彭 陽(yáng)，白彥鋒，姜春前，徐 睿，劉秀紅

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京 100091）

大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體濃度增加引起全球氣候變暖，這已經(jīng)成為當(dāng)前人類面臨的最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一［1］。通過植樹造林實(shí)現(xiàn)森林碳匯功能是當(dāng)前最為快捷和有效的碳平衡方法之一［2］。其中，將農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯值耐恋乩梅绞?，已成為?guó)家減排增匯的一項(xiàng)重要措施［3］。中國(guó)自20世紀(jì)90年代以來在全國(guó)開展 “退耕還林”工程，除了體現(xiàn)在植物覆被的變化以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益之外，其固碳效益也引起了人們重視［4］。中國(guó) “退耕還林”工程的實(shí)施將會(huì)增強(qiáng)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能［5］。迄今為止，已有許多學(xué)者對(duì)耕地變?yōu)榱值睾蟮纳鷳B(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化［6］及不同造林樹種［7］、不同退耕年限［8］、不同立地條件［9］等因素對(duì)退耕還林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行了研究。在耕地上造林，相對(duì)于耕地來說其生物量碳儲(chǔ)量明顯增加，但土壤碳儲(chǔ)量的變化還未得到一致的結(jié)果。耕地的恢復(fù)方式除通過造林外，還有一種方式是撂荒。在20世紀(jì)后期由于山區(qū)人口減少，全球出現(xiàn)了耕地撂荒的現(xiàn)象［10］，即由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田撂荒地。農(nóng)田撂荒地已經(jīng)是分布廣泛的土地利用類型之一［11］。一般來說，只要破壞不嚴(yán)重，農(nóng)田撂荒地可以通過自然演替進(jìn)行植被恢復(fù)。PRACH等［12］認(rèn)為：農(nóng)田撂荒地的自然演替是一種成本低廉、生態(tài)有效的恢復(fù)方式。NOVARA等［13］認(rèn)為：農(nóng)田撂荒地從草本演替為木本植物階段后，其土壤碳儲(chǔ)量增加了14 g·kg-1。森林碳儲(chǔ)量及其變化的準(zhǔn)確估算是核算碳匯的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。造林碳匯一般是計(jì)算造林增加的碳儲(chǔ)量減去造林前的土地利用在無人為介入的情況下通過自然生長(zhǎng)所固定的碳。通常在估算其自然生長(zhǎng)所固定的碳時(shí)多采用模型預(yù)測(cè)或簡(jiǎn)單推理。如魏亞韜［14］采用簡(jiǎn)單推理法來確定造林前的荒山通過自然生長(zhǎng)所到達(dá)的狀態(tài)，估算其碳儲(chǔ)量。本研究中，耕地通過撂荒的方式恢復(fù)即為無人為介入植被自然生長(zhǎng)的狀態(tài)。因此，本研究估算耕地在撂荒恢復(fù)后其生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量能夠?yàn)楹怂阒袊?guó)造林碳匯提供理論和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。此外，估算耕地通過造林方式（以下簡(jiǎn)稱 “退耕還林地”）與撂荒方式（以下簡(jiǎn)稱 “農(nóng)田撂荒地”）恢復(fù)14 a后的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，比較分析耕地在造林和撂荒方式下生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的差異及空間分配特征。研究結(jié)果將明晰耕地的不同植被恢復(fù)方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響，這對(duì)今后耕地采用何種恢復(fù)經(jīng)營(yíng)措施具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于湖南省會(huì)同縣境內(nèi)（26°50′N,109°36′E），地處云貴高原東緣和雪峰山脈西南部，海拔高度為300～500 m，為低山丘陵地貌類型。氣候?qū)俚湫蛠啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.6℃，年平均降水量1 265.0 mm，年平均相對(duì)濕度80%。土壤類型為山地紅黃壤。地帶性植被為常綠闊葉林，以殼斗科Fagaceae的常綠樹種如栲Castanopsis fargesii和青岡Cyclobalanopsis glauca等為主，人工林樹種多為杉木Cunninghamia lanceolata和馬尾松Pinus massoniana等。

在2016年7-8月，選取具有相似立地條件且恢復(fù)均為14 a的農(nóng)田撂荒地和退耕還林地為研究對(duì)象進(jìn)行調(diào)查。2個(gè)樣地的土壤類型均為山地黃壤。各樣地基本概況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及植被調(diào)查 在農(nóng)田撂荒地和退耕還林地分別按照坡位選取10塊大小為10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。①喬木層：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)所有喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種名稱、胸徑和樹高。②林下植被層：在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的四角和中央各設(shè)1個(gè)2 m×2 m的樣方，記錄樣方內(nèi)所有灌木和草本的種名、基徑以及株高。在樣方內(nèi)選取一些主要灌木、草本植株，測(cè)量其基徑和株高后挖取全株帶回實(shí)驗(yàn)室，在105℃恒溫條件下殺青10～30 min，然后在75℃下烘至恒量，稱量并記錄各株植株總干質(zhì)量以及灌木各器官干質(zhì)量，草本植物記錄地上、地下部分干質(zhì)量，同時(shí)用作分析樣品。③凋落物層：在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)分別隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方收集凋落物。收集的凋落物全部稱其濕質(zhì)量。取部分樣品，稱濕質(zhì)量后再稱其干質(zhì)量得到凋落物含水量，同時(shí)用于測(cè)定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。④土壤層：在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按對(duì)角線法布點(diǎn)3個(gè)，并均按0～10，10～20，20～40，40～60，60～80 cm分層用土鉆分別采集土壤樣品。將同一樣方內(nèi)相同土層所取的樣品等量混合帶回實(shí)驗(yàn)室，土壤樣品風(fēng)干后過2 mm篩備用。同時(shí)，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各挖1個(gè)規(guī)格為100 cm×100 cm的土壤剖面，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic information of plots

1.2.2 碳儲(chǔ)量計(jì)算方法 （1）生物量的計(jì)算。①喬木層：根據(jù)所測(cè)得樹高和胸徑，采用當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)站建立的各樹種異速生長(zhǎng)方程得出。具體方程見當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)站數(shù)據(jù)集［15］。②灌木層：根據(jù)所測(cè)的基徑和株高，采用當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)站已有的灌木生物量方程進(jìn)行估算。具體方程見當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)站數(shù)據(jù)集［15］。③草本層：當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)站數(shù)據(jù)庫(kù)中有利用收獲法測(cè)得的多種草本層地上、地下部生物量，根據(jù)相同基徑、株高的同種草本具有相似生物量，故利用計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找與調(diào)查時(shí)記錄的草本同種且基徑株高一致的植株，計(jì)算這些條件相同的草本生物量平均值作為所調(diào)查草本植株的生物量。④凋落物層：采用干質(zhì)量/鮮質(zhì)量比估算其生物量。（2）碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。采用元素分析儀測(cè)定采集的白櫟Quercus fabri，楓香，梵天花和芒等主要喬木、灌木、草本各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和所有凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其中農(nóng)田撂荒地的凋落物平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為378.1 g·kg-1，退耕還林地的凋落物平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為465.1 g·kg-1。其余實(shí)際測(cè)定的物種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2～4。未采集的喬木、灌木和草本平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)引自生態(tài)站長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)［15］。（3）碳儲(chǔ)量的計(jì)算。①生物量碳儲(chǔ)量為各部分生物量乘以相對(duì)應(yīng)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)后得出。②土壤碳儲(chǔ)量根據(jù)下列公式［16］進(jìn)行計(jì)算。

其中：S為土壤層有機(jī)碳儲(chǔ)量（t·hm-2），Ci為第i層土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g·kg-1），di為第i層土壤的平均容重（g·cm-3），Hi表示第i層土壤的厚度（cm），n為土壤層數(shù)。③森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為喬木層、灌木層、草本層、凋落物層、土壤層碳儲(chǔ)量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel處理數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0進(jìn)行t檢驗(yàn)和單因素方差分析，應(yīng)用最小顯著差異法（LSD）分析不同數(shù)據(jù)組間的差異性，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

表2 2種恢復(fù)方式下喬木層主要樹種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Carbon content of main species of tree layer under two rehabilitation approaches

表3 2種恢復(fù)方式下灌木層主要物種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Carbon content of main species of shrub layer under two rehabilitation approaches

表4 2種恢復(fù)方式下草本層主要物種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Carbon content of main species of herb layer under two rehabilitation approaches

2 研究結(jié)果

2.1 喬木層碳儲(chǔ)量及分配特征

恢復(fù)14 a后的退耕還林地喬木層碳儲(chǔ)量是農(nóng)田撂荒地的2.76倍，兩者具有顯著差異（P＜0.05）（表5）。其中，退耕還林地的喬木層地上部碳儲(chǔ)量為 （68.05±7.89）t·hm-2，農(nóng)田撂荒地為 （19.77±2.95）t·hm-2，前者高于后者且為后者的3.44倍；而農(nóng)田撂荒地的喬木層地下部碳儲(chǔ)量（即樹根碳儲(chǔ)量）略高于退耕還林地，但兩者并沒有顯著差異（P＞0.05）。由于不同恢復(fù)方式形成的樹種不同，因此喬木層各器官碳儲(chǔ)量分配有所不同。農(nóng)田撂荒地的喬木層各器官碳儲(chǔ)量大小依次為樹干＞樹根＞樹枝＞樹皮＞樹葉。退耕還林地的喬木層各器官碳儲(chǔ)量大小依次為樹干＞樹葉＞樹皮＞樹枝＞樹根。盡管2種恢復(fù)方式下均為樹干對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率最大，但是其余各器官碳儲(chǔ)量分配格局卻大不相同。

表5 2種恢復(fù)方式生物量碳儲(chǔ)量及分配Table 5 Biological carbon storage and allocation under two rehabilitation approaches

2.2 灌木層碳儲(chǔ)量及分配特征

耕地在2種恢復(fù)方式下灌木層總碳儲(chǔ)量具有顯著差異（P＜0.05）（表5）。農(nóng)田撂荒地的灌木層總碳儲(chǔ)量、地上部碳儲(chǔ)量及地下部碳儲(chǔ)量均高于退耕還林地，分別是其的3.20倍、3.27倍、3.04倍。由此可見：耕地的自然恢復(fù)方式更有利于灌木層碳的積累。盡管農(nóng)田撂荒地灌木層碳儲(chǔ)量高于退耕還林地，但2種恢復(fù)方式的灌木層各器官碳儲(chǔ)量分配卻具有相似的特征，即枝干碳儲(chǔ)量占灌木層碳儲(chǔ)量的比例最大，葉片對(duì)灌木層碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率最小。

2.3 草本層碳儲(chǔ)量及分配特征

農(nóng)田撂荒地的草本層總碳儲(chǔ)量、地上部及地下部碳儲(chǔ)量均是退耕還林地的2.27倍、2.16倍、2.50倍，并且各部分皆有顯著差異（P＜0.05）（表5）。這說明自然恢復(fù)的方式比人工恢復(fù)方式更有利于草本層碳儲(chǔ)量的積累。在草本層器官碳儲(chǔ)量分配方面，2種恢復(fù)方式的草本層碳儲(chǔ)量具有相似的分配格局。2種恢復(fù)方式均以地上部分碳儲(chǔ)量對(duì)草本層碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率最大，皆占60%以上，地上部碳儲(chǔ)量近似是地下部的2倍。

2.4 凋落物層碳儲(chǔ)量

2種恢復(fù)方式下凋落物碳儲(chǔ)量具有顯著差異（P＜0.05）（表5）。退耕還林地的凋落物碳儲(chǔ)量為農(nóng)田撂荒地的4.11倍。退耕還林地的凋落物主要是由杉木的落葉組成，而農(nóng)田撂荒地樹木較少，可能造成此結(jié)果。

2.5 土壤碳儲(chǔ)量及分配特征

耕地在2種恢復(fù)方式下土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土壤深度的增加而依次減?。ū?）。農(nóng)田撂荒地與退耕還林地0～10 cm深的土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60～80 cm土壤層的5.9倍和3.2倍。此外，農(nóng)田撂荒地的0～10 cm與10～20 cm深的土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)要略高于退耕還林地，其余土層碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均略低于后者，但這2種恢復(fù)方式下每層土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異并不顯著。

在碳儲(chǔ)量方面，退耕還林地土壤總碳儲(chǔ)量略高于農(nóng)田撂荒地，但兩者之間沒有顯著差異（P＞0.05）（表6）。土壤碳儲(chǔ)量在水平分布上，除0～10 cm以及10～20 cm土壤層碳儲(chǔ)量為農(nóng)田撂荒地高于退耕還林地外，其余土層碳儲(chǔ)量大小正好相反。在垂直分布上，農(nóng)田撂荒地土壤層碳儲(chǔ)量隨土壤深度的增加逐漸減??；退耕還林地土壤碳儲(chǔ)量大小依次為20～40 cm＞0～10 cm＞40～60 cm＞10～20 cm＞60～80 cm。由此可見，盡管農(nóng)田撂荒地與退耕還林地土壤總碳儲(chǔ)量沒有顯著差異（P＞0.05），但是在各土壤層分布方面卻有一些不同。

表6 2種恢復(fù)方式下土壤碳儲(chǔ)量及分配Table 6 Carbon storage and allocation of soil under two rehabilitation approaches

表7 2種恢復(fù)方式生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及分配Table 7 Carbon storage and allocation of ecosystem under two rehabilitation approaches

2.6 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及分配特征

退耕還林地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是農(nóng)田撂荒地的1.5倍，兩者具有顯著差異（P＜0.05）（表7）。由此說明，恢復(fù)14 a的退耕還林地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力要優(yōu)于恢復(fù)相同年限的農(nóng)田撂荒地。在碳分配方面，農(nóng)田撂荒地的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量以土壤碳儲(chǔ)量為主，占總碳儲(chǔ)量的72.39%，其次是喬木層；而在退耕還林地中，土壤碳庫(kù)與喬木層碳庫(kù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率大小相近，所占比率分別為50.13%和47.34%。除土壤層和喬木層外，其余各層對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率大小均為凋落物層＞草本層＞灌木層，但各部分碳儲(chǔ)量所占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的比例有所不同。在農(nóng)田撂荒地中，凋落物層、草本層、灌木層碳儲(chǔ)量所占比例依次為0.81%，0.81%和0.23%；在退耕還林地中，各部分碳儲(chǔ)量所占比例依次為2.23%，0.23%和0.04%。

3 結(jié)論

本研究中，退耕還林地的生物量碳儲(chǔ)量（75.26±8.88）t·hm-2要明顯高于農(nóng)田撂荒地（27.67±4.04）t·hm-2，前者是后者的2.72倍。其中，退耕還林地喬木層、凋落物層碳儲(chǔ)量要遠(yuǎn)高于農(nóng)田撂荒地，但后者的林下植被層碳儲(chǔ)量要高于前者。此外，在2種恢復(fù)方式下，生物量碳儲(chǔ)量的分配均為喬木層＞凋落物層＞草本層＞灌木層。

在2種恢復(fù)方式下土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土壤深度的增加而減小。退耕還林地0～80 cm深土壤碳儲(chǔ)量略高于農(nóng)田撂荒地，但兩者并沒有顯著差異（P＞0.05）。農(nóng)田撂荒地的表層土壤（0～20 cm）碳儲(chǔ)量要高于退耕還林地，其他土層則相反。

退耕還林地在恢復(fù)14 a后生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量要高于農(nóng)田撂荒地，且兩者的生態(tài)系統(tǒng)碳分配格局也有所不同。農(nóng)田撂荒地是以土壤碳庫(kù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率最高，而退耕還林地生物量與土壤碳庫(kù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率相近。

4 討論

本研究中，退耕還林地的喬木層碳儲(chǔ)量要高于農(nóng)田撂荒地。這主要是由于恢復(fù)14 a后，退耕還林地的杉木林已成長(zhǎng)為中齡林，而農(nóng)田撂荒地卻只有少量的喬木，且大多為幼樹。農(nóng)田撂荒地生長(zhǎng)環(huán)境良好，周圍是常綠闊葉林和杉木林，易于種子傳播，在恢復(fù)14 a后才出現(xiàn)少量的喬木。

農(nóng)田撂荒地的林下植被層碳儲(chǔ)量要高于退耕還林地，這與ZHENG等［17］研究的中國(guó)紅壤區(qū)自然恢復(fù)14 a的次生林林下植被層碳儲(chǔ)量要高于人工林的研究結(jié)果一致。這可能是由于退耕還林地中杉木林冠層郁閉度較高，消光系數(shù)大，林下光照較弱，灌木、草本稀疏，進(jìn)而影響林下植被層碳儲(chǔ)量。

退耕還林地的表層土壤（0～20 cm）碳儲(chǔ)量要低于農(nóng)田撂荒地。這可能是由于退耕還林地受人工整地干擾的影響，表層土壤碳大量流失，但對(duì)深層土壤碳儲(chǔ)量影響卻不大。這與陳亮中等［18］研究三峽庫(kù)區(qū)以農(nóng)田作對(duì)照的退耕還林對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響的結(jié)論相似。農(nóng)田撂荒地土壤碳儲(chǔ)量要略高于洪瑜［19］研究的湘中丘陵地區(qū)的恢復(fù)30 a的撂荒地（61.38 t·hm-2），說明撂荒地周圍環(huán)境不同，其固碳能力有所差異。2種恢復(fù)方式下的土壤碳儲(chǔ)量均高于張偉暢等［20］估算的湖南洪江市農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量（40.48 t·hm-2）。這說明退耕地?zé)o論是自然恢復(fù)還是人工恢復(fù)都有助于土壤碳的固定。

退耕還林地的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量要高于農(nóng)田撂荒地，說明耕地在這一時(shí)段內(nèi)采用人工恢復(fù)的方式較自然恢復(fù)固碳能力更強(qiáng)。這與施志娟［21］得出的自然恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量高于人工恢復(fù)的結(jié)論相反。本研究中，耕地在2種恢復(fù)方式下生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的差異主要是由于2種恢復(fù)方式對(duì)其喬木層碳儲(chǔ)量的差異較大。

總的來說，退耕還林對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球氣候變化有重要意義，然而耕地的自然恢復(fù)更有利于林下植被層的碳積累。在本研究中，只考慮了耕地恢復(fù)14 a后的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量大小，故不知道如果在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度下，2種恢復(fù)方式生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的差異是否仍舊如本研究結(jié)果一樣。再者，退耕還林地中造林樹種的不同會(huì)導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的不同，農(nóng)田撂荒地周圍環(huán)境不同也會(huì)導(dǎo)致其演替進(jìn)程的不同，進(jìn)而會(huì)影響兩者比較的結(jié)果。因此，關(guān)于耕地的2種恢復(fù)方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響還有待進(jìn)一步研究。此外，本研究?jī)H估算了耕地在造林和撂荒方式下的碳儲(chǔ)量，并未考慮耕地在2種恢復(fù)方式下的碳儲(chǔ)量變化以及在造林過程中產(chǎn)生的碳排放問題。在未來的研究中，可以進(jìn)一步核算耕地造林產(chǎn)生的碳匯。

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