植被恢復(fù)對(duì)昆陽(yáng)磷礦土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

趙 川, 和麗萍, 李貴祥, 邵金平, 柴 勇

(云南省林業(yè)科學(xué)院, 昆明 650201)

植被恢復(fù)對(duì)昆陽(yáng)磷礦土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

趙 川, 和麗萍, 李貴祥, 邵金平, 柴 勇

(云南省林業(yè)科學(xué)院, 昆明 650201)

植被恢復(fù)是既能保持磷礦開(kāi)采同時(shí)又能有效扼制礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的退化，并逐步恢復(fù)已退化的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最有效的生物措施。為揭示植被恢復(fù)對(duì)昆陽(yáng)磷礦土壤有機(jī)碳和碳素積累的影響，研究探討了昆陽(yáng)磷礦不同恢復(fù)林地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化。結(jié)果表明：(1) 不同恢復(fù)林地的土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異(p<0.05)，7種不同植被恢復(fù)人工林土壤平均有機(jī)碳含量分別是廢棄地的14.29倍、11.83倍、11.40倍、5.89倍、15.48倍、15.59倍、18.53倍。(2) 土壤有機(jī)碳在剖面的含量表現(xiàn)出明顯的“表聚作用”，均以表土層(0—20 cm)最大，且隨土層厚度的增加，呈下降趨勢(shì)。(3) 不同恢復(fù)林地的土壤有機(jī)碳密度差別較大，變化趨勢(shì)和土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)一致，且在同一林分土壤中，單位深度土壤各土層平均有機(jī)碳密度均以表層最大，隨土層的增加而降低。(4) 土壤有機(jī)碳主要存儲(chǔ)于0—20 cm土層中，平均含量為53.60%，隨著土層的加深，土壤有機(jī)碳所占比重急劇下降，經(jīng)過(guò)植被恢復(fù)，7種人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較廢棄地0—20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提高了26.53%，20.39%，34.48%，10.81%，28.62%，39.52%，36.71%，說(shuō)明目前礦區(qū)通過(guò)植被恢復(fù)后的土壤狀況顯著優(yōu)于未進(jìn)行恢復(fù)措施的廢棄地。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量; 植被恢復(fù); 林分類型; 昆陽(yáng)磷礦

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)量占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的2/3[1]。土壤有機(jī)碳是土壤中較為活躍的部分，其含量和動(dòng)態(tài)在土壤質(zhì)量演變和全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用[2]。植被恢復(fù)是既能保持磷礦開(kāi)采同時(shí)又能有效扼制礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的退化，并逐步恢復(fù)已退化的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最有效的生物措施。礦區(qū)廢棄地作為重構(gòu)土體，其土壤與自然立地條件下的土壤存在顯著差異，主要表現(xiàn)為土壤層序紊亂、土壤結(jié)構(gòu)性差、養(yǎng)分貧瘠，這些特殊性嚴(yán)重阻礙植物生長(zhǎng)，進(jìn)而影響微生物對(duì)凋落物和根系等土壤養(yǎng)分主要來(lái)源的分解與轉(zhuǎn)化，最終可能會(huì)緩解碳氮的形成[3]。因此，土壤有機(jī)碳成為衡量礦區(qū)土壤修復(fù)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，研究礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化過(guò)程對(duì)認(rèn)識(shí)土壤質(zhì)量的演變及其恢復(fù)效果評(píng)價(jià)有重要意義。

昆陽(yáng)磷礦為我國(guó)磷化工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)[4]。但是隨著近三十多年來(lái)的開(kāi)采，對(duì)其地質(zhì)環(huán)境造成了一定影響與破壞，誘發(fā)了一系列地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。項(xiàng)目組通過(guò)前期研究，提出了礦區(qū)生態(tài)修復(fù)綜合配套技術(shù)，使示范區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)和改善，為全省礦區(qū)廢棄地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理工程提供有效的技術(shù)支撐及示范樣板。目前自然條件下植被恢復(fù)與有機(jī)碳變化的關(guān)系已有大量研究，一系列研究表明，植被恢復(fù)可顯著提高有機(jī)碳含量[5]，且在一定恢復(fù)年限內(nèi)有機(jī)碳含量與恢復(fù)年限成正比[6-7]。但關(guān)于礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響研究尚少，特別是對(duì)土壤不同層次有機(jī)碳的變化規(guī)律至今無(wú)人報(bào)道。本文的目的就是通過(guò)研究昆陽(yáng)磷礦廢棄地植被恢復(fù)過(guò)程中不同林分的土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量變化，為合理評(píng)價(jià)植被恢復(fù)對(duì)土壤的碳匯效應(yīng)及對(duì)土壤的改良與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于昆明市西南72 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°31′10″—103°34′48″，北緯24°12′58″，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.7℃，歷年平均降水量907.1 mm。礦區(qū)內(nèi)土壤主要為紅壤及沖積土。現(xiàn)有的各種植被類型都是在原有植被破壞后，植被恢復(fù)過(guò)程而形成的次生植被。礦區(qū)周圍的植被大體可分為森林、灌叢、灌草叢和栽培植被4大類型。礦區(qū)附近的森林以暖溫性針葉林為主，主要有云南松(Pinusyunnanensis)次生林和華山松(Pinusarmandii)林，此外有以旱冬瓜(Alnusnepalensis)為主的落葉闊葉林。灌叢主要由落葉灌木山柳(Clethrabarbinervis)和榛子(Corylusheterophylla)組成，其中也有一些常綠種類如杜鵑(RhododendronsimsiiR.spp)、水紅木(Viburnumcylindricum)、楊梅(Myricarubra)等，但數(shù)量較少，另外在灌叢中零星生長(zhǎng)著云南松、華山松等喬木樹(shù)種，形成稀樹(shù)灌叢。灌草叢主要是由喬本科植物組成的禾草灌草叢。在禾草灌草叢中除草本植物外，常有少量灌木種類存在[8]。

1.2 樣品采集與分析

本研究所選樣地均是在礦區(qū)廢棄地采用平臺(tái)覆土的方式進(jìn)行植被恢復(fù)的，主要成分都是以采場(chǎng)剝離表土(紅壤)為主，同白云巖、黑頁(yè)巖和風(fēng)化巖石混合而成。根據(jù)林木種植的措施、布局劃分出7種人工植物群落，種植時(shí)間為2005年，包括藍(lán)桉(Eucalyptusglobulus)林、直干桉(E.maideni)林、圣誕樹(shù)(Acaciadealbata)林、藏柏(Cupressustorulosa)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹(shù)林、廢棄地(尚未采取任何植被恢復(fù)措施的區(qū)域)。于2015年7月進(jìn)行群落調(diào)查和土壤樣品的采集。在各人工林分內(nèi)有代表性的地段，設(shè)置3個(gè)20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)固定樣地，對(duì)樣地內(nèi)喬木進(jìn)行每木檢尺(表1)。每個(gè)樣地分別設(shè)3個(gè)土壤剖面，觀察剖面物理性質(zhì)，分別在0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm深度取環(huán)刀土及混合土樣，用于測(cè)定土壤容重及室內(nèi)化學(xué)分析，每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)取3個(gè)樣作為平行。將所取樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后立即將鮮土樣在室內(nèi)鋪于牛皮紙上，自然風(fēng)干后去除石塊、根莖及各種新生體和侵入體，研磨，過(guò)篩后保存?zhèn)溆谩２⑼瑫r(shí)測(cè)定>2 mm 的石礫含量(體積分?jǐn)?shù))。

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濃硫酸—重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定[9]，土壤容重采用烘干法測(cè)定，在(105±2)℃條件下烘干至恒重。

1.3 相關(guān)計(jì)算及數(shù)據(jù)分析

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是在一個(gè)特定有機(jī)碳庫(kù)中的有機(jī)碳量或者單位面積的有機(jī)碳庫(kù)[10]，第i層單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占剖面總有機(jī)碳儲(chǔ)量的百分比Ri按照下面方法計(jì)算。如果某一土體的剖面由k層組成，則該剖面的土有機(jī)碳密度計(jì)算公式為[11]：

SOCi=OiHiBi(1-Gi)/100

(1)

式中：SOCi為土壤剖面第i層有機(jī)碳密度(kg/m2)；Hi為第i層土壤的厚度(cm)；Bi為第i層土壤的容重(g/cm3)；Oi為i層土壤的有機(jī)碳含量(g/kg)；Gi為直徑≥2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。

如果某一土壤剖面由k層組成，那么該剖面的有機(jī)碳密度 (kg/m2)為：

(2)

式中：k為土層數(shù)。

表1 樣地基本情況

第i層單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占剖面總有機(jī)碳儲(chǔ)量的百分比按照下面公式計(jì)算：

(3)

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 11.5實(shí)用統(tǒng)計(jì)軟件和Excel 2003數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)林分土壤有機(jī)碳含量及其分布特征

由表2可看出，7種植被恢復(fù)人工林樣地和廢棄地0—60 cm土壤平均有機(jī)碳含量為1.22±0.12～22.61±1.35 g/kg，大小依次為旱冬瓜+圣誕樹(shù)林(22.61±1.35 g/kg)>旱冬瓜林(19.02±1.93 g/kg)>栓皮櫟林(18.89±1.17 g/kg)>藍(lán)桉林(17.43±1.12 g/kg)>直干桉林(14.43±1.23 g/kg)>圣誕樹(shù)林(13.91±1.05 g/kg)>藏柏林(7.19±0.59 g/kg)>廢棄地(1.22±0.12 g/kg)，其中旱冬瓜+圣誕樹(shù)林、旱冬瓜林、栓皮櫟林、藍(lán)桉林、直干桉林、圣誕樹(shù)林、藏柏林平均有機(jī)碳含量分別是廢棄地的18.53倍、15.59倍、15.48倍、14.29倍、11.83倍、11.40倍、5.89倍。

表2 不同林分土壤有機(jī)碳含量 g/kg

注：不同大、小寫字母分別表示同一林分類型不同土層和不同林分類型同一土層間在p<0.05水平下差異性顯著。

土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面的分布也存在明顯差異，不同植被恢復(fù)林地土壤各層有機(jī)碳含量為1.07±0.11～41.24±1.67 g/kg(表2)，其中最大值是最小值的38.54倍，各植被類型土壤層有機(jī)碳含量均以表土層(0—20 cm)最大，且隨土層厚度的增加，土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)。

2.2 不同植被恢復(fù)林分土壤有機(jī)碳密度及其分布特征

不同植被恢復(fù)林分樣地土壤有機(jī)碳密度在0—60 cm不同土層的垂直分布見(jiàn)圖1，分析結(jié)果表明：7種不同植被恢復(fù)人工林和廢棄地0—60 cm土壤平均有機(jī)碳密度為5.33±0.20～0.36±0.12 kg/m2，整個(gè)土壤層面上土壤平均有機(jī)碳密度大小順序?yàn)楹刀?圣誕樹(shù)林>栓皮櫟林>旱冬瓜林>藍(lán)桉林>直干桉林>圣誕樹(shù)林>藏柏林>廢棄地。

注：Ⅰ表示藍(lán)桉林；Ⅱ表示直干桉林；Ⅲ表示圣誕樹(shù)林；Ⅳ表示藏柏林；Ⅴ表示栓皮櫟林；Ⅵ表示旱冬瓜林；Ⅶ表示旱冬瓜+圣誕樹(shù)林；Ⅷ表示廢棄地。下同。

圖1不同植被恢復(fù)林分土壤有機(jī)碳密度

2.3 不同植被恢復(fù)林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的剖面分布

根據(jù)公式(2)，(3)計(jì)算7種不同植被恢復(fù)人工林樣地0—60 cm土壤層次單位面積有機(jī)碳儲(chǔ)量占剖面有機(jī)碳總儲(chǔ)量的百分比。由圖2可知，各樣地的有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨著土層加深所占比例逐漸降低，各樣地的有機(jī)碳主要集中于土層0—20 cm內(nèi)，大小順序?yàn)楹刀狭?62.67%)>旱冬瓜+圣誕樹(shù)林(59.88%)>圣誕樹(shù)林(57.85%)>栓皮櫟林(53.10%)>藍(lán)桉林(51.58%)>直干桉林(47.61%)>藏柏林(42.49%)，平均含量為53.60%；20—40 cm土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量排序?yàn)椴匕亓?35.77%)>直干桉林(34.04%)>旱冬瓜+圣誕樹(shù)林(30.12%)>藍(lán)桉林(30.02%)>栓皮櫟林(26.44%)>圣誕樹(shù)林(25.39%)>旱冬瓜林(23.28%)，平均含量為29.30%；40—60 cm 土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量排序?yàn)椴匕亓?21.74%)>栓皮櫟林(20.47%)>藍(lán)桉林(18.38%)>直干桉林(18.35%)>圣誕樹(shù)林(16.76%)>旱冬瓜林(14.05%)>旱冬瓜+圣誕樹(shù)林(9.99%)，平均含量為17.11%。

圖2不同植被恢復(fù)林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量剖面分布

3 結(jié)論與討論

(1) 昆陽(yáng)磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復(fù)林分土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度增加顯著減少，不同林分類型及土層間土壤有機(jī)碳含量存在明顯差異；植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)土壤有機(jī)碳含量有了較大的提高；同一地區(qū)不同的林分類型因地表植被覆蓋、枯落物分解程度、進(jìn)入土壤的生物殘?jiān)?、組成植物根系以及土壤微生物的分解作用等不同，土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入和輸出也不相同，從而影響土壤有機(jī)碳含量[12-13]。

(2) 昆陽(yáng)磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復(fù)林地的土壤有機(jī)碳在剖面的含量表現(xiàn)出明顯的“表聚作用”，各樣地的有機(jī)碳主要集中于土層0—20 cm內(nèi)，隨著剖面深度的增加，有機(jī)碳含量逐漸降低，主要是因?yàn)橛绊懲寥烙袡C(jī)碳含量的因素(樹(shù)木、地表植被的根系、凋落物等)主要集中在土壤表層。

(3) 昆陽(yáng)磷礦礦區(qū)廢棄地7種不同恢復(fù)林地的土壤有機(jī)碳密度差別較大，變化趨勢(shì)和土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)一致，且在同一林分土壤中，單位深度土壤各土層平均有機(jī)碳密度均以表層最大，隨土層的增加而降低。不同植被恢復(fù)林分中，受不同植物根系分布、凋落物分解程度以及人為干擾等因素的影響，土壤有機(jī)碳含量及土壤容重出現(xiàn)不同的變化，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度也隨之出現(xiàn)差異[14]。

(4) 7種不同植被恢復(fù)人工林土壤有機(jī)碳主要存儲(chǔ)于0—20 cm土層中，隨著土層的加深，土壤有機(jī)碳所占比重急劇下降，最底層(40—60 cm)土層的土壤有機(jī)碳百分比最低。這主要是因?yàn)椴煌址謱?dǎo)致有機(jī)物進(jìn)入土壤的方式和植物殘?bào)w量不同，從而造成有機(jī)碳含量的垂直分布狀況存在較大差異。同時(shí)，根系的垂直分布直接影響輸入到土壤剖面各個(gè)層次的有機(jī)碳數(shù)量；而且隨土層深度的增加分解者的活動(dòng)減弱，導(dǎo)致植物碎屑在土壤中的位置越深，其分解也越慢[15-16]。經(jīng)過(guò)植被恢復(fù)，7種人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較廢棄地0—20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提高了26.53%，20.39%，34.48%，10.81%，28.62%，39.52%，36.71%，說(shuō)明目前礦區(qū)通過(guò)植被恢復(fù)后的土壤狀況顯著優(yōu)于未進(jìn)行恢復(fù)措施的廢棄地。

綜上所述，碳輸入主要來(lái)源的地表凋落物以及根系這兩個(gè)生物因素的差異是造成礦區(qū)廢棄地不同植被恢復(fù)林分碳儲(chǔ)量和碳素積累差異較大的原因；植被恢復(fù)不僅顯著影響地表凋落物的積累量和性質(zhì)，而且顯著影響土壤有機(jī)碳的積累速率。

[1] Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soils [J]. Nature, 1990,348(6298):232-234.

[2] 周成虎,周啟鳴,王紹強(qiáng).中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)空間分布的分析與估算[J]. Ambio:人類環(huán)境雜志,2003,32(1):6-12.

[3] 王清奎.碳輸入方式對(duì)森林土壤碳庫(kù)和碳循環(huán)的影響研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(4):1075-1081.

[4] 施順生.昆陽(yáng)磷礦采空區(qū)復(fù)墾技術(shù)及環(huán)境效益[J].中國(guó)工程科學(xué),2005(7) S:421-424.

[5] 陳朝,呂昌河,范蘭,等.土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(18):5358-5371.

[6] 梁愛(ài)華,韓新輝,張揚(yáng),等.紙坊溝流域退化土壤碳氮關(guān)系對(duì)植被恢復(fù)的時(shí)空響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(18):5358-5371.

[7] 郭然,王效科,逯非,等.中國(guó)草地土壤生態(tài)系統(tǒng)固氮現(xiàn)狀和潛力[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(2):862-867.

[8] 和麗萍,方向京,李貴祥,等.昆陽(yáng)磷礦植被修復(fù)土壤理化與生物學(xué)性狀的典型相關(guān)分析[J].水土保持研究,2015,22(2):58-63,68.

[9] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[10] 楊金艷,王傳寬.東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量和碳通量[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(11):2875-2882.

[11] Fang J Y, Liu G H, Xu S L. Soil carbon pool in China and its global significance [J]. Journal of Environmental Sciences, 1996,2:249-254.

[12] Post W M, Izaurralde R C, Mann L K. Monitoring and verifying changes of organic carbon in soil[J]. Climatic Change, 2001,51(1):73-99.

[13] 丁訪軍,潘忠松,周鳳嬌,等.黔中喀斯特地區(qū)3種林型土壤有機(jī)碳含量及垂直分布特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(1):161-164,169.

[14] 梁?jiǎn)Ⅸi,余新曉,龐卓,等.不同林分土壤有機(jī)碳密度研究[J].生態(tài)環(huán)境,2010,19(4):889-893.

[15] 王文靜,王百田,呂釗,等.山西太岳山不同林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,27(1):81-85.

[16] 周莉,李保國(guó),周廣勝.土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(1):99-105.

ImpactsofVegetationRestorationontheSoilOrganicCarbonStorageinKunyangPhosphoriteMine

ZHAO Chuan, HE Liping, LI Guixiang, SHAO Jinping, CHAI Yong

(YunnanAcademyofForestry,Kunming650201,China)

Vegetation restoration can keep phosphate rock mining, effectively curb the mining area ecological environment degradation, and gradually restore the mining area of degraded ecosystem, is one of the most effective measures. The results show that significant differences of soil organic carbon(SOC) contents exist between the different forest types and soil layers, the average organic carbon contents under seven different vegetation restoration plantations (Ⅰ—Ⅶ) are 14.29 times, 11.83 times, 11.40 times, 5.89 times, 15.48 times, 15.59 times, 18.53 times of that of the abandoned land, and the difference is significant (p<0.05); SOC contents of 7 stands present the phenomenon of surface enrichment, showing a decreasing trend from the surface to the deep layer, SOC content is mainly accumulates in 0—20 cm soil layer; vertical distribution of soil organic carbon densitie and vertical distribution of soil organic carbon content characteristics in seven kinds of stands are consistent, soil organic carbon density reduced with increase of soil depth, with soil organic carbon density in topsoil 0—20 cm is maximum; organic carbon reserves decreased with increase of soil depth, while soil organic carbon was mainly concentrated in the 0—20 cm soil layer, the average content is 53.60%. After vegetation restoration, soil organic carbon contents of 0—20 cm soil layers in 7 kinds of plantations increase by 26.53%, 20.39%, 34.48%, 20.39%, 28.62%, 39.52% and 28.62%, respectively, indicating that the soil conditions after vegetation restoration are significantly better than that of the remnant waste land without the recovery measures in the current mining area.

soil organic carbon storage; vegetation restoration; forest types; Kunyang phosphorite mine

2016-09-07

：2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“云南磷礦廢棄地植被修復(fù)土壤質(zhì)量演變機(jī)理研究”(41361076)

趙川(1973—),男,云南大理人,助理工程師,主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:zhaochuangk3@126.com

和麗萍(1972—),女,云南麗江人,博士,副研究員,主要從事土壤生態(tài)學(xué)和山地災(zāi)害恢復(fù)研究。E-mail:kmhlp@sina.com

S714.5

：A

：1005-3409(2017)05-0168-04