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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 10 期摇 摇 2013 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
福建长汀水土保持专题
福建省长汀县水土流失区的时空变化研究———“福建长汀水土保持冶专题序言 徐涵秋 (2945)………………
福建省长汀县河田盆地区近 35 年来地表裸土变化的遥感时空分析 徐涵秋 (2946)……………………………
福建省长汀县河田水土流失区植被覆盖度变化及其热环境效应 徐涵秋,何摇 慧,黄绍霖 (2954)……………
红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 何圣嘉,谢锦升,曾宏达,等 (2964)……………………………
基于 RUSLE的福建省长汀县河田盆地区土壤侵蚀定量研究 杨冉冉,徐涵秋,林摇 娜,等 (2974)……………
南方红壤水土流失区土地利用动态变化———以长汀河田盆地区为例 林摇 娜,徐涵秋,何摇 慧 (2983)………
亚热带地区马尾松林碳储量的遥感估算———以长汀河田盆地为例 黄绍霖,徐涵秋,林摇 娜,等 (2992)………
南方红壤侵蚀区土壤肥力质量的突变———以福建省长汀县为例 陈志强,陈志彪 (3002)………………………
前沿理论与学科综述
土壤有机质转化及 CO2 释放的温度效应研究进展 沈征涛,施摇 斌,王宝军,等 (3011)………………………
湖泊蓝藻水华发生机理研究进展 马健荣,邓建明,秦伯强,等 (3020)……………………………………………
个体与基础生态
岩溶区不同植被下土壤水溶解无机碳含量及其稳定碳同位素组成特征
梁摇 轩,汪智军,袁道先,等 (3031)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
黄脊雷蓖蝗越冬卵的滞育发育特性 朱道弘,陈艳艳,赵摇 琴 (3039)……………………………………………
香港巨牡蛎与长牡蛎种间配子兼容性 张跃环,王昭萍,闫喜武,等 (3047)………………………………………
种群、群落和生态系统
西藏珠穆朗玛峰国家级自然保护区鸟类群落结构与多样性 王摇 斌,彭波涌,李晶晶,等 (3056)………………
采伐对长白山阔叶红松林生态系统碳密度的影响 齐摇 麟,于大炮,周旺明,等 (3065)…………………………
胶州湾近岸浅水区鱼类群落结构及多样性 徐宾铎,曾慧慧,薛摇 莹,等 (3074)…………………………………
黄河口盐地碱蓬湿地土壤鄄植物系统重金属污染评价 王耀平,白军红,肖摇 蓉,等 (3083)……………………
不同起始状态对草原群落恢复演替的影响 杨摇 晨,王摇 炜,汪诗平,等 (3092)…………………………………
施肥梯度对高寒草甸群落结构、功能和土壤质量的影响 王长庭,王根绪,刘摇 伟,等 (3103)…………………
高寒退化草地狼毒种群株丛间格局控制机理 高福元,赵成章 (3114)……………………………………………
藏东南色季拉山西坡土壤有机碳库研究 马和平,郭其强,刘合满,等 (3122)……………………………………
灵石山不同海拔米槠林优势种叶片 啄13C值与叶属性因子的相关性 王英姿 (3129)……………………………
西门岛人工秋茄林恢复对大型底栖生物的影响 黄摇 丽,陈少波,仇建标,等 (3138)……………………………
喀斯特峰丛洼地土壤剖面微生物特性对植被和坡位的响应 冯书珍,苏以荣,秦新民,等 (3148)………………
青藏高原高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系 徐满厚,薛摇 娴 (3158)……………………………………
景观、区域和全球生态
近 60 年挠力河流域生态系统服务价值时空变化 赵摇 亮,刘吉平,田学智 (3169)………………………………
基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析 陈海滨,唐海萍 (3177)…………………………………
资源与产业生态
主要气候因子对麦棉两熟棉花产量的影响 韩迎春,王国平,范正义,等 (3185)…………………………………
低覆盖度行带式固沙林对土壤及植被的修复效应 姜丽娜,杨文斌,卢摇 琦,等 (3192)…………………………
不同土地利用方式土下岩溶溶蚀速率及影响因素 蓝家程,傅瓦利,彭景涛,等 (3205)…………………………
农地保护的外部效益测算———选择实验法在武汉市的应用 陈摇 竹,鞠登平,张安录 (3213)…………………
研究简报
温度、投饵频次对白色霞水母无性繁殖与螅状体生长的影响 孙摇 明,董摇 婧,柴摇 雨,等 (3222)……………
内蒙古达赉湖西岸地区大鵟巢穴特征和巢址选择 张洪海,王摇 明,陈摇 磊,等 (3233)…………………………
红外相机技术在鼠类密度估算中的应用 章书声,鲍毅新,王艳妮,等 (3241)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*304*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*33*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄05
封面图说: 色季拉山的长苞冷杉和高山杜鹃林———色季拉山高海拔处的植被主要有长苞冷杉、林芝云杉和高山杜鹃等,再高海
拔地区则分布有高山灌丛、草甸等。 长苞冷杉为我国特有种,属松科常绿乔木,分布于西藏东南部高山地带。 树高
可达 40m,树皮暗褐色,针叶较短;其球果圆柱形,直立。 长苞冷杉的形态独特,与分布区内多种冷杉有密切的亲缘
关系,和云杉、杜鹃的分布也彼此交叠。 随着色季拉山体海拔的升高,区域气候对于山地土壤从黄壤至棕色森林土、
直至高山草甸土的完整发育,以及对森林生态系统类型的形成都产生直接而深刻的影响。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 10 期
2013 年 5 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 10
May,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:教育部和福建省教育厅重点项目(211083,JA10063);973 前期课题(2012CB722203);教育部创新团队项目(IRT0960)
收稿日期:2012鄄05鄄18; 摇 摇 修订日期:2013鄄05鄄20
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: jshxie@ 163. com
DOI: 10. 5846 / stxb201205180742
何圣嘉,谢锦升,曾宏达,田浩,周艳翔,胥超,吕茂奎,杨玉盛. 红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态. 生态学报,2013,33 (10):
2964鄄2973.
He S J, Xie J S, Zeng H D, Tian H, Zhou Y X, Xu C, L俟 M K, Yang Y S. Dynamic of soil organic carbon pool after restoration of Pinus massoniana in
eroded red soil area. Acta Ecologica Sinica,2013,33(10):2964鄄2973.
红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态
何圣嘉,谢锦升*,曾宏达,田摇 浩,周艳翔,胥摇 超,吕茂奎,杨玉盛
(湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福建师范大学,福州摇 350007)
摘要:运用 RothC(version 26. 3)模型,并结合“时空代换法冶对长汀河田红壤侵蚀退化地马尾松人工恢复后林地表层(0—20cm)
土壤有机碳库的动态变化进行了反演和预测,研究结果表明:RothC 26. 3 模型的模拟结果能够较好地反映红壤侵蚀地植被恢复
过程中土壤有机碳的变化趋势;RothC 26. 3 模型适用于中亚热带季风气候条件下马尾松林地土壤碳库的动态模拟;侵蚀退化地
在马尾松林建植后,林地表层土壤碳吸存速率以非线性的形式上升,并在 15—25a 时间内达到最大,马尾松恢复后前 30a 林地
土壤平均碳吸存速率约为 0. 385 tC·hm-2·a-1,自马尾松建植后演替至当地顶级群落(次生林)全过程中平均碳吸存速率约
0郾 156 tC·hm-2·a-1;根据模拟结果得到的拟合方程,计算得到研究区红壤侵蚀退化地的碳饱和容量约为 36. 85 tC / hm2,固碳潜力
约为 33. 26 tC / hm2。
关键词:红壤侵蚀地; 马尾松; 生态恢复; RothC模型; 有机碳库
Dynamic of soil organic carbon pool after restoration of Pinus massoniana in
eroded red soil area
HE Shengjia, XIE Jinsheng*, ZENG Hongda, TIAN Hao, ZHOU Yanxiang, XU Chao, L譈 Maokui, YANG Yusheng
State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology,Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
Abstract: Afforestation in degraded area is thought to be an efficient way commonly adopted all over the word to prevent soil
degradation, and plays an important role in alleviating the CO2 concentration in the atmosphere, which is of great
significance to mitigate global climate change. Many studies about the effects of land use change on soil organic carbon have
been widely carried out in China, including many aspects such asdynamics of soil organic carbon pool induced by the
conversions among natural forests, grassland, plantations and cropland, while the study of dynamics of soil organic carbon
pool in the eroded land after vegetation restoration, is still scarce. In this study, we chose several Pinus massoniana
plantation plots at different stand ages located in Hetian, Changting, as research objects. Combining with space鄄time
replacement method, RothC(version 26. 3)model was used to retrieve and predict the dynamics of soil organic carbon in
topsoil(0—20cm)after the restoration of Pinus massoniana in eroded red soil. The result showed that RothC(version 26. 3)
model played well in inversion and prediction of soil organic carbon in topsoil during the restoration of Pinus massoniana,
and the simulations of soil carbon changes given by RothC model could perfectly reflect the change trend of soil organic
carbon in the process of vegetation recovery in southern eroded red soil region. Analysis revealed strong correlations between
the simulated and measured values ( r>0. 9, P<0. 01), which suggests that RothC 26. 3 model is a feasible tool to assess
the dynamic of soil organic carbon pool of Pinus massoniana woodland in southern eroded red soil region, under the
condition of mid鄄subtropical monsoon climate. After the plantation of Pinus massoniana, the carbon sequestration rate of
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topsoil(0—20cm)in eroded land increases gradually in a nonlinear way, which will reach the utmost in 15 to 25 years, and
the average rate of soil carbon sequestration in the first 30 years (after masson pine recovery) is about 0. 385 tC·hm-2·a-1,
and the average rate of carbon sequestration during the succession to the local climax community is about 0. 156 tC·hm-2·a-1 .
Calculated by stimulation fitting equation,the saturated carbon capacity of eroded red soil land is about 36. 85 tC / hm2 and
carbon sequestration potential is 33. 26 tC / hm2 in study area.
Key Words: eroded red soil; Pinus massoniana; restoration; RothC model; organic carbon pool
近年来,退化地造林已成为国际上普遍用于保护土壤,阻止荒漠化,并增加土壤碳吸存的一个方法,而由
此新产生的巨大碳汇对缓解今后大气 CO2 浓度升高、减缓全球气候变化具有重要意义[1]。 随着土地利用 /覆
被变化对陆地生态系统碳通量的影响成为全球碳循环与气候变化的一大研究热点,围绕土地利用变化对土壤
碳库影响的研究在全球范围内得到了广泛的开展[2],但有关侵蚀退化地植被恢复对土壤有机碳影响的研究
仍相对匮乏[3]。 土壤有机碳储量是土壤中动植物残体等有机物质的输入与损失之间的动态平衡[4],是一个
受气候、植被、土壤性状、土地利用变化等因素综合影响的动态变化过程。 因此,基于土壤有机碳库静态基础
上的研究并不能很好地反映土壤有机碳库的动态变化,而土壤有机碳模型将是唯一可能的方法[5]。 以洛桑
实验站 100 多年长期定位试验数据为基础而建立的 RothC模型,所需参数较少,且易获取,是目前世界上影响
较大的土壤碳循环机理模型之一。 由于受土壤类型、气候和土地利用变化等因素的限制,RothC 模型在对热
带土壤湿度和作物覆盖对有机质分解速度影响[6]、水稻土有机碳变化的预测[7]及土地利用变化引起土壤有
机碳骤降情况的模拟[8]可能存在相对较大的偏差;但就整体而言,RothC 模型成功地模拟了世界不同地区耕
地、草地以及林地土壤有机碳的周转[8鄄11],能够较为准确地反映土壤有机碳的变化趋势。
自 20 世纪 80 年代以来,长期的水土保持生态恢复工作使得南方红壤侵蚀区恢复了大面积的马尾松,在
改善当地生态环境、增加林业碳汇等方面成效显著。 然而,由于当前有关南方红壤侵蚀区马尾松生态恢复后
土壤有机碳库动态的研究甚少,导致在对马尾松水土保持林作效益评价时往往缺少对其碳汇效益的评估[12]。
本研究以 RothC模型为主要研究手段,旨在研究红壤侵蚀地马尾松恢复过程中土壤有机碳的动态变化,以期
为 RothC模型在该地区适用性问题和今后水土保持生态恢复工作及其相应林地碳增汇评价提供参考。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区与试验地概况
长汀县河田镇地处福建西南部汀江上游,东经 116毅18忆—116毅31忆,北纬 25毅33忆—25毅48忆,海拔 300—500m,
属中亚热带季风气候区,年均降雨量、蒸发量分别为 1700mm和 1403mm;年平均气温 17. 5—19. 2益。 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,现以马尾松(Pinus massoniana)次生林和人工林为主。 该镇的水土流失面积为 13586. 8 hm2,约占全镇土
地面积的 46. 7% (2003 年调查资料) [12]。
本研究中涉及的试验样地包括:(1)植被恢复前对照区,分别于河田镇的游屋背、马坑垄以及石官凹、科
教园及乌石岽附近未采取生态恢复措施侵蚀退化地设置对照;对照区的土壤侵蚀一般达强度以上,林地表层
土壤流失殆尽,淀积层出露,地表植被以稀疏的马尾松小老头树和少量芒萁(Dicranopteris dichotoma)、野古草
(Arundinclla setosa)为主;表层(0—20cm)土壤有机质含量为 1. 4—5. 3g / kg,马尾松平均胸径和树高分别为
4郾 3—6. 6cm与 3. 1—4. 6cm,平均林分密度为 611 株 / hm2,林下植被盖度小于 0. 6,有的甚至低于 0. 3。 (2)侵
蚀地恢复治理马尾松样地概况见表 1。
1. 2摇 样地布设与采样分析
于 2011 年 7 月在每个试验地设立 3 个 20m伊20m的标准地,分别进行本底和生物量调查。 在每个标准地
的上、中、下坡各布设一个样点,调查深度为 1m 土壤剖面的特征,进行分层取样,用环刀法测定土壤的容重和
5692摇 10 期 摇 摇 摇 何圣嘉摇 等:红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 摇
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表 1摇 研究样地基本概况
Table 1摇 Basic situation of study area
样地名
Site name
治理年限 / a
Ages of
restoration
经纬度
Latitude
longitude
海拔 / m
Elevation
土壤类型
Soil type
黏粒含量 / %
Clay fraction
林分密度
/ (株 / hm2)
Stand density
林下植
被盖度
Coverage of
undergrowth
平均胸
径 / cm
Mean
diameter
平均树
高 / m
Average
height
伯湖 6 N 25毅37忆5. 10义E116毅26忆17. 10义 318 红壤 39. 37 1358 0. 92 7. 60 5. 41
乌石岽 7 N25毅41忆53. 00义E 116毅26忆14. 2义 378 红壤 30. 05 1462 0. 91 9. 14 7. 01
科教园 8 N25毅38忆15. 01义E116毅27忆32. 82义 323 红壤 32. 70 1017 0. 90 9. 22 6. 12
石官凹 9 N25毅36忆8. 10义E 116毅24忆0. 6义 314 红壤 15. 00 1141 0. 70 10. 46 5. 90
游坊 10 N 25毅40忆4. 60义E 116毅24忆12. 50义 328 红壤 29. 74 1558 0. 80 7. 57 5. 60
水东坊 26 N25毅41忆27. 32义E116毅24忆24. 08义 312 红壤 12. 90 1192 0. 95 17. 74 15. 58
八十里河 29 N25毅40忆16. 80义E 116毅26忆7. 30义 310 红壤 33. 87 2237 0. 97 13. 55 10. 83
次生林
Secondary
forest
>100 N25毅37忆53. 68义E116毅27忆38. 17义 321 红壤 25. 94 475 0. 95 47. 50 18. 97
含水量。 除此之外,为使表层 0—20cm土壤样品更加具有代表性,用内径为 5cm的土钻在每个标准地内根据
随机、等量、多点混合的原则,选取 10 个点按 0—10 和 10—20cm 进行分层取样。 用浓硫酸鄄重铬酸钾外加热
氧化法测定土壤有机碳含量[13]。
图 1摇 RothC模型结构图[14]
Fig. 1摇 The structure of the Rothamsted Carbon Model
摇 易分解植物残体 DPM:Decomposable Plant Material; 难分解植物残
体 RPM: Resistant Plant Material; 微生物生物量 BIO: Microbial
Biomass; 腐殖质 HUM:Humified Organic Matter; 惰性碳库 IOM:
Inert Organic Matter; 寅:碳流向 Carbon flow direction
1. 3摇 RothC模型
RothC模型是依据洛桑实验站 100 多年长期定位
试验数据建立的,是目前世界上影响较大的土壤碳循环
机理模型之一;该模型根据土壤有机碳的分解速率将土
壤有机碳库划分为 4 个活性碳库(易分解植物残体
(DPM)、难分解植物残体 ( RPM)、微生物生物量
(BIO)、腐殖质(HUM))和 1 个惰性碳库( IOM),各分
库有机碳的分解周转见图 1。
1. 4摇 参数输入
1. 4. 1摇 气象数据
RothC 26. 3 模型所需的气象数据包括月平均温度、
月平均降雨量和蒸发量 (由长汀县气象局提供,为
1951—1990 近 40 年逐月平均值) (表 2)。
1. 4. 2摇 土壤及管理数据
过去一些研究[15鄄17]表明本研究区未治理侵蚀退化地表层(0—20cm)土壤有机碳储量大致为 3. 29—3. 83
tC / hm2,与本研究中游坊屋背样地表层碳储量(3. 61 tC / hm2)较为接近,故以此为整个研究区马尾松恢复前侵
蚀地碳储量的背景值,作为模型模拟的起始点,运用模型逆向运行计算得到各分库的初始值。 造林后的具体
措施主要参考之前相关研究以及长汀县 2005、2007、2008 植被恢复工程施工设计,然鉴于水东坊马尾松样地
的历史资料相对完整,故以此作为治理初期的管理措施:每 666. 7m2 施粗垃圾 1000 kg,猪粪 375 kg,钙镁磷肥
25 kg,硼砂 1 kg,并于种植前施碳铵 25kg,过磷酸钙 11. 5 kg;造林成活后追肥两次,每次每 666. 7m2 施 1. 5kg
尿素,并于第 2 年追施尿素 5kg,第 3 年追施磷酸钙 10kg,碳铵 10kg。
6692 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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表 2摇 研究区气象数据
Table 2摇 Climate data of study area
月份
Month
月平均温度 / 益
Mean monthly
temperature
月平均
降水量 mm
Mean monthly
precipitation
月平均
蒸发量 / mm
Mean monthly
evaporation
月份 月平均温度 / 益 月平均降水量 / mm
月平均
蒸发量 / mm
1 7. 84 59. 66 62. 51 7 27. 21 120. 17 204. 72
2 9. 47 106. 98 55. 86 8 26. 90 148. 37 194. 76
3 13. 77 189. 51 73. 96 9 24. 39 104. 52 151. 78
4 18. 71 238. 21 100. 62 10 19. 84 59. 43 131. 57
5 22. 65 294. 83 122. 64 11 14. 57 47. 55 94. 29
6 25. 12 297. 32 135. 85 12 9. 55 45. 06 74. 47
DPM / RPM为输入植物残体中易分解有机物质与难分解有机物质的比例,DPM / RPM 的值越小,表示输
入有机碳的分解越缓慢。 然而,由于一些客观原因本研究没有对该指标进行实测,故采用模型的预设值 0. 25
(落叶林地)。 样地土壤年植物残体的输入量则通过以植被较差的侵蚀地(游屋背)为背景,在已知土壤有机
碳的情况下,运用模型逆向运行的功能计算维持该有机碳水平所需的有机碳数量输入量,之后则以实测样地
的植物残体输入量为基础,结合马尾松林年凋落物量与林龄、胸径、树高的关系方程[18]按比例推算样地每年
通过植物残体输入的有机碳量。 然而,将实测的 IOM 数据与用 Falloon 等[18]提出的经验公式 ( IOM =
0郾 049TOC1. 139)比较发现,用以上公式计算得到的 IOM值仅为实测值的 16%—56% 。 之前 Xu[20]与 Leifeld[21]
的研究中同样也存在类似的现象。 故本研究用实测的 IOM代替模型模拟得到的初始 IOM 值,并根据以下公
式,对年植物残体输入量进行了校正[20]。
M1 = M0 伊
Total SOC - measured IOM
Total SOC -
æ
è
ç
ö
ø
÷
Original moelled IOM
式中,M0 和 M1 分别表示原先计算得到的年植物残体输入量和校正后的年植物残体输入量。 本研究中 RothC
26. 3 模型所用到的土壤数据及其他数据见表 3。
表 3摇 模型所需土壤及其他数据
Table 3摇 Soil and other data required by the model
模型参数
Model parameters
地点 Site
游屋背 伯湖 乌石岽 科教园 石官凹 游坊 水东坊 八十里河 次生林
植物残体输入 /量(tC·hm-1·a-1)
Input of plant residues
0. 19 1. 20 1. 91 1. 53 1. 86 1. 45 3. 23 2. 90
摇 摇 初始有机碳储量 3. 61 tC∕ hm2;DPM / RPM 0. 25;取样深度 20cm;黏粒含量 0. 28; IOM含量 2. 71 tC / hm2;植被覆盖情况 自侵蚀裸地马尾松
林建植后,1—12 月均有植被覆盖
1. 5摇 数据分析与模拟结果评价
采用 Excel2003 与 SPSS17. 0 进行统计和数据分析。 利用均方根误差(RMSE)、平均误差(M)、模拟效率
值(EF)和决定系数(CD)对模型模拟结果进行评价。
2摇 结果分析与讨论
2. 1摇 模型校正与结果评价
本研究中利用伯湖、石官凹、乌石岽、水东坊马尾松样地表层土壤的实测有机碳数据(包括历史数据,见
表 4)对 RothC 26. 3 模型进行了校正,然后用科教园、游坊、八十里河、露湖的实测数据(含部分历史数据,表
4)对模型短期模拟结果进行检验,模型模拟结果评价指标计算结果详见表 5。
从表 4 可以看出,马尾松恢复过程中 0—20cm土层有机碳储量短期和长期模拟的 r都在 0. 9(P<0. 01)以
上,模型模拟值与实测值之间表现出高度正相关;而根据模拟结果和实测值计算得到的平均误差(M)较小,意
7692摇 10 期 摇 摇 摇 何圣嘉摇 等:红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 摇
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味着模拟结果的整体偏差(一致性误差)较小。 然而,由于 M的计算公式中不包含平方项,使得高于实测值或
者低于实测值所产生的偏差可以相互抵消,容易忽略数据间非一致性偏差。 CD值表示模拟值能够解释观测
值总体方差的比例,其值大于 1 表示模拟值能够较实测均值更好地描述实测数据。 均方根误差(RMSE)通常
可直接用于不同模型模拟结果中误差大小的比较,其值越小表示模拟精度越高。 总体来看,两个模拟过程中
RMSE都要小于 20% (表 3—表 6),且土壤有机碳储量长期模拟的 RMSE 值接近 10% ,可见模拟预测值与实
测值之间达到了较高的一致性;与此同时,模拟效率值(EF)都达到了 0. 7 以上则表明模型的模拟效果较好。
表 4摇 模型校正及验证数据
Table 4摇 Calibration and verification data of the model
马尾松林植被恢复年限
Ages of restoration
0—20cm碳储量
模拟值 / ( tC / hm2)
Simulation values of carbon
storage in 0—20cm soil layers
0—20cm碳储量
实测值 / ( tC / hm2)
Observed values of carbon storage
in 0—20cm soil layers
历史数据文献出处
Historical data references
游屋背 对照 3. 609 3. 61
露湖 5 7. 16 6. 62 [22]
5 7. 16 7. 11
伯湖 6 7. 55 7. 47
乌石岽 7 7. 99 8. 28
科教园 8 8. 87 7. 43
石官凹 9 9. 22 8. 92
游坊 10 9. 83 9. 25
10 9. 83 10. 58
水东坊 17 12. 82 14. 96 [16]
26 16. 71 16. 13
八十里河 24 16. 79 20. 19 [17]
25 17. 35 21. 10 [12]
29 18. 66 15. 86
次生林 87 31. 37 32. 97 [12]
89 31. 60 34. 28 [17]
93 32. 11 32. 15
表 5摇 模拟值与实测值比较分析
Table 5摇 Comparative analysis of simulated and measured values
统计参数 Statistical parameters
r CD RMSE EF M n
短期模拟 Short鄄term simulation 0. 91 1. 49 17. 33 0. 87 0. 33 8
长期模拟 Long鄄term simulations 0. 94 1. 18 11. 38 0. 96 0. 63 11
2. 2摇 生态恢复过程中土壤碳库动态
过去红壤侵蚀退化地马尾松恢复过程中土壤有机碳库动态的反演(短期模拟)结果如图 2 所示。 在短期
模拟的基础上,以封禁治理 26a的水东坊马尾松样地为背景,假设气候、植物残体输入量等因子不变,对侵蚀
退化地植被(马尾松)建植后,在不受人为干扰的情况下,向当地顶级群落(次生林)演替过程中表层土壤有机
碳储量的变化进行模拟(图 3),并对为期 180a的模拟结果进行回归分析,得出了马尾松林表层土壤有机碳储
量与其恢复年限的相对关系方程(图 4):
y = 3. 92363 + 0. 65884x - 0. 0059x2 + 2. 67778 伊 10 -5x3 - 4. 8444 伊 10 -8x4 摇 摇 R2 =0. 99905 (1)
式中,x为恢复年限(a),y为有机碳储量(tC / hm2)。
在本研究中,由于在造林前对侵蚀退化地施用了基肥(使侵蚀地 0—20cm土层有机碳储量已经由原先的
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图 2摇 侵蚀地马尾松恢复后土壤有机碳库动态变化
摇 Fig. 2摇 Dynamic of soil organic carbon in erosive land during the
restoration of Pinus massoniana
3. 61tC / hm2 迅速上升至 7. 68tC / hm2),而后又在造林成
活后的前几年又进行了多次追肥,从而使侵蚀退化地在
马尾松林恢复 6—7a后,其林地土壤碳储量便表现出净
积累(图 2)。 由于造林前的频繁整地将有效促进土壤
有机质的分解,导致土壤有机碳损失;加之马尾松林建
植初期林下植被的匮乏,造林整地容易引发较为严重的
水土流失,进一步造成土壤有机碳的大量流失;再者,因
为造林初期乔木层与根系的生物量都较小,使得土壤凋
落物与死亡根系的输入量不足以维持当前土壤有机碳
水平,故最终导致马尾松林地土壤有机碳储量在造林后
的前 2a持续下降(下降速率约 0. 738 tC·hm-2·a-1)(图
2),但随着马尾松幼林的快速生长和林下植被的恢复,
林地凋落物输入量快速增加,造林后第 3 年表层土壤有
图 3摇 长期演替土壤有机碳储量动态模拟
Fig. 3摇 Simulation for dynamic of soil organic carbon during long succession
摇 图 4摇 土壤有机碳动态模拟结果回归分析
Fig. 4 摇 Regression analysis of simulation results of soil organic
carbon dynamics
机碳储量开始出现净增长(图 2,表 6);但与造林前通
过堆肥等措施后土壤有机碳储量水平相比,马尾松林恢
复后前 5a,林地表层土壤的平均碳吸存速率为
-0. 104tC / hm2(表现为碳源),下降幅度达 6. 78% (表
6),显著高于 Paul 等[23]报道的全球造林后的前 5a 土
壤有机碳流失水平(3. 64% )。
根据图 5 可以看出,侵蚀退化地在马尾松林建植后
15—25a内,林地表层土壤的碳吸存速率以非线性的形
式增加,并达到最大值(约 0. 5—0. 6 tC·hm-2·a-1);而马
尾松建植后 30 年内表层土壤碳的平均积累速率约为
0. 385 tC·hm-2·a-1,略高于之前 Post 和 Kwon[1]报道的
重新建植的森林土壤碳的平均累积速率 0. 338 tC·hm-2
·a-1。 而在向当地顶级群落演替过程中,表层土壤碳吸
存的速率随恢复时间的变化关系表现为类似于抛物线的形式,长期平均碳吸存速率约为 0. 156 tC·hm-2·a-1。
9692摇 10 期 摇 摇 摇 何圣嘉摇 等:红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 摇
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凋落物中的各个组分对林地养分归还的贡献有着较大的差别,其中凋落的针叶对马尾松林地养分归还的影响
最大[24],频繁的清除林下凋落物(特别是松针)将直接减少土壤有机物质和养分的输入量。 由于无法统计历
史上这类人为干扰的频数与强度,故本研究中没有排除这一人为干扰,可能使模拟结果存在一定的高估,造成
估算得到的碳吸存量及壤碳吸存速率偏大。 但就整体而言,RothC 26. 3 模型还是较好地模拟了侵蚀退化红壤
马尾松恢复后林地表层土壤有机碳库的动态变化。
表 6摇 植被恢复后前 5 年 0—20cm土层碳库动态
Table 6摇 Dynamic of 0—20cm soil organic carbon in first 5 years after restoration
植被恢复年限 Ages of restoration
0 1 2 3 4 5
有机碳储量 / ( tC / hm2)
Storage of organic carbon
7. 6804 6. 3336 6. 2386 6. 4135 6. 7382 7. 1599
碳吸存速率 / ( tC·hm-2·a-1)
Rate of soil carbon sequestration
-1. 3468 -0. 095 0. 1749 0. 3247 0. 4217
图 5摇 恢复过程中表层土壤净碳吸存量及固碳速率变化
Fig. 5摇 Quantity and rate of net carbon sequestration in topsoil during the restoration
2. 3摇 林地土壤碳汇效益及固碳潜力评价
土壤碳吸存的速率、碳库的大小及质量通常取决于气候、土壤、树种、凋落物的性质等因子的综合作用,而
土壤碳吸存速率在时间尺度上变化表现为非线性[25],也就意味着土壤中所能固定的碳并非无限增加的,而是
存在一个最大固持量,即碳饱和水平[26]。 直接外推法和模型法是目前有关土地利用∕覆被变化后土壤碳汇
效益及固碳潜力评价的主要手段。 本研究以未经治理的侵蚀退化地(CK1)为对照,根据直接外推法计算了侵
蚀退化地马尾松植被恢复过程中的碳汇效益;根据之前得到的马尾松林表层土壤有机碳储量与其恢复年限的
相对关系方程计算出 0—20cm土层碳吸存达到平衡时所需的时间(约 184a)和碳储量(36. 85 tC / hm2),并以
此为得到不同恢复阶段土壤的固碳潜力和最大固碳潜力(33. 26 tC / hm2)(表 7)。 整个演替过程中表层土壤
的碳汇量及固碳潜力的计算公式如下:
SCS = - 4. 8444 伊 10 -8x4 + 2. 67778 伊 10 -5x3 - 0. 0059x2 + 0. 65884x + 3. 92363 - ck1 (2)
CSP =SOCbalance-SOCcurrent (3)
式中,SCS为 0—20cm土层碳汇量(tC / hm2),x 为马尾松治理恢复年限(a),ck1 为侵蚀裸地(游坊屋背)
表层(0—20cm)有机碳储量(tC / hm2);SOCbalance 为平衡时土壤碳储量(tC / hm2),SOC 为当前土壤碳储量( tC /
hm2)。
0792 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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表 7摇 侵蚀退化地马尾松恢复过程中表层土壤碳汇及固碳潜力
Table 7摇 Carbon sink and sequestration potential of topsoil during the restoration
土地利用变化
Change of land use
0—20cm土层碳
汇量 / ( tC / hm2)
Carbon sequestration
of 0—20cm soil layers
所需恢复
时间 / a
Time required
for restoration
0—20cm土层固
碳潜力 / ( tC / hm2)
Potential of carbon sequestration
for 0—20cm soil layers
备注
Remarks
侵蚀退化红壤 5 7—8 27. 98—28. 86 侵蚀退化地表层土壤碳
马尾松林恢复 10 18—19 22. 90—23. 47 储量:3. 61 tC / hm2
Restoration of Pinus 20 43—44 13. 03—13. 28 平衡时碳储量:36. 85 tC / hm2
massoniana in 30 110—111 3. 18—3. 28
degraded red soil 30—33. 26 184—185 0
根据表 7 可以发现,侵蚀退化地在马尾松恢复 20a 内,林地 0—20cm土层对碳的固持量比治理前净增了
10 tC / hm2,而在接下来的 25a内的平均碳吸存速率下降为 0. 372 C·hm-2·a-1,碳汇量从 20 tC / hm2 上升至 30
tC / hm2 所需的时间约为 67a,特别是从当土壤有机碳储量接近饱和时,表层土壤碳汇量增加 3. 26 tC / hm2(从
30 tC / hm2 上升为 33. 26 tC / hm2)所需的时间更是长达 74a左右。 由此可见,当土地利用方式或者土地管理措
施发生变化后,土壤碳吸存的速率通常可以在短期内达到最大值[27];具体表现为土壤有机碳水平越低(与饱
和水平的差距越大),土壤碳更为容易快速积累,且随着土壤有机碳的不断增加(与饱和水平的差距不断缩
小),土壤对有机碳的固持能力不断下降[25];特别是当土壤有机碳含量接近甚至达到饱和容量时,即便有外源
碳的输入,土壤有机碳库亦不再增加[28]。
然而,土壤有机碳水平只是该地区天然条件(生产力、水分状况、温度等)下碳输入与损耗的平衡状态的
反映,但并不是该地区土壤有机碳储量上限的体现[26]。 因此,当外界条件发生改变(如:气候变化等),将影
响土壤有机碳的平衡水平。 目前国际上用于土壤有机碳动态模拟的模型基本是以一级动力学方程为基础来
模拟土壤中各个分库(模型概念库)有机质的分解,这也就意味着土壤达到平衡时的有机碳储量与外源碳的
输入量具有线性关系;尽管这些模型对有机碳水平在中等以下的土壤的碳动态的模拟效果较好,但随着外源
碳输入的提高,可能会使有机碳周转模型过高地估计土壤真正的固碳能力。 正是基于土壤有机碳周转模型可
能存在的不足,West[28]和 Stewart[29]认为当土壤有机碳水平与其饱和值之间的差距较大时,采用一级动力学
方程可以较好地实现土壤有机碳动态变化的模拟预测,但当土壤有机碳储量逼近碳平衡点时,用渐近线方程
代替一级动力学方程可以更好地模拟碳库动态。 本研究中对侵蚀退化地马尾松恢复过程中林地土壤碳平衡
点的估算是建立在有机碳输入量、分解速率、气候条件等不变、以及没有人为干扰破坏的前提下进行的。 特别
是气候条件的改变,将直接或者间接地影响外源碳的输入及土壤有机碳的分解,对土壤有机碳储量饱和容量
的模拟预测造成一些不确定的影响,需今后进一步研究;由于研究过程中忽略了一些实际存在的人为干扰和
破坏,将低估侵蚀地马尾松演替过程中土壤碳储量达到饱和点所需的时间。
3摇 结论
(1)RothC 26. 3 模型可以较好的模拟红壤侵蚀退化地马尾松恢复过程中 0—20cm 土层有机碳库的动态
变化,短期模拟和长期模拟都较好地反映了植被恢复过程中土壤有机碳的变化趋势(R2 达 0. 8 以上)。 侵蚀
退化地在马尾松林建植后,林地表层土壤碳吸存速率以非线性的形式上升,并在 15—25a 内到达最大值约
0郾 5—0. 6 tC·hm-2·a-1,植被建植后 30a内表层土壤碳的平均积累速率为 0. 385 tC·hm-2·a-1,红壤侵蚀退化地
自马尾松建植之后演替至当地顶级群落整个过程中林地平均碳吸存速率为 0. 156 tC·hm-2·a-1。
(2)根据模拟结果的拟合方程,计算得到研究区红壤侵蚀退化地 0—20cm 土层的碳饱和容量约为 36. 85
tC / hm2,固碳潜力约为 33. 26 tC / hm2(扣除对照后)。
(3)红壤侵蚀退化地在马尾松恢复 20 年内,林地 0—20cm 土层净碳汇量约为 10 tC / hm2;而在接下来的
25 年内,平均碳吸存则速率下降为 0. 372 tC·hm-2·a-1;碳汇量从 20 tC / hm2 上升至 30 tC / hm2 所需的时间约为
67a,特别是从当土壤有机碳储量接近饱和时,表层土壤碳汇量增加 3. 26 tC / hm2(从 30 tC / hm2 上升为 33郾 26
1792摇 10 期 摇 摇 摇 何圣嘉摇 等:红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 摇
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tC / hm2)所需的时间更是长达 74a左右。
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3792摇 10 期 摇 摇 摇 何圣嘉摇 等:红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 10 May,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Special Topics in Soil and Water Conservation of County Changting, Fujian Province
Spatiotemporal dynamics of the bare soil cover in the Hetian basinal area of County Changting, China, during the past 35 years
XU Hanqiu (2946)
……
……………………………………………………………………………………………………………………
Analysis of fractional vegetation cover change and its impact on thermal environment in the Hetian basinal area of County Chang鄄
ting,Fujian Province, China XU Hanqiu, HE Hui, HUANG Shaolin (2954)……………………………………………………
Dynamic of soil organic carbon pool after restoration of Pinus massoniana in eroded red soil area
HE Shengjia, XIE Jinsheng, ZENG Hongda, et al (2964)
……………………………………
…………………………………………………………………………
RUSLE鄄based quantitative study on the soil erosion of the Hetian basin area in County Changting, Fujian Province, China
YANG Ranran, XU Hanqiu, LIN Na, et al (2974)
…………
…………………………………………………………………………………
Land use changes in a reddish soil erosion region of Southern China: Hetian Basin, County Changting
LIN Na, XU Hanqiu, HE Hui (2983)
………………………………
………………………………………………………………………………………………
Remote鄄sensing estimate of the carbon storage of subtropical Pinus massoniana forest in the Hetian Basin of County Changting,
China HUANG Shaolin, XU Hanqiu, LIN Na, et al (2992)………………………………………………………………………
Mutation of soil fertility quality in the red eroded area of southern China:A case study in Changting County, Fujian Province
CHEN Zhiqiang, CHEN Zhibiao (3002)
………
……………………………………………………………………………………………
Frontiers and Comprehensive Review
The temperature dependence of soil organic matter decomposition and CO2 efflux: a review
SHEN Zhengtao,SHI Bin,WANG Baojun,et al (3011)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Progress and prospects on cyanobacteria bloom鄄forming mechanism in lakes
MA Jianrong, DENG Jianming, QIN Boqiang,et al (3020)
……………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Autecology & Fundamentals
Characteristics of concentrations and carbon isotope compositions of dissolved inorganic carbon in soil water under varying vegeta鄄
tionsin karst watershed LIANG Xuan, WANG Zhijun, YUAN Daoxian, et al (3031)……………………………………………
The traits of diapause development of overwinter eggs in Rammeacris kiangsu Tsai (Orthoptera: Arcypteridae)
ZHU Daohong, CHEN Yanyan, ZHAO Qin (3039)
………………………
…………………………………………………………………………………
Analysis of gamete compatibility between Crassostrea hongkongensis and C. gigas
ZHANG Yuehuan, WANG Zhaoping, YAN Xiwu, et al (3047)
………………………………………………………
……………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Avifaunal community structure and species diversity in the Mt. Qomolangma National Nature Reserve, Tibet, China
WANG Bin,PENG Boyong,LI Jingjing,et al (3056)
…………………
………………………………………………………………………………
Impact of logging on carbon density of broadleaved鄄Korean pine mixed forests on Changbai Mountains
QI Lin, YU Dapao, ZHOU Wangming,et al (3065)
………………………………
………………………………………………………………………………
Community structure and species diversity of fish assemblage in the coastal waters of Jiaozhou Bay
XU Binduo, ZENG Huihui, XUE Ying, et al (3074)
……………………………………
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Assessment of heavy metal contamination in the soil鄄plant system of the Suaeda salsa wetland in the Yellow River Estuary
WANG Yaoping, BAI Junhong, XIAO Rong, et al (3083)
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The effects of different original state on grassland community restoration succession
YANG Chen, WANG Wei, WANG Shiping, et al (3092)
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Effects of fertilization gradients on plant community structure and soil characteristics in alpine meadow
WANG Changting, WANG Genxu, LIU Wei, et al (3103)
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Pattern鄄controlling mechanics of different age classes of Stellera chamaejasme population in degraded alpine grassland
GAO Fuyuan,ZHAO Chengzhang (3114)
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Soil organic carbon pool at the western side of the sygera mountains, southeast Tibet, China
MA Heping,GUO Qiqiang,LIU Heman,et al (3122)
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Correlation between foliar 啄13C and foliar trait factors of dominant species in Castanopsis carlessii forests in Lingshishan National
Forest Park WANG Yingzi (3129)…………………………………………………………………………………………………
Influences of artificial Kandelia obovata mangrove forest rehabilitation on the macrobenthos in Ximen Island
HUANG Li, CHEN Shaobo, CHOU Jianbiao, et al (3138)
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Responses of soil microbial properties in soil profile to typical vegetation pattern and slope in karst鄄cluster depression area
FENG Shuzhen, SU Yirong, QIN Xinmin, et al (3148)
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Correlation among vegetation characteristics, temperature and moisture of alpine meadow in the Qinghai鄄Tibetan Plateau
XU Manhou, XUE Xian (3158)
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Landscape, Regional and Global Ecology
The temporal and spatial variation of the value of ecosystem services of the Naoli River Basin ecosystem during the last 60 years
ZHAO Liang, LIU Jiping, TIAN Xuezhi (3169)
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Sensitivity analysis of climate control in the Daisyworld model based on system dynamics CHEN Haibin,TANG Haiping (3177)……
Resource and Industrial Ecology
Analysis of key climatic factors influencing on seed cotton yield in cotton鄄wheat double cropping
HAN Yingchun,WAN Guoping,FAN Zhengyi,et al (3185)
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The effect of low鄄covered sand鄄fixing forest belts on restoration of the soil and vegetation
JIANG Lina, YANG Wenbin, LU Qi,et al (3192)
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Dissolution rate under soil in karst areas and the influencing factors of different land use patterns
LAN Jiacheng, FU Wali, PENG Jingtao, et al (3205)
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Measuring external benefits of agricultural land preservation: an application of choice experiment in Wuhan, China
CHEN Zhu, JU Dengping, ZHANG Anlu (3213)
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Research Notes
Effect of temperature and feeding frequency on asexual reproduction and polyp growth of the scyphozoan Cyanea nozakii Kishinouye
SUN Ming, DONG Jing, CHAI Yu, LI Yulong (3222)……………………………………………………………………………
The research on Buteo hemilasius nest鄄site selection on the west bank of Dalai Lake in Dalai Lake Natural Reserve
ZHANG Honghai, WANG Ming, CHEN Lei,et al (3233)
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Estimating rodent density using infrared鄄triggered camera technology ZHANG Shusheng, BAO Yixin, WANG Yanni, et al (3241)…
8423 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索自然奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,促
进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 10 期摇 (2013 年 5 月)
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