岩溶峡谷区不同退耕还林地土壤有机碳库差异分析

唐夫凯，崔明†，周金星，闫帅，丁访军，吕相海

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所，100091，北京;2.贵州省林业科学研究院，550005，贵阳;3.中国国际工程咨询公司，100048，北京)

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，土壤中的碳库构成了陆地生态系统碳库中最大的碳库［1］。作为大气中CO2的源与汇，土壤对全球碳收支平衡起重要的影响作用［2］。土壤有机碳是反映土壤质量和土壤缓冲能力的重要指标，它不仅在调节土壤理化性质、改善土壤结构和提供植物生长所需养分等方面有重要作用，还对全球变化与温室效应起重要的调控作用［3-4］。对于如何科学定量评价土壤有机碳库的问题，目前学者多采用土壤碳库管理指数［5］(carbon pool management index，ICM)来对土壤碳库的综合管理水平进行评价。

岩溶生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，我国岩溶区面积344 万km2，石漠化面积12 万km2，是我国典型的生态脆弱区。土壤有机碳的积累构成了岩溶系统中最大的碳库［6］。岩溶系统中碳的转移过程受到土壤碳的支配和控制，土壤碳成为驱动和制约表层岩溶系统碳转移的动力［7］。岩溶区在土地利用和管理过程中，常因干扰了土壤有机碳固存的基础而加速了土壤碳库的活动。为加快石漠化治理工作，岩溶地区开展了大规模的退耕还林(草)工程，土壤有机碳作为土壤结构保持、养分循环供应及影响土壤微环境的核心物质，对退耕还林的生态效应产生着直接影响［8］;因此，了解岩溶区土壤有机碳库的数量、质量及其周转变化特征对认识退耕还林生态效应及其效果评价具有重要意义。目前对岩溶区土壤有机碳储量及其影响的研究，多集中于岩溶峰丛洼地［6，9-10］和峰林平原［11-12］，而岩溶高原峡谷区土壤有机碳的研究未见报道。笔者以花江峡谷地区耕地、退耕撂荒地及4 种不同退耕还林土壤为研究对象，通过分析土壤有机碳质量分数和碳库管理指数的变化特征来研究生态恢复过程中土壤的固碳机制及其对土壤经营管理的响应［13-14］，以期为评价岩溶区退耕促进生态恢复效果、土壤质量提高及选择增加土壤碳汇的生态碳库管理技术提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省关岭县北盘江花江河段峡谷的北岸，海拔500 ～1 200 m，相对高差700 m，属于典型的喀斯特高原峡谷区;区内岩溶分布面积比例高达88.07%，石漠化现象极为严重，是贵州省典型的生态脆弱区。气候类型主要为中亚热带季风湿润气候、光热资源丰富，年均温18 ℃左右，全年降水量823 mm，季节分配极为不均，冬春旱及伏旱严重。研究区内土壤以石灰岩和大理岩发育的石灰土为主，表现为瘠薄、干旱、黏度大的特性。1997 年全区森林覆盖面积不足5%［15］，该区属珠江流域的上游，20 世纪90 年代开始实施“珠防工程”、退耕还林(草)工程，2003 年基本完成。经过多年的植被恢复和水土流失综合治理，水土流失得到有效遏制，植被覆盖率大幅提高，生态环境得到明显改善。

2 研究方法

2.1 样地选择与样品采集

2012 年6 月，在研究区内选择耕地(CT)、退耕撂荒地(AF)和耕地退耕后种植车桑子(Dodonaea viscosa，DV)、花椒(Zanthoxylum scandens，ZA)、椿树(Toona sinensis，TS)及油桐(Vernicia fordii，VF)等6种不同土地利用类型，样地的选择考虑了营造和管理方法一致、土壤与成土类型基本相同和坡向坡位相近等因素，基本特征见表1。每种类型各设置3个大小为20 m×20 m 的标准样地，土样采集方法为五点取样法，用土钻取0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm共3 层土样，共计91 个采样点，273 份土样。此外，用环刀法采集各层的原状土用来测量土壤密度。

表1 样地基本特征Tab.1 Description of sample plots

2.2 样品分析与数据处理

土样采回后，手选去除土壤中的根系等杂物，土样经自然风干、磨细过100 目土壤筛。土壤总有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，活性化有机碳的测定采用高锰酸钾氧化-稀释热法［16］。

土壤有机碳密度是指单位面积一定厚度的土层中有机碳的质量，是评价和衡量土壤有机碳储量的重要指标［17］。某一土层i 的土壤有机碳密度计算公式［18-19］为

式中:DSOC为土壤有机碳密度，kg/m2;Ci为土壤有机碳质量分数，g/kg;Bi为土壤密度，g/cm3;Hi为土壤深度，m;Gi为第i 层＞2 mm 砾石体积分数，%。

碳库管理指数ICM是表征土壤碳库变化的指标，能系统和敏感地监测土壤有机碳的变化，较为全面和动态地反映外界条件变化对土壤碳库的影响［20］。计算时以耕地土壤作为参考土壤，具体方法［21］为:

式中:ICM为碳库管理指数;ICP为碳库指数;IA为碳库活度指数;A 为碳库活度;x1为样品全碳质量分数，g/kg;x2为参考土壤全碳质量分数，g/kg;x 为样品碳库活度;x4为参考土壤碳库活度;x5为活性有机碳质量分数，g/kg;x6为非活性有机碳质量分数，g/kg。

土壤活性有机碳比率RL/T为活性有机碳与总有机碳含量的比值，用来指示土壤有机碳活性强度。

用Excel 软件进行试验数据统计分析和图表制作，方差分析采用SPSS18.0 统计软件进行。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳质量分数

3.1.1 表层土壤有机碳质量分数 不同退耕还林地表层有机碳质量分数差异显著，椿树林有机碳质量分数最高(34.07 g/kg)，分别是撂荒地、车桑子地和花椒地的1.40、1.35 和2.05 倍，是耕地的2.62倍。研究区6 种土地利用方式表层有机碳平均质量分数为23.97 g/kg，变异系数为34.00%，属于中等程度变异(表2)。花椒、椿树和油桐样地有机碳质量分数属于弱变异，其他3 类样地变异程度稍高，且以车桑子地变异程度最高(27.68%)。

表层土壤活性有机碳质量分数表现为椿树林＞油桐林＞撂荒地＞车桑子地＞花椒地＞耕地。除花椒地外，其他5 种退耕还林地均与耕地达到显著差异水平(P ＜0.05)，椿树林和油桐林、车桑子地和撂荒地、耕地和花椒地组内差异不显著(P ＞0.05)，组间差异显著(P ＜0.05)。

表2 不同退耕还林地表层土壤有机碳、活性有机碳质量分数和土壤活性有机碳比率Tab.2 TOC，LOC and LOC/TOC ratio of different forestlands returned from farmlands in 0-20 cm layer

3.1.2 土壤剖面有机碳分布特征 土壤剖面有机碳质量分数的变化主要取决于地表植被状况、有机物输入量、输入方式以及土壤淋溶状况等因素［22］。土壤有机碳的含量随土壤深度的增加而降低，表层土壤中总有机碳占总剖面的37.15%～45.75%，平均为40.74%，表现出较为明显的表聚性(图1(a))。

退耕还林对土壤各层活性有机碳质量分数的影响也较为明显。各样地0 ～20 cm 层活性有机碳含量最高，并随土层深度的增加而逐渐降低，但不同林型降低的幅度不同(图1(b))，所有样地0 ～20 cm土层与20 ～40 cm 土层之间的变化最为明显(P ＞0.05)，除车桑子地外，其他样地40 ～60 cm 土层与20 ～40 cm 土层之间的变化不显著(P ＜0.05)。

图1 不同退耕还林地土壤总有机碳和活性有机碳质量分数Fig.1 Contents of total organic carbon and liable organic carbon of different farmlands returned from forests

3.1.3 土壤活性有机碳比率 活性有机碳表征土壤质量和有机质的变化比总有机碳更敏感［23-24］。土壤活性有机碳比率RL/T可以指示有机碳活性强度，其值越大说明碳活度越高，表示有机碳越易被微生物分解，有机碳矿化潜力则越大，土壤质量也越高［25-26］。由于活性有机碳质量分数常与总有机碳质量分数存在显著(P ＜0.01)正线性相关性(本研究LOC 解释TOC 变化的能力R2为93.2%)，采用活性有机碳比率RL/T可以消除总有机碳质量分数差异对活性有机碳的影响，比土壤活性有机碳的绝对质量分数更能反映土壤有机碳的质量及土壤碳库状况。

本研究中5 种退耕还林地RL/T值范围为42.74%～56.32%(表2 和表3)。0 ～20 cm 土层RL/T大小表现为撂荒地＞油桐林＞车桑子地＞耕地＞椿树林＞花椒地，在剖面内除花椒和车桑子地外，各样地RL/T均随土层深度的增加而降低。总体上花椒地土壤质量表现较差，椿树和油桐林地土壤质量较好，并且到达显著性水平(P ＜0.05)。查阅文献发现，闽江河口湿地5 类利用方式下的RL/T值为8%～20%［20］，云南元谋干热河谷6 类土地利用方式RL/T值介于31.3%～44.4%之间［27］，本研究RL/T的值介于42.74%～56.32%之间，比他人研究结果明显偏高，这可能与花江干热河谷脆弱的生态环境和独特的小气候条件有关，研究区雨季降雨集中、温度高，促进了有机碳的矿化过程，其具体影响机制和过程尚待揭示。

3.2 土壤有机碳库密度

3.2.1 土壤总有机碳库密度 各退耕还林地0 ～20 cm 土层内有机碳密度为3.05 ～7.60 kg/m2，均值为5.53 kg/m2;0 ～60 cm 土层内有机碳密度为8.54 ～19.62 kg/m2，均值为14.11 kg/m2，这与其他学者［28］在峰林平原区的所测值基本一致。在各研究土层中，有机碳密度均表现为椿树林地最大，油桐林地次之，耕地最小。土壤剖面中有机碳密度表现为椿树林(19.62 kg/m2)＞油桐林(18.85 kg/m2)＞撂荒地(14.27 kg/m2)＞车桑子地(13.30 kg/m2)＞花椒地(10.10 kg/m2)＞耕地(8.54 kg/m2)。

不同退耕还林地与耕地相比均显著增加了土壤各层有机碳密度，且不同林地间有机碳密度距表土层越近差异越大(图2(a))。与耕地相比，各退耕地0 ～20 cm 表土层有机碳密度平均增幅97.46%，明显高于20 ～60 cm 层有机碳密度的平均增幅(67.41%)，且以椿树和油桐乔木林地有机碳密度增幅最为明显。

图2 不同退耕还林地土壤总有机碳密度和活性有机碳密度Fig.2 Total organic carbon density and liable organic carbon density of different farmlands returned from forests

3.2.2 土壤活性有机碳密度 土壤活性有机碳密度与土壤总有机碳库密度的大小具有一致性，在60 cm 深土层内活性有机碳密度大小依次为椿树林＞油桐林＞撂荒地＞车桑子地＞花椒地＞耕地(图2(b))。各退耕还林地显著增加了土壤活性有机碳的密度，其增加幅度随土层的加深而减缓，其中以椿树林平均增幅最大(127.49%)，油桐林次之(123.93%)，花椒地增幅最小(7.08%)，撂荒地和车桑子地居中。

土壤有机碳密度的大小主要取决于土壤有机碳质量分数和土壤密度2 个参数。在60 cm 深的研究土层中，所有退耕还林地有机碳的分布比例均随土层厚度的增加而降低，这与各层土壤有机碳质量分数表现出一致的趋势。不同土地利用类型0 ～20 cm 土层土壤有机碳的密度占整个土壤剖面的35.68%～46.45%，平均为39.30%，表现出很大程度的表聚性。这说明在岩溶高原峡谷区，表层土壤的有机碳储量在整个土壤的碳库储量中占有很大的比例。这是由于表土层是植物覆被生长和活动最活跃的区段，而且表土层也是人类活动最强烈的地方;因此，表层土壤中有机碳的储量大小以及动态变化对整个土壤有机碳库的研究具有举足轻重的意义。

3.3 土壤碳库管理指数

表3 为评价不同退耕还林地土壤碳库管理水平的主要指标，碳库活度反映了土壤碳素的活跃程度，活度越大则表示土壤质量越高;碳库管理指数则揭示了碳库管理水平的高低。0 ～20 cm 土层中花椒地碳库活度最低，撂荒地最高;20 ～40 cm 土层内车桑子地碳库活度最高，其他样地差异不明显;40 ～60 cm 土层内所有样地碳库活度均无显著性差异(P ＞0.05)。

不同土地利用方式之间土壤碳库管理指数差异显著。其中，油桐林地ICM为2.10 ～2.93，其碳库管理水平最优。在0 ～40 cm 土层内，除花椒地外，其他4 种退耕地ICM均大于1，且大小顺序依次为油桐林＞椿树林＞车桑子地＞撂荒地＞耕地＞花椒地;就土层厚度而言，总体上表现为随土层厚度的增加碳库管理指数减小，这与土壤有机碳在土壤中的分布规律一致。这说明除花椒地外，其余几种退耕类型对土壤的经营管理是科学的，有利于区域生态恢复和土壤质量的提高。

表3 不同退耕还林地地土壤碳库管理指数Tab.3 Carbon management index of different farmlands returned from forests

4 结论与讨论

1)退耕还林地显著提高了0 ～60 cm 土壤有机碳质量分数和有机碳密度，表现了退耕提升土壤碳库及其质量的效应和潜力。不同退耕还林方式对土壤有机碳库的影响差异较大，椿树和油桐乔木林地比车桑子、花椒灌丛地和撂荒地更显著增加了土壤各层有机碳的质量分数及密度。不同退耕还林地的植被覆盖状况、还林林种及其生长的差异性使输入土壤有机碳源的类型和多寡存在差异，导致土壤有机碳质量分数必然产生差异［29］。耕地和花椒地土壤有机碳密度偏低是因为样地石漠化程度较高，受人为干扰影响大，地表植被覆盖率极低，水土流失相对严重，有机质等土壤营养物质流失严重。撂荒地和车桑子地由于植被覆盖好，土壤改良作用较强，但是由于地表有一定的起伏，这些微地形上的差异导致了土壤有机碳积累条件的差异，有的地方可能因微地形的凹陷而积累有机碳，而有的地方可能又因为微地形的隆起而使有机碳冲刷。椿树林地土壤有机碳质量分数最高，这主要受植被凋落物的影响，大量的凋落物增加了土壤有机物的输入量，而且会改变地表的性状(温度和湿度等)，进而影响土壤有机质的分解与转化。

2)各退耕还林地土壤有机碳的质量分数和密度均随土层深度的增加而降低，表现出明显的表聚性特征。0 ～20 cm 层土壤有机碳质量分数最大，介于13.00 ～34.07 g/kg 之间，分别是剖面均值的1.24 ～1.47 倍，并随土壤深度增加而逐渐降低;0 ～20 cm 层土壤有机碳密度在3.05 ～7.60 kg/m2之间，分别占整个土壤剖面的35.68%～46.45%，亦显著高于其他各层。与耕地相比，各退耕还林地对土壤剖面有机碳质量分数的增加以0 ～40 cm 土层最为明显。这既与不同退耕类型的植被组成、盖度，枯落物量及枯落物分解的差异有关，也可能与退耕年限有关，退耕时间短未对深层土壤有机碳产生显著影响。此外，岩溶地区土壤厚度较小，土壤与底层的“土壤—岩石”界面处土壤淋溶作用强度大也会影响土壤剖面特别是底层土壤有机碳质量分数的变化。

3)本研究6 种不同土地利用方式中以椿树和油桐林地碳库管理水平最优，耕地和花椒地碳库管理水平最差。碳库管理指数不仅能监测和反映外界条件对土壤碳库的影响，还能揭示土壤经营和管理的科学性。碳库管理指数升高，表明经营方式对土壤有培肥作用，土壤性能向良性发展;其值降低则表明土地经营措施不科学［14］。本研究中椿树和油桐人工林ICM最大，封育的车桑子地和自然恢复的撂荒地ICM次之，碳库处于良性状况，其管理措施有助于土壤碳库的增加;耕地和花椒地由于受人为扰动最为严重，ICM最小，说明其碳库管理不科学，管理方式不利于土壤碳库水平的提高。因此，对于本研究区土壤有机碳库的管理可以得到如下启示:①土壤碳库管理水平的高低与地表植被密切相关，在石漠化的治理过程中，要特别注重增加地表植被覆盖;②耕地和花椒地面积在研究区中占到1/2 以上，对该区土壤总有机碳库储量贡献最大，而二者受人为干扰严重，碳库管理水平偏低，在以后的石漠化生态治理过程中要重视耕地和花椒地的利用和保护。

4)活性有机碳在土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用，G.J.Blair 等［21］的研究表明土壤碳库的变化主要发生在活性有机碳部分，用活性有机碳表征土壤质量和有机质的变化比总有机碳更为敏感;采用活性有机碳比率RL/T来评价土壤碳库状况与单一的有机碳质量分数、活性有机碳质量分数相比更能反映土壤碳库及其质量的变化。土地利用方式、人为干扰强度、小生境及小气候状况都会对土壤碳库及碳库管理水平产生影响;因此，在对其进行综合评价时要综合分析有机碳质量分数、碳库密度、活性有机碳比率和碳库管理指数等指标。