胥 超，謝錦升，曾宏達(dá)，付林池，陳 坦，楊玉盛

(1．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007;2．福建省濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007)

0 引言

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫(kù)［1］，造林也被《京都議定書(shū)》認(rèn)定為是一種增加碳匯的方式［2］。隨著中國(guó)六大林業(yè)工程的逐步開(kāi)展，到2010年規(guī)劃完成時(shí)，林業(yè)工程每年新增的固碳潛力已達(dá)115.46 Tg·a－1［3］。單純依靠造林來(lái)增加碳匯雖成效顯著，但隨著宜林地的逐漸減少，森林碳匯的增加漸趨飽和，因而需要一個(gè)新的突破口。Lal［4］的研究認(rèn)為人工促進(jìn)恢復(fù)能重新固定已損失碳的60% ～75%，全球退化土壤的碳吸存潛力為0.3～0.8 Pg·a－1。亞熱帶退化森林生態(tài)系統(tǒng)是中國(guó)最重要的退化生態(tài)系統(tǒng)之一［5］，因其植被和土壤皆極度退化，且該區(qū)雨熱充沛、生產(chǎn)力高［6］，因而人工促進(jìn)恢復(fù)之后系統(tǒng)碳吸存潛力巨大［7］。因此，該區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)大面積修復(fù)之后將是森林碳匯的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)［8］，日益引起研究者的高度關(guān)注。

目前，模型法［9］和時(shí)空互換法［8］是研究退化地恢復(fù)前后碳貯量動(dòng)態(tài)變化的2種主要手段。但是由于連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，加大了模型的參數(shù)化和初始化的難度［10］，而且模型的使用也受到區(qū)域限制［9］。時(shí)空互換法需要所有的實(shí)驗(yàn)樣地具有相似的本底條件，否則碳儲(chǔ)量變化存在很大的不確定性。嚴(yán)重退化地自然恢復(fù)的影響研究也較少，致使對(duì)依靠自然力修復(fù)退化地的理解也不夠全面。因此，本研究以亞熱帶嚴(yán)重侵蝕退化地為研究對(duì)象，通過(guò)連續(xù)調(diào)查恢復(fù)前及經(jīng)過(guò)自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)碳貯量，評(píng)價(jià)退化地恢復(fù)后系統(tǒng)碳貯量變化，為制定合理的恢復(fù)措施提供依據(jù)。

1 樣地概況

研究區(qū)位于福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為25°33'～25°48'N，116°18'～116°31'E。多年平均降雨量1 737 mm，多年平均氣溫17.5～18.8℃，平均無(wú)霜期260 d，平均日照時(shí)數(shù)1 925 h，≥10℃年積溫為4 100℃～4 650℃。河田鎮(zhèn)屬河谷盆地，低山高丘環(huán)抱四周，土壤為燕山運(yùn)動(dòng)早期形成的中粗粒花崗巖發(fā)育的紅壤，抗蝕能力低。該區(qū)降雨充足且集中，隨著地帶性植被 (常綠闊葉林)逐漸被破壞，常年大面積的水力侵蝕使該區(qū)成為全國(guó)最嚴(yán)重的水土流失區(qū)域之一?，F(xiàn)存植被以馬尾松 (Pinus massoniana)次生林和人工林為主。

實(shí)驗(yàn)地位于長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)露湖村，進(jìn)行恢復(fù)之前地表植被以馬尾松小老頭樹(shù)和少量芒萁 (Dicranopteris dichotoma)及野古草 (Arundinella anomala Steud)為主，無(wú)植被地方近于光板地，由于土壤侵蝕嚴(yán)重，立地條件差，部分馬尾松根系裸露。馬尾松小老頭樹(shù)平均樹(shù)高為0.80 m，平均地徑3.01 cm。于2002年采取人工促進(jìn)恢復(fù)措施對(duì)退化地進(jìn)行治理，并保留部分面積不進(jìn)行治理作為對(duì)照，任其自然恢復(fù)。具體情況如下:

I 人工促進(jìn)恢復(fù):于2002年對(duì)露湖村嚴(yán)重侵蝕退化地進(jìn)行治理，劃出1塊2.00 hm－2的區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行穴裝整地，以每公頃2 490穴的標(biāo)準(zhǔn)，在相鄰馬尾松之間挖50 cm×40 cm×30 cm(穴面寬×深×底寬)的種植明穴，每穴施有機(jī)復(fù)合肥0.25 kg(與挖穴土充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠡靥钛▋?nèi))，每穴定植灌木。對(duì)于植被覆蓋小于30%的坡面，每公頃用寬葉雀稗 (Paspalumwettsteinii Hackel)草籽7.50 kg、有機(jī)復(fù)合肥299.85 kg、山地表土599.70 kg充分?jǐn)嚢韬笫┯诜N植穴面上。治理后，進(jìn)行封禁，避免人為破壞。2011年調(diào)查時(shí)，平均胸徑為7.75 cm(大于4 cm納入統(tǒng)計(jì)，下同)，平均樹(shù)高為5.66 m，林分密度為1 050株/hm－2，林下植被蓋度為0.76。

Ⅱ 自然恢復(fù):同期，在同一侵蝕退化地內(nèi)保留1塊面積為0.46 hm－2的區(qū)域，該區(qū)域的小老頭樹(shù)密度、侵蝕程度、土壤理化性質(zhì)等與進(jìn)行人工促進(jìn)恢復(fù)的林地類(lèi)似。對(duì)其進(jìn)行封禁，避免人為干擾，任其自然恢復(fù)。2011年進(jìn)行調(diào)查時(shí)平均胸徑5.92 cm，平均樹(shù)高4.53 m，林分密度為438株/hm－2，林下植被蓋度為0.75。

2 研究方法

于2000年在尚未治理的侵蝕退化地上隨機(jī)選擇具有代表性區(qū)域建立3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地。對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)建立3個(gè)1 m×1 m的小樣方，用樣方收獲法調(diào)查林下植被和枯枝落葉生物量，用環(huán)刀法按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的層次對(duì)土壤進(jìn)行剖面調(diào)查。以此調(diào)查的數(shù)據(jù)作為恢復(fù)之前的對(duì)照值。于2011年7月在人工促進(jìn)恢復(fù)和自然恢復(fù)的林地選擇能夠基本代表各自恢復(fù)情況的區(qū)域，各自建立3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)。由于樣地內(nèi) (尤其是自然恢復(fù))馬尾松小老頭樹(shù)較多，生物量調(diào)查時(shí)，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)對(duì)每株高度大于1.3 m且能測(cè)出胸徑的馬尾松進(jìn)行每木檢尺，但林分密度僅以胸徑大于4 cm的林木統(tǒng)計(jì)。采用小樣方 (3個(gè)1 m×1 m)收獲法調(diào)查林下植被和枯枝落葉生物量，并在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的上、中、下部選擇有代表性地段用環(huán)刀法按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的層次對(duì)土壤進(jìn)行剖面調(diào)查。用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，植株各器官碳含量參照項(xiàng)目組先前在同一地區(qū)的測(cè)定結(jié)果［11］，馬尾松 (包括小老頭樹(shù))生物量計(jì)算亦采用項(xiàng)目組先前研究的異速生長(zhǎng)方程［12］(該方程對(duì)馬尾松小老頭樹(shù)仍適用)。

采用如下公式計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量:SOCP=ρ× (1－f) ×c×d×10。

式中:SOCP—每一土層土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量 (t·hm－2);ρ—土壤容重 (g/cm3);f—每一土層＞2 mm石礫含量 (%);c—每一土層深度有機(jī)碳含量 (g/kg);d—每一土層厚度 (m)。采用如下公式［7］分別計(jì)算碳吸存量和吸存速率:碳吸存量=恢復(fù)后碳貯量－恢復(fù)前碳貯量;碳吸存速率=(恢復(fù)后碳貯量－恢復(fù)前碳貯量)/恢復(fù)年限。

利用SPSS17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析 (ANOVA)檢驗(yàn)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量之間的差異，用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析兩種治理模式碳吸存量和吸存速率之間的差異。利用Origin Lab 8.0進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果

3.1 生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和吸存量

3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

侵蝕退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)前總碳貯量為6.60 t·hm－2，其中7.13%和92.72%分配在植被 (包括喬木層和林下植被，下同)和土壤中?；謴?fù)之后碳貯量極顯著 (P＜0.01)提高，碳貯量分配方式也發(fā)生變化，提高幅度和分配方式因不同的恢復(fù)模式表現(xiàn)出差異。自然恢復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)碳貯量(18.35 t·hm－2)是恢復(fù)前的2.78倍，植被和土壤碳庫(kù)占生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)比例的差距減小，分別為36.62%和61.85%;而人工促進(jìn)恢復(fù)使生態(tài)系統(tǒng)碳貯量 (32.11 t·hm－2)提高到恢復(fù)前的4.87倍，碳貯量在植被與土壤之間的分配也漸趨持平 (分別為45.19%和52.94%)。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)各分室碳庫(kù)/(t·hm－2)Table1 Carbon pool of different ecosystems and their components

退化系統(tǒng)恢復(fù)后，植被層碳貯量由恢復(fù)前的0.47 t·hm－2增加到自然恢復(fù)的6.72 t·hm－2和人工促進(jìn)恢復(fù)的14.51 t·hm－2，自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)分別是恢復(fù)前的14.29和30.87倍。其中喬木層作為植被層最重要的部分，其碳庫(kù)大小及其在不同器官的分配比例都在恢復(fù)后發(fā)生巨大變化?；謴?fù)之前喬木層碳貯量?jī)H0.25 t·hm－2，其中40.79%分配在葉上，22.37%分配在樹(shù)干中，而分配到地下樹(shù)根碳僅占9.21%，地上地下嚴(yán)重失調(diào)。自然恢復(fù)后，喬木層碳貯量 (4.60 t·hm－2)恢復(fù)到原來(lái)的18.40倍，而且不同功能器官碳貯量相對(duì)比重產(chǎn)生很大變化，其中樹(shù)根最大，樹(shù)葉最少，具體表現(xiàn)為根 (29.06%)＞干 (23.62%)＞皮 (17.17%)＞枝 (15.07%)和葉(15.07%)。而人工促進(jìn)恢復(fù)后喬木層碳貯量 (11.83 t·hm－2)是自然恢復(fù)的2.57倍、恢復(fù)前的47.32倍，增加的碳的分配方式也截然不同于恢復(fù)前和自然恢復(fù)的，具體表現(xiàn)為干 (48.18%)＞根(18.03%)＞枝 (15.22%)＞葉 (9.69%)＞皮 (8.88%)。

退化系統(tǒng)土壤 (0～60 cm)碳庫(kù)為6.12 t·hm－2，碳庫(kù)垂直分布不明顯 (表1)，0～20 cm土壤碳庫(kù)僅為20～40 cm的1.11倍，20～40cm土壤碳庫(kù)是40～60 cm的1.09倍。恢復(fù)之后土壤碳貯量及其垂直分布都被極大改變。自然恢復(fù)后土壤碳庫(kù)增加到11.35 t·hm－2，是恢復(fù)前的1.85倍。各土層之間的差異也開(kāi)始顯現(xiàn)，0～20 cm土壤碳庫(kù)為20～40 cm的1.89倍，20～40 cm土壤碳庫(kù)是40～60 cm的1.19倍，表層碳庫(kù)增加較快。而人工促進(jìn)恢復(fù)之后的土壤碳貯量 (17.00 t·hm－2)極顯著 (P＜0.01)增加至恢復(fù)前的2.78倍，僅表層 (0～20 cm)土壤就達(dá)9.81 t·hm－2，是底層土壤的2.80倍，是恢復(fù)前土壤碳庫(kù)的1.60倍。底層土壤碳庫(kù)亦達(dá)3.50 t·hm－2，是恢復(fù)前底層的1.88倍、表層的1.56倍。土壤碳庫(kù)總體大幅增加的同時(shí)又出現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。

3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)碳吸存量

侵蝕退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)后，自然恢復(fù)的碳吸存量 (11.75 t·hm－2)極顯著 (P＜0.01)低于人工促進(jìn)恢復(fù) (25.51 t·hm－2)的 (圖1)。自然恢復(fù)后植被和土壤的碳吸存量為6.25 t·hm－2和5.24 t·hm－2，而人工促進(jìn)恢復(fù)后該值分別達(dá)14.04 t·hm－2和10.89 t·hm－2。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)碳吸存速率

與自然恢復(fù)相比，人工促進(jìn)恢復(fù)碳吸存速率 (2.84 t·hm－2·a－1)較快，是自然恢復(fù) (1.31 t·hm－2·a－1)的2.17倍 (圖2)，人工促進(jìn)恢復(fù)后植被和土壤的碳吸存速率亦分別為自然恢復(fù)的2.26倍和2.09倍。

圖1 不同恢復(fù)模式下生態(tài)系統(tǒng)碳吸存量Figure1 The capacity of carbon sequestration in different regenerated ecosystems

圖2 不同恢復(fù)模式下生態(tài)系統(tǒng)碳吸存速率Figure2 The rate of carbon sequestration in different regenerated ecosystems

4 討論

4.1 自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配格局的影響

退化生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)9年恢復(fù)后，植被和土壤碳貯量雖然都有顯著 (P＜0.05)增加，但是恢復(fù)程度總體偏低，低于亞熱帶其他多個(gè)地區(qū)馬尾松幼林的結(jié)果［13-15］。整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)不同模式恢復(fù)之后碳貯量仍遠(yuǎn)低于亞熱帶地區(qū)馬尾松幼林總碳貯量［13，16］，意味著系統(tǒng)仍有巨大的恢復(fù)潛力。

退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)后，有機(jī)碳的空間分布也發(fā)生了巨大變化?；謴?fù)前生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)主要集中在土壤(92.72%)，植被碳貯量只占7.13%。經(jīng)過(guò)9年自然恢復(fù)之后，植被碳貯量所占比例增加至36.62%，低于亞熱帶地區(qū)健康成熟林 (僅統(tǒng)計(jì)60 cm土壤碳庫(kù)貯量，下同)［17-18］，但高于亞熱帶地區(qū)馬尾松幼林［13，16］。這是由于退化地土壤碳貯量過(guò)低，而健康生態(tài)系統(tǒng)的土壤則較高，導(dǎo)致退化生態(tài)系統(tǒng)整體碳庫(kù)水平遠(yuǎn)低于健康幼林生態(tài)系統(tǒng)，因而植被層碳庫(kù)與整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)比值較高。表明退化生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)初期，土壤未與植被同步恢復(fù)，恢復(fù)速率顯然落后于植被。退化系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)人工促進(jìn)恢復(fù)之后，植被和土壤碳庫(kù)所占比例分別為45.19%和52.94%，此分配比例類(lèi)似于韓立立等［12］調(diào)查的同區(qū)域內(nèi)的退化生態(tài)系統(tǒng)治理11年后的結(jié)果，也接近于Jiang等［19］研究的14年生健康馬尾松林水平，表明系統(tǒng)碳庫(kù)在植被和土壤之間的分配已漸趨合理［12］。

從具體的碳分室的分配來(lái)看，喬木層碳庫(kù)在恢復(fù)前、自然恢復(fù)、人工促進(jìn)恢復(fù)3個(gè)系統(tǒng)分配最多的器官分別對(duì)應(yīng)是葉、根、干。而大量不同發(fā)育階段馬尾松林碳貯量研究都顯示，樹(shù)干是喬木層最重要的碳庫(kù)［13，15］，表明人工促進(jìn)恢復(fù)后系統(tǒng)碳庫(kù)分配規(guī)律已與健康馬尾松林的類(lèi)似，生態(tài)系統(tǒng)植被在結(jié)構(gòu)上趨于穩(wěn)定，功能上逐漸健全。

從碳庫(kù)在不同土層的分配來(lái)看，恢復(fù)前的退化系統(tǒng)無(wú)明顯的垂直變化，由上到下各土層碳庫(kù)比例依次為36.60%，33.01%和30.39%?；謴?fù)后土壤中有機(jī)碳的輸入增加使碳庫(kù)整體水平高于恢復(fù)前，表層土壤碳恢復(fù)速度快于底層，碳貯量的差異在垂直剖面上越來(lái)越明顯。例如，退化土壤經(jīng)過(guò)人工促進(jìn)恢復(fù)之后底層土壤僅提高了88.17%，而表層土壤卻增加了3.38倍。人工促進(jìn)恢復(fù)后土壤有機(jī)碳在表層富集是大量凋落物和根系輸入的結(jié)果，表明系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)良好。

4.2 自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)碳吸存量的差異成因

植被和土壤是生態(tài)系統(tǒng)碳吸存的兩大主體，因而自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)后植被和土壤固碳能力與機(jī)理的不同是造成二者碳吸存差異的根本。退化生態(tài)系統(tǒng)在人工促進(jìn)恢復(fù)初期，植被 (灌草)迅速覆蓋地表，減少土壤中種子［20］的流失，改善土壤孔隙度和通透性，使馬尾松種子發(fā)芽破土率提高。人工促進(jìn)恢復(fù)時(shí)所追施的復(fù)合肥解除了該區(qū)土壤氮、磷的長(zhǎng)期限制［21-22］，加之馬尾松早期養(yǎng)分利用率低、歸還快［23］，為馬尾松幼苗持續(xù)、快速生長(zhǎng)奠定了能量基礎(chǔ)。因此，在人工促進(jìn)恢復(fù)不同階段，植被在不同的土壤保肥、供肥機(jī)制下逐漸恢復(fù)。而自然恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的機(jī)理和程度則截然不同。鄰近的退化地經(jīng)過(guò)人工促進(jìn)恢復(fù)之后植被逐漸恢復(fù)，為自然修復(fù)的樣地提供了一定的生態(tài)屏障，水土流失略顯緩和。部分動(dòng)植物殘?bào)w在地表徑流的遷移下，匯入退化地的低洼地區(qū)，使其有機(jī)質(zhì)含量有所提高。芒萁作為該酸性紅壤區(qū)的優(yōu)勢(shì)草本很快便“侵入”低洼匯水區(qū)，并且以點(diǎn)帶面的形式緩慢向四周蔓延。地表覆蓋完成之后，水、土、肥流失被有效遏制，同時(shí)芒萁的地上和地下部分枯死物的輸入提高了一定的土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于馬尾松種子萌發(fā)幼苗。但是大量幼苗形成之后，因無(wú)人工施肥的補(bǔ)充，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部良性的能量循環(huán)尚未形成，現(xiàn)有的土壤肥力無(wú)法滿足大量幼苗的日益生長(zhǎng)需要。形成了大量馬尾松小老頭樹(shù)，導(dǎo)致林分密度 (以胸徑大于4 cm林木計(jì))過(guò)低、喬木層碳貯量過(guò)小。因此，土壤肥力長(zhǎng)期維持機(jī)制的缺乏導(dǎo)致幼苗生長(zhǎng)嚴(yán)重后勁不足，是自然恢復(fù)的馬尾松林難以長(zhǎng)期大量吸存有機(jī)碳的主要原因。

土壤碳吸存量是土壤碳輸入和輸出動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果［24］。表層土壤有機(jī)碳輸入主要來(lái)源于地上凋落物和分布于表層的細(xì)根［25］。人工促進(jìn)恢復(fù)后凋落物碳貯量 (0.60 t·hm－2)是自然修復(fù) (0.28 t·hm－2)的2.14倍，土壤表層 (0～20 cm)細(xì)根生物量人工促進(jìn)恢復(fù) (327.81 g·m－2)是自然恢復(fù)(162.79 g·m－2)的2.01倍 (未發(fā)表數(shù)據(jù))。因而人工促進(jìn)恢復(fù)后表層土壤碳輸入量約為自然恢復(fù)的2倍。深層土壤有機(jī)碳則主要來(lái)源于根系脫落物及可溶性有機(jī)碳等［26］。其中底層土壤中的根系脫落物絕大部分來(lái)自馬尾松的深根，人工促進(jìn)恢復(fù)后馬尾松根系總碳貯量是2.13 t·hm－2，顯著高于自然恢復(fù)的值 (1.34 t·hm－2)，因而深層土壤根系脫落物的量也顯著 (P＜0.05)高于自然恢復(fù)的。在深層土壤可溶性有機(jī)碳的輸入量方面，由于人工促進(jìn)恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)地表死生物量及地上活體生物量更多，通過(guò)降水淋溶進(jìn)入深層土壤的可溶性有機(jī)碳濃度更高。同時(shí)人工促進(jìn)恢復(fù)后發(fā)達(dá)的馬尾松根系向下延伸穿透作用更能改良土壤的孔隙度，使可溶性有機(jī)碳向深層土壤的運(yùn)輸更為通暢?？梢?jiàn)，人工促進(jìn)恢復(fù)后有機(jī)碳向表層及深層土壤的輸入量都高于自然恢復(fù)。而在土壤碳的輸出方面，由于自然恢復(fù)的林地林冠郁閉度低，長(zhǎng)期受太陽(yáng)直射，因而土壤表面溫度較高，裸露地表溫度可達(dá)40度［27］，高溫加速了土壤有機(jī)碳的礦化。而人工促進(jìn)恢復(fù)的林地，林內(nèi)小氣候隨林分逐漸郁閉而改善，土壤水分蒸發(fā)減少，土壤表面溫度降低，土壤水分和溫度的脅迫不易形成，有機(jī)碳難以大量礦化。

綜合來(lái)看，人工促進(jìn)恢復(fù)在施肥種植林下灌草之后，土壤肥力短期內(nèi)快速提高。地上植被逐漸恢復(fù)，林分生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)凋落物和根系不斷向土壤輸入有機(jī)質(zhì)。進(jìn)一步改善后的土壤又能促進(jìn)植被的生長(zhǎng)。生態(tài)系統(tǒng)在由植被和土壤構(gòu)成的正向反饋環(huán)中逐漸恢復(fù)。而依靠自然力量難以較快形成植被和土壤之間能量的良性循環(huán)。因此自然恢復(fù)對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)碳的提高效果遠(yuǎn)不如人工促進(jìn)恢復(fù)。

4.3 自然恢復(fù)與人工促進(jìn)恢復(fù)的綜合評(píng)價(jià)

大量研究已經(jīng)報(bào)導(dǎo)，修復(fù)措施采取之后侵蝕退化生態(tài)系統(tǒng)碳貯量能在短期內(nèi)快速提升［8，28］，本研究中退化地采用生態(tài)恢復(fù)之后，系統(tǒng)碳吸存速率達(dá)2.84 t·hm－2·a－1，碳庫(kù)年均增量占恢復(fù)前系統(tǒng)總現(xiàn)存量的43.03%。相比而言，自然恢復(fù)的恢復(fù)程度低、速率慢，其生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳現(xiàn)存量和吸存量都極顯著 (P＜0.01)低于人工促進(jìn)恢復(fù)。雖然從水土保持長(zhǎng)期生態(tài)效益考慮，自然恢復(fù)更有利于生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定［29-31］，但問(wèn)題的關(guān)鍵在于退化的生態(tài)系統(tǒng)能否快速自我修復(fù)。實(shí)際上，由人類(lèi)活動(dòng)造成的生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化在短期內(nèi)是難以逆轉(zhuǎn)的，Lovich認(rèn)為自然狀態(tài)下，退化生態(tài)系統(tǒng)的植被和生物量要恢復(fù)到干擾之前的水平需要50～300年的時(shí)間，系統(tǒng)完全恢復(fù)可能需要約3 000年的時(shí)間［32］。即使是在生產(chǎn)力極高的熱帶地區(qū)，若表層土壤流失、土壤肥力下降，則植被難以重新定植［33］。雖然本研究侵蝕退化地表層土壤早已侵蝕殆盡，恢復(fù)前有機(jī)碳含量?jī)H1.22 g/kg，低于中國(guó)風(fēng)沙土碳含量 (1.57 g/kg)［34］，退化地卻也能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定的自然恢復(fù)。這是因?yàn)橹車(chē)那治g退化地人工促進(jìn)恢復(fù)之后，生境逐漸改善，為退化地的自然恢復(fù)提供了生態(tài)屏障。脫離了這些因素，自然恢復(fù)短期內(nèi)可能無(wú)此效果甚至無(wú)法進(jìn)行。這是因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)破壞已打破生態(tài)系統(tǒng)閾值 (cross an ecological threshold)［33］，超過(guò)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)限度［35］?？梢?jiàn)，出于退化地恢復(fù)的必要性和緊迫性考慮，人類(lèi)有責(zé)任采取積極的人工促進(jìn)恢復(fù)措施對(duì)破壞后的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，而非任其自然恢復(fù)。

5 結(jié)論

嚴(yán)重侵蝕退化生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)9年的恢復(fù)之后，系統(tǒng)和局部碳貯量都顯著 (P＜0.05)提高。自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)2種模式下生態(tài)系統(tǒng)總碳庫(kù)分別是恢復(fù)前的4.87倍和2.78倍，植被碳庫(kù)是恢復(fù)前的14.29倍和30.87倍，土壤碳庫(kù)是恢復(fù)前的1.85倍和2.78倍。

同一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，植被的恢復(fù)速率顯然快于土壤，自然恢復(fù)植被碳的吸存速率比土壤快18.97%，人工促進(jìn)恢復(fù)植被碳的吸存速率比土壤的快28.93%，因此土壤恢復(fù)初期是難點(diǎn)，后期則是重點(diǎn)。不同系統(tǒng)之間碳吸存速率差異顯著 (P＜0.05)，人工促進(jìn)恢復(fù)后整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳吸存速率是自然恢復(fù)的2.17倍，植被和土壤的吸存速率也分別是自然恢復(fù)的2.26倍和2.09倍。因此，對(duì)于嚴(yán)重侵蝕退化生態(tài)系統(tǒng)，采取積極的人工促進(jìn)恢復(fù)措施快速提高土壤肥力是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)的有效方法。

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