退耕還林坡地土壤CO2排放的空間變化:地形的控制作用

李小宇， 李 勇， 于寒青， 張迎珍， 過治軍

(1河南師范大學生命科學學院，新鄉(xiāng) 453007； 2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

退耕還林坡地土壤CO2排放的空間變化:地形的控制作用

李小宇1,2， 李 勇2*， 于寒青2， 張迎珍2， 過治軍1

(1河南師范大學生命科學學院，新鄉(xiāng) 453007； 2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

【目的】 退耕還林還草引起地表植被蓋度變化不僅能有效控制坡耕地的土壤侵蝕，而且會顯著增加土壤有機碳儲量。但目前關于退耕坡地人工恢復植被后土壤CO2排放的空間變化及其控制機理卻較少研究，增大了定量估算退耕還林工程土壤碳循環(huán)效應的不確定性。本文以黃土丘陵典型退耕還林坡地為對象，研究了土壤CO2排放的空間變化及其控制機理，為進一步認識黃土高原有機碳庫周轉(zhuǎn)和估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供科學依據(jù)?！痉椒ā繛榱舜_定人工林山坡土壤CO2排放空間變異及其影響因素，將人工林全山坡劃分為峁頂、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部5個坡位，并按照從峁頂?shù)狡孪虏垦仨樒聰嗝婷块g隔10 m確定一個研究小區(qū)，利用點測法測定不同植被類型蓋度，利用原狀根鉆采集土壤剖面樣品用于測定根系密度、土壤有機碳(SOC)含量和137Cs面積含量，并利用LI-8100碳通量自動測量儀原位測定土壤CO2排放速率的季節(jié)變化，同時測定土壤水分和表層土壤5cm深度的溫度，利用相關回歸分析法確定影響土壤CO2排放空間變化的主要因素?！窘Y果】試驗期間，不同坡位土壤CO2排放速率均表現(xiàn)為夏季 > 秋季 > 春季。與春季相比，人工林全山坡土壤CO2排放速率的平均值在夏、秋季分別增加了48%和9%。研究期內(nèi)人工林坡地土壤CO2排放速率在春、夏、秋三個季節(jié)具有相同的空間分異特征，其平均值的大小為峁頂(參考點)[2.51±0.07 μmol/(m2·s)]> 峁坡[2.19±0.17 μmol/(m2·s)]>坡下部[1.88±0.12 μmol/(m2·s)]>坡中部[1.71±0.09 μmol/(m2·s)]> 坡上部[1.62±0.12 μmol/(m2·s)]。與峁頂參考點相比，坡上部和坡中部的137Cs面積含量分別減少了46%和29%；峁坡和坡下部的137Cs面積含量分別增加了88%和52%，這說明研究區(qū)人工林山坡的坡上部發(fā)生了嚴重土壤侵蝕，坡中部發(fā)生了輕度土壤侵蝕，而峁坡和坡下部則發(fā)生了土壤堆積，尤以峁坡的土壤堆積最為顯著。人工林坡地土壤CO2排放的空間變化與地形坡度、137Cs面積含量(土壤侵蝕指標)均呈顯著相關關系(P<0.01)，與土壤水分、土壤溫度和SOC儲量只在夏季有顯著相關(P<0.01)，在其它季節(jié)無顯著相關性；人工林坡地土壤CO2排放的空間變化與植被根系密度無明顯相關性?！窘Y論】地形坡度變化驅(qū)動的土壤侵蝕和堆積過程是控制黃土丘陵區(qū)人工林坡地土壤CO2排放空間分異的主要因子，應在定量評價退耕還林工程的土壤固碳效應時予以考慮。

人工林坡地；土壤CO2排放；137Cs面積含量；土壤侵蝕；地形坡度

土壤呼吸(即土壤CO2排放)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，同時也是陸地植物固定的CO2返回大氣的主要途徑[1]。土壤每年向大氣釋放的CO2為68～80Pg，將近大氣中碳的10%，達到全球化石燃料燃燒CO2釋放量的10倍以上[2]。因此，土壤釋放量的微小變化會對大氣中CO2濃度產(chǎn)生顯著影響。退耕還林還草引起地表植被蓋度變化不僅能有效控制坡耕地的土壤侵蝕，而且會顯著增加土壤有機碳儲量[3-4]，對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡有重要影響[5]。但目前關于退耕坡地人工恢復植被后土壤CO2排放的空間變化及其控制機理卻較少研究，增大了定量估算退耕還林工程土壤碳循環(huán)效應的不確定性。

土壤CO2排放受到諸多環(huán)境因子的綜合影響，如土壤溫度、土壤水分、土壤孔隙度、土壤有機質(zhì)等土壤理化因子[6-7]；此外還受土壤微生物活性[8]、地表凋落物厚度[9]的影響。其中土壤溫度和土壤水分是影響土壤CO2排放的主要因子[10-11]。現(xiàn)有研究結論多是基于平坦地形或同一地貌類型[12]得出的，但愈來愈多的研究表明，地形對土壤CO2排放有重要影響[13-14]，地形可以通過改變土壤水熱條件和土壤有機碳等土壤養(yǎng)分[15-16]來影響土壤CO2排放速率。

黃土高原是全球土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)，長期農(nóng)業(yè)耕作是黃土高原土壤侵蝕的主要原因。已有研究表明，農(nóng)業(yè)侵蝕坡地景觀的土壤CO2排放在侵蝕區(qū)顯著高于堆積區(qū)，土壤侵蝕引起的土壤有機碳再分布控制了土壤CO2排放的空間變化[17-18]。植被是防止土壤侵蝕，保持水土的有效手段，研究表明，農(nóng)地撂荒后裸地土壤呼吸速率有所下降，但還草或者還林后土壤呼吸強度增加近2倍[19]。然而，對于黃土丘陵地區(qū)退耕還林后，土壤CO2排放的空間變化特征的研究則較少。本文以黃土丘陵典型退耕還林坡地為研究對象，研究土壤CO2排放的空間變化及其控制機理，為進一步認識黃土高原有機碳庫周轉(zhuǎn)和估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于黃土高原北部陜西省延安市碾莊流域的羊圈溝小流域(109°31′E，36°42′N)，屬典型的梁峁狀丘陵溝壑區(qū)。海拔1025～1250m，流域面積2.02 km2[4]。屬于暖溫帶半干旱季風氣候，年平均氣溫為9.9℃，年均降水量550mm，70%的降水集中在7～9月[8]。土壤類型為黃綿土，抗蝕性差，水土流失嚴重，植被類型為典型人工林，主要植被為刺槐(BlackLocust)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、杏樹(PrunusarmeniacaL.)以及芒草(StipabungeanaTrin.)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、苜蓿(MedicagosativaLinn)等。

2 試驗設計

2.1 人工林樣地特征

在羊圈溝小流域，選擇了長期監(jiān)測的全山坡景觀，坡長約為250m，1998年前為農(nóng)地，1999年退耕變?yōu)榱值亍８鶕?jù)地形和坡度將該山坡劃分為峁頂(平坦參考點)、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部[4]。研究山坡的坡度和植被類型蓋度分布特征如表1所示。

注(Note): 同列數(shù)值后不同字母表示不同坡位差異達到5%顯著水平 Values followed by different letters at the different slope mean significant at 5% level.

2.2 試驗布設

在選定的人工林山坡，選取3個順坡斷面，每個斷面之間的距離為10～15 m。沿每個順坡斷面，從峁頂?shù)狡碌?250 m)每間隔10 m建立一個研究小區(qū)(1.5 m×1.5 m)，全山坡共建立78個研究小區(qū)。另外在峁頂部平坦部位建立3個研究小區(qū)作為沒有侵蝕或堆積的參考點。

在建立的研究小區(qū)，首先于2012年5月進行不同植被類型蓋度及其根系密度、土壤有機碳(SOC)和137Cs比活度的測定，然后在2012年5～9月和2013年3～11月期間對每個研究小區(qū)內(nèi)不同季節(jié)的土壤CO2排放速率進行監(jiān)測，同時測定土壤水分和表層土壤5cm深度的溫度。為了確定土壤CO2排放速率的空間變異及其影響因素，將人工林全山坡劃分為峁頂、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部5個坡位(表1)。因2013年5月下旬修路穿過峁坡部位，所以本研究在該時間之前的監(jiān)測包括了5個坡位，之后的監(jiān)測不包括峁坡。

2.3 測定項目和方法

植被蓋度的測定: 人工林山坡不同植被類型蓋度的測定在上述研究小區(qū)內(nèi)進行，植被蓋度用點測法[20]確定。

在每個研究小區(qū)內(nèi)用原狀根鉆(直徑8 cm)采集0—30 cm土壤剖面樣品，每個剖面樣品切割為0—15 cm和15—30 cm兩個層次，用于測定土壤137Cs、根系密度與土壤有機碳(SOC)含量。

土壤中根系密度的測定用沖洗法，其步驟為: 先將土樣風干過2 mm篩，挑出土樣中的根系并清洗，用游標卡尺測量根系的直徑，將根系分為<1 mm、1～2 mm、2～5 mm、5～10 mm 和>10 mm 5個徑級，然后烘干(105℃，16～20 h)、稱重[21]，計算土壤中不同徑級的根系密度。

采集的土樣風干,過2 mm篩后分為兩部分，一部分利用HP Ge Gamma譜儀測定137Cs比活度(Bq/kg)，計算土壤137Cs面積含量(Bq/m2)[3]。通過比較研究區(qū)與沒有侵蝕和堆積的參考點的137Cs面積含量，定性評價土壤侵蝕的強度，如果采樣區(qū)的137Cs面積含量小于參考點，說明發(fā)生了土壤侵蝕，反之則發(fā)生了土壤堆積[3]。另一部分土樣利用Multi N/C3000 TOC/TN分析儀測定土壤SOC。土壤容重用環(huán)刀法測定[22]。

土壤中CO2的測定: 當完成上述土壤和植被的調(diào)查和土壤樣品采集后，在每個試驗小區(qū)布設PVC環(huán)，采用 Li-8100開路式土壤碳通量測量儀測定土壤CO2排放速率。其監(jiān)測程序如下: 在測定的前一天, 將直徑為10 cm的PVC環(huán)埋入樣點較為平坦的地段，使PVC環(huán)頂端距離地面2cm，去除環(huán)內(nèi)及周圍地表的草本和凋落物。為了減少擾動性，放置環(huán)24h后再開始測定。在測定CO2釋放的同時，測定5cm深度處的土壤溫度和6 cm深度的土壤水分變化。土壤CO2排放監(jiān)測時間為2012年5～9月和2013年3～11月，每月的中、下旬測定1～2次。每次監(jiān)測在當天的上午9: 00～11: 00點完成，作為當日的土壤CO2排放速率均值[23]。2013年7月份因研究地區(qū)發(fā)生強暴雨事件，沒有進行土壤CO2、土壤水分和溫度的監(jiān)測。

2.4 數(shù)據(jù)分析

土壤有機碳儲量SOCi(t/hm2)的計算公式如下:

SOCi=CiDiEi/10

(1)

式中,i為研究的土層；Ci為土壤有機碳濃度(g/kg)；Di為土壤容重(g/cm3)；Ei為土層深度(cm)；10為換算系數(shù)。若某一剖面有k層組成，那么該剖面的有機碳儲量SOCstock的計算公式為:

(2)

研究山坡不同坡位的土壤CO2排放速率、植被根系和土壤參數(shù)的空間分布用平均值表示，為該坡位所有觀測區(qū)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術平均值，土壤CO2排放速率、土壤水分和土壤溫度的季節(jié)變化劃分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)和秋季(9～11月)，其季節(jié)土壤CO2排放速率值為不同觀測季節(jié)的算術平均值。

數(shù)據(jù)處理和制圖在Excel 2013中完成。土壤CO2排放速率與地形坡度、137Cs面積含量、土壤有機碳儲量、土壤水分、溫度、植被根系參數(shù)的相關性分析及這些參數(shù)在不同坡位之間的差異性分析(ANOVA)利用SPSS19.0軟件完成。

3 結果與分析

3.1 不同季節(jié)土壤CO2排放的空間分布特征

在試驗期間，不同坡位的土壤CO2排放速率均表現(xiàn)為夏季 > 秋季 > 春季(圖1)。與春季相比，人工林全山坡土壤CO2的平均值在夏、秋季分別增加了48%和9%。不同坡位的土壤CO2排放速率在不同季節(jié)的變化均為峁頂參考點[2.51±0.07 μmol/(m2·s)]>峁坡[2.19±0.17 μmol/(m2·s)]>坡下部[1.88±0.12 μmol/(m2·s)]>坡中部[1.71±0.09 μmol/(m2·s)]>坡上部[1.62±0.12 μmol/(m2·s)]。與峁頂參考點比較，不同季節(jié)土壤CO2排放的平均值在峁坡、坡上部、坡中部和坡下部分別降低了13%、36%、32%和25%。在春季和夏季，峁頂土壤CO2的排放速率顯著大于峁坡、坡上部、坡中部和坡下部四個坡位，但這四個坡位之間的土壤CO2排放速率無顯著差異(P>0.05)(圖1)。而在秋季，與峁頂和峁坡比較，坡上部和坡中部的土壤CO2排放速率顯著減小。[注(Note): 柱上不同字母表示不同坡位差異達到5%顯著水平 Different letters above the bars at the different slope mean significant at 5% level.]

3.2 土壤溫度和土壤水分的空間變化

觀測期間，人工林坡地土壤溫度和水分變化具有明顯的季節(jié)性分布特征，土壤溫度為夏季>春季>秋季(圖2A)，而土壤水分的變化與降水量基本一致(圖3)。2012年7月份出現(xiàn)降水量和土壤水分發(fā)生的較大差異可能由于較大的暴雨產(chǎn)生徑流導致土壤蓄水能力減弱，而在2013年10月、11月發(fā)生的降水量與土壤水分不一致現(xiàn)象，可能是由于該時段降雨量雖小，但土壤的蒸發(fā)量顯著降低，從而表現(xiàn)為該時期的土壤含水量相對較高。

人工林坡地不同坡位土壤溫度的分布特征如圖2A所示。結果表明，土壤溫度的空間變化表現(xiàn)為從峁頂沿順坡方向到坡下部逐漸減小，這種減小的趨勢在春季最為明顯，夏季和秋季較小。3個季節(jié)中峁頂和峁坡均顯著大于坡中部和坡下部， 而坡上部與坡中部和坡下部的差異在3個季節(jié)中則不一致。對比土壤水分的空間變化(圖2B)，在春季和秋季坡上部的土壤水分顯著大于坡下部(P<0.05)，并且在秋季峁頂、峁坡顯著大于坡中部和坡下部，而夏季不同坡位的土壤水分含量則無明顯差異。

[注(Note): 柱上不同字母表示不同坡位差異達到5%顯著水平Different letters above the bars at the different slope mean significant at 5% level.]

3.3137Cs和土壤有機碳(SOC)儲量的空間變化

研究人工林山坡不同坡位137Cs面積含量與峁頂(參考點)之間的差異可以定性評價該山坡土壤侵蝕堆積的空間變化。與峁頂參考點相比，坡上部和坡中部的137Cs面積含量分別減少了46%和29%；峁坡和坡下部的137Cs面積含量分別增加了88%和52%(表2)。說明所研究山坡的坡上部發(fā)生了嚴重的土壤侵蝕，坡中部發(fā)生了輕度土壤侵蝕，而峁坡和坡下部則發(fā)生了土壤堆積，尤以峁坡的土壤堆積最為顯著。

與137Cs的空間變化不同，SOC儲量的空間分布在不同坡位之間除坡上部外，其余坡位之間無顯著差異(表2)。SOC儲量在峁頂部最小，坡上部最大。與峁頂部比較，峁坡、坡上部、坡中部和坡下部的SOC儲量分別增加了21%、39%、13%和7% (表2)。

注(Note): 同一列不同字母表示不同坡位差異達到5%顯著差異 Values followed by different letters at the different slope mean significant at 5% level.

3.4 植被根系的空間分布特征

分析人工林植被不同徑級的根系的空間變化，發(fā)現(xiàn)<1 mm的根系密度沿順坡方向呈明顯下降趨勢(圖4)。峁頂和峁坡的<1 mm根系密度最高(44.79±8.07 g/m2和39.36±1.44 g/m2)，分別是坡上部、坡中部、坡下部的1.70、1.60、1.73倍和1.49、1.40、1.53倍，<1 mm的根系密度分別占峁頂、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部全部根系密度的59%、 53%、22%、32%和33%。雖然其余四個徑級的根系密度在不同坡位之間沒有顯著差異(P>0.05)，但2～5 mm、 5～10 mm和>10 mm三個徑級的粗根在坡上部相對于其它坡位所占的比重較大(圖4)。

[注(Note): 柱上不同字母表示不同坡位差異達到5%顯著水平 Different letters above the bars at the different slope mean significant at 5% level.]

3.5 影響土壤CO2排放空間變化的因素

為了確定影響人工林坡地土壤CO2排放速率的空間變化因素，分析了其與土壤水溫條件、土壤有機碳(SOC)儲量、植被根系參數(shù)、坡度、侵蝕等參數(shù)的相關性(表3)。發(fā)現(xiàn)在同一坡位，不同季節(jié)土壤CO2排放速率隨土壤溫度的增加呈指數(shù)函數(shù)增加(P<0.01)，與土壤水分呈顯著線性正相關(P<0.05)。但土壤CO2排放速率的空間變化僅在夏季與土壤溫度呈極顯著正相關(P<0.01)，與土壤水分呈極顯著負相關(P<0.01)，而在春、秋季與土壤溫度和土壤水分無顯著相關性(表3)；SOC儲量的空間變異對土壤CO2排放速率的影響與土壤水分的作用類似，即在夏季與土壤CO2排放速率呈顯著負相關(P<0.05)，在春、秋季無顯著相關性。植被根系密度的空間變化與土壤CO2排放速率的空間變化無明顯相關性。

與土壤水溫條件、土壤SOC儲量和植被根系參數(shù)不同，人工林坡地形態(tài)和侵蝕參數(shù)的空間變化與土壤CO2排放速率的空間變異在試驗期間均呈極顯著相關性，即與坡度呈負相關(P<0.01),與137Cs面積含量呈正相關(P<0.01)。

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)人工林坡地土壤CO2的季節(jié)性排放速率具有明顯的空間分異特征，均為峁頂(參考點) > 峁坡 > 坡下部 > 坡中部 > 坡上部。人工林坡地土壤CO2排放速率在不同坡位的空間變化與地形坡度和侵蝕參數(shù)的量值大小呈極顯著相關性(P<0.01)，坡上部到坡中部侵蝕區(qū)土壤CO2排放速率小于堆積區(qū)(峁坡、坡下部)，這一結果與Li等[17]在黃土丘陵區(qū)侵蝕坡耕地和Fiener等[18]研究德國農(nóng)業(yè)小流域的研究結果相一致。這進一步證明，土壤CO2排放速率與坡度、土壤侵蝕程度呈負相關關系[14, 24]，土壤侵蝕會顯著導致土壤CO2排放減小，土壤堆積導致土壤CO2排放增大。但是本研究發(fā)現(xiàn)，在無侵蝕無堆積的峁頂部的土壤CO2排放速率顯著大于堆積區(qū)，這是因為峁頂草類植被<1mm徑級的細根密度顯著大于堆積區(qū)，另外在該部位接受日光照射強度明顯大于人工林覆蓋的堆積區(qū)，土壤溫度較高，促進了土壤的呼吸強度。

注(Note): *，**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

周正朝等[6]認為，人工林地土壤CO2排放速率與土壤有機碳(SOC)含量呈正相關關系，但本研究結果表明，土壤CO2排放速率與0—30 cm 的SOC儲量無明顯相關性，二者結果不一致。這可能是因為黃土陡坡地形，盡管坡上部和坡中部SOC儲量大于坡下部，但由于水蝕(面蝕)過程的分選作用導致土壤表層細顆粒物質(zhì)(活性有機質(zhì))流失，降低了土壤呼吸作用，而來自于上部侵蝕區(qū)的細顆粒物質(zhì)堆積在坡下部，對該區(qū)“土壤呼吸” 產(chǎn)生激發(fā)效應，因而堆積區(qū)土壤CO2排放速率增大。Daniel等[13]通過對法國熱帶雨林的土壤CO2排放速率與植被根系相關性的研究指出，二者呈顯著正相關關系，這與峁頂部土壤植被細根密度與土壤CO2排放速率呈正相關關系的研究結果相一致。但從全山坡景觀看，土壤呼吸排放速率的空間變化并不與植被根系密度的變化相一致。一般認為，土壤溫度和土壤水分是影響CO2排放季節(jié)變化的重要因素，土壤溫度與CO2排放呈顯著的指數(shù)關系，土壤水分與CO2排放呈線性正相關[6, 11]，這與本研究的土壤CO2排放與溫度、水分的季節(jié)性變化顯著相關是一致的。但是，本研究揭示的人工林坡地土壤CO2排放與土壤水分和溫度沒有明顯的空間相關性。例如，人工林全山坡土壤CO2排放的空間變異只在夏季與水分和溫度的空間變異呈顯著相關，而在其他季節(jié)無顯著相關性。

顯然，退耕還林植被的土壤CO2排放速率的空間變異不僅僅取決于植被對土壤水溫條件的作用過程，而更為重要的是受地形坡度變化驅(qū)動的土壤侵蝕再分布過程的影響，是土壤水文生態(tài)過程與坡面侵蝕生態(tài)過程共同作用的結果。例如，本研究顯示，雖然土壤溫度和土壤水分變化對土壤CO2的季節(jié)排放有重要影響，但土壤CO2排放的空間差異則主要受地形坡度及其驅(qū)動的土壤侵蝕和堆積過程的控制。

5 結論

本研究結果表明，人工林坡地土壤CO2的季節(jié)性排放速率具有明顯的空間變異特征，均為峁頂參考點 > 峁坡 > 坡下部 > 坡中部 > 坡上部。土壤CO2排放速率在不同坡位的大小與人工林坡地地形和侵蝕參數(shù)的量值大小在不同季節(jié)中均呈現(xiàn)極顯著相關性(P<0.01)；與土壤有機碳儲量、土壤水分和土壤溫度只在夏季有顯著相關(P<0.01)，在其他季節(jié)無顯著相關性；與植被根系密度無明顯相關性。綜上，黃土丘陵人工林坡地土壤CO2排放速率的空間分布主要受地形坡度和土壤侵蝕再分布過程的控制。

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Spatial changes in soil CO2emission from re-forested hillslopes on the Loess Plateau: a geomorphic control

LI Xiao-yu1,2, LI Yong2*, YU Han-qing2, ZHANG Ying-zhen2, GUO Zhi-jun1

(1CollegeofLifeSciences,HenanNormalUniversity,Xinxiang453007,China； 2InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

【Objectives】Changes in vegetation as a result of converting cultivated land into forested areas are known to effectively prevent the soil erosion as well as significantly increase the soil organic carbon storage in these regions. However, the spatial change of soil CO2emission and its control mechanism are poorly understood and can thus lead to further uncertainties in the quantitative estimations of soil carbon sequestration in these reforested areas. A typical re-forested hillslope was selected in order to investigate the spatial variation of soil CO2emissions and its control mechanism in the Loess Plateau. This study aims to provide a scientific basis for further understanding the Loess Plateau organic carbon turnover and improve methods for estimating the carbon balance of terrestrial ecosystems.【Methods】In order to determine tempo-spatial dynamics of soil CO2emission of sloping cultivated land and its influencing factors, the re-forested hillslope(250 m total length)was divided into 5 sections-hilltop, shoulder, upper, middle and lower slope-and each section analyzed. The point method was used to estimate the vegetation coverage of all study plots selected at intervals of 10 meters along the entire slope. Soil samples were collected by drill and root density, soil organic carbon(SOC)content and137Cs inventory were analyzed.Insitusoil CO2emission was monitored by LI-8100 carbon flux automatic systems on a monthly basis, and soil water content and soil temperature(at a depth of 5cm)were also measured. Correlation and regression analysis was applied to determine the main factors that affect spatial soil CO2emissions.【Results】 The results show that the temporal dynamics of soil CO2emission rates at different slope positions during the data collection period was highest in the summer, followed by autumn, with spring having the lowest observed soil CO2emission rates. When calculating the average value of soil CO2emission rates across the whole hillslope, emission rates for summer and autumn were found to be higher by 48% and 9%, respectively, when compared to spring. The spatial patterns of soil CO2emission rates were found to be similar across spring, summer and autumn and the average emission rate of the three seasons was found to decrease as follows across the slope: hilltop(reference)[2.51±0.07 μmol/(m2·s)]> shoulder[2.19±0.17 μmol/(m2·s)]> lower[1.88±0.12 μmol/(m2·s)]> middle[1.71±0.09 μmol/(m2·s)]> upper[1.62±0.12 μmol/(m2·s)]. Using the hilltop as a reference, the137Cs inventory in the upper and middle hillslope was lower by 46% and 29%, respectively; however137Cs inventory calculated at the shoulder and lower region of the hillslope was 88% and 52% higher than the reference. These results indicate that there was serious soil erosion at the upper section of the hillslope with lighter soil erosion at the middle section. Furthermore, soil accumulation occurred at both the shoulder and lower sections, with more significant accumulation occurring at the shoulder. We found that soil CO2emission rates significantly correlated with the slope gradient(P<0.01)and137Cs inventory(P<0.01)during the data collection period. Interestingly, only in summer did the soil CO2emission rates have significant correlation with soil moisture, soil temperature and SOC stock(P<0.01). No significant relationship was found between soil CO2emission and root density.【Conclusions】These results suggested that soil erosion and deposition processes induced by the change of topographic slope are the main factors controlling the spatial variation of soil CO2emission rate on the Loess plateau ecological forest slopes. These factors should thus be taken into consideration in the quantitative evaluation of the effectiveness of soil carbon sequestration by the Grain to Green Project.

ecological forest hillslope; soil CO2emission;137Cs inventory; soil erosion; topographic slope.

2014-12-30 接受日期: 2015-04-27 網(wǎng)絡出版日期: 2015-05-26

國家自然科學基金項目(41171231)資助。

李小宇(1990—),女，河南永城人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與碳循環(huán)研究。E-mail: yu_ping2012@yeah.net *通信作者E-mail: liyong@caas.cn

S157；S153.6+.1

A

1008-505X(2015)05-1217-08