晉西北黃土丘陵區不同植被恢復下的土壤碳氮累積特征

史利江，高杉，姚曉軍，張曉龍，李文剛，高峰

1. 山西財經大學資源環境學院，山西 太原 030006；2. 西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070；3. 山西農業大學農業經濟管理學院，山西 太原 030006

作為全球變化的一個重要組成部分和決定陸地生態系統碳循環過程的關鍵因素，土地利用/覆被變化不僅可以強烈改變植物群落和生態系統屬性，同時影響土壤碳氮循環過程，成為僅次于化石燃料排放引起溫室氣體濃度增加的主要原因（Houghton，1995；Beheshti et al.，2012；Christopher et al.，2013）。合理的土地利用方式和生態恢復措施被認為是促進土壤固碳、緩解溫室效應的潛在有效途徑之一，其對土壤碳庫演變的影響已成為全球變化研究中的熱點科學問題（Vesterdal et al.，2002；于貴瑞等，2013；武亞楠等，2020）。歐美各國、日本、澳大利亞和新西蘭以及印度等國學者都在加大對生態（植被）恢復引起的土壤固碳效應和固碳潛力的研究力度（Pau et al.，2002；Antoine et al.，2008；Karhu et al.，2011；Selma，2014）。美國自20世紀 80年代中期開始實施保護儲存項目（conversion reserve program，CRP），通過保護性耕作、邊緣土地退耕種植多年生牧草等措施已產生顯著的碳固存效應、使土壤質量顯著提高（Bowman，et al.，2002）。Huntington（1995）在美國的相關研究表明，農田造林導致土壤碳儲量增加 34%—103%。Vesterdal et al.（2002）研究丹麥農田退耕造林對土壤有機碳含量和儲量影響，結果發現退耕還林導致土壤碳儲量下降了11.8 Mg·hm?2。Tan et al.（2005）利用俄亥俄州的土壤普查數據以及長期的定位試驗資料研究分析表明，免耕和農田退耕還林有利于提高土壤有機碳蓄積能力，SOC含量低的土壤在免耕或退耕還林后具有更高的碳蓄積能力。各國研究者所得的研究結論存并不一致，原因在于退耕還林還草后生態系統的固碳效應受到多種因素的影響和制約，包括研究區域的環境條件、土壤質地、林地年齡、林種等（Pau et al.，2002），對土壤固碳效應的評估仍存在較大的不確定性（Tang et al.，2013）。

中國從20世紀70年代開始，在黃土高原地區開始了舉世矚目的“三北”防護林工程、退耕還林工程和天然林保護等工程的建設。這些生態工程不僅對水土保持具有重要功能，而且對土壤碳氮蓄積產生了重要影響。近些年來，國內許多學者也開展了大量研究，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；佟小剛等，2012；鄧蕾，2014；賀少軒等，2015；馮棋等，2019）。李裕元等（2007）研究表明：黃土高原北部地區實施退耕還草后，土壤有機碳密度（SOCD）均有不同程度的增加，增加幅度最大可達 72%，土壤表現為明顯的碳匯。劉迎春等（2011）在吉縣和安塞縣等黃土丘陵區研究結果顯示：造林后的油松林和刺槐林生態系統的植被、凋落物及土壤碳儲量逐漸增加。許明祥等（2012）分析了黃土丘陵區土壤有機碳固存對退耕還林草的時空響應特征，結果顯示：退耕還林和退耕撂荒具有顯著的土壤碳增匯效應，而退耕還草、退耕還果沒有明顯土壤碳增匯效應。Deng et al.（2018）對黃土高原中南部地區的研究表明：長期的自然植被恢復提高了土壤有機碳的積累，增加存在較大的差異和不確定性，主要原因在于黃土高原地域遼闊，自然環境條件復雜，氣候變化和人類活動的空間差異較大，影響土壤有機碳分布和累積的因素復雜多樣。因此，需要在黃土高原地區進一步開展更多區域尺度下生態恢復的土壤固碳效應研究。

晉西北黃土丘陵區作為半濕潤、半干旱區典型的生態過渡帶和環境脆弱區，屬于沙黃土帶和潛在沙漠化發生范圍，植被覆蓋度低，水土流失嚴重，土壤侵蝕、干旱缺水、土地荒漠化成為該區域重要的環境問題（朱震達等，1981）。右玉縣位于黃土高原北部的晉西北邊陲，毗連毛烏素沙漠邊緣，地處潛在沙漠化高寒地帶，是長城風沙區主要的起沙區，曾是山西省35個國家貧困縣之一，同時也是實施退耕還林、京津風沙源治理工程、天然林植被恢復工程以及三北防護林工程的重點區域。由于過去長期對土地資源的不合理利用和破壞，全縣水土流失面積達到 1498.89 km2，占國土總面積的 76.2%（山西省右玉縣志編纂委員會，2007）。為加強水土流失治理，改善區域生態環境，20世紀50年代以來特別是從1978年啟動“三北”防護林體系建設工程以來，右玉縣加大造林投入，大力改善生態環境，著力構筑晉西北乃至華北地區生態保護屏障。2000年以后，伴隨著國家京津風沙源治理工程的啟動，右玉縣實施了大規模的退耕還林草工程建設。到2017年，全縣林木綠化率由過去不足 0.3%提高到現在的54%，生態環境顯著改善。一系列生態恢復措施的實施，不僅極大改變了當地的生態環境，而且也勢必會引起土壤碳氮源匯效應的變化，從而對區域碳氮循環和全球變化產生一定影響。而當前國內對于這一生態敏感和脆弱地區生態恢復下的土壤碳氮效應研究明顯薄弱。因此本文以晉西北典型黃土丘陵區—右玉縣典型生態恢復區為研究區域，深入分析該地區土壤碳氮對植被恢復的響應特征和規律，科學評估生態恢復引起的土壤固碳（氮）效應、蓄積速率，不僅對于該地區積極應對全球變化、改進生態系統管理和保障生態安全具有重要的意義，而且能夠提高對黃土高原生態恢復工程的土壤固碳（氮）效應評估的精確性，為黃土高原區域碳氮循環和碳氮平衡研究提供案例和數據支持，同時也可進一步豐富土地利用變化對區域碳氮循環影響的研究內容，促進土壤固碳（氮）科學的發展，為國家碳中和戰略的實施和生態文明建設提供更為豐富的數據支持和科學參考。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

研究樣區選擇在晉西北黃土丘陵區—右玉縣境內的賈家窯國家天然林防護區、威遠鎮天然林保護區項目工程區、馬營河林區以及蒼頭河流域等生態恢復的典型區域，該區域屬于典型的黃土丘陵緩坡區，海拔在 1262—1499 m，氣候為溫帶大陸性季風氣候，年均溫為4.2 ℃，但氣溫的年較差和日較差較大，冬夏氣溫年較差最大值可達69.7 ℃，日較差最大值為31.4 ℃；年平均降水量為410 mm，主要集中在6—8月，年平均相對濕度為60%，年均蒸發量可達 1761.3 mm；≥10 ℃的活動積溫為2224 ℃，無霜期較短，為 104 d左右；風大且頻繁，平均風速2.7 m·s?1。土壤主要以栗鈣土和風沙土為主，質地較粗，團粒結構差，抗侵蝕能力差，風蝕、水蝕嚴重，極易形成水土流失（范表，2011）。

1.2 試驗設計和樣品的采集

在進行充分野外調研的基礎上，綜合考慮地形、土壤類型、植被恢復類型和恢復年限等因素，2017年8—9月在研究區內選取不同植被恢復類型以及恢復年限，且地形和土壤類型等環境因子基本一致的固定樣地，其中林地植被類型主要為小葉楊（Populus simonii）、油松（Pinus tabuliformis）和華北落葉松（Larix principis-rupprechtii），灌木地的植被類型主要為沙棘（Hippophae rhamnoides），草地以白蓮蒿（Artemisia sacrorum）、達烏里秦艽（Gentiana dahurica）以及蒙古蒿（Artemisia mongolica）等為優勢種群，選取相鄰長期耕作的農田作為對照，農田主要種植玉米（Zea mays）和馬鈴薯（Solanum tuberosum）等，所有農田的管理方式基本一致。通過調研和走訪，確定樣地的植被恢復年限。在喬、灌林樣地內設置10 m×10 m的樣方，并調查植物類型、生長狀況；草地樣地內設置3個1 m×1 m的小樣方，在設定的小樣方內調查草本群落，收集凋落物。在選定樣方內，按對角線5點，用土鉆取0—20 cm的5個土樣混合作為一個樣品，每個樣地做3組重復，并記錄樣點的位置、海拔、坡度、坡向、植被類型、恢復年限、植被生長狀況等信息，并用環刀法測定樣點的土壤容重（表1）。

表1 研究區樣地基本情況表Table 1 Characteristics of studied sites

1.3 土壤指標的測定與計算

將采集的土壤樣品在實驗室風干后，挑出其中動、植物殘體等非土壤物質，同時避免灰塵和酸、堿和不潔氣體等污染，進行土壤碳氮及其他理化性質指標的測定。所測指標包括土壤有機碳（SOC）含量、土壤全氮（STN）含量、土壤含水量和土壤容重等。土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀滴定法測定；土壤全氮（STN）的測定采用凱氏定氮法；土壤含水量用烘干法進行測定，土壤容重采用環刀法測定（魯如坤，1999）。

根據所測的土壤有機碳（SOC）和全氮（STN）含量，可以計算相應的土壤碳氮儲量，計算公式如下：

式中：

SOCS——植被類型i的土壤有機碳儲量（密度）（t·hm?2）；

Bi——該植被類型的土壤容重（單位g·cm?3）；

SOCi——該類型的土壤有機碳含量（g·kg?1）；

Hi——該類型的土層厚度（cm）；

δi——>2 mm礫石的體積含量（%）；

STNS——該類型的土壤全氮儲量（t·hm?2）；

STNi——該類型的土壤全氮含量（g·kg?1）。

在土壤碳氮儲量（密度）計算結果的基礎上，以相鄰農田作為參照，計算植被恢復引起的土壤碳氮蓄積量、蓄積效應和平均蓄積速率，植被恢復引起的土壤碳氮蓄積量的計算公式為：

式中：

?SOCsi——恢復為i類植被t年后引起的表層土壤（0—20 cm）的固碳量（t·hm?2）；

SOCsit——該類地在t年限時表層土壤（0—20 cm）的有機碳儲量（t·hm?2）；

SOCft——相鄰農田在t年限時在表層土壤（0—20 cm）的有機碳儲量（t·hm-2）；

?TNsi——恢復為i類植被t年后引起的表層土壤（0—20 cm）的固氮量（t·hm?2）；

TNsit——該類地在t年限時表層土壤（0—20 cm）的全氮儲量（t·hm?2）；

TNsft——相鄰農田在t年限時在表層土壤（0—20 cm）的全氮儲量（t·hm?2)。

植被恢復下的土壤固碳氮效應計算公式為（馮棋等，2019）：

植被恢復下的土壤碳氮儲量的平均固存速率計算公式（Deng et al.，2016）：

式中：

SOCsr和 TNsr——植被恢復下的平均固碳速率和固氮速率（單位：t·hm?2·a?1）；

n為植被恢復年限。

1.4 數據處理

采用多因素方差分析（One-way ANOVA）、多重比較、相關分析等方法對不同植被類型在不同恢復年限的土壤碳氮蓄積差異的顯著性（P<0.05）以及土壤有機碳與土壤全氮、碳氮比、土壤含水量以及土壤容重的相關性，數據分析利用SPSS 22.0軟件完成，相關制圖用SigmaPlot 10軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳對植被恢復的響應

2.1.1 不同植被恢復類型及恢復年限下的 SOC含量與儲量

從圖1a來看，不同植被恢復類型下的表層（0—20 cm）土壤有機碳（SOC）含量存在明顯差異，且隨恢復年限的增加，表現出不同的變化趨勢特征，其中林地表層（0—20 cm）SOC含量隨恢復年限的增加，呈現持續增長，變化范圍為 3.54—14.25 g·kg?1；而灌木地和草地的表層SOC含量隨恢復年限表現出先增加后減少，其變化范圍分別為3.69—12.36、1.92—7.30 g·kg?1。與對照農田（4.59 g·kg?1）相比，在退耕早期（<20 a），3種植被類型下表層SOC含量大小依次為：灌木林>對照農田>林地>草地，其中林地和草地表層 SOC含量僅分別為對照農田的77.15%和51.90%，而灌木表層SOC含量顯著高于對照農田，為對照農田的2.05倍。退耕21—35 a后，3種植被恢復類型下表層SOC含量均表現出明顯增加，并顯著高于對照農田，其大小順序依次為灌木>林地>草地>對照農田，分別為對照農田的2.69、2.13、1.59倍。退耕36—50 a后，灌木林和草地的表層SOC含量趨于下降，而林地表層SOC含量則繼續增加，其中林地和灌木的表層 SOC含量仍高于對照農田，分別為對照農田的 2.52倍和1.88倍，而草地SOC含量低于農田，僅相當于對照農田的81.95%。退耕>50 a后，灌木林地和草地表層SOC含量繼續減少，且均低于對照農田，分別為對照農田的80.40%和41.87%，而林地表層SOC含量仍繼續增加，為對照農田的3.10倍，表現出更為顯著的土壤碳匯效應。

圖1 不同植被類型及不同恢復年限下的表層（0—20 cm）土壤有機碳的變化特征Fig. 1 Variation characteristics of soil organic carbon in surface layer (0?20 cm) under different vegetation types and different restoration years

不同植被類型下的表層SOC儲量（密度）（見圖1b）隨恢復年限的變化特征和趨勢與SOC含量基本一致。與對照農田（13.45 t·hm?2）相比，退耕早期（<20 a），林地和草地的表層（0—20 cm）SOC儲量均趨于下降，分別為 10.43 t·hm?2和 7.72 t·hm?2，僅為對照農田的 77.55%和57.36%，而灌木林地表層SOC儲量為25.10 t·hm?2，為對照農田SOC儲量的1.87倍；退耕21—35 a后，3種植被恢復方式下表層 SOC儲量較對照農田均明顯增加，其大小依次為林地>灌木>草地，分別為對照農田表層SOC儲量的2.10、1.89、1.65倍。退耕36—50 a后，林地表層 SOC儲量繼續保持增加的趨勢，而灌木林地和草地表層 SOC儲量均呈現一定程度的下降，其中草地表層SOC儲量下降明顯，并低于對照農田；而灌木林地表層 SOC儲量雖有所降低，但仍顯著高于對照農田，為對照農田的 1.86倍。退耕>50 a后，林地表層SOC儲量仍持續增加，為對照農田的2.77倍，而灌木林地和草地的表層 SOC儲量大幅降低，分別僅相當于對照農田的81.39%和45.04%。

2.1.2 不同植被恢復類型及恢復年限下的土壤固碳效應和平均固碳速率

土壤固碳效應用來表征不同植被恢復方式的土壤固碳能力的大小。由圖1c可知，不同植被恢復下的土壤固碳效應存在顯著差異，且隨恢復年限的增加，表現出不同的變化趨勢。在退耕早期（<20 a），林地和草地表層土壤的固碳效應均為負值，分別為?0.22和?0.43，而灌木林地土壤固碳效應表現為正值，為0.87。隨著恢復年限的增加，林地表層土壤固碳效應持續提升，其值變化范圍為 1.10—1.77，而灌木林地表層土壤固碳效應在保持相對穩定后（變化范圍在0.87—0.90），在恢復年限>50 a后，土壤固碳效應明顯降低，最終轉變為負值；草地土壤固碳效應僅在退耕 21—35 a后，表現為正值（0.65），土壤固碳效應明顯，之后隨著恢復年限的增加，土壤固碳效應持續減弱，轉變為負值。

從不同植被恢復類型的表層土壤的平均固碳速率來看（見圖1d），在退耕初期（<20 a），林地和草地的表層土壤的平均固碳速率分別為?0.168和?0.319 t·hm?2·a?1，而灌木林地表層土壤的平均固碳速率為 0.647 t·hm?2·a?1。隨著恢復年限的增加，林地表層土壤平均固碳速率快速提升，在退耕35—50 a 后達到最大值，為 0.485 t·hm?2·a?1，之后在恢復年限>50 a，略有下降，但其土壤平均固碳速率為0.433 t·hm?2·a?1，土壤碳匯效應明顯；而灌木林地隨恢復年限的增加，其表層土壤的平均固碳速率持續下降，在恢復年限>50 a時，降到最低值?0.046 t·hm?2·a?1，土壤碳匯作用持續減弱。草地表層土壤的平均固碳速率在恢復年限為21—35 a時，達到最大值，為 0.251 t·hm?2·a?1，表現為碳匯，之后隨恢復年限的增加，開始持續下降，在恢復年限為36—50 a時，平均固碳速率下降為負值，當恢復年限>50 a時，其表層土壤平均固碳速率降到最低值，僅為?0.134 t·hm?2·a?1。

總體來看，以退耕20 a和50 a為界，3種植被恢復類型表層土壤的固碳效應可分為短期、中期和長期等3個階段。從短期（<20 a）來看，退耕還林還草的土壤固碳效應不明顯，甚至導致了表層SOC含量和儲量的降低，而退耕還灌的短期土壤固碳效應顯著；從中期（20—50 a）來看，隨著恢復年限的增加，林地和灌木林地的表層土壤表現出明顯的增匯效應，而草地在恢復21—35 a后，土壤固碳效應達到最高值，之后土壤固碳效應迅速衰減。從長期來看（>50 a），僅有林地土壤碳增匯效應仍然顯著，而灌木林地和草地的SOC含量和SOC儲量，均下降至低于對照農田，尤其是草地土壤固碳效應的下降趨勢更加明顯。由此表明，在晉西北黃土丘陵區，退耕還林在中期和長期的土壤固碳效應非常可觀，而灌木林地在短期和中期的土壤固碳效應表現顯著；對于草地，僅在退耕中期（21—35 a）表現出一定的土壤固碳效應，在短期和長期來看，土壤固碳效應不明顯。從土壤的平均固碳速率變化來看，林地無論在退耕中期和長期，均表現出明顯和相對穩定的土壤固碳速率，而灌木地表層的土壤平均固碳速率在退耕早期（<20 a）最快，之后隨恢復年限的增加，而持續降低。而草地除在21—35 a，土壤平均固碳速率表現為正值，其余恢復階段均表現為負值，尤其是退耕早期（<20 a），與對照農田相比，土壤碳損失的速度最快（土壤平均固碳速率為負值，且處于最低值）。

2.2 土壤全氮對植被恢復的響應

2.2.1 不同植被恢復類型及恢復年限下的 STN 含量與儲量

從表層土壤全氮（STN）對植被恢復的響應來看（見圖2），不同植被恢復類型下的表層STN含量、儲量存在明顯差異，且隨恢復年限的增加，表現出不同的變化特征。從STN含量來看，在退耕初期（<20 a），與對照農田相比（0.78 g·kg?1），林地表層STN含量僅為對照農田78.95%；之后，隨著恢復年限的增加，林地表層 STN含量呈現波動變化，但均高于對照農田，并在恢復年限>50 a達到最大值（1.57 g·kg?1），為對照農田的2.02倍。灌木和草地表層STN含量隨恢復年限的增加，呈現先增加后減少的趨勢，其變化范圍分別為 0.54—1.78、0.54—1.08 g·kg?1，并在退耕 21—35 a 均達到最大值，分別為對照農田的2.29倍和1.39倍；此后，隨恢復年限的增加，兩者的表層 STN含量均持續降低，并在恢復年限（>50 a后），降到最低值，分別僅相當于對照農田的69.08%和69.94%。

圖2 不同植被類型及不同恢復年限下的表層（0—20 cm）土壤全氮的變化特征Fig. 2 Variation characteristics of soil total nitrogen in the surface layer (0–20 cm) under different vegetation types and different restoration years

STN儲量的變化趨勢和STN含量基本相似，退耕初期（<20 a），林地和草地的表層STN儲量，分別為 1.83 t·hm?2和 2.09 t·hm?2，均低于對照農田（2.27 t·hm?2），分別相當于對照農田的 80.31%和91.99%，而灌木地的STN儲量為2.88 t·hm?2，比對照農田高27%。退耕21—35 a后，林地、灌木和草地等表層STN儲量顯著提升，分別為3.71、3.67和3.28 t·hm?2，相當于對照農田STN儲量的1.63、1.62和1.44倍。之后，隨恢復年限的增加，林地表層STN儲量在略微下降后繼續增加，并在恢復年限>50 a后達到最大值（4.13 t·hm?2），相當于對照農田的1.81倍，而灌木林地表層STN儲量在保持相對穩定后，在退耕36—50 a后開始大幅降低，并在恢復年限>50 a后，降到最低值（1.59 t·hm?2），僅相當于對照農田的69.76%；草地土壤表層STN儲量則表現為持續下降，并在恢復年限>50 a后，也降到最低值（1.72 t·hm?2），僅相當于對照農田STN儲量的75.42%。

2.2.2 不同植被恢復類型及恢復年限下的土壤固氮效應與平均固氮速率

從固氮效應來看，退耕早期（<20 a），林地和草地的表層土壤固氮效應均為負值?0.20和?0.08，分別為表現為氮虧損；而灌木的固氮效應為正值，為0.27。隨著恢復年限的增加，林地的固氮效應在波動中呈現顯著增加的趨勢，其值變化范圍為0.49—0.81，土壤氮匯效應日益顯著。而灌木林地表層土壤的固氮效應表現為先增加后減少，并在退耕>50 a時，土壤固氮效應轉變為負值（?0.30）。草地土壤的固氮效應變化也經歷了先增加后減小的過程，當退耕35—50 a后降到接近0，退耕>50 a后，轉變為負值（?0.25）。從平均固氮速率來看，在退耕初期（<20 a），與對照農田相比，林地和草地表層 STN 儲量分別以?0.025 t·hm?2·a?1和?0.01 t·hm?2·a?1的速率減少，而灌木林地表層 STN 儲量則以 0.034 t·hm?2·a?1的速率增加。之后，隨著恢復年限的增加，林地表層土壤的平均固氮速率顯著提升，并在退耕 21—35 a后達到最大值，為 0.041 t·hm?2·a?1，此后，林地土壤的平均固氮速率雖有所減慢，但仍然保持以 0.025 t·hm?2·a?1的增加。灌木林地表層土壤平均固氮速率隨恢復年限的增加，呈現先增加后降低的趨勢，退耕>50 a后，灌木地土壤的平均固氮速率轉變為負值。草地的土壤平均固氮速率也呈現出先增加后降低的趨勢，退耕21—35 a，其平均固氮速率達到最大值，為 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，其平均固氮速率轉變為負值（?0.01 t·hm?2·a?1）。

2.3 土壤有機碳與總氮、C/N、土壤含水量和容重的相關分析

由表2可知，退耕還林還草后的表層SOC含量與 STN含量、C/N和土壤含水量呈明顯的正相關，即植被恢復后表層SCO含量的增加，可以有效地促進STN的積累。SOC含量與土壤含水量兩者也存在正相關，即表明，土壤水分條件的改善有利于促進 SOC的積累，但二者的相關性不如土壤碳氮顯著。STN與土壤含水量呈現顯著的正相關，土壤水分條件的變化對于 STN的影響程度甚至高于SOC。土壤 C/N與 SOC存在明顯的正相關（P<0.01），而與STN的相關性并未達到顯著水平（P>0.05），這表明土壤C/N受SOC的影響較大。土壤容重是土壤最重要的物理性質之一，不僅能反映土壤質量和土壤生產力水平，而且是區域尺度土壤碳貯量估算的重要參數。本文的研究表明：SOC、STN均與土壤容重之間呈顯著的負相關，這與其他學者的研究結論保持一致（柴華等，2016），但STN與土壤容重的相關性不如 SOC與土壤容重的相關性顯著。在黃土丘陵區植被恢復過程中，隨著SOC含量的增加，會改變土壤顆粒的膠結狀況，從而導致土壤容重的降低。

表2 土壤有機碳與總氮、碳氮比、土壤含水量以及土壤容重的相關分析表Table 2 Correlation analysis between SOC content and STN content,C/N, soil moisture and soil bulk density

3 討論

3.1 不同植被恢復類型對于土壤碳氮的影響

土地利用變化是影響黃土高原土壤碳氮蓄積的關鍵因素。大量研究結果表明：在黃土高原地區，植被恢復后土壤碳氮存在較強的表聚效應，即表層（0—20 cm）的土壤碳氮增加最為顯著，固存潛力較大（Wang et al.，2011；Deng et al.，2018；李裕元等，2007；許明祥等，2012；董云中等，2014），因此本文研究晉西北典型生態恢復區不同植被恢復下的表層（0—20 cm）土壤的碳氮特征，能夠很好地反映和表征土壤碳氮動態對于植被恢復的響應。但黃土高原地域遼闊，不同地區植被恢復下的土壤碳氮固存效應仍存在較大的差異性。一些研究表明：在退耕還林（草）后植被恢復過程中，自然恢復的草地的固碳功能要優于林地和灌木（Chen et al.，2007；Jin et al.，2014）。但也有一些研究認為，退耕還林（草）后，林地能比灌木和草地固定更多的土壤有機碳（Wang et al.，2011；劉玉林等，2018；馮棋等，2019）。本文的研究表明：在黃土丘陵區，通過植被恢復可以顯著提升土壤的碳氮蓄積，但不同植被類型隨恢復年限的增加，其土壤碳氮蓄積效應存在明顯的差異。在耕作和施肥影響下，農田的表層 SOC含量相對較高，這也為植被恢復初期植物的生長提供了有利條件。在恢復初期（<20 a），由于植被生長的不斷消耗，表層 SOC含量會出現一個降低的過程，但與林草地相比，灌木林地土壤碳氮含量提升較為明顯，原因在于研究區以沙棘為主的灌木林在短期內能夠迅速成林，相對于林地和草地具有更高的植被生產力，同時沙棘具有很強的固氮能力，能夠為其生長提供養分，從而促進表層土壤有機碳的快速積累。此外，沙棘根系具有串根萌蘗的特性，抗沖刷侵蝕能力強，從而有效地防止了表層土壤碳氮的流失，由此使灌木地表層土壤在短期恢復后，即能保持較高的土壤碳氮蓄積能力。而林地和草地在恢復早期，根系并不發達，凋落物較少，導致恢復初期表層土壤固碳（氮）效應不明顯。Chen et al.（2007）的研究表明灌木比其他純林恢復模式土壤固碳（氮）效果更好。Deng et al.（2018）的研究也表明在黃土高原的植被恢復過程中，相對于草地和林地，種植灌木能獲得長期更好的土壤固存碳氮效應（>20 a）。本文的研究結果與Chen et al.（2007）和Deng et al.（2018）基本一致，所不同之處在于，隨著植被恢復年限的增加，灌木林地表層土壤的碳氮蓄積效應開始衰減，當恢復年限>50 a時，相對于灌木和草地，喬木林地表層土壤表現出了更好的土壤碳氮蓄積能力，其原因在于，隨著恢復年限的增加，與灌木和草地相比，喬木根系更加發達，表層凋落物較多，有機物輸入量更大，導致其表層土壤碳氮含量明顯高于灌木和草地（王志齊等，2016）。此外，喬木林發達的根系更有利于降低土壤侵蝕速率，減緩表層土壤碳氮的流失；而灌木林地和草地隨著恢復年限的增加，逐步趨于老化與退化，其根系對于土壤有機碳的貢獻能力持續減弱，同時對地表土壤侵蝕的減緩作用進一步降低，從而導致其表層土壤碳氮含量和儲量趨于下降，這與和黨珍珍等（2015）和馮棋等（2019）的研究結論一致。

3.2 不同植被恢復類型下的平均土壤固碳速率

從植被恢復表層土壤的平均固碳速率來看，Zhang et al.（2010）研究發現，黃土高原退耕還林后表層土壤有機碳固存速率為 0.37 Mg·hm?2·a?1；而Chang et al.（2012）表明該區表層土壤固碳速率為0.173 Mg·hm?2·a?1；鄧蕾（2014）通過建立土壤固碳量（ΔCs）與恢復年限之間的一元線性回歸方程，估算了黃土高原地區退耕還林（草）的平均固碳速率為 0.29 Mg·hm?2·a?1。不同研究者的研究結果仍然存在較大差異，表明黃土高原地區在植被恢復下，表層土壤固碳速率的估算仍存在較大不確定性。本文的研究結果表明：在晉西北黃土高原地區，通過退耕還林，林地表層土壤中長期（>50 a）的平均固碳速率可達 0.42—0.49 t·hm?2·a?1，高于其他學者對于黃土高原地區退耕還林表層土壤的平均固碳速率的估算值。Hong et al.（2020）的研究結果也表明：植被恢復對土壤有機碳的影響取決于本底土壤碳儲量，在土壤本底有機碳豐富的區域，造林會降低土壤有機碳儲量，尤其是深層土壤的有機碳含量；而在土壤本底有機碳較為貧瘠的區域，造林則會促進土壤碳的積累，且在土壤表層最為顯著。晉西北右玉縣過去由于不合理的土地利用，水土流失嚴重，土地沙化嚴重，與黃土高原其他地區相比，這一地區的土壤本底有機碳含量較低，通過大規模的退耕還林（草）的生態恢復工程的實施，可以促進表層土壤有機碳的快速積累。

在黃土高原地區退耕還林（草）過程中，不同植被恢復類型，對于促進土壤有機碳的積累的速率存在顯著差異。鄧蕾（2014）研究表明，在降雨量較低的黃土高原北部（<450 mm），與林地和灌木林相比，草地表現出較高的土壤固碳速率。而本文的研究表明，在氣候干旱、降水較少和風蝕嚴重的黃土高原北部地區（晉西北），無論是中期還是長期來看，退耕還林（灌），均比還草表現除了更高的固碳速率，而退耕還草的表層土壤固碳速率隨恢復年限的增加，表現為先增加后減少，這和董云中等（2014）的研究結果較為一致，這是因為植被恢復表層土壤的有機碳輸入主要取決于地表凋落物和根系，與草地相比，林地和灌木地根系發達，表層凋落物較多，有機碳輸入較多，會促進土壤團聚體的形成，同時可以有效降低土壤侵蝕速率，減少表層土壤有機碳的流失。因此，在黃土高原地區植被恢復的表層土壤平均固碳速率的估算中，應充分重視區域自然環境本底、植被類型、恢復年限等多種因素，尤其在相關模型的構建中，如果忽視對以上因素的綜合考慮，將會極大增加模型估算結果的不確定性。

4 結論

（1）晉西北黃土丘陵區退耕還林（草）的土壤碳氮蓄積效應，以20 a和50 a為界，可分為短期、中期和長期3個階段。退耕還林在中期（21—50 a）和長期（>50 a）的土壤固碳（氮）效應相當可觀，退耕還灌在短期（<20 a）和中期（21—50 a）的土壤固碳（氮）效應表現顯著，對于草地，僅在退耕中期（21—35 a）表現出明顯的土壤固碳（氮）效應。因此，在評估黃土高原植被恢復的土壤碳氮效應時，應綜合考慮不同植被類型和不同恢復時期的階段效應。

（2）從3種植被類型表層土壤碳氮蓄積速率的變化來看，林地在退耕中期和長期，其表層土壤均表現出較高的碳氮蓄積速率；灌木林地在退耕早期（<20 a），其表層土壤碳氮蓄積速率最快，之后，隨恢復年限的增加，趨于下降，最終轉變為負值（>50 a）；草地僅在退耕21—35 a，土壤碳氮蓄積速率為正值，土壤碳氮增匯效應明顯，其余階段均為負值，表現為碳氮虧損。

（3）退耕還林（草）的表層SOC含量與STN含量、C/N和土壤含水量呈明顯的正相關，與土壤容重之間呈顯著的負相關。土壤C/N與SOC相關的顯著性要高于其與STN，表明土壤C/N受SOC的影響較大；土壤水分條件的改善可以促進SOC和STN的積累，其對表層STN的影響程度甚至高于SOC。