全 文 ：红壤侵蚀地马尾松人工林恢复过程中土壤
非保护性有机碳的变化*
吕茂奎1,2 摇 谢锦升1,2** 摇 周艳翔1,2 摇 曾宏达1,2 摇 江 摇 军1,2 摇 陈细香1,2 摇 胥 摇 超1,2
陈摇 坦1,2 摇 付林池1,2
( 1湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007; 2福建师范大学地理科学学院, 福州 350007)
摘摇 要摇 选择红壤侵蚀区本底条件相似而恢复年限不同的马尾松林为对象,以侵蚀裸地和次
生林为对照,结合时空代换法对侵蚀地植被恢复过程中表层土壤非保护性有机碳(轻组有机
碳和颗粒有机碳)含量、分配比例及其向保护性有机碳转化过程进行研究.结果表明:在植被
恢复过程中(0 ~ 30 年)土壤有机碳含量及其储量随恢复年限极显著增加. 植被恢复 7 ~ 11
年,土壤非保护性有机碳含量显著增加,其分配比例也明显升高,而恢复至 27 年和 30 年后分
配比例保持在较稳定水平,说明植被恢复初始过程主要以非保护性有机碳的形式积累,而长
期恢复后土壤有机碳呈相对稳定状态;0 ~ 10 cm和 10 ~ 20 cm土壤非保护性有机碳向保护性
有机碳的转化速率常数(k)与恢复年限分别呈极显著相关和显著相关,说明植被恢复过程中
土壤非保护性有机碳逐渐向保护性有机碳转化.
关键词摇 退化红壤摇 轻组有机碳摇 颗粒有机碳摇 植被恢复过程摇 碳转化速率常数摇 马尾松林
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0037-08摇 中图分类号摇 S163. 621; X171. 4摇 文献标识码摇 A
Dynamics of unprotected soil organic carbon with the restoration process of Pinus massoni鄄
ana plantation in red soil erosion area. L譈 Mao鄄kui1,2, XIE Jin鄄sheng1,2, ZHOU Yan鄄xiang1,2,
ZENG Hong鄄da1,2, JIANG Jun1,2, CHEN Xi鄄xiang1,2, XU Chao1,2, CHEN Tan1,2, FU Lin鄄chi1,2
( 1 Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou
350007, China; 2School of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 37-44.
Abstract: By the method of spatiotemporal substitution and taking the bare land and secondary for鄄
est as the control, we measured light fraction and particulate organic carbon in the topsoil under the
Pinus massoniana woodlands of different ages with similar management histories in a red soil erosion
area, to determine their dynamics and evaluate the conversion processes from unprotected to protec鄄
ted organic carbon. The results showed that the content and storage of soil organic carbon increased
significantly along with ages in the process of vegetation restoration (P<0. 01). The unprotected
soil organic carbon content and distribution proportion to the total soil organic carbon increased sig鄄
nificantly (P<0. 05) after 7-11 years爷 restoration but stabilized after 27 and 30 years of restora鄄
tion. It suggested that soil organic carbon mostly accumulated in the form of unprotected soil organic
carbon during the initial restoration period, and reached a stable level after long鄄term vegetation res鄄
toration. Positive correlations were found between restoration years and the rate constant for C trans鄄
ferring from the unprotected to the protected soil pool (k) in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers,
which demonstrated that the unprotected soil organic carbon gradually transferred to the protected
soil organic carbon in the process of vegetation restoration.
Key words: degraded red soil; light fraction organic carbon; particulate organic carbon; process of
vegetation restoration; rate constant for C transfer (k); Pinus massoniana plantation.
*“十二五冶国家基础研究发展计划项目(2012CB722203)、高等学校博士学科点科研基金专项(20113503130001)和福建省自然科学基金项目
(2010J01138)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jshxie@ 163. com
2013鄄03鄄26 收稿,2013鄄10鄄31 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 37-44
摇 摇 在全球气候变化背景下,如何恢复退化土壤的
固碳能力是当今生态学和土壤学关注的焦点问题和
优先研究领域之一. 造林和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. 目
前我国土壤退化严重,增加退化土壤的碳汇已成为
我国亟待解决的重大问题. 我国南方红壤区是仅次
于黄土高原的第二大侵蚀退化区,尤其是花岗岩发
育的红壤大面积严重退化,碳密度低,固碳潜力
大[2],增加侵蚀退化红壤的固碳能力对于我国气候
变化国际谈判具有重要意义.
福建省长汀县是我国南方典型的红壤侵蚀区.
20 世纪 80 年代至今,在当地政府的重视下,该区先
后对该退化生态系统进行了大量的恢复与重建工
作,昔日的“红色沙漠冶如今已是满山翠绿,极大地
改善了当地的生态环境[2] . 但是,有关植被恢复过
程中土壤有机碳动态变化以及土壤有机碳固定的长
期有效性等问题尚不清楚.因此,研究生态恢复过程
中侵蚀地土壤有机碳库动态及调控过程对后续的生
态恢复与保护具有重要价值.
土壤有机碳( soil organic carbon, SOC)是表征
土壤质量和健康状况的重要指标[3] . 但是在侵蚀地
植被恢复过程中,土壤总有机碳积累的短期变化并
不能指示生态恢复对土壤碳动态的影响.因此,识别
更敏感的活性有机碳组分有助于阐明土壤有机碳的
动态.土壤非保护性有机碳(unprotected SOC)是活
性有机碳的一部分,由新近凋落的、部分分解的、与
土壤矿质结合不紧的植物残体组成,主要包括轻组
有机碳( light fraction organic carbon, LFOC)和颗粒
有机碳(particulate organic carbon, POC) [4] . 非保护
性有机碳对土地利用或植被覆盖变化的响应非常敏
感,可以作为土壤有机碳库变化的灵敏指标[5-8] .鉴
于此,本研究应用土壤有机碳物理分组方法,结合时
空代换法,探讨红壤侵蚀地不同恢复年限马尾松人
工林表层土壤的轻组有机碳和颗粒有机碳含量及其
分配比例的变化,以及土壤碳库的演变过程,以期为
今后侵蚀地的生态恢复及重建提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 试验地概况
长汀县河田镇地处福建省西南部、汀江上游
(25毅 33忆—25毅 48忆 N, l16毅 18忆—116毅 31忆 E),海拔
300 ~ 500 m.该地区属中亚热带季风气候,年均气温
17. 5 ~ 19. 2 益,年均降雨量 1700 mm,年均蒸发量
1403 mm, 年均无霜期 260 d, 年均日照时数
1924郾 6 h,逸10 益积温 4100 ~ 4650 益 . 该地区地形
为开阔的河谷盆地,四周被低山高丘所环抱;土壤主
要为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,现有植被以
马尾松(Pinus massoniana)次生林和人工林为主.花
岗岩风化壳深厚,一般为 10 m,最深处达百米,降雨
侵蚀严重,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,后期植被恢复极为困难.
本研究选取土壤母岩和成土条件相同、地形及
地表生态过程相似的 6 个不同恢复年限的试验样
地,其中 7 a 与 8 a、10 a 与 11 a 治理样地分别作为
治理 7 a 和 10 a 的重复.以侵蚀裸地(CK1)和次生
林(CK2)为恢复前、后的对照.样地治理前的土壤侵
蚀状况以及土壤有机质含量与侵蚀裸地基本一致.
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及土
壤生态过程的差异造成.试验地类型及基本概况为:
1)侵蚀裸地(CK1 ):海拔 315 m,坡度为 12毅,坡向
NE35毅.土壤侵蚀度一般达强度以上,表层土壤流失
殆尽,B层出露,表层土壤(0 ~ 20 cm)有机质含量为
1. 4 ~ 2. 5 g·kg-1;地表植被以稀疏的马尾松小老头
树(平均胸径 4. 3 ~ 6. 6 cm,平均树高 3郾 1 ~ 4. 6 m)
以及少量芒萁 (Dicranopteris dichotoma)和野古草
(Arundinclla setosa)为主;2)伯湖和乌石岽:海拔分
别为 318 和 378 m,坡度 18毅和 22毅,坡向 ES30毅和
SW20毅,分别于 2003 和 2004 年开始治理,通过 7 ~ 8
年的封禁治理,林下植被覆盖度接近 100% ,马尾松
平均胸径和树高分别为 8. 2 cm和 7. 3 m;3)石官凹
和游坊:海拔分别为 314 和 328 m,坡度 15毅和 21毅,
坡向 SW20毅和 ES25毅,分别于 2000 和 2001 年对原
有低效马尾松林进行小水平沟整地,补植胡枝子
(Lespedeza bicolor),后期封禁管护. 经过 10 ~ 11 年
的封禁治理,林下植被盖度分别达到 85%和 70%以
上,马尾松平均胸径分别为 10. 4 和 7. 5 cm,树高分
别为 7. 5 和 5. 9 m;4)水东坊:海拔 310 m,坡度 18毅,
坡向 NE50毅,于 1984 年对其水平沟整地,补植黑荆,
林下套种胡枝子,并进行封禁管护,林下植被覆盖度
97% ,马尾松平均胸径和树高分别为 16. 9 cm 和
14. 3 m;5)八十里河:海拔 310 m,坡度 18毅,坡向
NE50毅,于 1981 年对其进行小水平沟整地,保留原
有的马尾松等乔木,并在马尾松林下套种胡枝子、紫
穗槐(Amorpha fruticosa).经过 30 年的人工恢复,林
83 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
下植被覆盖度 97% ,马尾松平均胸径和树高分别为
16. 9 cm和 14. 3 m;6)次生林(CK2):海拔 321 m,坡
度 10毅,坡向 WN10毅,主要树种为马尾松、木荷(Schi鄄
ma superba)针阔混交林,林龄约 70 ~ 110 年(异林
龄),林下植被覆盖度 95%以上,马尾松平均胸径和
树高分别为 47. 5 cm和 19. 0 m.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 土样采集摇 2011 年 7 月在每块试验地设 3 个
20 m伊20 m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 5 cm 土钻按“ S冶型随机、等
量、多点混合取样,取 8 ~ 10 个点,每个样地取 3 组
0 ~ 10 和 10 ~ 20 cm 土层混合土样,带回室内,过
2 mm筛、风干后备用.土壤容重用环刀法测定.
1郾 2郾 2 土壤有机碳含量测定 摇 SOC 含量采用浓硫
酸鄄重铬酸钾高温外加热氧化法测定,土壤全氮采用
全自动凯氏定氮法测定,轻组和颗粒有机碳氮采用
碳氮元素分析仪 ( Elementar VarioEL III,德国)测
定,SOC储量采用土壤容重和有机碳含量推算[9] .
1郾 2郾 3 轻组有机碳的分离及分配比例摇 参照 Janzen
等[10]的分离方法,称取风干土样 10 g,放在 100 mL
离心管中,加入 50 mL NaI(1. 7 g·cm-3)重液,震荡
30 min后离心,然后用真空管吸取悬浮部分,通过微
孔滤膜过滤,继续往离心管中加 20 ~ 30 mL NaI,重
复上述过程 2 ~ 3 次,直至没有可见的轻组物质,至
少用 75 mL 0. 01 mol·L-1 CaCl2冲洗以除去轻组中
NaI,另加 100 ~ 150 mL 去离子水冲洗轻组. 然后将
滤纸上的轻组洗到预先称量的器皿中,在 60 益下烘
干,称量,计算烘干样品占总土壤样品质量的比例,
再取出部分样品用于分析 SOC 含量.根据轻组质量
和有机碳含量,计算 LFOC 数量.以 LFOC 数量除以
SOC总量,得到 LFOC的分配比例[11] .
1郾 2郾 4 颗粒有机碳分离及分配比例摇 称取风干土样
20 g,放入 250 mL 塑料瓶中,加入 100 mL 浓度为
5 g·L-1的六偏磷酸钠 [( NaPO3 ) 6 ] 溶液,手摇
15 min,再用震荡器震荡 18 h (90 r·min-1). 将土
壤悬液过 53 滋m 筛,用蒸馏水反复冲洗后,所有留
在筛子上的物质在 60 益下烘干至恒量,计算该部分
占整个土壤样品质量的比例. 通过分析烘干样品中
SOC,结合 >53 滋m的颗粒质量计算 POC 数量. 以
POC数量除以 SOC总量得到 POC的分配比例[11] .
1郾 3摇 数据处理
土壤非保护性有机碳向保护性有机碳转化的速
率常数(k)用下式计算:
k=P / (TTpU)
式中:U为非保护性有机碳碳库(颗粒与轻组有机碳
的均值);P为保护性有机碳库(总有机碳与非保护
性有机碳的差值);TTp为保护性有机碳周转时间,
设为 100 年[11] .
所有数据处理和统计分析均在 Excel 2003 和
SPSS 17. 0 软件下进行,方差分析采用 LSD 法,采用
一元线性回归模型建立两个变量之间的相关关系,
显著性水平设定为 琢 = 0. 05. 用 Origin 7. 5 和 Excel
2003 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 植被恢复过程中土壤有机碳含量及其储量的
变化
由图 1 可以看出,马尾松人工林恢复过程中,侵
蚀地表层(0 ~ 20 cm) SOC 含量和储量总体呈非线
性增长,其中以 0 ~ 10 cm 土层的增长更显著.在植
被恢复 7 ~ 11 年时,与侵蚀裸地( CK1 )相比,0 ~
10 cm SOC含量及其储量均极显著增加,而 10 ~ 20
cm SOC含量及其储量差异不显著. 但在植被恢复
7 ~ 11年间,0 ~ 10 和 10 ~ 20 cm SOC 含量及其储量
随年限增加并无递增的趋势,且不同恢复年限之间
无显著差异,可能与不同恢复年限侵蚀地的治理措
图 1摇 植被恢复过程中土壤有机碳含量及储量
Fig. 1 摇 Storage and content of the soil organic carbon in the
process of vegetation restoration (mean依SD).
CK1: 侵蚀裸地 Erosive bare land; CK2:次生林 Secondary forest. 下同
The same below.不同小写字母表示同一土层不同恢复年限林地间的
差异显著(P<0. 05) Different letters in the same soil layer denoted sig鄄
nificant difference between the woodlands with different restoration years
at 0. 05 level.
931 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕茂奎等: 红壤侵蚀地马尾松人工林恢复过程中土壤非保护性有机碳的变化摇 摇 摇 摇 摇 摇
施不同以及试验地间的差异有关;在植被恢复 27 年
和 30 年后,0 ~ 10 cm SOC 含量及其储量均显著高
于 CK1及恢复 7 ~ 11 年的样地;而 10 ~ 20 cm 土层
SOC含量及其储量显著高于 CK1,但与恢复 7 ~ 11
年的样地无显著差异. 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,下层土壤 SOC
进一步积累.在植被恢复 30 年后,SOC 含量及其储
量仍显著低于恢复后的次生林(CK2),说明侵蚀地
仍有较大的固碳潜力.
2郾 2摇 植被恢复过程中土壤轻组有机碳及其分配的
变化
植被恢复过程中 LFOC并未随恢复年限呈线性
上升(图 2). 轻组含量变化幅度较大,尤其是恢复
7 ~ 11 年,0 ~ 10 和 10 ~ 20 cm 土层轻组含量从 CK1
(1. 2 ~ 2. 2 g·kg-1)增加到 3. 4 ~ 10. 6 g·kg-1(表
1),0 ~ 10 cm土层 LFOC含量也极显著增加,是 CK1
(0. 69 g·kg-1)的 4. 5 ~ 4. 7 倍;而 10 ~ 20 cm 土层
与 CK1无显著差异. 在植被恢复 27 和 30 年后,其
LFOC含量与 7 ~ 11 年无显著差异,但在这一阶段
LFOC含量随恢复年限呈上升趋势,且逐渐趋近于
CK2 .
植被恢复过程中,LFOC 占总有机碳的比例也
呈现不同程度的变化.总体上,恢复 7 ~ 11 年土壤轻
组有机碳的分配比例(LFOC / SOC)明显高于治理 27
年后 (图 2 ), 0 ~ 10 cm 土层 LFOC / SOC 从 CK1
(29郾 1% )增加到 36. 6% ~41. 9% ,且 0 ~ 10 和 10 ~
20 cm土层的变化趋势一致.当植被恢复 7 ~ 11 年,
LFOC很大程度上决定了土壤总有机碳含量,且以
0 ~ 10 cm最为明显,其决定了总有机碳的 25. 9% ~
49. 0% .植被恢复 27 和 30 年后 LFOC / SOC 逐渐保
持在一定范围内(17. 2% ~ 21郾 6% ),说明随着恢复
年限增加,土壤有机碳组分逐渐趋于稳定.
2郾 3摇 植被恢复过程中土壤颗粒有机碳及其分配的
变化
植被恢复过程中土壤 POC 与 LFOC 的变化趋
势相同(图 2),且 POC含量略高于 LFOC含量.在植
被恢复 7 ~ 10 年时,0 ~ 10 cm 土层颗粒物含量大幅
度增加,与 CK1(3. 7 g·kg-1)相比,增加了 4. 4 ~
8郾 3 倍,与恢复 27 和 30 年样地间无显著差异(表
1);然而,在整个植被恢复过程中,10 ~ 20 cm 土层
颗粒物含量的变化相对较小,不同恢复年限的样地
间均无显著差异.土壤 POC含量也呈相同的变化趋
势,恢复前 11 年土壤 POC 大量积累,从 0郾 22
g·kg-1增至 2. 99 g·kg-1;而恢复至 27 年后,POC
的积累速率相对减小. 在植被恢复 27 和 30 年后,
0 ~ 10和10 ~ 20 cm土层 POC含量均呈增加趋势,且
0 ~ 10 cm土层增加较显著,比 CK1 (0. 75 g·kg-1)
增加了 4. 8 倍以上.
植被恢复过程中,土壤 POC 分配比例( POC /
SOC )呈现不同程度的变化. 总体上,恢复7 ~ 11年
图 2摇 植被恢复过程中土壤轻组和颗粒有机碳含量及其占总有机碳的比例
Fig. 2摇 Contents of LFOC, POC and their proportions to total soil organic carbon in the process of vegetation restoration (mean依SD).
04 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 植被恢复过程中土壤轻组和颗粒有机质组分含量及其碳(C)含量
Table 1摇 Carbon contents of soil light matter and particulate organic matter in the process of the vegetation restoration
(g·kg-1)
组分
Fraction
土层
Soil
layer
(cm)
侵蚀裸地
Erosive bare land
(CK1)
OM C
恢复年限
Restoration years
7
OM C
10
OM C
27
OM C
30
OM C
次生林
Secondary forest
(CK2)
OM C
LFOM 0 ~ 10 2. 2 318. 3 9. 9 325. 5 10. 6 301. 9 7. 4 300. 2 11. 7 276. 6 14. 2 272. 7
10 ~ 20 1. 2 292. 7 3. 4 322. 0 3. 4 304. 0 1. 8 301. 5 3. 0 265. 7 7. 1 265. 6
POM 0 ~ 10 3. 7 200. 6 19. 4 169. 6 30. 6 135. 2 27. 2 133. 3 26. 4 185. 5 33. 0 203. 3
10 ~ 20 1. 4 160. 5 9. 1 130. 9 22. 1 125. 2 16. 5 95. 3 15. 2 106. 5 17. 0 133. 0
LFOM: 轻组有机质 Soil light fraction matter; POM:颗粒有机质 Particulate organic matter. OM: 有机物质 Organic matter.
表 2摇 土壤总有机碳和非保护性有机碳与恢复年限及其相互之间的相关方程
Table 2摇 Correlation equations between the total SOC, unprotect SOC and restoration years
土壤有机碳 SOC (g·kg-1)
0 ~ 10 cm 10 ~20 cm
轻组有机碳 LFOC (g·kg-1)
0 ~ 10 cm 10 ~20 cm
颗粒有机碳 POC (g·kg-1)
0 ~ 10 cm 10 ~20 cm
年 限
Year (a)
y=0. 463x+3. 340
( r=0. 972,P=0. 016)
y=0. 144x+1. 980
( r=0. 986,P=0. 005)
y=0. 018x+2. 277
( r=0. 670,P=0. 225)
y=0. 011x+0. 678
( r =0. 787,P=0. 075)
y=0. 041x+2. 377
( r=0. 929,P=0. 027)
y=0. 017x+0. 827
( r=0. 914,P=0. 038)
土壤有机碳
SOC (g·kg-1)
y=0. 116x+1. 499
( r=0. 791,P=0. 071)
y=0. 126x+0. 335
( r=0. 809,P=0. 056)
y=0. 210x+0. 946
( r=0. 993,P=0. 000)
y=0. 223x+0. 167
( r=0. 975,P=0. 004)
轻组有机碳
LFOC (g·kg-1)
y=0. 725x+0. 033
( r=0. 941,P=0. 002)
y=0. 415x+0. 104
( r=0. 861,P=0. 022)
图 3摇 土壤非保护性有机碳向保护性有机碳转化速率常数
(k)与植被恢复年限的相关关系
Fig. 3摇 Correlation between rate constant for C transfer from the
unprotected to the protected soil pool (k) and restoration years.
的变化幅度明显大于恢复 27 和 30 年后(图 2),且
两个土层变化趋势相似.植被恢复 7 ~ 11 年时,POC
占据土壤有机碳的主要部分,0 ~ 10 和 10 ~ 20 cm
土层分别占总有机碳的 38. 3%和 30. 7% ;随着植被
恢复年限的增加,POC / SOC逐渐降低,恢复至 27 和
30 年后,两个土层 POC / SOC 分别减少至 26. 7%和
29. 5% ,接近于 CK2(25. 3%和 23. 5% ). 这说明植
被恢复 27 和 30 年后,土壤 POC占 SOC的比例逐渐
趋于稳定.
2郾 4摇 恢复年限对土壤非保护性有机碳的影响
相关分析表明,土壤轻组与颗粒有机碳含量在
很大程度上取决于土壤总有机碳的含量(62. 6% ~
98. 7% )(表 2),且 0 ~ 10 cm土层 POC 含量与总有
机碳含量呈极显著线性相关,说明 LFOC 和 POC 占
据了总有机碳重要的部分;尤其是植被恢复 7 ~ 11
年,土壤总有机碳的 13. 2% ~ 41郾 9% 由非保护碳
构成.
两个土层有机碳含量与恢复年限呈显著或极显
著线性相关.土壤非保护性有机碳含量与恢复年限
之间呈线性相关(表 2).其中 POC 含量与恢复年限
之间达到显著相关水平. 随恢复年限的增加,0 ~
10 cm土层非保护性有机碳向保护性有机碳的转化
速率常数增加,而 10 ~ 20 cm 土层达到显著相关水
平(图 3).这说明随着植被恢复年限增加,土壤中非
保护性有机碳逐渐向保护性有机碳转化.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 植被恢复对土壤有机碳及非保护性有机碳的
影响
本研究中,随着植被恢复年限的增加,SOC含量
及其储量均呈增加趋势,且在植被恢复前 11 年,林
地 SOC含量及其储量发生不同程度的变化.这是因
为植被恢复过程中,林地植被覆盖度明显增加,促进
141 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吕茂奎等: 红壤侵蚀地马尾松人工林恢复过程中土壤非保护性有机碳的变化摇 摇 摇 摇 摇 摇
了马尾松生长. 这一方面直接减少了 SOC 的流失,
另一方面,通过凋落物及死亡根系的养分归还,增加
了土壤有机物质的输入量[2,12] . SOC 积累的最大速
率通常发生在土地利用方式或土地管理变化的初
期[13],因此,在植被恢复初期 SOC 含量的变化较
大.另外,生态恢复过程中土壤理化性质得到明显改
善,微生物随恢复年限的增加发生显著变化,经过
20 ~ 30 年处于基本稳定[14] . 每年大量的枯枝落叶
和营养元素等物质重新返回到生态系统中,且随着
植被恢复演替的进行,有机物质输入量逐渐增多,为
微生物提供了可利用的碳源、氮源,促进了微生物活
性及微生物生物量的升高;另一方面,微生物数量的
增加加速了枯落物及死细根的分解,促进养分归还,
从而显著提高了 SOC含量及其储量.
LFOC对植被类型、土地利用方式、施肥及经营
措施等非常敏感[15] . 本研究发现,植被恢复过程中
土壤 LFOC含量呈非线性增加趋势,可能与不同恢
复年限样地治理措施及施肥制度的差异有关. 其中
0 ~ 10 和 10 ~ 20 cm 土层 LFOC 含量变化范围分别
为 0. 69 ~ 3. 24 和 0. 35 ~ 1郾 13 g·kg-1,均逐渐接近
CK2,但相对低于川西典型植被类型(0. 84 ~ 10郾 85
g·kg-1) [16]、 暖 温 带 次 生 林 ( 0. 86 ~ 15郾 21
g·kg-1)、落叶松人工林(0. 54 ~ 14. 17 g·kg-1) [6]
和亚热带格氏栲天然林(<9 g·kg-1) [7] . 在植被恢
复初期,施肥、整地等治理措施促进了马尾松和林下
植被的快速生长[17],林地植被覆盖率明显提高,建
立了凋落物和细根的物质循环途径,为轻组有机质
提供了物质来源,因此土壤 LFOC 含量显著增加.此
外,轻组有机碳占总有机碳 29. 1% ~ 41. 9% ,接近
落叶松人工林(29. 3% ~ 32. 8% ) [6],但高于暖温带
次生林(19. 0% ~ 23. 1% ) [6]和川西典型植被类型
(4. 0% ~13. 4% ) [16] .植被恢复 27 年后 LFOC 分配
比例开始下降,且保持在 16. 9%左右,接近于 CK2
(16. 5% )和暖温带次生林(19. 0% ~ 23. 1% ) [6]的
水平.这可能是植被恢复到一定程度后,土壤中物质
来源与土壤微生物的分解保持在一个相对平稳的状
态;植被恢复过程中土壤和轻组有机质 C / N呈先增
加后降低的趋势(图 4),这反映了植被恢复过程中
土壤有机碳的分解程度[9,18],同时,在分解过程中常
发生 N的微生物固定[19],因此土壤中轻组有机碳的
积累速率明显高于总有机碳,引起植被恢复初期轻
组有机碳分配比例较高及 C / N比值升高.
摇 摇 植被恢复过程中土壤 POM 与 LFOM 含量及其
分配比例呈基本一致的趋势(图 2).土壤 POM含量
(0. 22 ~ 5. 83 g·kg-1)与山地常绿阔叶林和常绿落
叶阔叶混交林(1. 11 ~ 8. 96 g·kg-1) [16]、暖温带次
生林(0. 76 ~ 8. 8 g·kg-1)和落叶松人工林(0. 89 ~
10. 64 g·kg-1) [6]土壤颗粒有机碳含量相接近. 颗
粒有机碳占总有机碳的比例(17. 0% ~ 43. 7% )接
近于 Degryze 等[20] ( 17% ~ 38% )、 Jr Garten[21]
(9% ~27% )及 Conant 等[22] (13% ~ 31% )的研究
结果.颗粒有机碳对气候条件、农业耕作与管理方
式、土地利用类型变化及施肥等外界条件十分敏
感[23],而且土壤有机质短期内的变化与波动主要发
生在易氧化分解的那一部分[24-25],导致植被恢复初
期土壤颗粒含量波动也较大.
3郾 2摇 土壤非保护性有机碳与植被恢复年限的耦合
作用
植被恢复过程中,土壤非保护性有机碳的积累
速度明显高于土壤总有机碳,且土壤 LFOM 和 POM
与土壤总有机碳呈线性正相关关系. 土壤轻组和颗
粒有机碳尽管是由不同测定方法获得,但两者之间
呈显著线性相关关系(表 2),表明它们在一定程度
上能够指示土壤碳库及其稳定性的变化[6-8,26] . 因
图 4摇 植被恢复过程中土壤、轻组和颗粒有机质 C / N的变化
Fig. 4摇 Changes of the C / N ratio of LFOM, POM and SOM in the process of vegetation restoration (mean依SD).
24 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
此,土壤非保护性有机碳可以反映植被恢复过程土
壤有机碳的变化.
植被恢复过程中土壤非保护性有机碳占总有机
碳的比例先增加后趋于平缓,在恢复 27 年后土壤非
保护性有机碳逐渐接近于 CK2,说明土壤有机碳的
输入与微生物分解过程逐渐达到相对平衡状态,植
被恢复过程中土壤、轻组和颗粒有机质 C / N的变化
(图 4)也可以证实这一点.因为高 C / N 的土壤有机
质分解缓慢,微生物活性低,利于有机质的积累,而
且土壤碳积累的最大速率通常发生在土地利用或土
地管理变化的初期[13,18] .另外, 0 ~ 10 和 10 ~ 20 cm
层土壤非保护性有机碳向保护性有机碳转化速率常
数(k)与植被恢复年限显著相关(图 3),即植被恢
复过程中非保护性有机碳逐渐向保护性有机碳转
化,说明在红壤侵蚀区,依靠人工生态修复和自肥作
用来恢复土壤有机碳库质量,以及维持土壤有机碳
的长期有效性是可能的.然而,土壤碳库需要漫长的
时间才能达到平衡状态,因此仍需加强林地管理及
合理疏伐来减少土壤水分胁迫,同时还应引入演替
后续物种,促进植物群落的拓殖与更替[14] .
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作者简介摇 吕茂奎,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事森
林水文与生态恢复研究. E鄄mail: 228lmk@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
44 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷