肖勝生，方少文，楊 潔，鄭海金，陳曉安

(江西省水土保持科學研究所，江西南昌330029)

以全球氣候變暖和大氣中CO2濃度升高為主要特征的全球變化正改變著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，威脅著人類的生存與健康，因而受到世界各國政府、公眾和科學界的普遍關注。預防和適應全球變化帶來的各種影響，爭取環(huán)境外交主動權等對土壤侵蝕與水土保持科學研究提出了新的要求，研究揭示區(qū)域性土壤侵蝕、水土保持與全球變化之間的關系，是水土保持科學的重要前沿領域之一。2008年在匈牙利召開的第15屆國際土壤保持大會就是以“水土保持、氣候變化和環(huán)境敏感性”為主題，會議強調(diào)了全球氣候變化背景下環(huán)境敏感地區(qū)的水土保持與管理。

土壤是僅次于海洋和地質(zhì)庫的碳儲庫，全球土壤有機碳庫約1 500 Pg(1 Pg=1015g)，分別是大氣(750 Pg)和陸地生物(550～570 Pg)碳庫的2～3倍[1]。由于土壤有機碳貯量巨大，所以其較小幅度的變化就可能影響到碳的排放，以溫室效應影響全球氣候變化[2]。同時，相對于植被生物量作為碳的臨時庫，土壤中累積形成的是一種更理想的穩(wěn)定碳庫，植被恢復對土壤有機碳蓄積的影響比對植被生物量碳庫的影響更受到關注。

另一方面，土壤有機碳對周圍的土壤環(huán)境也起著至關重要的作用，它能增加土壤肥力、改善土壤結構與蓄水性能。土壤有機碳含量作為土壤質(zhì)量的指示劑以及生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分已被廣泛接受。

1 植被恢復對土壤碳儲量的影響

土壤有機碳的吸存和動態(tài)與土地利用活動緊密相關。在過去的幾個世紀中，土地利用和植被變化改變了陸地面積的1/3～1/2，引起了土壤有機碳的顯著變化。植被的恢復與演替過程實際上是植被和土壤相互影響和相互作用的過程。植被通過光合作用向土壤輸送有機物質(zhì)并從土壤中吸收養(yǎng)分，從而對土壤有機碳的周轉和積累產(chǎn)生深刻影響;而土壤有機質(zhì)轉化和積累與植被恢復及群落生物多樣性之間也存在反饋關系，是不同植物物種競爭代替和植物群落演替的重要驅(qū)動力。植被恢復的過程實質(zhì)是通過植被-土壤復合生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用來增加土壤有機物的輸入，改善土壤結構，提高土壤的生態(tài)功能，達到改變區(qū)域生態(tài)環(huán)境的作用。

許多學者對植被恢復或土地利用方式變化過程中土壤碳庫的變化進行了深入研究。當自然植被遭人為嚴重破壞時，會導致土壤有機碳的損失，而適當?shù)墓芾砗椭脖换謴涂梢允雇嘶寥乐匦挛嬗袡C碳，成為緩和大氣CO2濃度上升的有效手段之一。在植被恢復過程中，不僅可以通過植物凋落物分解和根系分泌物直接向土壤輸入有機碳，同時還可以通過促進土壤團聚體的形成來固存有機碳，因為有機碳對土壤黏粒的分散-絮凝和大團聚體的穩(wěn)定性有顯著影響[3]。Lal[4]認為退化土壤損失碳的60%～75%能通過生態(tài)恢復重新固定，估計全球恢復退化土壤的碳吸存潛力為0.3～0.8 Pg/a。Post和Kwon[5]通過對大量文獻數(shù)據(jù)的總結分析指出，退耕還林可使土壤有機碳含量大幅度提高，年平均固碳速率為33.8 g/m2，可持續(xù)50～100年。Zhou等[6]在中國華南的研究表明，即便是樹齡大于400年的老齡林土壤(0—20 cm)仍具有較高的碳積累能力，達到每年610 kg/hm2;同時指出，對成熟林(包括人工林)土壤能夠可持續(xù)積累有機碳的機理還需深入研究，主要是土壤有機碳不同來源的相對貢獻及其生物化學穩(wěn)定性以及不同去向的相對比例問題。

馬祥華和焦菊英[7]對黃土高原的研究表明，隨著植被的演替恢復，土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。有機質(zhì)含量減小時，地上植被參與了土壤有機質(zhì)的消耗，從而提高了植被的豐富度;以后由于植被的凋落、腐解，土壤有機質(zhì)含量提高，這樣就形成植被與土壤的正向互動狀態(tài)。

有學者進一步研究指出，植被恢復對土壤養(yǎng)分的影響有較強的表聚效應，其中對0—20 cm土層影響最大，對40 cm以下土層影響很小，土壤有機碳的恢復主要集中在表層[8];植被恢復也影響有機碳質(zhì)量，表層土壤的輕組有機碳含量和比例高于底層土壤[9]，而輕組有機碳更易被微生物利用。

2 侵蝕逆境下土壤有機碳的損失

土壤侵蝕一般包括4個發(fā)展的過程:土壤顆粒的分散、土壤團聚體的破壞、泥沙的運移和再分布以及泥沙的沉積。在這4個過程中土壤侵蝕主要通過以下6個途徑來影響土壤有機碳的動態(tài)[10]:①土壤團聚體崩解和破壞;②土壤表層有機碳隨徑流(或沙塵)遷移;③加速土壤有機質(zhì)原地礦化(因為土壤水分和溫度都發(fā)生了改變);④在泥沙搬運與再分布過程中土壤有機碳礦化;⑤在沉積區(qū)域和植物保護區(qū)的有機-無機復合體重新形成中發(fā)生團聚化固碳;⑥泥沙沉積區(qū)域如沖積平原、水庫和海底等對碳的沉積深埋作用。其中，前4個過程會導致有機碳損失，部分釋放到大氣中;后2個過程則有利于有機碳積累。

研究表明，土壤侵蝕尤其是面蝕會優(yōu)先運移有機碳，導致碳素在坡面泥沙中富集，其富集比最高能達到50%[11]。國內(nèi)相關學者對黃土高原的研究表明，土壤流失所攜帶的大量黏粉粒是有機碳搬運的主要載體，最高可以達到95%[12];同時，侵蝕強度與泥沙中有機碳含量呈遞減的對數(shù)關系，而與土壤有機碳流失程度呈明顯線性關系[12]。

水力侵蝕首先在徑流的作用下將可溶性的有機碳、比重較輕的植物殘體和凋落物沖刷流失，其次將表土中的土壤顆粒剝蝕、搬運，造成富含有機碳的表層土壤大量流失，從而直接減少土壤中的碳儲量;同時，表層土壤大量流失進一步導致表土與亞表土混合，促進了細土壤顆粒如粉粒和黏粒向下移動，表土與低有機碳含量的亞表層混合導致團聚體質(zhì)量變差，滲透性減弱，從而增大了地表徑流，進一步導致有機碳的損失，形成惡性循環(huán)。另外，土壤侵蝕還能加速土壤有機質(zhì)的原地礦化。

有研究證明，在侵蝕逆境下土壤有機碳的損失較為嚴重。全球損失的土壤有機碳中大約有50%是水蝕、風蝕、凍融侵蝕與人為活動(加速侵蝕)共同作用的結果。Lal[13]研究發(fā)現(xiàn)，中國因侵蝕而損失的土壤每年達到5.5 Pg，伴隨著約0.016 Pg土壤有機碳的流失，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)每年因水蝕將有4.0～7.0 Pg的有機碳進入水體。

3 侵蝕逆境下影響土壤有機碳儲量的關鍵因素及其對植被恢復的響應

一般來說，土壤有機碳庫的最終含量是進入土壤的植物殘體量及其在土壤微生物作用下分解損失量之間平衡的結果。但是對于存在水土流失的侵蝕型土壤來說，土壤碳素動態(tài)與土壤碳積累就必須考慮因坡面徑流而損失的碳素。因此，在侵蝕逆境下，土壤有機碳含量是4種主要過程相互平衡的結果:凋落物分解與細根分解釋放、土壤呼吸與侵蝕損失。其中，前面2種是系統(tǒng)向土壤輸入有機碳的主要過程，后面2種則是土壤輸出有機碳的主要過程。水土流失區(qū)植被恢復下土壤有機碳儲量的變化情況是這4種關鍵過程相互平衡的最終結果。

植被凋落物是土壤有機碳的重要來源，自然植被凈初級生產(chǎn)力的70%最終會通過地面凋落物的分解流向地下。在全球和區(qū)域尺度上，氣候條件是凋落物分解的決定性因子;在局部范圍內(nèi)，凋落物自身的質(zhì)量是影響凋落物分解的主要因素[14]。在凋落物質(zhì)量因子中，C/N和木質(zhì)素含量被認為是最重要的因子[15]。侵蝕劣地植被恢復后，地上地下生物量的增加必然使得凋落物增加，從而增加了向土壤輸入有機碳的可能性。

細根(fine root)通常被定義為直徑＜2 mm的根和菌根，具有較高的養(yǎng)分含量和凈初級生產(chǎn)力。細根分解釋放是土壤有機碳的另一個重要來源，是全球碳預算的重要組分，經(jīng)細根進入土壤的有機質(zhì)是地上凋落物的一至數(shù)倍。與地上凋落物分解后碳素向土壤礦質(zhì)層輸送不同，根系周轉來的碳素可以直接進入土壤不同剖面層[16]。林木細根生物量與其所在的氣候帶、土壤類型、群落結構以及樹齡等有關。植被恢復后，可通過增加土壤肥力、林地生產(chǎn)力和群落多樣性等途徑增大細根生物量。由于根埋藏于地下，土壤緩沖了氣候條件的作用，細根的化學性質(zhì)成為影響其分解速率的最主要因子[17]，對處于相同氣候條件下的對比試驗來說就更是如此。

一般情況下，土壤呼吸是土壤有機碳輸出的主要形式。植被恢復過程中，土壤呼吸速率一般會有所增加[18]，因為土壤有機碳是土壤呼吸的重要基質(zhì)，植被變化調(diào)控土壤呼吸速率的主要機制是通過調(diào)控供給土壤微生物所需的有機物質(zhì)實現(xiàn)的[19]。最近對我國中亞熱帶山區(qū)進行的研究認為，區(qū)域尺度內(nèi)植被恢復過程中植被生產(chǎn)力的增加是導致土壤呼吸速率升高的主導因素，突破了土壤呼吸“溫度決定論”的傳統(tǒng)觀點[18]。土壤有機碳庫組成的差異也會影響有機碳與土壤呼吸的關系，因為輕組有機碳、可溶性有機碳等活性有機碳更容易被微生物利用，而植被恢復一般會導致土壤活性有機碳含量增加[9]。另外，植被恢復也能通過改善土壤微生物群落的組成和結構、增強微生物活性來促進土壤呼吸作用，加強土壤碳素釋放[20]。

侵蝕逆境下，坡面徑流是土壤有機碳損失的重要途徑。賈松偉等[12]認為，侵蝕強度與泥沙中有機碳含量呈遞減的對數(shù)關系，而與土壤有機碳流失程度呈明顯線性關系，隨著植被覆蓋度的增大和結構的改善，流失的土壤有機碳有所減少。另外，土壤可蝕性的大小與土壤的理化性質(zhì)尤其是有機碳含量密切相關。如朱冰冰等[21]對黃土高原的研究表明，土壤可蝕性的強弱本質(zhì)上取決于土壤有機碳含量，恢復植被以提高土壤有機質(zhì)含量、促進土壤團聚體的形成、增強土壤團聚度，是降低土壤可蝕性的重要途徑。

4 亟待解決的科學問題

通過上面的分析，我們認為在存在水土流失的情況下，植被恢復對土壤碳素積累的貢獻會因土壤侵蝕而減弱。國際上相關研究也證明了這一點，如Jackson等[22]基于對全球2 700多個土壤剖面的分析，得到在較為濕潤的地區(qū)，喬、灌木入侵引起的地上生物量增加有可能被土壤有機碳的流失所抵消;黃榮珍等[23]在我國南方紅壤區(qū)的研究表明，由于侵蝕嚴重，修復為馬尾松林和濕地松林后，0—80 cm土層的有機碳儲量分別為49和83 t/hm2，比處于相同緯度的地帶性植物群落的土壤有機碳儲量都低(如我國亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠針葉林、亞熱帶灌叢矮林的土壤有機碳儲量分別達到124、95和95 t/hm2)，也低于一些學者估算的我國森林土壤的平均有機碳儲量(116 t/hm2)以及世界土壤的平均有機碳儲量(189 t/hm2)。對退化紅壤來說，除了增加植被覆蓋之外，通過改變微地形來減少徑流損失也是增加碳吸存的重要方式，如具有竹節(jié)溝措施的人工林對土壤碳積累具有明顯的促進作用。楊玉盛等[24]的研究也表明，在我國中亞熱帶山區(qū)退化土地進行植被恢復，土壤碳吸存潛力比同緯度其他地區(qū)要低，這主要與該區(qū)的降水和地貌條件有關，即該區(qū)山多坡陡，自然生態(tài)環(huán)境具有潛在的脆弱性，隨坡面徑流損失的碳素占有較大比例;同理，當森林轉變?yōu)槠渌恋乩梅绞胶?，由于土壤侵蝕造成碳素損失以及經(jīng)營措施對表層土壤的擾動引起土壤有機質(zhì)的加速分解，土壤有機碳(尤其是表層土壤有機碳)損失的幅度會更大。

目前，國際上許多學者圍繞不同植被恢復措施對包含有機碳含量在內(nèi)的土壤質(zhì)量的影響作了深入探討，為指導水土流失區(qū)的植被恢復與生態(tài)重建實踐起到了積極作用，但是相關研究主要偏重于土壤碳庫儲量[22]、組成[9]、垂直分布[25]及土壤呼吸[18-19]等方面的變化。南方紅壤丘陵區(qū)作為我國水土流失比較嚴重的地區(qū)之一，相關研究也同樣如此[9，23-24]。前面已經(jīng)提到，在存在侵蝕的條件下，植被恢復主要是通過4個過程對最終的土壤碳素儲量產(chǎn)生影響，但是目前的研究主要是單純地對其中某一種或幾種過程進行研究，而沒有將這4個有關碳素動態(tài)的主要過程糅合在一起進行同步研究。因此，關于這4種主要過程的貢獻及其比例還不是很清楚，植被恢復對侵蝕型土壤有機碳儲量的影響機理還有待進一步研究。

在植被恢復過程中，隨著植被覆蓋度的提高，向土壤輸入的碳素增加，但同時也增大了土壤呼吸所釋放的碳素。植被改善使土壤中所含碳素增加，盡管水土流失程度得到改善，但是因侵蝕所損失的碳素的變化情況還不得而知，有可能增加，也有可能不變或減少。有研究表明，在侵蝕嚴重的地區(qū)，不能認為水土流失量越大，有機碳等一些不是由母質(zhì)決定含量的元素流失量就越大，因為土壤侵蝕嚴重的地區(qū)一般都缺少植被覆蓋，而缺乏植被覆蓋的情況下土壤中碳素的基礎含量也較低。同理，侵蝕劣地植被恢復后，向土壤中輸入的碳素增多了，就相應地增大了碳素因侵蝕損失的可能性。因此，在侵蝕退化土壤植被恢復過程中，具體這4種關鍵過程對土壤有機碳含量的影響程度是怎樣的情況還不得而知。零星的研究表明，在植被恢復的不同階段，土壤侵蝕量與土壤有機碳含量呈負相關關系[26]，但目前大多數(shù)研究還是把侵蝕這一重要因素剝離開來，使得我們對存在水土流失的情況下植被恢復過程中土壤碳素動態(tài)及土壤碳庫的吸存機理不能進行很好的解釋。Huang等[26]指出，應該加強對中國實施的退耕還林與水土流失和荒漠化治理對土壤固碳能力及機理的深層次研究，因為相關研究對促進退化生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理以及客觀估算中國土壤固碳潛力與制定減排增匯策略尤為重要。

5 展望

南方紅壤丘陵區(qū)是我國重要的農(nóng)業(yè)、牧業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)基地，該地區(qū)雨量充沛、熱量豐富、生物地球化學循環(huán)旺盛。但由于受長期不合理的耕作活動影響，該地區(qū)水土流失嚴重，很多地方土壤退化形成理化性質(zhì)和生物學性質(zhì)極為低劣的裸地，造成大面積的“紅色沙漠”。由侵蝕引起的土地生產(chǎn)力的急劇下降，已成為我國南方農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因子之一。

紅壤區(qū)域治理自“七五”以來一直被列為國家重點科技攻關計劃，基于植被重建的生態(tài)恢復作為治理紅壤退化的主要技術途徑在南方地區(qū)廣泛推行。通過近幾十年的努力，通過實行小流域綜合治理、國家水土保持重點治理工程、退耕還林還草以及其他的水土保持生態(tài)恢復工作，南方紅壤丘陵區(qū)大面積的水土流失地區(qū)恢復了植被，生態(tài)環(huán)境狀況得到了很大的改善，如江西省森林覆蓋率已由20世紀80年代初期的33%提高到了現(xiàn)在的60%以上。

因此，開展南方紅壤水土流失地區(qū)水土保持植被恢復過程中土壤有機碳儲量的變化及其機理的相關研究，對侵蝕劣地植被恢復過程中土壤碳匯形成機理和碳匯功能評價具有重要意義，也可以為退化生態(tài)系統(tǒng)的土壤肥力重建與生態(tài)恢復提供科學依據(jù)。

基于我國水土保持植被恢復措施廣泛存在的現(xiàn)實，為了更好地滿足國家環(huán)境外交談判的需求以及深化全球變化研究的科學需求，同時也為了更好地改善侵蝕劣地土壤肥力狀況，促進退化生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，開展侵蝕型土壤植被恢復過程中土壤有機碳不同來源的貢獻以及不同去向的比例等問題的研究，對科學評價水土保持在應對全球氣候變化中的作用、增強土壤碳匯的形成機理與功能的認識具有重要的科學意義，同時對加強土壤有機質(zhì)管理、促進土壤肥力改善與生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展也具有一定的現(xiàn)實意義。

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