武陵石漠山地林分表层土壤有机碳密度分布特征研究

吴 敏, 陈 瑞, 李 贵, 刘振华, 童方平

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省优质用材工程技术研究中心， 湖南 长沙 410004)

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库，约为陆地生态系统碳库的2/3， 其有机碳储量超过全球大气及陆地植物碳储量的总量，全球大气、陆地植物有机碳储量分别约为土壤有机碳储量的1/2、1/3[1-2]。土壤碳库与大气中CO2浓度及气候变化具有精密的关联性，土壤通过土壤呼吸充当大气CO2的“源”，同时通过有机碳的净积累成为CO2的“汇”，因此土壤有机碳库在陆地生态系统碳循环中具有极为重要的地位[3-4]。森林土壤是全球土壤有机碳最大的储存库，约储藏全球土壤有机碳的73%[5]，此外土壤有机碳也是土壤肥力的关键指标，因此土壤有机碳具重要的研究价值。植被类型差异导致凋落物量和根系生物量不同，使土壤表层及内部形成不同的微气候[6]，同时表层土壤对人为干扰及环境变化敏感度最强，且表层土壤有机碳密度大于深层土壤[7-8]，因此不同植被类型及林分结构，其表层土壤有机碳密度差异最显著[9]。

石漠化地区土壤侵蚀严重，生态环境脆弱，但经过人为干预手段恢复植被，减少土壤侵蚀后，喀斯特石漠化地区将成为未来重要的“碳汇库”之一。目前我国喀斯特地区土壤有机碳密度分布特征的研究尺度目前主要集中在全国或区域尺度上进行[10]，而针对喀斯特石漠山地森林植被表层土壤有机碳的研究相对较少，因此开展武陵石漠山地林分表层土壤(0～20 cm)有机碳密度分布特征研究的意义重大。本文以湖南省龙山县、桑植县及花垣县石漠山地为代表的武陵山地为例，选取3个典型喀斯特石漠化综合治理区作为研究对象，主要从不同石漠化等级和植被恢复林分研究表层土壤有机碳密度特征，并初步探讨武陵石漠山地植被恢复区域林分土壤表层有机碳密度的主要影响因子，为石漠山地植被恢复及生态服务功能提供参考。

1 研究区概况

3个研究区分别位于湖南省武陵石漠山地区域——张家界市桑植县、龙山县及湘西土家族苗族自治州花垣县境内，属于中亚内陆季风气候区，海拔在547～1200m之间，年平均气温为15.8～17.0 ℃，年平均降水量1400～1560mm，年平均日照时数1440h，无霜期为269d。土壤微酸性至中性，土壤主要为山地黄棕壤、石灰土。植被以亚热带常绿落叶针阔混交林为主，原生植被基本上被破坏，现以次生林为主，自然植被在区域中所占比重较小，其中常见乔木主要以马尾松、柏木、杉木、黄樟等为主。

表1 研究区域基本概况Tab.1 Basic situation of the study areas研究区海拔/m地貌土壤类型石漠化等级林分模式数量轻度4桑植县(SZ)(西界国有林场)400～850 山地石灰土中度10重度轻度3龙山县(LS)(万宝山国有林场)100～1 200山地石灰土中度4重度7轻度花垣县(HY)(高坡懂)547～611 山地石灰土中度重度3

武陵石漠山地桑植县境内西界国有林场主要为轻度至中度石漠化，龙山县境内万宝山国有林场为轻度至重度石漠化，花垣县境内高坡懂为重度石漠化。桑植县西界国有林场林分乔木组成主要为杉木、马尾松、枫香、刺楸、樟树、麻栎等，龙山县万宝山国有林场林分乔木组成主要为马褂木、灯台树、枫香、蓝果树、杉木等，花垣县高坡懂林分乔木组成主要为马尾松、栾树、女贞、紫薇等。

2 研究方法

2.1 野外调查取样

2017年9月—11月进行野外样品的采集，记录不同植被造林时间和经营状况、土壤及其厚度、海拔、林木及其林下植被的生长状况等。 每个群落设定6个30 m×30 m的方形样地，样地间隔1 000 m以上。每个样地内随机设置2个1 m×1 m取样样方，每个样方内选取3个样点。由于所选石漠化样地土壤石砾较多，土层厚度较小，因此采集土壤样品为表层土壤样品(20 cm以内)，用直径5 cm土钻(石漠山地土壤分布异质性较大，随机取3～5钻样品混合)从地表竖直向下采集表层土壤。挖开土壤剖面，在剖面土壤层中部平稳打入环刀，待环刀全部进入土壤后，用铁锹挖去环刀周围的土壤，取出环刀，脱出环刀上端的环刀托，用削土刀削平环刀两端的土壤，称量土壤样品鲜重量，将样品带回室内。

2.2 土壤样品分析

将土壤样品置于105 ℃烘箱内烘干至恒重，称量烘干土重量，最后按照环刀法计算方法测定土壤容重。将烘干的样品磨细后过2 mm筛。采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定碳含量，测定土壤样品有机碳(HJ-615-2011-土壤-有机碳的测定-重铬酸钾氧化-分光光度法)。因实验用量较少，采用四分法对其取样，再次烘干至恒重。

2.3 数据分析

土壤碳密度的计算(有机碳)基于土层碳含量、土壤容重、土层厚度，土壤碳密度(DSOC，(t·hm-2))计算公式为：

式中：Ci为土壤碳含量(g·kg-1)；Di为土壤容重(g·cm-3)；Ei土层厚度(cm)；Gi为直径>2 mm的石砾所占体积百分比(%)；k为土层数。

应用 Excel 2013、 SPSS 10.0进行数据统计分析与处理。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳密度的一般统计特征

从3个典型武陵石漠化区域31个林分模式的土壤样品分析可知：武陵轻度、中度、重度石漠山地林分样地土壤有机碳密度变幅为0.93～11.11 t·hm-2，平均值为4.32 t·hm-2，极差为10.18 t·hm-2，最大值是最小值的11.95倍。其中，桑植县石漠化区土壤有机碳密度变幅为3.54～11.11 t·hm-2，平均值为5.26 t·hm-2，极差为7.57 t·hm-2，最大值是最小值的3.14倍；龙山县和花垣县石漠山地林分土壤有机碳密度变异较小，其变幅分别为2.50～4.64、0.93～2.61 t·hm-2，平均值分别为3.71、1.99 t·hm-2。桑植县和龙山县设置了无林地土壤样品作为对照，其有机碳密度分别为3.16，3.38 t·hm-2，小于同等级石漠化山地有林地土壤有机碳密度(表2)。

本调查研究中武陵山地石漠化演替过程中由轻—中—重度典型阶段石漠化植被修复样地土壤有机碳密度变幅为0.93～11.11 t·hm-2，而湖南省不同森林类型土壤有机碳密度介于31.722～45.854t·hm-2之间[11]，可见以桑植县、龙山县、花垣县石漠山地为代表的喀斯特石漠山地林分土壤有机碳密度远小于一般地区土壤有机碳密度，且3个典型武陵石漠化区域中桑植县石漠山地林分土壤有机碳密度变异性较大，龙山县和花垣县石漠山地林分土壤有机碳密度变异性较小，这与各林分林地的石漠化程度、林分结构、林龄等有一定关系。

表2 主要林分类型及其土壤有机碳密度(平均值±标准误) Tab.2 The soil organic carbon density of main stand types(mean±standard error)地区林分类型编号林龄/a平均胸径/cm郁闭度林分密度/株·hm-2 海拔/m石漠化等级土壤有机碳密度/(t·hm-2)土壤有机碳密度排序红榉S153.950.501 920550轻度3.55±0.52 cd238柏木2其它阔叶树S2269.230.851 755600中度4.85±0.84 bc93柏木2杉木1马尾松4马褂木S33413.160.80825800轻度11.1±0.59 a14杉木3柏木3马褂木S43413.260.80900800轻度4.97±1.07 bc73柏木2杉木2马褂木3其它阔叶树S53413.290.78765800轻度5.85±0.59 bc37马尾松3其它阔S62917.100.801 170600中度5.66±0.69 bc46马尾松3杉木1香椿S72915.160.801 050600中度5.02±0.48 bc6桑植县4杉木4马尾松2其它阔叶树S82913.770.901 665600中度5.15±0.83 bc52马尾松2柏木1木杉2黄樟3其它阔叶树S92911.080.901 815400中度6.24±0.84 b22杉木1马尾松1柏木2黄樟2朴树2其它阔叶S102910.230.751 320400中度4.82±0.41 bc102马尾松1柏木3黄樟4其它阔叶树S112912.010.751 185400中度4.73±0.55 bc114马尾松4黄樟2其它阔叶树S122915.680.75915470中度4.47±0.47 bc143马尾松1柏木2黄樟2栎类2其它阔叶树S132914.530.75975470中度4.39±0.74 bc153马尾松3刺楸2黄樟2其它阔叶树S142915.160.851 305470中度4.94±1.05 bc8对照CK-S————850中度3.16±0.63 cd27

续表2 主要林分类型及其土壤有机碳密度(平均值±标准误) Continued Tab.2 The soil organic carbon density of main stand types(mean±standard error)地区林分类型编号林龄/a平均胸径/cm郁闭度林分密度/株·hm-2 海拔/m石漠化等级土壤有机碳密度/(t·hm-2)土壤有机碳密度排序5缺萼枫香5马褂木1蓝果树S15106.840.721 2901 130重度3.43±0.55 cd253缺萼枫香3马褂木2蓝果树2其它阔叶树S16107.550.708551 130重度4.13±0.88 c19缺萼枫香S17107.310.708251 109重度2.50±0.21 cd312落叶松4香果树2马褂木2灯台树S18109.410.751 0351 109重度4.50±0.66 bc133灯台树3山桐子4其它阔叶树S19107.860.687501 109重度3.99±0.25 cd203灯台树3马褂木4其它阔叶树S20109.980.751 5001 100重度2.94±0.78 cd286蓝果树4其它阔叶树S21108.490.751 6051 100轻度3.44±0.56 cd24龙山县3杉木6蓝果树1灯台树S22109.750.701 1101 100轻度2.55±0.28 cd301杉木7蓝果树2其它阔叶树S231010.700.751 3051 150轻度4.14±0.55 c188缺萼枫香2其它阔叶树S24107.690.688851 150中度3.58±0.75 cd223杉木2缺萼枫香2灯台树1香椿S25107.190.752 0851 150中度4.35±0.67 bc162杉木4缺萼枫香3灯台树1香椿S26107.280.751 9951 120中度3.76±0.50 cd212杉木4缺萼枫香3灯台树1浙江柿S27107.830.701 2151 120中度4.64±0.55 bc128杉木2香椿S284312.390.752 0251 135重度4.32±0.63 c17对照CK-L————1 167中度3.38±0.87 cd265马尾松4栾树1女贞S2954.930.46 945611重度2.42±0.02 cd32花垣县3栾树1女贞6紫薇S3055.220.45 415547重度2.61±0.08 cd297马尾松3女贞S3155.510.43 165547重度0.93±0.30 d33平均———————4.32±1.21

3.2 不同石漠化等级土壤有机碳密度

从石漠化等级来看，轻度、中度、重度石漠化样地分别为7、14及10个，土壤平均有机碳密度表现为轻度石漠化>中度石漠化>重度石漠化，其土壤平均有机碳密度分别为5.09、4.76、3.18 t·hm-2，分别介于2.55～11.11，3.58～6.24，0.93～4.5 t·hm-2之间，其中中度石漠化土壤有机碳密度极差最小为2.66 t·hm-2，轻度石漠化土壤有机碳密度极差最大，为8.56 t·hm-2，见表3。

表3 不同石漠化等级林分模式土壤有机碳密度Tab.3 The soil organic carbon density of different levels of rocky desertification石漠化等级样地数量土壤有机碳密度/(t·hm-2)平均有机碳密度/(t·hm-2)林分模式轻度石漠化72.55～11.115.09S3(34 a)、S5(34 a)、S4(34 a)、S23(10 a)、S1(5 a)、S21(10 a)、S22(10 a)中度石漠化143.58～6.244.76S9(29 a)、S6(29 a)、S8(29 a)、S7(29 a)、S14(29 a)、S2(26 a)、S10(29 a)、S11(29 a)、S27(10 a)、S12(29 a)、S13(29 a)、S25(10 a)、S26(10 a)、S24(10 a)重度石漠化100.93～4.503.18S18(10 a)、S28(43 a)、S16(10 a)、S19(10 a)、S15(10 a)、S20(10 a)、S30(5 a)、S17(10 a)、S29(5 a)、S31(5 a)

3.3 不同林分土壤有机碳密度

本研究所选的样地中，桑植县混交林S3(3柏木2杉木1马尾松4马褂木，34 a)土壤有机碳密度最高，达到11.11 t·hm-2，显著高于其它林分土壤有机碳密度；其次为桑植县混交林S9(2马尾松2柏木1木杉2黄樟3其它阔叶树，29 a)、S5(3柏木2杉木2马褂木3其它阔叶树，34 a)，土壤有机碳密度分别为6.24、5.85 t·hm-2；花垣县混交林S31(7马尾松3女贞，5 a)土壤有机碳密度最低，仅为0.94 t·hm-2，其次为花垣县混交林S29(5马尾松4栾树1女贞，5 a)，龙山枫香纯林S17(缺萼枫香，10 a)，土壤有机碳密度分别为2.42、2.50 t·hm-2。

由于本调查研究所有样地的石漠化等级、林分样地等具有一定的局限性，因此针对林分结构对土壤有机碳密度影响的研究主要集中在桑植中度石漠化山地29 a林分及龙山县重度石漠化山地10 a林分，幼林阶段林分土壤有机碳密度表现为针阔混交林>阔叶纯林，且针阔混交林中针叶树种占比50%～70%的林分其有机碳密度较高。

3.4 土壤有机碳密度与石漠化等级、林龄及林分密度相关性

据土壤有机碳密度与石漠化等级、林龄及林分密度的相关性分析，可知土壤有机碳密度与其石漠化等级、林分密度呈现出显著相关性。其中与石漠化等级呈负相关，石漠化等级越高，土壤有机碳密度越小；与林龄呈正相关性，且与林龄达到极显著的相关性，P值达0.655(表4)。

表4 土壤有机碳密度与石漠化等级、林龄及林分密度相关性Tab.4 Correlation analysis of soil organic carbon density土壤有机碳密度石漠化等级林龄林分密度土壤有机碳密度Person 相关性1.000-0.442* 0.655**-0.402*显著性(双侧)0.013 0.0000.025石漠化等级Person 相关性1.000-0.2900.349显著性(双侧) 0.1130.054林龄Person 相关性 1.000-0.364*显著性(双侧)0.044林分密度Person 相关性1.000显著性(双侧) 注: *表示在0.05水平上(双侧)显著相关,**表示在0.01水平上(双侧)显著相关。

本调查研究中林分密度在不同石漠化地不一致，林分密度较大的林分林龄较小，且多分布于中度石漠化地，因此林分密度与土壤有机碳密度的相关系数代表性不大，而相同石漠化等级的同龄林，其林分密度与土壤有机碳密度在一定程度上呈正相关性趋势。由此推测在本调查研究区域对土壤有机碳密度影响较大的为林龄及石漠化等级。

4 结论与讨论

(1)龙山县、桑植县及花垣县境内武陵石漠山地为代表的3个典型喀斯特石漠化综合治理区石漠化演替过程中轻-中-重度典型阶段石漠化植被修复样地土壤有机碳密度变幅为0.93～11.11 t·hm-2。土壤平均有机碳密度表现为轻度石漠化>中度石漠化>重度石漠化，分别为5.09、4.76、3.18 t·hm-2，远小于湖南省内一般森林类型土壤有机碳密度，3个典型武陵石漠化区域中桑植石漠山地林分土壤有机碳密度变异性较大，龙山县和花垣县石漠山地林分土壤有机碳密度变异性较小。这与各林地的石漠化程度、林分结构、林龄等有关，龙山县、花垣县石漠山地林分处于幼林阶段，对土壤有机碳密度影响程度较小。桑植石漠山地林分林龄跨度较大，有5 a的新造林和34 a的成熟林，林龄较大的林分对其土壤有机碳密度影响较大。

(2)土壤有机碳密度与其石漠化等级、林龄呈现出显著相关性，其中与石漠化等级呈负相关，石漠化等级越高，土壤有机碳密度越小。随着石漠化程度增加，水土流失越严重，其裸岩聚集效应逐渐增强，相应土壤养分流失越大，养分循环周期长[12]，从而使得土壤有机碳密度减小，碳汇功能减弱。土壤有机碳密度随其林龄的增加而增大，成熟林显著高于中龄林与幼龄林，一方面随着林龄增加，其年凋落物的数量增多，成熟林与中龄林的年凋落物量显著高于幼林龄，相对庞大的凋落物量为土壤微生物代谢活动提供了大量的原料；另一方面随着林龄的增长，其根系更发达，表层细根生物量较大，由根系代谢产生更多的有机质和分泌物也会促使土壤表层有机碳的积累[13]。

(3)幼林阶段林分结构对土壤有机碳密度影响表现为：针阔混交林>阔叶纯林，且针阔混交林中针叶树种占比较高的林分其有机碳密度较高，一方面与林分本身的结构有关，包括林分树种、配置比例；另一方面与树种有机碳密度差异有关，此外土壤有机碳密度与植被凋落物分解及土壤本身呼吸作用有一定关系[14]，不同植被类型或林分结构通过其林地枯落物的产量和质量间接影响其土壤微环境，从而影响土壤物理特性、土壤微生物活动及森林土壤碳汇调节功能[15-16]。土壤表层有机碳密度与林龄呈显著性正相关，因此推测幼林阶段林分组成对土壤有机碳密度的影响能代表林分整个发育阶段。林分密度作为决定林分结构的重要因素，在已有的研究结果表明，土壤有机碳密度随林分密度增大先增大再减小[17]、增大[18]、相关性不显著[19]三种变化趋势，产生差异的原因可能是与研究林分密度的范围、调查样本的数量、时间跨度等有关。本调查研究中在同石漠化等级、同龄林中土壤有机碳密度大体呈现出随着林分密度的增大而提高的趋势。在武陵石漠山地植被修复造林中可以营建针阔混交林为主，并以马尾松、杉木、柏木为代表的针叶树种为主要乔木树种，同时适当提高造林密度。