陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究

苟清平，朱清科 , 2，梅雪梅，王雪峰，吕东唯

陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究

苟清平1，朱清科1 , 2*，梅雪梅3，王雪峰1，吕东唯1

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2. 林业生态工程教育部工程研究中心，北京 100083；3.郑州大学生态与环境学院，郑州 450001)

为探究黄土高原植被恢复对深层土壤碳库的影响，选取退耕还林第一县陕北吴起县金佛坪流域5种植被恢复类型（山杏林（），油松林（）、沙棘林（）、刺槐林（）、小叶杨林（））和以自然恢复为主的荒草地为研究对象，通过调查0～1 000 cm土层土壤有机碳含量，并计算土壤有机碳储量，分析不同植被类型的土壤有机碳剖面分布和差异。结果表明：在总体上，土壤有机碳在0～60 cm出现快速下降，60～1 000 cm出现不明显的波动变化，其中40～260 cm土层，小叶杨林地土壤有机碳含量明显最高。不同植被恢复都具有固碳效益，且不同植被土壤有机碳含量差异显著（＜0.05）。不同植被土壤有机碳储量：小叶杨（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），这可能是由于不同树龄和植被类型导致的结果。深层（100～1 000 cm）土壤有机碳储量占0～1 000 cm剖面有机碳储量的73%～84%。深层土壤有机碳含量颇丰，在今后碳汇评估中不容忽视。

陕北黄土区；深层土壤有机碳；深层碳储量；植被恢复；固碳

土壤有机碳是指包括动物，植物以及微生物的遗体、排泄物以及部分泌物和土壤腐殖质组成的复合化合物[1]。据估算，全球100 cm深度土壤中储存的土壤碳约为1 500 Pg[2-3]，是陆地植被碳库的2～3倍。土壤碳库中碳的增加对大气中CO2浓度的降低具有重要的作用[2,4]。土地利用的变化会引起土壤碳库发生改变[2-3,5]。

土壤有机碳的含量是植被、土壤和人为等各种因素综合作用的结果[6-10]。林枫等基于文献整合的分析方法，研究了黄土高原土壤有机碳固存对植被恢复的动态响应及其碳汇价值，结果表明，与农田相比，黄土高原退耕还林工程增加了61.60%的碳固存，退耕乔、灌、草分别增加88.50%，55.15%和43.18%[11]。孟国欣等研究了不同植被恢复类型对土壤有机碳的垂直剖面分布的影响，结果表明植被类型可以解释66.10%土壤有机碳的变异[12]。Jackson等指出土地利用变化会影响土壤有机碳的输入和周转，是土壤有机碳变化的重要驱动力[13]。这些研究结果表明，不同植被类型的恢复会增加土壤有机碳，从而影响土壤的碳汇。但是这些研究都集中在土壤的表层（0～100 cm），对深层土壤有机碳的储量和分布研究较少。

黄土高原自实施退耕还林还草工程以来，植被恢复取得显著成效，对土壤碳库产生重要影响[14]。毛娜等分析了六道沟地形序列土壤碳剖面分布特征，结果表明100～200 cm土层总碳密度占0～200 cm土体总碳密度的35%[15]；黄艳章等[16]研究0～400 cm土层不同生态恢复模式土壤碳的剖面分布，结果表明深层 (100～400 cm) 土壤有机碳储量天然次生林、人工生态林和人工经济林分别占0～400 cm土壤剖面有机碳储量的46.76%、58.89%和58.62%；在亚马逊东部，储存在100～600 cm的土壤有机碳占0～600 cm土层的50%以上[17]。这些结果说明深层土壤具有巨大碳汇潜力，加强对深层土壤有机碳储量和分布的研究，对于提升人工林生态系统的固碳功能具有指导意义。

本研究调查了陕北黄土区吴起县金佛坪流域5种植被恢复类型（山杏、油松、沙棘、刺槐和小叶杨）和以自然恢复为主的荒草地0～1 000 cm土壤剖面的土壤有机碳含量，分析了不同植被类型之间土壤有机碳分布和储量的差异，旨在为黄土高原不同植被恢复类型碳储量合理估算和今后提升碳汇功能提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处陕西省延安市吴起县金佛坪流域，位于107°38′57″～108°32′49″ E，36°33′33″～37°24′27″ N之间。地形地貌类型是黄土丘陵沟壑区，属暖温带大陆性季风气候，海拔介于1 233～ 1 809 m之间，多年平均气温7.8 ℃，年平均降水量为478.3 mm，降水季节常常分配不均，年际变化较大，雨季主要集中在7—9月，多年平均年陆面实际蒸发量为400～450 mm。土壤为地带性黑垆土剥蚀后广泛发育在黄土母质上的黄绵土。金佛坪流域由于气候、地质地貌和土壤等因素的制约，特别是人类活动的影响，该流域天然植被已经破坏殆尽，现存植被主要为自1998年实施退耕还林还草工程以来形成的人工林地以及通过自然恢复形成的荒草地，主要的造林树种为小叶杨（）、山杏（）、油松（s）、白榆（）、山桃（）、刺槐（）等。主要灌木有柠条（）以及沙棘()；草本以菊科、豆科、禾本科为主，草本类型以铁杆蒿（）、茭蒿（)、长芒草（）、星毛委陵菜（）、达乌里胡枝子（)、狗娃花（)、冷蒿（）、白羊草（）、远志（）、糙隐子草（）、百里香（）、赖草（）为主。

本研究以金佛坪流域内5种常见的的人工林地（山杏，油松，沙棘，小叶杨和刺槐）为主要研究对象，同时以荒草地（natural grassland）为对照组。其中山杏是8 年人工林地，油松是5 年人工林地，沙棘和小叶杨是18 年人工林地，刺槐是19 年人工林地，荒草地是自1999年退耕还林之后形成的自然草地。严格意义上讲，为了研究的可比性，应该选择树龄基本一致的人工林地进行对比研究。在研究区吴起县境内，退耕还林最开始种植沙棘较多，沙棘具有改良土壤的生态功能，但是沙棘慢慢退化，后来种植了油松和山杏，而本研究中的沙棘、小叶杨以及刺槐都是在开始退耕的时候早期种植，保存下来的，密度较为一致的成片状分布的森林。山杏和油松在吴起县分布范围广，也有成林，但是目前现存的都是一些稀疏的零星分布的比较多，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，人工造林补植，形成的成片状分布的森林。为了便于分析金佛坪流域现存植被土壤有机碳储量，因此选择了8 年山杏林和5 年油松林。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择 该研究选取山杏、油松、沙棘、刺槐、小叶杨和荒草地为研究对象，为了研究的可比性，地形条件（坡向、坡度和海拔）基本相似。乔木林地采用20 m×20 m样方，灌木采用10 m×10 m的样方，荒草地采用1 m×1 m的样方调查不同研究样地的植被情况。不同植被类型的样地基本情况见表1。

表1 不同林地和荒草地的基本情况

1.2.2 土壤理化性质测定 在样地调查的基础上，各个样方随机选取3个样点，采用人工打土钻的方式取土壤样品，在0～1 m间隔10 cm取样，1～10 m间隔20 cm取样，取好的土壤样平分成3份，分别用于测定土壤水分质量含水量、土壤有机碳（SOC）和土壤粒径。同时在每个样方开挖1 m土壤剖面，每隔10 cm用环刀（直径5 cm，体积100 cm3）每层取3个重复的原状土样，测定土壤容重。土壤样品采用时间为2018年5月。

把取的土壤样品带回实验室，土壤容重立即采用烘干法（105 ℃，24 h）测定[18]；其余土壤样品放到纸上，待自然风干后，挑出杂物（枝叶，根系等）备用，以测定土壤有机碳，采用重铬酸钾外加热法测定[19]。

1.2.3 土壤有机碳密度 计算公式如下：

式（1）中：SOCD表示土层土壤有机碳密度（t·hm-2），SOC表示土层土壤有机碳含量（g·kg-1），H表示土层的土层厚度（cm），BD表示土层土壤容重（g·cm-3），≥2 mm表示土层粒径大于等于2 mm的砾石体积分数，在黄土区砾石含量极低，可忽略不计。

表2 不同植被类型0～100 cm土壤剖面土壤容重

若某一土体由n层组成，则该土体单位面积内土壤有机碳储量（SOCD）计算公式为：

不同林地土壤容重见表2。

在计算土壤有机碳密度时，0～100 cm土层土壤容重采用测量值，由于深层原状土壤样品取样困难[20]，并且越到深层土壤容重含量变化也不大[21]。因此，100～1 000 cm土层土壤容重取90～100 cm测量值。

1.2.4 数据分析方法 采用单因素方差分析（ANOVA）比较不同植被类型之间土壤有机碳的差异，并采用最小显著差异多重比较（LSD）分析不同植被类型之间的差异。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳剖面分布特征

不同植被类型土壤有机碳含量的垂直分布特征见图1。由图1可知，小叶杨林地土壤有机碳在0～60 cm土层急速下降，然后在60～120 cm土层升高，在120～280 cm土层下降，在280～1 000 cm变化不大；荒草地在0～30 cm土层急剧下降，在30～600 cm变化不大，600～1 000 cm出现波动变化；刺槐在0～120 cm土层急剧下降，在120～1 000 cm出现波动变化；山杏、油松和沙棘在0～60 cm土层急剧下降，在60～1 000 cm出现波动变化。其中，沙棘表层（0～10 cm）土壤有机碳含量最高，其值为13.69 g·kg-1，土壤有机碳含量最低为荒草地640～660 cm土层，其值为0.06 g·kg-1，在40～260 cm土层，小叶杨林地土壤有机碳含量明显高于其他植被类型。总体来说，土壤有机碳含量在浅层含量相对较高，而到了深层含量较低。

2.2 不同植被类型土壤有机碳含量

不同植被类型土壤有机碳含量在整个0～1 000 cm土壤剖面存在差异。由表3可知，小叶杨林地土壤有机碳含量的均值为（2.72±2.51）g·kg-1，与刺槐（2.10±1.69）g·kg-1差异不显著，但是显著高于山杏（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复模式土壤的碳汇效益高于自然恢复。

图1 不同植被土壤有机碳垂直剖面

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

表3 不同植被类型0～1 000 cm土层土壤有机碳含量

注:同一列不同小写字母表示差异显著(＜0.05)。

不同林地各土层有机碳含量方差分析与多重比较见表4。由表4可知，在0～300 cm土层，小叶杨林地土壤有机碳显著高于其他植被类型（＜0.05)；在300～800 cm土层，刺槐林地土壤有机碳含量较高（＜0.05)；在800～1 000 cm土层，沙棘土壤有机碳含量显著高于其他植被类型。各植被类型在0～100 cm土层土壤有机碳含量都明显高于900～1 000 cm各个土层，表明土壤有机碳有表聚现象。在0～100 cm土层不同植被类型土壤有机碳：小叶杨＞沙棘＞刺槐＞山杏＞油松＞荒草地。

2.3 不同植被类型土壤有机碳储量

不同植被类型各土层土壤有机碳储量见表5。由表5可知，在0～100 cm土层，山杏、油松、沙棘、小叶杨、刺槐和荒草地的土壤有机碳储量分别为36.43、33.56、49.32、81.95、44.17 和27.08 t·hm-2。不同植被类型的土壤有机碳储量都是0～100 cm最大。在0～1 000 cm整个土壤剖面，不同植被类型的土壤有机碳储量：小叶杨＞刺槐＞沙棘＞山杏＞油松＞荒草地。

表4 不同植被类型不同土层土壤有机碳含量平均值

注:同一行不同小写字母表示差异显著（＜0.05）。

表5 不同植被类型土壤有机碳储量

图2 不同植被类型土壤有机碳储量剖面分配比例

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

不同植被类型各土层土壤有机碳储量的比例见图2。由图2可知，山杏、油松、沙棘、小叶杨、刺槐和荒草地0～100 cm土层的土壤有机碳储量占整个0～1 000 cm土层的比例分别为16%、18%、20%、27%、18%和17%；占0～500 cm土层的比例分别为32%、36%、48%、36%、31%和29%；占0～200 cm土层的比例分别为72%、68%、79%、49%、65%和62%。由此可见，深层土壤有机碳储量潜力巨大。

3 讨论

3.1 不同植被类型对土壤有机碳的影响

土壤有机碳含量受地表覆盖、表层凋落物、微生物作用以及人为干扰等因素的影响[2]。在本研究中，不同的植被类型土壤有机碳具有表聚现象[22]，即0～100 cm土壤有机碳的含量明显高于其他土层，这主要是因为凋落物覆盖、地上生物量较多，以及根系生物量较高，这与Sommer等[17]的研究结果一致。

在整个土壤剖面（0～1 000 cm），小叶杨林地的土壤有机碳含量均值最高（2.72±2.51）g·kg-1，其次为刺槐（2.10±1.69）g·kg-1，并显著高于山杏、油松、沙棘和荒草地，这可能是小叶杨林地和刺槐林地树龄较大，乔木林根系发达[23]以及活性有机碳含量高[24]等因素综合作用的结果。而荒草地土壤有机碳含量最低，固碳效益最低，这与刘玉林等[25]的研究结果一致。土壤有机碳在整个土壤剖面，随着土层深度增加而降低，到了深层变化不大，这与前人的研究结果一致[26]。在整个黄土高原断面上，深层土壤有机碳的含量在1.49～2.01 g·kg-1之间[27]，表明深层土壤有机碳含量极低。可能的原因是凋落物和植物根系为表层土壤提供了较为丰富的碳源，近年来，黄土高原出现了土壤干层[28]，半干旱黄土区，深层土壤水分出现了亏缺，根系分布较少，导致了深层土壤有机碳含量较低。浅层（0～100 cm）土壤有机碳在不同植被类型之间差异显著，这主要是受到植被类型的影响，而在深层（100～1 000 cm）土壤有机碳差异性较小。说明深层土壤有机碳对不同植被的响应不如浅层土壤碳敏感，这与Poeplau等人研究结果一致[29]。

3.2 深层土壤有机碳储量的重要性

在估算陆地生态系统土壤有机碳储量时，通常采用的数据都是浅层（0～100 cm）土壤的有机碳储量[30]，并没有考虑深层的土壤有机碳储量，这极大低估了陆地生态系统的碳汇。李建平等[31]指出封育30年的草地，0～100 cm土层土壤有机碳储量占0～500 cm土层的44.8%，与本研究结果（29%～48%）大体一致。随着土层深度加深，土壤有机碳的储量变低[32]，本研究表明，深层（100～1 000 cm）土壤有机碳储量占整个剖面（0～1 000 cm）的比例为73%～84%，表明深层土壤有机碳储量较高，在今后森林生态系统碳汇估算中应当引起足够的重视。

土壤有机碳的储量受土层深度的影响较大，虽然土壤有机碳越到深层含量越低，但是储量大，尤其是在土层较深的地区，土壤有机碳储量还受到深根系乔木灌木等影响，在黄土高原，自20世纪90年代实施退耕还林还草工程以来，植被恢复对生态环境产生极大影响，研究深层土壤有机碳的动态变化以及储量，对准确评估植被恢复碳汇，实现双碳目标具有重要的指导意义。

4 结论

土壤有机碳总体上在0～60 cm上出现急剧下降，在60～1 000 cm变化基本不大。与自然修复的荒草地相比，不同人工造林的植被恢复模式能显著提高在浅层（0～100 cm）的土壤有机碳含量（＜0.05）。在整个0～1 000 cm土层，土壤有机碳含量：小叶杨（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土层土壤有机碳储量占整个土层（0～1 000 cm）的比例为73%～84%，200～1 000 cm土层土壤有机碳储量占整个土层（0～1 000 cm）的比例为45%～72%。因此，在今后评估不同植被恢复的固碳能力的时候，深层土壤有机碳储量不可忽略。

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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”国家重点研发计划课题（2016YFC05017702）资助。

苟清平，博士研究生。E-mail：gqp3160589@126.com

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

[URL] https://kns.cnki.net/kcms2/detail/34.1162.S.20230625.1458.026.html