退耕還林土壤顆粒有機碳年際變化

金麾+陳先剛+曾富雄+陽宏文+普桂淑

摘要：為了解我國西南喀斯特地貌區(qū)退耕還林工程土壤顆粒有機碳（POC）的年際變化特征，選取了貴州省興義市三江口鎮(zhèn)退耕還林工程杉木林為研究對象，并以耕地為對照進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：該地區(qū)退耕還林11年內(nèi)杉木林地0～60 cm土層土壤顆粒組分比例未與林齡表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，同采樣點林齡不同土層間顆粒組分比例大體一致。0～60 cm土層內(nèi)POC含量在造林5年內(nèi)減少，第5年為最低，到11年各土層POC從淺至深分別增加了1.35 g/kg、1.05 g/kg和0.29 g/kg。從第9年開始，POC含量超過耕地。在垂直方向上POC含量均呈現(xiàn)隨土層深度加深而減少。自退耕造林后，POC分配比例逐年增加，11年增幅為6.97%。

關(guān)鍵詞：退耕還林；杉木林；顆粒有機碳；年際變化

1 引言

隨著氣候變化的加劇，人工造林作為一種增加碳匯的手段已被我國多地采用。退耕還林是我國一項重要的生態(tài)造林工程，研究退耕還林后土壤有機碳含量的變化對揭示造林對土壤碳庫的影響有重要意義。顆粒有機碳作為土壤有機碳庫的一部分在其中起著重要作用。通過物理分組得到的土壤顆粒有機質(zhì)，是與砂粒結(jié)合的粒徑在53～2000 μm的有機碳部分，屬于土壤碳庫中的“慢庫”，其來源主要為植物殘體的分解[1]。土壤顆粒有機質(zhì)受土地利用變化影響大，比如耕種干擾后，植物殘體損失迅速[2]。李鑒霖等[3]對縉云山地區(qū)4種不同土地利用方式研究表明，顆粒有機碳可作為評估土地利用變化對土壤有機碳庫影響的良好指標(biāo)。吳建國等[4]對寧夏固原地區(qū)4種土地利用類型研究后表明，人工造林相比有人為影響的砍伐形成的農(nóng)田和牧草地，顆粒有機碳含量顯著增高，土壤有機碳穩(wěn)定性也更高。作為土壤有機碳庫中的非活性組分，顆粒有機碳可以作為一種相對有效的、穩(wěn)定的碳匯存在，對緩解氣候變化有一定的助益。目前，對顆粒碳的研究多見于土地利用變化對其造成的靜態(tài)影響，尚未見相關(guān)對造林后土壤顆粒有機碳年際動態(tài)變化的研究。

研究選址在貴州省興義市三江口鎮(zhèn)境內(nèi)，選取立地條件基本相同但林齡不同的退耕還林杉木林作為研究對象，研究其土壤顆粒有機碳（POC）的年際變化特征，希望能為造林增匯及生態(tài)效益評估提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支持和參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

貴州省興義市三江口鎮(zhèn)（24°45′30″N，104°35′33″E）位于南盤江上游滇黔桂三省結(jié)合部，距離興義市區(qū)90 km，東與洛萬鄉(xiāng)相連，南與廣西西林縣馬蚌鄉(xiāng)隔湖相望，西與云南羅平縣魯布革鎮(zhèn)交界，北與魯布格鎮(zhèn)和捧乍鎮(zhèn)接壤，總面積89.3 km2，平均海拔860 m。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫18℃，全年無霜期324 d，年平均降雨量1358 mm，有著良好的氣候條件。土壤主要為砂頁巖發(fā)育的硅鋁質(zhì)黃壤、黃紅壤及紅壤，經(jīng)濟(jì)作物有小米辣、果蔗、板栗、生姜等。該地造林樹種以杉木為主。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地設(shè)置與土壤樣品采集

依據(jù)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門的退耕還林工程記錄檔案并且實地調(diào)查，選取研究區(qū)域內(nèi)的林齡分別為1、3、5、7、9、11年的杉木純?nèi)斯ち郑ū?）和對照耕地（視林齡為0年），每個林齡組內(nèi)隨機設(shè)置20 m×20 m的重復(fù)樣方3個，每個樣方按照“S”型布點法選取樣點5個。

于每個區(qū)樣點挖開土壤剖面，分0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm各3層取土樣，同一樣方內(nèi)5個取樣點的相同土層的土壤混合成一個土樣。樣品自然風(fēng)干并研磨過2 mm篩后待測。

2.2.2 分析方法

通過濕篩法得到土壤顆粒有機碳組分：稱取20 g過2 mm篩的風(fēng)干土于250 mL錐形瓶中，加入5 g/L的Na4P2O7，震蕩18 h。然后將土壤懸液過53 μm篩，反復(fù)用蒸餾水沖洗，直至過篩水保持清澈。把留在篩里的土在55℃下烘干72 h后稱重，這些物質(zhì)即為土壤的顆粒組分，計算此部分土樣占整個土壤樣品的比例即為土壤顆粒組分比例。將土壤顆粒用重鉻酸鉀-硫酸加熱法測定其有機碳含量即為土壤顆粒組分有機碳含量，其公式為：

顆粒有機碳含量=土壤顆粒組分有機碳含量×土壤顆粒組分比例，

顆粒有機碳分配比例=顆粒有機碳含量/土壤有機碳含量。

實驗數(shù)據(jù)圖表制作及統(tǒng)計分析采用Excel 2016及SPSS19.0進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡退耕還林土壤顆粒組分比例

由表2可知：①在相同土層深度不同林齡之間的比較中，0～20 cm土層存在4種差異類型，3、5、7、9、11年林齡的杉木林土壤顆粒組分比例存在一定的相似性，它們分別與耕地（0年）和1年林齡的土壤差異顯著。在20～40 cm土層存在5種差異類型，林齡為5、7、9、11的土壤顆粒組分比例相互之間互有關(guān)聯(lián)，都分別占有兩種差異類型，0年、1年、3年之間差異顯著；在40～60 cm土層存在4種差異情況，林齡為5、7、9、11年的顆粒組分比例分別與耕地、3年差異顯著。②在相同林齡不同土層之間的比較中，0年的0～20 cm層、5年的40～60 cm層與12年的0-20層分別與它們自己其它土層差異顯著。③耕地土壤的顆粒組分比例在所有林齡中均為最小，其平均水平與其它林齡至少相差5%?？梢姡煌铸g間土層內(nèi)顆粒組分的比例雖各有差異，卻并沒有一個特定變化的趨勢，而相同林齡不同土層之間的顆粒組分比例總體上差異并不明顯。耕地土壤與所有其他林齡表現(xiàn)出明顯差異。

3.2 不同林齡退耕還林杉木林土壤顆粒有機碳含量

由圖1可知：退耕后第一年0～20 cm土層POC出現(xiàn)了增加，除此之外，在造林頭5年，POC在各土層間逐年遞減，在5年后逐年遞增。耕地0～20 cm土層初始POC含量2.56 g/kg，第5年減至2.18 g/kg，第11年增至3.91 g/kg；耕地20～40 cm土層在造林后5年內(nèi)POC含量由2.3 g/kg減少至1.73 g/kg，第11年增加至3.35 g/kg；耕地40～60 cm土層在造林后5年內(nèi)POC含量由2.1 g/kg減少至1.55 g/kg，第11年增加至2.39 g/kg。相同林齡的各土層隨深度的加深POC含量均減少，三層之間的POC含量前5年內(nèi)的20～40 cm和40～60 cm層的差異較小。從第9年開始，各層土壤的POC含量均開始超過耕地。相較于耕地，種植年限為11年的杉木林從0～60 cm個土層POC含量增加了1.35 g/kg、1.05 g/kg和0.29 g/kg。

3.3 土壤剖面POC含量與林齡的相關(guān)回歸分析。

對不同林齡（x）和各土層POC含量（y）做線性回歸分析，結(jié)果如表3所示。相較于5～11年而言，造林前5年P(guān)OC含量與林齡因呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)且回歸方程無效；在造林的5～11年，各層土壤POC含量與林齡均呈現(xiàn)一定程度的相關(guān)性，擬合線性回歸方程有效（P<0.01）。由回歸方程可知，隨著土層深度加深，POC的平均增長率（回歸方程斜率）依次遞減。

3.4 不同林齡POC分配比例

由圖2可知，退耕還林后隨著林齡增加，在0～60 cm土層深度內(nèi)，POC分配比例，即其在土壤有機碳中的比例也隨之增加，由耕地初始的22.87%增加到11年的29.84%，增幅為6.97%，平均每年增加0.63%。年增幅最大出現(xiàn)在造林第一年，為2.76%。

4 討論與結(jié)論

（1）退耕還林地杉木林在造林前5年顆粒有機碳呈逐年下降的趨勢，第5年降至最低，其后隨林齡的增加而增長。該趨勢與和學(xué)智等人[5]對該地區(qū)相同情況的退耕杉木林不同林齡土壤有機碳含量變化趨勢相似。Paul等[6]對全球多個地區(qū)造林后土壤碳儲量研究也發(fā)現(xiàn)造林前5年SOC會下降，5年之后增加。由此可見，POC含量與土壤有機碳可能存在很大的相關(guān)性。其可能原因是POC含量是由土壤顆粒組分有機碳和土壤顆粒組分比例決定的，而顆粒組分有機碳與土壤有機碳變化趨勢相似，因此POC含量在一定程度上與SOC有相似的趨勢；其次，因POC主要來源于植物殘體的分解，在退耕初期，耕作殘留有機質(zhì)回歸土壤的因素不存在，且剛生長的幼林也無明顯的凋落和根系周轉(zhuǎn)量回歸土壤，此時土壤POC來源不足且有機碳庫也存在輸出，因此會出現(xiàn)短時的下降。退耕第一年后，0～20 cm土層POC出現(xiàn)增長，其原因可能是人為在耕作過程中對土壤的顆粒組分存在物理破壞，土壤顆粒粒徑在反復(fù)翻作后會變小，因此在去除耕作影響后團(tuán)聚體得到恢復(fù)。

（2）退耕還林杉木林土壤POC在垂直方向上都隨土層深度的加深而減少，這種隨深度變化的趨勢與楊益等[7]對賀蘭山不同植被和海拔類型土壤POC的研究結(jié)果是一致的。也與姜霞等[8]對黔中地區(qū)三種林分土壤SOC研究一致，這進(jìn)一步說明POC與SOC存在一定的相關(guān)性。5～11年隨著土層深度加深，POC的增量在減少，從回歸方程來看其增長速度也垂直減少，其原因可能是植被凋落導(dǎo)致的POC輸入對其直接接觸的表層影響更大，隨著深度加深影響變小。

（3）從調(diào)查樣地土壤顆粒組分在土壤中的比例來看，0～20 cm層在5、7、9、11年與其他林齡均差異顯著，20～40 cm層各林齡間互有差異，40～60 cm層7、9年與其他林齡互有差異。顆粒組分占比的多少與隨著林齡的增長并未顯示出明顯規(guī)律；而相同林齡不同層大體上未表現(xiàn)顯著差異。造成這樣的原因可能是土壤顆粒組分的多少決定于其成土因素和具體的土壤質(zhì)地而非土層深度。

（4）土壤POC的分配比例在退耕還林后隨著林齡增加而增加，其中耕地最少。雖然在前5年P(guān)OC含量在減少，但其在SOC中的比例依舊在增加。李景[9]在耕作對土壤團(tuán)聚體影響的研究中表明，停耕處理后可提高0～20 cm土層所有粒徑>53 μm的團(tuán)聚體平均質(zhì)量和含量。這也許可以解釋POC分配比例保持增長。本研究結(jié)果顯示，退耕造林杉木林能增加土壤中顆粒有機碳的比例。

此次研究表明，興義三江口地區(qū)退耕還林11年內(nèi)杉木林地0～60 cm土層土壤顆粒組分比例未與林齡表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，同采樣點林齡不同土層間顆粒組分比例大體一致。0～60 cm土層內(nèi)POC含量在造林5年內(nèi)減少，第5年為最低，到11年各土層POC從淺至深分別增加了1.35 g/kg、1.05 g/kg和0.29 g/kg。從第9年開始，POC含量超過耕地。在垂直方向上POC含量均呈現(xiàn)隨土層深度加深而減少。自退耕造林后，POC在SOC中的比例逐年增加，11年增幅為6.97%。

參考文獻(xiàn)：

[1]Camberdella C A， Elliott E T. Carbon and nitrogen dynamic of fraction from cultivated grassland soils[J]. Soil Science Society of America Journal， 1994， 58（13）： 123～130.

[2]Camberdella C A， Elliott E T. Particulate soil organic matter across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal， 1992， 56（13）：776～783.

[3]李鑒霖，江長勝，郝慶菊，等.縉云山不同土地利用方式土壤有機碳組分特征[J].生態(tài)學(xué)報，2015，35（11）：3733～3742.

[4]吳建國，艾 麗，田自強，等.祁連山中部土壤顆粒組分有機質(zhì)碳含量及其與海拔和植被的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（6）：2358～2365.

[5]和學(xué)智，陳先剛，張 瑞，等.退耕還林杉木林地土壤有機碳儲量變化特征：以貴州興義市三江口鎮(zhèn)為例[J].林業(yè)資源管理，2015，（2）：95～99.

[6]Pual K I，Polglase P J，Nyakuengama J G， et al. Change in soil carbon following afforestation[J]. Forest and Management， 2002，168（13）：241～257.

[7]楊 益，牛得草，文海燕，等.賀蘭山不同海拔土壤顆粒有機碳、氮特征[J].草業(yè)學(xué)報，2012，21（3）：54～60.

[8]姜 霞，王 進(jìn)，李叢瑞，等.黔中地區(qū)三種林分土壤有機碳庫比較[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（6）：1270～1272，1276.

[9]李 景.長期耕作對土壤團(tuán)聚體有機碳及微生物多樣性的影響[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2014.

Annual Variation of Particulate Organic Carbon

in Returning Farmland to Forest Project

Jin Hui， Chen Xiangang， Zeng Fuxiong， Yang Hongwen， Pu Guishu

（Southwest Forestry University， Kunming，Yunnan 650224， China）

Abstract： In order to obtain the characteristics of annual variation of particulate organic carbon （POC） in the returning farmland to forest project in Karst landform area of Southwest China， the article selected the Chinese fir forest inSanjiangkou Town， Xingyi of Guizhou Province as the studying object， including cropland and six stands with different ages. Theresult showed that this area， the particle part ratioof Chinesefir forest soil doesnt show significant correlation in 11years at the 0-60cm soil layer， with the same sample point but different soil layers the particle part ratio is in accord. The content of POC in the 0-60cm soil layer decreased in early 5 years， and was lowest in the 5th year， and POC increased by 1.35g/kg， 1.05g/kg and 0.29g/kg respectively each layer in the 11th year.From and after the 9th year， the content of POC was higher than that of cultivated land， and the content of POC in the vertical direction decreased with the increase of layer depth.Since returning farmland to forest， the proportion of POC has increased year by year， and the rate of increase is6.97% at the 11th year.

Key words： returning farmland into forest project； Chinese fir forest； particulate organic carbon；annual variation