錢江源國(guó)家公園不同景觀土壤有機(jī)碳庫(kù)和蓄水性能研究

汪家軍 余順海 姜偉東 姚玉才 章明奎

摘 要：為了解錢江源國(guó)家公園不同土地利用景觀區(qū)生態(tài)功能的差異，選擇林地、茶園、水田和旱地等4類土地利用景觀，分別采集了代表性表層和土壤剖面分層土樣，分析了土壤有機(jī)質(zhì)組分、酸堿度、主要養(yǎng)分元素及滲透性和蓄水性。結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量由表層向下呈下降趨勢(shì)，土壤有機(jī)質(zhì)含量、貯量和活性有機(jī)質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例均是林地>茶園>水田>旱地，土壤C/N比為林地>茶園>水田、旱地;土壤pH值為水田>旱地>林地>茶園;土壤有效磷和速效鉀含量為茶園>水田、旱地>林地。林地表層土壤具有較低的容重，其透水性和蓄水能力明顯高于茶園和旱地，并具有較高的陽(yáng)離子交換量和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量。研究認(rèn)為，從土壤固碳與保水2個(gè)方面考慮，錢江源國(guó)家公園內(nèi)林地的生態(tài)功能明顯強(qiáng)于其他景觀用地，旱地的生態(tài)功能最弱。因此，加強(qiáng)林地建設(shè)和逐漸減小旱地面積有助于強(qiáng)化園區(qū)生態(tài)功能。

關(guān)鍵詞：錢江源國(guó)家公園;利用方式;有機(jī)碳;透水性;蓄水能力

中圖分類號(hào) S714.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）12-0095-05

Soil Organic Carbon Pool and Water Storage Performance of Different Landscapes in Qianjiangyuan National Park

WANG Jiajun1 et al.

（1Qianjiangyuan National Park Administration， Kaihua 324300， China）

Abstract： To understand the differences of soil ecological functions in different landscapes of the Qianjiangyuan National Park， four types of land-uses， including woodland， tea garden， paddy field and upland， were selected in the Park. Both representative surface soil and profile horizon soil samples were collected from each of land-uses for characterizing organic matter， pH， main nutrient elements， water permeability and water storage capacity. The results showed that the content of soil organic matter decreased from the surface to the bottom， content and storage of organic matter， and the proportions of active organic matter in total organic matter decreased in the order of woodland>tea garden>paddy field>upland. C/N ratio in the soils decreased in sequence of woodland>tea garden>paddy field and upland. Soil pH decreased in the order of paddy field>upland>woodland>tea garden. Soil available phosphorus and available potassium increased in the order of woodland

Key words： Qianjiangyuan National Park; Land-use; Organic carbon; Water permeability; Water storage capacity

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)器，其利用林冠層、枯落物層和土壤層對(duì)降水進(jìn)行攔截和滯蓄，對(duì)大氣中的碳進(jìn)行固定，在削峰滯洪、涵養(yǎng)水源、補(bǔ)充地下水、調(diào)控土壤養(yǎng)分、降低大氣中溫室氣體及維護(hù)生態(tài)平衡中起著重要的作用[1-6]。森林土壤對(duì)水分的攔蓄和調(diào)節(jié)作用被形象地稱為“土壤水庫(kù)”，定量評(píng)估森林的水源涵養(yǎng)作用對(duì)流域水資源規(guī)劃、管理，區(qū)域生態(tài)建設(shè)以及生態(tài)補(bǔ)償?shù)染哂兄匾饔肹7-9]，其庫(kù)容大小直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水的調(diào)節(jié)能力[10-13]。森林土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要的碳庫(kù)，其在保持土壤質(zhì)量、維持區(qū)域生態(tài)功能等方面起著重要的作用[14-16]。因此，保護(hù)林地、提高森林覆蓋率已成為區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)的重要內(nèi)容。錢江源國(guó)家公園位于浙江省開(kāi)化縣西北部，其總面積252km2，包括古田山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、錢江源國(guó)家級(jí)森林公園、錢江源省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)等3個(gè)保護(hù)地以及連接以上自然保護(hù)地之間的生態(tài)區(qū)域。經(jīng)過(guò)數(shù)十年對(duì)古田山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和錢江源國(guó)家級(jí)森林公園的保護(hù)與建設(shè)，園區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境逐漸改善，生態(tài)功能趨向完善，物質(zhì)循環(huán)趨向平衡;但因受人為保護(hù)力度與歷史上土地利用等方面的差異，區(qū)內(nèi)不同地區(qū)生態(tài)狀況仍有一定的差異。為了解區(qū)內(nèi)不同土地利用景觀區(qū)土壤入滲和水分蓄存功能的差異及土壤有機(jī)碳庫(kù)與質(zhì)的變化規(guī)律，本研究在園區(qū)內(nèi)選擇林地、茶園、水田和旱地等4類土地利用景觀，分別采集代表性表層和土壤剖面分層土樣，分析土壤有機(jī)質(zhì)組分、酸堿度、主要養(yǎng)分元素及滲透性和蓄水性，旨在為園區(qū)開(kāi)展全面的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集 采樣于2018年5—8月進(jìn)行，采集的土壤樣品分為2類：（1）表層土壤：采集深度為0～15cm，包括林地、茶園、水田和旱地等4類土地利用景觀，采樣數(shù)分別為11、8、8和8個(gè)。（2）剖面分層土樣：另在調(diào)查區(qū)各選擇林地、茶園、水田和旱地等用地的典型樣地1個(gè)，挖掘土壤標(biāo)準(zhǔn)剖面，按0～15、15～30、30～50、50～70和70～100cm深度分別采集分層土樣。采集的林地、茶園和旱地土壤類型均為黃泥土（屬于紅壤土類、黃紅壤亞類），水田土壤為黃泥砂田（屬于水稻土土類）。在田間采集以上分析樣品的同時(shí)，用容重圈各采集4份相應(yīng)土壤的原狀樣，用于測(cè)定土壤容重和飽和導(dǎo)水率。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 土壤有機(jī)碳和有機(jī)碳組分 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測(cè)定;土壤有機(jī)碳的形態(tài)采用密度分離與濕篩法相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，稱取10.00g土樣，用密度為1.85g·cm-3 NaI溶液分離得到游離態(tài)輕組（fLF）和重組（HF）[17];向重組中加入0.5%（w/v）六偏磷酸鈉溶液，振蕩18h，依次通過(guò)0.053mm的篩，分別得到顆粒有機(jī)碳（>0.053mm）和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（<0.053mm），各組分樣在40℃下烘干、稱重，測(cè)定有機(jī)碳含量，并計(jì)算各有機(jī)碳組分的相對(duì)比例。土壤水溶性有機(jī)碳用0.5mol·L-1 K2SO4溶液浸提，用Shimadzu TOC自動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.2.2 土壤物理性狀 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[18];土壤總孔隙度根據(jù)土壤容重計(jì)算獲得。飽和導(dǎo)水率依據(jù)森林土壤滲透性測(cè)定方法（LY/T 1218-1999）測(cè)定;土壤飽和蓄水量（Wt）根據(jù)總孔度計(jì)算：

式中pt為土壤總孔度（%）;h為土層厚度（m）。

土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定[18]。

1.2.3 土壤化學(xué)性狀 pH、交換性酸、陽(yáng)離子交換量（CEC）、全氮、有效磷、速效鉀采用常規(guī)方法測(cè)定[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同景觀類型土壤的有機(jī)碳及其組分 土壤有機(jī)碳組分可分為游離態(tài)（輕組）、顆粒態(tài)（重組）和礦物結(jié)合態(tài)（重組）等3種形態(tài)。游離態(tài)有機(jī)碳是指未與土壤無(wú)機(jī)成分結(jié)合的有機(jī)碳，主要是一些剛進(jìn)入土壤的半分解有機(jī)碳;顆粒態(tài)有機(jī)碳是指與土壤中大粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體結(jié)合的有機(jī)碳，其活性較強(qiáng)，是易受微生物礦化分解的有機(jī)碳;礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是指與土壤黏粒礦物緊密結(jié)合的有機(jī)碳，其主要是高度腐殖化的有機(jī)碳，是穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳。表1可知，4種土地利用景觀的土壤有機(jī)碳及其組分有較大的差異，且每一類景觀的土壤有機(jī)碳也有較大的變異。林地表層土壤有機(jī)碳積累最為明顯，平均值為25.48g·kg-1，明顯高于其他用地;最低的為旱地，平均值為9.48g·kg-1;林地表層土壤有機(jī)碳約為旱地、茶園和水田的2.69、1.43和1.77倍。茶園和水田表層土壤有機(jī)碳也明顯高于旱地。

表1結(jié)果可知，表層土壤中游離態(tài)、顆粒態(tài)和礦物結(jié)合態(tài)等3種組分的有機(jī)碳的含量變化趨勢(shì)與有機(jī)碳相似，均呈現(xiàn)出林地>茶園>水田>旱地。3種有機(jī)碳的組成比例以礦物結(jié)合態(tài)最高，平均都在50%以上;其次為顆粒態(tài)有機(jī)碳，其平均比例在5%～25%之間;游離態(tài)有機(jī)碳的比例較低，基本上在15%以下?；钚暂^高的有機(jī)碳（包括游離態(tài)有機(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)碳）的比例以林地最高，其次為茶園和水田，旱地最低，其變化趨勢(shì)與有機(jī)碳的含量一致;而礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的比例恰好相反。這一結(jié)果表明，旱地土壤的有機(jī)碳穩(wěn)定性最高，林地土壤的有機(jī)碳穩(wěn)定性最低，這與林地輸入的有機(jī)物質(zhì)較多，有機(jī)碳更新較快有關(guān)。土壤中水溶性有機(jī)碳含量也是林地>茶園>水田>旱地，說(shuō)明了林地土壤中具有較多能被微生物礦化的有機(jī)碳。從林地土壤有機(jī)碳活性組分比例較高可知，林地土壤中有較高比例的有機(jī)碳以不穩(wěn)定狀態(tài)存在，一旦林地破壞或被開(kāi)墾，土壤中有機(jī)碳將迅速分解而下降。同時(shí)，林地土壤的高有機(jī)碳主要依靠有機(jī)碳的高輸入得以維持，因此保護(hù)林地對(duì)維持土壤有機(jī)碳庫(kù)和保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境非常重要。

表2的結(jié)果表明，雖然各土壤有機(jī)碳含量均隨剖面深度降低，但林地的深層土壤有機(jī)碳也都高于其他用地土壤。計(jì)算結(jié)果表明，林地、茶園、水田和旱地0～50cm土層土壤有機(jī)碳的貯量分別為14.25、8.27、7.73和4.95kg·m-2，0～100 cm土層土壤有機(jī)碳的貯量分別為17.98、10.42、10.10和7.06kg·m-2。林地0～50cm土層土壤有機(jī)碳的貯量分別為茶園、水田和旱地的1.72、1.84和2.88倍，0～100cm土層土壤有機(jī)碳的貯量分別為茶園、水田和旱地的1.73、1.78和2.55倍，表明林地土壤具有較強(qiáng)的固碳潛力。由此可見(jiàn)，從土壤固碳角度林地比其他用地具更好的生態(tài)與環(huán)境效果。

2.2 不同景觀類型土壤的酸堿度和養(yǎng)分 表3可知，4種土地利用景觀的土壤pH值均呈酸性，但它們的平均pH值也有一定的差異，以水田最高，茶園最低，林地低于旱地。茶園土壤pH值低于自然林地與茶樹(shù)根系分泌較多的酸性物質(zhì)有關(guān)，表明植茶容易導(dǎo)致土壤酸化。土壤全氮的變化與有機(jī)碳略有差異，以水田和茶園較高，旱地較低，林地居中，這與農(nóng)業(yè)用地施用較多的氮肥有關(guān)。土壤碳氮比以林地最高，水田和旱地較低，茶園居中。土壤有效磷和速效鉀一般以茶園最高，林地較低，這與茶園屬經(jīng)濟(jì)作物、具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，施用的磷肥和鉀肥量相對(duì)較多有關(guān)。以上結(jié)果表明，由于研究區(qū)位于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，土壤物質(zhì)風(fēng)化強(qiáng)烈，礦質(zhì)養(yǎng)分較低，因無(wú)外源養(yǎng)分的投入，自然林地土壤氮磷鉀水平較低。

2.3 不同景觀類型土壤的保肥性、保水性和透水性 土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）可反映土壤的保肥能力。表3可知，由于林地土壤有機(jī)碳較高，具有較高的保肥能力，其平均CEC分別比茶園、水田、旱地高出13.77%、30.18%和32.07%。林地土壤的容重明顯低于茶園（表4），也略低于水田和旱地，這可能也與林地土壤具有較高的有機(jī)碳含量有關(guān)。表2可知，0～50cm土層的容重一般是林地低于其他土壤，而50cm以下的土層容重在4種土壤之間差異較小，部分是林地土壤大于其他土壤。林地土壤容重的這種分布模式可能與樹(shù)木根系分布有關(guān)，0～50cm土層是樹(shù)林根系的主要分布區(qū)，根系伸展對(duì)土壤的松土作用和根系及枯枝落葉對(duì)土壤有機(jī)碳的補(bǔ)充使得林地0～50cm土層土壤的容重較小。

表4可知，土壤飽和導(dǎo)水率與土壤有機(jī)碳積累和容重的變化相似，隨有機(jī)質(zhì)積累的增加而增加，隨容重降低而減小，因而呈現(xiàn)林地土壤飽和導(dǎo)水率明顯大于其他土壤。這一結(jié)果表明，與其他用地景觀比較，在降雨時(shí)林地地面具有較強(qiáng)的滲透速率。4種土地利用景觀土壤的飽和持水量（占土壤的重量）差異相對(duì)較小，但其平均值也是林地較高，茶園較低，與容重的變化恰好相反。表2的結(jié)果表明，土壤飽和持水量呈現(xiàn)隨土層深度增加而降低的趨勢(shì)，即上層土壤具有較大的滯水作用。計(jì)算表明，林地、茶園、水田、旱地等4類利用土壤在0～50cm土層中的貯水潛力（飽和持水量）分別為2681、2557、2555和2526t·hm-2，在0～100cm土層中的貯水潛力分別為4855、4692、5049和4751t·hm-2?？梢?jiàn)，0～50cm土層中的貯水總潛力以林地最高;但若以0～100cm土層計(jì)，則以水田最高，但林地的貯水總潛力仍然高于茶園和旱地。表4結(jié)果還可知，林地土壤具有較高的水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體，說(shuō)明其具有較強(qiáng)的抗蝕性。

3 討論

林地在水土保持、水源涵養(yǎng)及生態(tài)系統(tǒng)的固碳過(guò)程中起著重要的作用，完整的生態(tài)系統(tǒng)由地上和地下生態(tài)系統(tǒng)兩部分組成，陸地系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是地下土壤與地上植物共同作用的結(jié)果，且土壤與植物之間可以相互作用、相互影響。本研究對(duì)錢江源國(guó)家公園不同景觀的土壤性狀研究也表明，地表利用方式可顯著影響土壤性狀，土壤有機(jī)質(zhì)含量、貯量和活性有機(jī)質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例均是自然的林地系統(tǒng)高于茶園、水田、旱地等人工系統(tǒng)，林地表層土壤具有較低的容重，其透水性和蓄水能力明顯高于其他用地，并具有較高的陽(yáng)離子交換量和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量，表明林地的生態(tài)功能明顯強(qiáng)于其他景觀用地。上述不同利用方式下土壤性狀的差異，與地上植物影響地下土壤有關(guān)。生長(zhǎng)良好的植被可通過(guò)根系分泌物、植物殘?bào)w和枯枝落葉為土壤系統(tǒng)輸入更多的有機(jī)物質(zhì)[16]，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及速效養(yǎng)分的提升，并明顯提高土壤微生物生物量，增加酶活性。因此，通過(guò)封山育林或營(yíng)造人工林、灌、草植被，把園區(qū)內(nèi)的農(nóng)地系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值叵到y(tǒng)，可有效促進(jìn)園區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的良性循環(huán)，增加陸地系統(tǒng)的碳庫(kù)。

雨水的入滲和水分蓄存能力是衡量森林土壤調(diào)節(jié)水分的2個(gè)重要指標(biāo)，但因林冠和枯葉層截留水量有限，暴雨期間森林的持水、蓄水和調(diào)水等功能主要依靠林下土壤來(lái)實(shí)施，因此，土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)最為重要的蓄水庫(kù)，其庫(kù)容大小直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水的調(diào)節(jié)能力。入滲作為自然界水分循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，決定著地表徑流和滲入土內(nèi)水分兩者的數(shù)量分配，也決定著降水進(jìn)入土壤的數(shù)量[19～22]，提高土壤滲透性能可減少地表徑流、削弱土壤侵蝕動(dòng)力，從而減少土壤流失量[23～25]。錢江源國(guó)家公園山體主要由花崗巖、花崗斑巖、流紋斑巖、凝灰?guī)r等酸性巖構(gòu)成，山體的淺層巖石破碎明顯，存在較多的裂隙，具有較大的蓄水能力，只要位于地表的土壤具有足夠的透水性、暴雨產(chǎn)生的地表水能有效入滲進(jìn)行土壤[8]，就可有效實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能。而本研究的結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)林地具有很強(qiáng)的透水性，其原因可能是植被通過(guò)根系的生長(zhǎng)改變土壤的結(jié)構(gòu)狀況，降低土壤的容重，提高土壤的抗沖性和土壤抗剪強(qiáng)度，改善了土壤水分的入滲能力[22，26]。因此，從陸地系統(tǒng)的保水角度，把園區(qū)內(nèi)的農(nóng)地系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值叵到y(tǒng)，可有效降低地表徑流，大大提升園區(qū)的蓄水能力。

4 結(jié)論與建議

對(duì)錢江源國(guó)家公園內(nèi)4種用地景觀的土壤性態(tài)觀察表明，林地與茶園、水田和旱地之間多方面性質(zhì)有較大的差異。土壤有機(jī)質(zhì)含量、貯量和活性有機(jī)質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例均是林地>茶園>水田>旱地，土壤C/N比林地>茶園>水田、旱地;土壤酸度為水田<旱地<林地<茶園，茶園土壤的酸化最為明顯。土壤有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量是茶園>水田、旱地>林地。研究表明林地因表土容重較低，其透水性與蓄水能力明顯高于茶園和旱地，并具有較高保蓄性和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量。分析認(rèn)為，從土壤固碳和保水等考慮，該加強(qiáng)園區(qū)內(nèi)林地建設(shè)、逐漸減小旱地面積。

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（責(zé)編：王慧晴）