李雅盧杰

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所,西藏 林芝 860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西藏 林芝 860000；3.西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,西藏 林芝 860000；4.西藏自治區(qū)高寒植被生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西藏 林芝 860000)

引言

土壤碳分為土壤無機(jī)碳和土壤有機(jī)碳兩類，土壤無機(jī)碳主要由巖石化無機(jī)碳或源自土壤母質(zhì)的初級碳酸鹽以及通過成土過程形成的次生碳酸鹽組成[1],土壤有機(jī)碳是指通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體中的碳元素[2]。土壤有機(jī)碳可分為活性、慢性和惰性有機(jī)碳?；钚杂袡C(jī)碳是土壤中易氧化、易分解、易礦化，具有一定溶解性的土壤碳素,可直接參與土壤生物的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，能較快地反映土壤有機(jī)質(zhì)的變化[3]。土壤碳儲(chǔ)量受到植被類型、氣候以及土地利用方式等因素的影響[4]，近年來，森林凋落物對土壤碳儲(chǔ)量的影響逐漸成為研究熱點(diǎn)，國外最早開始相關(guān)研究，德國學(xué)者Ebermayer最早提出了有關(guān)于森林凋落物的研究[5]。凋落物參與物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞，是碳庫的重要組成部分，影響水土保持的生態(tài)服務(wù)功能[6]。

1 影響土壤碳的因素

1.1 土地利用

在不同的土地利用類型中，不受人為因素干擾的土地有利于凋落物的積累，也有利于輸入植物殘?bào)w，增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[7]。Wang等[8]采集了不同季節(jié)表層和剖面土壤樣品，研究了人類活動(dòng)對濱海濕地土壤有機(jī)碳分布和儲(chǔ)存的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于人類活動(dòng)導(dǎo)致濱海濕地水文條件差，土壤有機(jī)碳沉降速率低以及向下遷移較弱，同時(shí)加快了有機(jī)物分解速度。土壤含水量低不利于有機(jī)質(zhì)的保存，從而導(dǎo)致濱海濕地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存量減少。Govindasamy等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)，長期保護(hù)性耕作可以增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，以及減少CO2的排放。與常規(guī)耕作相比，免耕的土地由于減少了土壤干擾有利于添加更多的有機(jī)物質(zhì)，減少了土壤碳損失，從而提高了土壤碳儲(chǔ)量。Wang等[10]在華北丘陵地區(qū)選取耕地、灌木林、幼齡林以及中齡林為研究對象，通過研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著，與耕地相比，不同林齡林地以及灌木林的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量更高。這個(gè)結(jié)果表明退耕還林可以提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，活生物量驅(qū)動(dòng)的碳輸入可以增加森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，而受到人為干擾的耕地存在土壤碳損失的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 氣候因素

Shrestha等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率隨著溫度的升高而增強(qiáng)，增加了碳以CO2的形式從土壤中流失到大氣中的機(jī)會(huì)，降低了土壤中的有機(jī)碳儲(chǔ)存。Gao等[12]研究了不同氣候條件下黃土高原草地植物和土壤的碳氮儲(chǔ)存。研究發(fā)現(xiàn)，不同氣候帶草地土壤有機(jī)碳密度依次降低，半濕潤氣候帶>半干旱氣候帶>干旱氣候帶。降水和溫度通過影響通量率直接影響土壤碳儲(chǔ)量，而且還可以通過影響草地物種組成和植被特征間接影響土壤碳儲(chǔ)存。此外，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與年平均降水量的關(guān)系符合“S”模型，年平均降水量適中的草地可能具有較高的土壤碳積累潛力。Wang等[13]研究結(jié)果表明，溫度是影響我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤有機(jī)碳含量的主要環(huán)境因素。土壤有機(jī)碳的密度隨著溫度的升高而降低，在低溫地區(qū)較高，而在高溫地區(qū)較低。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳密度與濕度指數(shù)呈顯著正相關(guān)。植物生長受水分條件的制約，在水分有限時(shí)生長緩慢，對土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)較少。

1.3 植被類型

Hu等[14]分析了黃土高原2種恢復(fù)植被對土壤碳儲(chǔ)量的影響，結(jié)果表明，刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林土壤碳儲(chǔ)量高于草地。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，刺槐人工林的土壤碳排放量低于草地，刺槐是固氮植被在維持舊碳的同時(shí)可以增加新碳，較高的碳輸入和較低的碳輸出導(dǎo)致更多土壤碳積累。Chen等[15]對4種植物群落類型(落葉林、松林、松落葉混交林、草地)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，0～40cm土壤深度土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量為草地>混交林>松林>落葉林。草地較高的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量可能是由于相對較短的生命周期，以及根系的高周轉(zhuǎn)率等原因。Su等[16]對中國熱帶針葉林和常綠闊葉林的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)果表明，生長在相同土壤類型和不同土壤質(zhì)地上的闊葉林和針葉林之間的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在顯著差異，表明森林樹種組成和土壤質(zhì)地的變化可能會(huì)對土壤碳儲(chǔ)存量造成長期影響。闊葉林向針葉林的轉(zhuǎn)變可能會(huì)降低土壤固碳能力，研究結(jié)果突出了闊葉林在儲(chǔ)存土壤有機(jī)碳方面的重要性。

1.4 森林凋落物

森林凋落物是恢復(fù)森林養(yǎng)分的重要途徑，植物吸收土壤中的養(yǎng)分，最終以凋落物的形式返回土壤,改善了土壤性質(zhì)，補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分。路翔[17]選取了馬尾松(Pinus massoniana)林、青岡(Cyclobalanopsis glauca)林、南酸棗(Choerospondias axillaris)林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林為研究對象，對中亞熱帶4種類型森林凋落物以及土壤碳氮儲(chǔ)量分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明，森林凋落物各亞層的碳含量具有相同的規(guī)律，未分解層土壤碳儲(chǔ)量最高，分解層土壤碳儲(chǔ)量最低，隨著森林凋落物的分解土壤碳儲(chǔ)量逐漸降低。馬尾松林的土壤碳儲(chǔ)量最高，杉木林的土壤碳儲(chǔ)量最低。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于杉木林是單一樹種的人工純林，林分密度較低，因此凋落物對土壤有機(jī)碳的補(bǔ)給與其他林分相比較小。狄麗燕等[18]通過室內(nèi)試驗(yàn)和三維熒光光譜技術(shù)研究了添加凋落物對土壤有機(jī)碳的影響，結(jié)果表明，凋落物分解增加了土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，土壤微生物的活性隨著凋落物的分解而提高，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化，且不同類型的凋落物對土壤有機(jī)碳礦化的影響不同。

2 森林凋落物對土壤碳儲(chǔ)量的影響

2.1 對土壤無機(jī)碳的影響

Zhao等[19]對黃土高原紙坊溝流域不同植被覆蓋對土壤碳垂直分布的影響進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，不同植被覆蓋下表層0～50cm土壤無機(jī)碳含量增加，50～200cm土層土壤無機(jī)碳含量保持穩(wěn)定。對于整個(gè)剖面，土壤無機(jī)碳儲(chǔ)量的順序是在陽坡灌木>草地>森林，在陰坡灌木≥森林>草地。在3種不同類型的植被中，灌木最有利于土壤無機(jī)碳的固定。更多的土壤微生物生物量可以礦化不穩(wěn)定的有機(jī)碳，從而產(chǎn)生更多的CO2，產(chǎn)生的CO2將溶解在土壤溶液中并轉(zhuǎn)化為CO32-。由此產(chǎn)生的CO32-可以通過與從分解的凋落物中釋放的Ca沉淀形成CaCO3，更多的CaCO3可以通過分解的灌木凋落物釋放更多的Ca沉淀而形成。由于灌木覆蓋下的土壤含水量相對較低，因此成土碳酸鹽的溶解和沉淀相對較少。與陰坡相比，陽坡的土壤無機(jī)碳含量相對較高。這可能是由于向陽坡上的土壤含水量較低，減少了成土碳酸鹽的轉(zhuǎn)移。Chang等[20]研究了黃土高原中部農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榇袒绷趾蟊韺油梁偷淄镣寥捞純?chǔ)量的變化，通過研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榇袒比斯ち趾?，表層土壤無機(jī)碳含量顯著下降。與農(nóng)田相比，刺槐林地上凋落物和細(xì)根生物量更高，導(dǎo)致的自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸更高，再加上較高的CO2的分壓，可能會(huì)增加表層土壤碳酸鹽的溶解和淋溶發(fā)揮作用，導(dǎo)致森林表層土壤無機(jī)碳儲(chǔ)量較低。浸出的土壤無機(jī)碳隨后可能在森林底土中重新沉淀，導(dǎo)致森林底土中土壤無機(jī)碳儲(chǔ)量相對于農(nóng)田更高。同時(shí)，森林底土土壤無機(jī)碳儲(chǔ)量較高與較低的CO2分壓、土壤水分減少和較低的細(xì)根生物量有關(guān)。

2.2 對土壤可溶性有機(jī)碳的影響

Wang等[21]研究了森林土壤中凋落物產(chǎn)生的溶解性有機(jī)碳，將13C標(biāo)記的土壤可溶性有機(jī)碳添加到不同深度的土壤柱中，并監(jiān)測土壤可溶性有機(jī)碳滲入土壤時(shí)的變化。通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分土壤可溶性有機(jī)碳保留在土壤中，小部分被土壤微生物礦化，淋溶部分最少。高晟等[22]通過研究發(fā)現(xiàn),凋落物量與土壤表層可溶性有機(jī)碳的儲(chǔ)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，可能是由于研究時(shí)期處于雨季，因此森林凋落物中的易溶物質(zhì)在短期內(nèi)快速淋溶進(jìn)入土壤中，使土壤中的可溶性碳含量增加。Zhou等[23]研究了凋落物分解對西雙版納亞洲熱帶雨林土壤可溶性有機(jī)碳的影響，研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤可溶性碳的主要限制因素是凋落物碳質(zhì)量和半纖維素質(zhì)量，其中凋落物的質(zhì)量是主要的影響因素。土壤溫度、水分以及降雨量與凋落物分解率呈正相關(guān)關(guān)系，對凋落物剩余質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而對表層土壤可溶性有機(jī)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生影響。

2.3 對土壤微生物量碳的影響

立天宇等[24]對闊葉林葉凋落物組成對土壤微生物量碳的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，植物凋落物的添加將顯著增加土壤微生物量的碳含量。土壤微生物量碳含量在葉枯落物混合處理中最高，在單一葉枯落物處理中最低。增加凋落物多樣性可以顯著增加土壤微生物量碳含量，促進(jìn)土壤微生物代謝，并有助于保持森林土壤的良好性質(zhì)。沈楊陽等[25]通過研究發(fā)現(xiàn)，不同齡級杉木林土壤微生物量碳含量依次為近成熟林>幼林>中齡林。與單一凋落物添加相比，添加混合凋落物可以有效提高土壤微生物量碳含量，不同類型凋落物為土壤提供了多種碳源。王曉峰等[26]采用13C穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，添加杉木凋落物后土壤微生物量碳含量在培養(yǎng)初期降低，在培養(yǎng)后期增加，且表層土壤微生物量碳含量高于深層土壤，土壤總微生物量碳含量增加。

2.4 對土壤易氧化有機(jī)碳的影響

陳小花等[27]選取了木麻黃(Casuarina equisetifolia)人工林、瓊崖海棠(Calophyllum inophyllum)天然次生林、蒲桃(Syzygium jambos)天然次生林、大葉相思(Acacia auriculiformis)人工林、椰子(Cocos nucifera)人工林為研究對象，對熱帶海岸森林土壤易氧化有機(jī)碳分布規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同類型林地土壤易氧化有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著，造成這種現(xiàn)象的原因是5種類型林地的凋落物量差異大。該研究區(qū)域土壤易氧化有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的比例與其他地區(qū)相比較高，可能是由于溫度高促進(jìn)土壤微生物和動(dòng)物活動(dòng)，加快了土壤中其他活性有機(jī)碳向土壤易氧化有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化。石亞攀等[28]通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤易氧化有機(jī)碳儲(chǔ)量有季節(jié)變化，其儲(chǔ)量在8月最高，隨后呈下降趨勢。大小林隙在9—10月土壤易氧化有機(jī)碳儲(chǔ)量稍有增加，可能是由于植物開始落葉，凋落物在森林地表聚集，促進(jìn)了土壤易氧化有機(jī)碳的積累。中林隙土壤易氧化有機(jī)碳儲(chǔ)量在8月后呈持續(xù)下降的狀態(tài)，可能是由于其坡度較大，凋落物積累較少。

3 結(jié)語

土壤是陸地表面最大的碳庫，土壤碳儲(chǔ)量受到很多因素的影響。不同的土地利用模式對土壤環(huán)境造成影響，使土壤有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)換程度有差異，對土壤碳儲(chǔ)量造成影響。氣候變暖導(dǎo)致碳排放增加，造成土壤碳損失。植被是土壤有機(jī)碳的重要來源之一，不同植被類型土壤有機(jī)碳的輸入和輸出的方式不同，從而對土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量產(chǎn)生影響。森林凋落物是養(yǎng)分的載體，凋落物的輸入對大氣碳庫產(chǎn)生正反饋。增加凋落物種類的多樣性，改善凋落物的理化性質(zhì)，有利于保持森林土壤的良好性質(zhì)，使森林生態(tài)系統(tǒng)朝著健康的方向發(fā)展。