不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)黃土殘塬溝壑區(qū)深層土壤有機(jī)碳的影響

黃艷章, 信忠保

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083 2 北京林業(yè)大學(xué)山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,北京 100083 3 北京林業(yè)大學(xué)水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量是植被碳庫(kù)或全球大氣碳庫(kù)的2—3倍[1- 3],其微小變化就可能嚴(yán)重影響全球碳循環(huán)的平衡；土壤有機(jī)碳(Soil Organic Carbon, SOC)又是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。因此,在當(dāng)前全球碳循環(huán)失衡、植被類型變化活躍的情況下,土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的變化受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

深層土壤有機(jī)碳(1 m以下)是土壤碳庫(kù)的重要組成部分。全球深層SOC(不包括農(nóng)田)的平均儲(chǔ)量超過1 m剖面的50%,在土壤碳庫(kù)中的比重不容忽視[2,5]。在黃土高原溝壑區(qū),1—2 m土層的SOC儲(chǔ)量占2 m土層儲(chǔ)量的37.2%[6]；黃土丘陵區(qū),人工刺槐林、檸條林以及撂荒地深層土壤(1—2 m)的有機(jī)碳密度占2 m土層SOC密度的比例可達(dá)35%—40%[7]；內(nèi)蒙古地區(qū),喬木林和灌木林地3 m SOC儲(chǔ)量的50%儲(chǔ)存在1 m以下土層[8]。近年來(lái),深層SOC由于自身穩(wěn)定的性質(zhì)[9- 10]以及所占的比例之大引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。

土壤有機(jī)碳含量是植被[11-12]、土壤[13-14]和人為等因素綜合作用的結(jié)果。在歷史上因植被類型改變和土壤開墾導(dǎo)致的土壤碳庫(kù)的流失量累計(jì)為55—78 Gt[15],但植被恢復(fù)可以增加SOC含量[4,16- 17]。Jackson等[18]指出土地利用變化影響SOC的輸入和周轉(zhuǎn),是SOC變化的重要驅(qū)動(dòng)力。郭月峰等[19]研究表明,農(nóng)地SOC含量比山杏林地、小葉楊林地、油松山杏混交林、天然次生灌木林分別低30.96%,27.97%,48.05%,69.56%；在0—20 cm土層,Gao等[20]發(fā)現(xiàn)退耕30年的草地和棗園有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)地(P<0.05)；孫文義等[21]在研究黃土高原0—100 cm土層時(shí)發(fā)現(xiàn)天然次生林的SOC比人工林高42%—82%。表明不同的植被類型會(huì)影響SOC的輸入和周轉(zhuǎn),從而影響土壤的碳匯效益。

目前研究大多集中于2 m以內(nèi)的土壤[6,22- 24],由于黃土高原土層深厚,須加強(qiáng)深層SOC的研究,尤其對(duì)恢復(fù)模式的研究較少,還不夠系統(tǒng)全面[12,25]。黃土高原退耕還林還草工程實(shí)施近20年來(lái),大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)工程增加了區(qū)域植被蓋度[26],勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤的碳匯產(chǎn)生影響,甚至影響到較深土層。所以在估算退耕還林土壤碳匯量時(shí),應(yīng)該考慮深層SOC,只按1 m土層計(jì)算SOC儲(chǔ)量,會(huì)低估退耕還林還草工程的碳匯效益。

本研究調(diào)查了天然次生林、人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林等3種生態(tài)恢復(fù)模式4 m深土壤剖面的SOC儲(chǔ)量及垂直分布特征,評(píng)估了3種生態(tài)恢復(fù)模式的碳匯效益,并分析了不同樹種間土壤碳匯效益的差異。研究結(jié)果為黃土高原地區(qū)的土壤碳匯效益的合理評(píng)估以及生態(tài)恢復(fù)模式和樹種的選擇及配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蔡家川流域(36°14′—36°18′N,110°40′—110°48′E)位于山西省黃土高原西南部吉縣境內(nèi),流域面積39.33 km2,主溝道長(zhǎng)度12.15 km,為昕水河一級(jí)支流,流域大體呈西東走向,流域主溝道及部分支溝常年有水。蔡家川流域?yàn)榈湫偷狞S土殘塬、梁峁侵蝕地貌,流域沖溝發(fā)育,溝壑縱橫,溝壑密度0.8 km/km2。流域海拔在900—1586 m之間,相對(duì)高差700 m左右,平均海拔1172 m。流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均氣溫10.2 ℃,光照時(shí)數(shù)平均2563.8 h,無(wú)霜期172天,多年平均蒸發(fā)量為1650.8 mm,風(fēng)向冬季多西北風(fēng),其余三季多偏南風(fēng),年均風(fēng)速為2.0 m/s,年平均降水量為575.9 mm,降雨年際變化大,主要集中在6—9月份,約占全年降水量的80.6%。

蔡家川流域植被種類多,生長(zhǎng)較好,森林覆蓋率在79%左右。作為國(guó)家級(jí)野外科學(xué)觀測(cè)研究站,擁有實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)1.6萬(wàn)畝,對(duì)全流域水土保持長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。流域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)包括天然次生林、人工促進(jìn)自然植被恢復(fù)封禁35年以上的植被和不同時(shí)期的人工林。天然次生林分布在溝域上游,主要包括荊條(Vitexnegundo)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、山楊(Populusdavidiana)、暴馬丁香(Syringareticulata)；人工生態(tài)林主要是上世紀(jì)末的退耕還林工程和1990年以來(lái)的中日政府間技術(shù)合作項(xiàng)目所栽植的刺槐(Robiniapseudoacacia)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)等。流域內(nèi)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)林地49 hm2、占流域面積的1.25%,是當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)來(lái)源,有蘋果(Maluspumila)、梨(Pyrusspp)等。農(nóng)地主要是玉米(Zeamays)和小麥(Triticumaestivum)。灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、杠柳(Periplocasepium)、胡枝子(Lespedezabicolor)、連翹(Forsythiasuspensa)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等。蔡家川流域作為山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站主要觀測(cè)流域,殘塬溝壑地貌類型典型,生態(tài)恢復(fù)模式和植被類型多樣,并且具有長(zhǎng)期定位觀測(cè)基礎(chǔ)。因此,蔡家川流域是研究黃土高原殘塬溝壑區(qū)不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤深層有機(jī)碳影響的絕佳溝域。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

蔡家川流域生態(tài)恢復(fù)模式包括天然次生林、人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林等3種。流域上游陰坡多為天然次生林,研究調(diào)查了荊條林、山楊林和遼東櫟林3個(gè)樣地；中游峁頂是人工生態(tài)林主要分布區(qū),研究調(diào)查了油松刺槐混交林、刺槐林、油松林、側(cè)柏林等4個(gè)樣地以及蘋果和梨2種人工經(jīng)濟(jì)林樣地；在溝域中游坡中布設(shè)了農(nóng)地作為對(duì)照樣地,并對(duì)河谷農(nóng)地和坡中撂荒草地進(jìn)行了調(diào)查(表1)。研究共包括12種植被類型或土地利用方式,每樣地布設(shè)10 m×10 m樣方,除蘋果經(jīng)濟(jì)林采樣點(diǎn)為3個(gè),其他每樣方各布設(shè)2個(gè)4 m土壤剖面采樣點(diǎn)。使用內(nèi)徑為5 cm的土鉆,按20 cm間隔采集0—400 cm土壤樣品,25個(gè)4 m取樣點(diǎn)共取得土樣500個(gè)。調(diào)查樣地1 m深的土壤剖面,用100 cm3環(huán)刀在每層采集原狀土壤,取得6個(gè)重復(fù),測(cè)定土壤容重。

表1 樣地概況

1.2.2土壤理化性質(zhì)分析

采樣當(dāng)天測(cè)量土壤容重和含水量,采用直接烘干法測(cè)量土壤含水量,環(huán)刀法測(cè)量土壤容重。剩余樣品陰涼處自然風(fēng)干,仔細(xì)挑出枝葉、根系、蝸牛殼及鈣結(jié)核等,用四分法取適量土樣磨碎并分別通過直徑為2 mm和0.25 mm的土壤篩,用來(lái)測(cè)試SOC含量和土壤粒徑。采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定SOC含量。土壤粒徑采用激光衍射法(馬爾文激光顆粒分析儀MS- 2000)測(cè)定。土壤粒徑分級(jí)根據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),即黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm

1.2.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及作圖使用Microsoft Excel 2016軟件；用SPSS 20.0進(jìn)行ANOVA 分析,LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；采用逐步線性回歸分析得到土壤容重的傳遞函數(shù)。土壤有機(jī)碳密度(SOCD)的計(jì)算：

SOCD=SOC×ρ×H×(1-δ2mm/100)×10-1

式中,SOCD為土壤有機(jī)碳密度(t/hm2)；SOC為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；ρ為土壤容重(g/cm3),H為土層厚度(cm)；δ2mm為粒徑大于等于2 mm的礫石體積含量,由于黃土區(qū)礫石含量極低,該值忽略不計(jì)。

由于1 m以下土壤容重實(shí)測(cè)難度較大,因此采用土壤容重傳遞函數(shù)估算深層土壤容重。大量研究表明土壤容重主要取決于SOC含量和質(zhì)地[27-28],門明新等[29]比較的14種已有土壤容重傳遞函數(shù)都與SOC含量或土壤質(zhì)地密切相關(guān)。本研究以60個(gè)1 m剖面的土壤容重實(shí)測(cè)值為因變量,深度、土壤質(zhì)地和SOC含量為自變量,通過逐步線性回歸分析,得到土壤容重傳遞函數(shù)(r2=0.609,P<0.01)：

BD=0.453+0.146/SOC+0.074(%Silt)+0.063ln(depth)+0.008(%Sand)

式中,BD為土壤容重(g/cm3)；SOC為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；depth為土層深度(cm)；Silt為黏粒含量(%)；Sand為砂粒含量(%)。利用土壤容重傳遞函數(shù)所得土壤容重估計(jì)值與實(shí)測(cè)值吻合度較好,均方根誤差為6.7%,可用于估算深層土壤容重。

2 結(jié)果

2.1 土壤有機(jī)碳的變化特征

流域內(nèi)SOC含量在0—60 cm顯著降低,60—400 cm SOC相對(duì)穩(wěn)定(圖1)。有機(jī)碳含量在0—60 cm內(nèi)隨深度快速下降(P<0.05),由表層的(11.03±7.51) g/kg減少到(2.40±0.93) g/kg,降幅達(dá)到78.22%。60 cm以下各土層SOC差異不顯著且含量較低,僅(1.81±0.88) g/kg。流域內(nèi)4 m SOC儲(chǔ)量為(129.21±47.59) t/hm2,垂直變化規(guī)律與SOC含量基本一致。同土層有機(jī)碳含量變異系數(shù)在38%—68%之間,屬于中等變異。

圖1 土壤有機(jī)碳垂直分布及變異系數(shù)Fig.1 Vertical distribution and coefficient of variation of soil organic carbon不同小寫字母表示不同土層之間土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)

2.2 生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

蔡家川流域3種生態(tài)恢復(fù)模式可以顯著提高土壤有機(jī)碳,各恢復(fù)模式SOC含量與坡中農(nóng)地相比都有所增加(圖2)。3種生態(tài)恢復(fù)模式中,天然次生林0—400 cm土壤碳匯效益最顯著(P<0.05),比坡中農(nóng)地增加了196.23%。天然次生林、人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林0—20 cm表層SOC含量較農(nóng)田表層土壤((4.60±0.32) g/kg)分別提高了400.88%、112.13%、62.77%；100—300 cm土層內(nèi),3種恢復(fù)模式的SOC含量顯著增加(P<0.05)；100—200 cm土層人工經(jīng)濟(jì)林有SOC 含量高于人工生態(tài)林,但不顯著；在300—400 cm土層,人工經(jīng)濟(jì)林的碳匯效益不再明顯(P<0.05)。

2.3 植被類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

在0—400 cm各土層內(nèi),植被類型間的SOC含量存在顯著差異(表3)。表層20 cm SOC含量山楊林最高為(29.93±6.58) g/kg(P<0.05),坡中農(nóng)地最低((4.28±0.45) g/kg),兩者相差5.99倍；在20—40 cm及40—100 cm土層,荊條灌木林SOC含量((8.36±0.38) g/kg,(3.79±0.48) g/kg)顯著高于其他11種植被類型(P<0.05)。

河谷地帶水沙匯集,土壤較肥沃,歷史上多次接受洪水泥沙沉積,SOC含量較高并在垂直方向存在波動(dòng)。河谷農(nóng)地SOC在0—80 cm與其他植被類型同樣呈降低趨勢(shì),在100 cm以下SOC含量漸漸增加,并高于其他植被類型(P<0.05)；在200—300 cm顯著高于其他11種植被類型的有機(jī)碳含量(P<0.05),在300—400 cm SOC含量顯著下降(P<0.05),但仍顯著高于其他植被類型(P<0.05)。

同一生態(tài)恢復(fù)模式不同植被類型土壤碳匯效益存在差異(表2)。天然次生林各植被類型有機(jī)碳含量較高,遼東櫟林為(2.36±0.58) g/kg,荊條林為(3.42±0.55) g/kg,山楊林為(3.53±1.01) g/kg,且含量差異不顯著；人工生態(tài)林各植被間的有機(jī)碳含量差異較大,油松刺槐混交林有機(jī)碳含量最高,為(3.08±0.39) g/kg(P<0.05),顯著高于油松林((1.70±0.17) g/kg)和側(cè)柏林((1.30±0.19) g/kg)。油松刺槐混交林的有機(jī)碳含量與天然次生林中的山楊林和荊條林碳匯效益明顯,三者之間沒有顯著差異。

表2 不同植被類型有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)值

表中不同大寫字母表示不同植被類型土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)

2.4 生態(tài)恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

天然次生林、人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林的SOC儲(chǔ)量較坡中農(nóng)地都顯著提高(P<0.05),生態(tài)恢復(fù)帶來(lái)的土壤碳匯效益明顯(表4)。天然次生林4 m剖面SOC儲(chǔ)量為(166.40±42.90) t/hm2,比坡中農(nóng)地的(58.73±4.73) t/hm2增加了183.33%；人工生態(tài)林和人工經(jīng)濟(jì)林4 m剖面SOC儲(chǔ)量分別為(111.32±13.30) t/hm2和(104.60±7.10) t/hm2,分別比坡中農(nóng)地高89.54%、78.11%。SOC儲(chǔ)量表現(xiàn)為天然次生林高于人工生態(tài)林和人工經(jīng)濟(jì)林,坡中農(nóng)地最低(P<0.05)。

3種生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤深層(1—4 m)SOC儲(chǔ)量皆有明顯增加。天然次生林、人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林的深層(1—4 m)SOC儲(chǔ)量分別為(77.81±8.40) t/hm2、(65.55±7.71) t/hm2、(61.32±3.16) t/hm2,較坡中農(nóng)地增加了109.43%、76.43%、65.06%。

25個(gè)取樣點(diǎn)1—4 m深層SOC儲(chǔ)量占整個(gè)4 m SOC儲(chǔ)量的58.61%±9.15%,其中,2—4 m SOC儲(chǔ)量占深層SOC儲(chǔ)量的66.13%±4.60%。天然次生林對(duì)表層有機(jī)碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)較大,深層只占到4 m剖面的46.76%,人工生態(tài)林和人工經(jīng)濟(jì)林的深層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量都占到了整個(gè)土壤剖面的58%以上(圖3)。天然次生林和人工生態(tài)林深層單位深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占比均一,100—200 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量約是200—400 cm的一半；而人工經(jīng)濟(jì)林100—200 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量占比較高?？赡苁侨斯そ?jīng)濟(jì)林的整地措施對(duì)100—200 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生影響。

表3 不同植被類型下土壤有機(jī)碳平均含量

表中不同大寫字母表示不同植被類型在同一土層土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一植被類型在不同土層土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)

圖3 三種生態(tài)恢復(fù)類型各層有機(jī)碳儲(chǔ)量所占比例Fig.3 The proportions of SOC storage in each layer of the three ecological restoration patternsa是每20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量所占比例；b是0—20 cm、20—100 cm、100—200 cm、200—400 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量所占比例

3 討論

3.1 不同植被類型間有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異性

植被是SOC含量垂直分布的重要控制因子[30]。一方面,碳是構(gòu)成植被體的骨架元素[31],植被類型不同,碳骨架也隨之不同,進(jìn)入土壤中的植被殘?bào)w量以及根系生物量存在較大差異,進(jìn)而造成土壤中有機(jī)物向下輸入的數(shù)量和質(zhì)量[32]以及土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率不同[33-34]；另一方面,不同的植被類型會(huì)在其下墊面形成獨(dú)特的小氣候,影響微生物活性,進(jìn)一步影響凋落物的分解[35]。

三種恢復(fù)模式中天然次生林SOC儲(chǔ)量最高,是人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林、坡中農(nóng)地的1.49、1.59、2.83倍,與孫文義等[21]對(duì)黃土區(qū)天然次生林各層 SOC儲(chǔ)量研究結(jié)果一致,混交林的土壤碳匯能力與天然次生林相似,40 cm以下SOC含量顯著高于(P<0.05)刺槐林、油松林、側(cè)柏林,有機(jī)碳儲(chǔ)量分別是它們的1.37、1.73、2.14倍。表明天然次生林的土壤碳匯能力高于其他恢復(fù)模式。主要是由于天然次生林具有完整的群落結(jié)構(gòu),且微生物的多樣性指數(shù)和豐度均高于人工林[36],生態(tài)系統(tǒng)和碳循環(huán)相對(duì)良好穩(wěn)定。而混交林能夠通過增加林地的物種多樣性,提高林分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,有利于有機(jī)碳的積累[37]和改善生產(chǎn)力[38],董敏慧等[39]發(fā)現(xiàn)松樹樟樹混交林的土壤微生物碳氮含量均高于兩種純林,本研究結(jié)果與其一致。

人工經(jīng)濟(jì)林與人工生態(tài)林的碳匯效益沒有顯著差異,甚至經(jīng)濟(jì)林碳儲(chǔ)量略高于某些人工生態(tài)林樹種,且在100—200 cm處土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與其他模式相比仍占比較大。整地如深耕使有機(jī)碳快速到達(dá)土壤深層,增加了SOC的穩(wěn)定性及深層SOC儲(chǔ)量[40]。當(dāng)前,關(guān)于經(jīng)濟(jì)林碳匯效益方面存在不同的認(rèn)識(shí),一些研究指出經(jīng)濟(jì)林的建設(shè)會(huì)造成SOC降低[12],但陳磊等[41]指出蘋果園有利于SOC的固存。原因可能與區(qū)域自然條件、經(jīng)濟(jì)林樹種、經(jīng)營(yíng)管理方式等因素有關(guān)[42]。

研究發(fā)現(xiàn)河谷農(nóng)地有機(jī)碳儲(chǔ)量最高,為(203.84±20.04) t/hm2,顯著高于坡中農(nóng)地,且單位深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量都處在較高水平。可能是河谷農(nóng)地地勢(shì)低洼,地形平坦,卯坡侵蝕土壤和上游泥沙匯集于此,帶來(lái)大量土壤有機(jī)碳就地沉積埋藏；河谷農(nóng)地利于地下水的匯集,導(dǎo)致表層水溶性碳向深層淋溶更加明顯[43]；加之充足的水分[42]和長(zhǎng)期耕作培肥,造成河谷農(nóng)地有機(jī)碳儲(chǔ)量較高。

3.2 深層土壤有機(jī)碳的重要性及其影響因素

森林生態(tài)系統(tǒng)的SOC儲(chǔ)量經(jīng)常會(huì)被低估。本研究中表層20 cm的SOC儲(chǔ)量占4 m土壤有機(jī)碳庫(kù)的20.02%±8.54%,20 cm以下為79.98%±8.54%。與Lal[1]指出的0.3—3 m土層占3 m土壤有機(jī)碳庫(kù)的77%一致。雖然研究中60 cm以下SOC含量((1.81±0.88) g/kg)顯著低于0—20 cm的SOC含量((11.03±7.51) g/kg),但黃土區(qū)土層常厚達(dá)數(shù)十米以上,所以深層(1—4 m)SOC不容忽視。任何增加新鮮有機(jī)碳的土地利用和農(nóng)業(yè)措施變化都會(huì)刺激古代埋藏層碳的損失[9],Mu等[44]發(fā)現(xiàn)青藏高原深層凍土層會(huì)釋放溫室氣體加劇全球氣候變化,深層SOC儲(chǔ)量如此之大,會(huì)對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生深刻影響。另一方面,在估算該區(qū)退耕還林草的土壤碳匯量時(shí),應(yīng)該考慮深層土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量,否則會(huì)明顯低估退耕還林草的土壤碳匯效應(yīng)[7]。

SOC含量隨土壤深度的增加而降低,且深層SOC含量變化不大,這與多數(shù)研究結(jié)果一致[25,45]。在本研究中,深層(1—4 m)SOC含量在1.62—2.01 g/kg之間；在陜西神木,深層SOC含量幾乎在1.00 g/kg以下[2]；整個(gè)黃土高原橫斷面上,深層SOC含量在1.49—2.01 g/kg之間[32],表明深層SOC含量較低。原因可能是凋落物和根系為表層土壤提供了豐富的碳源[12, 21],而碳供應(yīng)量隨土壤深度的增加而迅速減弱,且黃土區(qū)深層水分匱缺,細(xì)根分布較少,導(dǎo)致植被根系轉(zhuǎn)化為SOC較少[24]；另外,在較深土層中,SOC分解在很大程度上受土壤通氣狀況影響[46],深層土壤空隙水分含量較低,通氣條件較好,可促進(jìn)SOC的分解[47],造成深層SOC含量較低。各植被類型100—400 cm的SOC儲(chǔ)量變化不大,變異系數(shù)極低為1.50%±0.54%,Balesdent等[48]研究發(fā)現(xiàn) 1—2 m處土層放射性有機(jī)碳表觀年齡約有95%為50年以前,說明深層土壤環(huán)境隨深度變化較小,造成1—4 m間的SOC變化不大。

土壤碳匯能力取決于土層深度、黏粒含量及礦物屬性、植物有效持水能力、土地利用動(dòng)態(tài)、有機(jī)碳本底值等[1]。許明祥等[7]研究發(fā)現(xiàn)土地利用動(dòng)態(tài)解釋了79.7%的土壤有機(jī)碳變異性,而地形影響極??；相反,孟國(guó)欣等[24]指出地形對(duì)土壤有機(jī)碳影響較大,解釋了22.02%的土壤有機(jī)碳變異性?？梢园l(fā)現(xiàn)影響土壤有機(jī)碳的因素綜合復(fù)雜。生態(tài)恢復(fù)對(duì)土壤深層有機(jī)碳積累的影響過程與機(jī)制,是當(dāng)前生態(tài)恢復(fù)對(duì)土壤碳循環(huán)調(diào)控領(lǐng)域的重要研究命題。由于大多數(shù)研究都采用“空間代替時(shí)間”的研究方法,不可避免的對(duì)研究結(jié)果帶來(lái)一定的變異性[47],進(jìn)而在解釋植被對(duì)深層有機(jī)碳的貢獻(xiàn)時(shí)會(huì)造成一定的影響。今后的研究需要加強(qiáng)在時(shí)間尺度和有機(jī)碳本底值的研究,避免空間變異的影響,正確評(píng)估生態(tài)恢復(fù)的碳匯速率及碳匯量。

4 結(jié)論

(1)生態(tài)恢復(fù)能夠顯著增加SOC儲(chǔ)量,天然次生林和人工混交林是碳匯效益良好的生態(tài)恢復(fù)模式。天然次生林有機(jī)碳儲(chǔ)量((166.40±42.90) t/hm2)比坡中農(nóng)地顯著(P<0.05)增加183.33%,是人工生態(tài)林、人工經(jīng)濟(jì)林的1.49、1.59倍；而混交林((160.47±18.17) t/hm2)的碳匯效益與天然次生林((166.40±42.90) t/hm2)相近。

(2)在評(píng)估生態(tài)恢復(fù)碳匯效益和估算土壤碳庫(kù)總量時(shí),深層SOC儲(chǔ)量地位顯著。深層(1—4 m)SOC儲(chǔ)量約占4 m剖面的(58.61±9.15%,2 m以下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量((49.94±22.35) t/hm2)占深層土壤有機(jī)碳的66.13%±4.60%。天然次生林、人工生態(tài)林和人工經(jīng)濟(jì)林1 m以下有機(jī)碳儲(chǔ)量分別占4 m剖面的 46.76%、58.89%、58.62%。

(3)生態(tài)恢復(fù)碳匯效益表現(xiàn)出顯著的表聚性特征,SOC含量在0—60 cm隨深度增加迅速降低,從(11.03±7.51) g/kg減少到(2.40±0.93) g/kg,降幅達(dá)78.22%；60—400 cm SOC含量變化較為穩(wěn)定,含量較低為(1.81±0.88) g/kg。