黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)的土壤碳水效應(yīng)

馮 棋,楊 磊,王 晶,石學(xué)圓,汪亞峰

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875 4 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,北京 100101

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是地表過(guò)程的重要紐帶[1,2]。尤其在干旱、半干旱的黃土丘陵區(qū),氣候干旱、降水稀少且地下水埋藏深,土壤水分是維持生態(tài)系統(tǒng)的直接水分來(lái)源,是這一地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵制約因子[3-4]。近20年來(lái),黃土高原大規(guī)模植被恢復(fù)使得人工植被成為主要的植被類型[5-6]。大規(guī)模植被恢復(fù)雖有效促進(jìn)了黃土高原的脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù),提升了土壤保持、固碳等諸多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),但植被生長(zhǎng)的同時(shí)也大量消耗了土壤水分,導(dǎo)致土壤干燥化,威脅生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[7]。土壤水源涵養(yǎng)與固碳作為重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),明確其對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)特征是黃土高原重要的研究議題[8]。

植被類型和生長(zhǎng)年限均能影響土壤水分消耗與土壤固碳功能[9-10],并且土壤水分利用是植被恢復(fù)與固碳的必要條件,高效的碳同化與積累又有助于水分利用效率的提高[11-12],因此干旱、半干旱區(qū)的土壤水源涵養(yǎng)與固碳功能存在緊密的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。例如,Jia等[13]分析了陜北黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)后多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系,發(fā)現(xiàn)植被生長(zhǎng)增加了生態(tài)系統(tǒng)碳固定卻降低了水的可用性。Lv等[8]研究黃土高原400—650 mm降雨梯度下大規(guī)模植被恢復(fù)后多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化同樣發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳與總氮的增加以過(guò)度消耗土壤水分為代價(jià)。明確不同植被恢復(fù)類型以及不同生長(zhǎng)階段中土壤水源涵養(yǎng)和固碳兩種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的響應(yīng)特征,對(duì)提升植被恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要的科學(xué)意義。另一方面,黃土丘陵區(qū)黃土覆蓋深厚,人工植被根系較深,深層土壤的水分利用與固碳作用成為這一地區(qū)特殊的生態(tài)過(guò)程[14-15],深層土壤水分是該地區(qū)人工植被的重要水源,深層土壤有機(jī)碳也是黃土高原土壤碳庫(kù)的重要組成部分。然而,目前的研究多集中于淺層土壤剖面或針對(duì)單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的探討[9,16],或集中于土壤碳與氮對(duì)植被類型與生長(zhǎng)年限響應(yīng)的研究[9,17- 19],關(guān)于深層土壤有機(jī)碳與土壤水分對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)及二者相互關(guān)系的研究較少。系統(tǒng)研究不同植被恢復(fù)方式及生長(zhǎng)年限對(duì)土壤水分和有機(jī)碳的影響,闡明深層土壤水源涵養(yǎng)與固碳的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,有利于合理的植被恢復(fù)類型選擇與配置,維持植被恢復(fù)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。

本研究以陜北典型黃土丘陵小流域?yàn)槔?選取不同生長(zhǎng)年限(0—37a)下的典型喬木、灌木和草本植被,以農(nóng)田為參照,對(duì)比分析不同植被恢復(fù)年限下土壤水分和有機(jī)碳的響應(yīng)特征及二者關(guān)系,以期為黃土高原植被恢復(fù)可持續(xù)性維持和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣大南溝小流域(36°54′—36°56′N,109°16′— 109°18′E),流域海拔1075—1350 m,面積3.46 km2。多年平均降雨量549 mm,其中75%的降雨集中在6—9月間,年際變率達(dá)74.5 %。多年平均氣溫9℃,1月平均氣溫-8℃,7月平均氣溫22℃,年大于10℃積溫約為3170℃。流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū),地表切割破碎,沖、切溝發(fā)育,土壤類型主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土,粉粒占64%—73%,粘粒占17%—20%。土質(zhì)疏松,抗侵蝕性差。流域經(jīng)過(guò)多年的人工植被恢復(fù),現(xiàn)主要土地利用有刺槐喬木林地、檸條灌木林地、撂荒地、天然荒草地、蘋(píng)果園地、梯田耕地和農(nóng)村居民點(diǎn),其中刺槐、檸條、沙棘等為人工植被恢復(fù)恢復(fù)類型。

1.2 研究方法

1.2.1采樣點(diǎn)布設(shè)和樣品采集

于2017年8月在流域內(nèi)綜合考慮地形、植被類型、生長(zhǎng)年限等因素,選取具有不同植被類型及恢復(fù)年限且地形條件較為一致的34個(gè)固定樣地(表1),各樣地地形、土壤等環(huán)境因子基本一致。選取1個(gè)長(zhǎng)期耕作的農(nóng)田作為對(duì)照,研究不同植被恢復(fù)類型及生長(zhǎng)年限對(duì)土壤水分和有機(jī)碳的影響。使用羅盤(pán)測(cè)定每個(gè)樣地的坡度和坡向信息,使用GPS測(cè)定各樣地海拔高度,坡向原始記錄以朝北為起點(diǎn)0°,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度表示。坡度(°)與海拔(m)以實(shí)際觀測(cè)值表示。

采用輕型人力鉆在每個(gè)樣地鉆取0—5 m深度的土壤樣品,以20 cm為間隔取樣。土壤樣品一部分裝入鋁盒后封裝,在105℃下烘干12 h測(cè)定其重力土壤含水量;另一部分裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,過(guò)篩后采用重鉻酸鉀法測(cè)量有機(jī)碳含量。

1.2.2數(shù)據(jù)分析方法

(1)土壤水分含量采用烘干法(105℃)測(cè)定。

(2)土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon, SOC)含量測(cè)定取土壤樣品過(guò)0.15 mm篩后,采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法進(jìn)行測(cè)定。

(3)土壤水分虧缺效應(yīng)(Soil moisture deficit, SMD)用于評(píng)估不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤水源涵養(yǎng)的影響。

式中,SMDj,k為k層j植被恢復(fù)方式下土壤水分虧缺效應(yīng),SMCj,k為k層j植被恢復(fù)方式下土壤水分含量(%),SMC0,k為對(duì)照農(nóng)田k層土壤水分含量(%)。

(4)土壤固碳效應(yīng)(Soil carbon sequestration, SCS)用于評(píng)估不同植被恢復(fù)方式的土壤固碳能力。

式中,SCSj,k為k層j植被恢復(fù)方式下土壤固碳效應(yīng),SCSj,k為k層j植被恢復(fù)方式下土壤有機(jī)碳含量(g/kg),SMC0,k為對(duì)照農(nóng)田k層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)。

1.2.3統(tǒng)計(jì)分析方法

采用描述性統(tǒng)計(jì)分析不同植被恢復(fù)年限與不同恢復(fù)方式下土壤水分、有機(jī)碳分布與變化情況,并采用單因素方差分析、多重比較、回歸分析,研究不同植被恢復(fù)方式在植被恢復(fù)過(guò)程中水碳變化的差異性(P<0.05)。各類分析通過(guò)Origin 9.1完成。

表1 不同植被類型與生長(zhǎng)年限樣地統(tǒng)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)

由圖1可知,不同恢復(fù)年限的林地、灌木、草地土壤水分均低于未進(jìn)行植被恢復(fù)的農(nóng)田,草地、林地、灌木0—5 m平均土壤水分含量依次降低,分別為8.30%、6.42%、5.54%。將植被恢復(fù)年限劃分為小于10a、10—20a、21—30a與大于31a四個(gè)階段,除第1階段外,第2、3、4階段間土壤水分含量差異較小,且隨退耕年限增加,土壤水分含量減少。由圖2可知,進(jìn)行植被恢復(fù)的樣地在不同土壤深度內(nèi)均出現(xiàn)土壤水分虧缺,且水分虧缺均在2—3 m土層最為嚴(yán)重,表層0—1 m土壤水分虧缺最小。在0—5 m土壤剖面內(nèi),林地土壤水分虧缺在恢復(fù)至21—30a時(shí)高于前一階段(11—20a),隨后虧缺狀況在大于31a后得到緩解。灌木土壤水分虧缺總體呈逐漸增加趨勢(shì),并在大于31a顯著增加。草地土壤水虧缺在0—5 m土層隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)顯著增加,但顯著低于林地、灌木。當(dāng)植被恢復(fù)至10—20a時(shí),灌木土壤水分虧缺高于林地,SMD分別為-0.70、-0.67;在恢復(fù)至21—30a時(shí),林地土壤水分虧缺高于灌木、草地,SMD分別為-0.73、-0.70、-0.66。在恢復(fù)年限大于31a后,灌木水分虧缺高于林地,SMD分別為-0.75與-0.59。

圖1 不同植被恢復(fù)方式年限下土壤水分垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of soil moisture content in different vegetation types and restoration ages

圖2 不同植被恢復(fù)方式與恢復(fù)年限下土壤水分虧缺效應(yīng)Fig.2 Soil moisture deficit in different vegetation types and restoration ages大寫(xiě)字母表示不同植被同一恢復(fù)年限間SMD的顯著性差異,小寫(xiě)字母代表同一植被不同恢復(fù)年限間SMD的顯著性差異,如有一個(gè)字母相同表示差異不顯著(P<0.05,LSD)

2.2 土壤有機(jī)碳對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)

由圖3可知,林地0—5 m平均土壤有機(jī)碳含量高于灌木、草地,分別為1.97、1.77、1.72 g/kg。從時(shí)間分布來(lái)看,對(duì)照農(nóng)田與10a、10—20a、21—30a、31a土壤有機(jī)碳含量分別為2.11、2.07、1.81、1.88、1.82 g/kg。不同土壤剖面土壤有機(jī)碳含量隨植被恢復(fù)年限增加呈不同變化趨勢(shì),在0—1 m、3—4 m土壤剖面,隨植被恢復(fù)年限增加土壤有機(jī)碳含量變化不顯著。在1—2 m、2—3 m土壤剖面,隨植被恢復(fù)年限增加,土壤有機(jī)碳含量波動(dòng)遞減,在4—5 m土壤剖面,植被恢復(fù)后平均土壤有機(jī)碳含量高于對(duì)照農(nóng)田。

由圖4可知,三種植被恢復(fù)方式下土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)相似,在1—3 m土壤剖面固碳量為負(fù),林地、灌木、草地2—3 m SCS分別為-0.25、-0.22、-0.32。林地0—1 m、3—4 m土壤剖面內(nèi)固碳量隨植被恢復(fù)年限增加而增加,在1—3 m、4—5 m土壤剖面內(nèi)呈先增加后減少趨勢(shì),但在0—5 m土壤剖面內(nèi)隨恢復(fù)年限增加固碳量增加,SCS分別為-0.14、0.04、0.07。灌木固碳量隨植被恢復(fù)年限先增加后減少,第2、3、4恢復(fù)階段SCS分別為-0.09、-0.05、-0.27;草地固碳量隨植被恢復(fù)年限增加而減少,第1、3恢復(fù)階段SCS分別為0.02、-0.23。植被生長(zhǎng)11—20 a時(shí),林地土壤固碳量低于灌木,在生長(zhǎng)至21—30a時(shí),林地土壤固碳量則高于灌木與草地。

圖3 不同植被恢復(fù)方式與恢復(fù)年限下土壤有機(jī)碳垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution of soil organic carbon in various vegetation types and restoration ages

圖4 不同植被恢復(fù)方式與恢復(fù)年限下土壤固碳效應(yīng)Fig.4 Soil carbon sequestration effect in different vegetation types and restoration ages大寫(xiě)字母表示不同植被同一恢復(fù)年限間SCS顯著性差異,小寫(xiě)字母代表同一植被恢復(fù)方式不同恢復(fù)年限間SCS顯著性差異,如有一個(gè)字母相同表示差異不顯著(P<0.05,LSD)

2.3 土壤水分/有機(jī)碳與植被恢復(fù)年限的關(guān)系

圖5展示了土壤水分、有機(jī)碳同植被恢復(fù)年限的關(guān)系。在0—5 m土層內(nèi),隨植被恢復(fù)年限增加,土壤水分均呈遞減趨勢(shì),其中2—5 m土層顯著遞減。隨植被恢復(fù)年限增加,土壤有機(jī)碳在0—1 m、3—4 m土壤剖面增加,而在1—3 m有所減少,但土壤有機(jī)碳變化在各層土壤中均不顯著。由圖6可知,土壤水分與有機(jī)碳在1—2 m與3—5 m土層存在顯著的相互作用,土壤碳的增加分別為土壤水分增加的0.384、0.835、0.549倍(土壤有機(jī)碳與水分單位均為%的條件下)。

圖5 不同植被恢復(fù)方式土壤水分/有機(jī)碳與恢復(fù)年限關(guān)系Fig.5 Relationship between soil moisture/SOC content and restoration ages at each soil layer

圖6 不同深度土壤水分與土壤有機(jī)碳的關(guān)系Fig.6 Relationship of soil moisture and SOC content in different soil layers

3 討論

3.1 植被恢復(fù)對(duì)深層土壤水分的影響

植被主要通過(guò)根系的吸收、利用以及冠層截留對(duì)土壤水分產(chǎn)生影響[20]。不同植被恢復(fù)方式與恢復(fù)年限顯著影響水文過(guò)程,尤其是滲透與蒸散發(fā),從而導(dǎo)致土壤水分含量的時(shí)空異質(zhì)性[21-22]。黃土高原諸多研究表明農(nóng)田與草地土壤水分要高于林地[6,22- 24]。本研究中,不同植被恢復(fù)方式下土壤水分依次為農(nóng)田>草地>林地>灌木。耗水性喬灌木根系雖主要分布于0—2 m土層,但主根隨恢復(fù)年限的增加不斷下伸,成熟主根一般深達(dá)3—6 m,最大可達(dá)8 m以下土層,強(qiáng)烈消耗深層土壤水分[25]。農(nóng)田受人為耕作活動(dòng)影響,表層土壤疏松且坡度平緩有利于降水入滲,且農(nóng)田內(nèi)多為淺根系作物,深層根系活動(dòng)較少,因而在0—5 m土壤剖面內(nèi)水分含量較高。草地為退耕地,主要為自然演替的草本植物,與農(nóng)田土壤理化性質(zhì)相似[22],恢復(fù)前水分條件較好,且植物根系主要集中于2 m以內(nèi),對(duì)土壤水分的消耗相對(duì)較少[26]。

在干旱半干旱地區(qū),植被生長(zhǎng)強(qiáng)烈依賴土壤水分。Chen等[27]研究了土地利用與土壤水分動(dòng)態(tài)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤水分消耗主要在生長(zhǎng)季,雨季降水并不能完全補(bǔ)充土壤水分消耗。本研究中,不同植被恢復(fù)方式均發(fā)生土壤水分虧缺,且水分虧缺在表層0—1 m最低,2—3 m最高,這是因?yàn)椴煌疃韧寥缹?duì)水分消耗的驅(qū)動(dòng)力存在差異,表層土壤水分消耗主要受植被蒸騰與土壤蒸發(fā)兩個(gè)水文過(guò)程影響,并且降水可補(bǔ)充表層水分的散失。2 m以下土壤水分受降水與土壤蒸發(fā)的影響弱而主要受植被根系的影響[28],因降水難以補(bǔ)充加上植物根系耗水而出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象。對(duì)于不同恢復(fù)方式,林地土壤水分虧缺在恢復(fù)至21—30a時(shí)顯著高于前一階段(11—20a),而在31a后土壤水分開(kāi)始恢復(fù)。灌木、草地土壤水分虧缺隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)不斷增加。從心海等[29]研究表明不同林齡吸水層深度不同,恢復(fù)5—6a林地吸水層達(dá)3.5 m,8a可達(dá)5 m,即恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng),耗水越強(qiáng)。而馬祥華等[30]、李婧等[31]人的研究表明在植被恢復(fù)后期,人工林地土壤水分開(kāi)始有所恢復(fù)。

3.2 植被恢復(fù)對(duì)深層土壤有機(jī)碳的影響

本研究中不同植被恢復(fù)方式下,0—5 m土壤有機(jī)碳含量依次為林地>灌木>草地。林地根系發(fā)達(dá),表層凋落物較多,有機(jī)碳的輸入會(huì)促進(jìn)團(tuán)聚體形成[32-33]。此外退耕還林降低土壤侵蝕速率,減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的流失[34],并且較少的人為擾動(dòng)也減少了土壤團(tuán)聚體的分解,加強(qiáng)了對(duì)土壤碳庫(kù)的保護(hù)[35]。Dungait等[36]研究表明退耕還林中土壤有機(jī)質(zhì)的輸入可以通過(guò)形成酶腐殖質(zhì)絡(luò)合物,抑制碳分解酶在土壤中的活動(dòng)從而降低有機(jī)碳的分解。草地光合產(chǎn)物主要分配于地下部分,根系是土壤有機(jī)碳輸入的主要形式,而由于草地植被稀疏,根系較淺,根生物量較低,尤其是深層土壤中根系更少,因此土壤有機(jī)碳含量較低[37]。

植被恢復(fù)可以導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量的變化,碳流入與流出的平衡會(huì)因土地利用類型的變化而改變,這個(gè)過(guò)程中土壤作為碳源或是碳匯依賴于碳流入與流出的比例[38]。諸多研究表明[39]植被恢復(fù)后土壤有機(jī)質(zhì)含量在恢復(fù)初期有所降低,之后恢復(fù)至退耕前水平,此后出現(xiàn)凈增長(zhǎng)。這可能因土壤碳的激發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致,即新的易分解有機(jī)質(zhì)的輸入可刺激在土壤中存在時(shí)間較長(zhǎng)的有機(jī)質(zhì)的分解[40-41]。本研究中,林地土壤有機(jī)碳在植被恢復(fù)20年后有所增加,同樣反映了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解與累積過(guò)程。受耕作和施肥影響,耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高,這也為植被恢復(fù)初期植物的生長(zhǎng)提供了有利條件,但隨著植被生長(zhǎng)的不斷消耗,土壤有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)一個(gè)降低的過(guò)程。植被的根系分泌物和殘落物是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源,隨著恢復(fù)過(guò)程中植被的生長(zhǎng)和群落的演替,凋落物和死亡根系逐漸增多,有機(jī)質(zhì)含量得以恢復(fù)和累積。Deng等[9]在黃土高原安塞縣的研究表明隨植被恢復(fù)年限的增加,0—1 m土壤固碳量增加,且表層10 cm固碳量最高,表明土壤表層仍是有機(jī)碳存儲(chǔ)的關(guān)鍵層次。本研究中,1—3 m內(nèi)土壤有機(jī)碳隨植被恢復(fù)年限增加反而有所減少,表明不同深度土壤有機(jī)碳對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)有所不同。同時(shí)1—3 m也是土壤水分降低最為顯著的層次,表明深層土壤干化也限制了土壤對(duì)有機(jī)碳的固定,這可能與活性細(xì)根在缺水層分布減少有關(guān)[29],由于植物細(xì)根對(duì)土壤碳的貢獻(xiàn)大于植物地上部分[42],因而深層土壤水分的過(guò)度消耗也相應(yīng)限制了深層土壤有機(jī)碳的固定。

本研究中,恢復(fù)大于30a灌木樣地主要為檸條,灌木固碳量隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)先增加隨后降低。曲衛(wèi)東等[43]和崔靜等[44]研究發(fā)現(xiàn)檸條土壤有機(jī)碳含量在恢復(fù)至40a時(shí)開(kāi)始降低,這主要與檸條老化,生長(zhǎng)不良有關(guān)。本研究中灌木樣地土壤有機(jī)碳的降低可能也與檸條林地老化有關(guān)。本研究中,草地固碳量隨退耕年限增加呈下降趨勢(shì)并且低于對(duì)照農(nóng)田,這與黨珍珍等[45]的研究結(jié)果一致?；謴?fù)早期草地群落不同物種間的競(jìng)爭(zhēng)以及對(duì)土壤養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)較為激烈,使草地植被蓋度下降,物種多樣性減少。并且棄耕前期植被覆蓋度低,土壤侵蝕嚴(yán)重,土壤有機(jī)質(zhì)被遷移至下層或下坡位,土壤有機(jī)碳減少[45]。Potter等[46]研究表明農(nóng)田恢復(fù)為草地后需大約100a土壤碳儲(chǔ)才可恢復(fù)至棄耕前水平,表明草地的土壤碳增匯需要較長(zhǎng)過(guò)程。

3.3 深層土壤水分/有機(jī)碳與植被恢復(fù)的關(guān)系

從本研究可以看到,表層0—1 m土壤水分因降水補(bǔ)給隨恢復(fù)年限增加變化不顯著,而深層土壤水分隨恢復(fù)年限增加顯著降低,表明隨恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng),植物耗水量隨之增加。土壤有機(jī)碳在0—1 m、3—4 m土壤剖面隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)而增加,而在1—3 m有所減少,但土壤有機(jī)碳變化在各層土壤中均不顯著。這主要是因?yàn)榭刂朴袡C(jī)碳輸入、積累、分解的過(guò)程較為復(fù)雜,地上枯落物、地上地下物質(zhì)分配、根系深度與生物量、土壤水分與微生物活動(dòng)都對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的輸入速率與質(zhì)量產(chǎn)生影響[47]。水分不足是黃土高原植被恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的首要限制因素[48]。在降水不足的干旱、半干旱區(qū),土壤水分的有效利用對(duì)于植被的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用[49],碳的同化和積累也離不開(kāi)水的參與,因此土壤水分的保持與土壤碳的固定并不是彼此孤立的兩個(gè)過(guò)程[11]。對(duì)于黃土高原土壤水分利用與固碳的以往研究集中于表層土壤[8],或在較大尺度上研究蒸散與初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系[50],從而得出土壤水源涵養(yǎng)與固碳間的權(quán)衡關(guān)系。而本研究發(fā)現(xiàn)在深層土壤中,土壤水分與有機(jī)碳呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性(圖6),且土壤有機(jī)碳的增加速率低于土壤水分,說(shuō)明深層土壤固碳與土壤水分含量關(guān)系緊密且土壤固碳需要大量土壤水分參與,因此深層土壤水分虧缺可能限制深層土壤的碳固定。這可能與水分虧缺制約深層細(xì)根生長(zhǎng)[51],而細(xì)根是土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源有關(guān)。表層土壤有機(jī)碳與水分間相關(guān)性不顯著,這主要與本研究尺度較小且表層土壤水分受氣候(降水、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速)地形(坡度、坡向)植被類型等諸多因素影響[52],控制有機(jī)碳輸入與輸出的因素較多導(dǎo)致。

本研究結(jié)果表明,表層土壤是碳固定的關(guān)鍵層次,而深層土壤水分虧缺可能限制植被細(xì)根的發(fā)育,使深層有機(jī)碳輸入減少。在干旱、半干旱的黃土高原,人工植被恢復(fù)的土壤水分利用效率往往較低,且常常不能持續(xù)提供多種、正向的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。進(jìn)行大規(guī)模植被恢復(fù)時(shí),所選物種的生長(zhǎng)季與降水同步可以提高水分利用效率,并且自然與人工恢復(fù)方式應(yīng)并重[22]。

4 結(jié)論

(1)不同植被恢復(fù)方式土壤水分均低于農(nóng)田,草地、林地、灌木土壤水分含量依次降低,分別為8.30%、6.42%、5.54%,這主要由不同植被間根系的生長(zhǎng)、吸收、利用以及冠層截留差異導(dǎo)致;植被恢復(fù)后0—5 m土層均出現(xiàn)水分虧缺,因不同深度土壤對(duì)水分消耗的驅(qū)動(dòng)力存在差異,水分虧缺在表層1 m最低,2—3 m最高;對(duì)于不同恢復(fù)方式,林地土壤水分虧缺在恢復(fù)至21—30a時(shí)顯著高于前一階段(11—20a),而在生長(zhǎng)31a后開(kāi)始恢復(fù)。灌木、草地土壤水分虧缺隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)不斷增加。

(2)林地、灌木、草地土壤有機(jī)碳含量依次降低;林地固碳量隨恢復(fù)年限增加,并且在恢復(fù)20a時(shí)固碳量與對(duì)照農(nóng)田相比出現(xiàn)凈增,反映了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解與累積過(guò)程;灌木固碳量隨恢復(fù)年限先增加隨后降低,主要與檸條老化,生長(zhǎng)不良有關(guān);草地固碳量隨退耕年限增加呈下降趨勢(shì)并且低于對(duì)照農(nóng)田,表明草地的土壤碳增匯需要漫長(zhǎng)過(guò)程。

(3)表層0—1 m土壤水分因降水補(bǔ)給隨恢復(fù)年限增加變化不顯著,而深層土壤水分隨恢復(fù)年限增加顯著降低;但隨恢復(fù)年限增加,土壤有機(jī)碳變化在各層土壤中均不顯著。在深層土壤中,土壤水分與有機(jī)碳表現(xiàn)顯著的正相關(guān)性,且土壤碳的增加速率低于土壤水分,說(shuō)明深層土壤固碳與土壤水分含量關(guān)系緊密且深層土壤固碳需要水分參與。深層土壤水分虧缺可能限制植被細(xì)根的發(fā)育,使深層土壤有機(jī)碳輸入減少。