黄土高原地区退耕还林后土壤有机碳储量变化特征及影响因素

衣鹏慧,吴会峰,胡保安,温 馨,韩海荣,程小琴

北京林业大学生态与自然保护学院, 北京 100083

土壤有机碳库是陆地生态系统最大的碳库,土壤有机碳(SOC)储量约为大气碳库的3.3倍,植被碳库的4.5倍[1-2]。SOC作为土壤碳库的重要组成部分,其动态平衡在全球气候变化和碳循环中的作用尤为重要。黄土高原位于干旱与半干旱地区,地质破碎,土壤侵蚀严重,长期以来面临着严重的生态环境问题[3],土壤侵蚀造成的SOC损失是大气CO2浓度加剧的驱动因素之一[4]。植被恢复通过促进植物和土壤中碳的吸收和利用,被认为是实现“双碳目标”下的生态修复的一种有效途径,SOC储量的提升可能会降低大气中CO2浓度的增加。在日益严峻的生态环境问题和气候变化威胁的双重背景下,如何最大限度地提高黄土高原地区SOC储量来恢复脆弱的生态系统以及降低土壤侵蚀带来的消极影响已成为许多生态学者共同关切的热点议题。

自退耕还林工程实施以来,尽管已有大量研究表明植被恢复措施对提高SOC储量具有显著成效[5-8],但由于不同植被类型光合及生物残体等有机物质的输入,以及植物和土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的复杂生态过程对SOC动态平衡的作用机制的响应不同[9],有机质的输入和输出过程因受到气候、植被、土壤等多方面因素的综合影响,导致不同区域植被恢复对SOC储量作用规律表现不同的特征[10]。相关研究表明草地SOC固存对年平均气温(MAT)和年平均降雨量(MAP)的响应比林地更敏感[11]。在MAP较少(<550 mm)的地区进行草地和灌木地恢复,在MAP较多(>550 mm)的地区进行林地恢复可以减少SOC的损失[12]。除气候因素,SOC储量的变化特征还可不同程度地被植被恢复年限所解释。例如,草地恢复需>30年才可达到农田SOC储量水平[13],但是也有研究表明需要约100年的恢复年限[14]。同时,在植被恢复过程中,植被覆盖率的增加改变了地表覆被情况,土壤特性发生变化,使得SOC储量得到了提升[15]。此外,有研究表明SOC储量在幼林中(<15年)随MAP的增加而增加,但在中老林(>15年)中呈现减少的趋势[16]。因此,植被恢复后SOC储量的增加或减少在很大程度上取决各种因素的相互作用,而这些因素之间的复杂相互作用还缺少定量评估。目前,退耕还林后关于植被恢复对土壤固碳效应的研究尺度多基于黄土高原有限试验点,难以充分代表该地区,所得出的结论在更大区域范围内普适性较差,明确SOC储量的总体变化趋势和多因素间复杂的作用机制是十分必要的。

本文旨在:(1)明确退耕还林后植被恢复是否会增加黄土高原地区SOC储量;(2)探讨气候因素、植被因素和土壤因素下SOC储量的变化特征;(3)揭示和量化评估影响SOC储量的关键因子及其相互作用。以期为黄土高原不同气候区及不同恢复条件下选择合理的植被配置方式提供参考,发挥退耕还林生态工程的最大效益。

1 材料与方法

1.1 文献检索

本文通过中国知网、万方和Web of Science中英文数据库对1999-2022年的相关论文进行检索。中文以“黄土高原”、“植被恢复”、“植被恢复类型”、“土地利用”、“土地利用方式”、“土壤有机碳”、“土壤有机碳储量”和“土壤养分”等关键词进行检索。英文以“the Loess Plateau”、“vegetation restoration”、“vegetation restoration types”、“land use”、“land use pattern”、“soil organic carbon”、“soil carbon storage”和“soil nutrient”等关键词进行检索。为保证研究的准确性,尽可能全面搜索黄土高原地区“植被恢复与SOC固存”的相关文献。

为满足筛选和分析数据时的准确性,采用以下标准筛选文献:(1)确定文献研究的所需指标均来自黄土高原地区试验位点;(2)文献中至少包含一种以农田为对照组的植被恢复类型(林地、灌木地、草地);(3)SOC储量可以直接或间接由土壤有机质、SOC以及容重计算得到。(4)文献中对样本数、平均值等数据记录清晰,图表数据采用GetData Graph Digitize 2.26软件提取。

最终获得117篇符合标准的文献:中文79篇,英文38篇,共1140组SOC数据。检索后对SOC储量数据进行偏移检验,结果显示失安全数(Fail-safe number)为19967.3,远远大于临界值595(5N+10),不存在文献偏移。检索的指标有经度、纬度、MAT、MAP、植被恢复年限、植被覆盖率、SOC储量、SOC含量、土壤有机质、土壤容重和土壤采样深度。

1.2 数据分类

为了更全面探讨影响退耕还林后植被恢复对SOC储量的因素,本文根据黄土高原地区基本特征和所收集数据的均匀性对指标进行分组,具体分组情况如下(表1)所示。

表1 因素分组信息Table 1 Factor classification information

1.3 数据分析

土壤有机质采用0.58为系数进行有机碳含量换算,计算公式为[17]:

SOC=SOM×0.58

(1)

式中,SOC为土壤有机碳含量(g/kg);SOM为土壤有机质含量(g/kg)。

将数据中不同土壤深度分类的SOC含量归一化处理:比如0-5cm、5-10cm、10-20cm等,按照土壤深度分别加权平均到相同土壤深度。对于只给出单层SOC含量的数据根据杨睿哲等[11]和Li等[18]方法调整到0-20cm土层,计算公式为:

(2)

式中,SOCt为0-20 cm土壤深度的SOC含量(g/kg);0.9928为SOC含量随土壤深度变化的相对减少率;H为原始采样深度(cm);SOCH为原始土壤深度的SOC含量。

将文献中检索的SOC数据全部转换成SOC储量,计算公式为:

(3)

式中,SOCS为SOC储量(Mg/hm2);BD为土壤容重(g/cm3);H为土壤深度(cm)。

使用WU等[19]的方法估算未给出的土壤容重(BD),计算公式为:

BD=-0.1229×ln(SOC)+ 1.2901(SOC>60 g/kg)

(4)

BD=1.3774e-0.0413 ×SOC(SOC<60 g/kg)

(5)

(6)

进行Meta分析时,用效应值(lnR)反映不同植被恢复类型对SOC储量的影响,Var为lnR的方差,计算公式为[21]:

(7)

(8)

综合效应值(lnR++)、lnR++的标准误差(SE)和权重(W)的计算详见参考文献[22];为了更直观地反映SOC储量对植被恢复的响应,将结合效应值转化为SOC储量的变化率(X),计算公式为[23]:

X=(elnR++-1)×100%

(9)

如果X的95%置信区间在零刻线右侧,则表示相对于实验组(农田),处理组(植被恢复)显著增加SOC储量;反之则显著减少;若X的95%置信区间包含零刻线,则表示处理组对SOC储量无显著作用。进行Meta分析时,对收集的数据进行异质性检验,若P<0.05,使用随机效应模型进行亚组分析;若P>0.05,则采用固定效应模型[24]。

地理探测器是一种基于空间分异性来探索变量驱动机制的一种统计学方法,该方法将连续性变量进行离散化处理后,通过建立自变量与因变量之间的模型,分别计算和比较自变量的q值及两个自变量叠加后的q值,判断每个因变量对自变量的影响程度以及因变量间是否存在交互作用以及交互作用的强弱[25]。因此本文运用地理探测器方法对退耕还林后黄土高原地区SOC储量变化特征进行多因子定量归因,甄别不同植被恢复类型下SOC储量变化的主要驱动因素及其交互作用。

本文使用MetaWin 2.1计算效应值及其95%置信区间;并运用R 4.1.3进行地理探测器分析影响因素对SOC储量的相对贡献率及交互作用;最后用Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 植被恢复对SOC储量影响的总体特征

与农田相比,植被恢复下SOC储量效应值lnR的频数分布呈显著性正态分布(P<0.01),满足Meta分析的必要条件(图1)。其中,林地SOC储量的效应值lnR主要分布在0.00-0.50,均值为0.335;灌木地SOC储量的效应值lnR主要分布在-0.20-0.50,均值为0.299;草地SOC储量的效应值lnR主要分布0.00-0.30,均值为0.146)。

图1 SOC储量效应值的频率分布Fig.1 Frequency distribution of the effect size of SOC storageM、SD和N分别为平均值、标准差和样本量;曲线为拟合高斯分布函数,P为显著性检验概率水平

总体来看,植被恢复可显著提高SOC储量(27.83%)。SOC储量的增加效应以林地最大(36.21%),灌木地次之(32.41%),草地最小(15.57%)。其中,林地、灌木地与草地呈现显著差异,林地与灌木地间无显著差异(图2)。

图2 SOC储量对植被恢复的响应Fig.2 Response of SOC Storage to vegetation restorationSOC:土壤有机碳Soil organic carbon;括号中数值表示相关样本量;图中误差线表示95%的置信区间

2.2 植被恢复对SOC储量的影响因素分析

对不同植被恢复类型的SOC储量效应值lnR进行异质性检验,结果显示在各因素影响下SOC储量均存在异质性(P<0.01)(表2)。

表2 异质性检验结果Table 2 Result of heterogeneity test

在不同MAT条件下,植被恢复对SOC储量的增加效应存在差异。林地SOC储量的增加效应呈现先升高后降低的趋势,增加程度由大到小顺序表现为39.46%(7-10℃)、29.55%(<7℃)、23.97%(>10℃);灌木地和草地恢复对SOC的增加效应呈现逐渐降低的趋势,在MAT<7℃条件下最高,分别显著增加了37.88%和22.85%;而MAT>10℃时,草地SOC储量无显著增加效应。随着MAP的增加,林地和灌木地对SOC储量提高的变化趋势为先升高后降低,在MAP为450-550 mm条件下的增幅最大,分别显著提高了41.09%和38.64%;而草地呈现逐渐升高的趋势,在MAP>550 mm条件下的增幅最大,显著提高了36.79%(图3)。

图3 SOC储量在不同因素下的变化特征Fig.3 Change characteristics of SOC storage under different factors

在不同植被恢复年限条件下,植被恢复对SOC储量的增加效应表现为植被恢复年限越长,SOC储量的增加效应越大;且植被恢复年限<30 a的林地和灌木地SOC储量的增幅显著低于植被恢复年限>30 a的林地和灌木地;植被恢复年限<10 a的草地SOC储量的增幅显著低于植被恢复年限>10 a的草地。植被覆盖率≤60%时,林地和草地SOC储量分别显著提高了65.55%和19.83%,而灌木地无显著变化;植被覆盖率>60%时,各植被恢复类型均可显著提高SOC储量,分别提高了84.21%、54.13%和53.45%(图3)。

图3所示,随着土层的加深,植被恢复对SOC储量提高的幅度呈现降低的趋势。林地恢复可显著提高0-60 cm各土层SOC储量,灌木地和草地恢复可显著提高0-40 cm各土层SOC储量,而在40-60 cm土层中无显著增加效应。不同植被恢复类型SOC储量增幅的最高值出现在低土壤容重(<1 g/cm3)条件下,显著高于中土壤容重(1-1.3 g/cm3)条件下对SOC的增加效应(图3)。

2.3 多因素对SOC储量的贡献率及交互作用

通过地理探测器模型分析了各因素对SOC储量的相对贡献率(图4)。植被恢复年限对林地SOC储量的贡献率最大(21.44%),其次是MAT(20.95%)。各因素对灌木地SOC储量的贡献率表现为植被覆盖率(59.93%)> MAT(53.44%)> MAP(49.72%)>土壤容重(42.66%)>植被恢复年限(42.46%)>土壤深度(10.94%)。MAP对草地SOC储量的贡献率最大(32.63%),其余因素分别为:植被覆盖率(18.18%)>MAT(15.67%)>植被恢复年限(8.62%)>土壤容重(5.15%)>土壤深度(0.19%)。

图4 SOC储量影响因素的贡献率及交互作用Fig.4 Contribution rate and interaction of influencing factors of SOC storageMAT:年平均气温Mean annual temperature;MAP:年平均降雨量Mean annual precipitation;VRA:植被恢复年限Vegetation restoration age;VC:植被覆盖率Vegetation coverage;SD:土壤深度Soil depth;BD:土壤容重Soil bulk density

地理探测器模型交互作用的分析结果表明,MAP与植被恢复年限的交互作用对林地SOC储量的增加效应最大(33.46%)。MAT与土壤容重的交互作用对灌木地SOC储量的增加效应最大(86.77%)。MAP与植被覆盖率的交互作用对草地SOC储量的增加效应最大(60.59%)(图4)。

3 讨论

3.1 气候因素对SOC储量的影响解析

温度和降雨量是影响SOC固存和分解的重要因素[26],在黄土高原地区有明显的空间分布特征,通过光合作用产生的净初级生产力对植被分布进行调控[27],较高的SOC储量往往更频繁地出现在潮湿和较冷的地区,因为这些条件减缓了分解和矿化的过程。灌木地和草地SOC储量在MAT<7℃条件下的增量最大,而林地SOC储量在MAT为7-10℃的条件下增量最大,其原因是低温会抑制SOC的降解速率,林地的冠层更为茂盛,在一定程度上可抵御温度升高对SOC固存的消极影响[11]。SOC储量的变化主要由植物碳输入量和微生物分解量来调控,最终影响SOC的输出过程,因此SOC储量随MAT升高而降低的现象可以用与植物碳输入量相比,微生物分解作用对温度的响应更大来解释[28],所以在MAT>10℃条件下SOC储量的增加效应较小。由于微生物的温度敏感性,温度升高可使草地土壤细菌和真菌群落活性提高加速土壤碳分解[29],因此在温度较低的环境中进行草地恢复,可能更利于草地SOC储量的固存。

降雨量是黄土高原地区土壤水分的主要限制因素,决定了土壤水分与SOC之间的权衡关系。各植被恢复类型在MAP条件下不同的响应可归因于不同植物物种的性质以及它们与土壤水分条件和微生物之间复杂的相互作用[30]。在干旱地区,降雨量不足(MAP<450 mm)时,植物固定的碳多用于增加其生物量而不是SOC储量;而在降雨量较为充沛的地区(MAP>550 mm),加速了SOC的矿化,导致其固存量相对低于MAP为450-550 mm的地区[31]。但草地在MAP>550 mm条件下的固碳效应最好,与Deng等[12]研究不同,这一差异可能与草地植被覆盖率的交互作用有关。虽然较大的降雨量可能会由于溶出有机碳造成淋溶损失而减少有机层中碳的积累,但草地覆盖层为土壤提供更多的渗透通道,从而降低径流系数抑制碳矿化带来的损失[32]。MAP是草地SOC储量增加效应的主要驱动因素,降雨量的差异性直接或间接影响了SOC储量[33]。

3.2 植被因素对SOC储量的影响解析

本研究表明,植被恢复年限越长对SOC储量的增加效应越大,主要是因为SOC储量与凋落物和根系生物量密切相关[34]。植被在恢复初期(<10 a)固碳能力较弱,而灌木在短期内能够迅速成林,相对于乔木和草本具有更高的植被生产力和较高的根系固氮能力维持生长发育,从而促进SOC的快速积累[35]。草地在恢复初期由于群落的种间竞争作用加速土壤养分的争夺使其植被盖度下降,物种多样性减少,不利于SOC固存[36]。即使如此,在恢复初期草地SOC储量依然增加的原因是根系较浅的植物往往寿命较短并且会不断生长出新的根系,较高的根系生产率通过细根周转诱导了有机质的输入[37]。但相较于林地和灌木地,恢复初期草地SOC的增加效应较低。恢复时间越长,林、灌、草地植被群落变得更加复杂和稳定,地表覆盖面积增加,大量凋落物、根系和根系分泌物进入土壤[38-39],较高数量的植被凋落物输入可以通过增加微生物坏死体的积累来增加SOC储量在土壤中的持续蓄积。植被恢复年限是影响林地SOC储量的主要驱动因子,由于凋落物和根的高碳量输入,在长期恢复中木本植物具有较高的SOC固存潜力[40]。因此进行长期恢复时,林地和灌木地可能是提高黄土高原地区SOC储量的更好恢复选择。

本研究表明,植被覆盖率越高对SOC储量的增加效应越大,主要是因为植被覆盖率增加后,土壤湿度、温度及土壤理化性质等发生变化。植被覆盖率增加有利于保持土壤湿度,提高植物初级生产力,而植物初级生产力的提高会反过来促使植物产生更多的凋落物来增加SOC积累[41]。林地每年产生大量凋落物,腐殖质层较厚,其分解过程中约有67%的碳输入土壤,因此在较高植被覆盖率下,林地的土壤固碳能力较强[42]。同时,凋落物覆盖层可以避免表层SOC过度暴露于氧气中而抑制碳的分解和矿化过程[43],减少降雨对土壤大团聚体的破坏,进而减缓团聚体内部SOC矿化速度,并通过降低地表温度减缓土壤的呼吸速率,从而增加SOC储量。此外,相关研究指出土壤颗粒中砂粒与植被覆盖率呈负相关,而粘粒与植被覆盖率呈正相关[44],砂质土壤对SOC的截获能力明显低于粘质土壤。植被覆盖率是影响灌木地SOC储量的主要驱动因子,然而在低覆盖率下(≤60%)灌木地SOC储量无显著增加的原因可能是灌木种植在黄土高原地区含砂粒较多的土壤中[45],而砂质土壤比粘质土壤积累碳更少[46];此外,灌木可能没有足够的冠层结构来拦截降雨以保护土壤免受侵蚀,因此在种植灌木时应考虑初始植被覆盖率对SOC固存的影响。

3.3 土壤因素对SOC储量的影响解析

植被恢复对SOC储量的增加效应随土壤深度而变化。由于碳源输入存在表聚现象[47],植被恢复更有利于提高0-20 cm土层SOC储量。土壤表面覆盖着由糖类、酚类和半纤维素构成的凋落物层[48],丰富了土壤微生物群落物种多样性[49],从而促进营养物质在表层的周转;当养分不足时,土壤微生物会分泌养分矿化酶分解养分进而影响SOC的固存。Jiao等[50]研究发现植被恢复后土壤养分的可用性增加,木本植物表层(0-20 cm)土壤有机质、全氮、速效氮和速效钾等养分含量高于草地,增强了土壤的抗干扰能力,进而利于SOC的固存。林地和灌木地在0-20 cm土层SOC储量高于草地,更利于提高表层SOC储量,这与Wang等[8]研究结果一致。但植被恢复对40 cm以下深度SOC储量的影响较小[51],地下根系垂直分布格局变化[52]和土壤水分[36]的消耗也相应限制了SOC的固定。林地根系分布较深,为深层SOC提供了关键碳源[53],同时土壤矿物随土壤深度加深而升高,而深层SOC更多以有机质和矿物质的复合体形式呈现[54],土壤中富含的丛枝菌根产生的多种分解产物通过菌丝的连接被吸附到矿物表面后形成了稳定的有机物质[55],从而显著提高了0-60 cm土层SOC储量。

土壤容重是土壤养分储存、水分输送和气体渗透的重要物理参数[56],是影响SOC储量的重要指标。大量研究表明土壤容重与SOC呈负相关[57-58],不同植被恢复类型SOC储量在低土壤容重(<1 g/cm3)条件下的增加效应最大,可能与SOC的物理保护机制有关。低土壤容重可以增加土壤孔隙度,有利于形成水稳性团聚体并提高其稳定性。植被恢复过程提高了>0.25 mm粒级水稳性团聚体在黄土高原地区土壤增碳中的作用,土壤抗侵蚀能力增强[37]。同时,低土壤容重环境为根际营造了良好的微生境,促使氨基酸等根系分泌物的产生,氨基酸通过抑制微生物的降解作用,改变了碳氮比和pH,从而促进了SOC的积累[59]。

3.4 多因素对SOC储量的交互作用的定量评估

在植被恢复过程中,SOC储量变化的复杂性导致影响因素并不是单独起作用,而是多因素耦合驱动的结果。Xiang等[10]研究表明不同MAP条件下林地SOC固存效应存在差异,且随恢复年限的增加SOC储量明显增加,与本文交互作用的结果相符。气候和土壤性质是影响灌木生长的重要因素[60-61],它们的交互作用可能会对灌木的生长和生理特性产生复杂的影响,例如,在温度和容重较高的环境中可能会抑制植被的生长,而在低温和低容重的条件下可能会为植被提供适合生长的环境,进而影响植物-土壤间的碳循环过程。正如本文结果显示在MAT<7℃和低土壤容重的条件下,灌木地SOC储量的增加效应更高(图3),由于SOC储量的调节过程非常复杂,内在机理需要进一步分析。MAP与植被覆盖率的交互作用促进了草地SOC储量的增加。首先,草地碳输入会随MAP增加相应地增加[37],然而草地植被覆盖率较低,即使MAP较高,植被生长和分解代谢也可能会降低,从而限制碳的积累。另一方面,如果草地植被覆盖率较高,那么碳的输入和积累将更加频繁和充分。MAP(MAP>550 mm)和植被覆盖率(>60%)较高的情况下,它们的交互作用可能会促进SOC固存。

4 结论

与农田相比,退耕还林后植被恢复(林地、灌木地、草地)显著提高了黄土高原地区SOC储量,林地的固碳效应最好。植被恢复对SOC储量的增加效应随恢复年限、植被覆盖率的增加而增强,随土壤深度增加而减弱,且在低容重条件下有利于促进SOC储量的增加效应。林地恢复在MAT为7-10℃条件下更利于提高SOC储量的增加效应,在MAT<7℃条件下更易促进灌木地SOC储量的增加效应,且二者在MAP为450-550 mm条件下利于SOC储量的增加。而草地SOC储量的增加效应在MAT<7℃、MAP>550 mm条件下较为明显。植被恢复年限、植被覆盖率和MAP分别是影响林地、灌木地和草地固碳效应的主要驱动因子。同时,在黄土高原地区进行植被恢复时应综合考虑因子间交互作用或共同驱动作用对土壤固碳效应的影响。