落物分解的主要因素[14]。在凋落物质量因子中，C/N和木质素含量被认为是最重要的因子[15]。侵蚀劣地植被恢复后，地上地下生物量的增加必然使得凋落物增加，从而增加了向土壤输入有机碳的可能性。

细根(fine root)通常被定义为直径＜2 mm的根和菌根，具有较高的养分含量和净初级生产力。细根分解释放是土壤有机碳的另一个重要来源，是全球碳预算的重要组分，经细根进入土壤的有机质是地上凋落物的一至数倍。与地上凋落物分解后碳素向土壤矿质层输送不同，根系周转来的碳素可以直接进入土壤不同剖面层[16]。林木细根生物量与其所在的气候带、土壤类型、群落结构以及树龄等有关。植被恢复后，可通过增加土壤肥力、林地生产力和群落多样性等途径增大细根生物量。由于根埋藏于地下，土壤缓冲了气候条件的作用，细根的化学性质成为影响其分解速率的最主要因子[17]，对处于相同气候条件下的对比试验来说就更是如此。

一般情况下，土壤呼吸是土壤有机碳输出的主要形式。植被恢复过程中，土壤呼吸速率一般会有所增加[18]，因为土壤有机碳是土壤呼吸的重要基质，植被变化调控土壤呼吸速率的主要机制是通过调控供给土壤微生物所需的有机物质实现的[19]。最近对我国中亚热带山区进行的研究认为，区域尺度内植被恢复过程中植被生产力的增加是导致土壤呼吸速率升高的主导因素，突破了土壤呼吸“温度决定论”的传统观点[18]。土壤有机碳库组成的差异也会影响有机碳与土壤呼吸的关系，因为轻组有机碳、可溶性有机碳等活性有机碳更容易被微生物利用，而植被恢复一般会导致土壤活性有机碳含量增加[9]。另外，植被恢复也能通过改善土壤微生物群落的组成和结构、增强微生物活性来促进土壤呼吸作用，加强土壤碳素释放[20]。

侵蚀逆境下，坡面径流是土壤有机碳损失的重要途径。贾松伟等[12]认为，侵蚀强度与泥沙中有机碳含量呈递减的对数关系，而与土壤有机碳流失程度呈明显线性关系，随着植被覆盖度的增大和结构的改善，流失的土壤有机碳有所减少。另外，土壤可蚀性的大小与土壤的理化性质尤其是有机碳含量密切相关。如朱冰冰等[21]对黄土高原的研究表明，土壤可蚀性的强弱本质上取决于土壤有机碳含量，恢复植被以提高土壤有机质含量、促进土壤团聚体的形成、增强土壤团聚度，是降低土壤可蚀性的重要途径。

4 亟待解决的科学问题

通过上面的分析，我们认为在存在水土流失的情况下，植被恢复对土壤碳素积累的贡献会因土壤侵蚀而减弱。国际上相关研究也证明了这一点，如Jackson等[22]基于对全球2 700多个土壤剖面的分析，得到在较为湿润的地区，乔、灌木入侵引起的地上生物量增加有可能被土壤有机碳的流失所抵消;黄荣珍等[23]在我国南方红壤区的研究表明，由于侵蚀严重，修复为马尾松林和湿地松林后，0—80 cm土层的有机碳储量分别为49和83 t/hm2，比处于相同纬度的地带性植物群落的土壤有机碳储量都低(如我国亚热带常绿阔叶林、亚热带常绿针叶林、亚热带灌丛矮林的土壤有机碳储量分别达到124、95和95 t/hm2)，也低于一些学者估算的我国森林土壤的平均有机碳储量(116 t/hm2)以及世界土壤的平均有机碳储量(189 t/hm2)。对退化红壤来说，除了增加植被覆盖之外，通过改变微地形来减少径流损失也是增加碳吸存的重要方式，如具有竹节沟措施的人工林对土壤碳积累具有明显的促进作用。杨玉盛等[24]的研究也表明，在我国中亚热带山区退化土地进行植被恢复，土壤碳吸存潜力比同纬度其他地区要低，这主要与该区的降水和地貌条件有关，即该区山多坡陡，自然生态环境具有潜在的脆弱性，随坡面径流损失的碳素占有较大比例;同理，当森林转变为其他土地利用方式后，由于土壤侵蚀造成碳素损失以及经营措施对表层土壤的扰动引起土壤有机质的加速分解，土壤有机碳(尤其是表层土壤有机碳)损失的幅度会更大。

目前，国际上许多学者围绕不同植被恢复措施对包含有机碳含量在内的土壤质量的影响作了深入探讨，为指导水土流失区的植被恢复与生态重建实践起到了积极作用，但是相关研究主要偏重于土壤碳库储量[22]、组成[9]、垂直分布[25]及土壤呼吸[18-19]等方面的变化。南方红壤丘陵区作为我国水土流失比较严重的地区之一，相关研究也同样如此[9，23-24]。前面已经提到，在存在侵蚀的条件下，植被恢复主要是通过4个过程对最终的土壤碳素储量产生影响，但是目前的研究主要是单纯地对其中某一种或几种过程进行研究，而没有将这4个有关碳素动态的主要过程糅合在一起进行同步研究。因此，关于这4种主要过程的贡献及其比例还不是很清楚，植被恢复对侵蚀型土壤有机碳储量的影响机理还有待进一步研究。

在植被恢复过程中，随着植被覆盖度的提高，向土壤输入的碳素增加，但同时也增大了土壤呼吸所释放的碳素。植被改善使土壤中所含碳素增加，尽管水土流失程度得到改善，但是因侵蚀所损失的碳素的变化情况还不得而知，有可能增加，也有可能不变或减少。有研究表明，在侵蚀严重的地区，不能认为水土流失量越大，有机碳等一些不是由母质决定含量的元素流失量就越大，因为土壤侵蚀严重的地区一般都缺少植被覆盖，而缺乏植被覆盖的情况下土壤中碳素的基础含量也较低。同理，侵蚀劣地植被恢复后，向土壤中输入的碳素增多了，就相应地增大了碳素因侵蚀损失的可能性。因此，在侵蚀退化土壤植被恢复过程中，具体这4种关键过程对土壤有机碳含量的影响程度是怎样的情况还不得而知。零星的研究表明，在植被恢复的不同阶段，土壤侵蚀量与土壤有机碳含量呈负相关关系[26]，但目前大多数研究还是把侵蚀这一重要因素剥离开来，使得我们对存在水土流失的情况下植被恢复过程中土壤碳素动态及土壤碳库的吸存机理不能进行很好的解释。Huang等[26]指出，应该加强对中国实施的退耕还林与水土流失和荒漠化治理对土壤固碳能力及机理的深层次研究，因为相关研究对促进退化生态系统的可持续管理以及客观估算中国土壤固碳潜力与制定减排增汇策略尤为重要。

5 展望

南方红壤丘陵区是我国重要的农业、牧业和林业生产基地，该地区雨量充沛、热量丰富、生物地球化学循环旺盛。但由于受长期不合理的耕作活动影响，该地区水土流失严重，很多地方土壤退化形成理化性质和生物学性质极为低劣的裸地，造成大面积的“红色沙漠”。由侵蚀引起的土地生产力的急剧下降，已成为我国南方农业可持续发展的主要制约因子之一。

红壤区域治理自“七五”以来一直被列为国家重点科技攻关计划，基于植被重建的生态恢复作为治理红壤退化的主要技术途径在南方地区广泛推行。通过近几十年的努力，通过实行小流域综合治理、国家水土保持重点治理工程、退耕还林还草以及其他的水土保持生态恢复工作，南方红壤丘陵区大面积的水土流失地区恢复了植被，生态环境状况得到了很大的改善，如江西省森林覆盖率已由20世纪80年代初期的33%提高到了现在的60%以上。

因此，开展南方红壤水土流失地区水土保持植被恢复过程中土壤有机碳储量的变化及其机理的相关研究，对侵蚀劣地植被恢复过程中土壤碳汇形成机理和碳汇功能评价具有重要意义，也可以为退化生态系统的土壤肥力重建与生态恢复提供科学依据。

基于我国水土保持植被恢复措施广泛存在的现实，为了更好地满足国家环境外交谈判的需求以及深化全球变化研究的科学需求，同时也为了更好地改善侵蚀劣地土壤肥力状况，促进退化生态系统生态恢复，实现区域生态环境的可持续发展，开展侵蚀型土壤植被恢复过程中土壤有机碳不同来源的贡献以及不同去向的比例等问题的研究，对科学评价水土保持在应对全球气候变化中的作用、增强土壤碳汇的形成机理与功能的认识具有重要的科学意义，同时对加强土壤有机质管理、促进土壤肥力改善与生态系统的可持续发展也具有一定的现实意义。

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