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陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要部分,土壤是陆地生态系统最大的碳库。有研究表明:陆地生态系统中土壤有机碳储量比大气中高2~3倍[1]。土壤有机碳是土壤碳库的重要存在形式,也是维持陆地生态系统结构和功能的重要基础[2]。但是由于自然因素或者人为破坏造成的陆地生态系统退化已经严重影响了土壤碳库的稳定和固持能力,甚至成为仅次于化石燃料燃烧的人为二氧化碳排放源[3]。植被恢复普遍被认为是提升退化土壤有机碳固持能力的有效措施[4],然而土壤碳库恢复往往滞后于植被,且不同植被恢复模式之间差异较大[5]。因此,研究不同植被恢复模式下土壤有机碳储量特征对正确认识退化区域土壤固碳潜力和可持续恢复具有指导意义。
在植被恢复过程中土壤有机碳的积累存在很大的不确定性,与造林前相比,植被恢复后土壤有机碳增加、减少或者无显著变化的报道均有存在[6]。这主要是由于造林打破了原生态系统土壤有机碳输入与输出的动态平衡,可能需要几十年的时间才能达到新的平衡,因此土壤有机碳主要取决于造林前储存碳的分解[7]。此外,人工造林与植被自然恢复作为退化生态系统非常重要的植被恢复模式,两者的土壤固碳能力大小也存在争议。WEI等[5]研究表明:人工造林的土壤固碳能力显著高于自然植被恢复,而JIN等[8]认为:自然植被恢复比人工造林更利于土壤固碳。这是因为2种植被恢复模式在经营管理、物种组成、微气候、根系周转及分泌物、凋落物等方面都存在很大差异[9],从而导致土壤碳汇效应差异,因此,分析不同人工恢复模式与自然恢复模式下的土壤碳汇效应对探讨其在调节碳平衡中的作用和贡献具有重要意义。
水利部监测结果表明:南方红壤丘陵考察区共有水土流失面积13.12万km2,约占土地总面积的15%,已经成为仅次于黄土高原的第二大土壤侵蚀区[10]。目前,已有学者对南方红壤侵蚀区的土壤碳库特征做了初步研究,如李燕燕等[11]研究了红壤丘陵区不同植被恢复模式对土壤有机碳周转的影响,结果表明:马尾松Pinus massoniana林土壤有机碳来源于森林碳的比例高于木荷Schima superba林,但木荷林中土壤有机碳分解更慢;XIAO等[12]分析了赣南退化红壤区不同植被恢复年限土壤有机碳密度的动态变化特征,发现与裸地相比,经过4、14、24和34 a恢复,土壤有机碳固存能力分别为2.97、2.01、12.91和19.79 Mg·hm−2;辜翔等[13]采用时空代替法揭示了湘中红壤丘陵区植被恢复对土壤有机碳、碳密度的影响,结果表明:土壤有机碳随植被恢复的变化受到植被因子和土壤因子的共同影响。然而,红壤侵蚀区长期植被恢复后,不同植被恢复模式土壤有机碳质量分数、密度变化及其影响因素还缺乏较为系统的研究。此外,吕茂奎等[14]研究表明:红壤侵蚀地植被恢复 7~11 a,土壤非保护性有机碳质量分数显著增加,其分配比例也明显升高;恢复至 27 a后分配比例保持在较稳定水平,土壤有机碳的输入与微生物分解过程逐渐达到相对平衡状态。本研究以江西退化红壤森林植被恢复国家长期科研基地经过27 a人工植被恢复重建的6种林分为研究对象,以未加人工干扰的自然恢复地为对照,分析不同植被恢复模式土壤有机碳质量分数、密度的变化特征,探讨植物生物量及土壤性质变化对土壤有机碳储量的影响,为退化红壤区生态修复及碳库管理提供科学支撑。
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江西退化红壤森林植被恢复国家长期科研基地是典型红壤侵蚀退化丘陵区,地处江西省泰和县石山乡,26°54′~ 26°55′N,114°48′~ 114°49′E,为典型的亚热带湿润季风气候,水热资源丰富,年平均气温为18.6 ℃,年降雨量为1 726.0 mm,年平均日照时数为1 756.4 h。研究区土壤母质为第四纪红土,表层石砾含量较多,属于典型的红壤低丘岗。由于长期的乱砍滥伐、过度放牧、割灌铲草,导致土壤侵蚀严重、土地贫瘠,仅有一些干旱和半干旱草(狗牙根属Cynodon)零星分布,土壤有机质质量分数极低(6.5 g·kg−1)[5]。1991年选用湿地松P. elliottii、马尾松、晚松P. serotina、火炬松P. taeda、枫香Liquidambar formosana、樟树Cinnamomum camphora、木荷、油桐Vernicia fordii等树种,在该区采取不同配置模式开展荒山造林植被恢复试验研究,共有84个小班连片分布。目前,试验区已郁闭成林。
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在研究区内选取6种典型人工植被恢复类型(马尾松纯林、湿地松纯林、木荷纯林、湿地松-木荷混交林、马尾松补植木荷林和湿地松补植木荷林),每种植被恢复类型设置5个20 m×20 m的标准样地。此外,在基地外选择3个未加人工干扰的自然恢复样地作为对照(表1)。于2018年7月在每个样地内沿对角线均匀挖取3个土壤剖面,共99个剖面。已有研究表明:红壤侵蚀地不同植被恢复措施对于40 cm以下土壤有机碳质量分数影响不大[15]。因此,本研究以40 cm为采样深度,按0~10、10~20、20~30、30~40 cm分层, 从下而上采集土壤样品, 同时用环刀法测定土壤容重、含水率。
植被恢复模式 面积/hm2 优势种 恢复年限/a 胸径/cm 树高/m 马尾松纯林(PM) 17.16 马尾松 27 11.40±0.75 7.39±0.26 湿地松纯林(PE) 17.74 湿地松 27 17.32±2.05 8.98±0.74 木荷纯林(SS) 11.61 木荷 27 11.63±0.32 9.02±0.76 湿地松-木荷混交林(MES) 5.46 湿地松、木荷 27 13.64±0.47 9.33±0.63 马尾松补植木荷林(RMS) 19.07 马尾松、木荷 27 14.08±0.36 8.39±0.33 湿地松补植木荷林(RES) 14.81 湿地松、木荷 27 14.18±0.44 7.91±0.15 自然恢复样地(ck) 狗牙根、金樱子、狗尾草 27 说明:狗牙根Cynodon dactylon;金樱子Rosa laevigata;狗尾草Setaria viridis。马尾松补植木荷林初植为马尾松,2010年补植木荷;湿地松补植木荷林初植为湿地松,2006年补植木荷。胸径和树高数值为平均值±标准差。 Table 1. General characteristics of seven vegetation restoration patterns
对每个样地中胸径>5 cm的林木进行每木检尺,记录胸径、树高等,其次在每个样地沿对角线均匀布置5个1 m×1 m样方,收集样方内的全部凋落物,称湿质量后,将约300 g带回实验室。野外采集的样品带回实验室处理后用于测定相关指标。有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法(H2SO4-K2Cr2O7),土壤容重和孔隙度的测定采用环刀法,土壤含水率采用烘干法,pH采用电极法,全氮、全磷采用高氯酸-硫酸消煮法,全自动间断化学分析仪(Smart Chem 200 Alliance Corp.)上机测定[16]。
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土壤有机碳密度及有机碳储量参考CHEN等[17]的计算方法。土壤有机碳密度(DSOC)计算公式如下:DSOCi= CiρiHi(1−F)/10。其中:DSOCi为第i层土壤有机碳密度 (Mg·hm−2);Ci为第i层土壤有机碳质量分数(g·kg−1);ρi为第i层土壤容重 (g·cm−3),Hi为剖面深度(cm);F为粒径>2 mm的砾石质量百分比(%);10−1为单位转换系数。乔木生物量按照目前中国执行的立木生物量模型及碳计量参数标准[18−20]进行估算。
样品数据录入后,采用SPSS 27.0对不同植被恢复类型和不同土层深度的有机碳质量分数和有机碳密度差异进行单因素方差分析(one-way ANOVA),采用最小显著性差异(LSD) 法进行差异显著性检验(P<0.05);采用皮尔逊(Pearson)相关分析探究土壤有机碳密度的影响因素,使用Origin 2022和ArcGIS 10.8.1绘图。
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由图1可以看出:在0~20 cm土层中,退化红壤区6种人工植被恢复模式的土壤有机碳相较自然恢复样地均有显著增加(P<0.05);在20~30 cm土层中,除了马尾松纯林和湿地松纯林外,其余4种人工植被恢复模式土壤有机碳质量分数均显著高于对照(P<0.05);在30~40 cm土层中,仅有木荷纯林和湿地松-木荷混交林的土壤有机碳质量分数显著高于对照(P<0.05)。比较6种人工植被恢复模式发现,土壤有机碳在0~10 cm土层中木荷纯林显著高于湿地松纯林和马尾松纯林,湿地松-木荷混交林显著高于马尾松纯林(P<0.05);在10~20 cm土层中仅有木荷纯林显著高于湿地松纯林和马尾松纯林(P<0.05);在20~30和30~40 cm土层中6种人工植被恢复模式之间无显著差异。
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从图2可以看出:所有植被恢复模式不同土层的土壤有机碳质量分数分布规律基本一致,均表现出较强的表聚效应,即0~10 cm表层土壤有机碳最多,且随着土壤深度的增加土壤有机碳呈现减少的趋势,但不同植被恢复模式土壤有机碳层间差异不同。其中木荷纯林的层间差异最大,0~10 cm土层土壤有机碳质量分数与30~40 cm土层相差33.26 g·kg−1,其次为湿地松-木荷混交林、湿地松补植木荷林、马尾松补植木荷林、湿地松纯林、马尾松纯林,对照不同土层之间的差异最小,仅相差4.90 g·kg−1。不同植被恢复模式0~20 cm土层土壤有机碳质量分数均占0~40 cm土层的60 %以上。
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从图3可以看出:不同植被恢复模式之间土壤有机碳密度存在显著差异(P<0.05),其中在0~10、10~20和20~30 cm土层中,6种人工植被恢复模式的土壤有机碳密度均显著大于对照,在30~40 cm土层中除了湿地松纯林外,其余5种人工植被恢复模式的土壤有机碳密度均显著大于对照(P<0.05)。比较6种人工植被恢复模式发现,在0~10 cm土层中,木荷纯林的土壤有机碳密度显著大于湿地松纯林和马尾松纯林,湿地松-木荷混交林的土壤有机碳密度显著大于马尾松纯林(P<0.05);在10~20 cm土层,木荷纯林、湿地松-木荷混交林和马尾松补植木荷林的土壤有机碳密度显著大于马尾松纯林(P<0.05);在20~30和30~40 cm土层,木荷纯林的土壤有机碳密度显著大于马尾松补植木荷林、湿地松补植木荷林、马尾松纯林和湿地松纯林(P<0.05)。总体而言,土壤有机碳密度变化呈现出随土壤剖面深度的增加而减少的趋势。
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从图4可以看出:土壤有机碳密度与土壤理化性状和植被因子之间均存在显著相关性。其中,土壤有机碳密度与土壤有机碳质量分数(r=0.932,P<0.01)、土壤含水量(r=0.258,P<0.01)、土壤孔隙度(r=0.533,P<0.01)、土壤全氮质量分数(r=0.674,P<0.01)、土壤全磷质量分数(r=0.268,P<0.01)、凋落物现存量(r=0.254,P<0.01)、凋落物碳质量分数(r=0.229,P<0.05)、凋落物氮质量分数(r=0.322,P<0.01)、凋落物磷质量分数(r=0.246,P<0.05)、地上部分生物量(r=0.243,P<0.01)和地下部分生物量(r=0.237,P<0.01)呈显著或极显著正相关,与pH (r=−0.367)和土壤容重(r=−0.336)呈极显著负相关(P<0.01)。土壤有机碳密度与土壤有机碳质量分数相关系数最大,与地下部分生物量的相关系数最小。总体上看,土壤理化性状和植被因子对土壤有机碳的影响与土壤有机碳密度基本一致。
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表2为研究区经过27 a植被恢复与重建后不同植被恢复模式的土壤有机碳储量。从表2可以看出:0~40 cm土层土壤有机碳储量从高到低依次为木荷纯林、湿地松-木荷混交林、马尾松补植木荷林、湿地松补植木荷林、湿地松纯林、马尾松纯林,与对照相比,土壤有机碳储量分别增加了50.12、42.73、38.20、33.03、26.93和20.85 Mg·hm−2,最大提升了2.46倍,最小提升了1.02倍,说明人工植被恢复对促进土壤有机碳积累效果显著。
土层深度/cm 土壤有机碳储量/( Mg·hm−2) 马尾松纯林 湿地松纯林 木荷纯林 马尾松补植木荷林 湿地松补植木荷林 湿地松-木荷混交林 自然恢复样地 0~10 16.56 20.28 31.19 27.18 24.92 29.03 6.06 10~20 9.68 12.16 15.00 13.78 11.88 14.11 5.51 20~30 8.30 8.63 13.62 10.01 9.11 10.96 4.98 30~40 6.72 6.27 10.72 7.64 7.53 9.04 3.86 0~40 41.26 47.34 70.53 58.61 53.44 63.14 20.41 Table 2. Soil organic carbon stocks in revegetated red soil areas with degradation
Characteristics and influencing factors of soil carbon stocks in different vegetation restoration models in red soil erosion areas
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230408
- Received Date: 2023-07-14
- Accepted Date: 2023-10-27
- Rev Recd Date: 2023-10-16
- Available Online: 2024-01-19
- Publish Date: 2024-02-20
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Key words:
- red soil erosion area /
- vegetation restoration /
- carbon density /
- distribution characteristics /
- soil carbon sequestration
Abstract:
Citation: | LI Peng, LIU Xiaojun, LIU Yuanqiu, TAO Lingjian, FU Xiaobin, MAO Menglei, LI Wenqin, WANG Chen. Characteristics and influencing factors of soil carbon stocks in different vegetation restoration models in red soil erosion areas[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(1): 12-21. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230408 |