吳 敏, 陳 瑞, 李 貴, 劉振華, 童方平

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.湖南省優(yōu)質(zhì)用材工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫(kù)，約為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的2/3， 其有機(jī)碳儲(chǔ)量超過(guò)全球大氣及陸地植物碳儲(chǔ)量的總量，全球大氣、陸地植物有機(jī)碳儲(chǔ)量分別約為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的1/2、1/3[1-2]。土壤碳庫(kù)與大氣中CO2濃度及氣候變化具有精密的關(guān)聯(lián)性，土壤通過(guò)土壤呼吸充當(dāng)大氣CO2的“源”，同時(shí)通過(guò)有機(jī)碳的凈積累成為CO2的“匯”，因此土壤有機(jī)碳庫(kù)在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有極為重要的地位[3-4]。森林土壤是全球土壤有機(jī)碳最大的儲(chǔ)存庫(kù)，約儲(chǔ)藏全球土壤有機(jī)碳的73%[5]，此外土壤有機(jī)碳也是土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)，因此土壤有機(jī)碳具重要的研究?jī)r(jià)值。植被類(lèi)型差異導(dǎo)致凋落物量和根系生物量不同，使土壤表層及內(nèi)部形成不同的微氣候[6]，同時(shí)表層土壤對(duì)人為干擾及環(huán)境變化敏感度最強(qiáng)，且表層土壤有機(jī)碳密度大于深層土壤[7-8]，因此不同植被類(lèi)型及林分結(jié)構(gòu)，其表層土壤有機(jī)碳密度差異最顯著[9]。

石漠化地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，但經(jīng)過(guò)人為干預(yù)手段恢復(fù)植被，減少土壤侵蝕后，喀斯特石漠化地區(qū)將成為未來(lái)重要的“碳匯庫(kù)”之一。目前我國(guó)喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳密度分布特征的研究尺度目前主要集中在全國(guó)或區(qū)域尺度上進(jìn)行[10]，而針對(duì)喀斯特石漠山地森林植被表層土壤有機(jī)碳的研究相對(duì)較少，因此開(kāi)展武陵石漠山地林分表層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳密度分布特征研究的意義重大。本文以湖南省龍山縣、桑植縣及花垣縣石漠山地為代表的武陵山地為例，選取3個(gè)典型喀斯特石漠化綜合治理區(qū)作為研究對(duì)象，主要從不同石漠化等級(jí)和植被恢復(fù)林分研究表層土壤有機(jī)碳密度特征，并初步探討武陵石漠山地植被恢復(fù)區(qū)域林分土壤表層有機(jī)碳密度的主要影響因子，為石漠山地植被恢復(fù)及生態(tài)服務(wù)功能提供參考。

1 研究區(qū)概況

3個(gè)研究區(qū)分別位于湖南省武陵石漠山地區(qū)域——張家界市桑植縣、龍山縣及湘西土家族苗族自治州花垣縣境內(nèi)，屬于中亞內(nèi)陸季風(fēng)氣候區(qū)，海拔在547～1200m之間，年平均氣溫為15.8～17.0 ℃，年平均降水量1400～1560mm，年平均日照時(shí)數(shù)1440h，無(wú)霜期為269d。土壤微酸性至中性，土壤主要為山地黃棕壤、石灰土。植被以亞熱帶常綠落葉針闊混交林為主，原生植被基本上被破壞，現(xiàn)以次生林為主，自然植被在區(qū)域中所占比重較小，其中常見(jiàn)喬木主要以馬尾松、柏木、杉木、黃樟等為主。

表1 研究區(qū)域基本概況Tab.1 Basic situation of the study areas研究區(qū)海拔/m地貌土壤類(lèi)型石漠化等級(jí)林分模式數(shù)量輕度4桑植縣(SZ)(西界國(guó)有林場(chǎng))400～850 山地石灰土中度10重度輕度3龍山縣(LS)(萬(wàn)寶山國(guó)有林場(chǎng))100～1 200山地石灰土中度4重度7輕度花垣縣(HY)(高坡懂)547～611 山地石灰土中度重度3

武陵石漠山地桑植縣境內(nèi)西界國(guó)有林場(chǎng)主要為輕度至中度石漠化，龍山縣境內(nèi)萬(wàn)寶山國(guó)有林場(chǎng)為輕度至重度石漠化，花垣縣境內(nèi)高坡懂為重度石漠化。桑植縣西界國(guó)有林場(chǎng)林分喬木組成主要為杉木、馬尾松、楓香、刺楸、樟樹(shù)、麻櫟等，龍山縣萬(wàn)寶山國(guó)有林場(chǎng)林分喬木組成主要為馬褂木、燈臺(tái)樹(shù)、楓香、藍(lán)果樹(shù)、杉木等，花垣縣高坡懂林分喬木組成主要為馬尾松、欒樹(shù)、女貞、紫薇等。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查取樣

2017年9月—11月進(jìn)行野外樣品的采集，記錄不同植被造林時(shí)間和經(jīng)營(yíng)狀況、土壤及其厚度、海拔、林木及其林下植被的生長(zhǎng)狀況等。 每個(gè)群落設(shè)定6個(gè)30 m×30 m的方形樣地，樣地間隔1 000 m以上。每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置2個(gè)1 m×1 m取樣樣方，每個(gè)樣方內(nèi)選取3個(gè)樣點(diǎn)。由于所選石漠化樣地土壤石礫較多，土層厚度較小，因此采集土壤樣品為表層土壤樣品(20 cm以內(nèi))，用直徑5 cm土鉆(石漠山地土壤分布異質(zhì)性較大，隨機(jī)取3～5鉆樣品混合)從地表豎直向下采集表層土壤。挖開(kāi)土壤剖面，在剖面土壤層中部平穩(wěn)打入環(huán)刀，待環(huán)刀全部進(jìn)入土壤后，用鐵鍬挖去環(huán)刀周?chē)耐寥溃〕霏h(huán)刀，脫出環(huán)刀上端的環(huán)刀托，用削土刀削平環(huán)刀兩端的土壤，稱量土壤樣品鮮重量，將樣品帶回室內(nèi)。

2.2 土壤樣品分析

將土壤樣品置于105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱量烘干土重量，最后按照環(huán)刀法計(jì)算方法測(cè)定土壤容重。將烘干的樣品磨細(xì)后過(guò)2 mm篩。采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測(cè)定碳含量，測(cè)定土壤樣品有機(jī)碳(HJ-615-2011-土壤-有機(jī)碳的測(cè)定-重鉻酸鉀氧化-分光光度法)。因?qū)嶒?yàn)用量較少，采用四分法對(duì)其取樣，再次烘干至恒重。

2.3 數(shù)據(jù)分析

土壤碳密度的計(jì)算(有機(jī)碳)基于土層碳含量、土壤容重、土層厚度，土壤碳密度(DSOC，(t·hm-2))計(jì)算公式為：

式中：Ci為土壤碳含量(g·kg-1)；Di為土壤容重(g·cm-3)；Ei土層厚度(cm)；Gi為直徑>2 mm的石礫所占體積百分比(%)；k為土層數(shù)。

應(yīng)用 Excel 2013、 SPSS 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳密度的一般統(tǒng)計(jì)特征

從3個(gè)典型武陵石漠化區(qū)域31個(gè)林分模式的土壤樣品分析可知：武陵輕度、中度、重度石漠山地林分樣地土壤有機(jī)碳密度變幅為0.93～11.11 t·hm-2，平均值為4.32 t·hm-2，極差為10.18 t·hm-2，最大值是最小值的11.95倍。其中，桑植縣石漠化區(qū)土壤有機(jī)碳密度變幅為3.54～11.11 t·hm-2，平均值為5.26 t·hm-2，極差為7.57 t·hm-2，最大值是最小值的3.14倍；龍山縣和花垣縣石漠山地林分土壤有機(jī)碳密度變異較小，其變幅分別為2.50～4.64、0.93～2.61 t·hm-2，平均值分別為3.71、1.99 t·hm-2。桑植縣和龍山縣設(shè)置了無(wú)林地土壤樣品作為對(duì)照，其有機(jī)碳密度分別為3.16，3.38 t·hm-2，小于同等級(jí)石漠化山地有林地土壤有機(jī)碳密度(表2)。

本調(diào)查研究中武陵山地石漠化演替過(guò)程中由輕—中—重度典型階段石漠化植被修復(fù)樣地土壤有機(jī)碳密度變幅為0.93～11.11 t·hm-2，而湖南省不同森林類(lèi)型土壤有機(jī)碳密度介于31.722～45.854t·hm-2之間[11]，可見(jiàn)以桑植縣、龍山縣、花垣縣石漠山地為代表的喀斯特石漠山地林分土壤有機(jī)碳密度遠(yuǎn)小于一般地區(qū)土壤有機(jī)碳密度，且3個(gè)典型武陵石漠化區(qū)域中桑植縣石漠山地林分土壤有機(jī)碳密度變異性較大，龍山縣和花垣縣石漠山地林分土壤有機(jī)碳密度變異性較小，這與各林分林地的石漠化程度、林分結(jié)構(gòu)、林齡等有一定關(guān)系。

表2 主要林分類(lèi)型及其土壤有機(jī)碳密度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤) Tab.2 The soil organic carbon density of main stand types(mean±standard error)地區(qū)林分類(lèi)型編號(hào)林齡/a平均胸徑/cm郁閉度林分密度/株·hm-2 海拔/m石漠化等級(jí)土壤有機(jī)碳密度/(t·hm-2)土壤有機(jī)碳密度排序紅櫸S153.950.501 920550輕度3.55±0.52 cd238柏木2其它闊葉樹(shù)S2269.230.851 755600中度4.85±0.84 bc93柏木2杉木1馬尾松4馬褂木S33413.160.80825800輕度11.1±0.59 a14杉木3柏木3馬褂木S43413.260.80900800輕度4.97±1.07 bc73柏木2杉木2馬褂木3其它闊葉樹(shù)S53413.290.78765800輕度5.85±0.59 bc37馬尾松3其它闊S62917.100.801 170600中度5.66±0.69 bc46馬尾松3杉木1香椿S72915.160.801 050600中度5.02±0.48 bc6桑植縣4杉木4馬尾松2其它闊葉樹(shù)S82913.770.901 665600中度5.15±0.83 bc52馬尾松2柏木1木杉2黃樟3其它闊葉樹(shù)S92911.080.901 815400中度6.24±0.84 b22杉木1馬尾松1柏木2黃樟2樸樹(shù)2其它闊葉S102910.230.751 320400中度4.82±0.41 bc102馬尾松1柏木3黃樟4其它闊葉樹(shù)S112912.010.751 185400中度4.73±0.55 bc114馬尾松4黃樟2其它闊葉樹(shù)S122915.680.75915470中度4.47±0.47 bc143馬尾松1柏木2黃樟2櫟類(lèi)2其它闊葉樹(shù)S132914.530.75975470中度4.39±0.74 bc153馬尾松3刺楸2黃樟2其它闊葉樹(shù)S142915.160.851 305470中度4.94±1.05 bc8對(duì)照CK-S————850中度3.16±0.63 cd27

續(xù)表2 主要林分類(lèi)型及其土壤有機(jī)碳密度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤) Continued Tab.2 The soil organic carbon density of main stand types(mean±standard error)地區(qū)林分類(lèi)型編號(hào)林齡/a平均胸徑/cm郁閉度林分密度/株·hm-2 海拔/m石漠化等級(jí)土壤有機(jī)碳密度/(t·hm-2)土壤有機(jī)碳密度排序5缺萼楓香5馬褂木1藍(lán)果樹(shù)S15106.840.721 2901 130重度3.43±0.55 cd253缺萼楓香3馬褂木2藍(lán)果樹(shù)2其它闊葉樹(shù)S16107.550.708551 130重度4.13±0.88 c19缺萼楓香S17107.310.708251 109重度2.50±0.21 cd312落葉松4香果樹(shù)2馬褂木2燈臺(tái)樹(shù)S18109.410.751 0351 109重度4.50±0.66 bc133燈臺(tái)樹(shù)3山桐子4其它闊葉樹(shù)S19107.860.687501 109重度3.99±0.25 cd203燈臺(tái)樹(shù)3馬褂木4其它闊葉樹(shù)S20109.980.751 5001 100重度2.94±0.78 cd286藍(lán)果樹(shù)4其它闊葉樹(shù)S21108.490.751 6051 100輕度3.44±0.56 cd24龍山縣3杉木6藍(lán)果樹(shù)1燈臺(tái)樹(shù)S22109.750.701 1101 100輕度2.55±0.28 cd301杉木7藍(lán)果樹(shù)2其它闊葉樹(shù)S231010.700.751 3051 150輕度4.14±0.55 c188缺萼楓香2其它闊葉樹(shù)S24107.690.688851 150中度3.58±0.75 cd223杉木2缺萼楓香2燈臺(tái)樹(shù)1香椿S25107.190.752 0851 150中度4.35±0.67 bc162杉木4缺萼楓香3燈臺(tái)樹(shù)1香椿S26107.280.751 9951 120中度3.76±0.50 cd212杉木4缺萼楓香3燈臺(tái)樹(shù)1浙江柿S27107.830.701 2151 120中度4.64±0.55 bc128杉木2香椿S284312.390.752 0251 135重度4.32±0.63 c17對(duì)照CK-L————1 167中度3.38±0.87 cd265馬尾松4欒樹(shù)1女貞S2954.930.46 945611重度2.42±0.02 cd32花垣縣3欒樹(shù)1女貞6紫薇S3055.220.45 415547重度2.61±0.08 cd297馬尾松3女貞S3155.510.43 165547重度0.93±0.30 d33平均———————4.32±1.21

3.2 不同石漠化等級(jí)土壤有機(jī)碳密度

從石漠化等級(jí)來(lái)看，輕度、中度、重度石漠化樣地分別為7、14及10個(gè)，土壤平均有機(jī)碳密度表現(xiàn)為輕度石漠化>中度石漠化>重度石漠化，其土壤平均有機(jī)碳密度分別為5.09、4.76、3.18 t·hm-2，分別介于2.55～11.11，3.58～6.24，0.93～4.5 t·hm-2之間，其中中度石漠化土壤有機(jī)碳密度極差最小為2.66 t·hm-2，輕度石漠化土壤有機(jī)碳密度極差最大，為8.56 t·hm-2，見(jiàn)表3。

表3 不同石漠化等級(jí)林分模式土壤有機(jī)碳密度Tab.3 The soil organic carbon density of different levels of rocky desertification石漠化等級(jí)樣地?cái)?shù)量土壤有機(jī)碳密度/(t·hm-2)平均有機(jī)碳密度/(t·hm-2)林分模式輕度石漠化72.55～11.115.09S3(34 a)、S5(34 a)、S4(34 a)、S23(10 a)、S1(5 a)、S21(10 a)、S22(10 a)中度石漠化143.58～6.244.76S9(29 a)、S6(29 a)、S8(29 a)、S7(29 a)、S14(29 a)、S2(26 a)、S10(29 a)、S11(29 a)、S27(10 a)、S12(29 a)、S13(29 a)、S25(10 a)、S26(10 a)、S24(10 a)重度石漠化100.93～4.503.18S18(10 a)、S28(43 a)、S16(10 a)、S19(10 a)、S15(10 a)、S20(10 a)、S30(5 a)、S17(10 a)、S29(5 a)、S31(5 a)

3.3 不同林分土壤有機(jī)碳密度

本研究所選的樣地中，桑植縣混交林S3(3柏木2杉木1馬尾松4馬褂木，34 a)土壤有機(jī)碳密度最高，達(dá)到11.11 t·hm-2，顯著高于其它林分土壤有機(jī)碳密度；其次為桑植縣混交林S9(2馬尾松2柏木1木杉2黃樟3其它闊葉樹(shù)，29 a)、S5(3柏木2杉木2馬褂木3其它闊葉樹(shù)，34 a)，土壤有機(jī)碳密度分別為6.24、5.85 t·hm-2；花垣縣混交林S31(7馬尾松3女貞，5 a)土壤有機(jī)碳密度最低，僅為0.94 t·hm-2，其次為花垣縣混交林S29(5馬尾松4欒樹(shù)1女貞，5 a)，龍山楓香純林S17(缺萼楓香，10 a)，土壤有機(jī)碳密度分別為2.42、2.50 t·hm-2。

由于本調(diào)查研究所有樣地的石漠化等級(jí)、林分樣地等具有一定的局限性，因此針對(duì)林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳密度影響的研究主要集中在桑植中度石漠化山地29 a林分及龍山縣重度石漠化山地10 a林分，幼林階段林分土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)為針闊混交林>闊葉純林，且針闊混交林中針葉樹(shù)種占比50%～70%的林分其有機(jī)碳密度較高。

3.4 土壤有機(jī)碳密度與石漠化等級(jí)、林齡及林分密度相關(guān)性

據(jù)土壤有機(jī)碳密度與石漠化等級(jí)、林齡及林分密度的相關(guān)性分析，可知土壤有機(jī)碳密度與其石漠化等級(jí)、林分密度呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。其中與石漠化等級(jí)呈負(fù)相關(guān)，石漠化等級(jí)越高，土壤有機(jī)碳密度越小；與林齡呈正相關(guān)性，且與林齡達(dá)到極顯著的相關(guān)性，P值達(dá)0.655(表4)。

表4 土壤有機(jī)碳密度與石漠化等級(jí)、林齡及林分密度相關(guān)性Tab.4 Correlation analysis of soil organic carbon density土壤有機(jī)碳密度石漠化等級(jí)林齡林分密度土壤有機(jī)碳密度Person 相關(guān)性1.000-0.442* 0.655**-0.402*顯著性(雙側(cè))0.013 0.0000.025石漠化等級(jí)Person 相關(guān)性1.000-0.2900.349顯著性(雙側(cè)) 0.1130.054林齡Person 相關(guān)性 1.000-0.364*顯著性(雙側(cè))0.044林分密度Person 相關(guān)性1.000顯著性(雙側(cè)) 注: *表示在0.05水平上(雙側(cè))顯著相關(guān),**表示在0.01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)。

本調(diào)查研究中林分密度在不同石漠化地不一致，林分密度較大的林分林齡較小，且多分布于中度石漠化地，因此林分密度與土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)系數(shù)代表性不大，而相同石漠化等級(jí)的同齡林，其林分密度與土壤有機(jī)碳密度在一定程度上呈正相關(guān)性趨勢(shì)。由此推測(cè)在本調(diào)查研究區(qū)域?qū)ν寥烙袡C(jī)碳密度影響較大的為林齡及石漠化等級(jí)。

4 結(jié)論與討論

(1)龍山縣、桑植縣及花垣縣境內(nèi)武陵石漠山地為代表的3個(gè)典型喀斯特石漠化綜合治理區(qū)石漠化演替過(guò)程中輕-中-重度典型階段石漠化植被修復(fù)樣地土壤有機(jī)碳密度變幅為0.93～11.11 t·hm-2。土壤平均有機(jī)碳密度表現(xiàn)為輕度石漠化>中度石漠化>重度石漠化，分別為5.09、4.76、3.18 t·hm-2，遠(yuǎn)小于湖南省內(nèi)一般森林類(lèi)型土壤有機(jī)碳密度，3個(gè)典型武陵石漠化區(qū)域中桑植石漠山地林分土壤有機(jī)碳密度變異性較大，龍山縣和花垣縣石漠山地林分土壤有機(jī)碳密度變異性較小。這與各林地的石漠化程度、林分結(jié)構(gòu)、林齡等有關(guān)，龍山縣、花垣縣石漠山地林分處于幼林階段，對(duì)土壤有機(jī)碳密度影響程度較小。桑植石漠山地林分林齡跨度較大，有5 a的新造林和34 a的成熟林，林齡較大的林分對(duì)其土壤有機(jī)碳密度影響較大。

(2)土壤有機(jī)碳密度與其石漠化等級(jí)、林齡呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，其中與石漠化等級(jí)呈負(fù)相關(guān)，石漠化等級(jí)越高，土壤有機(jī)碳密度越小。隨著石漠化程度增加，水土流失越嚴(yán)重，其裸巖聚集效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)土壤養(yǎng)分流失越大，養(yǎng)分循環(huán)周期長(zhǎng)[12]，從而使得土壤有機(jī)碳密度減小，碳匯功能減弱。土壤有機(jī)碳密度隨其林齡的增加而增大，成熟林顯著高于中齡林與幼齡林，一方面隨著林齡增加，其年凋落物的數(shù)量增多，成熟林與中齡林的年凋落物量顯著高于幼林齡，相對(duì)龐大的凋落物量為土壤微生物代謝活動(dòng)提供了大量的原料；另一方面隨著林齡的增長(zhǎng)，其根系更發(fā)達(dá)，表層細(xì)根生物量較大，由根系代謝產(chǎn)生更多的有機(jī)質(zhì)和分泌物也會(huì)促使土壤表層有機(jī)碳的積累[13]。

(3)幼林階段林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳密度影響表現(xiàn)為：針闊混交林>闊葉純林，且針闊混交林中針葉樹(shù)種占比較高的林分其有機(jī)碳密度較高，一方面與林分本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括林分樹(shù)種、配置比例；另一方面與樹(shù)種有機(jī)碳密度差異有關(guān)，此外土壤有機(jī)碳密度與植被凋落物分解及土壤本身呼吸作用有一定關(guān)系[14]，不同植被類(lèi)型或林分結(jié)構(gòu)通過(guò)其林地枯落物的產(chǎn)量和質(zhì)量間接影響其土壤微環(huán)境，從而影響土壤物理特性、土壤微生物活動(dòng)及森林土壤碳匯調(diào)節(jié)功能[15-16]。土壤表層有機(jī)碳密度與林齡呈顯著性正相關(guān)，因此推測(cè)幼林階段林分組成對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響能代表林分整個(gè)發(fā)育階段。林分密度作為決定林分結(jié)構(gòu)的重要因素，在已有的研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳密度隨林分密度增大先增大再減小[17]、增大[18]、相關(guān)性不顯著[19]三種變化趨勢(shì)，產(chǎn)生差異的原因可能是與研究林分密度的范圍、調(diào)查樣本的數(shù)量、時(shí)間跨度等有關(guān)。本調(diào)查研究中在同石漠化等級(jí)、同齡林中土壤有機(jī)碳密度大體呈現(xiàn)出隨著林分密度的增大而提高的趨勢(shì)。在武陵石漠山地植被修復(fù)造林中可以營(yíng)建針闊混交林為主，并以馬尾松、杉木、柏木為代表的針葉樹(shù)種為主要喬木樹(shù)種，同時(shí)適當(dāng)提高造林密度。