宁南典型退耕模式对土壤有机碳固存的影响

季 波， 李 娜， 马 璠， 蔡进军， 董立国， 许 浩， 韩新生

(1.宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所，宁夏 银川 750002; 2.宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室，宁夏 银川 750002; 3.宁夏生态修复与多功能林业综合研究中心，宁夏 银川 750002)

宁南典型退耕模式对土壤有机碳固存的影响

季 波1,2,3， 李 娜1,2,3， 马 璠1,2,3， 蔡进军1,2,3， 董立国1,2,3， 许 浩1,2,3， 韩新生1,2,3

(1.宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所，宁夏 银川 750002; 2.宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室，宁夏 银川 750002; 3.宁夏生态修复与多功能林业综合研究中心，宁夏 银川 750002)

以宁南退耕区采取的5种主要退耕模式——纯山杏林、山杏+柠条林、山杏+山桃+柠条林、沙棘林和苜蓿人工草地为研究对象，以撂荒地为对照，探讨不同退耕模式对土壤有机碳固存的影响。结果表明：在100 cm土层内5种退耕模式和撂荒对照的土壤有机碳储量基本上呈现出随土层深度加深而递减的趋势，其中浅层(0～20 cm)是土壤有机碳固存的聚集层，且极显著高于其他层的土壤有机碳累积；100 cm土层累积的总碳量表现为山杏+柠条林>山杏林>沙棘林>山杏+山桃+柠条林>撂荒地>苜蓿人工草地。从有机碳蓄积来看，在宁南山区采用单一的乔灌混交、乔木林或灌木林的退耕模式较采用人工草地或自然恢复的模式更有利于土壤有机碳的累积。

宁南退耕区；土壤有机碳；退耕模式

土壤有机碳库是陆地生态系统中最为重要的碳库之一[1-3]。与土壤生产力和土壤退化有关的一系列土壤过程中，土壤有机碳起着缓解和调节的作用[4]。而且，碳元素作为重要的生命元素和生态元素，不仅驱动着土壤中N、P、S等养分转化和循环，而且影响着土壤的性质及养分的供应能力。土壤中有机质含量降低，不仅会引起土壤肥力、持水能力下降，侵蚀增强，而且也会导致温室气体排放。有研究表明：在土壤退化、生态环境脆弱地区，采取相应的生态恢复和植被重建措施，不仅可以有效提高土壤质量，而且可以有效增加土壤有机碳的储量[5-7]。闫靖华等[8]对盐渍化弃耕地不同恢复模式下土壤有机碳变化进行研究时发现，盐渍化弃耕地通过植被恢复后逐步向碳积累的过程转变；姚小萌等[9]研究黄土高原自然植被恢复对土壤质量的影响时发现，植被恢复后，土壤质量综合指数(SQI)值在0～20 cm土层均有较大幅度的提高；戴全厚等[10]研究了黄土丘陵区刺槐-紫穗槐混交林、油松林-紫穗槐混交林、荒草地、刺槐林及柠条林几种植被恢复模式对土壤碳库变化的影响，发现植被恢复后，土壤有机碳含量增幅为109%～238%。由此可见，有机碳作为土壤质量中最为重要的指标，不仅反映土壤肥力水平，也印证着区域生态演变规律和生态建设的基本成果[11]。

宁南退耕区地处宁夏南部山区，区内沟壑纵横，地形破碎，由于长期受到地理环境和气候的影响，植被稀疏，水土流失严重，土壤退化，生态系统功能失调，成为我国生态环境最脆弱的地区之一。针对此问题，当地政府在国家“退耕还林(草)”等工程的基础上，采取“88542”水平沟、鱼鳞坑等工程整地措施，选取当地的乡土适生乔灌木及草种进行植被恢复，目前该区的林草植被覆盖度逐步增加，区域水土流失减少，生态环境亦得到有效改善。近年，相关学者围绕该区域的生态、水文、植被多样性及土壤环境等方面展开了大量的研究，但就该区域采取的几种主要的林草配置模式对土壤有机碳固存影响的研究还较少。随着种植时间的推移和种植面积的不断扩大，对于该区域生态建设的成果，从固碳释氧的生态功能角度一直没有开展定性、定量的评价，且就目前几种主要的恢复模式，也没有定性的比较。相关研究表明，土壤有机碳在不同的生态环境条件下，控制其循环的因素也不同，空间变异性也较大，而这种变异性主要与植被类型密切相关[12]。为此，本研究特开展宁南退耕区几种主要的退耕模式对土壤有机碳固存的影响研究，不仅可以了解该区不同植被对土壤有机碳库的贡献，而且也可为今后同类地区进行植被恢复，选取适宜的造林模式等提供基础理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区东南部彭阳县白阳镇中庄村，地处106°32′～106°58′E，35°41′～35°17′N，属丘陵沟壑区和残塬沟壑区过渡地带，地势西北高、东南低，呈波状倾斜，平均海拔在1 600～1 700 m之间。研究区属于温带半干旱气候区，为典型的大陆性季风气候，区内干燥少雨，蒸发强烈，冬寒长，春暖迟，夏热短，秋凉早，日照充足。年平均气温7.6 ℃，≥10℃的年积温为2 500～2 800 ℃，无霜期147～168 d，年平均降雨量350～450 mm，主要集中在7—9月。土壤以黑垆土为典型土壤，土壤母质为黄土及黄土状物，pH值在8.0～8.5之间，土层深厚，土质疏松，孔隙度大，透水性、抗冲抗蚀性弱。植被类型以草原植被为主，主要生长有长茅草(StipabungeanaTrin.)、猪毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst. et Kit.)、赖草[Leymussecalinus(Georgi) Tzve.]、星毛委陵菜(PotentillaacaulisLinn.)等，人工植被主要以山杏[Armeniacasibirica(Linn.) Lam.]、山桃[Amygdalusdavidiana(Carr.) C. de Vos.]、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、柠条(CaraganakorshinskiiKom.)等为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择与土样采集

于2015年7月开展试验。在研究区内选择同为2002年退耕后种植的纯山杏林(P1)、山杏+柠条林(P2)、山杏+山桃+柠条林(P3)、沙棘林(P4)和苜蓿人工草地(P5)5种退耕还林地作为研究对象，并以邻近撂荒地(CK)为对照。由于研究区内大多为水平沟整地措施，为保持统一和避免选样差异，全部选取隔坡土样，且选择坡向坡位相近的样地，山杏、山桃株距基本均为2 m，在每个样地内采用随机设定样点的方法，每个样地设定3个重复，挖取100 cm深的土壤样坑，每个样坑每20 cm为1层，分层用100 cm3环刀取土壤容重土和待测土样，同一样坑的土样进行同层混合，环刀土称取湿质量后，带回室内放入105 ℃干燥箱中烘至质量恒定，获取土壤含水量，并通过土壤容重公式计算土壤容重。

1.2.2 土壤有机碳测定

将取得的所有样品带回室内，自然风干后，研磨过100目筛，采用重铬酸钾外加热法[13]，进行有机碳含量的测定。

1.2.3 土壤有机碳储量的计算

土壤有机碳储量可根据土壤有机碳含量、土壤密度和土层深度计算：

(1)

式(1)中i表示土壤层次，Ci表示土壤有机碳含量，di表示土壤密度，hi表示土壤深度。

1.3 数据处理

所有的数据通过Excel 2007和SPSS 17.0分析软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同退耕模式对土壤容重及有机碳含量的影响

2.1.1 不同退耕模式对土壤容重的影响

从表1可以看出，5种退耕模式和撂荒对照的土壤容重值介于1.09～1.31 g·m-3之间，可以看出，不同的退耕模式下土壤容重存在一定差异，尤其在0～20 cm土层，人工苜蓿草地(P5)和撂荒地(CK)土壤容重显著高于其他4种退耕模式。

从5种退耕模式土壤容重在不同土层间的变化可以看出：土壤容重在0～100 cm土层间呈现出不规律的波动，且纯山杏林(P1)、山杏+柠条林(P2)和苜蓿人工草地(P5)这3种退耕模式下，土壤容重在0～100 cm土层间均表现出显著差异。

2.1.2 不同退耕模式对土壤有机碳含量的影响

植被是土壤有机碳的重要来源。植被类型不同，土壤有机碳的输入和输出方式不同，其有机碳含量也就相应不同[14]。本研究区域属黄土丘陵沟壑区，退耕造林只考虑植被恢复、水保和生态效应，无任何后期人为管理和干预措施，故此，对土壤有机碳含量的影响只考虑植被因素。从表2可以看出：5种退耕模式和撂荒处理下，土壤有机碳含量基本上表现为随土层加深而递减的趋势，而且土壤有机碳含量的最大值均出现在浅层(0～20 cm)，可见地表凋落物对土壤有机碳的积累具有一定的贡献，且不同退耕模式的土壤有机碳含量在相同土层间均表现出显著(P<0.05)差异。

表1 不同退耕模式土壤容重差异

P1，纯山杏林；P2，山杏+柠条林；P3，山杏+山桃+柠条林；P4，沙棘林；P5，苜蓿人工草地；CK，撂荒地。同列数据后无相同大写字母的表示同一退耕模式下不同土层间差异显著(P<0.05)，同行数据后无相同小写字母的表示同一土层不同退耕模式间差异显著(P<0.05)。下同。

P1， Pure wild apricot forest; P2， Wild apricot andCaraganakorshinskii; P3， Wild apricot and wild peach andCaraganakorshinskii; P4， Seabuckthorn forest; P5， Artificial alfalfa grassland; CK， Abandoned land. Data followed by no same uppercase within a column indicated significant difference atP<0.05 among different soil layers under the same re-vegetation pattern. Data followed by no same lowercase within a row indicated significant difference atP<0.05 among different re-vegetation patterns under the same soil layer. The same as below.

表2 不同退耕模式土壤有机碳含量差异

各退耕模式下0～100 cm土层的平均土壤有机碳含量基本表现为：山杏+柠条林(P2)>纯山杏林(P1)>沙棘林(P4)>山杏+山桃+柠条林(P3)>苜蓿人工草地(P5)>撂荒地(CK)。山杏+柠条混交林的土壤有机碳含量最高，分别比纯山杏林、沙棘林和山杏+山桃+柠条混交林高21.76%、30.77%和73.79%，是苜蓿人工草地和撂荒地的2.25和3.62倍，撂荒地的土壤有机碳含量最低。可以看出，在退耕还林时，采用乔灌混交模式或单纯采用乔木林或灌木进行造林，比采用人工草地或自然恢复的方式更有助于土壤有机碳的固存。

综合上述结果可以看出，不同退耕模式下土壤有机碳含量在0～100 cm土层间的垂直分布及其在同一土层内的分布特点既表现出一定的差异性，也表现出某些相似性。分析原因，可能主要与不同植被类型的地表凋落物、植物根系分布、不同植物群落形成的不同群落微环境以及人类活动等因素有关。

2.2 不同退耕模式对土壤有机碳固存的影响

由表3可知：宁南退耕区不同退耕模式下土壤有机碳储量基本上均呈现出随土层加深而递减的趋势，浅层(0～20 cm)是土壤有机碳固存的聚集层，且显著高于其他层的土壤有机碳累积。

不同退耕模式0～100 cm土层有机碳累积量表现为山杏+柠条林(P2)>纯山杏林(P1)>沙棘林(P4)>山杏+山桃+柠条林(P3)>撂荒地(CK)>苜蓿人工草地(P5)。其中，山杏+柠条林累积的有机碳较纯山杏林、沙棘林和山杏+山桃+柠条林分别高出20.32%、28.35%和70.23%，是苜蓿人工草地和撂荒地的4.07和3.05倍。因此，从有机碳蓄积来看，采用单一的乔灌混交、乔木林或灌木林的退耕造林模式较采用人工草地或自然恢复的模式更有利于土壤有机碳的累积。

表3 不同退耕模式土壤有机碳储量差异

3 讨论

本研究发现，宁南退耕区采取的山杏+柠条林、山杏林、沙棘林、山杏+山桃+柠条林、苜蓿人工草地这5种退耕模式和撂荒，其土壤有机碳在相同退耕年限中的累积均表现出随土层加深而递减的趋势。分析其原因：一方面，土壤有机碳的来源主要是地表凋落物分解释放的有机质，随着土层深度加深，进入土壤的有机质数量减少；另一方面，植物生长期间通过根系从深层土壤吸收养分，对土壤中有机质的消耗较大，故而造成土壤有机碳的累积随着土层加深而递减。这与李林海等[15]在黄土高原小流域4种地形下研究有机碳含量和储量变化的结果一致。

本研究显示，在宁南退耕区采取的5种退耕模式中，乔灌混交模式更有利于土壤有机碳的累积。董云中等[5]在对晋西北黄土高原丘陵区几种土地利用方式下土壤碳氮储量的研究中发现，杨树-小叶锦鸡儿人工林土壤碳氮密度和储量最高，与本研究得出的山杏+柠条的乔灌混交模式碳储量最高的结论一致。戴全厚等[10]研究黄土丘陵区不同植被恢复模式对土壤碳库的影响也认为：不同植被恢复措施可以显著改善土壤碳库含量，但改善作用不同，总体来说混交林的效果最好，其次为纯林，最后为荒草地，因此在该地区要通过人工促进生态恢复，应采取以营造混交林为主、纯林为辅的恢复模式。赵发珠[16]对黄土丘陵区退耕后土壤有机碳库的研究也认为：大规模退耕植被恢复后，土壤固碳量和固碳速率明显增加，且退耕植被恢复年限和植被恢复类型成为主要影响因素，林地能够显著增加土壤固碳量。因此，从固碳释氧的生态功能角度来看，此后在宁南退耕区及其他同类地区进行植被恢复时，可适当考虑采取单一种的乔灌混交模式。但要特别指出的是，本研究结果仅仅是基于研究区5种退耕模式在同一年(2002年)退耕后，经过12 a的累积得出的，如若要深入地评估宁南山区不同退耕模式对土壤有机碳固存的影响，还应多考虑几个年限或更长年限土壤有机碳的累积效果，而且从植被恢复和水保效应的角度来看，应引入更多的抗旱适生植被充实到宁南山区的生态建设中。

本研究发现，土壤有机碳的累积具有“表聚性”的特点；董云中等[5]对晋西北黄土高原丘陵区土壤碳氮储量的研究也认为，土壤有机碳具有很强的表聚性。宁南山区土层深厚，地上植被对土壤有机碳的累积尤其是深层土壤有机碳储量的影响是不容忽视的。因此，今后应考虑研究更深层土壤有机碳固存对不同退耕模式的响应，以免低估了该区域退耕还林还草的土壤固碳效应。

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(责任编辑 高 峻)

Effect of typical re-vegetation patterns on soil organic carbon sequestration in southern Ningxia

JI Bo1,2,3， LI Na1,2,3， MA Fan1,2,3， CAI Jinjun1,2,3， DONG Liguo1,2,3， XU Hao1,2,3， HAN Xinsheng1,2,3

(1.InstituteofDesertManagement，NingxiaAcademyofAgricultureandForestryScience，Yinchuan750002，China; 2.KeyLaboratoryofDesertificationControlandSoil&WaterConservationofNingxia,Yinchuan750002,China; 3.ResearchCenterofEcologicalRestorationandMultifunctionForestryofNingxia,Yinchuan750002,China)

In order to find out the effect on soil organic carbon sequestration of different re-vegetation patterns， 5 main re-vegetation patterns， including pure wild apricot forest， wild apricot andCaraganakorshinskiiforest， wild apricot and wild peach andCaraganakorshinskiiforest， seabuckthorn forest and artificial alfalfa grassland were selected as the study objects， and the abandoned land were adopted as the control in southern Ningxia. It was shown that the soil organic carbon reserves of the 5 main re-vegetation patterns and abandoned land took on decreasing trend with the increase of soil depth basically within 100 cm soil layer， and the shallow layer (0-20 cm) was the accumulation layer of soil organic carbon sequestration， as soil organic carbon reserve in this layer was significantly higher than that in other soil layers. The total organic carbon sequestration in 100 cm layer decreased as wild apricot andCaraganakorshinskiiforest>pure wild apricot forest>seabuckthorn forest>wild apricot and wild peach andCaraganakorshinskiiforest>abandoned land>artificial alfalfa grassland. From the view of organic carbon accumulation， the re-vegetation patterns with arbor and shrub or pure trees forest or shrubs forest were more appropriate than artificial grassland or natural restoration for mountainous area in southern Ningxia.

re-vegetation area in southern Ningxia; soil organic carbon; re-vegetation pattern

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.03.19

2016-11-03

“十二五”国家科技支撑项目(2015BAC01B01)；自治区一二三产业融合项目(宁夏多功能林业分区域研究与示范)；宁夏自然科学基金项目(NZ16095，NZ16106，NZ15121)；宁夏农林科学院科技创新先导资金项目(NKYJ-15-18，NKYJ-15-19)

季波(1982—)，女，宁夏青铜峡人，硕士，助理研究员，研究方向为恢复生态学。E-mail: nxjibo311@163.com

S153

A

1004-1524(2017)03-0483-06

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 483-488

http://www.zjnyxb.cn

季波，李娜，马璠，等. 宁南典型退耕模式对土壤有机碳固存的影响[J]. 浙江农业学报，2017，29(3)： 483-488.