黔北喀斯特不同演替阶段森林土壤的有机碳储量

张宝成，李世杰，白艳芬，郭 颖，向仰州*

(1.遵义师范学院 生命科学学院，贵州 遵义 563002；2.贵州省林业调查规划设计院，贵州 贵阳 550003；3.遵义师范学院 公共管理学院，贵州 遵义 563002)

黔北喀斯特不同演替阶段森林土壤的有机碳储量

张宝成1，李世杰2，白艳芬3，郭 颖2，向仰州2*

(1.遵义师范学院 生命科学学院，贵州 遵义 563002；2.贵州省林业调查规划设计院，贵州 贵阳 550003；3.遵义师范学院 公共管理学院，贵州 遵义 563002)

【目的】为喀斯特区域的生态政策和生态补偿提供重要的科技支撑。【方法】采用空间代替时间的方法分析人工林和不同森林演替阶段的土壤固碳能力。【结果】与森林演替顶级阶段相比，人工林土壤固碳潜力较大；与年龄相近的演替初期生态系统比较，人工林能够快速地增加较深层(10～50 cm)土壤有机碳的含量；随着森林年龄的增加，表层(0～10 cm)土壤有机碳呈增加趋势，演替初级阶段土壤中的有机碳占37.96 %，演替中期的占32.73 %，演替顶级的占31.02 %；人工林0～10 cm土层有机碳占26.26 %。【结论】实施退耕还林进行人工造林能够较快地增加土壤有机碳的含量，而且能够增加较深土层的有机碳的含量。

演替阶段；土壤有机碳；森林；喀斯特；人工林

【研究意义】由于大量化石燃料的应用，森林自然资源过渡利用，土地利用方式的频繁转变，造成大气CO2浓度快速增加。CO2浓度由工业革命时的280 μl/L增加到目前的400 μl/L[1]。大气CO2浓度增加导致气候变暖，对生产生活产生了一系列的影响[2-3]。【前人研究进展】森林碳库是陆地生态系统中最大的有机碳库，碳储量为1146 Pg，是陆地碳库的56 %[4]。森林的碳密度分别是草地和农田系统的4和16倍[5]。全球碳库中生物碳库为560 Pg，土壤碳库是2500 Pg(其中有机碳库是1500 Pg)约是生物碳库的4.5倍[6]。森林生态系统的初级生产力随着演替阶段的变化呈先增加后降低趋势[7]。通常认为，老龄林由于无净CO2吸收[8]。但森林群落处于不同年龄阶段(演替)结构发生变化即植物组成发生变化，这改变土壤碳的输入过程进而影响到凋落物和根系的输入，同时影响有机碳的驱动者微生物群落[9]等进而改变土壤有机碳含量[10]。有研究表明，老龄林土壤仍是重要的碳汇[11]。【本研究切入点】遵义为喀斯特区域，随着近年来退耕还林等措施的推广，其森林土壤有机特征的研究较少。【拟解决的关键问题】因此，采用空间演替序列代替时间的研究方法[9,12]，对遵义喀斯特地区退耕还林、演替初级阶段、演替中期和演替顶级4种森林土壤有机碳进行研究，以期为喀斯特区域的生态政策和生态补偿提供重要的科技支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

遵义处于贵州省北部，遵义年平均气温15.1 ℃，全市各地年降水量为1015.2～1223.7 mm。遵义地区为喀斯特地貌，面积为30762 km2，占贵州省总面积的17.46 %。人工林的植物群落为桤木-桦木-禾本草-蕨类，演替初期的群落组成为栎类-荚迷-蕨类-草，演替中期的组成为栎类-木姜子-杜鹃-禾本草，演替顶级的为亮叶水青冈-珙桐-金佛山云竹-草。

1.2 采样地点

采样地点遵义市道真县上坝乡(双河、新田坝和八一村)和绥阳县(岩坪村、杉木箐和宽阔水自然保护区中心管理站)。

1.3 土壤有机碳的测定

森林的演替阶段以森林群落的外貌和优势种的结构特征进行划分[9]，森林类型为人工林、演替初级阶段、演替中级阶段和演替顶级阶段。在每个样地平坦的区域设置样方，在每个样方移除凋落物然后进行分层取样，每个样地采集3个样品风干并除去细根和植物残体，样品过2 mm筛用以分析土壤有机碳。

不同森林土壤通过挖土壤剖面的方法对其分层取样。表层土壤(0～10 cm)用多样点混合的方法降低土壤的空间异质性；土壤分层参照标准按照0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm划分[13]，取每层土样进行混合后，在室内风干，挑出其中的石砾和细根并进行土壤有机碳分析测试；采用环刀法测土壤容重。土壤有机碳的测试采用重铬酸钾加热分析法。

图1 4种不同森林演替阶段0～100 cm土壤有机碳密度Fig.1 Density of soil organic carbon in four forests succession stage from 10 cm to 100 cm

土壤有机碳密度的计算公式如下[14]：

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

1.4 数据处理

数据用Excel和SPSS 17.0进行处理，绘图用Origin 8.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳的储量

由图1可知，演替顶级土壤有机碳密度最高，其次是演替中级阶段，人工林土壤有机碳储量高于演替初级阶段而低于演替中级阶段和演替顶级阶段。演替顶级阶段的土壤有机碳高达1841.18、1594.3、832.15和948.85 g/m2。

由图2可知，4种生态系统的土壤有机碳含量中0～10 cm含量最高。土壤有机碳含量均随土壤深度的增加而呈降低趋势。其中演替顶级、演替中级和演替初期在0～10 cm土层与10～20 cm土层之间的土壤有机碳含量变化差异显著，0～10 cm土壤有机碳含量分别是10～20 cm的1.81、1.95和1.83倍，人工林0～10 cm层土壤有机碳含量与10～20 cm层比较接近。4种生态系统的10～20 cm与20～30 cm土层以及20～30 cm与30～50 cm土层的上层有机碳含量是其下层的1.03～1.51倍，土壤有机碳含量差异较小。但深层土壤30～50 cm与50～100 cm间有机碳的差异大，这2层中演替顶级阶段上层是下层的3.03倍，演替阶段中级阶段上层是下层的2.5倍，演替初期上层是下层的1.26倍，人工林土壤有机碳的上层(30～50 cm)是下层(50～100 cm)的1.99倍。

图2 4种森林不同土层的土壤有机碳储量Fig.2 Organic carbon storage in different soil depth in four succession forests stage

土层(cm)Soildepth人工林Forestplantation演替初期Earlysuccession演替中期Middlesuccession演替顶级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 土层土壤有机碳的含量

由表1可知，4种系统土壤有机碳含量变化关系差异显著。演替初期、演替中级和演替顶级土壤有机碳在0～50 cm差异显著。0～10 cm演替顶级土壤有机碳是人工林、演替初期和演替中期的3.98、2.95和1.43倍；10～20 cm演替顶级土壤有机碳分别是人工林、演替初期和演替中期的2.34、2.99和1.49倍；20～30 cm演替顶级土壤有机碳分别是人工林、演替初期和演替中期的2.30、3.75和1.28倍；30～50 cm演替顶级土壤有机碳分别是人工林、演替初期和演替中期的2.28、3.28和1.18倍；50～100 cm演替顶级土壤有机碳与人工林、演替初期和演替中期的含量比较接近。

3 讨 论

3.1 土壤层有机碳含量垂直分布差异大

土壤深层有机碳储藏潜力很大。土壤有机碳含量受输入生物量和分解等因素共同作用[3]。土壤微生物和酶活性、微生物群落结构和土壤动物的影响土壤有机碳的转化[10,15]。森林土壤有机碳的重要驱动力土壤动物的数量、群落结构组成[15]受到显著的影响，另外一种重要的分解者微生物群落结构细菌和真菌[9]、分解酶活性[10]，进而影响到不同土壤层的有机碳。

土壤有机碳的输入来源为植物根系表皮凋落物、根系分泌物以及表层淋溶的有机碳[16]。土壤孔隙是影响深层土壤有机碳的重要因子，有利于地表可溶性有机碳的淋溶，同时根系生理代谢促进土壤有机碳的增加，由于植物根系的生物量呈倒金字塔形式，随着时间的推移根系先作用土壤部分有机碳增加积累较大。因此，演替顶级的土壤有机碳垂直层差异最大，其次是演替中级。与不同演替阶段的森林群落相比，人工林地下投入的死亡根系数量少，转化为土壤有机碳需要较长的时间，因此在时间相差较小的情况下，人工林有机碳含量的差异比演替初级的差异大。

3.2 不同演替阶段土壤有机碳含量差异明显

不同演替阶段森林生态系统土壤不同层有机碳含量有明显差别，主要是森林处于不同演替阶段，改变了地表层的覆盖进而影响到林冠层土壤的温度和湿度[17]。不同演替阶段由于地表凋落物层厚度蓄水能力的差异[18]调控到不同土壤层的温度和湿度[17]，降水是影响湿度的重要因子，研究区的降水量较高，为1015.2～1223.7 mm，在降水的作用下把地表腐殖质及上层经过微生物和土壤动物分解的可溶性有机碳和小颗粒碳通过淋溶等作用分布在不同的土层进而影响到不同土层土壤有机碳的含量。这可能是造成不同演替阶段土壤有机碳变化的重要因素。温度和湿度微环境的变化影响到植物物种组成，改变了植物功能群。

不同演替阶段，植物群落组成、不同生活型功能群、凋落物和腐殖质差异很大，如松针质比较粗硬富含蜡质，而阔叶树相对比较容易分解[12]。演替阶段差异由于植物群落组成改变了植物功能组造成的凋落物品质差异[12]。植物功能组变化改变了凋落物层的数量和品质，影响到土壤有机碳驱动力变化。如温度和降水变化增加了分解者土壤动物的数量[19]，温度影响到分解者微生物的碳代谢和微生物的活性[20]。

生态系统演替高级阶段表层土壤有机碳的含量比较高。这可能是在演替高级阶段森林地表的枯枝落含量比较高，增加了土壤有机碳输入，促进了表层土壤有机碳的含量，因此不同演替阶段土壤有机碳变化明显。土壤有机碳主要来自根系分泌物和根部凋落死亡，地表的输入较小，造成垂直差异较小。人工林与年龄比较相近的演替初级森林相比，主要是0～10 cm土层土壤有机碳含量，而较深层10～50 cm土层土壤有机碳反而比自然生态系统碳储量高，可能是由于人工林通常选择生长迅速的林木，根系比较发达。从土壤有机碳的角度考虑，这意味着推广应用退耕还林工程能够在较短时间内增加土壤有机碳。土壤有机碳常受土壤矿物的包裹，比较稳定，因此土壤有机碳的含量备受关注。人工林能够促进土壤较深层(gt;10 cm)有机碳储量快速增加。由此可见，在贵州喀斯特区域实施退耕还林工程是一项重要的增加碳汇措施，由于人工造林加快森林演替进程[12]。综上所述，不同演替阶段土壤微环境温度和湿度的变化[10]和凋落物的品质差异，影响到分解驱动者土壤动物和微生物的数量和活性从而影响土壤有机碳的输入，进而影响不同演替阶段土壤层有机碳。

3.3 土壤有机碳与其他区域差异

本研究的人工林的土壤有机碳含量(19.77 g/kg)高于福建人工杉木林(14.54 g/kg)[21]。森林演替顶级/晚期土壤有机碳含量差异较大，本研究中土壤有机碳含量最高(78.67 g/kg)，其次是东北的阔叶红松林(73.34 g/kg)和杨桦成熟林(70.32 g/kg)[9]，约是黄土高原侧柏林和油松林的1.87～2.29倍[22]，这可能与森林树种类型和气候区域有关。演替中级/中期也出现类似规律，表明在研究退耕还林对土壤有机碳的影响要充分考虑到还林的树种类型，以及区域气候特征进行综合评估。森林的演替一定程度上反映出森林的年龄，森林年龄是影响土壤有机碳含量的重要因子。随着人口增加和土地资源减少，人类在资源利用需求和生态系统的环境效益需要结合不同生态系统的生态碳能力、水土保持能力、净化空气能力等多因素进行权衡综合评价。

4 结 论

(1)与自然演替高级阶段相比，退耕还林工程对增加土壤有机碳仍有很大的发展空间。

(2)演替顶级阶段土壤有机碳的垂直分布比较明显。

(3)与自然生态系统相比，实施退耕还林进行人工造林能够较快的增加土壤有机碳含量；而且能够增加较深土层的有机碳，说明人工造林是一项重要的减缓大气温室气体措施。

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(责任编辑 刘忠丽)

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

国家自然科学基金项目(31660106)；中国科学院战略性先导科技专项(XDA05000000)；贵州省教育厅项目[黔教合KY字(2014)260];遵义师范学院博士启动基金项目[遵师BS(2014)06和BS(2014)07]；贵州省千层次创新型人才[遵市科合人才(2016)4]

张宝成(1978-)，男，博士，陕西南郑人，从事生态功能研究,E-mail:woshimiantian@126.com，*为通讯作者：向仰州，E-mail:yzhxiang18@126.com。