不同退化程度赤桉人工林土壤生态功能变化对比1)

雷晨雨

( 永州市林业科学研究所，永州，425045)

王猛 田瑞杰

( 西南林业大学)

冯德枫张春华孙永玉

( 中国林业科学研究院高原林业研究所)

森林土壤是森林生态系统物质循环与能量流动的重要场所，土壤生态功能的发挥直接关乎地表植被的生存和生长[1]。干热河谷地区土壤侵蚀严重，土层瘠薄，生态环境脆弱，对外界干扰敏感性强且自我恢复能力差，是我国西南地区典型的生态脆弱区[2]。人工植被恢复被认为是提高土壤生态功能的有效手段[3]，自20世纪60年代开始，元谋干热河谷地区进行了大规模、大时间跨度的造林活动[4]，唐国勇等[5]研究证明在元谋干热河谷地区营造新银合欢和大叶相思人工林22 a后，土壤的全量养分及速效养分均有显著提升，但由于造林地树种单一，后期管理不当，造林区放牧、采药等人为活动频繁，使得人工林林下植被和凋落物状况发生变化，出现不同程度的地表裸露以及物种单一化趋势，林地退化现象非常明显，这也导致当地土壤生态功能发生改变。

植被与土壤相互影响相互作用，土壤为植物个体、植物种群的生长乃至森林群落的稳定提供水分、热量、空气、肥力的支撑[6]，植被在退化过程中，覆盖度、枯落物以及根系活动的改变导致土壤性质发生变化，这又反过来影响植被的退化进程[7]。过去对于干热河谷地区退化人工林的研究主要集中于退化现象的描述和生态系统光合碳分配特征[8-9]，对于土壤持水能力及碳汇能力的研究报道较少，因此，本研究对比分析不同退化梯度上的人工赤桉林土壤持水、养分供给、碳汇三方面土壤性质的变化，揭示干热河谷人工林退化与土壤生态功能的变化关系，以期为干热河谷现存人工林管护及后续人工林营造提供一定的理论依据，这对于西南生态脆弱区的保护也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样地调查与样品采集

2020年8月中旬，在云南省楚雄州元谋县马头山地区，选取坡向和坡度等基本条件一致的赤桉人工林作为研究对象，参照纪中华等[10]对干热河谷坡地退化划分标准以及结合实地情况，依照地表植被盖度将其划分为轻度退化(植被盖度90%)、中度退化(植被盖度60%)、重度退化(植被盖度30%)3种人工林类型(表1)，并选取附近原生灌草样地作为对照。每类样地共设置3个20 m×20 m的样方，在每个样方内随机设置3个1 m×1 m的小样方，对每个小样方草本层物种数、盖度和优势种平均高度进行调查(表1)，随后在每个小样方内用内径5 cm的土钻分别采集土壤深度0

草本层Rickness指数及Coverage指数计算参考孙映通等[11]的方法。

物种丰富度Richness指数=S。

盖度Coverage指数=Ac/A。

式中:S为样方内草灌木物种的数目，Ac为草本灌木垂直投影面积，A为小样方面积。

表1 样地地表植被状况

1.2 土壤性质测定

碳密度及碳储量计算参照隆卫革等[15]的方法。计算公式为：

式中:i为土壤剖面分层层数;DSOCi为第i层土壤碳密度；Ci为第i层土壤有机碳质量分数；Di和Ei分别为第i层土壤密度(g/cm3)和土层厚度(cm)；SSOC为有机碳储量。

土壤密度及持水能力按照《土壤物理性质测定法》流程测定计算[16]，土壤孔隙度用土壤密度与土粒密度(2.65 g·cm-3)差计算[16]。

土壤总孔隙度=(1-土壤密度/土粒密度)×100%

Wt=10 000×Pt×h，

Wo=10 000×Po×h，

Wc=10 000×Pc×h。

式中：Wt为土壤最大持水量(t·hm-2)；Wc为土壤毛管持水量(t·hm-2)；Wo为土壤非毛管持水量(t·hm-2)；Pt为土壤总孔隙度(%)；Po为土壤非毛管孔隙度(%);Pc为土壤毛管孔隙度(%);h为取样土壤厚度(m)，h=0.3 m。

2 结果与分析

2.1 不同退化程度赤桉人工林土壤理化性质差异

结果显示(表2)，0

表2 不同退化程度及土层深度赤桉人工林土壤理化性质

土壤物理性质方面也随着林地的退化有一定的改变，土壤密度在不同土层表现出不同的变化趋势，土壤孔隙度对土壤水、肥、气、热和微生物活性等有着重要的调节作用[17]。土壤孔隙度分为毛管孔隙度和非毛管孔隙度，毛管孔隙贮存水分供树木根系吸收或土壤蒸散，非毛管孔隙为饱和土壤水分提供通道和蓄存空间[18]。0

表3 不同退化阶段土壤持水量差异 t·hm-2

2.2 不同退化程度赤桉人工林土壤有机碳储量及活性碳组分质量分数差异

活性碳质量分数作为土壤稳定性的评价指标，在一定程度上忽略了有机碳总量下降对活性碳质量分数可能造成的潜在影响，选择土壤活性碳分配比例为指标来指示土壤变化，具有更准确、更敏感的优点[19]。ROC分配比例可用于表征土壤SOC的稳定性[20]，也可以用于指示SOC活度，ROC分配比例越大，说明土壤SOC活度越高，被分解矿化的潜力越大[19]。DOC分配比例指示土壤SOC的溶解能力，反映SOC流失水平，与SOC的矿化量具有较好的正相关性[21]。POC分配比例反映了土壤中团聚体的稳定性，其比值越高，土壤团聚体越稳定。

表4 不同退化程度赤桉人工林土壤碳汇功能

在对不同退化程度间赤桉人工林土壤有机碳质量分数、有机碳储量、活性碳质量分数及分配比例进行比较后发现(表4、5、6)：土壤的SOC质量分数在各个土层中均表现为随退化程度加深而降低。除了POC表现出随退化程度加深而不断降低的趋势外，其余2种活性有机碳质量分数则没有随赤桉人工林的退化表现出规律性的变化。w(DOC)∶w(SOC)和w(ROC)∶w(SOC)的变化趋势较为一致，均表现出随退化的加重不断增大的趋势，而w(POC)∶w(SOC)则正好相反。

表5 不同退化程度赤桉人工林土壤ROC、POC、DOC质量分数

表6 不同退化程度赤桉人工林土壤3种活性碳分配比例

2.3 地表植被指数与土壤理化性质、碳组分相关性分析

相关性分析结果显示(表7和表8)，Richness指数和Coverage指数与土壤SOC、有机碳密度、全氮、POC、w(POC)∶w(SOC)、毛管孔隙度和毛管持水量呈显著正相关(P<0.05)，与w(DOC)∶w(SOC)、w(ROC)∶w(SOC)、土壤最大持水量、总孔隙度、非毛管持水量和非毛管孔隙度呈显著负相关(P<0.05)。Height指数与SOC质量分数、有机碳密度、POC、毛管孔隙度和毛管持水量呈显著正相关(P<0.05)，与DOC含w(DOC)∶w(SOC)、w(ROC)∶w(SOC)、非毛管持水量和非毛管孔隙度呈显著负相关关系(P<0.05)。

表7 土壤碳汇功能变量相关性分析

表8 土壤持水功能变量相关性分析

元谋干热河谷赤桉人工林土壤随着退化程度的加剧，其土壤有机碳质量分数、密度、储量、全氮和硝态氮、全磷及有效磷质量分数均呈下降趋势。各活性碳组分随着退化程度的改变含量未有表现出规律性变化，ROC和DOC分配比例随着退化程度的加剧呈升高的趋势,POC分配比例则表现出相反趋势，随着退化的加剧，土壤碳库稳定性也在下降。相关性分析结果表明土壤持水能力与土壤孔隙度有显著的相关关系，人工林退化使得土壤孔隙结构恶化，孔隙度下降，这导致土壤持水能力发生改变。整体来看，赤桉人工林随着退化的加剧，其土壤养分总量及植物可利用的有效部分下降，孔隙结构均呈恶化趋势，其碳汇功能也受到一定影响，整体土壤生态功能发生退化。

3 讨论

土壤是植物生存的基础，土壤养分状况会对植物个体、植物种群的生长乃至森林群落结构产生影响，而地表植被变化也会在一定程度上改变土壤的养分状况[22-23]。在本研究中，灌草地土壤全氮质量分数要显著高于退化赤桉人工林，随着人工林退化的加剧，各土层全氮质量分数都表现出减少的趋势，呈现这种规律可能是两个因素作用的结果：一方面可能是草本层植被对地表径流的削弱。降雨产生的地表径流会造成土壤氮元素的流失[24-25]，而高盖度草本群落能显著降低地表径流量[26]，这使得有着较高草本层盖度样地的氮流失量会较低；另一方面，土壤全氮主要来源于土壤有机质的分解和转化[27]，在本研究中，土壤SOC质量分数也随着人工林的退化而降低，同时SOC质量分数与全氮质量分数呈显著正相关关系(P<0.05)，这表明，人工林退化使得植被盖度和土壤有机质质量分数减少，导致土壤氮的流失量增大而输入量减少，所以土壤全氮质量分数呈现出随退化程度的加剧而减少的趋势。土壤全磷和有效磷质量分数均表现出随退化程度加剧而减少的趋势，但两者在同一土壤剖面的变化趋势并不一致，推测可能是由于放牧和土壤侵蚀的共同作用，改变了土壤磷的分布特征。

土壤密度是表征土壤质量的一个重要参数，有研究认为[27]，土壤密度大通常表明土壤存在着退化趋势,且密度值越大,土壤退化越为严重。在本研究中，不同退化阶段人工林表层土壤密度随着退化程度的加剧表现出先上升后下降的趋势，这与部分学者的研究结果有所不同[28-29]，但也有研究发现，土壤有机质的显著下降会导致土壤退化对土壤密度的影响在总体上呈相反趋势[30]，重度退化样地存在侵蚀沟和地表板结现象，土壤侵蚀会导致土壤密度随深度增加而增加[31]，这使得重度退化样地土壤密度相较于轻度退化样地较低。土壤孔隙表现和持水量随退化的加剧而下降可能是该地区存在的放牧活动所导致的，放牧会破坏土壤结构，降低植被盖度与根系量[32-33]，导致土壤持水能力的退化，土壤孔隙度和持水量与地上植被状况表现出显著相关关系也在一定程度上印证了这一观点。

随着放牧和其他人为活动的进行，人工林灌木草本层植被破坏，土壤生态功能发生改变，具体表现在土壤养分质量分数和土壤持水能力的下降，同时由于植被地上部分被牛羊啃食，使得地上部分的养分归还量减小，这进一步导致土壤理化性质的退化。用于表示地表植被状况的物种丰富度、盖度、植株高度3个指标都与土壤持水能力表现出显著相关关系，推测在干热河谷地区，地表植被退化可能是引起人工林土壤养分状况恶化的重要驱动因子。

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库，通过增加土壤碳库可有效减缓大气CO2浓度上升，这在调控全球碳循环过程中发挥着重要作用[34]。土地植被变化通常会改变土壤有机碳储量，进而影响土壤生态系统碳汇功能[35]。在本研究中，随着退化的加剧，干热河谷赤桉人工林土壤有机碳质量分数和有机碳储量均呈下降趋势[36-38]。植物的枝叶残体分解后形成的腐殖质经过淋溶等作用后，其中的含碳化合物进入土壤中被微生物释放到土壤中，成为土壤碳的主要来源[39]。有机碳质量分数和储量随退化程度的提高而减少，是因为草本层植被破坏所导致的，随着退化的加剧，地表植被盖度和高度都急剧下降，这使得植物生物量减少，植被根系和凋落物归还量随之降低[38]，土壤碳来源减少。

碳库稳定性也是评价土壤碳汇功能的重要指标[40]，土壤碳稳定性较高时，土壤SOC主要以不易氧化有机碳、芳香碳的形式被储存于大颗粒团聚体中，不容易被微生物分解利用，但在土壤稳定性较低时，各种活性碳组分成为土壤微生物主要的碳来源，这部分碳通过土壤呼吸作用进入大气中，将会促进温室效应[41]。在本研究中，DOC和ROC分配比例均随退化程度的升高而增大，这说明在退化程度较高的人工林中，土壤碳活性更高，更易被土壤中微生物利用，而POC分配比例则与前两者表现出相反趋势，意味着土壤中团聚体稳定性也在逐步下降，对土壤侵蚀抵抗能力减弱，这进一步说明元谋地区赤桉人工林土壤碳库稳定性随着退化程度的加剧而下降。同时相关性分析结果显示土壤碳库稳定性指标与表示地表植被状况的草本物种丰富度、草本层盖度、草本层优势种平均高3个指数表现出显著相关关系，推测在干热河谷地区，地表植被可能是引起人工林土壤碳汇功能下降的重要驱动因子。

4 结论

在元谋干热河谷地区赤桉人工林随着地表植被状况的不断恶化，土壤碳汇、养分供给、水分固持等生态功能发生退化，主要体现在养分总量和有效养分含量的下降，土壤最大持水量下降和孔隙度结构改变，以及土壤碳储量的减少，土壤碳库稳定性减弱，而地表植被破坏可能是引起人工林植被退化的主要因子之一，故元谋干热河谷现存人工林的管护，对于放牧、劈柴等对地上植被造成破坏的人为活动管控是重中之重。