陜北黃土丘陵區土壤碳氮庫對人工植被恢復的響應

陳少鋒，韓新輝，馮永忠，楊改河，任廣鑫

（1.西北農林科技大學 農學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省循環農業工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100）

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）和氮作為土壤肥力的核心物質［1－3］，是生態系統中及其重要的生態因子，二者的長期積累不僅影響整個生態系統的穩定性和持續性，對全球碳氮循環及緩解溫室效應也有深遠影響［4－5］.森林土壤的有機碳儲量約為森林生態系統有機碳庫的2／3［6］，其庫容的微小變化都會對大氣CO2濃度及全球氣候變化產生巨大的影響.因此，森林土壤有機碳儲量動態變化及空間分布成為全球有機碳循環研究的熱點［7－9］.

黃土高原由于受到人為和自然雙重因素的影響植被已遭到嚴重破壞，水土流失、土地沙化問題日趨嚴重，已成為我國生態環境脆弱區［10］.由此，1999年大規模人工造林工程開始，該地區也成為我國生態建設的主戰場.雖然退耕還林（草）工程的最初目的是遏制水土流失等環境問題，但是通過人工植被恢復改變土壤內部養分流動狀況，引起土壤碳氮數量和質量的變化，尤其對于深層土壤碳氮含量和儲量變化不容忽視［11］.如Rumpel［12］也認為不應該忽視深層土壤碳的性質和變化，應該對深層土壤有機碳的變化和輸入土壤深層的碳通量數量情況進行研究.

目前，我國學者在對退耕還林（草）土壤有機碳和全氮影響方面做了大量研究.如李裕元［13］對黃土高原北部草地的恢復與重建過程中對土壤有機碳影響的研究中分析了0～100cm 土體的有機碳密度，認為植被恢復對土壤碳固存的影響相對較小.張景群［14］對黃土高原刺槐林有機碳在0～80cm 土層的研究認為黃土高原刺槐造林不能提高土壤有機碳密度.邢順林［15］對黃土高原土壤氮素礦化過程的研究僅在0～20cm 的表層.文海燕［16］的研究表明，在黃土高原典型草原土壤0～40cm 實施氮添加的初期，輕組有機碳質量分數比全氮能更早地顯示出土壤氮素特征.這些研究大都集中在土壤的淺層，對深層土壤有機碳、氮含量及儲量的變化研究不足.因此，本研究基于陜北黃土丘陵區典型退耕區不同人工植被類型，對深層土壤有機碳、氮含量在空間分布上的變化特征和深層有機碳氮儲量差異特征進行分析，旨在闡明植被類型對黃土丘陵區深層土壤碳氮的截留效應及差異特征，以期為該區域人工林草恢復土壤質量的生態效應評價提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

樣地選擇在黃土丘陵區中部的陜西安塞縣（108°51′44″－109°26′18″E，36°30′45″－37°19′31″N）紙坊溝流域（109°13′46″－109°16′03″E，36°46′42″－36°46′28″N）.地處黃土高原腹地，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區，森林草原地帶向風沙草原帶的過渡區.土壤以黃綿土為主，總土地面積2 950 km2，其中耕地93 000hm2，山地居多，占95%以上.平均海拔1 200m，相對高差100～300m，平均氣溫8.8 ℃，年均降水505.3mm，無霜期157d.該區常見的人工植被恢復類型有刺槐（Robinia pseudoacacia）為主的人工林，以沙棘（Hippophae rhamnoides）和檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）為主的人工灌叢以及封禁后形成的黃刺玫（Rosa xanthina）、丁子香（Syzygium aromaticum）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）和 白 刺花（Sophora davidii）等天然灌木林；還有鐵桿蒿（Tripolium vulgare）、茭蒿（Artemisia leucophylla）、長芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、狗尾草（Setaria viridis）、大披針苔草（Carex lanceolata）等為主要植被的撂荒恢復草地.

1.2 樣品采集與測定

2012年8月在研究區內選取退耕后撂荒地3 種植被恢復類型，并以鄰近坡耕地為對照.采樣時設置20m×20m 標準采樣區，按照“S”形選點.土鉆法取土，1m 以內隔10cm 取土，1～2m 內每隔20cm 取土.將相同土層的土樣混勻作為待測樣品.同時挖取剖面，環刀法測定各土層容重.每種植被類型選擇立地條件基本一致的3塊樣地，重復采樣3 次.采樣點基本信息見表1.樣地土壤均為黃綿土，土樣風干后研磨過0.25mm篩.采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳（SOC）含量，凱氏定氮儀測定土壤全氮（TN）含量.

表1 樣地基本狀況Tab.1 Basic condition of the sampling

1.3 數據分析

基于土壤分層理論，并結合目前SOC 土層剖面動態變化研究［13，15］土壤有機碳或全氮密度是指單位面積一定厚度的土層中有機碳或全氮的質量，可以指示土壤有機碳和全氮儲量［17］.對于分層的土壤剖面而言，土壤有機碳和全氮密度計算公式為

Ti＝Ci·Di·Ei（1－Gi）／10，

式中：Ti為第i層土壤有機碳密度或全氮密度（Mg／hm2）；Gi，Ci，Di，Ei第i層土中＞2mm 礫石的體積分數（%）、土壤容重（g／cm3）、有機碳或全氮平均質量分數（g／kg）、土層厚度（cm）.

式中：Ri第i層土壤中累積的有機碳或全氮的分配比例（%）；T0～200指0～200cm 土層總的有機碳或氮的密度，即各土層有機碳和氮密度之和.

采用方差分析（ANOVA）研究有機碳和全氮含量在不同植被類型同一土層和同一植被類型不同土層的變化，差異顯著性采用鄧肯法進行檢驗分析，差異水平為P＜0.05.結果統計與分析采用SPSS17.0軟件進行.

2 結果分析

2.1 不同人工植被恢復土壤有機碳、全氮含量差異

圖1顯示，不同人工植被有機碳、全氮含量隨土壤深度的增加表現出了一致的變化趨勢.在0～10cm表層不同植被類型土壤有機碳含量顯著高于其他土層（P＜0.05）；土壤有機碳質量分數刺槐（7.87g／kg）＞檸條（6.31g／kg）＞撂荒5.37g／kg）＞坡耕地（3.26g／kg）；10～40cm 淺層土壤有機碳含量隨土層深度增加持續顯著下降；對比坡耕地，刺槐林有機碳的增幅為26%～141%，檸條林有機碳增幅為18%～102%；撂荒地有機碳增幅為12%～76%；40～100cm 淺深層，土壤有機碳含量下降趨勢減緩；對比坡耕地刺槐有機碳的質量分數增幅為130%～137%；檸條有機碳的質量分數增幅為68%～98%，撂荒地有機碳質量分數增幅為3%～13%；100～200cm 深層，有機碳平均質量分數分別為刺槐（2.24g／kg），檸條（1.84g／kg），撂荒地（1.27g／kg），對比坡耕地刺槐平均增幅為92%，檸條平均增幅為58%，撂荒地平均增幅9%.

在0～10cm 表層不同植被類型全氮含量顯著高于其他土層（P ＜0.05），全氮質量分數刺槐（0.74g／kg）＞檸條（0.58g／kg）＞撂荒地（0.50g／kg）＞坡耕地（0.38g／kg）；10～40cm 淺層土壤全氮含量隨土層深度增加持續顯著下降，對比坡耕地，刺槐林全氮的增幅為35%～50%，檸條林全氮增幅為13%～33%；撂荒地全氮增幅為9%～33%；40～100cm 淺深層，土壤全氮含量下降趨勢減緩，對比坡耕地刺槐林全氮質量分數增幅為16%～24%；檸條全氮質量分數增幅為27%～35%，撂荒地全氮質量分數增幅為16%～36%；100～200cm 深 層，全 氮 平 均 質 量 分 數 分 別 為 刺 槐（0.23 g／kg），檸 條（0.20 g／kg），撂 荒 地（0.18g／kg），對比坡耕地刺槐平均增幅50%，檸條平均增幅34%，撂荒地平均增幅18%.說明在深層土壤各土層有機碳和全氮含量受到植被恢復的影響趨勢一致.

圖1 不同植被類型土壤各層有機碳、全氮含量Fig.1 Soil organic carbon and total nitrogen content at all levels in different vegetation types

可見，退耕30年深層土壤已經開始受到人工植被恢復的影響，并且以刺槐林增加碳氮含量最明顯.

2.2 不同人工植被恢復在不同土層有機碳和全氮密度差異

圖2所示，0～10cm 表層土壤有機碳密度刺槐顯著高于（P＜0.05）其他植被類型，平均分別比檸條、撂荒地、坡耕地高出39.5%，61.7%，186.3%；10～40cm 有機碳密度平均為刺槐（16.73 Mg／hm2）＞撂荒地（12.54Mg／hm2）＞檸條（12.15Mg／hm2）＞坡耕地（0.48Mg／hm2）；而40～100cm 土層，刺槐有機碳密度平均分別比撂荒地和坡耕地高66.5%和86.5%，檸條有機碳密度平均分別比撂荒地和坡耕地高54.3%和72.7%；100～200cm 深層土層有機碳密度平均為刺槐（17.33 Mg／hm2）＞檸條（13.08 Mg／hm2）＞撂荒地（9.44Mg／hm2）＞坡耕地（5.35Mg／hm2）.可見不同植被類型對不同的土層范圍的有機碳和全氮密度的影響不同.

0～10cm 表層對土壤全氮而言表現出相似的差異，刺槐全氮密度顯著高于（P＜0.05）其他植被類型，平均 分 別 比 檸 條、撂 荒 地、坡 耕 地 高 出44.0%，64.0%，120.0%；10～40 cm 全 氮 密 度 平 均 為 刺 槐（0.86 Mg／hm2）＞撂荒地（0.97 Mg／hm2）＞檸條（0.73 Mg／hm2）＞坡耕地（4.01 Mg／hm2）；而40～100cm土層，刺槐全氮密度平均分別比撂荒地和坡耕地高25.0%和34.0%，檸條全氮密度平均分別比撂荒地低7.7%，比坡耕地高17.6%；100～200cm 深層土層全氮密度平 均刺槐（1.86 Mg／hm2）＞檸條（1.46 Mg／hm2）＞撂荒地（1.39 Mg／hm2）＞坡耕地（1.21 Mg／hm2）.

圖2 不同植被類型不同土層有機碳、全氮密度Fig.2 SOC stocks and total nitrogen density at different layers under different types of vegetations

可見不同植被類型對不同的土層范圍的有機碳和全氮密度的影響不同.

2.3 不同植被類型土層中有機碳和全氮儲量的分布比例

圖3顯示不同植被類型在土壤深層的有機碳和全氮儲量的分布比例基本接近.100～200cm 有機碳比例平均為坡耕地的1.52倍，全氮比例平均為坡耕地的1.85倍；相比0～10cm 表土層，刺槐、檸條和撂荒地在100～200cm 的深層有機碳和全氮所占比例平均分別為表土層的1.48倍和1.92倍，和10～40cm 土層及40～100cm 所占比例相近.可見，深層土壤有機碳和全氮亦對人工植被恢復下土壤截留碳氮亦起著積極作用.

圖3 不同植被類型不同土層有機碳、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 討論

退耕還林（草）工程對于遏制水土流失、改善生態環境、提高土壤質量的生態效益已經受到眾多學者的認可［12－13］.本研究結果表明，不同植被類型土壤有機碳和全氮含量隨土壤的深度而下降，且均有一定的表聚性，在土壤深層隨土壤深度的增加有機碳和全氮含量基本保持穩定，不同植被類型與坡耕地比較均能增加土壤有機碳和全氮含量.有機碳含量隨土壤深度增加而下降，這與Arrouays［18］在垂直方向上，土壤有機質含量與土層深度密切相關，隨深度的增加呈下降的趨勢的研究結果一致.不同植被類型在表層土壤的有機碳、全氮含量差異顯著，其原因是土壤有機碳主要來源與地表植被的凋落物、植物根系的分解有關［19］.植被的不同，冠層的光合固定能力不同，引起凋落物的種類、產量和質量也不同，從而隨著分解進入土壤會產生差異.不同植被類型有機碳和全氮在土壤淺層變化結果相似，原因為土壤氮素間接來源于以腐殖質存在的有機質的分解過程.在密度方面，不同植被類型在不同的土層范圍對有機碳和全氮密度的影響不同.刺槐林地土壤各層有機碳和全氮密度均大于其他植被類型，表現出較好的碳氮固存效應.撂荒地在10～40cm 土層有機碳和全氮密度均超過檸條地，40～100cm 土層有機碳和全氮密度變化不一致，原因為撂荒地的土壤容重比檸條地大.檸條屬豆科植物，根系屬軸根分蘗類型，有很強的穿透力，根系生長過程中疏松了土壤［20］，其根系分布特征的不同導致根系固碳量和固氮量的深度差異.在次表層土壤與趙發珠等［17］對黃土丘陵區退耕還地土壤有機碳、氮密度變化的研究結論一致.以上均反映出不同植被類型土壤的發生學過程不同.Fontaine［21］等提出穩定的深層SOC會由于新鮮有機物的加入而加快分解，但本研究的結果表明：植被恢復導致的有機物增加量大于分解量，最終使深層土壤截留了更多的SOC.有機碳和全氮隨土層深度的增加保持穩定，深層密度所占比重較大，與王征等［22］對黃土丘陵區植被恢復對深層土壤有機碳的影響中提到的深層土壤（50～100cm）SOC密度高達26.28～46.50t／hm2，占2m 土層SOC密度的50%以上的結論一致.黃土高原土層深厚，黃土丘陵區大約有12.45×104hm2坡耕地（坡度＞15°）實施退耕還林工程［23］，Nepstad［24］指出植物根系是深層SOC主要來源，控制著SOC的循環和分布.因而不同的植被類型會對深層土壤碳、氮的源、匯功能產生不同的影響，應該引起足夠重視.

4 結論

陜北黃土丘陵區坡耕地退耕后長期撂荒或人工栽植檸條和刺槐林不僅能夠提升0～100cm 深土壤有機碳和全氮的質量分數與密度，而且使100～200cm 深層土壤產生出積極的截存碳氮效應，并以刺槐林增加碳氮質量分數和密度潛力最高.從0～200cm 剖面看，各植被類型從表層到100cm 深處土壤有機碳與全氮質量分數呈顯著下降趨勢.但到100～200cm 深各土層土壤有機碳和全氮質量分數基本維持穩定，說明深層土壤碳氮對植被恢復響應一致.同時，3種植被下100～200cm 深土壤有機碳和全氮總量平均占到0～200cm深土壤的24.2%，這一比例還顯著高于表層（0～10cm）土壤，且與淺層土（10～40cm）和淺深層（40～100cm）土壤碳氮所占比例接近.

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