黃土丘陵區人工檸條林土壤有機碳組分和碳庫管理指數演變

崔 靜，陳云明，曹 揚，王瓊芳，黃佳健，王琳琳

（1．西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2．西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌712100；3．西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4．云南今禹生態工程咨詢有限公司，昆明650244；5．榆林市綠巨人水利設計有限責任公司，陜西 榆林719000）

黃土丘陵區水土流失嚴重，生態環境極其脆弱，以退耕還林還草為主的植被恢復措施是該區生態環境重建的根本措施。植被恢復不僅能有效減少水土流失，還可以通過土壤—植物復合系統功能來提高土壤質量［1］。土壤有機碳作為土壤的重要組成部分，不僅能直接反映土壤的肥力水平，衡量土壤質量［2］，還能有效反映土地、林地經營管理利用水平，并可用土壤碳庫管理指數進行量化［3］，且已有學者將土壤有機碳及碳庫管理指數變化用于退化生態系統恢復評價［1，4－5］。碳庫管理指 數 的 概 念 是lefroy等［4］結 合 了人為因素影響下土壤碳庫指數和碳庫活度兩方面的內容提出的，既反映了外界管理措施對土壤有機碳總量的影響，也反映了土壤有機碳組分的變化情況，碳庫管理指數還能夠對土壤的經營和管理是否科學做出評價，其值升高表明該措施有利于土壤的培肥，土壤肥力上升，反之則說明該措施不利于土壤培肥，土壤肥力下降［6－7］。目前國內外對碳庫管理指數的研究，多偏重于不同耕作措施［8－12］，不同施肥情況［7，13－14］對土壤有機碳及碳庫管理指數的研究，較少涉及到林地經營管理方面。在黃土丘陵區植被恢復過程中，種植了大量的檸條林，并且許多研究表明，在黃土丘陵區種植檸條，能夠改良土壤性質，恢復和維持土壤肥力［15－16］，提高土 壤 有 機 碳 含 量［17］。 雖 然 目 前 已 有 關于黃土丘陵區人工檸條林對土壤活性有機碳及碳庫管理指數的影響方面的報道［5］，但因時間序列短導致其對土壤有機碳及碳庫管理指數的變化機制特征還不是很明確。基于此，本文以10，17，30，34，40，50a較長時間序列人工檸條林為研究對象，分析黃土丘陵區0—40cm土層范圍內土壤中有機碳、活性有機碳及碳庫管理指數的變化特征，以期為闡明黃土丘陵區人工灌木林土壤固碳機制及土壤質量監測提供理論依據。

1 研究區概況

選擇陜西省安塞縣中國科學院安塞水土保持綜合試驗站紙坊溝示范區流域作為研究區域，地理位置109°13′46″—109°16′03"E，36°46′42″—36°46′28″N。該區屬黃土丘陵溝壑區，海拔1 010～1 400m，暖溫帶半干旱季風氣候；流域面積為8．27km2；年均氣溫8．8℃，≥0℃的積溫3 733．5℃，干燥度1．5，無霜期157～194d。年均降水量542．5mm，且分布不均，7—9月3個月降雨量占年降雨量的61．1%，多暴雨；年均蒸發量為1 463mm。土壤類型為黃綿土，植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶，其中，天然林已遭破壞；喬木以刺槐（Robinnia pseudoacacia）和小葉楊（Populussimonii）等為主；灌叢主要有檸條（Caraganamicrophylla）和沙棘（Hippophaerhamnoides）等人工林灌叢以及封禁后形成的黃刺玫（Rosaxanthina）、狼牙刺（Sophoraviciifolia）等天然灌叢；主要為鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、茭蒿（Artemisiagiraldii）、長芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloaischaemum）等形成的草原和干草原。

2 材料與方法

采用時空替代法，于2009年5—6月在紙坊溝流域內全面實地踏勘的基礎上選取坡度、坡向、坡位等立地條件相似，造林和管理方式相對一致的不同年限的檸條人工林樣地6塊（表1），生長年限分別為10，17，30，34，40，50a（檸條林人工林均是在退耕地進行穴播形成的），并分別在每個樣地內設置3個20m×20m樣方。在每個樣地的3個樣方內用土鉆沿對角線多點混合采樣，采樣深度為0—40cm，每隔20cm取樣1次，共采集土樣36個。樣品采回后，剔除石塊和動植物殘體等雜質，風干，磨碎，過篩后裝袋備用。

土壤全氮測定采用半微量凱氏法［18］；土壤全磷測定采用硫酸—高氯酸法［18］；有效磷用0．5mol／L碳酸氫鈉法［18］測定；速效鉀的測定采用醋酸銨浸提—火焰光度法［18］；總有機碳測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法［18］；活性有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定［19］；非活性有機碳含量為總有機碳和活性有機碳含量之差。土壤碳庫管理指數的計算［2］：以10a檸條林地土壤為參考，利用Excel和SPSS 16．0統計軟件對數據進行統計分析。其中：碳庫活度＝活性碳含量／非活性碳含量；碳庫活度指數＝樣品碳庫活度／參考土壤碳庫活度；碳庫指數＝樣品全碳含量／參考土壤全碳含量；碳庫管理指數＝碳庫指數×碳庫活度指數×100。

表1 樣地詳細概況

3 結果與分析

3．1 不同生長年限檸條林地土壤碳組分變化

3．1．1 土壤總有機碳含量 由表2可知，隨著檸條生長年限的增加，檸條林地0—40cm土層平均土壤有機碳含量先增加后趨于平穩。不同生長年限的檸條林地平均土壤有機碳含量在10a時最小，為2．34 g／kg，34a時最大，為4．29g／kg，到40，50a時，檸條林地土壤平均有機碳基本處于積累與消耗的相對穩定狀態，其值穩定在4．11～4．14g／kg。圖1A為不同年限檸條林地各土層土壤總有機碳變化情況。0—20cm土層土壤總有機碳的變化與0—40cm土層平均土壤有機碳含量變化一致：10a最小為2．68g／kg，34a時最大為6．35g／kg，40，50a穩定在5．44～5．45g／kg。20—40cm土層土壤總有機碳也隨檸條生長年限的增加不斷增加，但其增幅明顯低于0—20 cm土層。檸條林地0—20cm土層土壤總有機碳含量是20—40cm土層的1．34～2．86倍，這說明土壤有機碳的分布具有一定的表聚性［20］，且有機碳主要集中分布在土壤的表層。

表2 檸條林不同生長年限0－40cm土層土壤平均總有機碳、平均活性有機碳含量變化

3．1．2 土壤活性有機碳含量 隨著檸條生長年限的增加，0—40cm土層平均活性有機碳含量呈上升趨勢，其他林齡的平均活性有機碳含量比10a高出30%～107．5%（表2）。由圖1B可以看出，0—20cm土層土壤活性有機碳含量變化與0—40cm土層土壤平均活性有機碳含量變化一致，在10a時最低為0．48 g／kg，50a最高為1．17g／kg；20—40cm土層土壤活性有機碳含量在17a和30a時比10a下降了6．1%～18．1%，但三者之間差異并未達到顯著水平（P＜0．05），40a時活性有機碳含量最高為0．51，是10a的1．55倍，50a時含量比40a時有所下降，但仍比10a高出42．4%。

圖1 不同生長年限檸條林地不同土層土壤總有機碳、活性有機碳含量變化

3．2 不同生長年限檸條林地土壤碳庫管理指數

碳庫活度和碳庫活度指數都可以用來反映土壤碳素的活躍程度，活度越大，表示有機碳越易被微生物分解，質量也就越高［3］。由表3可知，不同土層深度中土壤碳庫活度和碳庫活度指數均隨林齡增加而增加，其中碳庫活度在0—20cm土層的值高于20—40cm土層，而碳庫活度指數除了在30a和50a時0—20cm土層的值高于20—40cm土層外，其他林齡均為20—40cm土層的值等于或高于0—20cm。總體而言，檸條林地0—40cm土層碳庫活度及碳庫活度指數隨檸條林生長年限的增加整體增加，說明隨檸條林生長，檸條林地土壤碳庫活性增大，土壤中的活性有機碳與非活性有機碳處于一種高速周轉的動態平衡之中，土壤中碳素質量得到改善。

表3 不同生長年限檸條林地土壤碳庫管理指數

表3還說明，檸條林地的碳庫指數變化與碳庫管理指數的變化一致，隨林齡增加均表現為0—20cm土層明顯高于20—40cm土層。就碳庫管理指數而言，在0—20cm土層，隨生長年限的增加，檸條林地的碳庫管理指數明顯提高，比10a檸條林地高出54．2%～153．0%；而在20—40cm土層，檸條林地的碳庫管理指數提高幅度不及0—20cm土層，甚至在17～30a期間比10a時下降了8．0%～16．9%。檸條林地各土層碳庫管理指數提高幅度的不同可能與土壤表層有機質的來源和土壤微生物活性有關，表層土壤有機質主要來源于植物凋落物和分布在表層根系的凋亡，加上表層有適宜的溫度和水分，促進了土壤微生物活動，使土壤的碳素循環加快。

3．3 土壤碳組分、碳庫管理指數與土壤肥力指標之間相關性分析

通過分析活性有機碳與總有機碳、碳庫管理指數及土壤肥力因子之間的相關關系發現，活性有機碳與總有機碳和其他肥力指標均呈極顯著的正相關關系，詳見表4。由表4可以看出，碳庫活度與碳庫活度指數存在極顯著的正相關關系，并與活性有機碳、總有機碳、碳庫指數及碳庫管理指數達極顯著或顯著相關，但與土壤肥力指標間的相關性較弱；碳庫指數和碳庫管理指數與土壤碳組分、其他主要肥力指標之間都表現為顯著相關。

表4 土壤碳組分、碳庫管理指數與土壤肥力指標之間的相關性

4 結論與討論

隨生長年限的增加，檸條林地0—40cm土層平均總有機碳含量先增加后趨于平穩：10a時含量最小，僅為2．34g／kg，之后迅速累積，到34a時含量最高，為4．29g／kg，比10a時高出83．3%，40a和50a時積累與消耗處于相對穩定狀態，其值穩定在4．11～4．14g／kg。本研究中檸條林在生長10～34a時有機碳積累迅速，與張晉愛等［21］在該地區研究得出的10～22a是檸條林土壤有機質快速積累期的研究結論基本一致。

不同生長年限檸條林地土壤平均活性有機碳含量隨林齡增加也表現為先增加后趨于平穩：10a時含量最小為0．40g／kg，40a和50a時含量最高，并穩定在0．82～0．83g／kg。唐國勇等［22］人在干熱河谷的研究表明，人工林地土壤有機碳活性高于荒地，且碳庫處于良性狀況，這也間接證明了種植人工林有助于土壤碳庫的提高，與本文研究得出的結論相似。薛萐［23］等的研究中，分別對黃土丘陵區人工刺槐林總有機碳、活性有機碳與其生長年限進行耦合分析發現，隨林齡增加，總有機碳與活性有機碳均線性增加。戴全厚［5］也得出類似的結論。而在本研究中對檸條林地土壤總有機碳和活性有機碳分別與生長年限進行耦合分析發現，二者變化并不一致，土壤總有機碳隨林齡增加呈二次多項式變化：y＝－0．0017x2＋0．1451x＋1．0952，R2＝0．963 6，而活性有機碳隨林齡增加呈線性增加：y＝0．0111x＋0．3189，R2＝0．9379。

戴全厚等［5］的研究表明，隨林齡增加，碳庫指數和碳庫管理指數顯著增加。本研究也表明，隨著檸條林的生長，土壤碳庫指數和碳庫管理指數均呈上升趨勢，說明在黃土丘陵區種植檸條林能夠使土壤肥力上升，促進土壤向良性發展。檸條林地土壤活性有機碳與總有機碳之間及其他肥力指標均極顯著正相關，表明不僅總有機碳是衡量土壤質量的評價指標［1］，活性有機碳也可以作為描述土壤質量的重要指標［24］，并能用來反映土壤的肥力狀況及指示植被恢復對土壤質量的影響；碳庫指數和碳庫管理指數與土壤碳組分、其他主要肥力指標之間都顯著相關，這與薛萐等［25］在黃土丘陵區研究不同農田類型下土壤碳庫管理指數得出的結果一致。Sodhi等［26］的研究表明，在一個新的生態系統或措施下，碳庫管理指數可以用來監測隨時間變化土壤質量下降或更新的程度，根據本文研究，說明碳庫指數和碳庫管理指數也可以作為反映黃土丘陵區植被恢復過程中的監測因子。

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