錢江源國家公園不同景觀土壤有機碳庫和蓄水性能研究

汪家軍 余順海 姜偉東 姚玉才 章明奎

摘 要：為了解錢江源國家公園不同土地利用景觀區生態功能的差異，選擇林地、茶園、水田和旱地等4類土地利用景觀，分別采集了代表性表層和土壤剖面分層土樣，分析了土壤有機質組分、酸堿度、主要養分元素及滲透性和蓄水性。結果表明，土壤有機質含量由表層向下呈下降趨勢，土壤有機質含量、貯量和活性有機質占有機質的比例均是林地>茶園>水田>旱地，土壤C/N比為林地>茶園>水田、旱地;土壤pH值為水田>旱地>林地>茶園;土壤有效磷和速效鉀含量為茶園>水田、旱地>林地。林地表層土壤具有較低的容重，其透水性和蓄水能力明顯高于茶園和旱地，并具有較高的陽離子交換量和水穩定性團聚體數量。研究認為，從土壤固碳與保水2個方面考慮，錢江源國家公園內林地的生態功能明顯強于其他景觀用地，旱地的生態功能最弱。因此，加強林地建設和逐漸減小旱地面積有助于強化園區生態功能。

關鍵詞：錢江源國家公園;利用方式;有機碳;透水性;蓄水能力

中圖分類號 S714.2文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）12-0095-05

Soil Organic Carbon Pool and Water Storage Performance of Different Landscapes in Qianjiangyuan National Park

WANG Jiajun1 et al.

（1Qianjiangyuan National Park Administration， Kaihua 324300， China）

Abstract： To understand the differences of soil ecological functions in different landscapes of the Qianjiangyuan National Park， four types of land-uses， including woodland， tea garden， paddy field and upland， were selected in the Park. Both representative surface soil and profile horizon soil samples were collected from each of land-uses for characterizing organic matter， pH， main nutrient elements， water permeability and water storage capacity. The results showed that the content of soil organic matter decreased from the surface to the bottom， content and storage of organic matter， and the proportions of active organic matter in total organic matter decreased in the order of woodland>tea garden>paddy field>upland. C/N ratio in the soils decreased in sequence of woodland>tea garden>paddy field and upland. Soil pH decreased in the order of paddy field>upland>woodland>tea garden. Soil available phosphorus and available potassium increased in the order of woodland

Key words： Qianjiangyuan National Park; Land-use; Organic carbon; Water permeability; Water storage capacity

森林是陸地生態系統重要的調節器，其利用林冠層、枯落物層和土壤層對降水進行攔截和滯蓄，對大氣中的碳進行固定，在削峰滯洪、涵養水源、補充地下水、調控土壤養分、降低大氣中溫室氣體及維護生態平衡中起著重要的作用[1-6]。森林土壤對水分的攔蓄和調節作用被形象地稱為“土壤水庫”，定量評估森林的水源涵養作用對流域水資源規劃、管理，區域生態建設以及生態補償等具有重要作用[7-9]，其庫容大小直接影響森林生態系統對降水的調節能力[10-13]。森林土壤有機碳是陸地生態系統中主要的碳庫，其在保持土壤質量、維持區域生態功能等方面起著重要的作用[14-16]。因此，保護林地、提高森林覆蓋率已成為區域生態安全建設的重要內容。錢江源國家公園位于浙江省開化縣西北部，其總面積252km2，包括古田山國家級自然保護區、錢江源國家級森林公園、錢江源省級風景名勝區等3個保護地以及連接以上自然保護地之間的生態區域。經過數十年對古田山國家級自然保護區和錢江源國家級森林公園的保護與建設，園區內生態環境逐漸改善，生態功能趨向完善，物質循環趨向平衡;但因受人為保護力度與歷史上土地利用等方面的差異，區內不同地區生態狀況仍有一定的差異。為了解區內不同土地利用景觀區土壤入滲和水分蓄存功能的差異及土壤有機碳庫與質的變化規律，本研究在園區內選擇林地、茶園、水田和旱地等4類土地利用景觀，分別采集代表性表層和土壤剖面分層土樣，分析土壤有機質組分、酸堿度、主要養分元素及滲透性和蓄水性，旨在為園區開展全面的生態環境建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集 采樣于2018年5—8月進行，采集的土壤樣品分為2類：（1）表層土壤：采集深度為0～15cm，包括林地、茶園、水田和旱地等4類土地利用景觀，采樣數分別為11、8、8和8個。（2）剖面分層土樣：另在調查區各選擇林地、茶園、水田和旱地等用地的典型樣地1個，挖掘土壤標準剖面，按0～15、15～30、30～50、50～70和70～100cm深度分別采集分層土樣。采集的林地、茶園和旱地土壤類型均為黃泥土（屬于紅壤土類、黃紅壤亞類），水田土壤為黃泥砂田（屬于水稻土土類）。在田間采集以上分析樣品的同時，用容重圈各采集4份相應土壤的原狀樣，用于測定土壤容重和飽和導水率。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤有機碳和有機碳組分 土壤有機碳采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測定;土壤有機碳的形態采用密度分離與濕篩法相結合的方法進行分析，稱取10.00g土樣，用密度為1.85g·cm-3 NaI溶液分離得到游離態輕組（fLF）和重組（HF）[17];向重組中加入0.5%（w/v）六偏磷酸鈉溶液，振蕩18h，依次通過0.053mm的篩，分別得到顆粒有機碳（>0.053mm）和礦物結合態有機碳（<0.053mm），各組分樣在40℃下烘干、稱重，測定有機碳含量，并計算各有機碳組分的相對比例。土壤水溶性有機碳用0.5mol·L-1 K2SO4溶液浸提，用Shimadzu TOC自動分析儀測定。

1.2.2 土壤物理性狀 土壤容重采用環刀法測定[18];土壤總孔隙度根據土壤容重計算獲得。飽和導水率依據森林土壤滲透性測定方法（LY/T 1218-1999）測定;土壤飽和蓄水量（Wt）根據總孔度計算：

式中pt為土壤總孔度（%）;h為土層厚度（m）。

土壤水穩定性團聚體采用濕篩法測定[18]。

1.2.3 土壤化學性狀 pH、交換性酸、陽離子交換量（CEC）、全氮、有效磷、速效鉀采用常規方法測定[18]。

2 結果與分析

2.1 不同景觀類型土壤的有機碳及其組分 土壤有機碳組分可分為游離態（輕組）、顆粒態（重組）和礦物結合態（重組）等3種形態。游離態有機碳是指未與土壤無機成分結合的有機碳，主要是一些剛進入土壤的半分解有機碳;顆粒態有機碳是指與土壤中大粒徑水穩定性團聚體結合的有機碳，其活性較強，是易受微生物礦化分解的有機碳;礦物結合態有機碳是指與土壤黏粒礦物緊密結合的有機碳，其主要是高度腐殖化的有機碳，是穩定態有機碳。表1可知，4種土地利用景觀的土壤有機碳及其組分有較大的差異，且每一類景觀的土壤有機碳也有較大的變異。林地表層土壤有機碳積累最為明顯，平均值為25.48g·kg-1，明顯高于其他用地;最低的為旱地，平均值為9.48g·kg-1;林地表層土壤有機碳約為旱地、茶園和水田的2.69、1.43和1.77倍。茶園和水田表層土壤有機碳也明顯高于旱地。

表1結果可知，表層土壤中游離態、顆粒態和礦物結合態等3種組分的有機碳的含量變化趨勢與有機碳相似，均呈現出林地>茶園>水田>旱地。3種有機碳的組成比例以礦物結合態最高，平均都在50%以上;其次為顆粒態有機碳，其平均比例在5%～25%之間;游離態有機碳的比例較低，基本上在15%以下?；钚暂^高的有機碳（包括游離態有機碳和顆粒態有機碳）的比例以林地最高，其次為茶園和水田，旱地最低，其變化趨勢與有機碳的含量一致;而礦物結合態有機碳的比例恰好相反。這一結果表明，旱地土壤的有機碳穩定性最高，林地土壤的有機碳穩定性最低，這與林地輸入的有機物質較多，有機碳更新較快有關。土壤中水溶性有機碳含量也是林地>茶園>水田>旱地，說明了林地土壤中具有較多能被微生物礦化的有機碳。從林地土壤有機碳活性組分比例較高可知，林地土壤中有較高比例的有機碳以不穩定狀態存在，一旦林地破壞或被開墾，土壤中有機碳將迅速分解而下降。同時，林地土壤的高有機碳主要依靠有機碳的高輸入得以維持，因此保護林地對維持土壤有機碳庫和保護區生態環境非常重要。

表2的結果表明，雖然各土壤有機碳含量均隨剖面深度降低，但林地的深層土壤有機碳也都高于其他用地土壤。計算結果表明，林地、茶園、水田和旱地0～50cm土層土壤有機碳的貯量分別為14.25、8.27、7.73和4.95kg·m-2，0～100 cm土層土壤有機碳的貯量分別為17.98、10.42、10.10和7.06kg·m-2。林地0～50cm土層土壤有機碳的貯量分別為茶園、水田和旱地的1.72、1.84和2.88倍，0～100cm土層土壤有機碳的貯量分別為茶園、水田和旱地的1.73、1.78和2.55倍，表明林地土壤具有較強的固碳潛力。由此可見，從土壤固碳角度林地比其他用地具更好的生態與環境效果。

2.2 不同景觀類型土壤的酸堿度和養分 表3可知，4種土地利用景觀的土壤pH值均呈酸性，但它們的平均pH值也有一定的差異，以水田最高，茶園最低，林地低于旱地。茶園土壤pH值低于自然林地與茶樹根系分泌較多的酸性物質有關，表明植茶容易導致土壤酸化。土壤全氮的變化與有機碳略有差異，以水田和茶園較高，旱地較低，林地居中，這與農業用地施用較多的氮肥有關。土壤碳氮比以林地最高，水田和旱地較低，茶園居中。土壤有效磷和速效鉀一般以茶園最高，林地較低，這與茶園屬經濟作物、具有較高的經濟效益，施用的磷肥和鉀肥量相對較多有關。以上結果表明，由于研究區位于亞熱帶濕潤氣候，土壤物質風化強烈，礦質養分較低，因無外源養分的投入，自然林地土壤氮磷鉀水平較低。

2.3 不同景觀類型土壤的保肥性、保水性和透水性 土壤陽離子交換量（CEC）可反映土壤的保肥能力。表3可知，由于林地土壤有機碳較高，具有較高的保肥能力，其平均CEC分別比茶園、水田、旱地高出13.77%、30.18%和32.07%。林地土壤的容重明顯低于茶園（表4），也略低于水田和旱地，這可能也與林地土壤具有較高的有機碳含量有關。表2可知，0～50cm土層的容重一般是林地低于其他土壤，而50cm以下的土層容重在4種土壤之間差異較小，部分是林地土壤大于其他土壤。林地土壤容重的這種分布模式可能與樹木根系分布有關，0～50cm土層是樹林根系的主要分布區，根系伸展對土壤的松土作用和根系及枯枝落葉對土壤有機碳的補充使得林地0～50cm土層土壤的容重較小。

表4可知，土壤飽和導水率與土壤有機碳積累和容重的變化相似，隨有機質積累的增加而增加，隨容重降低而減小，因而呈現林地土壤飽和導水率明顯大于其他土壤。這一結果表明，與其他用地景觀比較，在降雨時林地地面具有較強的滲透速率。4種土地利用景觀土壤的飽和持水量（占土壤的重量）差異相對較小，但其平均值也是林地較高，茶園較低，與容重的變化恰好相反。表2的結果表明，土壤飽和持水量呈現隨土層深度增加而降低的趨勢，即上層土壤具有較大的滯水作用。計算表明，林地、茶園、水田、旱地等4類利用土壤在0～50cm土層中的貯水潛力（飽和持水量）分別為2681、2557、2555和2526t·hm-2，在0～100cm土層中的貯水潛力分別為4855、4692、5049和4751t·hm-2。可見，0～50cm土層中的貯水總潛力以林地最高;但若以0～100cm土層計，則以水田最高，但林地的貯水總潛力仍然高于茶園和旱地。表4結果還可知，林地土壤具有較高的水穩定性大團聚體，說明其具有較強的抗蝕性。

3 討論

林地在水土保持、水源涵養及生態系統的固碳過程中起著重要的作用，完整的生態系統由地上和地下生態系統兩部分組成，陸地系統的生態環境效應是地下土壤與地上植物共同作用的結果，且土壤與植物之間可以相互作用、相互影響。本研究對錢江源國家公園不同景觀的土壤性狀研究也表明，地表利用方式可顯著影響土壤性狀，土壤有機質含量、貯量和活性有機質占有機質的比例均是自然的林地系統高于茶園、水田、旱地等人工系統，林地表層土壤具有較低的容重，其透水性和蓄水能力明顯高于其他用地，并具有較高的陽離子交換量和水穩定性團聚體數量，表明林地的生態功能明顯強于其他景觀用地。上述不同利用方式下土壤性狀的差異，與地上植物影響地下土壤有關。生長良好的植被可通過根系分泌物、植物殘體和枯枝落葉為土壤系統輸入更多的有機物質[16]，促進土壤有機質、全氮及速效養分的提升，并明顯提高土壤微生物生物量，增加酶活性。因此，通過封山育林或營造人工林、灌、草植被，把園區內的農地系統轉變為林地系統，可有效促進園區生態系統中養分的良性循環，增加陸地系統的碳庫。

雨水的入滲和水分蓄存能力是衡量森林土壤調節水分的2個重要指標，但因林冠和枯葉層截留水量有限，暴雨期間森林的持水、蓄水和調水等功能主要依靠林下土壤來實施，因此，土壤是森林生態系統最為重要的蓄水庫，其庫容大小直接影響森林生態系統對降水的調節能力。入滲作為自然界水分循環的一個重要環節，決定著地表徑流和滲入土內水分兩者的數量分配，也決定著降水進入土壤的數量[19～22]，提高土壤滲透性能可減少地表徑流、削弱土壤侵蝕動力，從而減少土壤流失量[23～25]。錢江源國家公園山體主要由花崗巖、花崗斑巖、流紋斑巖、凝灰巖等酸性巖構成，山體的淺層巖石破碎明顯，存在較多的裂隙，具有較大的蓄水能力，只要位于地表的土壤具有足夠的透水性、暴雨產生的地表水能有效入滲進行土壤[8]，就可有效實現水源涵養功能。而本研究的結果表明，區內林地具有很強的透水性，其原因可能是植被通過根系的生長改變土壤的結構狀況，降低土壤的容重，提高土壤的抗沖性和土壤抗剪強度，改善了土壤水分的入滲能力[22，26]。因此，從陸地系統的保水角度，把園區內的農地系統轉變為林地系統，可有效降低地表徑流，大大提升園區的蓄水能力。

4 結論與建議

對錢江源國家公園內4種用地景觀的土壤性態觀察表明，林地與茶園、水田和旱地之間多方面性質有較大的差異。土壤有機質含量、貯量和活性有機質占有機質的比例均是林地>茶園>水田>旱地，土壤C/N比林地>茶園>水田、旱地;土壤酸度為水田<旱地<林地<茶園，茶園土壤的酸化最為明顯。土壤有效磷和速效鉀等養分含量是茶園>水田、旱地>林地。研究表明林地因表土容重較低，其透水性與蓄水能力明顯高于茶園和旱地，并具有較高保蓄性和水穩定性團聚體數量。分析認為，從土壤固碳和保水等考慮，該加強園區內林地建設、逐漸減小旱地面積。

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（責編：王慧晴）