不同土地利用方式下亞熱帶花崗巖小流域碳匯潛力及其影響因素

左雙苗，楊金玲*，張甘霖，黃來(lái)明,31.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101

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不同土地利用方式下亞熱帶花崗巖小流域碳匯潛力及其影響因素

左雙苗1,2，楊金玲1,2*，張甘霖1,2，黃來(lái)明1,2,3
1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101

摘要：了解小流域尺度上植物生長(zhǎng)與巖石風(fēng)化對(duì)CO2吸收的相對(duì)貢獻(xiàn)對(duì)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能有重要意義，但過(guò)去的研究大多集中在某一單一過(guò)程且多基于特定土地利用類(lèi)型。本研究以亞熱帶丘陵地區(qū)不同土地利用方式下的3個(gè)花崗巖小流域（F-100%森林、FA1-82%森林/18%農(nóng)田和FA2-76%森林/24%農(nóng)田）為研究區(qū)，自2010年3月至2012年2月定期監(jiān)測(cè)了流域內(nèi)的雨水、徑流水，并采集了植物樣品，分析其化學(xué)組成，系統(tǒng)研究了小流域尺度下植物生長(zhǎng)和巖石風(fēng)化的碳匯潛力及其影響因素。結(jié)果表明，F(xiàn)流域中不同林分（馬尾松Pinus massoniana Lamb.闊葉樹(shù)混交林、杉木Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.闊葉樹(shù)混交林、馬尾松林、杉木林、灌木林和竹Bambusoideae林）的碳密度和年均CO2吸收通量均不相同，碳匯潛力存在差異。不考慮施肥的影響，F(xiàn)、FA1和FA2流域植被的碳密度分別為44.5、37.3和35.0 t·hm-2，植被年均單位面積吸收CO2的量分別為10.5、11.8和12.4 t·hm-2·a-1，巖石風(fēng)化消耗CO2的量分別為54.7×10-3、99.8×10-3和109.2×10-3t·hm-2·a-1，均隨農(nóng)田比例的增加而增加。施肥對(duì)農(nóng)田水稻（Oryza sativa）碳截留的直接貢獻(xiàn)很小，但可通過(guò)多種途徑間接影響農(nóng)田的碳匯潛力。3個(gè)流域徑流水中HCO3-的物質(zhì)的量濃度隨農(nóng)田比例增加而增加，在一定程度上受到施肥的影響，扣除施肥對(duì)徑流水中HCO3-的貢獻(xiàn)外，F(xiàn)A1和FA2流域土壤風(fēng)化吸收CO2的量分別為84.4×10-3和88.6×10-3t·hm-2·a-1，仍高于F流域土壤風(fēng)化吸收的大氣CO2的量，說(shuō)明農(nóng)田土壤和森林土壤通過(guò)風(fēng)化對(duì)CO2的固定存在差異。因此，農(nóng)業(yè)活動(dòng)在一定程度上影響了流域碳匯，不同土地利用方式下流域的碳匯潛力存在差異。盡管短時(shí)間尺度上植物生長(zhǎng)對(duì)流域碳匯的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于巖石風(fēng)化，但植物的收獲與利用也可能加劇生態(tài)系統(tǒng)的碳排放，而硅酸巖風(fēng)化在任何尺度上都是凈碳匯，因而在地質(zhì)時(shí)間尺度上硅酸鹽風(fēng)化對(duì)全球碳循環(huán)的影響不容忽視。

關(guān)鍵詞：流域；植物固碳；巖石風(fēng)化；風(fēng)化固碳；碳匯潛力

ZUO Shuangmiao,YANG Jinling,ZHANG Ganlin,HUANG Laiming.Carbon Sequestration Potential in Granitic Watersheds under Different Land Uses in Subtropical China [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):1-8.

工業(yè)革命以來(lái)，隨著化石燃料的大量使用、森林砍伐和土地利用方式的改變，大量已被固定的碳被重新釋放進(jìn)入大氣，使得大氣CO2濃度呈持續(xù)上升趨勢(shì)（Falkowski et al.，2000）。大氣中CO2濃度已由工業(yè)革命前的280 mg·kg-1升高到2010年的389 mg·kg-1，并以每年約2 mg·kg-1的速度繼續(xù)增加（劉再華，2012），由CO2排放增多帶來(lái)的溫室效應(yīng)使得全球變暖已成為最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一。研究發(fā)現(xiàn)目前已知的碳源和碳匯不能達(dá)到平衡，存在很大的碳失匯（劉建棟等，2007）。相比大氣和海洋生態(tài)系統(tǒng)，同為碳匯的陸地生態(tài)系統(tǒng)更復(fù)雜，不確定性更大，因此尋找陸地碳匯成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)（Gaillardet et al.，1999；韓冰等，2008；邱冬生等，2004）。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中，充當(dāng)碳匯的兩個(gè)主要過(guò)程是巖石風(fēng)化對(duì)大氣CO2的消耗和植物光合作用對(duì)大氣CO2的吸收（Gaillardet et al.，1999）。早在上世紀(jì)80年代初，Walker et al.（1981）即提出硅酸鹽巖風(fēng)化是大氣CO2的一個(gè)主要的凈匯。硅酸鹽巖風(fēng)化過(guò)程將CO2全部轉(zhuǎn)化為HCO3-并將其作為碳酸鹽礦物埋藏在海洋，已知碳酸鹽礦物的存留時(shí)間超過(guò)百萬(wàn)年，因而在地質(zhì)時(shí)間尺度上硅酸鹽礦物的風(fēng)化是消耗大氣CO2的重要途徑（劉建棟等，2007）。植物作為陸地生物圈碳循環(huán)的主體，通過(guò)光合作用吸收CO2制造碳?xì)浠衔?，將大氣中的CO2以有機(jī)碳的形式固定于機(jī)體中，在減少全球CO2排放、維護(hù)區(qū)域乃至全球氣候穩(wěn)定中起著重要作用（Sedjo，1993；楊昆等，2006）。與此同時(shí)，巖石風(fēng)化和植物生長(zhǎng)相互影響，巖石風(fēng)化可為植物提供礦質(zhì)養(yǎng)分，間接促進(jìn)植物光合作用對(duì)CO2的吸收；而植物通過(guò)分泌有機(jī)酸和吸收風(fēng)化產(chǎn)物加速巖石風(fēng)化進(jìn)程，進(jìn)而加快巖石風(fēng)化對(duì)CO2的消耗（Berner，1992；Perrin et al.，2008；Hinsinger et al.，2001）。過(guò)去研究陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯主要針對(duì)巖石風(fēng)化和植物光合作用中的某一過(guò)程單獨(dú)開(kāi)展。此外，盡管前人分別針對(duì)林地和農(nóng)田的碳匯進(jìn)行了廣泛研究（Fang et al.，2001；Schlesinger et al.，2001；Zhang et al.，2001），但是關(guān)于小流域尺度上不同土地利用方式下植物生長(zhǎng)與巖石風(fēng)化對(duì)CO2吸收的對(duì)比研究較少，不能系統(tǒng)地理解小流域尺度下巖石風(fēng)化和植物吸收對(duì)碳匯的相對(duì)貢獻(xiàn)。

本研究選取我國(guó)亞熱帶丘陵地區(qū)不同土地利用方式下的3個(gè)相鄰流域（F-100%森林、FA1-82%森林/18%農(nóng)田和FA2-76%森林/24%農(nóng)田），通過(guò)定期監(jiān)測(cè)與采集流域內(nèi)雨水、徑流水以及植物樣并分析其化學(xué)組成，系統(tǒng)研究了小流域尺度上不同土地利用方式下巖石風(fēng)化和植物吸收的碳匯潛力及其影響因素。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省南部的涇縣包合鄉(xiāng)厚岸村，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.5 ℃，年均降雨量為1585 mm。該地區(qū)最具代表性的巖石類(lèi)型為花崗巖，其抗風(fēng)化能力強(qiáng)，形成的土層較薄，主要土壤類(lèi)型為濕潤(rùn)雛形土、正常新成土和水耕人為土。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物主要為單季水稻（Oryza sativa）且休耕時(shí)不種植其它作物；而森林中林分類(lèi)型較多，主要包括：馬尾松Pinus massoniana Lamb.闊葉樹(shù)混交林（I）、杉木Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.闊葉樹(shù)混交林（II）、馬尾松林（III）、杉木林（IV）、灌木林（V）和竹Bambusoideae林（VI）。除灌木林外，不同林分類(lèi)型下灌木層和草本層物種豐富度差異性不大。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，林下灌木樹(shù)種主要有山礬Symplocos caudata、山胡椒Lindera glauca (Sieb.et Zucc.) Bl和檵木Loropetalum chinensis (R.Br.) Oliv.、野茶樹(shù)Camellia assamica、桑樹(shù)Morus alba L.和烏藥Lindera aggregate (Sims) Kosterm.等，還有少量的六月雪Serissa japonica (Thunb.) Thunb.、野鴉椿Euscaphis japonica (Thunb.) Dippel、荊條Vitex negundo L.var.heterophylla (Franch.) Rehd.、茅栗Castanea seguinii Dode和映山紅Rhododendron simsii Planch.。草本主要是鐵芒萁Dicranopteris dichotoma、鐵線蕨Adiantum capillus-veneris L.和顯子草Phaenosperma globosa Munro ex Benth.等，而香附Cyperus rotundus L.、淡竹葉Lophatherum gracile、胡枝子Lespedeza bicolor Turcz.和白茅Imperata cylindrical (Linn.) Beauv.較少見(jiàn)。灌木林主要由山礬Symplocos caudata和矮竹Shibataea chinensis Nakai組成，草本極少。

選取不同土地利用方式下的3個(gè)相鄰小流域（F-100%森林、FA1-82%森林/18%農(nóng)田和FA2-76%森林/24%農(nóng)田），流域的面積分別為359、72和101 hm2。2012年10月中旬對(duì)森林流域（F）手持GPS進(jìn)行全流域踏查，確定了主要林分類(lèi)型及其邊界，選取了6個(gè)具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)樣地（選取依據(jù)詳見(jiàn)本文1.2）（圖1）。由于研究區(qū)3個(gè)小流域（F，F(xiàn)A1，F(xiàn)A2）緊連，且前期調(diào)查表明3個(gè)流域森林林分構(gòu)成基本一致，因此本研究中FA1和FA2流域森林部分各指標(biāo)參照純森林流域F，并在FA1和FA2流域各選取了3塊稻田標(biāo)準(zhǔn)樣地（2 m×2 m）。

圖1　森林流域 (F) 林分類(lèi)型和標(biāo)準(zhǔn)樣地示意圖Fig.1　Schematic diagram of forest types and standard sample plot in the forest watershed (F)

1.2樣品采集與分析

2010年3月至2012年2月對(duì)3個(gè)小流域（F，F(xiàn)A1，F(xiàn)A2）進(jìn)行定期采樣。雨水樣品逢雨采用干濕沉降自動(dòng)采樣儀（青島普仁PSC-Ⅲ）收集，用小型氣象站（美國(guó)Watch Dog小型便攜式自動(dòng)氣象站900ET）監(jiān)測(cè)降雨量。在流域出口處分別修建了標(biāo)準(zhǔn)堰，用標(biāo)準(zhǔn)堰法測(cè)定徑流量（黃來(lái)明等，2012），徑流水樣品采樣周期為每周1次。

由于本研究區(qū)位于九華山和黃山風(fēng)景區(qū)附近，林木采伐被限制，為盡量滿足采樣的科學(xué)性和代表性，在對(duì)整個(gè)流域衛(wèi)星影像解讀的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行實(shí)地踏勘，針對(duì)每個(gè)林分類(lèi)型（馬尾松闊葉樹(shù)混交林、杉木闊葉樹(shù)混交林、馬尾松林、杉木林、灌木林和竹林），根據(jù)林分長(zhǎng)勢(shì)和立地條件分別選取3 個(gè)20 m×20 m的樣地并對(duì)樣地內(nèi)的主要樹(shù)種進(jìn)行每木尺檢，最終各林分分別選取主要樹(shù)種的樹(shù)高和胸徑居中的樣地為標(biāo)準(zhǔn)樣地。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣地每木尺檢結(jié)果，在每個(gè)樣地內(nèi)，主要樹(shù)種分別選取樹(shù)高和胸徑接近、高于和低于平均值的樹(shù)木各1株作為標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行砍伐取樣，選取的標(biāo)準(zhǔn)木具有較強(qiáng)的代表性。其中，馬尾松林、杉木林和竹林各選3株標(biāo)準(zhǔn)木，馬尾松闊葉樹(shù)混交林選取馬尾松和楓香Liquidambar formosana Hance各3株，杉木闊葉樹(shù)混交林選取杉木和苦櫧（Castanopsis sclerophylla (Lindl.) Schott.各3株。將選取的樹(shù)木伐倒后分別對(duì)其干、枝和葉稱(chēng)重并取樣。在樣地的對(duì)角線4個(gè)角和中心設(shè)5個(gè)2 m×2 m小樣方，記錄樣方內(nèi)的灌木、草本種類(lèi)，用全收獲法分別測(cè)定鮮重并取樣。灌木林僅需設(shè)小樣方，用全收獲法稱(chēng)重取樣。2010年水稻收獲時(shí)在FA1和FA2流域各隨機(jī)選取3塊稻田樣地（2 m×2 m），在樣地內(nèi)用全收獲法采集稻谷、稻稈和稻根樣品。

雨水和徑流水樣品采集后立即用pH計(jì)（PHS型）測(cè)定pH值，過(guò)濾后立即用HCl滴定法測(cè)定HCO3-。植物樣分析前先將樣品清洗干凈，置于80 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干后磨成粉備用。用碳氮分析儀測(cè)定所有植株中的碳。

1.3流域碳密度與CO2吸收通量計(jì)算方法

1.3.1植物碳密度及年均吸收CO2通量

不同植被碳密度根據(jù)森林或水稻的生物量（B）及其含碳率（Cc）計(jì)算得到，公式如下：

式中，C為植被碳密度（t·hm-2），Cc為含碳率（%），B為生物量（t·hm-2），其中B包括地上生物量（Ba）和地下生物量（Bu）。本研究中森林植被的Ba用收獲法估算，具體步驟是在F流域按林分類(lèi)型測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)樹(shù)木的干、枝和葉，灌木、草本的地上部分及枯落物的鮮重，分別取樣帶回室內(nèi)測(cè)干鮮比，算出樣地的地上生物量，再乘以林分的相應(yīng)面積即可求得。各林分面積通過(guò)手持GPS對(duì)F流域踏查確定相應(yīng)的斑塊邊界，結(jié)合流域地形圖用Arcgis軟件定位獲取，用該方法分別獲取FA1和 FA2流域農(nóng)田和森林面積。根據(jù)地下和地上部分生物量之比（Bu/Ba）乘以實(shí)測(cè)的地上生物量可估算地下生物量（姜萍等，2005）。由于多數(shù)植物的Bu/Ba值較穩(wěn)定（Perala et al.，1994），本研究植物的地下部分生物量根據(jù)臨近研究區(qū)相應(yīng)植物的Bu/Ba值乘以實(shí)測(cè)的地上生物量獲得（李?？?，2010；張貴啅，2009；樊后保等，2006；孫剛，2009；汪永文等，2010）。水稻及森林植物地上部分的含碳率通過(guò)實(shí)測(cè)求得，森林植物根系的含碳率按如下原則替代：?jiǎn)棠居脴?shù)干，灌木用灌木干枝，草本用地上部分替代。FA1和FA2流域中水稻生物量根據(jù)小樣方（2 m×2 m）收獲的水稻根系、籽粒和秸稈的鮮重，室內(nèi)測(cè)定的干鮮比及農(nóng)田面積計(jì)算而得，森林部分各項(xiàng)指標(biāo)參照F流域。

各流域單位面積植被年均CO2吸收量可用下述公式估算：

式中，Cp為流域單位面積植被年均CO2吸收量（t·hm-2·a-1），Ci為植被類(lèi)型i的碳密度（t·hm-2），Ai為植被i的面積（hm2），Yi為植被i的年齡（a），A為流域面積（hm2），k為CO2與C的摩爾質(zhì)量比（3.67）。馬尾松闊葉樹(shù)混交林、杉木闊葉樹(shù)混交林、馬尾松林、杉木林和灌木林的平均生長(zhǎng)年齡根據(jù)具有平均樹(shù)高和胸徑的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的地徑年輪估算，竹林的平均年齡由有經(jīng)驗(yàn)的植物學(xué)家判斷得來(lái)，水稻以一年計(jì)。

1.3.2花崗巖風(fēng)化消耗CO2的量

根據(jù)Yang et al.（2013）的研究，本流域內(nèi)花崗巖的主要礦物為斜長(zhǎng)石，可用化學(xué)反應(yīng)式：2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→2Na++2HCO3-+4H4SiO4+Al2Si2O5(OH)4來(lái)表示。由此可見(jiàn)，研究區(qū)巖石的碳匯功能實(shí)際上是1 mol大氣或土壤中的CO2通過(guò)風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)? mol碳酸鹽的過(guò)程，該過(guò)程中有1 mol CO2的凈消耗。根據(jù)風(fēng)化產(chǎn)生的碳酸鹽量，利用水化學(xué)方法，參照劉玉等（2008）的公式，由于研究區(qū)雨水呈較強(qiáng)酸性檢測(cè)不到無(wú)機(jī)碳存在，而徑流水中的無(wú)機(jī)碳以HCO3-的形態(tài)為主，故本研究區(qū)花崗巖單位面積風(fēng)化消耗的CO2量可簡(jiǎn)化為：

式中，C’w代表單位面積巖石風(fēng)化消耗CO2的量（t·hm-2·a-1），44為CO2的摩爾質(zhì)量（g·mol-1），[c(HCO3)-為徑流水中HCO3-年加權(quán)平均物質(zhì)的量濃度（μmol·L-1），Q代表年加權(quán)平均流量（L·a-1），A代表流域面積（hm2）。

2　結(jié)果

2.1流域碳匯

2.1.1植物含碳率分析

研究區(qū)喬木的含碳率都在40%以上，其中馬尾松闊葉樹(shù)混交林（I）中馬尾松的加權(quán)平均含碳率最高，而楓香最低（表1），研究區(qū)喬木的含碳率略低于前人在安徽池州和江西千煙洲人工林的研究結(jié)果（張樂(lè)勤，2011；沈文清等，2006）。同種喬木的不同器官（干、枝、葉）間及不同喬木的含碳率差異都很小，變異系數(shù)均小于5%（表1）。

林下植被層中，灌木枝條、灌木葉、草本和枯落物的含碳率均值分別為44.8%、41.7%、42.0%和45.0%，各林分間的變異系數(shù)分別為1.5%、3.5%、2.0%和5.5%。不同林分中，枯落物因其組成成分差異大，含碳率變異系數(shù)最高。流域內(nèi)不同林分及其枯落物含碳率高低表現(xiàn)為：?jiǎn)棠緦樱究萋湮铮竟嗄荆静荼?，與前人在江西人工林的研究結(jié)果一致（沈文清等，2006）。水稻樣品中，稻根、稻谷和稻稈含碳率均值分別為37.3%、39.0%和37.1%。

表1　流域內(nèi)喬木的含碳率Table 1　Carbon content rates of trees in watershed　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.1.2流域內(nèi)植被的碳儲(chǔ)量

由于3個(gè)小流域的森林林分類(lèi)型相同且各林分的面積占森林總面積比例基本一致，因此本研究以森林流域（F）為例估算不同林分的碳密度。研究區(qū)不同林分地上部分碳密度存在較大差異（表2），其中以馬尾松純林（III）最高（56.5 t·hm-2），竹林（VI）最低（10.4 t·hm-2）。流域（F）內(nèi)不同林分地上部分的總碳儲(chǔ)量為13.2×103t，其中覆蓋面積最大的馬尾松闊葉樹(shù)混交林（I）貢獻(xiàn)最高（39.2%），而占流域面積最少的竹林貢獻(xiàn)最低（1.7%）（表2）。F流域單位面積地上部碳密度平均值為36.9 t·hm-2。

表2　F流域植被地上部分的生物量和碳儲(chǔ)量Table 2　Above-ground biomass and carbon storage of plants in the forested watershed (F)

流域內(nèi)不同林分地下生物量占總生物量的比例為12.4%～28.5%，各林分地下部分碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的比例為12.4%～28.6%，與生物量的變化規(guī)律一致（圖2）。F流域植被地上與地下部分碳儲(chǔ)量之和為16.0×103t，植被碳密度為44.5 t·hm-2，安徽省喬木林碳密度為29.0 t·hm-2（李?？?，2010），研究區(qū)森林碳密度是安徽省喬木林平均碳密度的1.5倍，與臨近區(qū)域池州的研究結(jié)果相近（張樂(lè)勤，2011）。

圖2　不同林分類(lèi)型單位面積生物量和單位面積碳儲(chǔ)量Fig.2　Biomass and carbon storage per unit area of different vegetation types

農(nóng)林流域（FA1，F(xiàn)A2）內(nèi)水稻的碳密度為4.9 t·hm-2，低于任意林分類(lèi)型。農(nóng)林流域（FA1，F(xiàn)A2）植物的碳儲(chǔ)量通過(guò)農(nóng)田和森林的面積及其碳密度求得。FA1和FA2流域植物的碳儲(chǔ)量分別為2.7×103和3.5×103t，碳密度分別為37.3和35.0 t·hm-2，均低于森林流域（F）。

2.1.3植物年均吸收大氣CO2的量

研究區(qū)各林分年均吸收大氣CO2的量相差較小，其中以杉木闊葉樹(shù)混交林最大為11.9 t·hm-2·a-1，灌木林最小為7.9 t·hm-2·a-1（圖3），與前人在閩江流域的研究結(jié)果差別不大（姬桂珍等，2003）。森林流域（F）植物年均吸收CO2的量為10.7 t·hm-2·a-1，與曾曙才等（2003）提出的生產(chǎn)1 g干物質(zhì)需要吸收1.63 g CO2（10.18 t·hm-2·a-1）的結(jié)果基本一致。研究區(qū)水稻年均吸收的CO2量為17.9 t·hm-2·a-1，與按曾曙才等（2003）的方法計(jì)算的結(jié)果20.99 t·hm-2·a-1相差較大，說(shuō)明該方法可能更適于計(jì)算森林植物CO2的吸收量。FA1和FA2流域內(nèi)植物年均吸收的CO2量根據(jù)農(nóng)田和森林在流域中的面積及農(nóng)田和森林單位面積年均吸收的CO2量求得，分別為11.8和12.4 t·hm-2·a-1，流域中農(nóng)田比例越高則流域內(nèi)植被單位面積年均吸收的CO2量越高。

圖3　不同林分類(lèi)型年均吸收大氣CO2的量Fig.3　Average annual absorption of CO2of different forest types

2.2流域花崗巖風(fēng)化過(guò)程消耗的CO2量

2.2.1徑流水中HCO3-的物質(zhì)的量濃度

監(jiān)測(cè)期間，F(xiàn)、FA1和FA2流域徑流水中HCO3-變異系數(shù)分別為34.4%、30.8%和36.5%，3個(gè)小流域徑流水中HCO3-物質(zhì)的量濃度最高值與最低值均相差10倍以上，說(shuō)明徑流水中HCO3-物質(zhì)的量濃度受環(huán)境氣候條件等的影響而差異較大（圖4）。3個(gè)流域（F、FA1和FA2流域）的HCO3-含量加權(quán)平均物質(zhì)的量濃度隨農(nóng)田比例的增加而增加，分別為178.7，310.8和360.7 μmol·L-1（圖4）。

圖4　徑流水中HCO3-濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.4　Dynamic change of concentration of HCO3- in runoff water

監(jiān)測(cè)期間，徑流水中HCO3-物質(zhì)的量濃度大小的一般趨勢(shì)為FA2＞FA1＞F，2010年度和2011年度徑流水中HCO3-季平均物質(zhì)的量濃度變化規(guī)律分別為：F流域（夏季＞春季＞秋季＞冬季）、FA1和FA2流域（冬季＞夏季＞春季＞秋季）；F流域（秋季＞春季＞冬季＞夏季）、FA1和FA2流域（秋季＞冬季＞春季＞夏季）。結(jié)果表明，含部分農(nóng)田的兩個(gè)流域（FA1和FA2）的HCO3-季平均物質(zhì)的量濃度變化規(guī)律一致，而與純森林流域（F）不同，說(shuō)明土地利用方式的不同可能會(huì)影響巖石礦物風(fēng)化消耗大氣CO2的量。

2.2.2巖石風(fēng)化消耗大氣CO2的量

圖5　各流域巖石風(fēng)化消耗CO2的量 (季度)Fig.5　Seasonal adsorption of CO2of rock weathering in all watersheds

若將徑流輸出的HCO3-全部歸因于巖石風(fēng)化消耗大氣CO2，則3個(gè)流域巖石風(fēng)化吸收大氣CO2的趨勢(shì)為FA2＞FA1＞F，這與流域徑流水中HCO3-的物質(zhì)的量濃度的變化規(guī)律一致（圖5）。3個(gè)流域（F、FA1和FA2），2010年巖石風(fēng)化吸收大氣CO2量的規(guī)律均為春季＞夏季＞秋季＞冬季，而2011年的規(guī)律為：F流域（夏季＞春季＞秋季＞冬季）、FA1和FA2流域（夏季＞冬季＞秋季＞春季），這與各流域徑流水中的HCO3-季物質(zhì)的量濃度的規(guī)律不完全一致。監(jiān)測(cè)期間，F(xiàn)、FA1和FA2流域巖石風(fēng)化消耗大氣CO2的量與降雨量的相關(guān)性分別為0.96（n=8，P＜0.01）、0.99（n=8，P＜0.01）和0.97（n=8，P＜0.01），均具有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明流域巖石風(fēng)化吸收大氣CO2還受降雨量的影響。監(jiān)測(cè)期間，流域（F，F(xiàn)A1和FA2）巖石風(fēng)化吸收的大氣CO2通量分別為54.7×10-3、99.8×10-3和109.2×10-3t·hm-2·a-1，與我國(guó)花崗巖單位面積平均碳匯量的數(shù)值相近（劉玉，2006），但3個(gè)流域呈現(xiàn)出隨農(nóng)田比例增加而增加的規(guī)律（圖5）。

3　討論

3.1農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)流域碳匯的影響

本研究選取的3個(gè)小流域土地利用方式不同，3個(gè)流域中植物年均吸收大氣CO2的量隨流域農(nóng)田比例的增高而增加，而流域內(nèi)植被碳密度表現(xiàn)出相反的規(guī)律。這是因?yàn)殡m然FA1和FA2流域中水稻的碳密度低于森林各林分類(lèi)型中植被的碳密度，但由于水稻的生長(zhǎng)周期僅1年，其年均吸收的CO2量高于所有森林林分類(lèi)型，因而3個(gè)流域中植被碳密度和年均吸收大氣CO2的量隨農(nóng)田比例不同呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。

根據(jù)調(diào)查，研究區(qū)農(nóng)田在水稻生長(zhǎng)期間會(huì)被施入尿素，按照當(dāng)?shù)氐哪蛩厥┯昧浚S尿素進(jìn)入FA1 和FA2流域中農(nóng)田的碳為39.0×10-3t·hm-2·a-1，由于水稻對(duì)尿素的利用率為25%～40%（林新堅(jiān)等，1992），假定40%施入的尿素被水稻吸收，將這部分碳折算為水稻對(duì)CO2的截留量為57.2×10-3t·hm-2·a-1，水稻生長(zhǎng)年截留的CO2是該數(shù)值的200多倍，這說(shuō)明施肥對(duì)水稻碳截留的直接貢獻(xiàn)很小。但施肥可通過(guò)促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高其光合作用效率從而間接增加水稻對(duì)大氣CO2的截留，此外，通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化耕作措施，如采用保護(hù)性耕作措施、擴(kuò)大水田種植面積、增加秸稈還田和增加有機(jī)肥施用等，可以減少農(nóng)田土壤的CO2凈排放，穩(wěn)定甚至增加土壤有機(jī)碳貯量（韓冰等，2008）。前人研究表明，近年來(lái)我國(guó)南方稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量普遍呈升高趨勢(shì)，表現(xiàn)為重要的碳匯（張琪等，2004），因此潘根興（2008）認(rèn)為，我國(guó)農(nóng)田具有顯著的固碳減排潛力，其中稻作農(nóng)業(yè)的固碳潛力十分突出。

FA1和FA2流域徑流水中HCO3-物質(zhì)的量濃度顯著高于森林流域（F）也與農(nóng)田施肥有關(guān)，這是因?yàn)槟蛩厥┤胪寥篮螅倭恳苑肿討B(tài)被土壤膠體吸附外，大部分在土壤脲酶的作用下，水解成碳酸銨（胡靄堂等，2003）。由于稻田氮肥利用率僅25%～40%，剩余的氮肥除氨揮發(fā)外，一部分轉(zhuǎn)化為碳酸氫銨的形式進(jìn)入徑流水中。流域農(nóng)田比例越高，施肥量越多，因此研究區(qū)3個(gè)流域徑流水中HCO3-的物質(zhì)的量濃度呈現(xiàn)隨農(nóng)田比例增加而增加的趨勢(shì)。假定尿素中碳被水稻利用外全部以HCO3-的形式進(jìn)入徑流水中，扣除施肥對(duì)徑流水中HCO3-的貢獻(xiàn)外，F(xiàn)A1和FA2流域土壤風(fēng)化吸收的大氣CO2量分別為84.4×10-3和88.6×10-3t·hm-2·a-1，仍高于森林流域（F）土壤風(fēng)化吸收的大氣CO2的量（54.7×10-3t·hm-2·a-1），說(shuō)明農(nóng)田土壤和森林土壤通過(guò)風(fēng)化對(duì)大氣CO2的固定本身也存在一定的差異。

3.2植物生長(zhǎng)與巖石風(fēng)化消耗大氣CO2的差異

監(jiān)測(cè)期間，研究區(qū)3個(gè)小流域（F，F(xiàn)A1和FA2）中植物生長(zhǎng)吸收大氣CO2的量均為巖石風(fēng)化消耗大氣CO2的100多倍，因此，植物生長(zhǎng)消耗大氣CO2的量遠(yuǎn)高于巖石風(fēng)化的貢獻(xiàn)。這一方面與研究區(qū)植被的覆蓋度高、植物單位面積的生物量相對(duì)較高有關(guān)；另一方面由于研究區(qū)的母巖為花崗巖，屬于溶解速度較慢的硅酸鹽類(lèi)（劉再華，2012），且本研究未測(cè)定徑流水中的有機(jī)碳，而前人研究（劉再華等，2012）表明相當(dāng)一部分輸出的有機(jī)碳源于巖石風(fēng)化的貢獻(xiàn)，本研究在一定程度上了低估巖石風(fēng)化的碳匯潛力。

值得注意的是，雖然監(jiān)測(cè)期間研究區(qū)植物固定的碳遠(yuǎn)高于巖石風(fēng)化固定的碳，但是植物被利用的過(guò)程同時(shí)也是CO2排放的過(guò)程（徐德應(yīng)等，1992）。例如森林被砍伐后，其地下生物量未被有效利用，而地上部分的樹(shù)葉和樹(shù)皮等通常也未被利用，加工后的木制品只有少部分“永久地”保存下來(lái)，其余最終以CO2的形式歸還大氣。同時(shí)，土地利用方式改變、生態(tài)系統(tǒng)退化可導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)由碳匯變?yōu)樘荚?，如每年我?guó)森林砍伐開(kāi)荒所釋放的CO2量為1.66 t（劉玉，2006）。此外，研究表明全球每年約1%的森林遭受火干擾（Crutzen et al.，1979），森林火災(zāi)排放到大氣中的碳相當(dāng)于每年化石燃料燃燒排放量的70%（Taylor et al.，1990），而隨著全球氣候變暖，森林火災(zāi)頻率和強(qiáng)度將加?。≧unning，2006），勢(shì)必進(jìn)一步弱化森林的碳匯潛力。因此，雖然短時(shí)間尺度上由于森林的總碳貯量很大，它的微小變化就可以引起大氣中CO2濃度的較大波動(dòng)，但從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看森林對(duì)大氣碳的作用較小。硅酸鹽巖風(fēng)化過(guò)程是將大氣中的CO2全部轉(zhuǎn)化為HCO3-并隨著徑流水進(jìn)入海洋，將其作為碳酸鹽礦物埋藏在海洋，而轉(zhuǎn)化后的碳酸鹽礦物的存留時(shí)間可超過(guò)百萬(wàn)年，因而在地質(zhì)時(shí)間尺度上硅酸鹽礦物的風(fēng)化是消耗大氣CO2的重要途徑，該理論已被大量科學(xué)家所驗(yàn)證和認(rèn)可（劉建棟等，2007；Gaillardet et al.，1999；Walker et al.，1981；李?？?，2010；劉玉等，2007；邱冬生等，2004），因此在長(zhǎng)時(shí)間尺度上巖石風(fēng)化的碳匯潛力不容忽視，今后要加強(qiáng)對(duì)這部分碳匯的研究。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，巖石風(fēng)化和植物生長(zhǎng)對(duì)大氣CO2的吸收作用是相互影響的，巖石的風(fēng)化產(chǎn)物能給植物生長(zhǎng)提供礦質(zhì)養(yǎng)分，通過(guò)促進(jìn)植物光合作用間接提高對(duì)大氣CO2的吸收；而植物通過(guò)分泌有機(jī)酸和吸收風(fēng)化產(chǎn)物能加速巖石風(fēng)化進(jìn)程，進(jìn)而加快巖石風(fēng)化對(duì)CO2的消耗（Berner，1992；Perrin et al.，2008；Hinsinger et al.，2001），因此，系統(tǒng)研究植被生長(zhǎng)和巖石風(fēng)化的碳匯潛力是很有必要的。

4　結(jié)論

（1）3個(gè)流域（F，F(xiàn)A1和FA2）中植被的碳密度分別為44.5、37.3和35.0 t·hm-2，年均吸收大氣CO2的量依次為10.3、11.4和12.4 t·hm-2·a-1，隨流域農(nóng)林比例的遞增碳密度和CO2吸收量表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。施肥對(duì)農(nóng)田水稻碳截留的直接貢獻(xiàn)很小，但可通過(guò)多種途徑間接影響農(nóng)田的碳匯潛力。不考慮施肥的影響，F(xiàn)、FA1和FA2流域徑流水中HCO3-的物質(zhì)的量濃度和巖石風(fēng)化吸收大氣CO2的量分別為178.7、310.8和360.7 μmol·L-1和54.7×10-3、99.8×10-3和109.2×10-3t·hm-2·a-1，均隨農(nóng)田比例增加而增加?？鄢┓蕦?duì)徑流水中HCO3-的貢獻(xiàn)外，F(xiàn)A1和FA2流域土壤風(fēng)化吸收的大氣CO2量分別為84.4×10-3和88.6×10-3t·hm-2·a-1，仍高于森林流域（F）土壤風(fēng)化吸收的大氣CO2的量，說(shuō)明農(nóng)田土壤和森林土壤通過(guò)風(fēng)化對(duì)大氣CO2的固定本身也存在一定的差異。因此，農(nóng)業(yè)活動(dòng)在一定程度上影響了流域碳匯，研究區(qū)流域內(nèi)植被和巖石風(fēng)化的碳匯潛力因土地利用方式不同而異。

（2）監(jiān)測(cè)期間，3個(gè)流域植物年均吸收的大氣CO2量均遠(yuǎn)高于巖石風(fēng)化年均消耗的大氣CO2量，短時(shí)間尺度內(nèi)流域碳匯潛力主要受植物生長(zhǎng)的影響。但植物砍伐、土地利用方式的轉(zhuǎn)變等可能加劇生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)碳的排放，而硅酸鹽巖風(fēng)化在地質(zhì)時(shí)間尺度上是CO2的凈碳匯，二者在短時(shí)間尺度上相差較大，但從長(zhǎng)時(shí)間尺度上的比較還需要更系統(tǒng)的評(píng)估。

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Carbon Sequestration Potential in Granitic Watersheds under Different Land Uses in Subtropical China

ZUO Shuangmiao1,2,YANG Jinling1,2*,ZHANG Ganlin1,2,HUANG Laiming1,2,3
1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China

Abstract:It is critical to understand the relative contributions of plant assimilation and rock weathering to carbon sinks at watershed scale for the quantitative assessment of the carbon sequestration potential of ecosystems.This study used three adjoining granite watersheds with different land use types (F-100% forest,FA1-82% forest/18% farmland and FA2-76 % forest/24% farmland) as pilot areas for a comprehensive monitoring and quantification of carbon cycling fluxes.The rainwater and surface runoff of watersheds were monitored from March,2010 to February,2012.Plant samples were collected and related chemical properties were determined.Carbon sequestration potential and its influencing factors in small-scaled watersheds were investigated systemically.The results showed that the carbon storage and average annual adsorption of CO2of six different forest types (Masson pine (Pinus massoniana Lamb.) and broad-leaved mixed forest,Chinese fir (Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.) and broad-leaved mixed forest,Masson pine forest,Chinese fir forest,Shrub forest and Bamboo (Bambusoideae) forest) in F watershed were different.Ignoring the contribution of fertilization,carbon density of vegetation,average annual absorption of CO2of vegetation and annual absorption of CO2of rock weathering in the three watersheds (F,FA1 and FA2) were 44.5,37.3 and 35.0 t·hm-2,10.5,11.8 and 12.4 t·hm-2·a-1and 54.7×10-3,99.8×10-3and 109.2×10-3t·hm-2·a-1,respectively,which all increased with higher proportion of farmland in the watersheds.Though the direct contribution of fertilization in farmlands was minor,fertilization could indirectly increase carbon sink potential by many mechanisms.The concentration of HCO3-in the three watersheds increased with higher farmland proportion,suggesting that HCO3-concentrations in FA1 and FA2 were affected by fertilization to some extent.Subtracting the contribution of fertilization,annual absorption of CO2of rock weathering in FA1 and FA2 watershed were 84.4×10-3and 86.9×10-3t·hm-2·a-1,which were still both higher than that in the forested watershed (F).This indicated that there was difference between carbon sequestration by weathering in farmland soil and forest soil.The results demonstrated that agricultural activities may affect carbon sequestration potential of watershed to some extent.Although the contribution of vegetation to sequestration of CO2was much higher than rock weathering over short time scales,harvest and utilization of vegetation can intensify the emission of carbon in ecosystem.By contrast,rock weathering is a net carbon sink over both short and long time scales,so its influence on global carbon cycling should not be ignored.

Key words:watershed; CO2fixation by plants; rock weathering; carbon sequestration by weathering; carbon sequestration potential

收稿日期：2015-11-05

*通信作者：楊金玲（1973年生），女，副研究員，博士，研究方向?yàn)橥寥腊l(fā)生和土壤地球化學(xué)。E-mail:jlyang@issas.ac.cn

作者簡(jiǎn)介：左雙苗（1986年生），女，博士研究生，研究方向?yàn)橥寥赖厍蚧瘜W(xué)。E-mail:smzuo@issas.ac.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471176；41071141）

中圖分類(lèi)號(hào)：X14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）01-0001-08

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.001

引用格式：左雙苗,楊金玲,張甘霖,黃來(lái)明.不同土地利用方式下亞熱帶花崗巖小流域碳匯潛力及其影響因素[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2016,25(1):1-8.