全 文 ：第 34 卷第 23 期
2014年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.23
Dec.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(31100381); 湖南省自然科学基金项目(13JJ4066); 湖南农业大学引进人才项目(11YJ20)
收稿日期:2013鄄10鄄31; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhangyangzhu2006@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201310312630
盛浩,周萍,李洁,宋迪思,张杨珠.中亚热带山区深层土壤有机碳库对土地利用变化的响应.生态学报,2014,34(23):7004鄄7012.
Sheng H, Zhou P, Li J, Song D S, Zhang Y Z.Response of deep soil organic carbon storage to land鄄use changes in subtropical hilly region of China.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(23):7004鄄7012.
中亚热带山区深层土壤有机碳库
对土地利用变化的响应
盛摇 浩1,周摇 萍2,李摇 洁1,宋迪思1,张杨珠1,*
(1. 湖南农业大学资源环境学院, 长沙摇 410128;
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙摇 410125)
摘要:通过对中亚热带丘陵山区 4种典型的土地利用方式(天然林以及由此转变而来的杉木人工林、板栗园和坡耕地)1 m深土
壤剖面碳储量、啄13C值和细根生物量的研究,结果表明:土地利用变化 7a 后,土壤剖面(1 m)有机碳储量与天然林相比降低了
26%—36%,且 40 cm以下深层矿质土壤碳储量下降了 19%—45%。 1 m深土壤 啄13C平均则升高 1译—3译,说明植物群落的光
合类型发生了变化,C4植物种对土壤有机碳的贡献增加。 天然林转变后,严重的水土流失、人为扰动和植物物种组成的变化,诱
发深层土壤碳输入减少以及碳流失和矿化损失增加,是导致深层土壤碳储量大幅下降的主因。 土地利用变化后,60 cm深细根
生物量锐减 50%—99%,且细根主要集中于表土层。 这主要与土壤理化性状劣化、资源有效性大幅降低及天然林转变后植被幼
龄化有关,反映土地利用变化后土地生产力大幅退化。 上述研究结果揭示在中亚热带山地开发、利用和土地转变过程中,加强
天然林保育和中幼林抚育,创新减轻坡土扰动的农艺措施和加强陡坡地退耕,严控水土流失,科学施肥补充损失的土壤有机质
和养分,对于维系山地土壤生产力和山区可持续经营具有长远意义。
关键词:土地利用方式转变;土壤碳贮量;啄13C值;细根生物量;稳定性碳同位素
Response of deep soil organic carbon storage to land鄄use changes in subtropical
hilly region of China
SHENG Hao1, ZHOU Ping2, LI Jie1, SONG Disi1, ZHANG Yangzhu1,*
1 College of Resources & Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2 Key Laboratory of Agro鄄Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China
Abstract: Soil is a major terrestrial carbon pool and most of the soil carbon is stored in the deep soil layers, which
contributes to more than half of the total soil carbon storage. Compared with the topsoil carbon storage, carbon reserved in
deep soil depth may respond differently to environmental change and land management practices. Thus, it needs to consider
the deep soil organic carbon storage in the global carbon cycles. In the subtropical hilly region of China, some soils are
deeply weathered and have highly developed profile. These deeply weathered soils may very sensitive to land use changes.
Until recently, the dynamics of carbon storage in deep soil, especially its response to land use conversion was largely
ignored in the subtropical hilly region of China. In the present study, soil carbon storage at 1 m depth, soil 啄13C value and
fine root biomass were evaluated within a representative land鄄use sequence in mid鄄subtropical China. The purpose was to
evaluate the effect of land use change on the storage and resource of deep soil carbon storage. The land鄄use tpes included
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natural forest (control treatment), Chinese fir plantation, Chinese chestnut orchard and sloping tillage. Results showed that
soil carbon storage at 1 m depth was 112.03, 82.40, 78.83 and 72.29 t / hm2 for natural forest, Chinese fir plantation,
Chinese chestnut orchard and sloping tillage, respectively. After the natural forest was converted to other land uses for 7
years, soil carbon storage was decreased by 26%—36% at 1 m depth. Not only the topsoil (27%—34%), but also the
deep soil (below 40 cm) showed significant decrease of carbon storage by 19%—45%. The conversion from natural forest to
sloping tillage exerted a larger decrease of soil carbon storage than to Chinese fir plantation and Chinese chestnut orchard. In
contrast to the decrease of soil carbon storage with land use changes, the average 啄13C value at 1 m depth was increased by
1译—3译, indicating an increasing contribution of carbon input from C4 plant species to soil. After the land鄄use conversion,
severe human disturbance caused serious topsoil erosion and water loss and shift of plant species composition. This led to the
reduction of carbon input to soil and the increment of carbon loss in deep soil, and further to a substantial decrease of deep
soil carbon storage. In addition, the fine root biomass at 60 cm depth was reduced by 50%—99% and tended to concentrate
in surface soil layer after the land鄄use changes. It was primarily due to the deterioration of soil physicochemical regime,
decrease of available soil resource and juvenile vegetation after the land use conversion. The decrease of fine root biomass
also reflected a substantial degradation of land productivity. In conclusion, our study raises concerns about ( i) the
importance of natural forest preservation and young forest nurture; (ii) innovation of agronomic soil practices as regarding to
topsoil disturbance reduction and continue implementation of “ grain for green冶 policy in sloping tillage; and ( iii )
controlling of topsoil erosion and water loss and supplement of chemical fertilizer after the land鄄use conversion in hilly region
of middle subtropical China.
Key Words: land鄄use conversion;soil carbon stock;啄13C;fine root biomass;stable carbon isotope
摇 摇 土地利用 /覆被变化(LUCC:land鄄use and land鄄
cover change)是陆地碳损失的主要碳源。 据估计,在
1959—2010年间,全球因 LUCC 向大气排放的净碳
量高达(1依0.5) Pg / a,主要源自热带毁林和天然林
改为人工林、经济林和农业用地[1]。 从全球看,热带
林地土壤容纳了约 30%的土壤碳储量(2 344 Pg),
还贮存了约 18%的细根(直径臆2 mm)生物量(78.2
Gg),在全球碳平衡中扮演重要的角色[2鄄3]。 在热带
亚热带地区,天然林砍伐转为次生林 /人工林地、园
地和坡耕地是当地典型的土地利用方式转变,常造
成土壤碳储量的大幅降低,以表土层降幅最为明
显[4鄄5]。 以往研究普遍认为,碳含量高、微生物活性
强的表层土壤对 LUCC 的响应非常敏感,而富含惰
性有机碳的深层矿质土壤则较少受到 LUCC 的影
响[4鄄7]。 我国热带亚热带地区土壤蓄积了 28.7 Pg的
有机碳,且高度风化的土壤土层深厚(如花岗岩红
壤),A 层以下土层蓄积 > 80%的土壤剖面碳储
量[8鄄9]。 了解亚热带地区巨大的深层土壤碳库对
LUCC的响应,对于精确预测区域土壤碳库变化具有
重要意义。
土地利用显著改变地上植被,影响土壤碳输入
的途径和数量。 以 C3植物为主的天然林砍伐后,适
应能力更强的 C4植物可能入侵并提高对土壤碳输入
的贡献,从而改变土壤碳的来源。 植物细根主要集
中在表土层,是根系中最具活性的组分,亦是土壤碳
输入的主要来源之一和立地生产力的重要指标。 细
根动态对土地利用变化可能极为敏感。 有研究报
道,亚热带天然林改为人工林地、园地后细根生物量
和周转均大幅降低[10鄄11],但经过短期的人工林生长
或次生演替,细根生物量即可能恢复到原有水
平[12鄄13]。 不过也有研究报道,天然林改为人工林地
后,乔木细根生物量经过 33a 的人工林生长仅恢复
到天然林的 33%—70%[14]。 因此,了解土地利用变
化后土壤碳库来源和细根的变化对于评价土壤生产
力和碳吸存能力具有重要意义。
“空间换时间冶是研究土壤性质对土地利用变化
响应的有效手段之一。 此前,有关亚热带山区土地
利用变化对表层土壤有机碳储量和质量、土壤呼吸
和 CO2排放的影响已有过一些研究报道[5,11,15]。 本
文选择中亚热带丘陵山区(湖南省浏阳市)本底条件
基本一致、土地利用史清晰的天然常绿阔叶林、杉木
人工林、板栗园和坡耕地的典型土地利用序列,以
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“空间换时间冶的方法研究不同土地利用方式对深层
土壤碳储量、土壤 啄13C值和细根生物量的影响,目的
在于(1)了解深层(40—100 cm)矿质土壤碳库对土
地利用变化的响应;(2)明确土地利用变化后土壤有
机碳来源组成的变化;(3)了解植物细根生物量及其
垂直分布对土地利用变化的响应。
1摇 研究区概况与方法
1.1摇 研究区概况
本研究的试验地设在湖南省浏阳市大围山国家
森林保护区(28毅21忆—26忆N, 114 毅02忆—12忆E)附近,
地处湘江支流浏阳河流域,东北接幕阜山脉,西南临
雪峰山脉,典型低丘地貌,海拔 150—165 m。 区域气
候为典型中亚热带季风湿润气候,年均温 17.7 益,年
均相对湿度 83%,年降雨量 1 800—2 000 mm,年均
蒸散量 1 445.1 mm[16]。 地带性植被为亚热带常绿
阔叶林,但原生植被破坏怠尽,多转变为次生林、人
工林、经济林和果园(图 1)。 土壤为古老的中元古
代(8亿年前)雪峰晚期中粒堇青石二云母花岗闪长
岩高度风化后发育的花岗岩红壤[17],土层深厚,剖
面发育良好,土体构型为典型的 A鄄B鄄BC鄄C 型,良好
植被的矿质土壤上还覆盖 2—3 cm 厚的枯枝落叶层
(O)。
图 1摇 试验地周边土地利用方式现状(2009年)
Fig.1摇 Land鄄use situation around the study site in 2009
摇 摇 天然林人为干扰少,自然演替时间>300 a,优势
种为樟树(Cinnamomum camphora (L.) J. Presl),林
下灌木层明显, 地面草本稀少。 毗邻的杉木
(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook)人工林、板
栗(Castanea mollissima Blume)园和坡耕地皆由次生
杂木林经砍伐、炼山后转变而来,各土地利用方式相
距不超过 1 km。 2003年开始营造杉木人工林,其林
下灌木和草本覆盖度低,水土流失严重;土地平整
后,基于坡改梯技术营建果园和坡耕地,果树品种为
板栗,果园定期施用化肥、除草和杀虫;坡耕地为菜
地,夏季种辣椒,下半年种一季红薯。 季节性干旱时,
定期人工浇灌。 所有样地分布在浏阳河支流大溪河
流域南侧。 样地和表层土壤基本理化性质参见表 1。
表 1摇 不同利用方式样地基本特性和表层土壤(0—20 cm)基本性状
Table 1摇 Main site characteristics and topsoil (0—20 cm) properties of different land鄄uses
变量 Variable
利用方式 Land鄄use
天然林
Natural forest
杉木人工林
Chinese fir Plantation
板栗园
Chinese chestnut orchard
坡耕地
Sloping tillage
利用年限 Duration of land鄄use / a >300 7 7 7
坡度 Slope / (毅) 30 28 20 20
林分密度 Tree density / (株 / hm2) 2 600 2 300 1 200
林木平均胸径
Forest average diameter at breast height / cm 10.4 9.8 9.6
枯枝落叶层厚度 Litter layer depth / cm 4.0 2.5 3.0 0.5
容重 Bulk density / (g / cm3) 1.05 1.12 1.20 1.32
pH (KCl) 3.9 3.7 3.8 3.8
土壤有机碳储量 soil organic carbon storage / ( t / hm2) 35.7 23.4 24.4 26.6
土壤全氮 Total nitrogen content / (g / kg) 1.61 1.16 1.54 1.33
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 土壤和细根样品采集
2012年 12月,在每种土地利用方式内随机设置
3块 25 m伊25 m 样地,采用自制钢制土钻(内径 2.8
cm)在每块样地随机内钻取深度 1 m 的土芯 8—10
根,分层采集 0—20、20—40、40—60、60—80 和 80—
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100 cm土样,按土层混合成 1 个样品。 同时在每块
样地采用自制钢制根钻(内径 6.8 cm)随机钻取深度
60 cm的土芯 6—8 根,按 0—20、20—40、40—60 cm
分割土芯。 采集的混合土样和土芯编号后用保鲜袋
封好,带回实验室供分析用。 在坡耕地样地单独设
置 3个 1 m 伊 1 m的样方,作物收获时分别收集 0—
20 cm和 20—40 cm 土层内所有细根,带回实验室。
挖掘土壤剖面,采用钢制环刀采集原状土,用于测定
各土层容重。 鲜土样品在室内拣去可见石砾、植物
根系和碎屑后,自然风干,过 0.149 mm 孔径尼龙筛。
1.2.2摇 样品分析与测定
土壤有机碳含量:采用重铬酸钾外加热法
测定[18]。
土壤 啄13C值:土样在石英管内干烧获取 CO2,经
酒精液氮法纯化处理后,采用稳定性同位素质谱仪
(Thermo Scientific MAT 253,Finnigan 公司,德国)测
定 CO2气体的 啄13 C 值,采用 PDB 标准,测量精度
臆0.01译。 用酪氨酸(Tyrosine)校正仪器,其碳含量
59.6%,氮含量 7.9%,啄13C值-23.25译。
细根生物量:带回室内土芯和细根样品,经自来
水浸泡,漂洗并过 0.25 mm 孔径钢筛,采用放大镜、
剪刀、镊子等工具手工拣出 > 2 mm 的根,仅保留
臆2 mm的细根。 先用油标卡尺准确计量直径为 2
mm的细根制成径级标准样,再根据标准样进行目视
分出臆2 mm 的细根。 细根样品在 80益烘箱中烘干
至恒重,称重。
1.2.3摇 数据计算方法
土壤有机碳储量基于各土层有机碳含量、土壤
容重计算得到,公式如下:
Corg =移
n
i = 1
SOC i 伊 籽i 伊 hi 伊 10
-1 (1)
式中,Corg为剖面土壤有机碳储量 ( t / hm2);SOC i为 i
层土壤有机碳含量( g / kg);籽i为 i 层土壤容重 ( g /
cm3);hi为 i层土层厚度 (cm)。
细根生物量(包括乔木层细根和林下植被细根)
的计算公式如下:
B=W 衣(仔 伊 r2)伊 10-2 (2)
式中,B为细根生物量( t / hm2);W 为根钻内土芯细
根重量(g);r为根钻内径(cm),本文为 3.4 cm。
1.2.4摇 数据统计与分析
所有的数据统计和分析均在 Excel 2003和 SPSS
13.0软件平台下实现。 采用单因素方差分析方法比
较不同土地利用类型和不同土层的差异(P<0郾 05),
多重比较采用 Turkey HSD检验。
2摇 结果与分析
2.1摇 土壤剖面有机碳储量的分布
土地利用变化强烈影响土壤有机碳储量及其剖
面分布,改变土壤质量状况和碳吸存能力。 所选天
然林 1 m深土壤有机碳储量为 112.03 t / hm2,转变为
杉木人工林后,土壤有机碳储量降至 82.40 t / hm2,降
幅为 26.4%,转变为板栗园后有机碳储量为 78.83 t /
hm2,降幅为 29.6%,而转为坡耕地土壤有机碳储量
仅为 72.29 t / hm2,降幅高达 35.5%(图 1)。
4种土地利用方式土壤有机碳储量均随土层加
深显著降低,两者呈显著负指数函数关系(R2介于
0郾 70—0.91)。 土地利用变化后,不仅表层土壤(0—
40 cm)有机碳储量明显降低,降幅为 27%—34%,深
层土壤(40 cm 以下土层)碳库储量亦大幅降低,降
幅达到 19%—45%(图 1)。 天然林改为人工林和板
栗园后,随土层加深有机碳储量降幅减小,但改为坡
耕地后,降幅扩大。
2.2摇 土壤 啄13C值
土地利用变化改变植被组成和土壤有机碳的来
源,土壤 啄13C 值能反映植被的变化。 不同土地利用
方式土壤 啄13C值以表层土壤相对最低,随土层加深
到 40—60 cm,啄13C值有约 1译—4译的快速升幅,土
层加深到 100 cm,啄13C 值呈降低趋势。 就整个剖面
而言,天然林改为杉木人工林后,土壤剖面 啄13C 值无
明显变化,但改为板栗园和坡耕地,剖面 啄13C平均值
明显升高(表 2),反映出地表植被光合类型的转变。
2.3摇 细根生物量
土地利用变化强烈影响植被生物量和分布,长
远上影响土壤碳储量和立地生产力。 天然林 0—60
cm深细根生物量为 8.78 t / hm2,改为杉木人工林后,
细根生物量锐减到 3.23 t / hm2,降幅高达 63.2%,改
为板栗园后降低 49.9%,而改为坡耕地后细根生物
量降到不足天然林的 2%(图 3)。 土地利用变化后,
细根生物量的降低主要集中在 0—40 cm土层,而 40
cm以下土层细根生物量已较为接近(坡耕地除外)。
并且,土地利用变化后,细根生物量趋于向表土层集
中,林地和果园 0—40 cm 土层集中了 87. 0%—
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89郾 7%的细根生物量,而坡耕地 95.3%的细根生物量 分布在 0—20 cm土层。
图 2摇 不同利用方式土壤有机碳储量的剖面分布
Fig.2摇 The profile distribution of soil organic carbon storage under various land鄄uses
大写字母表示不同土层之间差异显著,小写字母表示不同利用方式之间差异显著
表 2摇 不同土地利用方式土壤 啄13C值的剖面分布 / 译
Table 2摇 The profile distribution of soil 啄13C value under various land鄄uses
土层
Soil layer / cm
利用方式 Land鄄use
天然林
Natural forest
杉木人工林
Chinese fir Plantation
板栗园
Chinese chestnut orchard
坡耕地
Sloping tillage
0—20 -26.35 -26.39 -20.74 -24.78
20—40 -23.31 -24.39 -19.80 -22.12
40—60 -22.80 -23.23 -20.22 -22.30
60—80 -22.54 -22.65 -20.68 -22.44
80—100 -22.98 -22.08 -21.83 -22.81
平均 Average -23.59 -23.75 -20.65 -22.89
图 3摇 不同利用方式土壤细根生物量的剖面分布
Fig. 3 摇 The profile distribution of fine root biomass under
various land鄄uses
大写字母表示不同土层之间差异显著,小写字母表示不同土地
利用方式之间差异显著
3摇 讨论
土壤有机质和细根是地下碳储量的主要分室,
亦是土地生产力和环境健康的重要指标。 亚热带天
然常绿阔叶林经砍伐、炼山后,改为人工林、果园和
坡耕地,常造成植物碳输入大量减少,地表枯枝落叶
和表土有机质的大量烧失,地表水土肥严重流失,表
土有机碳加速分解,再叠加上当地脆弱的自然环境
(暴雨和陡坡),极易导致土壤碳储量和质量大幅下
降[5,11]。 本研究中,天然林改为人工林后,土壤碳储
量降低 26%,远高出全球平均水平(13%);然而,天
然林改为果园、坡耕地后,土壤碳储量降低 30%—
36%,落入全球平均范围(20%—42%) [4],但略低于
邻近的天然林改为农用地 19 a后土壤碳储量的降幅
(32%—51%) [5]。 这可能和本文中坡耕地利用时间
较短(仅 7 a)和采用等高梯作一定程度削减水土流
失有关。 据模型模拟,温带天然林改农用地后,随着
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土地利用时间延长,土壤碳储量呈指数式下降,直到
23 a后才达到稳定[19]。 另据浙江低丘第四纪红色
粘土红壤的野外观测,等高农作能削减 88%的泥沙
流失量[20]。
通常,土地利用活动集中在表土层,很少显著影
响到 40 cm以下的深层矿质土壤[19, 21]。 但是,本文
中天然林改为其它土地利用方式后,深层土壤碳库
也出现不同程度的降低,尤以坡耕地降幅最为明显
(图 2)。 天然林转变后,40 cm以下深层土壤碳储量
降低了 19%—45%。 这反映出本区天然林改为人工
林、果园和坡耕地 7 a 内,活化了很大一部分的深层
土壤碳库,并导致其大量损失。 据报道,热带森林改
为草地后,亦能活化约 20%的深层土壤碳储量[22]。
本区土地利用变化后,深层土壤碳库大量损失的原
因有三:首先,天然林改为人工林、板栗园和坡耕地
后,地上枯枝落叶和表土层的有机碳数量锐减(表
1),可能减少了从枯枝落叶层、表土层至深层土壤的
可溶性有机碳的迁移量;加上天然林转变后,林分密
度降低(表 1),深根性的乔木数量减少,浅根性的灌
木、草本和作物增加,地下深根系数量明显减少(图
3),也可能减少了深层土壤中源自根系周转、分泌物
和脱落物的有机碳输入量[10,23];其二,土地利用变化
后,开垦、耕作输入的新鲜、易分解的活性碳对深层
土壤中埋藏的老的、难分解的惰性碳可能产生激发
效应[24],加速深层土壤中有机碳的矿化损失。 最
后,本区丘多坡陡,暴雨集中在 3—6月份,当地天然
林经砍伐,传统的清理采伐剩余物、火烧炼山、造林
整地、灌溉除草和耕种一系列经营管理措施,强烈扰
动了表土层,极易造成表土严重的水土流失和碳损
失。 加上花岗岩发育的红壤砂性重、松散易碎、抗蚀
性差,在天然林改为人工林、果园的前几年里,地面
幼树覆盖度低,强烈的地表水土流失能持续数年之
久。 特别是干扰强烈的坡耕地,持续强烈的土壤侵
蚀能将表土和密度较轻的有机物冲刷怠尽,深层心
土出露,随后的翻耕易破坏土壤团聚体,加速团聚体
物理保护碳的快速分解和矿化损失[9]。 据报道,本
区林地经皆伐炼山后 6 a内,水蚀引起的土壤流失量
高达 38 t / hm2 [25],由此看来,在地形复杂的中亚热带
山区,土地利用变化后,减少了深层土壤碳输入和增
加碳流失、矿化,导致深层土壤碳大量损失。
土地利用改变地上植物组成,从而可能改变其
光合类型并影响土壤 啄13C 值。 土壤 啄13C 值主要与
输入土壤中有机物的来源植物类型(C3、C4)有关,C3
和 C4光合途径植物的 啄13C值范围分别介于-23译—
-33译和-9译—-16译[26]。 天然林改为杉木林后,土
壤剖面 啄13C平均值无明显变化,反映出植物群落主
要以光合效率较低的 C3植物为主。 但天然林改为板
栗园、坡耕地后,土壤 啄13C 平均值明显升高,很可能
与 C4草本入侵有关。 部分 C4草本的入侵引起输入
土壤中的有机物成为 C3和 C4植物残体的混合物。
尤其是板栗园,C4草本可能增加了对土壤有机碳的
贡献。 据报道,巴西热带雨林砍伐后引入 C4牧草,表
层土壤的 啄13C值在 10 a中升高到-9.4译[27]。
细根约占 30%的地下生物量和 40%—85%的净
初级生产力,它是地下碳输入的主要途径[2]。 天然
林改为杉木人工林后,0—60 cm 细根生物量大幅降
低 50%,改为板栗园后降低 63%,而改为坡耕地后,
细根生物量已不足天然林的 2%。 本文中土地利用
变化后,细根生物量降幅高出土壤碳储量降幅
(26%—36%),反映出细根生物量对土地利用变化
的响应比土壤碳储量更为敏感。 综合热带亚热带研
究表明,天然林改为人工林后细根生物量降幅(39依
19)%低于天然林改园地、坡耕地的细根生物量的降
幅(71依19)%(表 3)。 这很可能与干扰强度有关。
据报道,尼泊尔热带森林经人工择伐后,细根生物量
减少约 52%,而印度热带森林在中等和强烈人为干
扰下,细根生物量锐减 36%—72%[28鄄29]。 天然林转
变后,细根生物量明显向 0—40 cm 表土层聚集。 热
带森林强烈干扰后改为农用地,亦有细根向表土层
明显汇聚的现象[29鄄30]。
土地利用变化后,细根生物量锐减并向表土层
集中的现象,主要与强烈的人为干扰导致土壤生产
力退化和植物状况转变有关。 一方面,土地利用变
化后,土壤理化性状劣化,土壤资源有效性大幅降
低,致使细根生物量锐减。 天然林转变后,表土层容
重增加 7%—26%(表 1),减少了土壤孔隙度和通气
孔隙数量和比例,而土壤通气状况、土壤呼吸和根系
活性随之降低[11]。 加上土壤交换性酸量呈升高趋
势(表 1),铝毒害可能增加,进而抑制植物细根生
长。 此外,土地利用变化后,土壤剖面碳储量降低
26%—36%,表土层养分指标全氮含量降低 4%—
27%(表1) 。更有研究表明,本区天然林转换后,表
9007摇 23期 摇 摇 摇 盛浩摇 等:中亚热带山区深层土壤有机碳库对土地利用变化的响应 摇
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表 3摇 热带亚热带天然林改为人工林地、园地和耕地对细根生物量的影响 / %
Table 3摇 The influence of natural forest converted into plantations, orchard and cultivated land on fine root biomass in tropical鄄subtropical area
地点
Sites
土地利用变化类型
Changes in land鄄
use types
土地利用年限
Land鄄use
duration / a
细根生物量变化
Changes of fine
root biomass / %
文献来源
Reference
sources
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中国福建省(27毅 N) 亚热带天然林鄄人工林 18 -49 [11]
中国福建省(26毅 N) 亚热带天然林鄄人工林 33 -67, -30 [14]
中国湖南省(28毅 N) 亚热带天然林鄄人工林 7 -50 本研究 This study
印度西高止山(8毅 N) 热带天然林鄄柚木人工林 0 [31]
印度西高止山(8毅 N) 热带天然林鄄橡胶 /马占相思 /合欢人工林
-32, -56, -51 [31]
墨西哥恰帕斯州(16—17毅 N) 天然云雾林鄄松林 /松栎林 -32 [32]
中国福建省(27毅 N) 亚热带天然林鄄柑桔园 18 -83 [11]
中国湖南省(28毅 N) 亚热带天然林鄄板栗园 7 -63 本研究 This study
印度尼西亚苏拉威西岛(01 毅 S) 热带天然林鄄可可园 -51 [33]
泰国南省(19 毅 N) 热带天然林鄄农用地 -93 [30]
印度阿萨姆邦(27毅 N) 热带天然林鄄间歇摞荒耕地 -72 [29]
印度西高止山(8毅 N) 热带天然林鄄农用地
-39, -59,
-62, -65 [31]
墨西哥恰帕斯州(16—17毅 N) 天然云雾林鄄耕地 -90 [32]
中国湖南省(28毅 N) 亚热带天然林鄄坡耕地 7 -98.8 本研究 This study
土层水分显著减少[11]。 细根生物量与氮含量、水分
密切相关,而养分、水分资源有效性的降低,是导致
土地利用变化后细根生物量减少的重要原因之一。
另一方面,天然林经皆伐、炼山后,改成人工纯林、板
栗园和坡耕菜地后,在 1 a内前茬残留细根的分解损
失量可高达 68%—80%,数年即可分解怠尽[14]。 较
之天然林,人工纯林、板栗园栽植、生长时间短(仅 7
a),林木幼小,根系尚未完全成熟,加上林分密度较
低(表 1),林下灌木稀少,导致细根生物量锐减。 杉
木人工林、板栗园地面草本密度较高,坡耕地则以一
年生作物为主,细根生物量集中在表土层。 随着乔
木的成熟,细根生物量将逐渐增加,土层分布也将逐
渐加深[34]。 树种也可能有显著影响。 印度热带天
然林改为柚木人工林后,细根生物量无明显变化,但
改为橡胶、马占相思和合欢人工林后,细根生物量降
低 32%—56%。 由此看来,土壤资源有效性降低和
植物生长状况变差直接导致细根生物量减少,反映
出土地利用变化后立地生产力的降低。
土地利用变化后,伴随着人工林、果树林下植被
的生长和林龄的增加,细根生物量将逐渐恢复并达
到新的平衡。 细根生物量恢复到天然林水平更有赖
于植物多样性和土壤资源有效性的恢复,但这是长
期的过程。 随着植物碳输入的增加和水土流失的减
缓或控制,土壤碳储量也可能缓慢的恢复。 据报道,
人工林生长 5 a 后,0—10 cm 表土层有机碳仅恢复
到初始水平的 85%[35]。 天然林改为坡耕旱地后,更
为强烈的干扰(频繁翻耕、浇溉)将使土壤有机碳降
到更低的水平并达到新平衡,而维持坡耕地的生产
力唯有施用大量外源有机肥和化肥,以补充损失的
有机质和养分。
4摇 结论
综上所述,本区土地利用变化后严重的水土流
失、人为扰动和植物种组成的变化,引起深层土壤植
物碳输入减少和碳流失、矿化损失增加,是导致深层
土壤碳储量大幅下降的主因。 土地利用变化后,土
壤理化性状劣化,土壤资源有效性大幅降低,加上天
然林转变后植被幼龄化,导致细根生物量锐减并向
表土层集中的现象。 中亚热带丘陵山区自然脆弱性
高,应加强天然林的保育和退化坡地的生态恢复。
在山地开发、利用和土地性质 /用途转变过程中,应
创新减轻坡土扰动的农艺措施,严控水土流失,加强
0107 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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中幼林抚育和陡坡耕地退耕力度,科学施用有机肥、
化肥和绿肥上山以补充损失的有机质和养分。 这对
于维系山地土地生产力和促进山区可持续经营具有
长远意义。
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