陜北黃土區不同林地土壤有機碳含量研究

茍清平，朱清科 , 2，梅雪梅，王雪峰，呂東唯

陜北黃土區不同林地土壤有機碳含量研究

茍清平1，朱清科1 , 2*，梅雪梅3，王雪峰1，呂東唯1

(1.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2. 林業生態工程教育部工程研究中心，北京 100083；3.鄭州大學生態與環境學院，鄭州 450001)

為探究黃土高原植被恢復對深層土壤碳庫的影響，選取退耕還林第一縣陜北吳起縣金佛坪流域5種植被恢復類型（山杏林（），油松林（）、沙棘林（）、刺槐林（）、小葉楊林（））和以自然恢復為主的荒草地為研究對象，通過調查0～1 000 cm土層土壤有機碳含量，并計算土壤有機碳儲量，分析不同植被類型的土壤有機碳剖面分布和差異。結果表明：在總體上，土壤有機碳在0～60 cm出現快速下降，60～1 000 cm出現不明顯的波動變化，其中40～260 cm土層，小葉楊林地土壤有機碳含量明顯最高。不同植被恢復都具有固碳效益，且不同植被土壤有機碳含量差異顯著（＜0.05）。不同植被土壤有機碳儲量：小葉楊（18年）（301.51 t·hm-2）＞刺槐（19 年）（249.86 t·hm-2）＞沙棘（18年）（242.14 t·hm-2）＞山杏（8年）（226.08 t·hm-2）＞油松（5年）（182.91 t·hm-2）＞荒草地（160.45 t·hm-2），這可能是由于不同樹齡和植被類型導致的結果。深層（100～1 000 cm）土壤有機碳儲量占0～1 000 cm剖面有機碳儲量的73%～84%。深層土壤有機碳含量頗豐，在今后碳匯評估中不容忽視。

陜北黃土區；深層土壤有機碳；深層碳儲量；植被恢復；固碳

土壤有機碳是指包括動物，植物以及微生物的遺體、排泄物以及部分泌物和土壤腐殖質組成的復合化合物[1]。據估算，全球100 cm深度土壤中儲存的土壤碳約為1 500 Pg[2-3]，是陸地植被碳庫的2～3倍。土壤碳庫中碳的增加對大氣中CO2濃度的降低具有重要的作用[2,4]。土地利用的變化會引起土壤碳庫發生改變[2-3,5]。

土壤有機碳的含量是植被、土壤和人為等各種因素綜合作用的結果[6-10]。林楓等基于文獻整合的分析方法，研究了黃土高原土壤有機碳固存對植被恢復的動態響應及其碳匯價值，結果表明，與農田相比，黃土高原退耕還林工程增加了61.60%的碳固存，退耕喬、灌、草分別增加88.50%，55.15%和43.18%[11]。孟國欣等研究了不同植被恢復類型對土壤有機碳的垂直剖面分布的影響，結果表明植被類型可以解釋66.10%土壤有機碳的變異[12]。Jackson等指出土地利用變化會影響土壤有機碳的輸入和周轉，是土壤有機碳變化的重要驅動力[13]。這些研究結果表明，不同植被類型的恢復會增加土壤有機碳，從而影響土壤的碳匯。但是這些研究都集中在土壤的表層（0～100 cm），對深層土壤有機碳的儲量和分布研究較少。

黃土高原自實施退耕還林還草工程以來，植被恢復取得顯著成效，對土壤碳庫產生重要影響[14]。毛娜等分析了六道溝地形序列土壤碳剖面分布特征，結果表明100～200 cm土層總碳密度占0～200 cm土體總碳密度的35%[15]；黃艷章等[16]研究0～400 cm土層不同生態恢復模式土壤碳的剖面分布，結果表明深層 (100～400 cm) 土壤有機碳儲量天然次生林、人工生態林和人工經濟林分別占0～400 cm土壤剖面有機碳儲量的46.76%、58.89%和58.62%；在亞馬遜東部，儲存在100～600 cm的土壤有機碳占0～600 cm土層的50%以上[17]。這些結果說明深層土壤具有巨大碳匯潛力，加強對深層土壤有機碳儲量和分布的研究，對于提升人工林生態系統的固碳功能具有指導意義。

本研究調查了陜北黃土區吳起縣金佛坪流域5種植被恢復類型（山杏、油松、沙棘、刺槐和小葉楊）和以自然恢復為主的荒草地0～1 000 cm土壤剖面的土壤有機碳含量，分析了不同植被類型之間土壤有機碳分布和儲量的差異，旨在為黃土高原不同植被恢復類型碳儲量合理估算和今后提升碳匯功能提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處陜西省延安市吳起縣金佛坪流域，位于107°38′57″～108°32′49″ E，36°33′33″～37°24′27″ N之間。地形地貌類型是黃土丘陵溝壑區，屬暖溫帶大陸性季風氣候，海拔介于1 233～ 1 809 m之間，多年平均氣溫7.8 ℃，年平均降水量為478.3 mm，降水季節常常分配不均，年際變化較大，雨季主要集中在7—9月，多年平均年陸面實際蒸發量為400～450 mm。土壤為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發育在黃土母質上的黃綿土。金佛坪流域由于氣候、地質地貌和土壤等因素的制約，特別是人類活動的影響，該流域天然植被已經破壞殆盡，現存植被主要為自1998年實施退耕還林還草工程以來形成的人工林地以及通過自然恢復形成的荒草地，主要的造林樹種為小葉楊（）、山杏（）、油松（s）、白榆（）、山桃（）、刺槐（）等。主要灌木有檸條（）以及沙棘()；草本以菊科、豆科、禾本科為主，草本類型以鐵桿蒿（）、茭蒿（)、長芒草（）、星毛委陵菜（）、達烏里胡枝子（)、狗娃花（)、冷蒿（）、白羊草（）、遠志（）、糙隱子草（）、百里香（）、賴草（）為主。

本研究以金佛坪流域內5種常見的的人工林地（山杏，油松，沙棘，小葉楊和刺槐）為主要研究對象，同時以荒草地（natural grassland）為對照組。其中山杏是8 年人工林地，油松是5 年人工林地，沙棘和小葉楊是18 年人工林地，刺槐是19 年人工林地，荒草地是自1999年退耕還林之后形成的自然草地。嚴格意義上講，為了研究的可比性，應該選擇樹齡基本一致的人工林地進行對比研究。在研究區吳起縣境內，退耕還林最開始種植沙棘較多，沙棘具有改良土壤的生態功能，但是沙棘慢慢退化，后來種植了油松和山杏，而本研究中的沙棘、小葉楊以及刺槐都是在開始退耕的時候早期種植，保存下來的，密度較為一致的成片狀分布的森林。山杏和油松在吳起縣分布范圍廣，也有成林，但是目前現存的都是一些稀疏的零星分布的比較多，成片的，具有一定林型的山杏成林很少；油松林也是金佛坪流域沙棘退化之后，人工造林補植，形成的成片狀分布的森林。為了便于分析金佛坪流域現存植被土壤有機碳儲量，因此選擇了8 年山杏林和5 年油松林。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 該研究選取山杏、油松、沙棘、刺槐、小葉楊和荒草地為研究對象，為了研究的可比性，地形條件（坡向、坡度和海拔）基本相似。喬木林地采用20 m×20 m樣方，灌木采用10 m×10 m的樣方，荒草地采用1 m×1 m的樣方調查不同研究樣地的植被情況。不同植被類型的樣地基本情況見表1。

表1 不同林地和荒草地的基本情況

1.2.2 土壤理化性質測定 在樣地調查的基礎上，各個樣方隨機選取3個樣點，采用人工打土鉆的方式取土壤樣品，在0～1 m間隔10 cm取樣，1～10 m間隔20 cm取樣，取好的土壤樣平分成3份，分別用于測定土壤水分質量含水量、土壤有機碳（SOC）和土壤粒徑。同時在每個樣方開挖1 m土壤剖面，每隔10 cm用環刀（直徑5 cm，體積100 cm3）每層取3個重復的原狀土樣，測定土壤容重。土壤樣品采用時間為2018年5月。

把取的土壤樣品帶回實驗室，土壤容重立即采用烘干法（105 ℃，24 h）測定[18]；其余土壤樣品放到紙上，待自然風干后，挑出雜物（枝葉，根系等）備用，以測定土壤有機碳，采用重鉻酸鉀外加熱法測定[19]。

1.2.3 土壤有機碳密度 計算公式如下：

式（1）中：SOCD表示土層土壤有機碳密度（t·hm-2），SOC表示土層土壤有機碳含量（g·kg-1），H表示土層的土層厚度（cm），BD表示土層土壤容重（g·cm-3），≥2 mm表示土層粒徑大于等于2 mm的礫石體積分數，在黃土區礫石含量極低，可忽略不計。

表2 不同植被類型0～100 cm土壤剖面土壤容重

若某一土體由n層組成，則該土體單位面積內土壤有機碳儲量（SOCD）計算公式為：

不同林地土壤容重見表2。

在計算土壤有機碳密度時，0～100 cm土層土壤容重采用測量值，由于深層原狀土壤樣品取樣困難[20]，并且越到深層土壤容重含量變化也不大[21]。因此，100～1 000 cm土層土壤容重取90～100 cm測量值。

1.2.4 數據分析方法 采用單因素方差分析（ANOVA）比較不同植被類型之間土壤有機碳的差異，并采用最小顯著差異多重比較（LSD）分析不同植被類型之間的差異。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳剖面分布特征

不同植被類型土壤有機碳含量的垂直分布特征見圖1。由圖1可知，小葉楊林地土壤有機碳在0～60 cm土層急速下降，然后在60～120 cm土層升高，在120～280 cm土層下降，在280～1 000 cm變化不大；荒草地在0～30 cm土層急劇下降，在30～600 cm變化不大，600～1 000 cm出現波動變化；刺槐在0～120 cm土層急劇下降，在120～1 000 cm出現波動變化；山杏、油松和沙棘在0～60 cm土層急劇下降，在60～1 000 cm出現波動變化。其中，沙棘表層（0～10 cm）土壤有機碳含量最高，其值為13.69 g·kg-1，土壤有機碳含量最低為荒草地640～660 cm土層，其值為0.06 g·kg-1，在40～260 cm土層，小葉楊林地土壤有機碳含量明顯高于其他植被類型?？傮w來說，土壤有機碳含量在淺層含量相對較高，而到了深層含量較低。

2.2 不同植被類型土壤有機碳含量

不同植被類型土壤有機碳含量在整個0～1 000 cm土壤剖面存在差異。由表3可知，小葉楊林地土壤有機碳含量的均值為（2.72±2.51）g·kg-1，與刺槐（2.10±1.69）g·kg-1差異不顯著，但是顯著高于山杏（1.85±1.20）g·kg-1，油松（1.56±1.13）g·kg-1，沙棘（2.07±2.02）g·kg-1和荒草地（1.32±0.96)g·kg-1（＜0.05）。其中荒草地最低，表明人工造林的植被恢復模式土壤的碳匯效益高于自然恢復。

圖1 不同植被土壤有機碳垂直剖面

Figure 1 Vertical distribution of soil organic carbon of different vegetation types

表3 不同植被類型0～1 000 cm土層土壤有機碳含量

注:同一列不同小寫字母表示差異顯著(＜0.05)。

不同林地各土層有機碳含量方差分析與多重比較見表4。由表4可知，在0～300 cm土層，小葉楊林地土壤有機碳顯著高于其他植被類型（＜0.05)；在300～800 cm土層，刺槐林地土壤有機碳含量較高（＜0.05)；在800～1 000 cm土層，沙棘土壤有機碳含量顯著高于其他植被類型。各植被類型在0～100 cm土層土壤有機碳含量都明顯高于900～1 000 cm各個土層，表明土壤有機碳有表聚現象。在0～100 cm土層不同植被類型土壤有機碳：小葉楊＞沙棘＞刺槐＞山杏＞油松＞荒草地。

2.3 不同植被類型土壤有機碳儲量

不同植被類型各土層土壤有機碳儲量見表5。由表5可知，在0～100 cm土層，山杏、油松、沙棘、小葉楊、刺槐和荒草地的土壤有機碳儲量分別為36.43、33.56、49.32、81.95、44.17 和27.08 t·hm-2。不同植被類型的土壤有機碳儲量都是0～100 cm最大。在0～1 000 cm整個土壤剖面，不同植被類型的土壤有機碳儲量：小葉楊＞刺槐＞沙棘＞山杏＞油松＞荒草地。

表4 不同植被類型不同土層土壤有機碳含量平均值

注:同一行不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05）。

表5 不同植被類型土壤有機碳儲量

圖2 不同植被類型土壤有機碳儲量剖面分配比例

Figure 2 Proportion of soil organic carbon storage profile distribution in different vegetation types

不同植被類型各土層土壤有機碳儲量的比例見圖2。由圖2可知，山杏、油松、沙棘、小葉楊、刺槐和荒草地0～100 cm土層的土壤有機碳儲量占整個0～1 000 cm土層的比例分別為16%、18%、20%、27%、18%和17%；占0～500 cm土層的比例分別為32%、36%、48%、36%、31%和29%；占0～200 cm土層的比例分別為72%、68%、79%、49%、65%和62%。由此可見，深層土壤有機碳儲量潛力巨大。

3 討論

3.1 不同植被類型對土壤有機碳的影響

土壤有機碳含量受地表覆蓋、表層凋落物、微生物作用以及人為干擾等因素的影響[2]。在本研究中，不同的植被類型土壤有機碳具有表聚現象[22]，即0～100 cm土壤有機碳的含量明顯高于其他土層，這主要是因為凋落物覆蓋、地上生物量較多，以及根系生物量較高，這與Sommer等[17]的研究結果一致。

在整個土壤剖面（0～1 000 cm），小葉楊林地的土壤有機碳含量均值最高（2.72±2.51）g·kg-1，其次為刺槐（2.10±1.69）g·kg-1，并顯著高于山杏、油松、沙棘和荒草地，這可能是小葉楊林地和刺槐林地樹齡較大，喬木林根系發達[23]以及活性有機碳含量高[24]等因素綜合作用的結果。而荒草地土壤有機碳含量最低，固碳效益最低，這與劉玉林等[25]的研究結果一致。土壤有機碳在整個土壤剖面，隨著土層深度增加而降低，到了深層變化不大，這與前人的研究結果一致[26]。在整個黃土高原斷面上，深層土壤有機碳的含量在1.49～2.01 g·kg-1之間[27]，表明深層土壤有機碳含量極低?？赡艿脑蚴堑蚵湮锖椭参锔禐楸韺油寥捞峁┝溯^為豐富的碳源，近年來，黃土高原出現了土壤干層[28]，半干旱黃土區，深層土壤水分出現了虧缺，根系分布較少，導致了深層土壤有機碳含量較低。淺層（0～100 cm）土壤有機碳在不同植被類型之間差異顯著，這主要是受到植被類型的影響，而在深層（100～1 000 cm）土壤有機碳差異性較小。說明深層土壤有機碳對不同植被的響應不如淺層土壤碳敏感，這與Poeplau等人研究結果一致[29]。

3.2 深層土壤有機碳儲量的重要性

在估算陸地生態系統土壤有機碳儲量時，通常采用的數據都是淺層（0～100 cm）土壤的有機碳儲量[30]，并沒有考慮深層的土壤有機碳儲量，這極大低估了陸地生態系統的碳匯。李建平等[31]指出封育30年的草地，0～100 cm土層土壤有機碳儲量占0～500 cm土層的44.8%，與本研究結果（29%～48%）大體一致。隨著土層深度加深，土壤有機碳的儲量變低[32]，本研究表明，深層（100～1 000 cm）土壤有機碳儲量占整個剖面（0～1 000 cm）的比例為73%～84%，表明深層土壤有機碳儲量較高，在今后森林生態系統碳匯估算中應當引起足夠的重視。

土壤有機碳的儲量受土層深度的影響較大，雖然土壤有機碳越到深層含量越低，但是儲量大，尤其是在土層較深的地區，土壤有機碳儲量還受到深根系喬木灌木等影響，在黃土高原，自20世紀90年代實施退耕還林還草工程以來，植被恢復對生態環境產生極大影響，研究深層土壤有機碳的動態變化以及儲量，對準確評估植被恢復碳匯，實現雙碳目標具有重要的指導意義。

4 結論

土壤有機碳總體上在0～60 cm上出現急劇下降，在60～1 000 cm變化基本不大。與自然修復的荒草地相比，不同人工造林的植被恢復模式能顯著提高在淺層（0～100 cm）的土壤有機碳含量（＜0.05）。在整個0～1 000 cm土層，土壤有機碳含量：小葉楊（2.72±2.51）g·kg-1＞刺槐（2.10±1.69）g·kg-1＞沙棘（2.07±2.02）g·kg-1＞山杏（1.85±1.20）g·kg-1＞油松（1.56±1.13）g·kg-1＞荒草地（1.32±0.96）g·kg-1。100～1 000 cm土層土壤有機碳儲量占整個土層（0～1 000 cm）的比例為73%～84%，200～1 000 cm土層土壤有機碳儲量占整個土層（0～1 000 cm）的比例為45%～72%。因此，在今后評估不同植被恢復的固碳能力的時候，深層土壤有機碳儲量不可忽略。

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Study on the soil organic carbon content of different vegetation types in loess region of Northern Shaanxi Province, China

GOU Qingping1, ZHU Qingke1, 2, MEI Xuemei3, WANG Xuefeng1, LYU Dongwei1

(1. Soil and Water Conservation School of Beijing Forestry University, Beijing 100083; 2. Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering, Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083; 3. School of Ecology and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001)

To investigate the effect of vegetation restoration on deep soil carbon pools in the Loess Plateau, five different vegetation restoration types (,,,and) and natural restoration-based barren grassland were selected from Jinfoping watershed of Wuqi county, Northern Shaanxi. The distribution and differences of soil organic carbon profiles under different vegetation restoration types were analyzed by investigating the soil organic carbon content in 0 - 1 000 cm soil layer and calculating the soil organic carbon storage. The results showed that: in general, soil organic carbon decreased rapidly in 0 - 60 cm and an insignificant fluctuating change from 60 - 1 000 cm, with the highest soil organic carbon content evident in 40 - 260 cm soil layer, inforestland. There were significant differences in soil organic matter content among different vegetation restoration (< 0.05). Soil organic carbon storage of different vegetation types:(18 years) (301.51 t·hm-2) >(19 years) (249.86 t·hm-2) >(18 years) (242.14 t·hm-2) >(8 years)(226.08 t·hm-2)>(5 years) (182.91 t·hm-2) >Grassland (160.45 t·hm-2), which may be the results of different tree ages and vegetation types. Soil organic carbon storage of deep layer (100 - 1 000 cm) accounted for 73% - 84% of organic carbon storage of 0-1 000 cm profile. The content of organic carbon in deep soil is abundant, which should not be ignored in the future carbon sink assessment.

in loess region of Northern Shaanxi Province; deep soil organic carbon; deep soil organic storage; vegetation restoration; carbon sequestration

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230625.013

2023-06-26 16:43:49

S714.8

A

1672-352X (2023)03-0490-07

2022-04-19

“十三五”國家重點研發計劃課題（2016YFC05017702）資助。

茍清平，博士研究生。E-mail：gqp3160589@126.com

通信作者:朱清科，博士，教授，博士生導師。E-mail：739663963@qq.com

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