黄土丘陵区不同土地利用类型下深层土壤轻组有机碳剖面分布特征

马昕昕，许明祥，张 金，邱宇洁，脱登峰，

(1西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;2西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100;3中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100)

土地利用/覆被变化是引起土壤碳通量及储量变化的主要原因之一。黄土高原地区具有疏松深厚的黄土层，加之退耕还林过程中深根性植被的建造，对深层土壤有机碳固存产生了重要影响，人工刺槐林、柠条林地以及撂荒地深层土壤(100—200 cm)有机碳密度占2 m土体有机碳密度的比例可达35% 40%［1］。作为影响土壤有机碳固存的重要因素，土壤有机碳的稳定性对评价土壤固碳效应、揭示深层土壤有机碳在生态系统碳循环中的作用尤为重要［2］，研究深层土壤固存有机碳的能力必须要考虑深层土壤有机碳的稳定性。

土壤有机碳的稳定性取决于土壤有机碳不同组分的构成及其与环境的相互作用［3－4］。物理保护作为土壤有机碳稳定性的重要保护机制，主要通过土壤有机质与土壤中大小粒子结合成复合体或团聚体，使微生物难以靠近有机质进行分解而起到保护作用。因此研究土壤有机碳稳定性，首先要明确土壤有机碳的物理保护作用［5］。密度分组就是通过物理方法将土壤中与矿质部分结合相对松散的部分，即轻组有机碳(light fraction organic carbon，LFOC)和与表面粘粒矿物相结合、有更好地抵抗微生物降解能力的有机矿物复合物—重组有机碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)分离开［6］。其中，作为与矿质结合相对松散、分解速度相对较快的非保护性组分—轻组有机碳则是研究土地利用变化影响的主要部分［6］。轻组有机碳含量在土壤总有机碳中所占的比例越大，就意味着有机碳中非保护性的碳越多，土壤有机碳越不稳定，而不利于有机碳的长期积累［3，6］，反之亦然。

国内外对土壤轻组有机碳进行了大量研究［7－9］。Sollins等［10］发现，加利福尼亚森林中，0—10 cm土层LFOC占总有机碳含量的44% 63%，而在10—30 cm土层降低为28% 46%;吴建国等［6］研究也显示轻组有机碳分配比例总体随土层深度增加而降低;在相同土层中，不同土地利用方式轻组有机碳分配比例不同，且差异主要在0—40 cm土层中。党亚爱等［11］对黄土高原草地与农田土壤研究结果表明，LFOC含量及其在土壤有机碳中的分配比例随土层加深而递减，60 cm以内土层中草地的LFOC含量较农田高，60 cm土层以下差异不显著。尽管黄土高原深根性植被的建造对浅层土壤轻组有机碳产生了较显著的影响，但对深层土壤有机碳组成及其稳定性的影响尚不清楚。

本研究以黄土丘陵区人工林地(刺槐林 R.pseudoacacia woodland、 柠 条 林 C.korshinskii shrubland)、撂荒地(abandonded cropland)、坡耕地(slope cropland)为研究对象，以0—100 cm土层作对比，研究各土地利用类型下土壤 LFOC在下层(100—400 cm)土壤中的分布特征，并对比各利用类型下同一土层 LFOC占该层有机碳的比例，即LFOC的分配比例［6］，揭示植被恢复过程中深层土壤有机碳的稳定性，为区域植被恢复的土壤固碳效应评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安塞县纸坊沟(N36°51'30″，E109°19'30″)，流 域 面 积 8.27 km2，年 辐 射 总 量 492 kJ/cm2，年平均气温8.8℃，≥0℃的积温3733.5℃;年均降水量为549.1 mm，枯水年300 mm左右，丰水年700 mm以上，7 9月的降水量占全年降水量的61.1%，年蒸发量＞1463 mm［5］。该区地形破碎，沟壑纵横，属典型的黄土高原丘陵沟壑区;土壤类型以黄土母质上发育而成的黄绵土为主，抗冲抗蚀能力差［12］，水土流失严重，是生态环境恢复与重建的重点区域［13－14］。经过 30多年水土保持综合治理，有效遏制了该区域水土流失，逐步恢复了退化生态系统，林地面积从1980年的不足5%增加到40%以上［5］。该区处于暖温带落叶阔叶林向干草原过渡的森林草原带，常见的植被恢复类型有:以刺槐(Robinia pseudoacacia)为主的人工林;以柠条(Caraganakorshinskii)和沙棘 (Hippophae rkamnoides)等为主的人工林灌丛以及封禁后形成的黄刺玫(Rosa xanthina)、丁香(Syringa oblata)、虎棒子(Ostrypsis davidiana)和狼牙刺(Sophora viciifolia)等天然灌丛;以铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、茭蒿(Artemisia giraldii)、长芒草(Stipa bungeana)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)、狗尾草(Setaria viridis)、披针苔草(Carex lancoolata)等为主的撂荒恢复草地［15］。

1.2 样地选取和土壤样品采集

2011年5月，在纸坊沟流域选择历史背景相同(植被恢复前为坡耕地)、立地条件相似、恢复年限相近、植株长势基本一致的刺槐林、柠条林、撂荒地典型样地及坡耕地各3块，各样地面积约为40～600 m2，记录各样地的植被和地形特征(表1)。每块样地选3个样点，用内径为5 cm的土钻分层采0—400 cm土样，0—200 cm每20 cm为一层，200—400 cm每40 cm为一层。取样后拣去碎石和根系残体，风干、研磨、过2 mm筛。在采样同时，分别在每个样地挖400 cm深的土壤剖面，与土钻取样分层一致，测定每层土壤容重，同时在每层采集10 cm×10 cm×20 cm大小土体，带回实验室后分拣、清洗植物根系，计算每层土壤的根系生物量(表2)。

表1 样地概况Table 1 Characteristics of studied sites

表2 各样地土壤剖面根系生物量分布特征Table 2 Characteristics of root biomass in each soil layers in the studied sites

1.3 试验方法

土壤有机碳物理分组［11，16－17］:称取过 2 mm 筛风干土样10.0 g于100 mL离心管中，加入50 mL比重为1.7 g/cm3的NaI溶液，用手轻轻摇动离心管，使土壤与重液混合均匀。混合物在为震速250 times/min的往复震荡机上振荡60 min。分散后的悬浮液在转速3000 r/min的离心机上离心10 min。混合物表面悬浮物倒入0.45μm的微孔滤膜过滤轻组有机质，再向离心管中加入20 30 mL NaI溶液，按同样步骤再次分离、离心和收集重组物质(重复2 3次)。将收集的重组物质用0.01 mol/L CaCl2溶液淋洗，再用蒸馏水淋洗直至无Cl－反应，并转移到已称重的25 mL烧杯中，在60℃下烘干(24 h)，称重。得到重组物质占整个样品质量的比例。研磨过0.15 mm筛，重铬酸钾外加热法测定重组土壤有机碳的含量。计算轻组有机碳含量及其分配比例。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定［18］。

1.4 数据处理

试验数据用Excel软件进行预处理，SPSS18.0统计软件对不同利用类型下不同土层轻组有机碳含量及其分配比例进行ANOVA分析，LSD法进行差异显著性检验。

用SPSS18.0统计软件中的线性模型(general loglinear analysis，GLM)的方差成分估计模块(variance components analysis)计算利用类型、土层、有机碳含量、根系生物量等因子在土壤轻组有机碳含量及其分配比例变异(方差)中所占的百分比，其百分比的大小可反映各因子对土壤轻组有机碳含量及其分配比例的影响程度。将定性的利用类型赋以不同的编码，使其定量化，以利用类型、土层、有机碳含量、根系生物量等为随机因子，用最小二乘无偏估计法计算各因素的方差。

已有的土壤固碳研究主要针对上层(≤100 cm)土壤展开，土壤有机碳储量也多用100 cm以上土层的碳密度为依据估算，据此，本研究将0—100 cm作为浅层，100 cm以下为深层。另外为了方便研究，更好地描述结果，本文将100—400 cm土层细分为100—200 cm、200—400 cm两个层次，并定义为亚深层和深层。

2 结果与分析

2.1 不同利用类型土壤中轻组有机碳(LFOC)含量的剖面分布特征

林地(刺槐、柠条)、撂荒地、坡耕地三种利用类型下土壤轻组有机碳含量随土层加深呈递减趋势(图1)，且亚深层(100—200 cm)、深层土壤(200—400 cm)LFOC含量与浅层土壤有显著差异(P＜0.05，图2)。其中，刺槐林地亚深层和深层土壤LFOC含量分别为浅层(0—100 cm)土壤的14.2%、9.7%，柠条林地亚深层和深层土壤LFOC含量分别为浅层的19.7%、16.3%;撂荒地亚深层和深层土壤LFOC含量分别为其浅层的14.7%和12.4%;坡耕地亚深层和深层土壤LFOC含量分别为浅层的39.8%、29.0%。几种利用类型下亚深层土壤LFOC含量与深层之间无显著差异(P＞0.05)。

图1 不同利用类型土壤轻组有机碳LFOC含量随土层深度的变化Fig.1 The contents of light fraction organic carbon(LFOC)in each soil layer under different land use types

浅土层中，林地和撂荒地土壤LOFC含量(1.76 g/kg和0.86 g/kg)分别为坡耕地(0.31 g/kg)的5.7倍、2.8倍，三者之间差异显著(P＜0.05，图2);亚深层土壤中，林地和撂荒地LFOC含量分别为坡耕地的2.4倍、1.0倍，其中柠条的LFOC含量(0.34 g/kg)与草地(0.13 g/kg)、农田(0.12 g/kg)有显著差异，而刺槐的LFOC含量(0.25 g/kg)与撂荒地、坡耕地无显著差异;深土层中，林地和撂荒地LFOC含量分别为坡耕地的2.5倍、1.2倍，其中刺槐、柠条LFOC含量分别为0.17 g/kg、0.28 g/kg，均与撂荒地(0.10 g/kg)、坡耕地(0.09 g/kg)呈显著差异。这表明，在0—400 cm剖面上，林地、撂荒地土壤的LFOC含量整体较坡耕地高，三种利用类型土壤的LFOC含量在0—400 cm剖面上变化为林地＞撂荒地＞坡耕地。

2.2 不同利用类型土壤中轻组有机碳(LFOC)分配比例的剖面分布

LFOC分配比例表示轻组有机碳在土壤总有机碳中所占的比例。三种土地利用类型土壤LFOC分配比例随土层深度增加而降低(图3)。林地、撂荒地、坡耕地亚深层(100—200 cm)、深层土壤(200—400 cm)土壤LFOC分配比例与浅层(0—100 cm)差异显著，且坡耕地、撂荒地亚深层、深层之间也达显著差异水平(P＜0.05，图4)。其中，刺槐林地亚深层、深层土壤LFOC分配比例分别约为浅层的36.2%、28.7%;柠条林地亚深层、深层土壤LFOC分配比例分别约为浅层的54.6%、42.8%;撂荒地亚深层、深层土壤分别约为浅层的49.8%、39.5%;而坡耕地亚深层、深层土壤分别约为浅层的66.2%、47.1%。可见，土壤LFOC分配比例随土层加深的降幅大小为刺槐＞撂荒地＞柠条＞坡耕地。

图2 不同利用类型土壤LFOC含量的剖面分布Fig.2 Distributions of LFOC content in soil profiles under different land use types

图3 不同利用类型土壤LFOC分配比例随土层深度的变化Fig.3 The distribution ratio of LFOC in each soil layer under different land use types

从图4可以看出，在浅土层，林地LFOC平均分配比例为28.0%，与撂荒地(15.8%)和坡耕地(8.9%)三者之间差异显著;亚深层土壤中，林地(12.3%)、撂荒地(7.8%)和坡耕地(5.9%)三者亦差异显著;与其相似，深土层中，林地(9.7%)、撂荒地(6.2%)和坡耕地(4.2%)之间LFOC分配比例也有显著差异。这表明，在0—400 cm剖面上，林地、撂荒地土壤LOFC分配比例整体较坡耕地高。不同土地利用类型下LFOC分配比例与LFOC含量的分布规律相似，即为林地＞撂荒地＞坡耕地。

图4 不同利用类型土壤LFOC分配比例剖面分布Fig.4 LFOC/SOC distribution in soil profiles under different land use types

2.3 轻组有机碳(LFOC)含量及其分配比例的影响因素

用一般线性模型中的方差成分估计模块，计算了各因子对土壤轻组有机碳含量及其分配比例变异性的贡献(表3)。结果表明，黄土丘陵区土壤轻组有机碳(LFOC)含量及其分配比例主要受土层的影响，可分别解释62.7%和44.9%的变异性;有机碳含量、根系生物量和容重对轻组有机碳含量及其分配比例的影响也较大，可分别解释9.3% 13.9%和13.1% 17.3%的变异性;利用类型对轻组有机碳含量及其分配比例的影响相比较前三个因子较小，可分别解释3.3%和10.2%的变异性。可见，0—400 cm剖面上，土层对土壤轻组有机碳的分布具有较大的影响，估算黄土丘陵区土壤固碳效应时应充分考虑深层土壤碳的稳定性。同时，根系对土壤轻组有机碳的分布也有较大的影响，尤其是深根性植被深层土壤的固碳效应是不可忽视的一部分。

表3 不同因子在土壤轻组有机碳含量及其分配比例变异(方差)中的贡献Table 3 Contribution of different factors in the variation of soil LFOC contents and LFOC/SOC

3 讨论

作为巨大的碳库，土壤积累和稳定有机碳的能力受到极大关注［19］。近年来的植被恢复对土壤有机碳产生了深刻的影响，本研究探索深层土壤有机碳作为碳汇能力的持续性问题，可为深层土壤作为可认证的“碳汇”提供科学依据。

而解释这些问题的关键在于将不同存在形态的有机碳分开来研究。化学分组方法对土壤有机碳的结构具有破坏性，不能客观地解释土壤有机碳库的稳定性。因此本研究采用了对有机碳原有结构破坏较小的物理分组法，能客观反映土壤有机碳的结构和功能［21］，其中，轻组有机碳(LFOC)对气候条件和土地利用较为敏感，可作为评价土壤碳库变化的指标［22］。

由于植被根系分布、生物活动、人工扰动等影响不同，LFOC在土壤剖面中的分布也存在差异［6，23］，与有关浅层土壤 LFOC 的研究［6，11］结果相似，本研究结果显示，林地(刺槐、柠条)、撂荒地、坡耕地三种利用类型下，土壤中的LFOC含量在0—400 cm剖面上随土层深度增加而显著下降，变化范围为 0.09 1.76 g/kg，其中，亚深层(100—200 cm)、深层(200—400 cm)土壤LFOC含量占浅层(0—100)LFOC含量的比值为坡耕地＞柠条林地＞撂荒地＞刺槐林地，即LFOC含量随土层深度的增加其降幅的大小为刺槐林地＞撂荒地＞柠条林地＞坡耕地。可见，三种利用类型下随土层深度的增加，土壤中不稳定、易变化的碳含量逐渐降低。另外，Boone［24］的研究结果表明，地上凋落物和地下根系是土壤轻组碳的主要来源，而耕作本身会减少土壤轻组碳含量［6］，本研究也得到相似结果。对比不同利用类型间相同土层，发现浅层(0—100 cm)中，林地(刺槐、柠条)、撂荒地的LFOC含量分别是坡耕地的5.7倍、2.8倍;亚深层(100—200 cm)中，林地、撂荒地分别是坡耕地的2.4倍和1.0倍;深层(200—400 cm)中，林地、撂荒地分别约为坡耕地的2.5倍、1.2倍。说明黄土高原退耕还林还草过程对土壤剖面轻组有机碳的分布产生了显著的影响，深根性植被(刺槐、柠条等)增加了土壤剖面的轻组有机碳含量。由于在亚深层、深层土壤中，柠条的细根较刺槐多(表2)，张金等［25］的研究也表明，与刺槐相比，柠条深层SOC储量随植被恢复年限持续增加，且与其根系生物量的分布相吻合，因此柠条林地中轻组有机碳在剖面上分布的降幅较刺槐林小。撂荒地仅有草本植物，根系较浅，因此较大程度地增加了浅层土壤轻组有机碳含量，而对深层(100—400 cm)土壤则没有显著影响。

不同植被、不同土层深度根系分布的差异，影响了土壤有机碳输入量，使总有机碳含量不同，进而影响了LFOC的分配比例［26］，使LFOC分配比例在土壤剖面上表现出明显的层次性［27－28］。吴建国等［6］研究表明，LFOC分配比例随土层深度的增加而递减。本研究也得到相似结果:土层和根系生物量对土壤LFOC含量及其分配比例变异性具有较大影响(表3)。土壤 LFOC分配比例变化范围为4.19% 32.24%，亚深层、深层土壤LFOC分配比例(与浅层相比)的大小为坡耕地＞柠条林地＞撂荒地＞刺槐林地，这表明3种利用类型下，与浅层土壤相比，亚深层、深层土壤有机碳较稳定，且亚深层、深层土壤有机碳稳定性表现为刺槐＞撂荒地＞柠条＞坡耕地。

不同利用类型下LFOC含量及其分配比例在剖面上的分布受多种因素的影响(表3)，其中土壤深度变化的影响最大，使得LFOC含量及其分配比例在土壤剖面上的分布具有显著特点(图5)，因此估算本区域土壤有机碳固存量时有必要将深层土壤有机碳考虑在内。退耕还林还草过程减小了0—400 cm剖面土壤容重，增加了土壤有机碳含量，而且也使土壤中根系生物量的分布发生了变化，这三者的变化同样也对轻组有机碳含量及其分配比例产生一定的影响。与轻组有机碳不同，重组有机碳(HFOC)作为被保护的碳而不易变化，更易被固存在土壤中长期积累，其含量及分配比例从另一方面反映了土壤有机碳的稳定性。黄土丘陵区植被恢复过程对浅层、亚深层的HFOC含量并没有产生显著影响，却使深层土壤中柠条林的HFOC含量有显著提高(P＜0.05)、撂荒地显著降低(P＞0.05)(图6a)。林地(刺槐、柠条)的亚深层、深层土壤HFOC含量分别约为浅层的78.5%、80.9%，撂荒地亚深层、深层约为浅层的47.3%、48.9%，坡耕地亚深层、深层约为浅层的77.5%、79.7%。植被恢复过程使三个层次上的HFOC分配比例均显著降低。另外林地亚深层、深层的HFOC分配比例分别约为浅层的1.11、1.13倍，撂荒地亚深层、深层分别约为浅层的72.6%、78.5%，坡耕地亚深层、深层分别约为1.03、1.04倍(图6b)。可见，植被恢复相对增加了深根性植被(林地)的深层土壤HFOC含量及其分配比例，而对于草本植被(撂荒地)，由于其根系集中在浅层土壤，所以还草过程可能对浅层的影响较大，而使其亚深层、深层土壤的LFOC含量及其分配比例反而减小。

综上所述，黄土丘陵区退耕还林还草增加了浅层(0—100 cm)土壤轻组有机碳(LFOC)含量及其分配比例，却降低了亚深层、深层土壤LFOC的含量及其分配比例，同时也增加了林地亚深层、和深层土壤重组有机碳(HFOC)的含量及其分配比例，即与浅层土壤相比较，退耕还林过程相对增加了深层土壤有机碳的稳定性。

4 结论

1)黄土丘陵区林地、撂荒地和坡耕地土壤轻组有机碳(LFOC)含量及其分配比例随土壤深度的加深而显著下降，其变化范围分别为0.09 1.76 g/kg、4.19% 32.24%，两者随土层深度增加的降幅为刺槐＞撂荒地＞柠条＞坡耕地;各利用类型下亚深层、深层土壤LFOC含量及其分配比例分别为浅层的12.4% 39.8%、28.7% 66.2%。

2)土地利用类型对不同土层LFOC含量及其分配的影响不同。浅层土壤中，林地、撂荒地的LFOC含量分别是坡耕地的5.7倍、2.8倍，分配比例约为坡耕地的3.2倍、1.8倍;亚深层中，林地、撂荒地的LFOC含量分别是坡耕地的2.4倍、1.0倍，分配比例约为坡耕地的2.1倍、1.3倍;深层土壤中，林地、撂荒地的LFOC含量分别约为坡耕地的2.5倍、1.2倍，分配比例约为坡耕地的2.3倍、1.5倍。

3)黄土丘陵区LFOC含量及其分配比例主要受土层的影响，可分别解释62.7%和44.9%的变异性;其次有机碳含量、根系生物量和容重对LFOC含量及其分配比例的影响也较大，而利用类型对LFOC含量及其分配比例的影响相对较小。黄土丘陵区退耕还林还草不仅显著增加了浅层(0—100 cm)土壤LFOC的含量及其分配比例，同时对深层(＞100 cm)土壤的有机碳也产生了深刻的影响。

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