开采对矿区天然森林生态系统碳损失量的影响

邹 航,宋娅丽,王克勤,张转敏,邢进梅

(西南林业大学生态与环境学院,650224,昆明)

森林生态系统是陆地生态系统的主体和最大的碳库，碳总量约为1 146 Pg，约占全球植被碳储量的86%，土壤碳储量的73%，在土壤和生物圈化学过程中起着重要作用，森林生物量与碳循环密切相关[1-2]。

经济快速发展情况下，对矿产资源的需求随着经济的快速发展而增加，然而对这些资源的不合理开采在很短的时间内对森林生态系统造成严重损害[3-4]，长期以来，大量矿区废地在没有人类干预的情况下被弃置，环境已经无法自我恢复[5]。而且，尽管我国的矿物资源多种多样，自给自足程度较高，但开采水平和速度的提高也给采矿和采矿区造成了日益严重的环境问题[6]。调查至2017年底，国内碳资源储量为156.63亿t，在矿区每开采万吨煤，破坏土地面积为0.22 hm2，其中土地直接被破坏面积为0.12 hm2，年土地破坏和占有面积达到1万hm2[7-8]。矿区森林生态环境的持续退化、土壤侵蚀、生物多样性的大幅度减少和土壤退化，导致植被和土壤中的碳储存量大幅度减少[9]。我国的采矿业历史悠久，但1949年前尚未对被遗弃的矿场进行系统的生态恢复研究[10]，直到这些系统的矿区生态修复建立，相比其他发达国家矿区生态修复较晚[11]。因此，笔者以临近矿区未被人为开采破坏的森林生态系统为研究对象，通过研究森林生态系统的碳储量得出矿区生态系统的碳损失量，以期为提高矿区土壤质量、增加植被层碳储备，为修复矿区生态系统提供理论依据。

1 研究区概况

矿区位于云南省山壮族、苗族自治州，道路均为沥青路面，属国家二级、三级公路，交通便利。该矿区于20世纪70年代开始开采，我国对于矿区生态修复起步较晚，矿区未进行生态修复措施，其生态系统几乎已被破坏。矿区内无大的地表水体，水流均低于矿床主要矿体标高，与矿床充水水力联系较小，矿区所在地文山州主要植被类型属亚热带常绿阔叶林、针阔混交林，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)和恺木(Alnuscremastogyne)，地形复杂，海拔悬殊较大，矿区所属森林覆盖率低，树种组成单一，优势树种为杉木，其次是青冈类的阔叶树种，林种结构单一，为用材林和薪炭林。项目区林草覆盖率34.24%。土壤主要成土母质为石灰岩和第四纪红色黏土及近代沉积物。根据土壤普查资料，项目区分成为6个土类、12个亚土、16个土属、19个代表土种。项目区土壤主要有赤红壤、红壤、石灰(岩)土和水稻土。

2 研究方法

2.1 样地设置

矿区被开采后，无植被覆盖无植被恢复，碳损失量由矿区周围自然条件下森林植被碳储量来计量。本试验综合考虑矿区地形、立地条件、密度等因素，在矿区周围自然条件植被下设置3个20 m×20 m的乔木样方，确保各实验样地与各区域的气候、植被和其他条件相似。在每个乔木样地沿对角线方向设置5个5 m×5 m灌木丛样方，5个1 m×1 m草本群落样方，3个1 m×1 m凋落物样方用于灌木、草本、凋落物的取样。样地基本情况见表1。

表1 研究区域样地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the sample plot in the study area

2.2 样品采集

1)植物样品取样。采集每个样方内乔木不同器官(叶、枝、干、皮和根)、灌木层(叶、根和枝)和草本层(地上和地下部分)，同时对每种植物的花、叶、果实等特征以及生长情况拍照依据《中国植物志》及相关的著作、文献等，准确地鉴定野生植物的种、属，并做好外业调查表。记录乔木层测株数、种名、树高和胸径；记录灌木层和草本层种名、株数(丛数)、高度，估算盖度；凋落物按其与土壤接触距离和凋落物的结构划分为3个分解等级：未分解、半分解和已分解层,取样放入自封袋并测鲜质量。同时，将采集的乔木、灌木、草本和凋落物样品送回实验室，并在65 ℃下烘干至恒质量，以计算生物量。

2)土壤样品取样。在每个20 m×20 m的样方中，挖取5个土壤剖面，取回5个不同深度的混合土样。土壤层60 cm以下石砾占比较高，非土壤层，将土壤分为5个土层分别为0～10、10～20、20～30、30～40和40～60 cm，每1个土层都分别采集500 g左右的土壤样品。每1个土层的剖面都需用100 cm3规格的环刀取土壤样品，并把土壤样品在105 ℃的温度下进行烘干，然后测定密度。同时，分别采集每层泥土样品，去除小碎石等其他杂物，带回实验室将土壤样品进行自然风干之后开始磨碎过筛(100目)，用于土壤有机碳含量[12]的测定。

2.3 样地样品碳含量和碳损失量计算

采用重铬酸钾容量法对植物层和土壤层样品有机碳含量进行测定。植被层碳损失量由植被碳储量得到[13]：

VCS=OC×B。

(1)

式中：VCS为植被层碳损失量，t/hm2；OC为有机碳质量分数,%；B为单位面积生物量,t/hm2。

土壤层碳损失量由土壤碳储量得到：

Tn=∑CnPnDn。

(2)

式中:Tn为第n层土壤剖面深度内总土壤碳损失量，t/hm2；Cn为第n层中土壤有机碳质量分数，%；Pn为第n层土壤密度,g/cm3；Dn为第n层剖面深度。

2.4 数据分析处理

检验各林分碳损失量的差异性使用单因素方差分析(One-way ANOVA)，处理图表和进行数据分析使用Excel 2013和SPSS 20.0。

3 结果与分析

3.1 乔木层有机碳含量、生物量和碳损失量特征

如表2所示，乔木层有机碳质量分数表现为：干>叶>皮>根>枝，范围为48.05%～58.76%。乔木层生物量以干(198.76 t/hm2)最高，枝(143.04 t/hm2)和根(73.12 t/hm2)次之，叶(51.21 t/hm2)和皮(28.28 t/hm2)最小。树干的碳损失量占乔木层碳损失量的绝大部分，其碳损失量占乔木层的45.3%，其次为枝(25.8%)和根(12.8%)，最小的为叶(10.1%)和皮(6.0%)，表现为：干>枝>根>叶>皮。

表2 乔木层有机碳质量分数、生物量和碳损失量Tab.2 Organic carbon content,biomass and carbon loss of arbor layer

3.2 灌木层有机碳含量、生物量和碳损失量特征

从灌木的有机碳含量数据(表3)可见，从高到低排列顺序为枝>根>叶，灌木层各器官中，叶与根、枝存在显著差异(P<0.05)。灌木层各器官生物量与灌木有机碳含量的分布一致。枝在灌木层生物量中分布最高，其生物量占灌木层(44.7%)，其次为根(34.7%)，最低为叶(20.6%)，表现为枝>根>叶。不同林分在同一植被相比，不同生物量也不相同，不同器官也存在显著差异(P<0.05)。灌木层碳损失量主要的器官是枝，其碳损失量占灌木层的(54.0%)，其次为根(30.7%)，最小的为叶(16.3%)，表现为枝>根>叶。

表3 灌木层有机碳质量分数、生物量和碳损失量Tab.3 Organic carbon content,biomass and carbon loss of shrub layer

3.3 草本层有机碳含量、生物量和碳损失量特征

地下部分有机碳质量分数占草本碳含量的55.1%，其次为地上部分(44.9%)；有机碳含量表现为地下部分>地上部分(表4)。草本层生物量地上部分(10.15 t/hm2)高于地下部分(7.10 t/hm2)。同样，地上部分碳损失量占草本层的57.6%，其次是地下部分(42.4%)。

表4 草本层有机碳质量分数、生物量和损失量Tab.4 Organic carbon content,biomass and carbon loss of herbaceous layer

3.4 凋落物层有机碳含量、生物量和碳损失量特征

凋落物层有机碳含量表现为未分解层>半分解层>已分解层，显著差异(P<0.05)存在于不同器官有机碳含量，且随着凋落物的分解程度的增加而降低(表5)。凋落物层生物量分布以已分解层(6.96 t/hm2)最高，半分解层(3.59 t/hm2)次之，未分解层(1.24 t/hm2)最低，体现为已分解层>半分解层>未分解层，它们存在显著差异(P<0.05)。以凋落物层碳损失量来看，凋落物层碳损失量的分布最大的是半分解层，占其碳损失量灌木层(63.9%)，其次为半分解层(24.5%)，最低为已分解层(11.6%)。

表5 凋落物层有机碳质量分数、生物量和碳损失量Tab.5 Carbon content,biomass and carbon loss of litter layer

3.5 土壤层有机碳含量、密度和碳损失量特征

土壤碳含量受土壤深度和矿区样地影响最大。3个样地的土壤有机碳质量分数随土层深度的增加均显著降低(P<0.05)，不同土层有机碳含量分布以表土层(0～10 cm)最高，40～60 cm最低(表6)。影响土壤碳损失量的因素是土壤有机含碳量和密度，土壤中的碳损失量增加，土壤深度就会减少，改变的程度基本上与土壤中的碳含量一致。

表6 土壤层有机碳质量分数、密度和碳损失量Tab.6 Organic carbon content,density and carbon loss of soil layer

其中0～30 cm的土壤碳损失量在土壤总碳损失量中占64.2%，说明土层中的碳损失量大部分集中在表层土层。

3.6 生态系统有机碳含量、生物量(密度)和碳损失量特征

在植被层中，碳损失量由各组分有机碳含量与生物量共同决定，有机碳含量和生物量越高，碳损失量越高。森林生态系统中各组分有机碳质量分数的大小顺序表现为乔木层>土壤层>凋落物层>草本层>灌木层(表7)。在森林生态系统中，碳损失量的主体是乔木层，占了森林生态系统碳损失量的59.5%，其次是土壤层(37.1%)、灌木层(2.1%)、凋落物层(0.7%)和草本层(0.6%)所占比例较低。

表7 生态系统有机碳质量分数、生物量(密度)和碳损失量Tab.7 Organic carbon content,biomass (density)and carbon loss of ecosystem

4 讨论

我国矿山产业发展迅速，再加上国家政策对矿山作出的进一步调整，矿山产业优势虽逐渐明显，但矿山环境破坏和水土流失问题日益突出，导致植物和土壤碳储量严重流失[14]。本研究为了更好测定出矿区的碳含量与碳储量的降低量，选取矿区附近具有代表性未被破坏的森林生态系统作为研究对象，以探究矿区森林生态系统碳损失量。

乔木层、灌木层、草本层和凋落物层组成森林生态系统植被层[15]。本研究中碳含量因植被类型而异，通过实测碳含量和生物量得到矿区的碳损失量，使森林碳损失量的计算更为精确。森林生态系统中植物累积的主要形式是生物量，其分布受到区域气候条件、土壤类型、森林植被类型、植物年龄的限制[16]。矿区植被层的碳损失量主体是乔木层，植被层碳损失量的94.6%，并占森林生态系统的59.5%。在本试验中，植被层碳损失量不仅受到植被组成和树木年龄的影响，还受到区域气候、样地类型、环境光源、地域类型以及立地构成的影响[17]。乔木层不同器官碳损失量体现为根>枝>干>叶>皮，叶和皮的碳损失量较低是因为组织衰老而脱落导致碳循环能力变低。在植被类型中灌木层碳损失量占生态系统植被碳损失量的3%，但远高于草本层和凋落物层。草本层中地上部分碳损失量大于地下部分。凋落物层是森林中的碳进入植被和土壤的有效手段[18]，凋落物层中不同器官以半分解层的碳损失量最大。

表土层(0～10 cm)有机碳含量最高，40～60 cm土层最低。本研究矿区已开采多年，植被层与土壤层受损严重。若矿区未被开采，则该区域森林生态系统土壤碳储量较高，其原因是林下有许多灌木层和凋落物层，其分解有助于土壤碳元素的补充，也与土壤有机物的缓慢的分解和主要森林为针阔混交林和亚热带常绿阔叶林有关，均属于群落植物较为丰富的森林样地。但矿区由于人工开采使森林生态系统被破坏，导致矿区土壤层和植被层碳损失量较高。在本研究试验中，0～30 cm土层碳损失量占土壤总碳损失量的64.2%，高于Gruijter等[19]统计的全球各类土壤表层占土壤总碳储量的平均值(49.0%)，说明本试验中土壤表层的碳损失量是土层碳损失量的主体。

影响森林生态系统碳损失量的重要元素是样地的类型、植被的密度以及研究区森林自我经营方式。矿区森林生态系统碳损失量高于中国森林生态系统的碳储量平均值(258.8 t/hm2)[20]，说明矿区具有较强的碳损失能力，矿区碳含量较高，乔木层生物量较大((494.42±135.89)t/hm2)，从而使矿区碳损失量过高，并且土壤有机碳含量较大直接导致土壤碳损失量较高((169.9±12.7)t/hm2)，二者共同导致矿区生态系统碳损失量较高，也与矿区多年开采导致矿区无植被，土壤质量受损有关。综合以上分析研究区森林生态系统具有较高的碳储量，多年开采的矿区具有较高的碳损失量，应对矿区进行合理的保护，提高矿区土壤质量、增加植被层碳储备，使矿区样地受损土地恢复其生态完整性和土地生产力。

5 结论

1)通过研究样地森林生态系统植被层的碳储量得出矿区生态系统植被层的碳损失量，植被层生物量的主体是乔木层，其占94.6%；其次为凋落物，占3.4%；而林下层的草本层和凋落物层占比较小，分别为1.1%和0.9%。不同器官碳损失量在乔木层中表现为干>枝>根>叶>皮；灌木层碳损失量为枝>根>叶；草本层碳损失量为地上部分>地下部分；凋落物层碳损失量为半分解层>未分解层>已分解层。

2)土壤层中不同土层有机碳含量不同，0～60 cm土层平均碳含量最高为表土层(0～10 cm)，40～60 cm土层最低。土壤密度和土壤含碳量影响矿区土壤碳损失量，并且矿区土壤碳损失量随土壤深度增长而减少。0～30 cm表土层是土层碳损失量的主要集中的土层，占土层总碳损失量的64.2%。

3)矿区森林生态系统碳损失量主要为乔木层和土壤层，二者之和占矿区森林生态系统的96.6%，灌木层、草本层和凋落物层的碳损失量总和只占整个森林生态系统的3.4%。研究区森林生态系统具有较强的碳贮存能力，多年开采的矿区具有较高的碳损失量，应参照研究区样地森林植被类型对矿区采取植被恢复技术，提高矿区植被层碳储备量和土壤质量。