钱江源国家公园不同景观土壤有机碳库和蓄水性能研究
汪家军 余顺海 姜伟东 姚玉才 章明奎
摘 要：为了解钱江源国家公园不同土地利用景观区生态功能的差异，选择林地、茶园、水田和旱地等4类土地利用景观，分别采集了代表性表层和土壤剖面分层土样，分析了土壤有机质组分、酸碱度、主要养分元素及渗透性和蓄水性。结果表明，土壤有机质含量由表层向下呈下降趋势，土壤有机质含量、贮量和活性有机质占有机质的比例均是林地>茶园>水田>旱地，土壤C/N比为林地>茶园>水田、旱地;土壤pH值为水田>旱地>林地>茶园;土壤有效磷和速效钾含量为茶园>水田、旱地>林地。林地表层土壤具有较低的容重，其透水性和蓄水能力明显高于茶园和旱地，并具有较高的阳离子交换量和水稳定性团聚体数量。研究认为，从土壤固碳与保水2个方面考虑，钱江源国家公园内林地的生态功能明显强于其他景观用地，旱地的生态功能最弱。因此，加强林地建设和逐渐减小旱地面积有助于强化园区生态功能。
关键词：钱江源国家公园;利用方式;有机碳;透水性;蓄水能力
中图分类号 S714.2文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）12-0095-05
Soil Organic Carbon Pool and Water Storage Performance of Different Landscapes in Qianjiangyuan National Park
WANG Jiajun1 et al.
（1Qianjiangyuan National Park Administration， Kaihua 324300， China）
Abstract： To understand the differences of soil ecological functions in different landscapes of the Qianjiangyuan National Park， four types of land-uses， including woodland， tea garden， paddy field and upland， were selected in the Park. Both representative surface soil and profile horizon soil samples were collected from each of land-uses for characterizing organic matter， pH， main nutrient elements， water permeability and water storage capacity. The results showed that the content of soil organic matter decreased from the surface to the bottom， content and storage of organic matter， and the proportions of active organic matter in total organic matter decreased in the order of woodland>tea garden>paddy field>upland. C/N ratio in the soils decreased in sequence of woodland>tea garden>paddy field and upland. Soil pH decreased in the order of paddy field>upland>woodland>tea garden. Soil available phosphorus and available potassium increased in the order of woodland<upland<paddy
Key words： Qianjiangyuan National Park; Land-use; Organic carbon; Water permeability; Water storage capacity
森林是陸地生态系统重要的调节器，其利用林冠层、枯落物层和土壤层对降水进行拦截和滞蓄，对大气中的碳进行固定，在削峰滞洪、涵养水源、补充地下水、调控土壤养分、降低大气中温室气体及维护生态平衡中起着重要的作用[1-6]。森林土壤对水分的拦蓄和调节作用被形象地称为“土壤水库”，定量评估森林的水源涵养作用对流域水资源规划、管理，区域生态建设以及生态补偿等具有重要作用[7-9]，其库容大小直接影响森林生态系统对降水的调节能力[10-13]。森林土壤有机碳是陆地生态系统中主要的碳库，其在保持土壤质量、维持区域生态功能等方面起着重要的作用[14-16]。因此，保护林地、提高森林覆盖率已成为区域生态安全建设的重要内容。钱江源国家公园位于浙江省开化县西北部，其总面积252km2，包括古田山国家级自然保护区、钱江源国家级森林公园、钱江源省级风景名胜区等3个保护地以及连接以上自然保护地之间的生态区域。经过数十年对古田山国家级自然保护区和钱江源国家级森林公园的保护与建设，园区内生态环境逐渐改善，生态功能趋向完善，物质循环趋向平衡;但因受人为保护力度与历史上土地利用等方面的差异，区内不同地区生态状况仍有一定的差异。为了解区内不同土地利用景观区土壤入渗和水分蓄存功能的差异及土壤有机碳库与质的变化规律，本研究在园区内选择林地、茶园、水田和旱地等4类土地利用景观，分别采集代表性表层和土壤剖面分层土样，分析土壤有机质组分、酸碱度、主要养分元素及渗透性和蓄水性，旨在为园区开展全面的生态环境建设提供科学依据。</upland
1 材料与方法
1.1 土壤样品的采集 采样于2018年5—8月进行，采集的土壤样品分为2类：（1）表层土壤：采集深度为0～15cm，包括林地、茶园、水田和旱地等4类土地利用景观，采样数分别为11、8、8和8个。（2）剖面分层土样：另在调查区各选择林地、茶园、水田和旱地等用地的典型样地1个，挖掘土壤标准剖面，按0～15、15～30、30～50、50～70和70～100cm深度分别采集分层土样。采集的林地、茶园和旱地土壤类型均为黄泥土（属于红壤土类、黄红壤亚类），水田土壤为黄泥砂田（属于水稻土土类）。在田间采集以上分析样品的同时，用容重圈各采集4份相应土壤的原状样，用于测定土壤容重和饱和导水率。
1.2 测定方法
1.2.1 土壤有机碳和有机碳组分 土壤有机碳采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法测定;土壤有机碳的形态采用密度分离与湿筛法相结合的方法进行分析，称取10.00g土样，用密度为1.85g·cm-3 NaI溶液分离得到游离态轻组（fLF）和重组（HF）[17];向重组中加入0.5%（w/v）六偏磷酸钠溶液，振荡18h，依次通过0.053mm的筛，分别得到颗粒有机碳（>0.053mm）和矿物结合态有机碳（<0.053mm），各组分样在40℃下烘干、称重，测定有机碳含量，并计算各有机碳组分的相对比例。土壤水溶性有机碳用0.5mol·L-1 K2SO4溶液浸提，用Shimadzu TOC自动分析仪测定。
1.2.2 土壤物理性状 土壤容重采用环刀法测定[18];土壤总孔隙度根据土壤容重计算获得。饱和导水率依据森林土壤渗透性测定方法（LY/T 1218-1999）测定;土壤饱和蓄水量（Wt）根据总孔度计算：
式中pt为土壤总孔度（%）;h为土层厚度（m）。
土壤水稳定性团聚体采用湿筛法测定[18]。
1.2.3 土壤化学性状 pH、交换性酸、阳离子交换量（CEC）、全氮、有效磷、速效钾采用常规方法测定[18]。
2 结果与分析
2.1 不同景观类型土壤的有机碳及其组分 土壤有机碳组分可分为游离态（轻组）、颗粒态（重组）和矿物结合态（重组）等3种形态。游离态有机碳是指未与土壤无机成分结合的有机碳，主要是一些刚进入土壤的半分解有机碳;颗粒态有机碳是指与土壤中大粒径水稳定性团聚体结合的有机碳，其活性较强，是易受微生物矿化分解的有机碳;矿物结合态有机碳是指与土壤黏粒矿物紧密结合的有机碳，其主要是高度腐殖化的有机碳，是稳定态有机碳。表1可知，4种土地利用景觀的土壤有机碳及其组分有较大的差异，且每一类景观的土壤有机碳也有较大的变异。林地表层土壤有机碳积累最为明显，平均值为25.48g·kg-1，明显高于其他用地;最低的为旱地，平均值为9.48g·kg-1;林地表层土壤有机碳约为旱地、茶园和水田的2.69、1.43和1.77倍。茶园和水田表层土壤有机碳也明显高于旱地。
表1结果可知，表层土壤中游离态、颗粒态和矿物结合态等3种组分的有机碳的含量变化趋势与有机碳相似，均呈现出林地>茶园>水田>旱地。3种有机碳的组成比例以矿物结合态最高，平均都在50%以上;其次为颗粒态有机碳，其平均比例在5%～25%之间;游离态有机碳的比例较低，基本上在15%以下。活性较高的有机碳（包括游离态有机碳和颗粒态有机碳）的比例以林地最高，其次为茶园和水田，旱地最低，其变化趋势与有机碳的含量一致;而矿物结合态有机碳的比例恰好相反。这一结果表明，旱地土壤的有机碳稳定性最高，林地土壤的有机碳稳定性最低，这与林地输入的有机物质较多，有机碳更新较快有关。土壤中水溶性有机碳含量也是林地>茶园>水田>旱地，说明了林地土壤中具有较多能被微生物矿化的有机碳。从林地土壤有机碳活性组分比例较高可知，林地土壤中有较高比例的有机碳以不稳定状态存在，一旦林地破坏或被开垦，土壤中有机碳将迅速分解而下降。同时，林地土壤的高有机碳主要依靠有机碳的高输入得以维持，因此保护林地对维持土壤有机碳库和保护区生态环境非常重要。
表2的结果表明，虽然各土壤有机碳含量均随剖面深度降低，但林地的深层土壤有机碳也都高于其他用地土壤。计算结果表明，林地、茶园、水田和旱地0～50cm土层土壤有机碳的贮量分别为14.25、8.27、7.73和4.95kg·m-2，0～100 cm土层土壤有机碳的贮量分别为17.98、10.42、10.10和7.06kg·m-2。林地0～50cm土层土壤有机碳的贮量分别为茶园、水田和旱地的1.72、1.84和2.88倍，0～100cm土层土壤有机碳的贮量分别为茶园、水田和旱地的1.73、1.78和2.55倍，表明林地土壤具有较强的固碳潜力。由此可见，从土壤固碳角度林地比其他用地具更好的生态与环境效果。
2.2 不同景观类型土壤的酸碱度和养分 表3可知，4种土地利用景观的土壤pH值均呈酸性，但它们的平均pH值也有一定的差异，以水田最高，茶园最低，林地低于旱地。茶园土壤pH值低于自然林地与茶树根系分泌较多的酸性物质有关，表明植茶容易导致土壤酸化。土壤全氮的变化与有机碳略有差异，以水田和茶园较高，旱地较低，林地居中，这与农业用地施用较多的氮肥有关。土壤碳氮比以林地最高，水田和旱地较低，茶园居中。土壤有效磷和速效钾一般以茶园最高，林地较低，这与茶园属经济作物、具有较高的经济效益，施用的磷肥和钾肥量相对较多有关。以上结果表明，由于研究区位于亚热带湿润气候，土壤物质风化强烈，矿质养分较低，因无外源养分的投入，自然林地土壤氮磷钾水平较低。
2.3 不同景观类型土壤的保肥性、保水性和透水性 土壤阳离子交换量（CEC）可反映土壤的保肥能力。表3可知，由于林地土壤有机碳较高，具有较高的保肥能力，其平均CEC分别比茶园、水田、旱地高出13.77%、30.18%和32.07%。林地土壤的容重明显低于茶园（表4），也略低于水田和旱地，这可能也与林地土壤具有较高的有机碳含量有关。表2可知，0～50cm土层的容重一般是林地低于其他土壤，而50cm以下的土层容重在4种土壤之间差异较小，部分是林地土壤大于其他土壤。林地土壤容重的这种分布模式可能与树木根系分布有关，0～50cm土层是树林根系的主要分布区，根系伸展对土壤的松土作用和根系及枯枝落叶对土壤有机碳的补充使得林地0～50cm土层土壤的容重较小。
表4可知，土壤饱和导水率与土壤有机碳积累和容重的变化相似，随有机质积累的增加而增加，随容重降低而减小，因而呈现林地土壤饱和导水率明显大于其他土壤。这一结果表明，与其他用地景观比较，在降雨时林地地面具有较强的渗透速率。4种土地利用景观土壤的饱和持水量（占土壤的重量）差异相对较小，但其平均值也是林地较高，茶园较低，与容重的变化恰好相反。表2的结果表明，土壤饱和持水量呈现随土层深度增加而降低的趋势，即上层土壤具有较大的滞水作用。计算表明，林地、茶园、水田、旱地等4类利用土壤在0～50cm土层中的贮水潜力（饱和持水量）分别为2681、2557、2555和2526t·hm-2，在0～100cm土层中的贮水潜力分别为4855、4692、5049和4751t·hm-2。可见，0～50cm土层中的贮水总潜力以林地最高;但若以0～100cm土层计，则以水田最高，但林地的贮水总潜力仍然高于茶园和旱地。表4结果还可知，林地土壤具有较高的水稳定性大团聚体，说明其具有较强的抗蚀性。
3 讨论
林地在水土保持、水源涵养及生态系统的固碳过程中起着重要的作用，完整的生态系统由地上和地下生态系统两部分组成，陆地系统的生态环境效应是地下土壤与地上植物共同作用的结果，且土壤与植物之间可以相互作用、相互影响。本研究对钱江源国家公园不同景观的土壤性状研究也表明，地表利用方式可显著影响土壤性状，土壤有机质含量、贮量和活性有机质占有机质的比例均是自然的林地系统高于茶园、水田、旱地等人工系统，林地表层土壤具有较低的容重，其透水性和蓄水能力明显高于其他用地，并具有较高的阳离子交换量和水稳定性团聚体数量，表明林地的生态功能明显强于其他景观用地。上述不同利用方式下土壤性状的差异，与地上植物影响地下土壤有关。生长良好的植被可通过根系分泌物、植物残体和枯枝落叶为土壤系统输入更多的有机物质[16]，促进土壤有机质、全氮及速效养分的提升，并明显提高土壤微生物生物量，增加酶活性。因此，通过封山育林或营造人工林、灌、草植被，把园区内的农地系统转变为林地系统，可有效促进园区生态系统中养分的良性循环，增加陆地系统的碳库。
雨水的入渗和水分蓄存能力是衡量森林土壤调节水分的2个重要指标，但因林冠和枯叶层截留水量有限，暴雨期间森林的持水、蓄水和调水等功能主要依靠林下土壤来实施，因此，土壤是森林生态系统最为重要的蓄水库，其库容大小直接影响森林生态系统对降水的调节能力。入渗作为自然界水分循环的一个重要环节，决定着地表径流和渗入土内水分两者的数量分配，也决定着降水进入土壤的数量[19～22]，提高土壤渗透性能可减少地表径流、削弱土壤侵蚀动力，从而减少土壤流失量[23～25]。钱江源国家公园山体主要由花岗岩、花岗斑岩、流纹斑岩、凝灰岩等酸性岩构成，山体的浅层岩石破碎明显，存在较多的裂隙，具有较大的蓄水能力，只要位于地表的土壤具有足够的透水性、暴雨产生的地表水能有效入渗进行土壤[8]，就可有效实现水源涵养功能。而本研究的结果表明，区内林地具有很强的透水性，其原因可能是植被通过根系的生长改变土壤的结构状况，降低土壤的容重，提高土壤的抗冲性和土壤抗剪强度，改善了土壤水分的入渗能力[22，26]。因此，从陆地系统的保水角度，把园区内的农地系统转变为林地系统，可有效降低地表径流，大大提升园区的蓄水能力。
4 结论与建议
对钱江源国家公园内4种用地景观的土壤性态观察表明，林地与茶园、水田和旱地之间多方面性质有较大的差异。土壤有机质含量、贮量和活性有机质占有机质的比例均是林地>茶园>水田>旱地，土壤C/N比林地>茶园>水田、旱地;土壤酸度为水田<旱地<林地水田、旱地>林地。研究表明林地因表土容重较低，其透水性与蓄水能力明显高于茶园和旱地，并具有较高保蓄性和水稳定性团聚体数量。分析认为，从土壤固碳和保水等考虑，该加强园区内林地建设、逐渐减小旱地面积。
参考文献
[1]殷有，周永斌，崔建国，等.林冠截留模型[J].辽宁林业科技，2001（5）：10-12.
[2]宋轩，李树人，姜凤，等.长江中游栓皮栎林水文生态效益研究[J].水土保持学报，2001，15（2）：76-79.
[3]刘向东，吴钦孝，苏宁虎.六盘山林区森林树冠截留、枯枝落叶层和土壤水稳性质的研究[J].林业科学，1989，25（3）：220-227.
[4]杨玉盛，陈光水，谢锦升.论森林水源涵养功能[J].福建水土保持，1999（3）：3-7.
[5]潘根興，赵其国.我国农田土壤碳库演变研究：全球变化和国家粮食安全[J].地球科学进展，2005，20（4）：384-393.
[6]黄耀，孙文娟，张稳，等.中国陆地生态系统土壤有机碳变化研究进展[J].中国科学：生命科学，2010（7）：577-586.
[7]李德生，张萍，张水龙，等.黄前库区森林土壤蓄水能力研究[J].南京林业大学学报，2004，28（1）：25-28.
[8]王冬米.森林土壤透水蓄水性能的研究[J].林业科技开发，2000，14（4）：10-12.
[9]郭立群，王庆华，周洪昌，等.滇中高原区主要森林类型林地土壤蓄水功能[J].云南林业科技，1999，（1）：26-31.
[10]白育英.大青山水源涵养林生态效益的研究[J].内蒙古林业科技，2000，（4）：16-19.
[11]阎树文.黄土地区不同森林类型的水土保持效益研究[J].水土保持通报，1986，6（2）：1-5.
[12]车克钧，傅辉恩，贺红元.祁连山水源涵养林效益的研究[J].林业科学，1992，28（6）：544-548.
[13]马雪华.四川米亚罗地区高山冷杉林水文作用的研究[J].林业科学，1987，23（3）：253-265.
[14]谢锦升，杨玉盛，杨智杰，等.退化红壤植被恢复后土壤轻组有机质的季节动态[J].应用生态学报，2008，19（3）：557-563.
[15]王春燕，何念鹏，吕瑜良.中国东部森林土壤有机碳组分的纬度格局及其影响因子[J].生态学报，2016，36（11）：3176-3188.
[16]秦纪洪，王琴，孙辉.川西亚高山-高山土壤表层有机碳及活性组分沿海拔梯度的变化[J].生态学报，2013，33（18）：5858-5864.
[17]Six J， Callewaert P， Lenders S， et al. Measuring and understanding carbon storage in afforested soils by physical fractionation[J]. Soil Science Society of America Journal， 2007， 66（6）：1981-1987.
[18]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业科技出版社，1999.
[19]高人，周广柱.辽宁东部山区几种主要森林植被类型土壤矿质层蓄水能力分析[J].沈阳农业大学学报，2003，34（1）：31-34.
[20]吴钦孝，刘向东，苏宁虎，等.山杨次生林枯枝落叶层蓄积量及其水文作用[J].水土保持学报，1992，6（1）：71-76.
[21]张理宏，李昌哲，杨立文.北京九龙山不同植被水源涵养作用的研究[J].西北林学院学报，1994，9（1）：18-21.
[22]郝占庆，王力华.辽东山区主要森林类型林地土壤涵蓄水性能的研究[J].应用生态学报，1998，9（3）：237-241.
[23]范世香，裴铁，蒋德明，等.两种不同林分截留能力的比较研究[J].應用生态学报，2000，11（5）：671-674.
[24]杨吉华，柳凯生，宫瑞，等.山丘地区森林保持水土效益的研究[J].水土保持学报，1993，7（3）：47-52.
[25]袁春明，朗南军，孟光涛，等.长江上游云南松林水土保持生态效益的研究[J].水土保持学报，2002，16（2）：87-90.
[26]马艳娥.退耕还林的生态作用及实施措施[J].林业资源管理，1999，36-39.
（责编：王慧晴）
