退耕还林土壤颗粒有机碳年际变化

金麾+陈先刚+曾富雄+阳宏文+普桂淑

摘要：为了解我国西南喀斯特地貌区退耕还林工程土壤颗粒有机碳（POC）的年际变化特征，选取了贵州省兴义市三江口镇退耕还林工程杉木林为研究对象，并以耕地为对照进行了研究，结果表明：该地区退耕还林11年内杉木林地0～60 cm土层土壤颗粒组分比例未与林龄表现出明显相关性，同采样点林龄不同土层间颗粒组分比例大体一致。0～60 cm土层内POC含量在造林5年内减少，第5年为最低，到11年各土层POC从浅至深分别增加了1.35 g/kg、1.05 g/kg和0.29 g/kg。從第9年开始，POC含量超过耕地。在垂直方向上POC含量均呈现随土层深度加深而减少。自退耕造林后，POC分配比例逐年增加，11年增幅为6.97%。

关键词：退耕还林；杉木林；颗粒有机碳；年际变化

1 引言

随着气候变化的加剧，人工造林作为一种增加碳汇的手段已被我国多地采用。退耕还林是我国一项重要的生态造林工程，研究退耕还林后土壤有机碳含量的变化对揭示造林对土壤碳库的影响有重要意义。颗粒有机碳作为土壤有机碳库的一部分在其中起着重要作用。通过物理分组得到的土壤颗粒有机质，是与砂粒结合的粒径在53～2000 μm的有机碳部分，属于土壤碳库中的“慢库”，其来源主要为植物残体的分解[1]。土壤颗粒有机质受土地利用变化影响大，比如耕种干扰后，植物残体损失迅速[2]。李鉴霖等[3]对缙云山地区4种不同土地利用方式研究表明，颗粒有机碳可作为评估土地利用变化对土壤有机碳库影响的良好指标。吴建国等[4]对宁夏固原地区4种土地利用类型研究后表明，人工造林相比有人为影响的砍伐形成的农田和牧草地，颗粒有机碳含量显著增高，土壤有机碳稳定性也更高。作为土壤有机碳库中的非活性组分，颗粒有机碳可以作为一种相对有效的、稳定的碳汇存在，对缓解气候变化有一定的助益。目前，对颗粒碳的研究多见于土地利用变化对其造成的静态影响，尚未见相关对造林后土壤颗粒有机碳年际动态变化的研究。

研究选址在贵州省兴义市三江口镇境内，选取立地条件基本相同但林龄不同的退耕还林杉木林作为研究对象，研究其土壤颗粒有机碳（POC）的年际变化特征，希望能为造林增汇及生态效益评估提供相关的数据支持和参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

贵州省兴义市三江口镇（24°45′30″N，104°35′33″E）位于南盘江上游滇黔桂三省结合部，距离兴义市区90 km，东与洛万乡相连，南与广西西林县马蚌乡隔湖相望，西与云南罗平县鲁布革镇交界，北与鲁布格镇和捧乍镇接壤，总面积89.3 km2，平均海拔860 m。该地区属亚热带季风湿润气候，年平均气温18℃，全年无霜期324 d，年平均降雨量1358 mm，有着良好的气候条件。土壤主要为砂页岩发育的硅铝质黄壤、黄红壤及红壤，经济作物有小米辣、果蔗、板栗、生姜等。该地造林树种以杉木为主。

2.2 研究方法

2.2.1 样地设置与土壤样品采集

依据当地林业部门的退耕还林工程记录档案并且实地调查，选取研究区域内的林龄分别为1、3、5、7、9、11年的杉木纯人工林（表1）和对照耕地（视林龄为0年），每个林龄组内随机设置20 m×20 m的重复样方3个，每个样方按照“S”型布点法选取样点5个。

于每个区样点挖开土壤剖面，分0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm各3层取土样，同一样方内5个取样点的相同土层的土壤混合成一个土样。样品自然风干并研磨过2 mm筛后待测。

2.2.2 分析方法

通过湿筛法得到土壤颗粒有机碳组分：称取20 g过2 mm筛的风干土于250 mL锥形瓶中，加入5 g/L的Na4P2O7，震荡18 h。然后将土壤悬液过53 μm筛，反复用蒸馏水冲洗，直至过筛水保持清澈。把留在筛里的土在55℃下烘干72 h后称重，这些物质即为土壤的颗粒组分，计算此部分土样占整个土壤样品的比例即为土壤颗粒组分比例。将土壤颗粒用重铬酸钾-硫酸加热法测定其有机碳含量即为土壤颗粒组分有机碳含量，其公式为：

颗粒有机碳含量=土壤颗粒组分有机碳含量×土壤颗粒组分比例，

颗粒有机碳分配比例=颗粒有机碳含量/土壤有机碳含量。

实验数据图表制作及统计分析采用Excel 2016及SPSS19.0进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同林龄退耕还林土壤颗粒组分比例

由表2可知：①在相同土层深度不同林龄之间的比较中，0～20 cm土层存在4种差异类型，3、5、7、9、11年林龄的杉木林土壤颗粒组分比例存在一定的相似性，它们分别与耕地（0年）和1年林龄的土壤差异显著。在20～40 cm土层存在5种差异类型，林龄为5、7、9、11的土壤颗粒组分比例相互之间互有关联，都分别占有两种差异类型，0年、1年、3年之间差异显著；在40～60 cm土层存在4种差异情况，林龄为5、7、9、11年的颗粒组分比例分别与耕地、3年差异显著。②在相同林龄不同土层之间的比较中，0年的0～20 cm层、5年的40～60 cm层与12年的0-20层分别与它们自己其它土层差异显著。③耕地土壤的颗粒组分比例在所有林龄中均为最小，其平均水平与其它林龄至少相差5%。可见，不同林龄间土层内颗粒组分的比例虽各有差异，却并没有一个特定变化的趋势，而相同林龄不同土层之间的颗粒组分比例总体上差异并不明显。耕地土壤与所有其他林龄表现出明显差异。

3.2 不同林龄退耕还林杉木林土壤颗粒有机碳含量

由图1可知：退耕后第一年0～20 cm土层POC出现了增加，除此之外，在造林头5年，POC在各土层间逐年递减，在5年后逐年递增。耕地0～20 cm土层初始POC含量2.56 g/kg，第5年减至2.18 g/kg，第11年增至3.91 g/kg；耕地20～40 cm土层在造林后5年内POC含量由2.3 g/kg减少至1.73 g/kg，第11年增加至3.35 g/kg；耕地40～60 cm土层在造林后5年内POC含量由2.1 g/kg减少至1.55 g/kg，第11年增加至2.39 g/kg。相同林龄的各土层随深度的加深POC含量均减少，三层之间的POC含量前5年内的20～40 cm和40～60 cm层的差异较小。从第9年开始，各层土壤的POC含量均开始超过耕地。相较于耕地，种植年限为11年的杉木林从0～60 cm个土层POC含量增加了1.35 g/kg、1.05 g/kg和0.29 g/kg。

3.3 土壤剖面POC含量与林龄的相关回归分析。

对不同林龄（x）和各土层POC含量（y）做线性回归分析，结果如表3所示。相较于5～11年而言，造林前5年POC含量与林龄因呈现负相关且回归方程无效；在造林的5～11年，各层土壤POC含量与林龄均呈现一定程度的相关性，拟合线性回归方程有效（P<0.01）。由回归方程可知，随着土层深度加深，POC的平均增长率（回归方程斜率）依次递减。

3.4 不同林龄POC分配比例

由图2可知，退耕还林后随着林龄增加，在0～60 cm土层深度内，POC分配比例，即其在土壤有机碳中的比例也随之增加，由耕地初始的22.87%增加到11年的29.84%，增幅为6.97%，平均每年增加0.63%。年增幅最大出现在造林第一年，为2.76%。

4 讨论与结论

（1）退耕还林地杉木林在造林前5年颗粒有机碳呈逐年下降的趋势，第5年降至最低，其后随林龄的增加而增长。该趋势与和学智等人[5]对该地区相同情况的退耕杉木林不同林龄土壤有机碳含量变化趋势相似。Paul等[6]对全球多个地区造林后土壤碳储量研究也发现造林前5年SOC会下降，5年之后增加。由此可见，POC含量与土壤有机碳可能存在很大的相关性。其可能原因是POC含量是由土壤颗粒组分有机碳和土壤颗粒组分比例决定的，而颗粒组分有机碳与土壤有机碳变化趋势相似，因此POC含量在一定程度上与SOC有相似的趋势；其次，因POC主要来源于植物残体的分解，在退耕初期，耕作残留有机质回归土壤的因素不存在，且刚生长的幼林也无明显的凋落和根系周转量回归土壤，此时土壤POC来源不足且有机碳库也存在输出，因此会出现短时的下降。退耕第一年后，0～20 cm土层POC出现增长，其原因可能是人为在耕作过程中对土壤的颗粒组分存在物理破坏，土壤颗粒粒径在反复翻作后会变小，因此在去除耕作影响后团聚体得到恢复。

（2）退耕还林杉木林土壤POC在垂直方向上都随土层深度的加深而减少，这种随深度变化的趋势与杨益等[7]对贺兰山不同植被和海拔类型土壤POC的研究结果是一致的。也与姜霞等[8]对黔中地区三种林分土壤SOC研究一致，这进一步说明POC与SOC存在一定的相关性。5～11年随着土层深度加深，POC的增量在减少，从回归方程来看其增长速度也垂直减少，其原因可能是植被凋落导致的POC输入对其直接接触的表层影响更大，随着深度加深影响变小。

（3）从调查样地土壤颗粒组分在土壤中的比例来看，0～20 cm层在5、7、9、11年与其他林龄均差异显著，20～40 cm层各林龄间互有差异，40～60 cm层7、9年与其他林龄互有差异。颗粒组分占比的多少与随着林龄的增长并未显示出明显规律；而相同林龄不同层大体上未表现显著差异。造成这样的原因可能是土壤颗粒组分的多少决定于其成土因素和具体的土壤质地而非土层深度。

（4）土壤POC的分配比例在退耕还林后随着林龄增加而增加，其中耕地最少。虽然在前5年POC含量在减少，但其在SOC中的比例依旧在增加。李景[9]在耕作对土壤团聚体影响的研究中表明，停耕处理后可提高0～20 cm土层所有粒径>53 μm的团聚体平均质量和含量。这也许可以解释POC分配比例保持增长。本研究结果显示，退耕造林杉木林能增加土壤中颗粒有机碳的比例。

此次研究表明，兴义三江口地区退耕还林11年内杉木林地0～60 cm土层土壤颗粒组分比例未与林龄表现出明显相关性，同采样点林龄不同土层间颗粒组分比例大体一致。0～60 cm土层内POC含量在造林5年内减少，第5年为最低，到11年各土层POC从浅至深分别增加了1.35 g/kg、1.05 g/kg和0.29 g/kg。从第9年开始，POC含量超过耕地。在垂直方向上POC含量均呈现随土层深度加深而减少。自退耕造林后，POC在SOC中的比例逐年增加，11年增幅为6.97%。

参考文献：

[1]Camberdella C A， Elliott E T. Carbon and nitrogen dynamic of fraction from cultivated grassland soils[J]. Soil Science Society of America Journal， 1994， 58（13）： 123～130.

[2]Camberdella C A， Elliott E T. Particulate soil organic matter across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal， 1992， 56（13）：776～783.

[3]李鑒霖，江长胜，郝庆菊，等.缙云山不同土地利用方式土壤有机碳组分特征[J].生态学报，2015，35（11）：3733～3742.

[4]吴建国，艾 丽，田自强，等.祁连山中部土壤颗粒组分有机质碳含量及其与海拔和植被的关系[J].生态环境，2008，17（6）：2358～2365.

[5]和学智，陈先刚，张 瑞，等.退耕还林杉木林地土壤有机碳储量变化特征：以贵州兴义市三江口镇为例[J].林业资源管理，2015，（2）：95～99.

[6]Pual K I，Polglase P J，Nyakuengama J G， et al. Change in soil carbon following afforestation[J]. Forest and Management， 2002，168（13）：241～257.

[7]杨 益，牛得草，文海燕，等.贺兰山不同海拔土壤颗粒有机碳、氮特征[J].草业学报，2012，21（3）：54～60.

[8]姜 霞，王 進，李丛瑞，等.黔中地区三种林分土壤有机碳库比较[J].湖北农业科学，2013，52（6）：1270～1272，1276.

[9]李 景.长期耕作对土壤团聚体有机碳及微生物多样性的影响[D].北京：中国农业科学院，2014.

Annual Variation of Particulate Organic Carbon

in Returning Farmland to Forest Project

Jin Hui， Chen Xiangang， Zeng Fuxiong， Yang Hongwen， Pu Guishu

（Southwest Forestry University， Kunming，Yunnan 650224， China）

Abstract： In order to obtain the characteristics of annual variation of particulate organic carbon （POC） in the returning farmland to forest project in Karst landform area of Southwest China， the article selected the Chinese fir forest inSanjiangkou Town， Xingyi of Guizhou Province as the studying object， including cropland and six stands with different ages. Theresult showed that this area， the particle part ratioof Chinesefir forest soil doesnt show significant correlation in 11years at the 0-60cm soil layer， with the same sample point but different soil layers the particle part ratio is in accord. The content of POC in the 0-60cm soil layer decreased in early 5 years， and was lowest in the 5th year， and POC increased by 1.35g/kg， 1.05g/kg and 0.29g/kg respectively each layer in the 11th year.From and after the 9th year， the content of POC was higher than that of cultivated land， and the content of POC in the vertical direction decreased with the increase of layer depth.Since returning farmland to forest， the proportion of POC has increased year by year， and the rate of increase is6.97% at the 11th year.

Key words： returning farmland into forest project； Chinese fir forest； particulate organic carbon；annual variation