晋西北黄土丘陵区不同植被恢复下的土壤碳氮累积特征

史利江，高杉，姚晓军，张晓龙，李文刚，高峰

1. 山西财经大学资源环境学院，山西 太原 030006；2. 西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；3. 山西农业大学农业经济管理学院，山西 太原 030006

作为全球变化的一个重要组成部分和决定陆地生态系统碳循环过程的关键因素，土地利用/覆被变化不仅可以强烈改变植物群落和生态系统属性，同时影响土壤碳氮循环过程，成为仅次于化石燃料排放引起温室气体浓度增加的主要原因（Houghton，1995；Beheshti et al.，2012；Christopher et al.，2013）。合理的土地利用方式和生态恢复措施被认为是促进土壤固碳、缓解温室效应的潜在有效途径之一，其对土壤碳库演变的影响已成为全球变化研究中的热点科学问题（Vesterdal et al.，2002；于贵瑞等，2013；武亚楠等，2020）。欧美各国、日本、澳大利亚和新西兰以及印度等国学者都在加大对生态（植被）恢复引起的土壤固碳效应和固碳潜力的研究力度（Pau et al.，2002；Antoine et al.，2008；Karhu et al.，2011；Selma，2014）。美国自20世纪 80年代中期开始实施保护储存项目（conversion reserve program，CRP），通过保护性耕作、边缘土地退耕种植多年生牧草等措施已产生显著的碳固存效应、使土壤质量显著提高（Bowman，et al.，2002）。Huntington（1995）在美国的相关研究表明，农田造林导致土壤碳储量增加 34%—103%。Vesterdal et al.（2002）研究丹麦农田退耕造林对土壤有机碳含量和储量影响，结果发现退耕还林导致土壤碳储量下降了11.8 Mg·hm−2。Tan et al.（2005）利用俄亥俄州的土壤普查数据以及长期的定位试验资料研究分析表明，免耕和农田退耕还林有利于提高土壤有机碳蓄积能力，SOC含量低的土壤在免耕或退耕还林后具有更高的碳蓄积能力。各国研究者所得的研究结论存并不一致，原因在于退耕还林还草后生态系统的固碳效应受到多种因素的影响和制约，包括研究区域的环境条件、土壤质地、林地年龄、林种等（Pau et al.，2002），对土壤固碳效应的评估仍存在较大的不确定性（Tang et al.，2013）。

中国从20世纪70年代开始，在黄土高原地区开始了举世瞩目的“三北”防护林工程、退耕还林工程和天然林保护等工程的建设。这些生态工程不仅对水土保持具有重要功能，而且对土壤碳氮蓄积产生了重要影响。近些年来，国内许多学者也开展了大量研究，并取得了一定的成果（Zhang et al.，2010；Wang et al.，2011；Chang et al.，2012；Xin et al.，2016；Zhao et al.，2017；Wang et al.，2017；Deng et al.，2018；佟小刚等，2012；邓蕾，2014；贺少轩等，2015；冯棋等，2019）。李裕元等（2007）研究表明：黄土高原北部地区实施退耕还草后，土壤有机碳密度（SOCD）均有不同程度的增加，增加幅度最大可达 72%，土壤表现为明显的碳汇。刘迎春等（2011）在吉县和安塞县等黄土丘陵区研究结果显示：造林后的油松林和刺槐林生态系统的植被、凋落物及土壤碳储量逐渐增加。许明祥等（2012）分析了黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应特征，结果显示：退耕还林和退耕撂荒具有显著的土壤碳增汇效应，而退耕还草、退耕还果没有明显土壤碳增汇效应。Deng et al.（2018）对黄土高原中南部地区的研究表明：长期的自然植被恢复提高了土壤有机碳的积累，增加存在较大的差异和不确定性，主要原因在于黄土高原地域辽阔，自然环境条件复杂，气候变化和人类活动的空间差异较大，影响土壤有机碳分布和累积的因素复杂多样。因此，需要在黄土高原地区进一步开展更多区域尺度下生态恢复的土壤固碳效应研究。

晋西北黄土丘陵区作为半湿润、半干旱区典型的生态过渡带和环境脆弱区，属于沙黄土带和潜在沙漠化发生范围，植被覆盖度低，水土流失严重，土壤侵蚀、干旱缺水、土地荒漠化成为该区域重要的环境问题（朱震达等，1981）。右玉县位于黄土高原北部的晋西北边陲，毗连毛乌素沙漠边缘，地处潜在沙漠化高寒地带，是长城风沙区主要的起沙区，曾是山西省35个国家贫困县之一，同时也是实施退耕还林、京津风沙源治理工程、天然林植被恢复工程以及三北防护林工程的重点区域。由于过去长期对土地资源的不合理利用和破坏，全县水土流失面积达到 1498.89 km2，占国土总面积的 76.2%（山西省右玉县志编纂委员会，2007）。为加强水土流失治理，改善区域生态环境，20世纪50年代以来特别是从1978年启动“三北”防护林体系建设工程以来，右玉县加大造林投入，大力改善生态环境，着力构筑晋西北乃至华北地区生态保护屏障。2000年以后，伴随着国家京津风沙源治理工程的启动，右玉县实施了大规模的退耕还林草工程建设。到2017年，全县林木绿化率由过去不足 0.3%提高到现在的54%，生态环境显著改善。一系列生态恢复措施的实施，不仅极大改变了当地的生态环境，而且也势必会引起土壤碳氮源汇效应的变化，从而对区域碳氮循环和全球变化产生一定影响。而当前国内对于这一生态敏感和脆弱地区生态恢复下的土壤碳氮效应研究明显薄弱。因此本文以晋西北典型黄土丘陵区—右玉县典型生态恢复区为研究区域，深入分析该地区土壤碳氮对植被恢复的响应特征和规律，科学评估生态恢复引起的土壤固碳（氮）效应、蓄积速率，不仅对于该地区积极应对全球变化、改进生态系统管理和保障生态安全具有重要的意义，而且能够提高对黄土高原生态恢复工程的土壤固碳（氮）效应评估的精确性，为黄土高原区域碳氮循环和碳氮平衡研究提供案例和数据支持，同时也可进一步丰富土地利用变化对区域碳氮循环影响的研究内容，促进土壤固碳（氮）科学的发展，为国家碳中和战略的实施和生态文明建设提供更为丰富的数据支持和科学参考。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

研究样区选择在晋西北黄土丘陵区—右玉县境内的贾家窑国家天然林防护区、威远镇天然林保护区项目工程区、马营河林区以及苍头河流域等生态恢复的典型区域，该区域属于典型的黄土丘陵缓坡区，海拔在 1262—1499 m，气候为温带大陆性季风气候，年均温为4.2 ℃，但气温的年较差和日较差较大，冬夏气温年较差最大值可达69.7 ℃，日较差最大值为31.4 ℃；年平均降水量为410 mm，主要集中在6—8月，年平均相对湿度为60%，年均蒸发量可达 1761.3 mm；≥10 ℃的活动积温为2224 ℃，无霜期较短，为 104 d左右；风大且频繁，平均风速2.7 m·s−1。土壤主要以栗钙土和风沙土为主，质地较粗，团粒结构差，抗侵蚀能力差，风蚀、水蚀严重，极易形成水土流失（范表，2011）。

1.2 试验设计和样品的采集

在进行充分野外调研的基础上，综合考虑地形、土壤类型、植被恢复类型和恢复年限等因素，2017年8—9月在研究区内选取不同植被恢复类型以及恢复年限，且地形和土壤类型等环境因子基本一致的固定样地，其中林地植被类型主要为小叶杨（Populus simonii）、油松（Pinus tabuliformis）和华北落叶松（Larix principis-rupprechtii），灌木地的植被类型主要为沙棘（Hippophae rhamnoides），草地以白莲蒿（Artemisia sacrorum）、达乌里秦艽（Gentiana dahurica）以及蒙古蒿（Artemisia mongolica）等为优势种群，选取相邻长期耕作的农田作为对照，农田主要种植玉米（Zea mays）和马铃薯（Solanum tuberosum）等，所有农田的管理方式基本一致。通过调研和走访，确定样地的植被恢复年限。在乔、灌林样地内设置10 m×10 m的样方，并调查植物类型、生长状况；草地样地内设置3个1 m×1 m的小样方，在设定的小样方内调查草本群落，收集凋落物。在选定样方内，按对角线5点，用土钻取0—20 cm的5个土样混合作为一个样品，每个样地做3组重复，并记录样点的位置、海拔、坡度、坡向、植被类型、恢复年限、植被生长状况等信息，并用环刀法测定样点的土壤容重（表1）。

表1 研究区样地基本情况表Table 1 Characteristics of studied sites

1.3 土壤指标的测定与计算

将采集的土壤样品在实验室风干后，挑出其中动、植物残体等非土壤物质，同时避免灰尘和酸、碱和不洁气体等污染，进行土壤碳氮及其他理化性质指标的测定。所测指标包括土壤有机碳（SOC）含量、土壤全氮（STN）含量、土壤含水量和土壤容重等。土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾滴定法测定；土壤全氮（STN）的测定采用凯氏定氮法；土壤含水量用烘干法进行测定，土壤容重采用环刀法测定（鲁如坤，1999）。

根据所测的土壤有机碳（SOC）和全氮（STN）含量，可以计算相应的土壤碳氮储量，计算公式如下：

式中：

SOCS——植被类型i的土壤有机碳储量（密度）（t·hm−2）；

Bi——该植被类型的土壤容重（单位g·cm−3）；

SOCi——该类型的土壤有机碳含量（g·kg−1）；

Hi——该类型的土层厚度（cm）；

δi——>2 mm砾石的体积含量（%）；

STNS——该类型的土壤全氮储量（t·hm−2）；

STNi——该类型的土壤全氮含量（g·kg−1）。

在土壤碳氮储量（密度）计算结果的基础上，以相邻农田作为参照，计算植被恢复引起的土壤碳氮蓄积量、蓄积效应和平均蓄积速率，植被恢复引起的土壤碳氮蓄积量的计算公式为：

式中：

∆SOCsi——恢复为i类植被t年后引起的表层土壤（0—20 cm）的固碳量（t·hm−2）；

SOCsit——该类地在t年限时表层土壤（0—20 cm）的有机碳储量（t·hm−2）；

SOCft——相邻农田在t年限时在表层土壤（0—20 cm）的有机碳储量（t·hm-2）；

∆TNsi——恢复为i类植被t年后引起的表层土壤（0—20 cm）的固氮量（t·hm−2）；

TNsit——该类地在t年限时表层土壤（0—20 cm）的全氮储量（t·hm−2）；

TNsft——相邻农田在t年限时在表层土壤（0—20 cm）的全氮储量（t·hm−2)。

植被恢复下的土壤固碳氮效应计算公式为（冯棋等，2019）：

植被恢复下的土壤碳氮储量的平均固存速率计算公式（Deng et al.，2016）：

式中：

SOCsr和 TNsr——植被恢复下的平均固碳速率和固氮速率（单位：t·hm−2·a−1）；

n为植被恢复年限。

1.4 数据处理

采用多因素方差分析（One-way ANOVA）、多重比较、相关分析等方法对不同植被类型在不同恢复年限的土壤碳氮蓄积差异的显著性（P<0.05）以及土壤有机碳与土壤全氮、碳氮比、土壤含水量以及土壤容重的相关性，数据分析利用SPSS 22.0软件完成，相关制图用SigmaPlot 10软件完成。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳对植被恢复的响应

2.1.1 不同植被恢复类型及恢复年限下的 SOC含量与储量

从图1a来看，不同植被恢复类型下的表层（0—20 cm）土壤有机碳（SOC）含量存在明显差异，且随恢复年限的增加，表现出不同的变化趋势特征，其中林地表层（0—20 cm）SOC含量随恢复年限的增加，呈现持续增长，变化范围为 3.54—14.25 g·kg−1；而灌木地和草地的表层SOC含量随恢复年限表现出先增加后减少，其变化范围分别为3.69—12.36、1.92—7.30 g·kg−1。与对照农田（4.59 g·kg−1）相比，在退耕早期（<20 a），3种植被类型下表层SOC含量大小依次为：灌木林>对照农田>林地>草地，其中林地和草地表层 SOC含量仅分别为对照农田的77.15%和51.90%，而灌木表层SOC含量显著高于对照农田，为对照农田的2.05倍。退耕21—35 a后，3种植被恢复类型下表层SOC含量均表现出明显增加，并显著高于对照农田，其大小顺序依次为灌木>林地>草地>对照农田，分别为对照农田的2.69、2.13、1.59倍。退耕36—50 a后，灌木林和草地的表层SOC含量趋于下降，而林地表层SOC含量则继续增加，其中林地和灌木的表层 SOC含量仍高于对照农田，分别为对照农田的 2.52倍和1.88倍，而草地SOC含量低于农田，仅相当于对照农田的81.95%。退耕>50 a后，灌木林地和草地表层SOC含量继续减少，且均低于对照农田，分别为对照农田的80.40%和41.87%，而林地表层SOC含量仍继续增加，为对照农田的3.10倍，表现出更为显著的土壤碳汇效应。

图1 不同植被类型及不同恢复年限下的表层（0—20 cm）土壤有机碳的变化特征Fig. 1 Variation characteristics of soil organic carbon in surface layer (0‒20 cm) under different vegetation types and different restoration years

不同植被类型下的表层SOC储量（密度）（见图1b）随恢复年限的变化特征和趋势与SOC含量基本一致。与对照农田（13.45 t·hm−2）相比，退耕早期（<20 a），林地和草地的表层（0—20 cm）SOC储量均趋于下降，分别为 10.43 t·hm−2和 7.72 t·hm−2，仅为对照农田的 77.55%和57.36%，而灌木林地表层SOC储量为25.10 t·hm−2，为对照农田SOC储量的1.87倍；退耕21—35 a后，3种植被恢复方式下表层 SOC储量较对照农田均明显增加，其大小依次为林地>灌木>草地，分别为对照农田表层SOC储量的2.10、1.89、1.65倍。退耕36—50 a后，林地表层 SOC储量继续保持增加的趋势，而灌木林地和草地表层 SOC储量均呈现一定程度的下降，其中草地表层SOC储量下降明显，并低于对照农田；而灌木林地表层 SOC储量虽有所降低，但仍显著高于对照农田，为对照农田的 1.86倍。退耕>50 a后，林地表层SOC储量仍持续增加，为对照农田的2.77倍，而灌木林地和草地的表层 SOC储量大幅降低，分别仅相当于对照农田的81.39%和45.04%。

2.1.2 不同植被恢复类型及恢复年限下的土壤固碳效应和平均固碳速率

土壤固碳效应用来表征不同植被恢复方式的土壤固碳能力的大小。由图1c可知，不同植被恢复下的土壤固碳效应存在显著差异，且随恢复年限的增加，表现出不同的变化趋势。在退耕早期（<20 a），林地和草地表层土壤的固碳效应均为负值，分别为−0.22和−0.43，而灌木林地土壤固碳效应表现为正值，为0.87。随着恢复年限的增加，林地表层土壤固碳效应持续提升，其值变化范围为 1.10—1.77，而灌木林地表层土壤固碳效应在保持相对稳定后（变化范围在0.87—0.90），在恢复年限>50 a后，土壤固碳效应明显降低，最终转变为负值；草地土壤固碳效应仅在退耕 21—35 a后，表现为正值（0.65），土壤固碳效应明显，之后随着恢复年限的增加，土壤固碳效应持续减弱，转变为负值。

从不同植被恢复类型的表层土壤的平均固碳速率来看（见图1d），在退耕初期（<20 a），林地和草地的表层土壤的平均固碳速率分别为−0.168和−0.319 t·hm−2·a−1，而灌木林地表层土壤的平均固碳速率为 0.647 t·hm−2·a−1。随着恢复年限的增加，林地表层土壤平均固碳速率快速提升，在退耕35—50 a 后达到最大值，为 0.485 t·hm−2·a−1，之后在恢复年限>50 a，略有下降，但其土壤平均固碳速率为0.433 t·hm−2·a−1，土壤碳汇效应明显；而灌木林地随恢复年限的增加，其表层土壤的平均固碳速率持续下降，在恢复年限>50 a时，降到最低值−0.046 t·hm−2·a−1，土壤碳汇作用持续减弱。草地表层土壤的平均固碳速率在恢复年限为21—35 a时，达到最大值，为 0.251 t·hm−2·a−1，表现为碳汇，之后随恢复年限的增加，开始持续下降，在恢复年限为36—50 a时，平均固碳速率下降为负值，当恢复年限>50 a时，其表层土壤平均固碳速率降到最低值，仅为−0.134 t·hm−2·a−1。

总体来看，以退耕20 a和50 a为界，3种植被恢复类型表层土壤的固碳效应可分为短期、中期和长期等3个阶段。从短期（<20 a）来看，退耕还林还草的土壤固碳效应不明显，甚至导致了表层SOC含量和储量的降低，而退耕还灌的短期土壤固碳效应显著；从中期（20—50 a）来看，随着恢复年限的增加，林地和灌木林地的表层土壤表现出明显的增汇效应，而草地在恢复21—35 a后，土壤固碳效应达到最高值，之后土壤固碳效应迅速衰减。从长期来看（>50 a），仅有林地土壤碳增汇效应仍然显著，而灌木林地和草地的SOC含量和SOC储量，均下降至低于对照农田，尤其是草地土壤固碳效应的下降趋势更加明显。由此表明，在晋西北黄土丘陵区，退耕还林在中期和长期的土壤固碳效应非常可观，而灌木林地在短期和中期的土壤固碳效应表现显著；对于草地，仅在退耕中期（21—35 a）表现出一定的土壤固碳效应，在短期和长期来看，土壤固碳效应不明显。从土壤的平均固碳速率变化来看，林地无论在退耕中期和长期，均表现出明显和相对稳定的土壤固碳速率，而灌木地表层的土壤平均固碳速率在退耕早期（<20 a）最快，之后随恢复年限的增加，而持续降低。而草地除在21—35 a，土壤平均固碳速率表现为正值，其余恢复阶段均表现为负值，尤其是退耕早期（<20 a），与对照农田相比，土壤碳损失的速度最快（土壤平均固碳速率为负值，且处于最低值）。

2.2 土壤全氮对植被恢复的响应

2.2.1 不同植被恢复类型及恢复年限下的 STN 含量与储量

从表层土壤全氮（STN）对植被恢复的响应来看（见图2），不同植被恢复类型下的表层STN含量、储量存在明显差异，且随恢复年限的增加，表现出不同的变化特征。从STN含量来看，在退耕初期（<20 a），与对照农田相比（0.78 g·kg−1），林地表层STN含量仅为对照农田78.95%；之后，随着恢复年限的增加，林地表层 STN含量呈现波动变化，但均高于对照农田，并在恢复年限>50 a达到最大值（1.57 g·kg−1），为对照农田的2.02倍。灌木和草地表层STN含量随恢复年限的增加，呈现先增加后减少的趋势，其变化范围分别为 0.54—1.78、0.54—1.08 g·kg−1，并在退耕 21—35 a 均达到最大值，分别为对照农田的2.29倍和1.39倍；此后，随恢复年限的增加，两者的表层 STN含量均持续降低，并在恢复年限（>50 a后），降到最低值，分别仅相当于对照农田的69.08%和69.94%。

图2 不同植被类型及不同恢复年限下的表层（0—20 cm）土壤全氮的变化特征Fig. 2 Variation characteristics of soil total nitrogen in the surface layer (0–20 cm) under different vegetation types and different restoration years

STN储量的变化趋势和STN含量基本相似，退耕初期（<20 a），林地和草地的表层STN储量，分别为 1.83 t·hm−2和 2.09 t·hm−2，均低于对照农田（2.27 t·hm−2），分别相当于对照农田的 80.31%和91.99%，而灌木地的STN储量为2.88 t·hm−2，比对照农田高27%。退耕21—35 a后，林地、灌木和草地等表层STN储量显著提升，分别为3.71、3.67和3.28 t·hm−2，相当于对照农田STN储量的1.63、1.62和1.44倍。之后，随恢复年限的增加，林地表层STN储量在略微下降后继续增加，并在恢复年限>50 a后达到最大值（4.13 t·hm−2），相当于对照农田的1.81倍，而灌木林地表层STN储量在保持相对稳定后，在退耕36—50 a后开始大幅降低，并在恢复年限>50 a后，降到最低值（1.59 t·hm−2），仅相当于对照农田的69.76%；草地土壤表层STN储量则表现为持续下降，并在恢复年限>50 a后，也降到最低值（1.72 t·hm−2），仅相当于对照农田STN储量的75.42%。

2.2.2 不同植被恢复类型及恢复年限下的土壤固氮效应与平均固氮速率

从固氮效应来看，退耕早期（<20 a），林地和草地的表层土壤固氮效应均为负值−0.20和−0.08，分别为表现为氮亏损；而灌木的固氮效应为正值，为0.27。随着恢复年限的增加，林地的固氮效应在波动中呈现显著增加的趋势，其值变化范围为0.49—0.81，土壤氮汇效应日益显著。而灌木林地表层土壤的固氮效应表现为先增加后减少，并在退耕>50 a时，土壤固氮效应转变为负值（−0.30）。草地土壤的固氮效应变化也经历了先增加后减小的过程，当退耕35—50 a后降到接近0，退耕>50 a后，转变为负值（−0.25）。从平均固氮速率来看，在退耕初期（<20 a），与对照农田相比，林地和草地表层 STN 储量分别以−0.025 t·hm−2·a−1和−0.01 t·hm−2·a−1的速率减少，而灌木林地表层 STN 储量则以 0.034 t·hm−2·a−1的速率增加。之后，随着恢复年限的增加，林地表层土壤的平均固氮速率显著提升，并在退耕 21—35 a后达到最大值，为 0.041 t·hm−2·a−1，此后，林地土壤的平均固氮速率虽有所减慢，但仍然保持以 0.025 t·hm−2·a−1的增加。灌木林地表层土壤平均固氮速率随恢复年限的增加，呈现先增加后降低的趋势，退耕>50 a后，灌木地土壤的平均固氮速率转变为负值。草地的土壤平均固氮速率也呈现出先增加后降低的趋势，退耕21—35 a，其平均固氮速率达到最大值，为 0.029 t·hm−2·a−1，退耕36—50 a，其平均固氮速率快速下降，退耕>50 a后，其平均固氮速率转变为负值（−0.01 t·hm−2·a−1）。

2.3 土壤有机碳与总氮、C/N、土壤含水量和容重的相关分析

由表2可知，退耕还林还草后的表层SOC含量与 STN含量、C/N和土壤含水量呈明显的正相关，即植被恢复后表层SCO含量的增加，可以有效地促进STN的积累。SOC含量与土壤含水量两者也存在正相关，即表明，土壤水分条件的改善有利于促进 SOC的积累，但二者的相关性不如土壤碳氮显著。STN与土壤含水量呈现显著的正相关，土壤水分条件的变化对于 STN的影响程度甚至高于SOC。土壤 C/N与 SOC存在明显的正相关（P<0.01），而与STN的相关性并未达到显著水平（P>0.05），这表明土壤C/N受SOC的影响较大。土壤容重是土壤最重要的物理性质之一，不仅能反映土壤质量和土壤生产力水平，而且是区域尺度土壤碳贮量估算的重要参数。本文的研究表明：SOC、STN均与土壤容重之间呈显著的负相关，这与其他学者的研究结论保持一致（柴华等，2016），但STN与土壤容重的相关性不如 SOC与土壤容重的相关性显著。在黄土丘陵区植被恢复过程中，随着SOC含量的增加，会改变土壤颗粒的胶结状况，从而导致土壤容重的降低。

表2 土壤有机碳与总氮、碳氮比、土壤含水量以及土壤容重的相关分析表Table 2 Correlation analysis between SOC content and STN content,C/N, soil moisture and soil bulk density

3 讨论

3.1 不同植被恢复类型对于土壤碳氮的影响

土地利用变化是影响黄土高原土壤碳氮蓄积的关键因素。大量研究结果表明：在黄土高原地区，植被恢复后土壤碳氮存在较强的表聚效应，即表层（0—20 cm）的土壤碳氮增加最为显著，固存潜力较大（Wang et al.，2011；Deng et al.，2018；李裕元等，2007；许明祥等，2012；董云中等，2014），因此本文研究晋西北典型生态恢复区不同植被恢复下的表层（0—20 cm）土壤的碳氮特征，能够很好地反映和表征土壤碳氮动态对于植被恢复的响应。但黄土高原地域辽阔，不同地区植被恢复下的土壤碳氮固存效应仍存在较大的差异性。一些研究表明：在退耕还林（草）后植被恢复过程中，自然恢复的草地的固碳功能要优于林地和灌木（Chen et al.，2007；Jin et al.，2014）。但也有一些研究认为，退耕还林（草）后，林地能比灌木和草地固定更多的土壤有机碳（Wang et al.，2011；刘玉林等，2018；冯棋等，2019）。本文的研究表明：在黄土丘陵区，通过植被恢复可以显著提升土壤的碳氮蓄积，但不同植被类型随恢复年限的增加，其土壤碳氮蓄积效应存在明显的差异。在耕作和施肥影响下，农田的表层 SOC含量相对较高，这也为植被恢复初期植物的生长提供了有利条件。在恢复初期（<20 a），由于植被生长的不断消耗，表层 SOC含量会出现一个降低的过程，但与林草地相比，灌木林地土壤碳氮含量提升较为明显，原因在于研究区以沙棘为主的灌木林在短期内能够迅速成林，相对于林地和草地具有更高的植被生产力，同时沙棘具有很强的固氮能力，能够为其生长提供养分，从而促进表层土壤有机碳的快速积累。此外，沙棘根系具有串根萌蘖的特性，抗冲刷侵蚀能力强，从而有效地防止了表层土壤碳氮的流失，由此使灌木地表层土壤在短期恢复后，即能保持较高的土壤碳氮蓄积能力。而林地和草地在恢复早期，根系并不发达，凋落物较少，导致恢复初期表层土壤固碳（氮）效应不明显。Chen et al.（2007）的研究表明灌木比其他纯林恢复模式土壤固碳（氮）效果更好。Deng et al.（2018）的研究也表明在黄土高原的植被恢复过程中，相对于草地和林地，种植灌木能获得长期更好的土壤固存碳氮效应（>20 a）。本文的研究结果与Chen et al.（2007）和Deng et al.（2018）基本一致，所不同之处在于，随着植被恢复年限的增加，灌木林地表层土壤的碳氮蓄积效应开始衰减，当恢复年限>50 a时，相对于灌木和草地，乔木林地表层土壤表现出了更好的土壤碳氮蓄积能力，其原因在于，随着恢复年限的增加，与灌木和草地相比，乔木根系更加发达，表层凋落物较多，有机物输入量更大，导致其表层土壤碳氮含量明显高于灌木和草地（王志齐等，2016）。此外，乔木林发达的根系更有利于降低土壤侵蚀速率，减缓表层土壤碳氮的流失；而灌木林地和草地随着恢复年限的增加，逐步趋于老化与退化，其根系对于土壤有机碳的贡献能力持续减弱，同时对地表土壤侵蚀的减缓作用进一步降低，从而导致其表层土壤碳氮含量和储量趋于下降，这与和党珍珍等（2015）和冯棋等（2019）的研究结论一致。

3.2 不同植被恢复类型下的平均土壤固碳速率

从植被恢复表层土壤的平均固碳速率来看，Zhang et al.（2010）研究发现，黄土高原退耕还林后表层土壤有机碳固存速率为 0.37 Mg·hm−2·a−1；而Chang et al.（2012）表明该区表层土壤固碳速率为0.173 Mg·hm−2·a−1；邓蕾（2014）通过建立土壤固碳量（ΔCs）与恢复年限之间的一元线性回归方程，估算了黄土高原地区退耕还林（草）的平均固碳速率为 0.29 Mg·hm−2·a−1。不同研究者的研究结果仍然存在较大差异，表明黄土高原地区在植被恢复下，表层土壤固碳速率的估算仍存在较大不确定性。本文的研究结果表明：在晋西北黄土高原地区，通过退耕还林，林地表层土壤中长期（>50 a）的平均固碳速率可达 0.42—0.49 t·hm−2·a−1，高于其他学者对于黄土高原地区退耕还林表层土壤的平均固碳速率的估算值。Hong et al.（2020）的研究结果也表明：植被恢复对土壤有机碳的影响取决于本底土壤碳储量，在土壤本底有机碳丰富的区域，造林会降低土壤有机碳储量，尤其是深层土壤的有机碳含量；而在土壤本底有机碳较为贫瘠的区域，造林则会促进土壤碳的积累，且在土壤表层最为显著。晋西北右玉县过去由于不合理的土地利用，水土流失严重，土地沙化严重，与黄土高原其他地区相比，这一地区的土壤本底有机碳含量较低，通过大规模的退耕还林（草）的生态恢复工程的实施，可以促进表层土壤有机碳的快速积累。

在黄土高原地区退耕还林（草）过程中，不同植被恢复类型，对于促进土壤有机碳的积累的速率存在显著差异。邓蕾（2014）研究表明，在降雨量较低的黄土高原北部（<450 mm），与林地和灌木林相比，草地表现出较高的土壤固碳速率。而本文的研究表明，在气候干旱、降水较少和风蚀严重的黄土高原北部地区（晋西北），无论是中期还是长期来看，退耕还林（灌），均比还草表现除了更高的固碳速率，而退耕还草的表层土壤固碳速率随恢复年限的增加，表现为先增加后减少，这和董云中等（2014）的研究结果较为一致，这是因为植被恢复表层土壤的有机碳输入主要取决于地表凋落物和根系，与草地相比，林地和灌木地根系发达，表层凋落物较多，有机碳输入较多，会促进土壤团聚体的形成，同时可以有效降低土壤侵蚀速率，减少表层土壤有机碳的流失。因此，在黄土高原地区植被恢复的表层土壤平均固碳速率的估算中，应充分重视区域自然环境本底、植被类型、恢复年限等多种因素，尤其在相关模型的构建中，如果忽视对以上因素的综合考虑，将会极大增加模型估算结果的不确定性。

4 结论

（1）晋西北黄土丘陵区退耕还林（草）的土壤碳氮蓄积效应，以20 a和50 a为界，可分为短期、中期和长期3个阶段。退耕还林在中期（21—50 a）和长期（>50 a）的土壤固碳（氮）效应相当可观，退耕还灌在短期（<20 a）和中期（21—50 a）的土壤固碳（氮）效应表现显著，对于草地，仅在退耕中期（21—35 a）表现出明显的土壤固碳（氮）效应。因此，在评估黄土高原植被恢复的土壤碳氮效应时，应综合考虑不同植被类型和不同恢复时期的阶段效应。

（2）从3种植被类型表层土壤碳氮蓄积速率的变化来看，林地在退耕中期和长期，其表层土壤均表现出较高的碳氮蓄积速率；灌木林地在退耕早期（<20 a），其表层土壤碳氮蓄积速率最快，之后，随恢复年限的增加，趋于下降，最终转变为负值（>50 a）；草地仅在退耕21—35 a，土壤碳氮蓄积速率为正值，土壤碳氮增汇效应明显，其余阶段均为负值，表现为碳氮亏损。

（3）退耕还林（草）的表层SOC含量与STN含量、C/N和土壤含水量呈明显的正相关，与土壤容重之间呈显著的负相关。土壤C/N与SOC相关的显著性要高于其与STN，表明土壤C/N受SOC的影响较大；土壤水分条件的改善可以促进SOC和STN的积累，其对表层STN的影响程度甚至高于SOC。