寧南典型退耕模式對土壤有機碳固存的影響

季 波， 李 娜， 馬 璠， 蔡進軍， 董立國， 許 浩， 韓新生

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002; 2.寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室，寧夏 銀川 750002; 3.寧夏生態修復與多功能林業綜合研究中心，寧夏 銀川 750002)

寧南典型退耕模式對土壤有機碳固存的影響

季 波1,2,3， 李 娜1,2,3， 馬 璠1,2,3， 蔡進軍1,2,3， 董立國1,2,3， 許 浩1,2,3， 韓新生1,2,3

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002; 2.寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室，寧夏 銀川 750002; 3.寧夏生態修復與多功能林業綜合研究中心，寧夏 銀川 750002)

以寧南退耕區采取的5種主要退耕模式——純山杏林、山杏+檸條林、山杏+山桃+檸條林、沙棘林和苜蓿人工草地為研究對象，以撂荒地為對照，探討不同退耕模式對土壤有機碳固存的影響。結果表明：在100 cm土層內5種退耕模式和撂荒對照的土壤有機碳儲量基本上呈現出隨土層深度加深而遞減的趨勢，其中淺層(0～20 cm)是土壤有機碳固存的聚集層，且極顯著高于其他層的土壤有機碳累積；100 cm土層累積的總碳量表現為山杏+檸條林>山杏林>沙棘林>山杏+山桃+檸條林>撂荒地>苜蓿人工草地。從有機碳蓄積來看，在寧南山區采用單一的喬灌混交、喬木林或灌木林的退耕模式較采用人工草地或自然恢復的模式更有利于土壤有機碳的累積。

寧南退耕區；土壤有機碳；退耕模式

土壤有機碳庫是陸地生態系統中最為重要的碳庫之一[1-3]。與土壤生產力和土壤退化有關的一系列土壤過程中，土壤有機碳起著緩解和調節的作用[4]。而且，碳元素作為重要的生命元素和生態元素，不僅驅動著土壤中N、P、S等養分轉化和循環，而且影響著土壤的性質及養分的供應能力。土壤中有機質含量降低，不僅會引起土壤肥力、持水能力下降，侵蝕增強，而且也會導致溫室氣體排放。有研究表明：在土壤退化、生態環境脆弱地區，采取相應的生態恢復和植被重建措施，不僅可以有效提高土壤質量，而且可以有效增加土壤有機碳的儲量[5-7]。閆靖華等[8]對鹽漬化棄耕地不同恢復模式下土壤有機碳變化進行研究時發現，鹽漬化棄耕地通過植被恢復后逐步向碳積累的過程轉變；姚小萌等[9]研究黃土高原自然植被恢復對土壤質量的影響時發現，植被恢復后，土壤質量綜合指數(SQI)值在0～20 cm土層均有較大幅度的提高；戴全厚等[10]研究了黃土丘陵區刺槐-紫穗槐混交林、油松林-紫穗槐混交林、荒草地、刺槐林及檸條林幾種植被恢復模式對土壤碳庫變化的影響，發現植被恢復后，土壤有機碳含量增幅為109%～238%。由此可見，有機碳作為土壤質量中最為重要的指標，不僅反映土壤肥力水平，也印證著區域生態演變規律和生態建設的基本成果[11]。

寧南退耕區地處寧夏南部山區，區內溝壑縱橫，地形破碎，由于長期受到地理環境和氣候的影響，植被稀疏，水土流失嚴重，土壤退化，生態系統功能失調，成為我國生態環境最脆弱的地區之一。針對此問題，當地政府在國家“退耕還林(草)”等工程的基礎上，采取“88542”水平溝、魚鱗坑等工程整地措施，選取當地的鄉土適生喬灌木及草種進行植被恢復，目前該區的林草植被覆蓋度逐步增加，區域水土流失減少，生態環境亦得到有效改善。近年，相關學者圍繞該區域的生態、水文、植被多樣性及土壤環境等方面展開了大量的研究，但就該區域采取的幾種主要的林草配置模式對土壤有機碳固存影響的研究還較少。隨著種植時間的推移和種植面積的不斷擴大，對于該區域生態建設的成果，從固碳釋氧的生態功能角度一直沒有開展定性、定量的評價，且就目前幾種主要的恢復模式，也沒有定性的比較。相關研究表明，土壤有機碳在不同的生態環境條件下，控制其循環的因素也不同，空間變異性也較大，而這種變異性主要與植被類型密切相關[12]。為此，本研究特開展寧南退耕區幾種主要的退耕模式對土壤有機碳固存的影響研究，不僅可以了解該區不同植被對土壤有機碳庫的貢獻，而且也可為今后同類地區進行植被恢復，選取適宜的造林模式等提供基礎理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區東南部彭陽縣白陽鎮中莊村，地處106°32′～106°58′E，35°41′～35°17′N，屬丘陵溝壑區和殘塬溝壑區過渡地帶，地勢西北高、東南低，呈波狀傾斜，平均海拔在1 600～1 700 m之間。研究區屬于溫帶半干旱氣候區，為典型的大陸性季風氣候，區內干燥少雨，蒸發強烈，冬寒長，春暖遲，夏熱短，秋涼早，日照充足。年平均氣溫7.6 ℃，≥10℃的年積溫為2 500～2 800 ℃，無霜期147～168 d，年平均降雨量350～450 mm，主要集中在7—9月。土壤以黑壚土為典型土壤，土壤母質為黃土及黃土狀物，pH值在8.0～8.5之間，土層深厚，土質疏松，孔隙度大，透水性、抗沖抗蝕性弱。植被類型以草原植被為主，主要生長有長茅草(StipabungeanaTrin.)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst. et Kit.)、賴草[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.)、檸條(CaraganakorshinskiiKom.)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與土樣采集

于2015年7月開展試驗。在研究區內選擇同為2002年退耕后種植的純山杏林(P1)、山杏+檸條林(P2)、山杏+山桃+檸條林(P3)、沙棘林(P4)和苜蓿人工草地(P5)5種退耕還林地作為研究對象，并以鄰近撂荒地(CK)為對照。由于研究區內大多為水平溝整地措施，為保持統一和避免選樣差異，全部選取隔坡土樣，且選擇坡向坡位相近的樣地，山杏、山桃株距基本均為2 m，在每個樣地內采用隨機設定樣點的方法，每個樣地設定3個重復，挖取100 cm深的土壤樣坑，每個樣坑每20 cm為1層，分層用100 cm3環刀取土壤容重土和待測土樣，同一樣坑的土樣進行同層混合，環刀土稱取濕質量后，帶回室內放入105 ℃干燥箱中烘至質量恒定，獲取土壤含水量，并通過土壤容重公式計算土壤容重。

1.2.2 土壤有機碳測定

將取得的所有樣品帶回室內，自然風干后，研磨過100目篩，采用重鉻酸鉀外加熱法[13]，進行有機碳含量的測定。

1.2.3 土壤有機碳儲量的計算

土壤有機碳儲量可根據土壤有機碳含量、土壤密度和土層深度計算：

(1)

式(1)中i表示土壤層次，Ci表示土壤有機碳含量，di表示土壤密度，hi表示土壤深度。

1.3 數據處理

所有的數據通過Excel 2007和SPSS 17.0分析軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同退耕模式對土壤容重及有機碳含量的影響

2.1.1 不同退耕模式對土壤容重的影響

從表1可以看出，5種退耕模式和撂荒對照的土壤容重值介于1.09～1.31 g·m-3之間，可以看出，不同的退耕模式下土壤容重存在一定差異，尤其在0～20 cm土層，人工苜蓿草地(P5)和撂荒地(CK)土壤容重顯著高于其他4種退耕模式。

從5種退耕模式土壤容重在不同土層間的變化可以看出：土壤容重在0～100 cm土層間呈現出不規律的波動，且純山杏林(P1)、山杏+檸條林(P2)和苜蓿人工草地(P5)這3種退耕模式下，土壤容重在0～100 cm土層間均表現出顯著差異。

2.1.2 不同退耕模式對土壤有機碳含量的影響

植被是土壤有機碳的重要來源。植被類型不同，土壤有機碳的輸入和輸出方式不同，其有機碳含量也就相應不同[14]。本研究區域屬黃土丘陵溝壑區，退耕造林只考慮植被恢復、水保和生態效應，無任何后期人為管理和干預措施，故此，對土壤有機碳含量的影響只考慮植被因素。從表2可以看出：5種退耕模式和撂荒處理下，土壤有機碳含量基本上表現為隨土層加深而遞減的趨勢，而且土壤有機碳含量的最大值均出現在淺層(0～20 cm)，可見地表凋落物對土壤有機碳的積累具有一定的貢獻，且不同退耕模式的土壤有機碳含量在相同土層間均表現出顯著(P<0.05)差異。

表1 不同退耕模式土壤容重差異

P1，純山杏林；P2，山杏+檸條林；P3，山杏+山桃+檸條林；P4，沙棘林；P5，苜蓿人工草地；CK，撂荒地。同列數據后無相同大寫字母的表示同一退耕模式下不同土層間差異顯著(P<0.05)，同行數據后無相同小寫字母的表示同一土層不同退耕模式間差異顯著(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機碳含量差異

各退耕模式下0～100 cm土層的平均土壤有機碳含量基本表現為：山杏+檸條林(P2)>純山杏林(P1)>沙棘林(P4)>山杏+山桃+檸條林(P3)>苜蓿人工草地(P5)>撂荒地(CK)。山杏+檸條混交林的土壤有機碳含量最高，分別比純山杏林、沙棘林和山杏+山桃+檸條混交林高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，撂荒地的土壤有機碳含量最低。可以看出，在退耕還林時，采用喬灌混交模式或單純采用喬木林或灌木進行造林，比采用人工草地或自然恢復的方式更有助于土壤有機碳的固存。

綜合上述結果可以看出，不同退耕模式下土壤有機碳含量在0～100 cm土層間的垂直分布及其在同一土層內的分布特點既表現出一定的差異性，也表現出某些相似性。分析原因，可能主要與不同植被類型的地表凋落物、植物根系分布、不同植物群落形成的不同群落微環境以及人類活動等因素有關。

2.2 不同退耕模式對土壤有機碳固存的影響

由表3可知：寧南退耕區不同退耕模式下土壤有機碳儲量基本上均呈現出隨土層加深而遞減的趨勢，淺層(0～20 cm)是土壤有機碳固存的聚集層，且顯著高于其他層的土壤有機碳累積。

不同退耕模式0～100 cm土層有機碳累積量表現為山杏+檸條林(P2)>純山杏林(P1)>沙棘林(P4)>山杏+山桃+檸條林(P3)>撂荒地(CK)>苜蓿人工草地(P5)。其中，山杏+檸條林累積的有機碳較純山杏林、沙棘林和山杏+山桃+檸條林分別高出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，從有機碳蓄積來看，采用單一的喬灌混交、喬木林或灌木林的退耕造林模式較采用人工草地或自然恢復的模式更有利于土壤有機碳的累積。

表3 不同退耕模式土壤有機碳儲量差異

3 討論

本研究發現，寧南退耕區采取的山杏+檸條林、山杏林、沙棘林、山杏+山桃+檸條林、苜蓿人工草地這5種退耕模式和撂荒，其土壤有機碳在相同退耕年限中的累積均表現出隨土層加深而遞減的趨勢。分析其原因：一方面，土壤有機碳的來源主要是地表凋落物分解釋放的有機質，隨著土層深度加深，進入土壤的有機質數量減少；另一方面，植物生長期間通過根系從深層土壤吸收養分，對土壤中有機質的消耗較大，故而造成土壤有機碳的累積隨著土層加深而遞減。這與李林海等[15]在黃土高原小流域4種地形下研究有機碳含量和儲量變化的結果一致。

本研究顯示，在寧南退耕區采取的5種退耕模式中，喬灌混交模式更有利于土壤有機碳的累積。董云中等[5]在對晉西北黃土高原丘陵區幾種土地利用方式下土壤碳氮儲量的研究中發現，楊樹-小葉錦雞兒人工林土壤碳氮密度和儲量最高，與本研究得出的山杏+檸條的喬灌混交模式碳儲量最高的結論一致。戴全厚等[10]研究黃土丘陵區不同植被恢復模式對土壤碳庫的影響也認為：不同植被恢復措施可以顯著改善土壤碳庫含量，但改善作用不同，總體來說混交林的效果最好，其次為純林，最后為荒草地，因此在該地區要通過人工促進生態恢復，應采取以營造混交林為主、純林為輔的恢復模式。趙發珠[16]對黃土丘陵區退耕后土壤有機碳庫的研究也認為：大規模退耕植被恢復后，土壤固碳量和固碳速率明顯增加，且退耕植被恢復年限和植被恢復類型成為主要影響因素，林地能夠顯著增加土壤固碳量。因此，從固碳釋氧的生態功能角度來看，此后在寧南退耕區及其他同類地區進行植被恢復時，可適當考慮采取單一種的喬灌混交模式。但要特別指出的是，本研究結果僅僅是基于研究區5種退耕模式在同一年(2002年)退耕后，經過12 a的累積得出的，如若要深入地評估寧南山區不同退耕模式對土壤有機碳固存的影響，還應多考慮幾個年限或更長年限土壤有機碳的累積效果，而且從植被恢復和水保效應的角度來看，應引入更多的抗旱適生植被充實到寧南山區的生態建設中。

本研究發現，土壤有機碳的累積具有“表聚性”的特點；董云中等[5]對晉西北黃土高原丘陵區土壤碳氮儲量的研究也認為，土壤有機碳具有很強的表聚性。寧南山區土層深厚，地上植被對土壤有機碳的累積尤其是深層土壤有機碳儲量的影響是不容忽視的。因此，今后應考慮研究更深層土壤有機碳固存對不同退耕模式的響應，以免低估了該區域退耕還林還草的土壤固碳效應。

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(責任編輯 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”國家科技支撐項目(2015BAC01B01)；自治區一二三產業融合項目(寧夏多功能林業分區域研究與示范)；寧夏自然科學基金項目(NZ16095，NZ16106，NZ15121)；寧夏農林科學院科技創新先導資金項目(NKYJ-15-18，NKYJ-15-19)

季波(1982—)，女，寧夏青銅峽人，碩士，助理研究員，研究方向為恢復生態學。E-mail: nxjibo311@163.com

S153

A

1004-1524(2017)03-0483-06

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 483-488

http://www.zjnyxb.cn

季波，李娜，馬璠，等. 寧南典型退耕模式對土壤有機碳固存的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(3)： 483-488.