鄒 航,宋婭麗,王克勤,張轉敏,邢進梅

(西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院,650224,昆明)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和最大的碳庫，碳總量約為1 146 Pg，約占全球植被碳儲量的86%，土壤碳儲量的73%，在土壤和生物圈化學過程中起著重要作用，森林生物量與碳循環(huán)密切相關[1-2]。

經濟快速發(fā)展情況下，對礦產資源的需求隨著經濟的快速發(fā)展而增加，然而對這些資源的不合理開采在很短的時間內對森林生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重損害[3-4]，長期以來，大量礦區(qū)廢地在沒有人類干預的情況下被棄置，環(huán)境已經無法自我恢復[5]。而且，盡管我國的礦物資源多種多樣，自給自足程度較高，但開采水平和速度的提高也給采礦和采礦區(qū)造成了日益嚴重的環(huán)境問題[6]。調查至2017年底，國內碳資源儲量為156.63億t，在礦區(qū)每開采萬噸煤，破壞土地面積為0.22 hm2，其中土地直接被破壞面積為0.12 hm2，年土地破壞和占有面積達到1萬hm2[7-8]。礦區(qū)森林生態(tài)環(huán)境的持續(xù)退化、土壤侵蝕、生物多樣性的大幅度減少和土壤退化，導致植被和土壤中的碳儲存量大幅度減少[9]。我國的采礦業(yè)歷史悠久，但1949年前尚未對被遺棄的礦場進行系統(tǒng)的生態(tài)恢復研究[10]，直到這些系統(tǒng)的礦區(qū)生態(tài)修復建立，相比其他發(fā)達國家礦區(qū)生態(tài)修復較晚[11]。因此，筆者以臨近礦區(qū)未被人為開采破壞的森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，通過研究森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量得出礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳損失量，以期為提高礦區(qū)土壤質量、增加植被層碳儲備，為修復礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于云南省山壯族、苗族自治州，道路均為瀝青路面，屬國家二級、三級公路，交通便利。該礦區(qū)于20世紀70年代開始開采，我國對于礦區(qū)生態(tài)修復起步較晚，礦區(qū)未進行生態(tài)修復措施，其生態(tài)系統(tǒng)幾乎已被破壞。礦區(qū)內無大的地表水體，水流均低于礦床主要礦體標高，與礦床充水水力聯(lián)系較小，礦區(qū)所在地文山州主要植被類型屬亞熱帶常綠闊葉林、針闊混交林，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)和愷木(Alnuscremastogyne)，地形復雜，海拔懸殊較大，礦區(qū)所屬森林覆蓋率低，樹種組成單一，優(yōu)勢樹種為杉木，其次是青岡類的闊葉樹種，林種結構單一，為用材林和薪炭林。項目區(qū)林草覆蓋率34.24%。土壤主要成土母質為石灰?guī)r和第四紀紅色黏土及近代沉積物。根據土壤普查資料，項目區(qū)分成為6個土類、12個亞土、16個土屬、19個代表土種。項目區(qū)土壤主要有赤紅壤、紅壤、石灰(巖)土和水稻土。

2 研究方法

2.1 樣地設置

礦區(qū)被開采后，無植被覆蓋無植被恢復，碳損失量由礦區(qū)周圍自然條件下森林植被碳儲量來計量。本試驗綜合考慮礦區(qū)地形、立地條件、密度等因素，在礦區(qū)周圍自然條件植被下設置3個20 m×20 m的喬木樣方，確保各實驗樣地與各區(qū)域的氣候、植被和其他條件相似。在每個喬木樣地沿對角線方向設置5個5 m×5 m灌木叢樣方，5個1 m×1 m草本群落樣方，3個1 m×1 m凋落物樣方用于灌木、草本、凋落物的取樣。樣地基本情況見表1。

表1 研究區(qū)域樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the sample plot in the study area

2.2 樣品采集

1)植物樣品取樣。采集每個樣方內喬木不同器官(葉、枝、干、皮和根)、灌木層(葉、根和枝)和草本層(地上和地下部分)，同時對每種植物的花、葉、果實等特征以及生長情況拍照依據《中國植物志》及相關的著作、文獻等，準確地鑒定野生植物的種、屬，并做好外業(yè)調查表。記錄喬木層測株數、種名、樹高和胸徑；記錄灌木層和草本層種名、株數(叢數)、高度，估算蓋度；凋落物按其與土壤接觸距離和凋落物的結構劃分為3個分解等級：未分解、半分解和已分解層,取樣放入自封袋并測鮮質量。同時，將采集的喬木、灌木、草本和凋落物樣品送回實驗室，并在65 ℃下烘干至恒質量，以計算生物量。

2)土壤樣品取樣。在每個20 m×20 m的樣方中，挖取5個土壤剖面，取回5個不同深度的混合土樣。土壤層60 cm以下石礫占比較高，非土壤層，將土壤分為5個土層分別為0～10、10～20、20～30、30～40和40～60 cm，每1個土層都分別采集500 g左右的土壤樣品。每1個土層的剖面都需用100 cm3規(guī)格的環(huán)刀取土壤樣品，并把土壤樣品在105 ℃的溫度下進行烘干，然后測定密度。同時，分別采集每層泥土樣品，去除小碎石等其他雜物，帶回實驗室將土壤樣品進行自然風干之后開始磨碎過篩(100目)，用于土壤有機碳含量[12]的測定。

2.3 樣地樣品碳含量和碳損失量計算

采用重鉻酸鉀容量法對植物層和土壤層樣品有機碳含量進行測定。植被層碳損失量由植被碳儲量得到[13]：

VCS=OC×B。

(1)

式中：VCS為植被層碳損失量，t/hm2；OC為有機碳質量分數,%；B為單位面積生物量,t/hm2。

土壤層碳損失量由土壤碳儲量得到：

Tn=∑CnPnDn。

(2)

式中:Tn為第n層土壤剖面深度內總土壤碳損失量，t/hm2；Cn為第n層中土壤有機碳質量分數，%；Pn為第n層土壤密度,g/cm3；Dn為第n層剖面深度。

2.4 數據分析處理

檢驗各林分碳損失量的差異性使用單因素方差分析(One-way ANOVA)，處理圖表和進行數據分析使用Excel 2013和SPSS 20.0。

3 結果與分析

3.1 喬木層有機碳含量、生物量和碳損失量特征

如表2所示，喬木層有機碳質量分數表現為：干>葉>皮>根>枝，范圍為48.05%～58.76%。喬木層生物量以干(198.76 t/hm2)最高，枝(143.04 t/hm2)和根(73.12 t/hm2)次之，葉(51.21 t/hm2)和皮(28.28 t/hm2)最小。樹干的碳損失量占喬木層碳損失量的絕大部分，其碳損失量占喬木層的45.3%，其次為枝(25.8%)和根(12.8%)，最小的為葉(10.1%)和皮(6.0%)，表現為：干>枝>根>葉>皮。

表2 喬木層有機碳質量分數、生物量和碳損失量Tab.2 Organic carbon content,biomass and carbon loss of arbor layer

3.2 灌木層有機碳含量、生物量和碳損失量特征

從灌木的有機碳含量數據(表3)可見，從高到低排列順序為枝>根>葉，灌木層各器官中，葉與根、枝存在顯著差異(P<0.05)。灌木層各器官生物量與灌木有機碳含量的分布一致。枝在灌木層生物量中分布最高，其生物量占灌木層(44.7%)，其次為根(34.7%)，最低為葉(20.6%)，表現為枝>根>葉。不同林分在同一植被相比，不同生物量也不相同，不同器官也存在顯著差異(P<0.05)。灌木層碳損失量主要的器官是枝，其碳損失量占灌木層的(54.0%)，其次為根(30.7%)，最小的為葉(16.3%)，表現為枝>根>葉。

表3 灌木層有機碳質量分數、生物量和碳損失量Tab.3 Organic carbon content,biomass and carbon loss of shrub layer

3.3 草本層有機碳含量、生物量和碳損失量特征

地下部分有機碳質量分數占草本碳含量的55.1%，其次為地上部分(44.9%)；有機碳含量表現為地下部分>地上部分(表4)。草本層生物量地上部分(10.15 t/hm2)高于地下部分(7.10 t/hm2)。同樣，地上部分碳損失量占草本層的57.6%，其次是地下部分(42.4%)。

表4 草本層有機碳質量分數、生物量和損失量Tab.4 Organic carbon content,biomass and carbon loss of herbaceous layer

3.4 凋落物層有機碳含量、生物量和碳損失量特征

凋落物層有機碳含量表現為未分解層>半分解層>已分解層，顯著差異(P<0.05)存在于不同器官有機碳含量，且隨著凋落物的分解程度的增加而降低(表5)。凋落物層生物量分布以已分解層(6.96 t/hm2)最高，半分解層(3.59 t/hm2)次之，未分解層(1.24 t/hm2)最低，體現為已分解層>半分解層>未分解層，它們存在顯著差異(P<0.05)。以凋落物層碳損失量來看，凋落物層碳損失量的分布最大的是半分解層，占其碳損失量灌木層(63.9%)，其次為半分解層(24.5%)，最低為已分解層(11.6%)。

表5 凋落物層有機碳質量分數、生物量和碳損失量Tab.5 Carbon content,biomass and carbon loss of litter layer

3.5 土壤層有機碳含量、密度和碳損失量特征

土壤碳含量受土壤深度和礦區(qū)樣地影響最大。3個樣地的土壤有機碳質量分數隨土層深度的增加均顯著降低(P<0.05)，不同土層有機碳含量分布以表土層(0～10 cm)最高，40～60 cm最低(表6)。影響土壤碳損失量的因素是土壤有機含碳量和密度，土壤中的碳損失量增加，土壤深度就會減少，改變的程度基本上與土壤中的碳含量一致。

表6 土壤層有機碳質量分數、密度和碳損失量Tab.6 Organic carbon content,density and carbon loss of soil layer

其中0～30 cm的土壤碳損失量在土壤總碳損失量中占64.2%，說明土層中的碳損失量大部分集中在表層土層。

3.6 生態(tài)系統(tǒng)有機碳含量、生物量(密度)和碳損失量特征

在植被層中，碳損失量由各組分有機碳含量與生物量共同決定，有機碳含量和生物量越高，碳損失量越高。森林生態(tài)系統(tǒng)中各組分有機碳質量分數的大小順序表現為喬木層>土壤層>凋落物層>草本層>灌木層(表7)。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，碳損失量的主體是喬木層，占了森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量的59.5%，其次是土壤層(37.1%)、灌木層(2.1%)、凋落物層(0.7%)和草本層(0.6%)所占比例較低。

表7 生態(tài)系統(tǒng)有機碳質量分數、生物量(密度)和碳損失量Tab.7 Organic carbon content,biomass (density)and carbon loss of ecosystem

4 討論

我國礦山產業(yè)發(fā)展迅速，再加上國家政策對礦山作出的進一步調整，礦山產業(yè)優(yōu)勢雖逐漸明顯，但礦山環(huán)境破壞和水土流失問題日益突出，導致植物和土壤碳儲量嚴重流失[14]。本研究為了更好測定出礦區(qū)的碳含量與碳儲量的降低量，選取礦區(qū)附近具有代表性未被破壞的森林生態(tài)系統(tǒng)作為研究對象，以探究礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量。

喬木層、灌木層、草本層和凋落物層組成森林生態(tài)系統(tǒng)植被層[15]。本研究中碳含量因植被類型而異，通過實測碳含量和生物量得到礦區(qū)的碳損失量，使森林碳損失量的計算更為精確。森林生態(tài)系統(tǒng)中植物累積的主要形式是生物量，其分布受到區(qū)域氣候條件、土壤類型、森林植被類型、植物年齡的限制[16]。礦區(qū)植被層的碳損失量主體是喬木層，植被層碳損失量的94.6%，并占森林生態(tài)系統(tǒng)的59.5%。在本試驗中，植被層碳損失量不僅受到植被組成和樹木年齡的影響，還受到區(qū)域氣候、樣地類型、環(huán)境光源、地域類型以及立地構成的影響[17]。喬木層不同器官碳損失量體現為根>枝>干>葉>皮，葉和皮的碳損失量較低是因為組織衰老而脫落導致碳循環(huán)能力變低。在植被類型中灌木層碳損失量占生態(tài)系統(tǒng)植被碳損失量的3%，但遠高于草本層和凋落物層。草本層中地上部分碳損失量大于地下部分。凋落物層是森林中的碳進入植被和土壤的有效手段[18]，凋落物層中不同器官以半分解層的碳損失量最大。

表土層(0～10 cm)有機碳含量最高，40～60 cm土層最低。本研究礦區(qū)已開采多年，植被層與土壤層受損嚴重。若礦區(qū)未被開采，則該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量較高，其原因是林下有許多灌木層和凋落物層，其分解有助于土壤碳元素的補充，也與土壤有機物的緩慢的分解和主要森林為針闊混交林和亞熱帶常綠闊葉林有關，均屬于群落植物較為豐富的森林樣地。但礦區(qū)由于人工開采使森林生態(tài)系統(tǒng)被破壞，導致礦區(qū)土壤層和植被層碳損失量較高。在本研究試驗中，0～30 cm土層碳損失量占土壤總碳損失量的64.2%，高于Gruijter等[19]統(tǒng)計的全球各類土壤表層占土壤總碳儲量的平均值(49.0%)，說明本試驗中土壤表層的碳損失量是土層碳損失量的主體。

影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量的重要元素是樣地的類型、植被的密度以及研究區(qū)森林自我經營方式。礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量高于中國森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量平均值(258.8 t/hm2)[20]，說明礦區(qū)具有較強的碳損失能力，礦區(qū)碳含量較高，喬木層生物量較大((494.42±135.89)t/hm2)，從而使礦區(qū)碳損失量過高，并且土壤有機碳含量較大直接導致土壤碳損失量較高((169.9±12.7)t/hm2)，二者共同導致礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳損失量較高，也與礦區(qū)多年開采導致礦區(qū)無植被，土壤質量受損有關。綜合以上分析研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的碳儲量，多年開采的礦區(qū)具有較高的碳損失量，應對礦區(qū)進行合理的保護，提高礦區(qū)土壤質量、增加植被層碳儲備，使礦區(qū)樣地受損土地恢復其生態(tài)完整性和土地生產力。

5 結論

1)通過研究樣地森林生態(tài)系統(tǒng)植被層的碳儲量得出礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被層的碳損失量，植被層生物量的主體是喬木層，其占94.6%；其次為凋落物，占3.4%；而林下層的草本層和凋落物層占比較小，分別為1.1%和0.9%。不同器官碳損失量在喬木層中表現為干>枝>根>葉>皮；灌木層碳損失量為枝>根>葉；草本層碳損失量為地上部分>地下部分；凋落物層碳損失量為半分解層>未分解層>已分解層。

2)土壤層中不同土層有機碳含量不同，0～60 cm土層平均碳含量最高為表土層(0～10 cm)，40～60 cm土層最低。土壤密度和土壤含碳量影響礦區(qū)土壤碳損失量，并且礦區(qū)土壤碳損失量隨土壤深度增長而減少。0～30 cm表土層是土層碳損失量的主要集中的土層，占土層總碳損失量的64.2%。

3)礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量主要為喬木層和土壤層，二者之和占礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的96.6%，灌木層、草本層和凋落物層的碳損失量總和只占整個森林生態(tài)系統(tǒng)的3.4%。研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)具有較強的碳貯存能力，多年開采的礦區(qū)具有較高的碳損失量，應參照研究區(qū)樣地森林植被類型對礦區(qū)采取植被恢復技術，提高礦區(qū)植被層碳儲備量和土壤質量。