岷江上游山地森林－干旱河谷交錯帶不同土地利用類型土壤有機碳儲量

王憲帥，黃從德，王勇軍

（四川農業大學 林學院，四川 雅安625014）

土地利用類型是影響陸地生態系統碳循環的最大因素之一，也是僅次于化石燃料燃燒而使大氣CO2濃度急劇增加的最主要的人為活動。通過改變土地利用類型和土地管理方式來固定大氣CO2，以保護和增加土壤碳匯功能是減緩全球溫室效應至關重要的策略，也是土壤中潛在碳固定的關鍵。因此，準確確定土地利用變化對土壤有機碳儲量的影響，對科學認識陸地生態系統碳循環規律及制定緩解和應對氣候變暖的對策方面都具有重要的理論和現實意義。目前，國外學者系統的研究了不同土地利用類型相互轉變后土壤碳儲量的變化［1］。我國學者主要對華北地區、華南地區、東北地區及喀斯特地區的不同土地利用類型／方式下土壤有機碳進行了研究［2－5］。但由于土地經營方式、氣候和土壤類型等方面的差異，研究結果差異性還較大。

生態交錯帶（Ecotone）是全球氣候變化的最敏感地區，其主要特征就是生態系統的脆弱性，這種脆弱性集中反映在交錯帶是人地關系緊張區，區域內土地利用類型易受人為干擾。因此，對生態交錯帶不同土地利用類型土壤有機碳的研究，可以在全球氣候變暖的背景下，預測交錯帶土壤有機碳的變化，可為生態交錯帶土地利用和有效管理提供理論依據。但目前對交錯帶不同土地利用類型土壤有機碳的研究多集中在農牧交錯帶。如張平良的研究表明，在高寒農牧交錯帶種植老芒麥草和撂荒兩種植被恢復措施均能提高土壤有機碳含量［6］。李裕元的研究表明，在北方水蝕風蝕交錯帶，農田轉變為人工草地以后，以及人工草地向次生天然草地的演替過程中，土壤表現為明顯的碳匯［7］。岷江上游山地森林－干旱河谷交錯帶作為典型的生態過渡區，在抑制干旱河谷上延和延伸亞高山森林生態系統的功能等方面具有十分重要的作用，有關這一區域的土壤有機碳尚缺乏研究。因此，本文以四川省理縣山地森林－干旱河谷交錯帶的6種不同土地利用類型為研究對象，初步研究了6種土地利用類型的土壤有機碳含量和碳儲量及其在土壤剖面上的分布差異，旨在為山地森林與干旱河谷交錯帶土地利用和管理提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究地點位于岷江上游理縣桃坪鄉，海拔1 800～2 600m，屬典型的岷江上游山地森林與干旱河谷的交錯區。該區屬山地季風氣候，垂直氣候帶明顯，年平均氣溫11.0℃，＞10℃活動積溫3 200～3 800℃，無霜期190d，年降水量400～600mm；地表起伏巨大，相對高差達1 000m以上，地質活動頻繁，地形地貌類型復雜多樣；土壤受地貌、氣候和植被等因素的影響，在海拔梯度上發育了褐土、棕壤、暗棕壤、灌叢草甸土、草甸土、亞高山草甸土、高山草甸土、高山寒漠土；植被類型主要為干旱河谷灌草叢、常綠闊葉與落葉闊葉混交林、高山灌叢草甸。

1.2 標準地設置和樣品采集

在研究區域內的6種主要土地利用類型中分別設置面積為20m×20m的標準地3個（標準地概況見表1）。在每個標準地內按典型方式挖取土壤剖面3個，每個剖面按Ⅰ層（0－20cm）、Ⅱ層（20－40cm）和Ⅲ層（40－60cm）采集土壤樣品（60cm為研究區域內6種土地利用類型的涵蓋厚度）。

表1 標準地概況

1.3 土壤容重、有機碳含量的測定及碳儲量的計算

參照國家標準［8］，采用環刀法測定樣品容重（g／cm3）和重鉻酸鉀氧化－外加熱法測定樣品有機碳含量（g／kg）。

式中：Hi——第i層土壤的厚度（cm）；Bi——第i層土壤容重（g／cm3）；Oi——i層土壤有機碳含量（g／kg）；∮——第i層土壤的石礫含量（%），0.1為單位換算系數。

數據處理和分析采用SPSS13.0軟件和Excel進行。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量及垂直分布

由表2可見，6種土地利用類型的土壤剖面平均有機碳含量的大小順序為：天然川滇高山櫟次生林（17.52±7.77g／kg）＞灌木林地（17.06±7.31g／kg）＞灌叢地（15.52±6.22g／kg）＞經濟林（12.12±4.16 g／kg）＞人工刺槐林（10.81±2.86g／kg）＞農耕地（8.86±3.99g／kg），平均為13.65±3.56g／kg。5種林地（天然川滇高山櫟次生林、灌木林地、灌叢地、人工刺槐林和經濟林）類型中，天然川滇高山櫟次生林的土壤剖面平均有機碳含量高于灌木林地和灌叢地，顯著高于經濟林和人工刺槐林。5種林地類型的土壤剖面平均有機碳含量都高于農耕地，方差分析表明，除人工刺槐林外，其余4種林地類型的土壤剖面平均有機碳含量與農耕地均有顯著差異。可見，在交錯帶6種土地利用類型中，林地有機碳含量都大于耕地，而林地中以天然川滇高山櫟次生林的土壤有機碳含量最大。

經濟林（花椒）和刺槐林是研究區域內兩種主要的退耕還林植被類型。與農耕地的土壤剖面有機碳含量（8.86±3.99g／kg）相比，經濟林和刺槐林的土壤剖面平均有機碳含量分別高36.73%和21.93%，而經濟林的土壤剖面平均有機碳含量高于人工刺槐林。原因是為了提高經濟林的產量，經營者每年向林下施用有機肥，增加了有機碳的輸入。差異性檢驗表明，人工刺槐林的土壤有機碳含量高于農耕地，但差異不顯著，而經濟林的土壤剖面有機碳含量顯著高于農耕地。這說明，農耕地轉變為有林地后，其土壤有機碳含量將增加，但土壤有機碳含量增加的程度與農耕地轉變為林地后緊接著采取的人為措施有關。

6種土地利用類型各層土壤有機碳含量介于（4.57±1.08）～（27.69±2.65）g／kg之間，均由土壤表層向深層依次降低，且各土地利用類型0－20cm土層的土壤有機碳含量顯著高于20－40cm和40－60cm土層的土壤有機碳含量。6種土地利用類型有機碳含量在0－20cm土層的差異較大，介于（13.39±2.37）～（27.69±2.65）g／kg之間，而40－60cm土層的土壤有機碳含量差異較小，介于（4.57±1.08）～（11.11±0.25）g／kg之間。這表明6種不同土地利用類型的土壤有機碳含量差異主要體現在土壤表層。

表2 不同土地利用類型的土壤有機碳含量 g／kg

2.2 土壤有機碳儲量及垂直分布

6種土地利用類型的土壤剖面平均有機碳儲量差異也較大，介于（56.56±7.21）t／hm2～（104.15±4.84）t／hm2之間（表3）。6種不同土地利用類土壤剖面平均有機碳儲量從大到小的序列為：天然川滇高山櫟次生 林 （104.15±4.84t／hm2）＞ 灌木 林 地（100.84±2.43t／hm2）＞灌叢地（97.35±15.21t／hm2）＞經濟林（85.16±10.58t／hm2）＞人工刺槐林（70.78±12.43t／hm2）＞農耕地（56.56±7.21t／hm2）。與天然川滇高山櫟次生林相比，灌木林地、灌叢地、經濟林、人工刺槐林和農耕地的土壤剖面碳儲量分別降低3.18%，6.53%，18.23%，32.04%和45.69%。這是因為天然川滇高山櫟次生林轉變為其他土地利用類型后，各項人為措施破壞了土壤的結構和功能，增加了土壤通氣性，提高了土壤微生物活性，加速了土壤有機碳的分解。差異性檢驗表明，天然川滇高山櫟次生林土壤剖面平均有機碳儲量顯著高于經濟林、人工刺槐林和農耕地，高于灌木林地，但差異不顯著；農耕地的土壤剖面平均有機碳儲量顯著低于其它5種土地利用類型。可見，在6種土地利用類型?中，以天然川滇高山櫟次生林的土壤有機碳儲量最大，農耕地的土壤有機碳儲量最小。

采取植被恢復措施后，與農耕地相比，經濟林和人工刺槐林的土壤剖面有機碳儲量分別增加了50.56%和25.13%。這與植被恢復后經濟林和人工刺槐林土壤有機碳含量的變化相一致。進一步分析表明，經濟林和人工刺槐林與農耕地的有機碳儲量有顯著差異，而經濟林的有機碳儲量顯著高于人工刺槐林。可見，農耕地轉變為森林后，其土壤有機碳儲量會增加，但不同植被恢復類型下的土壤有機碳儲量增加的程度是不相同的。

6種土地利用類型的土壤各層有機碳儲量介于（10.50±2.37）～（49.22±4.79）t／hm2之間，并隨土壤深度的增加而減小。除人工刺槐林外，其他5種土地利用類型各土層的有機碳儲量差異顯著。在0－20 cm土層中，天然川滇高山櫟次生林、灌木林地和灌叢地的土壤有機碳儲量顯著高于其它3種土地利用類型，而在20－40cm和40－60cm土層中，除人工刺槐林和農耕地外，其它4種土地利用類型土壤有機碳儲量差異不顯著。這說明6種土地利用類型土壤有 機碳儲量的差異也主要體現在土壤表層。

表3 不同土地利用類型的土壤有機碳儲量 t／hm2

3 結論與討論

3.1 不同土地利用類型的土壤有機碳儲量特征

國內外研究者大多認為，不同土地利用和覆被變化將不同程度的影響土壤有機碳儲量。如Lugo等［9］研究表明，森林砍伐開墾10年后有機碳流失46%，80年后流失70%；Knops等［10］得出森林砍伐、耕作平均導致土壤有機碳流失89%；Murty等［11］總結發現，森林變成農田后土壤有機碳含量下降30%。天然川滇高山櫟次生林轉變為灌木林地、灌叢地、經濟林、人工刺槐林和農耕地后，土壤剖面有機碳儲量分別降低3.18%，6.53%，18.23%，32.04%和45.69%。可見，森林轉變為其他土地利用類型后，土壤有機碳儲量會降低。這是因為森林砍伐不僅影響森林的固碳能力，而且影響土壤碳排放。由于森林砍伐使得土壤溫度和水分條件都發生變化，土壤呼吸在許多年內都超過幼年樹木同化固碳能力，土壤有機碳含量降低。同時，森林采伐后，在形成的不同土地利用類型中，整地改變了土壤結構，增加了土壤通氣性，提高了土壤微生物活性，加速了土壤有機碳的釋放。

同時，吳建國［12］等研究表明，當灌木林、山楊林變成農田后，土壤表層（0－40cm）有機碳含量和碳密度下降，而土壤剖面低層的有機碳含量及碳密度受土地利用變化的影響較小。土地利用的變化，特別是森林砍伐所引起的變化，減少土壤上層的有機碳達20%～50%。岷江上游山地森林－干旱河谷交錯帶6種土地利用類型中，土壤有機碳含量和碳儲量差異也主要發生在土壤表層。這意味著土壤表層有機碳儲量的穩定性較差，人為干擾容易造成土壤有機碳的損失。

3.2 山地森林與干旱河谷交錯帶土壤有機碳儲量特征

生態交錯帶是全球變化敏感區，對生態交錯帶的研究是人類進行早期生態預警和生態管理理論探索與實踐的核心問題。岷江上游山地森林－干旱河谷交錯帶6種土地利用類型土壤平均有機碳含量為（13.65±3.56）g／kg，小于岷江上游米亞羅林區4種土地利用類型（原始冷杉林、20世紀60年代云杉人工林、20世紀80年代云杉人工林和農耕地）土壤平均有機碳含量（17g／kg）［13］，同時研究的5種林地（天然川滇高山櫟次生林、灌木林地、灌叢地、人工刺槐林和經濟林）0－60cm土壤的有機碳儲量都低于四川森林0－50cm土壤的平均有機碳儲量（117.63t／hm2）［14］。原因是這一區域是岷江上游山地森林－干旱河谷交錯帶主要的人口集居區，人口密度大，長期的人類活動干擾（森林采伐、毀林開荒、過度放牧、陡坡耕作等），原生植被破壞嚴重，造成植物群落逆向演替，使其森林生態系統結構和功能退化，加之山地森林－干旱河谷交錯帶是典型生態脆弱區，生態系統天然的脆弱性及其疊加效應導致嚴重的水土流失，進而造成林地土壤碳大量流失。邱建軍等對北方農牧交錯帶耕地土壤有機碳儲量的研究也得出了與本研究相似的結論，即北方農牧交錯帶耕地土壤有機碳庫處于嚴重負平衡狀態，有機碳儲量不斷減少［15］。而山地森林－干旱河谷交錯帶是干旱河谷繼續擴大的緩沖地段，因而加強對該區域現有灌叢、灌木以及天然次生林的保護，將有助于土壤有機碳的積累，并能有效防止或減緩干旱河谷的上延。

3.3 植被恢復對土壤有機碳儲量的影響

《京都議定書》認可世界主要工業國家可以通過國家增加森林的碳匯功能來履行溫室氣體減排義務，而草地、農業等植被類型并不在其列，于是各國紛紛通過改善現有森林生態系統的管理和擴大森林面積以增加本國森林碳匯。目前，許多歐美國家正在將大面積的棄耕地恢復成森林植被，而且加大了造林碳吸收、碳有效儲存時間和碳增匯對策技術研究力度，以面對國際碳貿易和履行《京都議定書》。岷江上游山地森林－干旱河谷交錯帶是指干旱河谷向亞高山、高山區過渡區域，它是目前“天然林保護”與“退耕還林（草）”工程的重點實施區之一。本研究進一步表明，農耕地轉變為人工刺槐林和經濟林后，其土壤有機碳含量和碳儲量都增加。這是因為農耕地轉變為森林后，林下和林地表面將積累更多的灌草層和枯落物層，可以部分抵消地表碳的損失，增加生態系統中土壤的碳匯功能；其次，凋落層是土壤有機碳的主要來源，也是土壤－植物系統碳循環的聯結庫，而且因覆蓋于地面，有效地減少或防止了土壤的碳流失；第三，灌草層和枯落物層對土壤理化性質和活性具有重要的調節作用，并有利于土壤有機碳的形成。但農耕地轉變為人工刺槐林和經濟林后，土壤有機碳含量和碳儲量增加的程度卻不盡相同。農耕地轉變為人工刺槐林后，土壤有機碳含量和儲量分別增加了21.93%和25.13%；轉變為經濟林（花椒）后，土壤有機碳含量和儲量分別增加了36.73%和50.56%。這是由于植被恢復類型不同，造成其枯枝落葉數量和化學組成的差異，導致土壤有機碳礦化特征各異，從而影響土壤有機碳的積累和周轉。可見，植被恢復類型對土壤有機碳含量和碳儲量有重要的影響。此外，有研究表明在干旱半干旱農牧交錯區推行免耕、休耕等保護性耕作措施，對提高土壤有機碳儲量具有非常顯著的效果。由于山地森林－干旱河谷交錯帶的生態環境脆弱，人口相對集中，因則在該區域內尋求適合的植被恢復類型，使之朝一個有利于土壤有機碳積累而又能有效遏制土地退化的方向發展，對于緩解大氣CO2濃度上升及改善當地居民的生存環境有重要意義。

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