陕北黄土丘陵区土壤碳氮库对人工植被恢复的响应

陈少锋，韩新辉，冯永忠，杨改河，任广鑫

（1.西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100）

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）和氮作为土壤肥力的核心物质［1－3］，是生态系统中及其重要的生态因子，二者的长期积累不仅影响整个生态系统的稳定性和持续性，对全球碳氮循环及缓解温室效应也有深远影响［4－5］.森林土壤的有机碳储量约为森林生态系统有机碳库的2／3［6］，其库容的微小变化都会对大气CO2浓度及全球气候变化产生巨大的影响.因此，森林土壤有机碳储量动态变化及空间分布成为全球有机碳循环研究的热点［7－9］.

黄土高原由于受到人为和自然双重因素的影响植被已遭到严重破坏，水土流失、土地沙化问题日趋严重，已成为我国生态环境脆弱区［10］.由此，1999年大规模人工造林工程开始，该地区也成为我国生态建设的主战场.虽然退耕还林（草）工程的最初目的是遏制水土流失等环境问题，但是通过人工植被恢复改变土壤内部养分流动状况，引起土壤碳氮数量和质量的变化，尤其对于深层土壤碳氮含量和储量变化不容忽视［11］.如Rumpel［12］也认为不应该忽视深层土壤碳的性质和变化，应该对深层土壤有机碳的变化和输入土壤深层的碳通量数量情况进行研究.

目前，我国学者在对退耕还林（草）土壤有机碳和全氮影响方面做了大量研究.如李裕元［13］对黄土高原北部草地的恢复与重建过程中对土壤有机碳影响的研究中分析了0～100cm 土体的有机碳密度，认为植被恢复对土壤碳固存的影响相对较小.张景群［14］对黄土高原刺槐林有机碳在0～80cm 土层的研究认为黄土高原刺槐造林不能提高土壤有机碳密度.邢顺林［15］对黄土高原土壤氮素矿化过程的研究仅在0～20cm 的表层.文海燕［16］的研究表明，在黄土高原典型草原土壤0～40cm 实施氮添加的初期，轻组有机碳质量分数比全氮能更早地显示出土壤氮素特征.这些研究大都集中在土壤的浅层，对深层土壤有机碳、氮含量及储量的变化研究不足.因此，本研究基于陕北黄土丘陵区典型退耕区不同人工植被类型，对深层土壤有机碳、氮含量在空间分布上的变化特征和深层有机碳氮储量差异特征进行分析，旨在阐明植被类型对黄土丘陵区深层土壤碳氮的截留效应及差异特征，以期为该区域人工林草恢复土壤质量的生态效应评价提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

样地选择在黄土丘陵区中部的陕西安塞县（108°51′44″－109°26′18″E，36°30′45″－37°19′31″N）纸坊沟流域（109°13′46″－109°16′03″E，36°46′42″－36°46′28″N）.地处黄土高原腹地，属典型的黄土高原丘陵沟壑区，森林草原地带向风沙草原带的过渡区.土壤以黄绵土为主，总土地面积2 950 km2，其中耕地93 000hm2，山地居多，占95%以上.平均海拔1 200m，相对高差100～300m，平均气温8.8 ℃，年均降水505.3mm，无霜期157d.该区常见的人工植被恢复类型有刺槐（Robinia pseudoacacia）为主的人工林，以沙棘（Hippophae rhamnoides）和柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）为主的人工灌丛以及封禁后形成的黄刺玫（Rosa xanthina）、丁子香（Syzygium aromaticum）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）和 白 刺花（Sophora davidii）等天然灌木林；还有铁杆蒿（Tripolium vulgare）、茭蒿（Artemisia leucophylla）、长芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、狗尾草（Setaria viridis）、大披针苔草（Carex lanceolata）等为主要植被的撂荒恢复草地.

1.2 样品采集与测定

2012年8月在研究区内选取退耕后撂荒地3 种植被恢复类型，并以邻近坡耕地为对照.采样时设置20m×20m 标准采样区，按照“S”形选点.土钻法取土，1m 以内隔10cm 取土，1～2m 内每隔20cm 取土.将相同土层的土样混匀作为待测样品.同时挖取剖面，环刀法测定各土层容重.每种植被类型选择立地条件基本一致的3块样地，重复采样3 次.采样点基本信息见表1.样地土壤均为黄绵土，土样风干后研磨过0.25mm筛.采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳（SOC）含量，凯氏定氮仪测定土壤全氮（TN）含量.

表1 样地基本状况Tab.1 Basic condition of the sampling

1.3 数据分析

基于土壤分层理论，并结合目前SOC 土层剖面动态变化研究［13，15］土壤有机碳或全氮密度是指单位面积一定厚度的土层中有机碳或全氮的质量，可以指示土壤有机碳和全氮储量［17］.对于分层的土壤剖面而言，土壤有机碳和全氮密度计算公式为

Ti＝Ci·Di·Ei（1－Gi）／10，

式中：Ti为第i层土壤有机碳密度或全氮密度（Mg／hm2）；Gi，Ci，Di，Ei第i层土中＞2mm 砾石的体积分数（%）、土壤容重（g／cm3）、有机碳或全氮平均质量分数（g／kg）、土层厚度（cm）.

式中：Ri第i层土壤中累积的有机碳或全氮的分配比例（%）；T0～200指0～200cm 土层总的有机碳或氮的密度，即各土层有机碳和氮密度之和.

采用方差分析（ANOVA）研究有机碳和全氮含量在不同植被类型同一土层和同一植被类型不同土层的变化，差异显著性采用邓肯法进行检验分析，差异水平为P＜0.05.结果统计与分析采用SPSS17.0软件进行.

2 结果分析

2.1 不同人工植被恢复土壤有机碳、全氮含量差异

图1显示，不同人工植被有机碳、全氮含量随土壤深度的增加表现出了一致的变化趋势.在0～10cm表层不同植被类型土壤有机碳含量显著高于其他土层（P＜0.05）；土壤有机碳质量分数刺槐（7.87g／kg）＞柠条（6.31g／kg）＞撂荒5.37g／kg）＞坡耕地（3.26g／kg）；10～40cm 浅层土壤有机碳含量随土层深度增加持续显著下降；对比坡耕地，刺槐林有机碳的增幅为26%～141%，柠条林有机碳增幅为18%～102%；撂荒地有机碳增幅为12%～76%；40～100cm 浅深层，土壤有机碳含量下降趋势减缓；对比坡耕地刺槐有机碳的质量分数增幅为130%～137%；柠条有机碳的质量分数增幅为68%～98%，撂荒地有机碳质量分数增幅为3%～13%；100～200cm 深层，有机碳平均质量分数分别为刺槐（2.24g／kg），柠条（1.84g／kg），撂荒地（1.27g／kg），对比坡耕地刺槐平均增幅为92%，柠条平均增幅为58%，撂荒地平均增幅9%.

在0～10cm 表层不同植被类型全氮含量显著高于其他土层（P ＜0.05），全氮质量分数刺槐（0.74g／kg）＞柠条（0.58g／kg）＞撂荒地（0.50g／kg）＞坡耕地（0.38g／kg）；10～40cm 浅层土壤全氮含量随土层深度增加持续显著下降，对比坡耕地，刺槐林全氮的增幅为35%～50%，柠条林全氮增幅为13%～33%；撂荒地全氮增幅为9%～33%；40～100cm 浅深层，土壤全氮含量下降趋势减缓，对比坡耕地刺槐林全氮质量分数增幅为16%～24%；柠条全氮质量分数增幅为27%～35%，撂荒地全氮质量分数增幅为16%～36%；100～200cm 深 层，全 氮 平 均 质 量 分 数 分 别 为 刺 槐（0.23 g／kg），柠 条（0.20 g／kg），撂 荒 地（0.18g／kg），对比坡耕地刺槐平均增幅50%，柠条平均增幅34%，撂荒地平均增幅18%.说明在深层土壤各土层有机碳和全氮含量受到植被恢复的影响趋势一致.

图1 不同植被类型土壤各层有机碳、全氮含量Fig.1 Soil organic carbon and total nitrogen content at all levels in different vegetation types

可见，退耕30年深层土壤已经开始受到人工植被恢复的影响，并且以刺槐林增加碳氮含量最明显.

2.2 不同人工植被恢复在不同土层有机碳和全氮密度差异

图2所示，0～10cm 表层土壤有机碳密度刺槐显著高于（P＜0.05）其他植被类型，平均分别比柠条、撂荒地、坡耕地高出39.5%，61.7%，186.3%；10～40cm 有机碳密度平均为刺槐（16.73 Mg／hm2）＞撂荒地（12.54Mg／hm2）＞柠条（12.15Mg／hm2）＞坡耕地（0.48Mg／hm2）；而40～100cm 土层，刺槐有机碳密度平均分别比撂荒地和坡耕地高66.5%和86.5%，柠条有机碳密度平均分别比撂荒地和坡耕地高54.3%和72.7%；100～200cm 深层土层有机碳密度平均为刺槐（17.33 Mg／hm2）＞柠条（13.08 Mg／hm2）＞撂荒地（9.44Mg／hm2）＞坡耕地（5.35Mg／hm2）.可见不同植被类型对不同的土层范围的有机碳和全氮密度的影响不同.

0～10cm 表层对土壤全氮而言表现出相似的差异，刺槐全氮密度显著高于（P＜0.05）其他植被类型，平均 分 别 比 柠 条、撂 荒 地、坡 耕 地 高 出44.0%，64.0%，120.0%；10～40 cm 全 氮 密 度 平 均 为 刺 槐（0.86 Mg／hm2）＞撂荒地（0.97 Mg／hm2）＞柠条（0.73 Mg／hm2）＞坡耕地（4.01 Mg／hm2）；而40～100cm土层，刺槐全氮密度平均分别比撂荒地和坡耕地高25.0%和34.0%，柠条全氮密度平均分别比撂荒地低7.7%，比坡耕地高17.6%；100～200cm 深层土层全氮密度平 均刺槐（1.86 Mg／hm2）＞柠条（1.46 Mg／hm2）＞撂荒地（1.39 Mg／hm2）＞坡耕地（1.21 Mg／hm2）.

图2 不同植被类型不同土层有机碳、全氮密度Fig.2 SOC stocks and total nitrogen density at different layers under different types of vegetations

可见不同植被类型对不同的土层范围的有机碳和全氮密度的影响不同.

2.3 不同植被类型土层中有机碳和全氮储量的分布比例

图3显示不同植被类型在土壤深层的有机碳和全氮储量的分布比例基本接近.100～200cm 有机碳比例平均为坡耕地的1.52倍，全氮比例平均为坡耕地的1.85倍；相比0～10cm 表土层，刺槐、柠条和撂荒地在100～200cm 的深层有机碳和全氮所占比例平均分别为表土层的1.48倍和1.92倍，和10～40cm 土层及40～100cm 所占比例相近.可见，深层土壤有机碳和全氮亦对人工植被恢复下土壤截留碳氮亦起着积极作用.

图3 不同植被类型不同土层有机碳、全氮密度分布比例Fig.3 Proportion of SOC and total nitrogen distribution at different levels in different vegetation types

3 讨论

退耕还林（草）工程对于遏制水土流失、改善生态环境、提高土壤质量的生态效益已经受到众多学者的认可［12－13］.本研究结果表明，不同植被类型土壤有机碳和全氮含量随土壤的深度而下降，且均有一定的表聚性，在土壤深层随土壤深度的增加有机碳和全氮含量基本保持稳定，不同植被类型与坡耕地比较均能增加土壤有机碳和全氮含量.有机碳含量随土壤深度增加而下降，这与Arrouays［18］在垂直方向上，土壤有机质含量与土层深度密切相关，随深度的增加呈下降的趋势的研究结果一致.不同植被类型在表层土壤的有机碳、全氮含量差异显著，其原因是土壤有机碳主要来源与地表植被的凋落物、植物根系的分解有关［19］.植被的不同，冠层的光合固定能力不同，引起凋落物的种类、产量和质量也不同，从而随着分解进入土壤会产生差异.不同植被类型有机碳和全氮在土壤浅层变化结果相似，原因为土壤氮素间接来源于以腐殖质存在的有机质的分解过程.在密度方面，不同植被类型在不同的土层范围对有机碳和全氮密度的影响不同.刺槐林地土壤各层有机碳和全氮密度均大于其他植被类型，表现出较好的碳氮固存效应.撂荒地在10～40cm 土层有机碳和全氮密度均超过柠条地，40～100cm 土层有机碳和全氮密度变化不一致，原因为撂荒地的土壤容重比柠条地大.柠条属豆科植物，根系属轴根分蘖类型，有很强的穿透力，根系生长过程中疏松了土壤［20］，其根系分布特征的不同导致根系固碳量和固氮量的深度差异.在次表层土壤与赵发珠等［17］对黄土丘陵区退耕还地土壤有机碳、氮密度变化的研究结论一致.以上均反映出不同植被类型土壤的发生学过程不同.Fontaine［21］等提出稳定的深层SOC会由于新鲜有机物的加入而加快分解，但本研究的结果表明：植被恢复导致的有机物增加量大于分解量，最终使深层土壤截留了更多的SOC.有机碳和全氮随土层深度的增加保持稳定，深层密度所占比重较大，与王征等［22］对黄土丘陵区植被恢复对深层土壤有机碳的影响中提到的深层土壤（50～100cm）SOC密度高达26.28～46.50t／hm2，占2m 土层SOC密度的50%以上的结论一致.黄土高原土层深厚，黄土丘陵区大约有12.45×104hm2坡耕地（坡度＞15°）实施退耕还林工程［23］，Nepstad［24］指出植物根系是深层SOC主要来源，控制着SOC的循环和分布.因而不同的植被类型会对深层土壤碳、氮的源、汇功能产生不同的影响，应该引起足够重视.

4 结论

陕北黄土丘陵区坡耕地退耕后长期撂荒或人工栽植柠条和刺槐林不仅能够提升0～100cm 深土壤有机碳和全氮的质量分数与密度，而且使100～200cm 深层土壤产生出积极的截存碳氮效应，并以刺槐林增加碳氮质量分数和密度潜力最高.从0～200cm 剖面看，各植被类型从表层到100cm 深处土壤有机碳与全氮质量分数呈显著下降趋势.但到100～200cm 深各土层土壤有机碳和全氮质量分数基本维持稳定，说明深层土壤碳氮对植被恢复响应一致.同时，3种植被下100～200cm 深土壤有机碳和全氮总量平均占到0～200cm深土壤的24.2%，这一比例还显著高于表层（0～10cm）土壤，且与浅层土（10～40cm）和浅深层（40～100cm）土壤碳氮所占比例接近.

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