開(kāi)采對(duì)礦區(qū)天然森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量的影響

鄒 航,宋婭麗,王克勤,張轉(zhuǎn)敏,邢進(jìn)梅

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,650224,昆明)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和最大的碳庫(kù)，碳總量約為1 146 Pg，約占全球植被碳儲(chǔ)量的86%，土壤碳儲(chǔ)量的73%，在土壤和生物圈化學(xué)過(guò)程中起著重要作用，森林生物量與碳循環(huán)密切相關(guān)[1-2]。

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展情況下，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而增加，然而對(duì)這些資源的不合理開(kāi)采在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害[3-4]，長(zhǎng)期以來(lái)，大量礦區(qū)廢地在沒(méi)有人類(lèi)干預(yù)的情況下被棄置，環(huán)境已經(jīng)無(wú)法自我恢復(fù)[5]。而且，盡管我國(guó)的礦物資源多種多樣，自給自足程度較高，但開(kāi)采水平和速度的提高也給采礦和采礦區(qū)造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[6]。調(diào)查至2017年底，國(guó)內(nèi)碳資源儲(chǔ)量為156.63億t，在礦區(qū)每開(kāi)采萬(wàn)噸煤，破壞土地面積為0.22 hm2，其中土地直接被破壞面積為0.12 hm2，年土地破壞和占有面積達(dá)到1萬(wàn)hm2[7-8]。礦區(qū)森林生態(tài)環(huán)境的持續(xù)退化、土壤侵蝕、生物多樣性的大幅度減少和土壤退化，導(dǎo)致植被和土壤中的碳儲(chǔ)存量大幅度減少[9]。我國(guó)的采礦業(yè)歷史悠久，但1949年前尚未對(duì)被遺棄的礦場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)研究[10]，直到這些系統(tǒng)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)建立，相比其他發(fā)達(dá)國(guó)家礦區(qū)生態(tài)修復(fù)較晚[11]。因此，筆者以臨近礦區(qū)未被人為開(kāi)采破壞的森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)研究森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量得出礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳損失量，以期為提高礦區(qū)土壤質(zhì)量、增加植被層碳儲(chǔ)備，為修復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于云南省山壯族、苗族自治州，道路均為瀝青路面，屬?lài)?guó)家二級(jí)、三級(jí)公路，交通便利。該礦區(qū)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始開(kāi)采，我國(guó)對(duì)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)起步較晚，礦區(qū)未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)措施，其生態(tài)系統(tǒng)幾乎已被破壞。礦區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體，水流均低于礦床主要礦體標(biāo)高，與礦床充水水力聯(lián)系較小，礦區(qū)所在地文山州主要植被類(lèi)型屬亞熱帶常綠闊葉林、針闊混交林，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)和愷木(Alnuscremastogyne)，地形復(fù)雜，海拔懸殊較大，礦區(qū)所屬森林覆蓋率低，樹(shù)種組成單一，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為杉木，其次是青岡類(lèi)的闊葉樹(shù)種，林種結(jié)構(gòu)單一，為用材林和薪炭林。項(xiàng)目區(qū)林草覆蓋率34.24%。土壤主要成土母質(zhì)為石灰?guī)r和第四紀(jì)紅色黏土及近代沉積物。根據(jù)土壤普查資料，項(xiàng)目區(qū)分成為6個(gè)土類(lèi)、12個(gè)亞土、16個(gè)土屬、19個(gè)代表土種。項(xiàng)目區(qū)土壤主要有赤紅壤、紅壤、石灰(巖)土和水稻土。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

礦區(qū)被開(kāi)采后，無(wú)植被覆蓋無(wú)植被恢復(fù)，碳損失量由礦區(qū)周?chē)匀粭l件下森林植被碳儲(chǔ)量來(lái)計(jì)量。本試驗(yàn)綜合考慮礦區(qū)地形、立地條件、密度等因素，在礦區(qū)周?chē)匀粭l件植被下設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的喬木樣方，確保各實(shí)驗(yàn)樣地與各區(qū)域的氣候、植被和其他條件相似。在每個(gè)喬木樣地沿對(duì)角線(xiàn)方向設(shè)置5個(gè)5 m×5 m灌木叢樣方，5個(gè)1 m×1 m草本群落樣方，3個(gè)1 m×1 m凋落物樣方用于灌木、草本、凋落物的取樣。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the sample plot in the study area

2.2 樣品采集

1)植物樣品取樣。采集每個(gè)樣方內(nèi)喬木不同器官(葉、枝、干、皮和根)、灌木層(葉、根和枝)和草本層(地上和地下部分)，同時(shí)對(duì)每種植物的花、葉、果實(shí)等特征以及生長(zhǎng)情況拍照依據(jù)《中國(guó)植物志》及相關(guān)的著作、文獻(xiàn)等，準(zhǔn)確地鑒定野生植物的種、屬，并做好外業(yè)調(diào)查表。記錄喬木層測(cè)株數(shù)、種名、樹(shù)高和胸徑；記錄灌木層和草本層種名、株數(shù)(叢數(shù))、高度，估算蓋度；凋落物按其與土壤接觸距離和凋落物的結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)分解等級(jí)：未分解、半分解和已分解層,取樣放入自封袋并測(cè)鮮質(zhì)量。同時(shí)，將采集的喬木、灌木、草本和凋落物樣品送回實(shí)驗(yàn)室，并在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，以計(jì)算生物量。

2)土壤樣品取樣。在每個(gè)20 m×20 m的樣方中，挖取5個(gè)土壤剖面，取回5個(gè)不同深度的混合土樣。土壤層60 cm以下石礫占比較高，非土壤層，將土壤分為5個(gè)土層分別為0～10、10～20、20～30、30～40和40～60 cm，每1個(gè)土層都分別采集500 g左右的土壤樣品。每1個(gè)土層的剖面都需用100 cm3規(guī)格的環(huán)刀取土壤樣品，并把土壤樣品在105 ℃的溫度下進(jìn)行烘干，然后測(cè)定密度。同時(shí)，分別采集每層泥土樣品，去除小碎石等其他雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室將土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干之后開(kāi)始磨碎過(guò)篩(100目)，用于土壤有機(jī)碳含量[12]的測(cè)定。

2.3 樣地樣品碳含量和碳損失量計(jì)算

采用重鉻酸鉀容量法對(duì)植物層和土壤層樣品有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定。植被層碳損失量由植被碳儲(chǔ)量得到[13]：

VCS=OC×B。

(1)

式中：VCS為植被層碳損失量，t/hm2；OC為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),%；B為單位面積生物量,t/hm2。

土壤層碳損失量由土壤碳儲(chǔ)量得到：

Tn=∑CnPnDn。

(2)

式中:Tn為第n層土壤剖面深度內(nèi)總土壤碳損失量，t/hm2；Cn為第n層中土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Pn為第n層土壤密度,g/cm3；Dn為第n層剖面深度。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

檢驗(yàn)各林分碳損失量的差異性使用單因素方差分析(One-way ANOVA)，處理圖表和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析使用Excel 2013和SPSS 20.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 喬木層有機(jī)碳含量、生物量和碳損失量特征

如表2所示，喬木層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為：干>葉>皮>根>枝，范圍為48.05%～58.76%。喬木層生物量以干(198.76 t/hm2)最高，枝(143.04 t/hm2)和根(73.12 t/hm2)次之，葉(51.21 t/hm2)和皮(28.28 t/hm2)最小。樹(shù)干的碳損失量占喬木層碳損失量的絕大部分，其碳損失量占喬木層的45.3%，其次為枝(25.8%)和根(12.8%)，最小的為葉(10.1%)和皮(6.0%)，表現(xiàn)為：干>枝>根>葉>皮。

表2 喬木層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、生物量和碳損失量Tab.2 Organic carbon content,biomass and carbon loss of arbor layer

3.2 灌木層有機(jī)碳含量、生物量和碳損失量特征

從灌木的有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)(表3)可見(jiàn)，從高到低排列順序?yàn)橹?根>葉，灌木層各器官中，葉與根、枝存在顯著差異(P<0.05)。灌木層各器官生物量與灌木有機(jī)碳含量的分布一致。枝在灌木層生物量中分布最高，其生物量占灌木層(44.7%)，其次為根(34.7%)，最低為葉(20.6%)，表現(xiàn)為枝>根>葉。不同林分在同一植被相比，不同生物量也不相同，不同器官也存在顯著差異(P<0.05)。灌木層碳損失量主要的器官是枝，其碳損失量占灌木層的(54.0%)，其次為根(30.7%)，最小的為葉(16.3%)，表現(xiàn)為枝>根>葉。

表3 灌木層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、生物量和碳損失量Tab.3 Organic carbon content,biomass and carbon loss of shrub layer

3.3 草本層有機(jī)碳含量、生物量和碳損失量特征

地下部分有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占草本碳含量的55.1%，其次為地上部分(44.9%)；有機(jī)碳含量表現(xiàn)為地下部分>地上部分(表4)。草本層生物量地上部分(10.15 t/hm2)高于地下部分(7.10 t/hm2)。同樣，地上部分碳損失量占草本層的57.6%，其次是地下部分(42.4%)。

表4 草本層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、生物量和損失量Tab.4 Organic carbon content,biomass and carbon loss of herbaceous layer

3.4 凋落物層有機(jī)碳含量、生物量和碳損失量特征

凋落物層有機(jī)碳含量表現(xiàn)為未分解層>半分解層>已分解層，顯著差異(P<0.05)存在于不同器官有機(jī)碳含量，且隨著凋落物的分解程度的增加而降低(表5)。凋落物層生物量分布以已分解層(6.96 t/hm2)最高，半分解層(3.59 t/hm2)次之，未分解層(1.24 t/hm2)最低，體現(xiàn)為已分解層>半分解層>未分解層，它們存在顯著差異(P<0.05)。以凋落物層碳損失量來(lái)看，凋落物層碳損失量的分布最大的是半分解層，占其碳損失量灌木層(63.9%)，其次為半分解層(24.5%)，最低為已分解層(11.6%)。

表5 凋落物層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、生物量和碳損失量Tab.5 Carbon content,biomass and carbon loss of litter layer

3.5 土壤層有機(jī)碳含量、密度和碳損失量特征

土壤碳含量受土壤深度和礦區(qū)樣地影響最大。3個(gè)樣地的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度的增加均顯著降低(P<0.05)，不同土層有機(jī)碳含量分布以表土層(0～10 cm)最高，40～60 cm最低(表6)。影響土壤碳損失量的因素是土壤有機(jī)含碳量和密度，土壤中的碳損失量增加，土壤深度就會(huì)減少，改變的程度基本上與土壤中的碳含量一致。

表6 土壤層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度和碳損失量Tab.6 Organic carbon content,density and carbon loss of soil layer

其中0～30 cm的土壤碳損失量在土壤總碳損失量中占64.2%，說(shuō)明土層中的碳損失量大部分集中在表層土層。

3.6 生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量、生物量(密度)和碳損失量特征

在植被層中，碳損失量由各組分有機(jī)碳含量與生物量共同決定，有機(jī)碳含量和生物量越高，碳損失量越高。森林生態(tài)系統(tǒng)中各組分有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小順序表現(xiàn)為喬木層>土壤層>凋落物層>草本層>灌木層(表7)。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，碳損失量的主體是喬木層，占了森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量的59.5%，其次是土壤層(37.1%)、灌木層(2.1%)、凋落物層(0.7%)和草本層(0.6%)所占比例較低。

表7 生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、生物量(密度)和碳損失量Tab.7 Organic carbon content,biomass (density)and carbon loss of ecosystem

4 討論

我國(guó)礦山產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，再加上國(guó)家政策對(duì)礦山作出的進(jìn)一步調(diào)整，礦山產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)雖逐漸明顯，但礦山環(huán)境破壞和水土流失問(wèn)題日益突出，導(dǎo)致植物和土壤碳儲(chǔ)量嚴(yán)重流失[14]。本研究為了更好測(cè)定出礦區(qū)的碳含量與碳儲(chǔ)量的降低量，選取礦區(qū)附近具有代表性未被破壞的森林生態(tài)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，以探究礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量。

喬木層、灌木層、草本層和凋落物層組成森林生態(tài)系統(tǒng)植被層[15]。本研究中碳含量因植被類(lèi)型而異，通過(guò)實(shí)測(cè)碳含量和生物量得到礦區(qū)的碳損失量，使森林碳損失量的計(jì)算更為精確。森林生態(tài)系統(tǒng)中植物累積的主要形式是生物量，其分布受到區(qū)域氣候條件、土壤類(lèi)型、森林植被類(lèi)型、植物年齡的限制[16]。礦區(qū)植被層的碳損失量主體是喬木層，植被層碳損失量的94.6%，并占森林生態(tài)系統(tǒng)的59.5%。在本試驗(yàn)中，植被層碳損失量不僅受到植被組成和樹(shù)木年齡的影響，還受到區(qū)域氣候、樣地類(lèi)型、環(huán)境光源、地域類(lèi)型以及立地構(gòu)成的影響[17]。喬木層不同器官碳損失量體現(xiàn)為根>枝>干>葉>皮，葉和皮的碳損失量較低是因?yàn)榻M織衰老而脫落導(dǎo)致碳循環(huán)能力變低。在植被類(lèi)型中灌木層碳損失量占生態(tài)系統(tǒng)植被碳損失量的3%，但遠(yuǎn)高于草本層和凋落物層。草本層中地上部分碳損失量大于地下部分。凋落物層是森林中的碳進(jìn)入植被和土壤的有效手段[18]，凋落物層中不同器官以半分解層的碳損失量最大。

表土層(0～10 cm)有機(jī)碳含量最高，40～60 cm土層最低。本研究礦區(qū)已開(kāi)采多年，植被層與土壤層受損嚴(yán)重。若礦區(qū)未被開(kāi)采，則該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量較高，其原因是林下有許多灌木層和凋落物層，其分解有助于土壤碳元素的補(bǔ)充，也與土壤有機(jī)物的緩慢的分解和主要森林為針闊混交林和亞熱帶常綠闊葉林有關(guān)，均屬于群落植物較為豐富的森林樣地。但礦區(qū)由于人工開(kāi)采使森林生態(tài)系統(tǒng)被破壞，導(dǎo)致礦區(qū)土壤層和植被層碳損失量較高。在本研究試驗(yàn)中，0～30 cm土層碳損失量占土壤總碳損失量的64.2%，高于Gruijter等[19]統(tǒng)計(jì)的全球各類(lèi)土壤表層占土壤總碳儲(chǔ)量的平均值(49.0%)，說(shuō)明本試驗(yàn)中土壤表層的碳損失量是土層碳損失量的主體。

影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量的重要元素是樣地的類(lèi)型、植被的密度以及研究區(qū)森林自我經(jīng)營(yíng)方式。礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量高于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量平均值(258.8 t/hm2)[20]，說(shuō)明礦區(qū)具有較強(qiáng)的碳損失能力，礦區(qū)碳含量較高，喬木層生物量較大((494.42±135.89)t/hm2)，從而使礦區(qū)碳損失量過(guò)高，并且土壤有機(jī)碳含量較大直接導(dǎo)致土壤碳損失量較高((169.9±12.7)t/hm2)，二者共同導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳損失量較高，也與礦區(qū)多年開(kāi)采導(dǎo)致礦區(qū)無(wú)植被，土壤質(zhì)量受損有關(guān)。綜合以上分析研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的碳儲(chǔ)量，多年開(kāi)采的礦區(qū)具有較高的碳損失量，應(yīng)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行合理的保護(hù)，提高礦區(qū)土壤質(zhì)量、增加植被層碳儲(chǔ)備，使礦區(qū)樣地受損土地恢復(fù)其生態(tài)完整性和土地生產(chǎn)力。

5 結(jié)論

1)通過(guò)研究樣地森林生態(tài)系統(tǒng)植被層的碳儲(chǔ)量得出礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被層的碳損失量，植被層生物量的主體是喬木層，其占94.6%；其次為凋落物，占3.4%；而林下層的草本層和凋落物層占比較小，分別為1.1%和0.9%。不同器官碳損失量在喬木層中表現(xiàn)為干>枝>根>葉>皮；灌木層碳損失量為枝>根>葉；草本層碳損失量為地上部分>地下部分；凋落物層碳損失量為半分解層>未分解層>已分解層。

2)土壤層中不同土層有機(jī)碳含量不同，0～60 cm土層平均碳含量最高為表土層(0～10 cm)，40～60 cm土層最低。土壤密度和土壤含碳量影響礦區(qū)土壤碳損失量，并且礦區(qū)土壤碳損失量隨土壤深度增長(zhǎng)而減少。0～30 cm表土層是土層碳損失量的主要集中的土層，占土層總碳損失量的64.2%。

3)礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳損失量主要為喬木層和土壤層，二者之和占礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的96.6%，灌木層、草本層和凋落物層的碳損失量總和只占整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的3.4%。研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳貯存能力，多年開(kāi)采的礦區(qū)具有較高的碳損失量，應(yīng)參照研究區(qū)樣地森林植被類(lèi)型對(duì)礦區(qū)采取植被恢復(fù)技術(shù)，提高礦區(qū)植被層碳儲(chǔ)備量和土壤質(zhì)量。