不同生态恢复模式对黄土残塬沟壑区深层土壤有机碳的影响

黄艳章, 信忠保

1 北京林业大学水土保持学院,北京 100083 2 北京林业大学山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站,北京 100083 3 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室,北京 100083

陆地生态系统土壤碳库储量是植被碳库或全球大气碳库的2—3倍[1- 3],其微小变化就可能严重影响全球碳循环的平衡；土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)又是土壤养分循环转化的核心,是评价土壤质量的重要指标[4]。因此,在当前全球碳循环失衡、植被类型变化活跃的情况下,土壤碳库储量的变化受到了越来越多的关注。

深层土壤有机碳(1 m以下)是土壤碳库的重要组成部分。全球深层SOC(不包括农田)的平均储量超过1 m剖面的50%,在土壤碳库中的比重不容忽视[2,5]。在黄土高原沟壑区,1—2 m土层的SOC储量占2 m土层储量的37.2%[6]；黄土丘陵区,人工刺槐林、柠条林以及撂荒地深层土壤(1—2 m)的有机碳密度占2 m土层SOC密度的比例可达35%—40%[7]；内蒙古地区,乔木林和灌木林地3 m SOC储量的50%储存在1 m以下土层[8]。近年来,深层SOC由于自身稳定的性质[9- 10]以及所占的比例之大引起了众多学者的关注。

土壤有机碳含量是植被[11-12]、土壤[13-14]和人为等因素综合作用的结果。在历史上因植被类型改变和土壤开垦导致的土壤碳库的流失量累计为55—78 Gt[15],但植被恢复可以增加SOC含量[4,16- 17]。Jackson等[18]指出土地利用变化影响SOC的输入和周转,是SOC变化的重要驱动力。郭月峰等[19]研究表明,农地SOC含量比山杏林地、小叶杨林地、油松山杏混交林、天然次生灌木林分别低30.96%,27.97%,48.05%,69.56%；在0—20 cm土层,Gao等[20]发现退耕30年的草地和枣园有机碳含量显著高于农地(P<0.05)；孙文义等[21]在研究黄土高原0—100 cm土层时发现天然次生林的SOC比人工林高42%—82%。表明不同的植被类型会影响SOC的输入和周转,从而影响土壤的碳汇效益。

目前研究大多集中于2 m以内的土壤[6,22- 24],由于黄土高原土层深厚,须加强深层SOC的研究,尤其对恢复模式的研究较少,还不够系统全面[12,25]。黄土高原退耕还林还草工程实施近20年来,大规模的生态恢复工程增加了区域植被盖度[26],势必会对土壤的碳汇产生影响,甚至影响到较深土层。所以在估算退耕还林土壤碳汇量时,应该考虑深层SOC,只按1 m土层计算SOC储量,会低估退耕还林还草工程的碳汇效益。

本研究调查了天然次生林、人工生态林、人工经济林等3种生态恢复模式4 m深土壤剖面的SOC储量及垂直分布特征,评估了3种生态恢复模式的碳汇效益,并分析了不同树种间土壤碳汇效益的差异。研究结果为黄土高原地区的土壤碳汇效益的合理评估以及生态恢复模式和树种的选择及配置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蔡家川流域(36°14′—36°18′N,110°40′—110°48′E)位于山西省黄土高原西南部吉县境内,流域面积39.33 km2,主沟道长度12.15 km,为昕水河一级支流,流域大体呈西东走向,流域主沟道及部分支沟常年有水。蔡家川流域为典型的黄土残塬、梁峁侵蚀地貌,流域冲沟发育,沟壑纵横,沟壑密度0.8 km/km2。流域海拔在900—1586 m之间,相对高差700 m左右,平均海拔1172 m。流域属暖温带大陆性季风气候,年均气温10.2 ℃,光照时数平均2563.8 h,无霜期172天,多年平均蒸发量为1650.8 mm,风向冬季多西北风,其余三季多偏南风,年均风速为2.0 m/s,年平均降水量为575.9 mm,降雨年际变化大,主要集中在6—9月份,约占全年降水量的80.6%。

蔡家川流域植被种类多,生长较好,森林覆盖率在79%左右。作为国家级野外科学观测研究站,拥有实验林场1.6万亩,对全流域水土保持长期定位监测。流域内森林生态系统包括天然次生林、人工促进自然植被恢复封禁35年以上的植被和不同时期的人工林。天然次生林分布在沟域上游,主要包括荆条(Vitexnegundo)、辽东栎(Quercuswutaishanica)、山杨(Populusdavidiana)、暴马丁香(Syringareticulata)；人工生态林主要是上世纪末的退耕还林工程和1990年以来的中日政府间技术合作项目所栽植的刺槐(Robiniapseudoacacia)、侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)等。流域内现有经济林地49 hm2、占流域面积的1.25%,是当地主要经济来源,有苹果(Maluspumila)、梨(Pyrusspp)等。农地主要是玉米(Zeamays)和小麦(Triticumaestivum)。灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黄刺玫(Rosaxanthina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、杠柳(Periplocasepium)、胡枝子(Lespedezabicolor)、连翘(Forsythiasuspensa)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等。蔡家川流域作为山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站主要观测流域,残塬沟壑地貌类型典型,生态恢复模式和植被类型多样,并且具有长期定位观测基础。因此,蔡家川流域是研究黄土高原残塬沟壑区不同生态恢复模式对土壤深层有机碳影响的绝佳沟域。

1.2 研究方法

1.2.1样品采集

蔡家川流域生态恢复模式包括天然次生林、人工生态林、人工经济林等3种。流域上游阴坡多为天然次生林,研究调查了荆条林、山杨林和辽东栎林3个样地；中游峁顶是人工生态林主要分布区,研究调查了油松刺槐混交林、刺槐林、油松林、侧柏林等4个样地以及苹果和梨2种人工经济林样地；在沟域中游坡中布设了农地作为对照样地,并对河谷农地和坡中撂荒草地进行了调查(表1)。研究共包括12种植被类型或土地利用方式,每样地布设10 m×10 m样方,除苹果经济林采样点为3个,其他每样方各布设2个4 m土壤剖面采样点。使用内径为5 cm的土钻,按20 cm间隔采集0—400 cm土壤样品,25个4 m取样点共取得土样500个。调查样地1 m深的土壤剖面,用100 cm3环刀在每层采集原状土壤,取得6个重复,测定土壤容重。

表1 样地概况

1.2.2土壤理化性质分析

采样当天测量土壤容重和含水量,采用直接烘干法测量土壤含水量,环刀法测量土壤容重。剩余样品阴凉处自然风干,仔细挑出枝叶、根系、蜗牛壳及钙结核等,用四分法取适量土样磨碎并分别通过直径为2 mm和0.25 mm的土壤筛,用来测试SOC含量和土壤粒径。采用重铬酸钾外加热法测定SOC含量。土壤粒径采用激光衍射法(马尔文激光颗粒分析仪MS- 2000)测定。土壤粒径分级根据美国制土壤质地分级标准,即黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm

1.2.3数据处理

数据处理及作图使用Microsoft Excel 2016软件；用SPSS 20.0进行ANOVA 分析,LSD法进行差异显著性检验；采用逐步线性回归分析得到土壤容重的传递函数。土壤有机碳密度(SOCD)的计算：

SOCD=SOC×ρ×H×(1-δ2mm/100)×10-1

式中,SOCD为土壤有机碳密度(t/hm2)；SOC为土壤有机碳含量(g/kg)；ρ为土壤容重(g/cm3),H为土层厚度(cm)；δ2mm为粒径大于等于2 mm的砾石体积含量,由于黄土区砾石含量极低,该值忽略不计。

由于1 m以下土壤容重实测难度较大,因此采用土壤容重传递函数估算深层土壤容重。大量研究表明土壤容重主要取决于SOC含量和质地[27-28],门明新等[29]比较的14种已有土壤容重传递函数都与SOC含量或土壤质地密切相关。本研究以60个1 m剖面的土壤容重实测值为因变量,深度、土壤质地和SOC含量为自变量,通过逐步线性回归分析,得到土壤容重传递函数(r2=0.609,P<0.01)：

BD=0.453+0.146/SOC+0.074(%Silt)+0.063ln(depth)+0.008(%Sand)

式中,BD为土壤容重(g/cm3)；SOC为土壤有机碳含量(g/kg)；depth为土层深度(cm)；Silt为黏粒含量(%)；Sand为砂粒含量(%)。利用土壤容重传递函数所得土壤容重估计值与实测值吻合度较好,均方根误差为6.7%,可用于估算深层土壤容重。

2 结果

2.1 土壤有机碳的变化特征

流域内SOC含量在0—60 cm显著降低,60—400 cm SOC相对稳定(图1)。有机碳含量在0—60 cm内随深度快速下降(P<0.05),由表层的(11.03±7.51) g/kg减少到(2.40±0.93) g/kg,降幅达到78.22%。60 cm以下各土层SOC差异不显著且含量较低,仅(1.81±0.88) g/kg。流域内4 m SOC储量为(129.21±47.59) t/hm2,垂直变化规律与SOC含量基本一致。同土层有机碳含量变异系数在38%—68%之间,属于中等变异。

图1 土壤有机碳垂直分布及变异系数Fig.1 Vertical distribution and coefficient of variation of soil organic carbon不同小写字母表示不同土层之间土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)

2.2 生态恢复模式对土壤有机碳含量的影响

蔡家川流域3种生态恢复模式可以显著提高土壤有机碳,各恢复模式SOC含量与坡中农地相比都有所增加(图2)。3种生态恢复模式中,天然次生林0—400 cm土壤碳汇效益最显著(P<0.05),比坡中农地增加了196.23%。天然次生林、人工生态林、人工经济林0—20 cm表层SOC含量较农田表层土壤((4.60±0.32) g/kg)分别提高了400.88%、112.13%、62.77%；100—300 cm土层内,3种恢复模式的SOC含量显著增加(P<0.05)；100—200 cm土层人工经济林有SOC 含量高于人工生态林,但不显著；在300—400 cm土层,人工经济林的碳汇效益不再明显(P<0.05)。

2.3 植被类型对土壤有机碳含量的影响

在0—400 cm各土层内,植被类型间的SOC含量存在显著差异(表3)。表层20 cm SOC含量山杨林最高为(29.93±6.58) g/kg(P<0.05),坡中农地最低((4.28±0.45) g/kg),两者相差5.99倍；在20—40 cm及40—100 cm土层,荆条灌木林SOC含量((8.36±0.38) g/kg,(3.79±0.48) g/kg)显著高于其他11种植被类型(P<0.05)。

河谷地带水沙汇集,土壤较肥沃,历史上多次接受洪水泥沙沉积,SOC含量较高并在垂直方向存在波动。河谷农地SOC在0—80 cm与其他植被类型同样呈降低趋势,在100 cm以下SOC含量渐渐增加,并高于其他植被类型(P<0.05)；在200—300 cm显著高于其他11种植被类型的有机碳含量(P<0.05),在300—400 cm SOC含量显著下降(P<0.05),但仍显著高于其他植被类型(P<0.05)。

同一生态恢复模式不同植被类型土壤碳汇效益存在差异(表2)。天然次生林各植被类型有机碳含量较高,辽东栎林为(2.36±0.58) g/kg,荆条林为(3.42±0.55) g/kg,山杨林为(3.53±1.01) g/kg,且含量差异不显著；人工生态林各植被间的有机碳含量差异较大,油松刺槐混交林有机碳含量最高,为(3.08±0.39) g/kg(P<0.05),显著高于油松林((1.70±0.17) g/kg)和侧柏林((1.30±0.19) g/kg)。油松刺槐混交林的有机碳含量与天然次生林中的山杨林和荆条林碳汇效益明显,三者之间没有显著差异。

表2 不同植被类型有机碳含量统计值

表中不同大写字母表示不同植被类型土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)

2.4 生态恢复对土壤有机碳储量的影响

天然次生林、人工生态林、人工经济林的SOC储量较坡中农地都显著提高(P<0.05),生态恢复带来的土壤碳汇效益明显(表4)。天然次生林4 m剖面SOC储量为(166.40±42.90) t/hm2,比坡中农地的(58.73±4.73) t/hm2增加了183.33%；人工生态林和人工经济林4 m剖面SOC储量分别为(111.32±13.30) t/hm2和(104.60±7.10) t/hm2,分别比坡中农地高89.54%、78.11%。SOC储量表现为天然次生林高于人工生态林和人工经济林,坡中农地最低(P<0.05)。

3种生态恢复模式对土壤深层(1—4 m)SOC储量皆有明显增加。天然次生林、人工生态林、人工经济林的深层(1—4 m)SOC储量分别为(77.81±8.40) t/hm2、(65.55±7.71) t/hm2、(61.32±3.16) t/hm2,较坡中农地增加了109.43%、76.43%、65.06%。

25个取样点1—4 m深层SOC储量占整个4 m SOC储量的58.61%±9.15%,其中,2—4 m SOC储量占深层SOC储量的66.13%±4.60%。天然次生林对表层有机碳储量贡献较大,深层只占到4 m剖面的46.76%,人工生态林和人工经济林的深层土壤有机碳储量都占到了整个土壤剖面的58%以上(图3)。天然次生林和人工生态林深层单位深度土壤有机碳储量占比均一,100—200 cm有机碳储量约是200—400 cm的一半；而人工经济林100—200 cm有机碳储量占比较高。可能是人工经济林的整地措施对100—200 cm有机碳储量产生影响。

表3 不同植被类型下土壤有机碳平均含量

表中不同大写字母表示不同植被类型在同一土层土壤有机碳含量差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一植被类型在不同土层土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)

图3 三种生态恢复类型各层有机碳储量所占比例Fig.3 The proportions of SOC storage in each layer of the three ecological restoration patternsa是每20 cm土层有机碳储量所占比例；b是0—20 cm、20—100 cm、100—200 cm、200—400 cm土层有机碳储量所占比例

3 讨论

3.1 不同植被类型间有机碳储量的差异性

植被是SOC含量垂直分布的重要控制因子[30]。一方面,碳是构成植被体的骨架元素[31],植被类型不同,碳骨架也随之不同,进入土壤中的植被残体量以及根系生物量存在较大差异,进而造成土壤中有机物向下输入的数量和质量[32]以及土壤有机质的分解速率不同[33-34]；另一方面,不同的植被类型会在其下垫面形成独特的小气候,影响微生物活性,进一步影响凋落物的分解[35]。

三种恢复模式中天然次生林SOC储量最高,是人工生态林、人工经济林、坡中农地的1.49、1.59、2.83倍,与孙文义等[21]对黄土区天然次生林各层 SOC储量研究结果一致,混交林的土壤碳汇能力与天然次生林相似,40 cm以下SOC含量显著高于(P<0.05)刺槐林、油松林、侧柏林,有机碳储量分别是它们的1.37、1.73、2.14倍。表明天然次生林的土壤碳汇能力高于其他恢复模式。主要是由于天然次生林具有完整的群落结构,且微生物的多样性指数和丰度均高于人工林[36],生态系统和碳循环相对良好稳定。而混交林能够通过增加林地的物种多样性,提高林分结构的稳定性,有利于有机碳的积累[37]和改善生产力[38],董敏慧等[39]发现松树樟树混交林的土壤微生物碳氮含量均高于两种纯林,本研究结果与其一致。

人工经济林与人工生态林的碳汇效益没有显著差异,甚至经济林碳储量略高于某些人工生态林树种,且在100—200 cm处土壤有机碳储量与其他模式相比仍占比较大。整地如深耕使有机碳快速到达土壤深层,增加了SOC的稳定性及深层SOC储量[40]。当前,关于经济林碳汇效益方面存在不同的认识,一些研究指出经济林的建设会造成SOC降低[12],但陈磊等[41]指出苹果园有利于SOC的固存。原因可能与区域自然条件、经济林树种、经营管理方式等因素有关[42]。

研究发现河谷农地有机碳储量最高,为(203.84±20.04) t/hm2,显著高于坡中农地,且单位深度的土壤有机碳储量都处在较高水平。可能是河谷农地地势低洼,地形平坦,卯坡侵蚀土壤和上游泥沙汇集于此,带来大量土壤有机碳就地沉积埋藏；河谷农地利于地下水的汇集,导致表层水溶性碳向深层淋溶更加明显[43]；加之充足的水分[42]和长期耕作培肥,造成河谷农地有机碳储量较高。

3.2 深层土壤有机碳的重要性及其影响因素

森林生态系统的SOC储量经常会被低估。本研究中表层20 cm的SOC储量占4 m土壤有机碳库的20.02%±8.54%,20 cm以下为79.98%±8.54%。与Lal[1]指出的0.3—3 m土层占3 m土壤有机碳库的77%一致。虽然研究中60 cm以下SOC含量((1.81±0.88) g/kg)显著低于0—20 cm的SOC含量((11.03±7.51) g/kg),但黄土区土层常厚达数十米以上,所以深层(1—4 m)SOC不容忽视。任何增加新鲜有机碳的土地利用和农业措施变化都会刺激古代埋藏层碳的损失[9],Mu等[44]发现青藏高原深层冻土层会释放温室气体加剧全球气候变化,深层SOC储量如此之大,会对全球气候变化产生深刻影响。另一方面,在估算该区退耕还林草的土壤碳汇量时,应该考虑深层土壤的有机碳储量,否则会明显低估退耕还林草的土壤碳汇效应[7]。

SOC含量随土壤深度的增加而降低,且深层SOC含量变化不大,这与多数研究结果一致[25,45]。在本研究中,深层(1—4 m)SOC含量在1.62—2.01 g/kg之间；在陕西神木,深层SOC含量几乎在1.00 g/kg以下[2]；整个黄土高原横断面上,深层SOC含量在1.49—2.01 g/kg之间[32],表明深层SOC含量较低。原因可能是凋落物和根系为表层土壤提供了丰富的碳源[12, 21],而碳供应量随土壤深度的增加而迅速减弱,且黄土区深层水分匮缺,细根分布较少,导致植被根系转化为SOC较少[24]；另外,在较深土层中,SOC分解在很大程度上受土壤通气状况影响[46],深层土壤空隙水分含量较低,通气条件较好,可促进SOC的分解[47],造成深层SOC含量较低。各植被类型100—400 cm的SOC储量变化不大,变异系数极低为1.50%±0.54%,Balesdent等[48]研究发现 1—2 m处土层放射性有机碳表观年龄约有95%为50年以前,说明深层土壤环境随深度变化较小,造成1—4 m间的SOC变化不大。

土壤碳汇能力取决于土层深度、黏粒含量及矿物属性、植物有效持水能力、土地利用动态、有机碳本底值等[1]。许明祥等[7]研究发现土地利用动态解释了79.7%的土壤有机碳变异性,而地形影响极小；相反,孟国欣等[24]指出地形对土壤有机碳影响较大,解释了22.02%的土壤有机碳变异性。可以发现影响土壤有机碳的因素综合复杂。生态恢复对土壤深层有机碳积累的影响过程与机制,是当前生态恢复对土壤碳循环调控领域的重要研究命题。由于大多数研究都采用“空间代替时间”的研究方法,不可避免的对研究结果带来一定的变异性[47],进而在解释植被对深层有机碳的贡献时会造成一定的影响。今后的研究需要加强在时间尺度和有机碳本底值的研究,避免空间变异的影响,正确评估生态恢复的碳汇速率及碳汇量。

4 结论

(1)生态恢复能够显著增加SOC储量,天然次生林和人工混交林是碳汇效益良好的生态恢复模式。天然次生林有机碳储量((166.40±42.90) t/hm2)比坡中农地显著(P<0.05)增加183.33%,是人工生态林、人工经济林的1.49、1.59倍；而混交林((160.47±18.17) t/hm2)的碳汇效益与天然次生林((166.40±42.90) t/hm2)相近。

(2)在评估生态恢复碳汇效益和估算土壤碳库总量时,深层SOC储量地位显著。深层(1—4 m)SOC储量约占4 m剖面的(58.61±9.15%,2 m以下土壤有机碳储量((49.94±22.35) t/hm2)占深层土壤有机碳的66.13%±4.60%。天然次生林、人工生态林和人工经济林1 m以下有机碳储量分别占4 m剖面的 46.76%、58.89%、58.62%。

(3)生态恢复碳汇效益表现出显著的表聚性特征,SOC含量在0—60 cm随深度增加迅速降低,从(11.03±7.51) g/kg减少到(2.40±0.93) g/kg,降幅达78.22%；60—400 cm SOC含量变化较为稳定,含量较低为(1.81±0.88) g/kg。