生态恢复对红壤侵蚀地土壤有机碳组成及稳定性的影响

江淼华, 吕茂奎, 林伟盛, 谢锦升,*,杨玉盛

1 闽江学院海洋学院地理科学系, 福州 350108 2 福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007

在全球气候变化背景下，如何恢复退化土壤的固碳能力是当代生态学和土壤学最关注的焦点问题和优先领域之一。通过造林、改善农林业的管理是增加退化土壤碳固定和减缓大气CO2浓度增加的重要方法[1]，具有成本低、潜力大和可持续性等优点。我国土壤退化严重，如何增加退化土壤的碳汇已成为我国亟待解决的重大战略性科学问题[2]。南方红壤区是仅次于黄土高原的第二大侵蚀退化区，特别是花岗岩发育的红壤大面积严重退化，碳密度低，固碳潜力大[2- 3]，因此增加侵蚀退化红壤的固碳能力对我国气候变化国际谈判具有重要意义。生态恢复的主要目标是恢复植被与土壤肥力，已有的研究大多关注红壤侵蚀地生态恢复对生物多样性、水土保持功能、土壤养分以及小气候的影响[3]。土壤有机碳是表征土壤肥力的重要指标，近年来土壤有机碳稳定性的研究倍受关注[4- 5]。福建省长汀县是南方典型的红壤侵蚀区，自20世纪80年代至今，水土保持得到了当地政府的持续重视，该区先后对此类退化系统生态进行了大量的恢复与重建工作，“红色沙漠”已变成满山翠绿，极大地改善了当地生态环境[2]。生态环境改善后，准确评价生态恢复对侵蚀红壤区土壤有机碳，尤其是土壤团聚体稳定过程中土壤中不同有机碳组分的动态变化，对于今后生态恢复工作具有重要的指导意义。

土壤有机质(SOM)是由不同分解阶段和不同周转速率的有机物组成。目前，多数研究采用物理分组法(如振荡分散或重液悬浮)分离出分布在团聚体间和团聚体内的有机质，用来解释不同SOM库与土壤结构之间的关系[6]，或解释土壤有机质稳定性和分解过程[7- 9]。按照粒径大小可将SOM分为颗粒态有机质(Particulate Organic Matter, POM, >53 μm)和矿质结合态有机质(Mineral-associated Organic Matter, MOM, <53 μm)[6]。其中，颗粒态有机碳(POC)通常由新近的未分解或半分解的动植物残体组成，其介于土壤“活性库”与“惰性库”之间有机质的“慢库”，对环境条件变化敏感[10]，而矿质结合态有机碳(MOC)是与粘粒和粉粒结合的那部分碳，其周转慢且稳定[10- 11]。通常利用POC/MOC值来反映土壤有机碳的质量和稳定程度[12- 14]。因此，本研究应用土壤有机碳物理分组方法，结合时空代换法，探讨红壤侵蚀地植被恢复过程马尾松林表层土壤不同组分有机碳含量及其分配比例的变化，揭示红壤侵蚀地马尾松恢复过程中土壤固碳机制的演变过程及长期有效性，以期为今后侵蚀地生态恢复工作提供科学依据。

1 试验地概况

长汀县河田镇地处福建西南部汀江上游，l16°18′—116°31′E，25°33′—25°48′N，海拔300—500 m，属中亚热带季风气候区，年均降雨量、蒸发量分别为1700 mm和1403 mm；年平均气温17.5—19.2℃，平均无霜期为260 d，平均日照时数为1924.6 h，≥10℃积温为4100—4650℃。该镇属长汀县最大的河谷盆地，四周被低山高丘所环抱，中部开阔；土壤主要为燕山运动早期形成的中粗粒花岗岩发育的红壤，可蚀性较高，原有地带性植被(常绿阔叶林)基本破坏殆尽，现有植被主要以马尾松(Pinusmassoniana)次生林和人工林为主。花岗岩风化壳深厚(一般深度为10 m，有的可厚达百米)，降雨侵蚀力高，加之植被的大面积破坏使得河田镇成为全国水土流失最严重的地区之一，许多地方的表层土壤已被剥蚀殆尽，后期的植被恢复极为困难。

本研究选取的不同恢复年限样地土壤母岩一致，成土条件相同，地形条件及地表生态过程相似，所选样地治理前土壤侵蚀状况以及土壤有机质含量与侵蚀裸地(CT1)基本一致。因此，不同恢复年限马尾松林土壤有机质的差异主要由植被恢复和治理措施引起的植物生长条件差异及土壤生态过程差异造成。试验地基本概况见表1。

表1 试验地概况

2 研究方法

2.1 土样采集

于2011年7月在每个试验地设立3个20 m×20 m的标准地，分别进行本底和生物量调查。在每个标准地上用内径为5 cm的土钻按照S形随机、等量、多点混合的原则取样，取8—10个点，使每个样地有3组0—10 cm和10—20 cm土层混合土样。

2.2 土壤有机C含量测定

土壤有机C含量采用浓硫酸-重铬酸钾高温外加热氧化法，土壤全氮采用全自动凯氏定氮法，不同粒径土壤有机碳氮采用碳氮元素分析仪(Vario Max CNS，德国)测定。

2.3 物理分组

具体测定方法参照Carter等[15]：称取经过2 mm筛的风干土样20 g，放在250 mL的塑料瓶中，加入100 mL浓度为5 g/L的六偏磷酸钠((NaPO3)6)溶液，用往复震荡器震荡2 h(90 r/min)。把分散液和土壤全部置于53 μm和250 μm套筛上，用细水流冲洗样品至沥滤液澄清(即不含细土颗粒为止)，转移筛上土壤至预先称重的烧杯中，在60℃下过夜烘干称量，根据筛网孔径大小分为粗颗粒态有机碳(coarse POC, cPOC, >250 μm)和细颗粒态有机碳(fine POC, fPOC, 53—250 μm)，筛下土壤为矿质结合态有机碳(MOC, <53 μm)。根据各部分的重量计算出各组分占整个土壤样品质量的比例，通过分析烘干样品中有机碳含量，计算不同粒径土壤有机碳数量。

2.4 数据处理

文中各组分有机碳含量的净增加量为不同恢复年限下各组分含量减去相应对照(CT1)的差值。所有数据处理和统计分析在Excel 2007和SPSS 17.0软件下进行，方差分析采用LSD法，用Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系，显著性水平设为α=0.05，用Excel 2007软件作图。

图1 植被恢复过程中土壤有机碳含量的变化 Fig.1 The change of soil organic carbon content during the ecological restoration图中CT1表示恢复前对照(侵蚀裸地)，CT2表示恢复后对照(次生林)，同一土层不同小写字母表示样地间差异显著(P<0.05)，图中数据为平均值±标准差(n=3)

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳含量的变化

图1表明，植被恢复过程中侵蚀地表层(0—20 cm)土壤有机碳含量显著增加，其中以0—10 cm土层增加更显著。在植被恢复10 a时，与对照(CT1)相比，0—10 cm土壤有机碳含量极显著增加(P<0.01)，比CT1增加了2.4倍，而10—20 cm土壤有机碳含量与CT1无显著差异；植被恢复30 a后，0—10 cm土壤有机碳含量极显著高于CT1以及恢复10 a的治理措施样地；而10—20 cm土层土壤有机碳含量极显著高于CT1，但与恢复10 a的治理措施样地无显著差异。这说明植被恢复优先影响0—10 cm土层，随着治理年限的增加，才逐渐促进下层土壤有机碳的积累。植被恢复到30 a后，土壤有机碳含量仍显著低于恢复后的对照(CT2)，说明侵蚀地仍有较大的固碳潜力。

3.2 土壤颗粒态机碳含量的变化

植被恢复过程中，土壤粗颗粒态有机碳(cPOC)和细颗粒态有机碳(fPOC)含量均递增趋势，不同土层两个粒径POC含量差异显著(图2)。植被恢复10 a时，0—10 cm土层土壤有机碳主要以fPOC的形式积累，两个土层cPOC含量并未显著增加。与植被恢复10 a相比，恢复至30 a后，0—10 cm土层土壤cPOC含量的增加量明显高于fPOC组分，也极显著高于植被恢复10 a时该组分的有机碳含量(P<0.01) (图3)；然而，10—20 cm土层fPOC含量仍显著高于10 a的治理样地，同时土壤cPOC含量仍没有得到显著提高，说明植被恢复过程中土壤有机碳优先在fPOC中积累，而且对亚表层土壤cPOC组分的影响仍需要更长的植被恢复过程。

图2 植被恢复过程中土壤不同组分的有机碳含量Fig.2 The soil organic carbon content of different size fraction during the ecological restoration图中CT1表示恢复前对照(侵蚀裸地)，CT2表示恢复后对照(次生林); cPOC, 粗颗粒态有机碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 细颗粒态有机碳 fine particulate organic carbon; MOC, 矿质结合有机碳mineral associated organic carbon; 同一组分不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，图中数据为平均值±标准差(n=3)

土壤POC(cPOC+fPOC)作为土壤有机碳的活性碳组分，其占土壤有机碳的比例在一定程度上能够指示土壤有机碳的稳定性。由表2可以看出，植被恢复10 a，0—10 cm和10—20 cm土层POC/SOC分别为64.1%和46.7%；植被恢复至30 a后，两个土层POC/SOC相对减小，且逐渐接近于CT2。此外，cPOC/SOC明显小于fPOC/SOC，随着恢复年限增加，cPOC/SOC逐渐增加。

图3 植被恢复过程中土壤不同组分有机碳含量的净增加量Fig.3 The net increase of different size soil organic carbon content during the ecological restorationcPOC, 粗颗粒态有机碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 细颗粒态有机碳 fine particulate organic carbon; MOC, 矿质结合有机碳mineral associated organic carbon; *表示与对照间差异显著(P<0.05)，**表示与对照间极显著差异(P<0.01)，图中数据为平均值±标准差(n=3)

3.3 矿质结合态有机碳含量的变化

植被恢复过程中矿质结合态有机碳(MOC)也呈递增趋势(图2)。通过10年的恢复时期并未显著增加土壤MOC含量，直到30 a时，与CT1相比0—10 cm和10—20 cm土壤MOC含量的积累量均达到显著或极显著水平(P<0.05或P<0.01)(图3)，分别增加了6.45 g/kg和2.91 g/kg。

由表1可知，长期受到土壤侵蚀影响的CT1土壤MOC含量占总有机碳比例的65.7%以上。通过植被恢复措施的治理，MOC/SOC逐渐减小，这是颗粒态有机碳含量优先增加所引起。植被恢复10 a倾向于增加fPOC含量，在短期内难以快速提高土壤MOC含量，因为这部分是土壤的惰性碳库。

表2 植被恢复过程中各土层土壤不同组分有机碳分配比例

表中CT1表示恢复前对照(侵蚀裸地)，CT2表示恢复后对照(次生林); cPOC, 粗颗粒态有机碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 细颗粒态有机碳 fine particulate organic carbon; MOC, 矿质结合有机碳mineral associated organic carbon

3.4 POC/MOC比值的变化

一般而言，POC/MOC比值越大，土壤有机质越不稳定。由图4表明，植被恢复过程中POC/MOC比值呈先升高后降低趋势，与CT1相比，植被恢复10 a和30 a，土壤POC/MOC比值均达到显著水平(P<0.05)，说明植被恢复初期土壤有机质稳定性相对较低。不同样地表层土壤POC/MOC比值均显著高于亚表层(P<0.05)，且10—20 cm土层POC/MOC比值均小于1，说明亚表层土壤有机质稳定性高于表层，同时土壤MOC构成了亚表层土壤碳库的主要部分。

3.5 不同土壤有机碳组分与总有机碳含量的相关性

相关分析表明，红壤侵蚀地植被恢复10 a，土壤cPOC和MOC与SOC相关性均不显著，而fPOC与SOC极显著相关(表3)，植被恢复30 a后，土壤POC和MOC与SOC均达到极显著相关，说明植被恢复初期(0—10 a)，主要以fPOC形式积累，随后fPOC逐渐向MOC和cPOC转化。

图4 植被恢复过程中土壤POC/MOC比值的变化 Fig.4 The change of the POC/MOC ratios during the ecological restoration图中CT1表示恢复前对照(侵蚀裸地)，CT2表示恢复后对照(次生林);同一土层不同小写字母表示样地间差异显著(P<0.05)，同一样地不同大写字母表示差异显著(P<0.05)，图中数据为平均值±标准差(n=3)

表3植被恢复过程中不同土壤有机碳组分与总有机碳含量的相关性

Table3Therelationshipbetweenthedifferentfractioncontentandtotalcontentofsoilorganiccarbonduringecologicalrestoration

颗粒有机碳Particulate organic carbon试验地SiterPcPOCCT10.0880.86910 a0.6630.15230 a0.994**0.001CT20.972**0.000fPOCCT10.986**0.00010 a0.945**0.00430 a0.961**0.002CT20.959**0.002MOCCT10.977**0.00110 a0.7710.07330 a0.948**0.004CT20.935**0.006

表中CT1表示恢复前对照(侵蚀裸地)，CT2表示恢复后对照(次生林); cPOC, 粗颗粒态有机碳coarse particulate organic carbon; fPOC, 细颗粒态有机碳 fine particulate organic carbon; MOC, 矿质结合有机碳mineral associated organic carbon

4 讨论

4.1 植被恢复过程中土壤有机碳的分配模式

侵蚀退化地采取生态恢复措施后，显著增加了土壤碳吸存[16]。植被恢复过程中，林地植被覆盖度明显增加，马尾松的生长也得到促进(表1)，一方面直接减少了土壤有机碳的流失，另一方面则通过凋落物及死亡的根系的养分归还，增加了土壤有机物质的输入量，进而显著增加了土壤有机碳含量及储量[2,17]。因此，随着植被恢复年限的增加，土壤有机碳含量呈上升趋势。

依据土壤有机碳在土壤中的存在状态，土壤有机碳分为颗粒有机碳和矿质结合态有机碳。植被恢复过程中，土壤有机碳含量显著提高，土壤中不同组分的有机碳含量也相应增加。侵蚀地植被恢复后，林地覆盖度增加，土壤有机质输入增加。有机碳在土壤不同组分中积累，从而促使土壤有机碳含量增加。Guggenberger等[18]指出在合理的土地利用系统中土壤有机质增长主要表现在颗粒态有机质的变化上。土壤POC主要来源于新鲜植物残体的输入，在植被恢复初期，由于治理措施(如，施肥、整地等)促进了马尾松和林下植被的快速生长[19]，林地植被覆盖显著提高，建立了凋落物和细根的物质循环途径，凋落物归还量显著提高。此外，由于细颗粒有机碳优先富集[20]，因此，土壤fPOC含量显著增加，该组分占总有机碳的50.5%，这与相关研究相似，即土壤POC含量占总碳10%以上，而且可高达30%—85%[21- 22]。另外，根据 SOC的饱和理论，有机碳首先在细颗粒中累积，当粘粒含量相对较低、有机质来源丰富、与粘粒结合的有机质量达到饱和时，有机质开始转向粗颗粒中累积[20]，因此植被恢复10 a并未显著增加土壤cPOC含量，恢复至30 a后，与恢复10 a相比，土壤fPOC含量没有显著变化，而土壤cPOC和MOC均显著增加。通过对10—20 cm土层cPOC和MOC含量的研究发现，尽管植被恢复30 a之久，土壤cPOC含量仍未显著增加，而土壤MOC含量增加量已达到显著水平，这也进一步证实了SOC的饱和理论[20]。通过相关分析发现，植被恢复10 a，土壤cPOC和MOC与SOC相关性均不显著，而fPOC与SOC极显著相关(表3)，植被恢复30 a后，土壤POC和MOC与SOC均达到极显著相关，这充分反应了植被恢复过程土壤有机碳在土壤中积累特征，即植被恢复初期(0—10 a)，主要以fPOC形式积累，随后fPOC逐渐向MOC和cPOC转化，且fPOC含量处于相对稳定的水平，最终不同组分有机碳的碳分配模式逐渐趋近于CT2。

4.2 植被恢复过程中土壤有机碳的稳定性

POC表征土壤中易被利用的活性有机碳，而MOC表征了土壤中相对稳定且周转期长的有机碳， 因此POC/MOC比值在一定程度上反映了土壤有机质的稳定性[12]。一般而言，POC/MOC比值越大，土壤有机质活性较高，易受土壤侵蚀和矿化等影响。本研究中，植被恢复过程中POC/MOC值呈先升高后趋近于CT2的趋势，唐光木等[23]研究了新疆绿洲农田不同开垦年限土壤POC/MOC值同样也呈现先升高后降低的趋势。这是因为植被恢复初期(0—10 a)施肥[24]、整地等治理措施使得土壤物理、化学和微生物学特性得到显著改善，植被快速生长，动植物残体和腐殖化物质显著增加，土壤POC含量显著提高，使得POC/MOC值增大。经过30 a的恢复期后，土壤POC/MOC值相对降低，趋近于相对稳定的生态系统CT2，因为长期生态恢复后土壤生物、化学、物理特性相对稳定，有机物的输入和输出之间达到相对平衡，非保护性颗粒态有机碳逐渐向稳定性矿质结合态有机碳转化，因此，POC/MOC值呈现下降的趋势，土壤有机碳较稳定，不易被生物所利用。而且亚热带马尾松林土壤有机碳稳定性是最接近常绿阔叶林[25]，甚至比阔叶人工林土壤稳定性高[26]，说明在红壤侵蚀地上建植马尾松林对增加退化土壤碳固定和减缓大气CO2浓度增加具有重要意义。

5 结论

侵蚀退化地生态恢复显著提高了土壤有机碳及不同组分有机碳含量。生态恢复10 a，土壤有机碳主要以fPOC形式积累，但稳定性较差；随着生态恢复年限增加，表层土壤fPOC含量相对不变，cPOC和MOC含量均显著增加，说明生态恢复过程中土壤固碳模式符合SOC饱和理论。生态恢复过程中土壤POC/MOC比值呈先升高后降低的趋势，说明随着生态恢复时间的增加，土壤有机碳稳定性逐渐提高。因此，生态恢复对于侵蚀地碳固定的长期有效性具有重要意义。