黎 鵬, 張 勇, 李夏浩祺, 孫彩麗, 段奧華， 劉國彬,5

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省林業(yè)科學(xué)院,西安 710082; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.貴州民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025; 5.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室, 陜西 楊凌, 712100)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要資源，其有機(jī)碳儲量約為2 500 Pg，占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的75%，不僅能夠作為碳源，也可作為碳匯，是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。森林土壤碳庫約占全球土壤有機(jī)碳庫的70%，是森林生物量碳庫的2～3倍[1]。因此，森林土壤對于維持陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡十分重要，森林土壤碳庫的變化是導(dǎo)致大氣碳庫增加和全球變暖的主要原因[2-3]。退耕還林(草)措施被廣泛認(rèn)為是增加土壤有機(jī)碳儲量的有效方式，耕地與退化土地施行退耕還林(草)后，土壤有機(jī)碳儲量顯著增加[4-6]。馬帥等[7]通過對子午嶺林區(qū)不同植被恢復(fù)階段的土壤有機(jī)碳進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)0—100 cm剖面上有機(jī)碳含量加權(quán)平均值隨植被恢復(fù)年限逐漸升高，0—20 cm土層土壤相較于20 cm以下土層，其有機(jī)碳隨植被恢復(fù)的提高幅度明顯升高。彭文英等[8]研究表明，黃土高原施行退耕還林(草)工程30 a后土壤有機(jī)碳儲量達(dá)到1 314.6 Tg，較2000年增加23.708%。也有研究指出土壤有機(jī)碳在恢復(fù)初期呈下降趨勢，隨后逐漸增加，直至30 a后土壤碳儲量顯著高于恢復(fù)前[9]。

全球0—1 m深土層范圍的有機(jī)碳總量大約是陸地植被碳總量的1.5～3倍[10-11]。雖然研究1 m深土層范圍土壤有機(jī)碳儲量變化更加準(zhǔn)確且具代表性，但存在采樣困難，耗時耗力等問題。因此亟待尋找更加簡單省時的方法以表征深層土壤的有機(jī)碳儲量。有研究表明各林分土壤的有機(jī)碳主要集中在0—20 cm土層[12]。研究0—20 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量是否能夠表征0—100 cm土層深度的有機(jī)碳儲量為我們提供了新的思路。

由于人類活動和自然災(zāi)害的增加，黃土高原丘陵地區(qū)的土壤質(zhì)量急劇下降，為了解決黃土高原的生態(tài)問題，國家自1999年開始施行退耕還林(草)計劃，經(jīng)過數(shù)十年的努力，黃土高原生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善[8,13]。對于黃土高原的生態(tài)恢復(fù)效益的研究一直是熱點(diǎn)問題，但由于自然環(huán)境復(fù)雜等原因，關(guān)于退耕還林(草)工程土壤固碳效應(yīng)的研究結(jié)果存在較大差異[14-17]。本文通過研究陜北黃土高原地區(qū)不同退耕年限土壤有機(jī)碳的變化特征，分析不同恢復(fù)類型土壤有機(jī)碳儲量的差異，并通過線性回歸來研究0—20 cm土層與0—100 cm土層深度的土壤有機(jī)碳儲量的關(guān)系，以期為黃土高原地區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在陜西省安塞縣(東經(jīng)108°5′44″—109°26′18″，北緯36°30′45″—37°19′3″)。該地區(qū)年均降水量500 mm左右，蒸發(fā)量1 000 mm左右，年均氣溫8.8℃，日照時數(shù)2 352～2 573 h，屬暖溫帶半干旱氣候區(qū)。由于毀田造林、過度放牧等不合理的土地利用，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。為了減少水土流失，提高土壤質(zhì)量，該地區(qū)自實施退耕還林(草)工程，將坡度大于15°的坡耕地退耕成草地或林地等，生態(tài)環(huán)境得到較大改善。目前土地利用類型主要包括耕地、林地、草地和果園等，主要植被類型是以刺槐(Robiniapseudoacacia)為主的人工林，以檸條(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides)為主的灌叢林，以及以鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、長芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischaeumu)等為主的草地。土壤類型主要以黃土母質(zhì)發(fā)育而成的黃綿土為主，研究區(qū)屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。

2 材料與方法

2.1 研究方法

本研究以安塞不同退耕年限土壤為研究對象，以研究陜北退耕還林過程中土壤有機(jī)碳隨退耕年限和土層深度的變化，并探索不同恢復(fù)類型土壤碳庫的差異特征，具體研究方法如下：選擇立地條件相似、具有代表性的不同退耕年限的喬木林、灌木林和草地，其中喬木林選擇刺槐林(5，10，20，56 a)，灌木林選擇檸條林(10，20，36，47 a)和沙棘林(5，10，20，30 a)，草地為退耕草地(5，10，15，20，25，30 a)。采用混合取樣方式，即選擇相同恢復(fù)類型、相近退耕年限的3塊樣地，每塊樣地按“S”曲線選取5個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)采集5個不同土層深度土樣(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—50 cm和50—100 cm)分別進(jìn)行混合。采集的土樣自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)后進(jìn)行有機(jī)碳的測定，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定。

2.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)結(jié)果均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，對土壤有機(jī)碳含量和儲量進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平為0.05。各數(shù)據(jù)均使用Microsoft Excel 2010，SPSS 24.0和Origin 8.0軟件處理繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳的加權(quán)平均含量隨退耕年限變化

通過對5個土層深度的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行加權(quán)平均得到0—100 cm土壤有機(jī)碳加權(quán)平均含量。結(jié)果表明0—100 cm土壤有機(jī)碳加權(quán)平均含量隨恢復(fù)年限整體呈增加趨勢(表1)。坡耕地營造檸條(CA)后，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)先降低而后顯著增加的趨勢，于47 a時達(dá)到最大為3.89 g/kg。沙棘(HR)恢復(fù)20 a內(nèi)，其土壤有機(jī)碳無顯著變化，20 a后顯著增加，在30 a時達(dá)到最大(5.85 g/kg)。同樣的，刺槐(RP)恢復(fù)20 a后土壤有機(jī)碳顯著增加，在56 a時達(dá)到最大(3.45 g/kg)。坡耕地撂荒地(AC)土壤有機(jī)碳含量隨恢復(fù)年限逐漸增加，30 a時達(dá)到最大(3.91 g/kg)。

表1 0-100 cm土層不同植被類型土壤有機(jī)碳加權(quán)平均含量

3.2 土壤有機(jī)碳儲量隨退耕年限變化

不同恢復(fù)類型的土壤有機(jī)碳儲量隨其退耕年限有顯著變化(圖1)。坡耕地營造檸條林后，各土層有機(jī)碳儲量在0～10 a內(nèi)均有所降低，10～20 a間顯著增加。20 a后，0—20 cm和0—30 cm土層有機(jī)碳儲量趨于穩(wěn)定，0—50 cm和0—100 cm土層有機(jī)碳儲量則表現(xiàn)為36 a短暫降低后，47 a時又恢復(fù)到20 a的水平。坡耕地營造沙棘林后，20 a內(nèi)各土層有機(jī)碳儲量無顯著變化，20～30 a間土壤有機(jī)碳儲量開始顯著增加。坡耕地營造刺槐林后，各土層有機(jī)碳儲量在20 a內(nèi)無顯著變化，20 a后開始顯著增加。坡耕地撂荒后，各土層土壤有機(jī)碳儲量隨恢復(fù)年限整體呈增加趨勢。

圖1 不同恢復(fù)年限土壤有機(jī)碳儲量特征

3.3 不同退耕方式土壤有機(jī)碳儲量差異

對于相同恢復(fù)年限的土壤，其有機(jī)碳儲量受退耕方式影響較大(圖2)?；謴?fù)年限為5 a時，HR各土層深度有機(jī)碳儲量均顯著高于RP和AC，0—20 cm土層表現(xiàn)為RP>AC，20 cm以下RP，AC各土層有機(jī)碳儲量無顯著差異?；謴?fù)年限為10 a時，CA各土層有機(jī)碳儲量均低于HR，RP和AC，而三者間無顯著差異?；謴?fù)年限為20 a時，0—20 cm和0—30 cm土層各恢復(fù)類型土壤有機(jī)碳儲量無顯著差異，其他各土層有機(jī)碳儲量則表現(xiàn)為CA>AC>HR=RP。

圖2 相同恢復(fù)年限不同恢復(fù)類型土壤有機(jī)碳儲量比較

3.4 有機(jī)碳儲量與退耕年限的耦合分析

對植被恢復(fù)過程中0—20 cm土層有機(jī)碳儲量和恢復(fù)年限進(jìn)行耦合分析發(fā)現(xiàn)(表2)，CA，HR，RP和AC的0—20 cm土壤有機(jī)碳儲量隨恢復(fù)年限均呈顯著的線性增加趨勢(p<0.05)，其年增長率分別為0.012，0.048，0.023，0.020 g/(kg·a)，且HR，RP和AC的相關(guān)系數(shù)大于0.8，具有較好的統(tǒng)計學(xué)意義。

表2 0-20 cm土層有機(jī)碳儲量與恢復(fù)年限的耦合分析

3.5 0-20 cm與0-100 cm土層土壤有機(jī)碳儲量的相關(guān)性分析

對0—20 cm和0—100 cm土層有機(jī)碳儲量進(jìn)行線性回歸分析(圖3)，結(jié)果表明二者相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著性水平(p<0.001)，其相關(guān)系數(shù)為0.869。該結(jié)果說明，可以根據(jù)0—20 cm土壤有機(jī)碳儲量可估算出0—100 cm土壤有機(jī)碳儲量。

圖3 0-20 cm與0-100 cm土壤有機(jī)碳儲量的相關(guān)關(guān)系

4 討 論

坡耕地退耕為檸條、沙棘、刺槐和撂荒地后，0—100 cm土層加權(quán)土壤有機(jī)碳含量和各層土壤有機(jī)碳儲量較退耕前顯著增加，并隨恢復(fù)年限呈整體增加趨勢，但是在退耕初期有降低的趨勢。該結(jié)果表明，黃土高原地區(qū)施行退耕還林(草)不同階段的土壤固碳效應(yīng)有明顯差異，短期無明顯變化，長期效果顯著，這與許明祥[18]和孫彩麗[19]等研究結(jié)果一致。此外，不同恢復(fù)類型間土壤固碳量具有顯著差異，以30 a恢復(fù)年限為例，坡耕地營造沙棘林與撂荒處理30 a后0—100 cm土層有機(jī)碳儲量分別為7.85，4.86 kg/m2，是恢復(fù)前的2.79倍、1.73倍?？萋湮锖透捣置谖锸峭寥烙袡C(jī)碳的主要來源，而在退耕還林(草)初期新建植被產(chǎn)生的枯落物較少，且植物自身新陳代謝，同化作用強(qiáng)[9,20-21]，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量變化不顯著甚至下降。然而，退耕還林(草)10 a后，新建植被繼續(xù)生長，植物生物量和蓋度不斷增加，通過枯落物、根系殘體及其分泌物形成的土壤有機(jī)質(zhì)會顯著增多，同時生態(tài)群落逐漸穩(wěn)定，微生物活性顯著增強(qiáng)，土壤有機(jī)碳含量及儲量也隨之增加[22-23]。此外，隨恢復(fù)年限增加，土壤結(jié)構(gòu)整體改善，因土壤侵蝕和水土流失造成的土壤養(yǎng)分的流失減少[24]。

植被類型和植被生長間的差異會導(dǎo)致土壤溫度、濕度、凋落物數(shù)量和根系分泌物等的顯著不同[25-27]。通過對相近退耕年限不同恢復(fù)類型的土壤固碳效應(yīng)和固碳速率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，退耕初期沙棘林0—20 cm土層有機(jī)碳儲量和固碳速率顯著高于其他類型?？赡苁且驗樯臣直韺涌萋湮锒啵递^淺，根密度大，根系分泌物和根系生物量可以增加土壤有機(jī)碳的積累，因此沙棘林具有較高的土壤碳儲量和固碳速率。

此外，研究證實沙棘、刺槐和撂荒地0—20 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量與退耕年限呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。同時，0—20 cm土層與0—100 cm土層的土壤有機(jī)碳儲量也呈極顯著線性相關(guān)關(guān)系。因此，我們認(rèn)為用0—20 cm土層土壤有機(jī)碳儲量來估算退耕還林還草后0—100 cm土層有機(jī)碳固碳能力和固碳潛力在干旱和半干旱地區(qū)應(yīng)該被廣泛接受。

5 結(jié) 論

退耕還林(草)工程對土壤有機(jī)碳含量及其儲量有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)0—100 cm土層土壤有機(jī)碳加權(quán)平均含量和各土層土壤有機(jī)碳儲量隨恢復(fù)年限整體呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，表明退耕還林(草)的短期效應(yīng)不顯著，長期固碳效應(yīng)相當(dāng)可觀。與其他退耕方式相比，沙棘林的表層(0—20 cm)土壤有機(jī)碳儲量在退耕初期更高。0—20 cm土層與0—100 cm土層土壤有機(jī)碳儲量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，證明在干旱半干旱地區(qū)可以用0—20 cm土層土壤有機(jī)碳儲量來估算0—100 cm土層的有機(jī)碳儲量，本研究有利于對黃土高原地區(qū)不同生態(tài)恢復(fù)模式中土壤固碳效應(yīng)的評價。