黃土丘陵區不同退耕還林措施的土壤碳匯效應

黎 鵬, 張 勇, 李夏浩祺, 孫彩麗, 段奧華， 劉國彬,5

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省林業科學院,西安 710082; 3.西北農林科技大學 資源與環境學院, 陜西 楊凌 712100; 4.貴州民族大學 生態環境工程學院,貴陽 550025; 5.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌, 712100)

土壤碳庫是陸地生態系統中的重要資源，其有機碳儲量約為2 500 Pg，占全球陸地生態系統碳庫的75%，不僅能夠作為碳源，也可作為碳匯，是碳循環的重要環節。森林土壤碳庫約占全球土壤有機碳庫的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系統碳平衡十分重要，森林土壤碳庫的變化是導致大氣碳庫增加和全球變暖的主要原因[2-3]。退耕還林(草)措施被廣泛認為是增加土壤有機碳儲量的有效方式，耕地與退化土地施行退耕還林(草)后，土壤有機碳儲量顯著增加[4-6]。馬帥等[7]通過對子午嶺林區不同植被恢復階段的土壤有機碳進行研究發現0—100 cm剖面上有機碳含量加權平均值隨植被恢復年限逐漸升高，0—20 cm土層土壤相較于20 cm以下土層，其有機碳隨植被恢復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后土壤有機碳儲量達到1 314.6 Tg，較2000年增加23.708%。也有研究指出土壤有機碳在恢復初期呈下降趨勢，隨后逐漸增加，直至30 a后土壤碳儲量顯著高于恢復前[9]。

全球0—1 m深土層范圍的有機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碳儲量變化更加準確且具代表性，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碳儲量。有研究表明各林分土壤的有機碳主要集中在0—20 cm土層[12]。研究0—20 cm土層的土壤有機碳儲量是否能夠表征0—100 cm土層深度的有機碳儲量為我們提供了新的思路。

由于人類活動和自然災害的增加，黃土高原丘陵地區的土壤質量急劇下降，為了解決黃土高原的生態問題，國家自1999年開始施行退耕還林(草)計劃，經過數十年的努力，黃土高原生態環境得到了極大的改善[8,13]。對于黃土高原的生態恢復效益的研究一直是熱點問題，但由于自然環境復雜等原因，關于退耕還林(草)工程土壤固碳效應的研究結果存在較大差異[14-17]。本文通過研究陜北黃土高原地區不同退耕年限土壤有機碳的變化特征，分析不同恢復類型土壤有機碳儲量的差異，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碳儲量的關系，以期為黃土高原地區生態恢復提供科學依據。

1 研究區概況

研究區設在陜西省安塞縣(東經108°5′44″—109°26′18″，北緯36°30′45″—37°19′3″)。該地區年均降水量500 mm左右，蒸發量1 000 mm左右，年均氣溫8.8℃，日照時數2 352～2 573 h，屬暖溫帶半干旱氣候區。由于毀田造林、過度放牧等不合理的土地利用，該地區生態環境遭到嚴重破壞。為了減少水土流失，提高土壤質量，該地區自實施退耕還林(草)工程，將坡度大于15°的坡耕地退耕成草地或林地等，生態環境得到較大改善。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發育而成的黃綿土為主，研究區屬典型的黃土丘陵溝壑區。

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碳隨退耕年限和土層深度的變化，并探索不同恢復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，每個樣點采集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)分別進行混合。采集的土樣自然風干，去除雜質后進行有機碳的測定，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定。

2.2 數據分析

數據結果均采用平均值±標準差的形式表示，對土壤有機碳含量和儲量進行單因素方差分析，顯著性水平為0.05。各數據均使用Microsoft Excel 2010，SPSS 24.0和Origin 8.0軟件處理繪制。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳的加權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碳含量進行加權平均得到0—100 cm土壤有機碳加權平均含量。結果表明0—100 cm土壤有機碳加權平均含量隨恢復年限整體呈增加趨勢(表1)。坡耕地營造檸條(CA)后，土壤有機碳含量呈現先降低而后顯著增加的趨勢，于47 a時達到最大為3.89 g/kg。沙棘(HR)恢復20 a內，其土壤有機碳無顯著變化，20 a后顯著增加，在30 a時達到最大(5.85 g/kg)。同樣的，刺槐(RP)恢復20 a后土壤有機碳顯著增加，在56 a時達到最大(3.45 g/kg)。坡耕地撂荒地(AC)土壤有機碳含量隨恢復年限逐漸增加，30 a時達到最大(3.91 g/kg)。

表1 0-100 cm土層不同植被類型土壤有機碳加權平均含量

3.2 土壤有機碳儲量隨退耕年限變化

不同恢復類型的土壤有機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，各土層有機碳儲量在0～10 a內均有所降低，10～20 a間顯著增加。20 a后，0—20 cm和0—30 cm土層有機碳儲量趨于穩定，0—50 cm和0—100 cm土層有機碳儲量則表現為36 a短暫降低后，47 a時又恢復到20 a的水平。坡耕地營造沙棘林后，20 a內各土層有機碳儲量無顯著變化，20～30 a間土壤有機碳儲量開始顯著增加。坡耕地營造刺槐林后，各土層有機碳儲量在20 a內無顯著變化，20 a后開始顯著增加。坡耕地撂荒后，各土層土壤有機碳儲量隨恢復年限整體呈增加趨勢。

圖1 不同恢復年限土壤有機碳儲量特征

3.3 不同退耕方式土壤有機碳儲量差異

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

圖2 相同恢復年限不同恢復類型土壤有機碳儲量比較

3.4 有機碳儲量與退耕年限的耦合分析

對植被恢復過程中0—20 cm土層有機碳儲量和恢復年限進行耦合分析發現(表2)，CA，HR，RP和AC的0—20 cm土壤有機碳儲量隨恢復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的相關系數大于0.8，具有較好的統計學意義。

表2 0-20 cm土層有機碳儲量與恢復年限的耦合分析

3.5 0-20 cm與0-100 cm土層土壤有機碳儲量的相關性分析

對0—20 cm和0—100 cm土層有機碳儲量進行線性回歸分析(圖3)，結果表明二者相關關系達到顯著性水平(p<0.001)，其相關系數為0.869。該結果說明，可以根據0—20 cm土壤有機碳儲量可估算出0—100 cm土壤有機碳儲量。

圖3 0-20 cm與0-100 cm土壤有機碳儲量的相關關系

4 討 論

坡耕地退耕為檸條、沙棘、刺槐和撂荒地后，0—100 cm土層加權土壤有機碳含量和各層土壤有機碳儲量較退耕前顯著增加，并隨恢復年限呈整體增加趨勢，但是在退耕初期有降低的趨勢。該結果表明，黃土高原地區施行退耕還林(草)不同階段的土壤固碳效應有明顯差異，短期無明顯變化，長期效果顯著，這與許明祥[18]和孫彩麗[19]等研究結果一致。此外，不同恢復類型間土壤固碳量具有顯著差異，以30 a恢復年限為例，坡耕地營造沙棘林與撂荒處理30 a后0—100 cm土層有機碳儲量分別為7.85，4.86 kg/m2，是恢復前的2.79倍、1.73倍。枯落物和根系分泌物是土壤有機碳的主要來源，而在退耕還林(草)初期新建植被產生的枯落物較少，且植物自身新陳代謝，同化作用強[9,20-21]，最終導致土壤有機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質會顯著增多，同時生態群落逐漸穩定，微生物活性顯著增強，土壤有機碳含量及儲量也隨之增加[22-23]。此外，隨恢復年限增加，土壤結構整體改善，因土壤侵蝕和水土流失造成的土壤養分的流失減少[24]。

植被類型和植被生長間的差異會導致土壤溫度、濕度、凋落物數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類型的土壤固碳效應和固碳速率進行比較發現，退耕初期沙棘林0—20 cm土層有機碳儲量和固碳速率顯著高于其他類型。可能是因為沙棘林表層枯落物多，根系較淺，根密度大，根系分泌物和根系生物量可以增加土壤有機碳的積累，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土層的土壤有機碳儲量與退耕年限呈現極顯著正相關關系。同時，0—20 cm土層與0—100 cm土層的土壤有機碳儲量也呈極顯著線性相關關系。因此，我們認為用0—20 cm土層土壤有機碳儲量來估算退耕還林還草后0—100 cm土層有機碳固碳能力和固碳潛力在干旱和半干旱地區應該被廣泛接受。

5 結 論

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