陳少鋒，韓新輝，馮永忠，楊改河，任廣鑫

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100）

土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）和氮作為土壤肥力的核心物質(zhì)［1－3］，是生態(tài)系統(tǒng)中及其重要的生態(tài)因子，二者的長期積累不僅影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性，對全球碳氮循環(huán)及緩解溫室效應(yīng)也有深遠(yuǎn)影響［4－5］.森林土壤的有機(jī)碳儲量約為森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫的2／3［6］，其庫容的微小變化都會(huì)對大氣CO2濃度及全球氣候變化產(chǎn)生巨大的影響.因此，森林土壤有機(jī)碳儲量動(dòng)態(tài)變化及空間分布成為全球有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)［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(yán)重破壞，水土流失、土地沙化問題日趨嚴(yán)重，已成為我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)［10］.由此，1999年大規(guī)模人工造林工程開始，該地區(qū)也成為我國生態(tài)建設(shè)的主戰(zhàn)場.雖然退耕還林（草）工程的最初目的是遏制水土流失等環(huán)境問題，但是通過人工植被恢復(fù)改變土壤內(nèi)部養(yǎng)分流動(dòng)狀況，引起土壤碳氮數(shù)量和質(zhì)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(rèn)為不應(yīng)該忽視深層土壤碳的性質(zhì)和變化，應(yīng)該對深層土壤有機(jī)碳的變化和輸入土壤深層的碳通量數(shù)量情況進(jìn)行研究.

目前，我國學(xué)者在對退耕還林（草）土壤有機(jī)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(fù)與重建過程中對土壤有機(jī)碳影響的研究中分析了0～100cm 土體的有機(jī)碳密度，認(rèn)為植被恢復(fù)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(jī)碳在0～80cm 土層的研究認(rèn)為黃土高原刺槐造林不能提高土壤有機(jī)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(shí)施氮添加的初期，輕組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(qū)典型退耕區(qū)不同人工植被類型，對深層土壤有機(jī)碳、氮含量在空間分布上的變化特征和深層有機(jī)碳氮儲量差異特征進(jìn)行分析，旨在闡明植被類型對黃土丘陵區(qū)深層土壤碳氮的截留效應(yīng)及差異特征，以期為該區(qū)域人工林草恢復(fù)土壤質(zhì)量的生態(tài)效應(yīng)評價(jià)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

樣地選擇在黃土丘陵區(qū)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(qū)，森林草原地帶向風(fēng)沙草原帶的過渡區(qū).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(qū)常見的人工植被恢復(fù)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(fù)草地.

1.2 樣品采集與測定

2012年8月在研究區(qū)內(nèi)選取退耕后撂荒地3 種植被恢復(fù)類型，并以鄰近坡耕地為對照.采樣時(shí)設(shè)置20m×20m 標(biāo)準(zhǔn)采樣區(qū)，按照“S”形選點(diǎn).土鉆法取土，1m 以內(nèi)隔10cm 取土，1～2m 內(nèi)每隔20cm 取土.將相同土層的土樣混勻作為待測樣品.同時(shí)挖取剖面，環(huán)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(fù)采樣3 次.采樣點(diǎn)基本信息見表1.樣地土壤均為黃綿土，土樣風(fēng)干后研磨過0.25mm篩.采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)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(shù)據(jù)分析

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

Ti＝Ci·Di·Ei（1－Gi）／10，

式中：Ti為第i層土壤有機(jī)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?jǐn)?shù)（%）、土壤容重（g／cm3）、有機(jī)碳或全氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g／kg）、土層厚度（cm）.

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

采用方差分析（ANOVA）研究有機(jī)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(jìn)行檢驗(yàn)分析，差異水平為P＜0.05.結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析采用SPSS17.0軟件進(jìn)行.

2 結(jié)果分析

2.1 不同人工植被恢復(fù)土壤有機(jī)碳、全氮含量差異

圖1顯示，不同人工植被有機(jī)碳、全氮含量隨土壤深度的增加表現(xiàn)出了一致的變化趨勢.在0～10cm表層不同植被類型土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他土層（P＜0.05）；土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)碳含量隨土層深度增加持續(xù)顯著下降；對比坡耕地，刺槐林有機(jī)碳的增幅為26%～141%，檸條林有機(jī)碳增幅為18%～102%；撂荒地有機(jī)碳增幅為12%～76%；40～100cm 淺深層，土壤有機(jī)碳含量下降趨勢減緩；對比坡耕地刺槐有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為130%～137%；檸條有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為68%～98%，撂荒地有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為3%～13%；100～200cm 深層，有機(jī)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為16%～24%；檸條全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為27%～35%，撂荒地全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為16%～36%；100～200cm 深 層，全 氮 平 均 質(zhì) 量 分 數(shù) 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(jī)碳和全氮含量受到植被恢復(fù)的影響趨勢一致.

圖1 不同植被類型土壤各層有機(jī)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(jīng)開始受到人工植被恢復(fù)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(fù)在不同土層有機(jī)碳和全氮密度差異

圖2所示，0～10cm 表層土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳和全氮密度的影響不同.

0～10cm 表層對土壤全氮而言表現(xiàn)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(jī)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(jī)碳和全氮密度的影響不同.

2.3 不同植被類型土層中有機(jī)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(jī)碳和全氮儲量的分布比例基本接近.100～200cm 有機(jī)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(jī)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(jī)碳和全氮亦對人工植被恢復(fù)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(jī)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(tài)環(huán)境、提高土壤質(zhì)量的生態(tài)效益已經(jīng)受到眾多學(xué)者的認(rèn)可［12－13］.本研究結(jié)果表明，不同植被類型土壤有機(jī)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(jī)碳和全氮含量基本保持穩(wěn)定，不同植被類型與坡耕地比較均能增加土壤有機(jī)碳和全氮含量.有機(jī)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(jī)質(zhì)含量與土層深度密切相關(guān)，隨深度的增加呈下降的趨勢的研究結(jié)果一致.不同植被類型在表層土壤的有機(jī)碳、全氮含量差異顯著，其原因是土壤有機(jī)碳主要來源與地表植被的凋落物、植物根系的分解有關(guān)［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(chǎn)量和質(zhì)量也不同，從而隨著分解進(jìn)入土壤會(huì)產(chǎn)生差異.不同植被類型有機(jī)碳和全氮在土壤淺層變化結(jié)果相似，原因?yàn)橥寥赖亻g接來源于以腐殖質(zhì)存在的有機(jī)質(zhì)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(jī)碳和全氮密度的影響不同.刺槐林地土壤各層有機(jī)碳和全氮密度均大于其他植被類型，表現(xiàn)出較好的碳氮固存效應(yīng).撂荒地在10～40cm 土層有機(jī)碳和全氮密度均超過檸條地，40～100cm 土層有機(jī)碳和全氮密度變化不一致，原因?yàn)榱袒牡氐耐寥廊葜乇葯帡l地大.檸條屬豆科植物，根系屬軸根分蘗類型，有很強(qiáng)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(dǎo)致根系固碳量和固氮量的深度差異.在次表層土壤與趙發(fā)珠等［17］對黃土丘陵區(qū)退耕還地土壤有機(jī)碳、氮密度變化的研究結(jié)論一致.以上均反映出不同植被類型土壤的發(fā)生學(xué)過程不同.Fontaine［21］等提出穩(wěn)定的深層SOC會(huì)由于新鮮有機(jī)物的加入而加快分解，但本研究的結(jié)果表明：植被恢復(fù)導(dǎo)致的有機(jī)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(jī)碳和全氮隨土層深度的增加保持穩(wěn)定，深層密度所占比重較大，與王征等［22］對黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)對深層土壤有機(jī)碳的影響中提到的深層土壤（50～100cm）SOC密度高達(dá)26.28～46.50t／hm2，占2m 土層SOC密度的50%以上的結(jié)論一致.黃土高原土層深厚，黃土丘陵區(qū)大約有12.45×104hm2坡耕地（坡度＞15°）實(shí)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(huán)和分布.因而不同的植被類型會(huì)對深層土壤碳、氮的源、匯功能產(chǎn)生不同的影響，應(yīng)該引起足夠重視.

4 結(jié)論

陜北黃土丘陵區(qū)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(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度，而且使100～200cm 深層土壤產(chǎn)生出積極的截存碳氮效應(yīng)，并以刺槐林增加碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)碳與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著下降趨勢.但到100～200cm 深各土層土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持穩(wěn)定，說明深層土壤碳氮對植被恢復(fù)響應(yīng)一致.同時(shí)，3種植被下100～200cm 深土壤有機(jī)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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