晉西北黃土丘陵區(qū)不同植被恢復(fù)下的土壤碳氮累積特征

史利江，高杉，姚曉軍，張曉龍，李文剛，高峰

1. 山西財(cái)經(jīng)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030006；2. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西 太原 030006

作為全球變化的一個(gè)重要組成部分和決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵因素，土地利用/覆被變化不僅可以強(qiáng)烈改變植物群落和生態(tài)系統(tǒng)屬性，同時(shí)影響土壤碳氮循環(huán)過(guò)程，成為僅次于化石燃料排放引起溫室氣體濃度增加的主要原因（Houghton，1995；Beheshti et al.，2012；Christopher et al.，2013）。合理的土地利用方式和生態(tài)恢復(fù)措施被認(rèn)為是促進(jìn)土壤固碳、緩解溫室效應(yīng)的潛在有效途徑之一，其對(duì)土壤碳庫(kù)演變的影響已成為全球變化研究中的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題（Vesterdal et al.，2002；于貴瑞等，2013；武亞楠等，2020）。歐美各國(guó)、日本、澳大利亞和新西蘭以及印度等國(guó)學(xué)者都在加大對(duì)生態(tài)（植被）恢復(fù)引起的土壤固碳效應(yīng)和固碳潛力的研究力度（Pau et al.，2002；Antoine et al.，2008；Karhu et al.，2011；Selma，2014）。美國(guó)自20世紀(jì) 80年代中期開(kāi)始實(shí)施保護(hù)儲(chǔ)存項(xiàng)目（conversion reserve program，CRP），通過(guò)保護(hù)性耕作、邊緣土地退耕種植多年生牧草等措施已產(chǎn)生顯著的碳固存效應(yīng)、使土壤質(zhì)量顯著提高（Bowman，et al.，2002）。Huntington（1995）在美國(guó)的相關(guān)研究表明，農(nóng)田造林導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量增加 34%—103%。Vesterdal et al.（2002）研究丹麥農(nóng)田退耕造林對(duì)土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)退耕還林導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量下降了11.8 Mg·hm?2。Tan et al.（2005）利用俄亥俄州的土壤普查數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)期的定位試驗(yàn)資料研究分析表明，免耕和農(nóng)田退耕還林有利于提高土壤有機(jī)碳蓄積能力，SOC含量低的土壤在免耕或退耕還林后具有更高的碳蓄積能力。各國(guó)研究者所得的研究結(jié)論存并不一致，原因在于退耕還林還草后生態(tài)系統(tǒng)的固碳效應(yīng)受到多種因素的影響和制約，包括研究區(qū)域的環(huán)境條件、土壤質(zhì)地、林地年齡、林種等（Pau et al.，2002），對(duì)土壤固碳效應(yīng)的評(píng)估仍存在較大的不確定性（Tang et al.，2013）。

中國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，在黃土高原地區(qū)開(kāi)始了舉世矚目的“三北”防護(hù)林工程、退耕還林工程和天然林保護(hù)等工程的建設(shè)。這些生態(tài)工程不僅對(duì)水土保持具有重要功能，而且對(duì)土壤碳氮蓄積產(chǎn)生了重要影響。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也開(kāi)展了大量研究，并取得了一定的成果（Zhang et al.，2010；Wang et al.，2011；Chang et al.，2012；Xin et al.，2016；Zhao et al.，2017；Wang et al.，2017；Deng et al.，2018；佟小剛等，2012；鄧?yán)伲?014；賀少軒等，2015；馮棋等，2019）。李裕元等（2007）研究表明：黃土高原北部地區(qū)實(shí)施退耕還草后，土壤有機(jī)碳密度（SOCD）均有不同程度的增加，增加幅度最大可達(dá) 72%，土壤表現(xiàn)為明顯的碳匯。劉迎春等（2011）在吉縣和安塞縣等黃土丘陵區(qū)研究結(jié)果顯示：造林后的油松林和刺槐林生態(tài)系統(tǒng)的植被、凋落物及土壤碳儲(chǔ)量逐漸增加。許明祥等（2012）分析了黃土丘陵區(qū)土壤有機(jī)碳固存對(duì)退耕還林草的時(shí)空響應(yīng)特征，結(jié)果顯示：退耕還林和退耕撂荒具有顯著的土壤碳增匯效應(yīng)，而退耕還草、退耕還果沒(méi)有明顯土壤碳增匯效應(yīng)。Deng et al.（2018）對(duì)黃土高原中南部地區(qū)的研究表明：長(zhǎng)期的自然植被恢復(fù)提高了土壤有機(jī)碳的積累，增加存在較大的差異和不確定性，主要原因在于黃土高原地域遼闊，自然環(huán)境條件復(fù)雜，氣候變化和人類活動(dòng)的空間差異較大，影響土壤有機(jī)碳分布和累積的因素復(fù)雜多樣。因此，需要在黃土高原地區(qū)進(jìn)一步開(kāi)展更多區(qū)域尺度下生態(tài)恢復(fù)的土壤固碳效應(yīng)研究。

晉西北黃土丘陵區(qū)作為半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)典型的生態(tài)過(guò)渡帶和環(huán)境脆弱區(qū)，屬于沙黃土帶和潛在沙漠化發(fā)生范圍，植被覆蓋度低，水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕、干旱缺水、土地荒漠化成為該區(qū)域重要的環(huán)境問(wèn)題（朱震達(dá)等，1981）。右玉縣位于黃土高原北部的晉西北邊陲，毗連毛烏素沙漠邊緣，地處潛在沙漠化高寒地帶，是長(zhǎng)城風(fēng)沙區(qū)主要的起沙區(qū)，曾是山西省35個(gè)國(guó)家貧困縣之一，同時(shí)也是實(shí)施退耕還林、京津風(fēng)沙源治理工程、天然林植被恢復(fù)工程以及三北防護(hù)林工程的重點(diǎn)區(qū)域。由于過(guò)去長(zhǎng)期對(duì)土地資源的不合理利用和破壞，全縣水土流失面積達(dá)到 1498.89 km2，占國(guó)土總面積的 76.2%（山西省右玉縣志編纂委員會(huì)，2007）。為加強(qiáng)水土流失治理，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，20世紀(jì)50年代以來(lái)特別是從1978年啟動(dòng)“三北”防護(hù)林體系建設(shè)工程以來(lái)，右玉縣加大造林投入，大力改善生態(tài)環(huán)境，著力構(gòu)筑晉西北乃至華北地區(qū)生態(tài)保護(hù)屏障。2000年以后，伴隨著國(guó)家京津風(fēng)沙源治理工程的啟動(dòng)，右玉縣實(shí)施了大規(guī)模的退耕還林草工程建設(shè)。到2017年，全縣林木綠化率由過(guò)去不足 0.3%提高到現(xiàn)在的54%，生態(tài)環(huán)境顯著改善。一系列生態(tài)恢復(fù)措施的實(shí)施，不僅極大改變了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，而且也勢(shì)必會(huì)引起土壤碳氮源匯效應(yīng)的變化，從而對(duì)區(qū)域碳氮循環(huán)和全球變化產(chǎn)生一定影響。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于這一生態(tài)敏感和脆弱地區(qū)生態(tài)恢復(fù)下的土壤碳氮效應(yīng)研究明顯薄弱。因此本文以晉西北典型黃土丘陵區(qū)—右玉縣典型生態(tài)恢復(fù)區(qū)為研究區(qū)域，深入分析該地區(qū)土壤碳氮對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)特征和規(guī)律，科學(xué)評(píng)估生態(tài)恢復(fù)引起的土壤固碳（氮）效應(yīng)、蓄積速率，不僅對(duì)于該地區(qū)積極應(yīng)對(duì)全球變化、改進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)管理和保障生態(tài)安全具有重要的意義，而且能夠提高對(duì)黃土高原生態(tài)恢復(fù)工程的土壤固碳（氮）效應(yīng)評(píng)估的精確性，為黃土高原區(qū)域碳氮循環(huán)和碳氮平衡研究提供案例和數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也可進(jìn)一步豐富土地利用變化對(duì)區(qū)域碳氮循環(huán)影響的研究?jī)?nèi)容，促進(jìn)土壤固碳（氮）科學(xué)的發(fā)展，為國(guó)家碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施和生態(tài)文明建設(shè)提供更為豐富的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣區(qū)選擇在晉西北黃土丘陵區(qū)—右玉縣境內(nèi)的賈家窯國(guó)家天然林防護(hù)區(qū)、威遠(yuǎn)鎮(zhèn)天然林保護(hù)區(qū)項(xiàng)目工程區(qū)、馬營(yíng)河林區(qū)以及蒼頭河流域等生態(tài)恢復(fù)的典型區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷狞S土丘陵緩坡區(qū)，海拔在 1262—1499 m，氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫為4.2 ℃，但氣溫的年較差和日較差較大，冬夏氣溫年較差最大值可達(dá)69.7 ℃，日較差最大值為31.4 ℃；年平均降水量為410 mm，主要集中在6—8月，年平均相對(duì)濕度為60%，年均蒸發(fā)量可達(dá) 1761.3 mm；≥10 ℃的活動(dòng)積溫為2224 ℃，無(wú)霜期較短，為 104 d左右；風(fēng)大且頻繁，平均風(fēng)速2.7 m·s?1。土壤主要以栗鈣土和風(fēng)沙土為主，質(zhì)地較粗，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，抗侵蝕能力差，風(fēng)蝕、水蝕嚴(yán)重，極易形成水土流失（范表，2011）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品的采集

在進(jìn)行充分野外調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合考慮地形、土壤類型、植被恢復(fù)類型和恢復(fù)年限等因素，2017年8—9月在研究區(qū)內(nèi)選取不同植被恢復(fù)類型以及恢復(fù)年限，且地形和土壤類型等環(huán)境因子基本一致的固定樣地，其中林地植被類型主要為小葉楊（Populus simonii）、油松（Pinus tabuliformis）和華北落葉松（Larix principis-rupprechtii），灌木地的植被類型主要為沙棘（Hippophae rhamnoides），草地以白蓮蒿（Artemisia sacrorum）、達(dá)烏里秦艽（Gentiana dahurica）以及蒙古蒿（Artemisia mongolica）等為優(yōu)勢(shì)種群，選取相鄰長(zhǎng)期耕作的農(nóng)田作為對(duì)照，農(nóng)田主要種植玉米（Zea mays）和馬鈴薯（Solanum tuberosum）等，所有農(nóng)田的管理方式基本一致。通過(guò)調(diào)研和走訪，確定樣地的植被恢復(fù)年限。在喬、灌林樣地內(nèi)設(shè)置10 m×10 m的樣方，并調(diào)查植物類型、生長(zhǎng)狀況；草地樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的小樣方，在設(shè)定的小樣方內(nèi)調(diào)查草本群落，收集凋落物。在選定樣方內(nèi)，按對(duì)角線5點(diǎn)，用土鉆取0—20 cm的5個(gè)土樣混合作為一個(gè)樣品，每個(gè)樣地做3組重復(fù)，并記錄樣點(diǎn)的位置、海拔、坡度、坡向、植被類型、恢復(fù)年限、植被生長(zhǎng)狀況等信息，并用環(huán)刀法測(cè)定樣點(diǎn)的土壤容重（表1）。

表1 研究區(qū)樣地基本情況表Table 1 Characteristics of studied sites

1.3 土壤指標(biāo)的測(cè)定與計(jì)算

將采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，挑出其中動(dòng)、植物殘?bào)w等非土壤物質(zhì)，同時(shí)避免灰塵和酸、堿和不潔氣體等污染，進(jìn)行土壤碳氮及其他理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。所測(cè)指標(biāo)包括土壤有機(jī)碳（SOC）含量、土壤全氮（STN）含量、土壤含水量和土壤容重等。土壤有機(jī)碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定；土壤全氮（STN）的測(cè)定采用凱氏定氮法；土壤含水量用烘干法進(jìn)行測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定（魯如坤，1999）。

根據(jù)所測(cè)的土壤有機(jī)碳（SOC）和全氮（STN）含量，可以計(jì)算相應(yīng)的土壤碳氮儲(chǔ)量，計(jì)算公式如下：

式中：

SOCS——植被類型i的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（密度）（t·hm?2）；

Bi——該植被類型的土壤容重（單位g·cm?3）；

SOCi——該類型的土壤有機(jī)碳含量（g·kg?1）；

Hi——該類型的土層厚度（cm）；

δi——>2 mm礫石的體積含量（%）；

STNS——該類型的土壤全氮儲(chǔ)量（t·hm?2）；

STNi——該類型的土壤全氮含量（g·kg?1）。

在土壤碳氮儲(chǔ)量（密度）計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，以相鄰農(nóng)田作為參照，計(jì)算植被恢復(fù)引起的土壤碳氮蓄積量、蓄積效應(yīng)和平均蓄積速率，植被恢復(fù)引起的土壤碳氮蓄積量的計(jì)算公式為：

式中：

?SOCsi——恢復(fù)為i類植被t年后引起的表層土壤（0—20 cm）的固碳量（t·hm?2）；

SOCsit——該類地在t年限時(shí)表層土壤（0—20 cm）的有機(jī)碳儲(chǔ)量（t·hm?2）；

SOCft——相鄰農(nóng)田在t年限時(shí)在表層土壤（0—20 cm）的有機(jī)碳儲(chǔ)量（t·hm-2）；

?TNsi——恢復(fù)為i類植被t年后引起的表層土壤（0—20 cm）的固氮量（t·hm?2）；

TNsit——該類地在t年限時(shí)表層土壤（0—20 cm）的全氮儲(chǔ)量（t·hm?2）；

TNsft——相鄰農(nóng)田在t年限時(shí)在表層土壤（0—20 cm）的全氮儲(chǔ)量（t·hm?2)。

植被恢復(fù)下的土壤固碳氮效應(yīng)計(jì)算公式為（馮棋等，2019）：

植被恢復(fù)下的土壤碳氮儲(chǔ)量的平均固存速率計(jì)算公式（Deng et al.，2016）：

式中：

SOCsr和 TNsr——植被恢復(fù)下的平均固碳速率和固氮速率（單位：t·hm?2·a?1）；

n為植被恢復(fù)年限。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用多因素方差分析（One-way ANOVA）、多重比較、相關(guān)分析等方法對(duì)不同植被類型在不同恢復(fù)年限的土壤碳氮蓄積差異的顯著性（P<0.05）以及土壤有機(jī)碳與土壤全氮、碳氮比、土壤含水量以及土壤容重的相關(guān)性，數(shù)據(jù)分析利用SPSS 22.0軟件完成，相關(guān)制圖用SigmaPlot 10軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)

2.1.1 不同植被恢復(fù)類型及恢復(fù)年限下的 SOC含量與儲(chǔ)量

從圖1a來(lái)看，不同植被恢復(fù)類型下的表層（0—20 cm）土壤有機(jī)碳（SOC）含量存在明顯差異，且隨恢復(fù)年限的增加，表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)特征，其中林地表層（0—20 cm）SOC含量隨恢復(fù)年限的增加，呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)，變化范圍為 3.54—14.25 g·kg?1；而灌木地和草地的表層SOC含量隨恢復(fù)年限表現(xiàn)出先增加后減少，其變化范圍分別為3.69—12.36、1.92—7.30 g·kg?1。與對(duì)照農(nóng)田（4.59 g·kg?1）相比，在退耕早期（<20 a），3種植被類型下表層SOC含量大小依次為：灌木林>對(duì)照農(nóng)田>林地>草地，其中林地和草地表層 SOC含量?jī)H分別為對(duì)照農(nóng)田的77.15%和51.90%，而灌木表層SOC含量顯著高于對(duì)照農(nóng)田，為對(duì)照農(nóng)田的2.05倍。退耕21—35 a后，3種植被恢復(fù)類型下表層SOC含量均表現(xiàn)出明顯增加，并顯著高于對(duì)照農(nóng)田，其大小順序依次為灌木>林地>草地>對(duì)照農(nóng)田，分別為對(duì)照農(nóng)田的2.69、2.13、1.59倍。退耕36—50 a后，灌木林和草地的表層SOC含量趨于下降，而林地表層SOC含量則繼續(xù)增加，其中林地和灌木的表層 SOC含量仍高于對(duì)照農(nóng)田，分別為對(duì)照農(nóng)田的 2.52倍和1.88倍，而草地SOC含量低于農(nóng)田，僅相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的81.95%。退耕>50 a后，灌木林地和草地表層SOC含量繼續(xù)減少，且均低于對(duì)照農(nóng)田，分別為對(duì)照農(nóng)田的80.40%和41.87%，而林地表層SOC含量仍繼續(xù)增加，為對(duì)照農(nóng)田的3.10倍，表現(xiàn)出更為顯著的土壤碳匯效應(yīng)。

圖1 不同植被類型及不同恢復(fù)年限下的表層（0—20 cm）土壤有機(jī)碳的變化特征Fig. 1 Variation characteristics of soil organic carbon in surface layer (0?20 cm) under different vegetation types and different restoration years

不同植被類型下的表層SOC儲(chǔ)量（密度）（見(jiàn)圖1b）隨恢復(fù)年限的變化特征和趨勢(shì)與SOC含量基本一致。與對(duì)照農(nóng)田（13.45 t·hm?2）相比，退耕早期（<20 a），林地和草地的表層（0—20 cm）SOC儲(chǔ)量均趨于下降，分別為 10.43 t·hm?2和 7.72 t·hm?2，僅為對(duì)照農(nóng)田的 77.55%和57.36%，而灌木林地表層SOC儲(chǔ)量為25.10 t·hm?2，為對(duì)照農(nóng)田SOC儲(chǔ)量的1.87倍；退耕21—35 a后，3種植被恢復(fù)方式下表層 SOC儲(chǔ)量較對(duì)照農(nóng)田均明顯增加，其大小依次為林地>灌木>草地，分別為對(duì)照農(nóng)田表層SOC儲(chǔ)量的2.10、1.89、1.65倍。退耕36—50 a后，林地表層 SOC儲(chǔ)量繼續(xù)保持增加的趨勢(shì)，而灌木林地和草地表層 SOC儲(chǔ)量均呈現(xiàn)一定程度的下降，其中草地表層SOC儲(chǔ)量下降明顯，并低于對(duì)照農(nóng)田；而灌木林地表層 SOC儲(chǔ)量雖有所降低，但仍顯著高于對(duì)照農(nóng)田，為對(duì)照農(nóng)田的 1.86倍。退耕>50 a后，林地表層SOC儲(chǔ)量仍持續(xù)增加，為對(duì)照農(nóng)田的2.77倍，而灌木林地和草地的表層 SOC儲(chǔ)量大幅降低，分別僅相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的81.39%和45.04%。

2.1.2 不同植被恢復(fù)類型及恢復(fù)年限下的土壤固碳效應(yīng)和平均固碳速率

土壤固碳效應(yīng)用來(lái)表征不同植被恢復(fù)方式的土壤固碳能力的大小。由圖1c可知，不同植被恢復(fù)下的土壤固碳效應(yīng)存在顯著差異，且隨恢復(fù)年限的增加，表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。在退耕早期（<20 a），林地和草地表層土壤的固碳效應(yīng)均為負(fù)值，分別為?0.22和?0.43，而灌木林地土壤固碳效應(yīng)表現(xiàn)為正值，為0.87。隨著恢復(fù)年限的增加，林地表層土壤固碳效應(yīng)持續(xù)提升，其值變化范圍為 1.10—1.77，而灌木林地表層土壤固碳效應(yīng)在保持相對(duì)穩(wěn)定后（變化范圍在0.87—0.90），在恢復(fù)年限>50 a后，土壤固碳效應(yīng)明顯降低，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值；草地土壤固碳效應(yīng)僅在退耕 21—35 a后，表現(xiàn)為正值（0.65），土壤固碳效應(yīng)明顯，之后隨著恢復(fù)年限的增加，土壤固碳效應(yīng)持續(xù)減弱，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。

從不同植被恢復(fù)類型的表層土壤的平均固碳速率來(lái)看（見(jiàn)圖1d），在退耕初期（<20 a），林地和草地的表層土壤的平均固碳速率分別為?0.168和?0.319 t·hm?2·a?1，而灌木林地表層土壤的平均固碳速率為 0.647 t·hm?2·a?1。隨著恢復(fù)年限的增加，林地表層土壤平均固碳速率快速提升，在退耕35—50 a 后達(dá)到最大值，為 0.485 t·hm?2·a?1，之后在恢復(fù)年限>50 a，略有下降，但其土壤平均固碳速率為0.433 t·hm?2·a?1，土壤碳匯效應(yīng)明顯；而灌木林地隨恢復(fù)年限的增加，其表層土壤的平均固碳速率持續(xù)下降，在恢復(fù)年限>50 a時(shí)，降到最低值?0.046 t·hm?2·a?1，土壤碳匯作用持續(xù)減弱。草地表層土壤的平均固碳速率在恢復(fù)年限為21—35 a時(shí)，達(dá)到最大值，為 0.251 t·hm?2·a?1，表現(xiàn)為碳匯，之后隨恢復(fù)年限的增加，開(kāi)始持續(xù)下降，在恢復(fù)年限為36—50 a時(shí)，平均固碳速率下降為負(fù)值，當(dāng)恢復(fù)年限>50 a時(shí)，其表層土壤平均固碳速率降到最低值，僅為?0.134 t·hm?2·a?1。

總體來(lái)看，以退耕20 a和50 a為界，3種植被恢復(fù)類型表層土壤的固碳效應(yīng)可分為短期、中期和長(zhǎng)期等3個(gè)階段。從短期（<20 a）來(lái)看，退耕還林還草的土壤固碳效應(yīng)不明顯，甚至導(dǎo)致了表層SOC含量和儲(chǔ)量的降低，而退耕還灌的短期土壤固碳效應(yīng)顯著；從中期（20—50 a）來(lái)看，隨著恢復(fù)年限的增加，林地和灌木林地的表層土壤表現(xiàn)出明顯的增匯效應(yīng)，而草地在恢復(fù)21—35 a后，土壤固碳效應(yīng)達(dá)到最高值，之后土壤固碳效應(yīng)迅速衰減。從長(zhǎng)期來(lái)看（>50 a），僅有林地土壤碳增匯效應(yīng)仍然顯著，而灌木林地和草地的SOC含量和SOC儲(chǔ)量，均下降至低于對(duì)照農(nóng)田，尤其是草地土壤固碳效應(yīng)的下降趨勢(shì)更加明顯。由此表明，在晉西北黃土丘陵區(qū)，退耕還林在中期和長(zhǎng)期的土壤固碳效應(yīng)非?？捎^，而灌木林地在短期和中期的土壤固碳效應(yīng)表現(xiàn)顯著；對(duì)于草地，僅在退耕中期（21—35 a）表現(xiàn)出一定的土壤固碳效應(yīng)，在短期和長(zhǎng)期來(lái)看，土壤固碳效應(yīng)不明顯。從土壤的平均固碳速率變化來(lái)看，林地?zé)o論在退耕中期和長(zhǎng)期，均表現(xiàn)出明顯和相對(duì)穩(wěn)定的土壤固碳速率，而灌木地表層的土壤平均固碳速率在退耕早期（<20 a）最快，之后隨恢復(fù)年限的增加，而持續(xù)降低。而草地除在21—35 a，土壤平均固碳速率表現(xiàn)為正值，其余恢復(fù)階段均表現(xiàn)為負(fù)值，尤其是退耕早期（<20 a），與對(duì)照農(nóng)田相比，土壤碳損失的速度最快（土壤平均固碳速率為負(fù)值，且處于最低值）。

2.2 土壤全氮對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)

2.2.1 不同植被恢復(fù)類型及恢復(fù)年限下的 STN 含量與儲(chǔ)量

從表層土壤全氮（STN）對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)來(lái)看（見(jiàn)圖2），不同植被恢復(fù)類型下的表層STN含量、儲(chǔ)量存在明顯差異，且隨恢復(fù)年限的增加，表現(xiàn)出不同的變化特征。從STN含量來(lái)看，在退耕初期（<20 a），與對(duì)照農(nóng)田相比（0.78 g·kg?1），林地表層STN含量?jī)H為對(duì)照農(nóng)田78.95%；之后，隨著恢復(fù)年限的增加，林地表層 STN含量呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但均高于對(duì)照農(nóng)田，并在恢復(fù)年限>50 a達(dá)到最大值（1.57 g·kg?1），為對(duì)照農(nóng)田的2.02倍。灌木和草地表層STN含量隨恢復(fù)年限的增加，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，其變化范圍分別為 0.54—1.78、0.54—1.08 g·kg?1，并在退耕 21—35 a 均達(dá)到最大值，分別為對(duì)照農(nóng)田的2.29倍和1.39倍；此后，隨恢復(fù)年限的增加，兩者的表層 STN含量均持續(xù)降低，并在恢復(fù)年限（>50 a后），降到最低值，分別僅相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的69.08%和69.94%。

圖2 不同植被類型及不同恢復(fù)年限下的表層（0—20 cm）土壤全氮的變化特征Fig. 2 Variation characteristics of soil total nitrogen in the surface layer (0–20 cm) under different vegetation types and different restoration years

STN儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)和STN含量基本相似，退耕初期（<20 a），林地和草地的表層STN儲(chǔ)量，分別為 1.83 t·hm?2和 2.09 t·hm?2，均低于對(duì)照農(nóng)田（2.27 t·hm?2），分別相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的 80.31%和91.99%，而灌木地的STN儲(chǔ)量為2.88 t·hm?2，比對(duì)照農(nóng)田高27%。退耕21—35 a后，林地、灌木和草地等表層STN儲(chǔ)量顯著提升，分別為3.71、3.67和3.28 t·hm?2，相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田STN儲(chǔ)量的1.63、1.62和1.44倍。之后，隨恢復(fù)年限的增加，林地表層STN儲(chǔ)量在略微下降后繼續(xù)增加，并在恢復(fù)年限>50 a后達(dá)到最大值（4.13 t·hm?2），相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的1.81倍，而灌木林地表層STN儲(chǔ)量在保持相對(duì)穩(wěn)定后，在退耕36—50 a后開(kāi)始大幅降低，并在恢復(fù)年限>50 a后，降到最低值（1.59 t·hm?2），僅相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的69.76%；草地土壤表層STN儲(chǔ)量則表現(xiàn)為持續(xù)下降，并在恢復(fù)年限>50 a后，也降到最低值（1.72 t·hm?2），僅相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田STN儲(chǔ)量的75.42%。

2.2.2 不同植被恢復(fù)類型及恢復(fù)年限下的土壤固氮效應(yīng)與平均固氮速率

從固氮效應(yīng)來(lái)看，退耕早期（<20 a），林地和草地的表層土壤固氮效應(yīng)均為負(fù)值?0.20和?0.08，分別為表現(xiàn)為氮虧損；而灌木的固氮效應(yīng)為正值，為0.27。隨著恢復(fù)年限的增加，林地的固氮效應(yīng)在波動(dòng)中呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，其值變化范圍為0.49—0.81，土壤氮匯效應(yīng)日益顯著。而灌木林地表層土壤的固氮效應(yīng)表現(xiàn)為先增加后減少，并在退耕>50 a時(shí)，土壤固氮效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（?0.30）。草地土壤的固氮效應(yīng)變化也經(jīng)歷了先增加后減小的過(guò)程，當(dāng)退耕35—50 a后降到接近0，退耕>50 a后，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（?0.25）。從平均固氮速率來(lái)看，在退耕初期（<20 a），與對(duì)照農(nóng)田相比，林地和草地表層 STN 儲(chǔ)量分別以?0.025 t·hm?2·a?1和?0.01 t·hm?2·a?1的速率減少，而灌木林地表層 STN 儲(chǔ)量則以 0.034 t·hm?2·a?1的速率增加。之后，隨著恢復(fù)年限的增加，林地表層土壤的平均固氮速率顯著提升，并在退耕 21—35 a后達(dá)到最大值，為 0.041 t·hm?2·a?1，此后，林地土壤的平均固氮速率雖有所減慢，但仍然保持以 0.025 t·hm?2·a?1的增加。灌木林地表層土壤平均固氮速率隨恢復(fù)年限的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，退耕>50 a后，灌木地土壤的平均固氮速率轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。草地的土壤平均固氮速率也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，退耕21—35 a，其平均固氮速率達(dá)到最大值，為 0.029 t·hm?2·a?1，退耕36—50 a，其平均固氮速率快速下降，退耕>50 a后，其平均固氮速率轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（?0.01 t·hm?2·a?1）。

2.3 土壤有機(jī)碳與總氮、C/N、土壤含水量和容重的相關(guān)分析

由表2可知，退耕還林還草后的表層SOC含量與 STN含量、C/N和土壤含水量呈明顯的正相關(guān)，即植被恢復(fù)后表層SCO含量的增加，可以有效地促進(jìn)STN的積累。SOC含量與土壤含水量?jī)烧咭泊嬖谡嚓P(guān)，即表明，土壤水分條件的改善有利于促進(jìn) SOC的積累，但二者的相關(guān)性不如土壤碳氮顯著。STN與土壤含水量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，土壤水分條件的變化對(duì)于 STN的影響程度甚至高于SOC。土壤 C/N與 SOC存在明顯的正相關(guān)（P<0.01），而與STN的相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平（P>0.05），這表明土壤C/N受SOC的影響較大。土壤容重是土壤最重要的物理性質(zhì)之一，不僅能反映土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力水平，而且是區(qū)域尺度土壤碳貯量估算的重要參數(shù)。本文的研究表明：SOC、STN均與土壤容重之間呈顯著的負(fù)相關(guān)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論保持一致（柴華等，2016），但STN與土壤容重的相關(guān)性不如 SOC與土壤容重的相關(guān)性顯著。在黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中，隨著SOC含量的增加，會(huì)改變土壤顆粒的膠結(jié)狀況，從而導(dǎo)致土壤容重的降低。

表2 土壤有機(jī)碳與總氮、碳氮比、土壤含水量以及土壤容重的相關(guān)分析表Table 2 Correlation analysis between SOC content and STN content,C/N, soil moisture and soil bulk density

3 討論

3.1 不同植被恢復(fù)類型對(duì)于土壤碳氮的影響

土地利用變化是影響黃土高原土壤碳氮蓄積的關(guān)鍵因素。大量研究結(jié)果表明：在黃土高原地區(qū)，植被恢復(fù)后土壤碳氮存在較強(qiáng)的表聚效應(yīng)，即表層（0—20 cm）的土壤碳氮增加最為顯著，固存潛力較大（Wang et al.，2011；Deng et al.，2018；李裕元等，2007；許明祥等，2012；董云中等，2014），因此本文研究晉西北典型生態(tài)恢復(fù)區(qū)不同植被恢復(fù)下的表層（0—20 cm）土壤的碳氮特征，能夠很好地反映和表征土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)對(duì)于植被恢復(fù)的響應(yīng)。但黃土高原地域遼闊，不同地區(qū)植被恢復(fù)下的土壤碳氮固存效應(yīng)仍存在較大的差異性。一些研究表明：在退耕還林（草）后植被恢復(fù)過(guò)程中，自然恢復(fù)的草地的固碳功能要優(yōu)于林地和灌木（Chen et al.，2007；Jin et al.，2014）。但也有一些研究認(rèn)為，退耕還林（草）后，林地能比灌木和草地固定更多的土壤有機(jī)碳（Wang et al.，2011；劉玉林等，2018；馮棋等，2019）。本文的研究表明：在黃土丘陵區(qū)，通過(guò)植被恢復(fù)可以顯著提升土壤的碳氮蓄積，但不同植被類型隨恢復(fù)年限的增加，其土壤碳氮蓄積效應(yīng)存在明顯的差異。在耕作和施肥影響下，農(nóng)田的表層 SOC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。在恢復(fù)初期（<20 a），由于植被生長(zhǎng)的不斷消耗，表層 SOC含量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)降低的過(guò)程，但與林草地相比，灌木林地土壤碳氮含量提升較為明顯，原因在于研究區(qū)以沙棘為主的灌木林在短期內(nèi)能夠迅速成林，相對(duì)于林地和草地具有更高的植被生產(chǎn)力，同時(shí)沙棘具有很強(qiáng)的固氮能力，能夠?yàn)槠渖L(zhǎng)提供養(yǎng)分，從而促進(jìn)表層土壤有機(jī)碳的快速積累。此外，沙棘根系具有串根萌蘗的特性，抗沖刷侵蝕能力強(qiáng)，從而有效地防止了表層土壤碳氮的流失，由此使灌木地表層土壤在短期恢復(fù)后，即能保持較高的土壤碳氮蓄積能力。而林地和草地在恢復(fù)早期，根系并不發(fā)達(dá)，凋落物較少，導(dǎo)致恢復(fù)初期表層土壤固碳（氮）效應(yīng)不明顯。Chen et al.（2007）的研究表明灌木比其他純林恢復(fù)模式土壤固碳（氮）效果更好。Deng et al.（2018）的研究也表明在黃土高原的植被恢復(fù)過(guò)程中，相對(duì)于草地和林地，種植灌木能獲得長(zhǎng)期更好的土壤固存碳氮效應(yīng)（>20 a）。本文的研究結(jié)果與Chen et al.（2007）和Deng et al.（2018）基本一致，所不同之處在于，隨著植被恢復(fù)年限的增加，灌木林地表層土壤的碳氮蓄積效應(yīng)開(kāi)始衰減，當(dāng)恢復(fù)年限>50 a時(shí)，相對(duì)于灌木和草地，喬木林地表層土壤表現(xiàn)出了更好的土壤碳氮蓄積能力，其原因在于，隨著恢復(fù)年限的增加，與灌木和草地相比，喬木根系更加發(fā)達(dá)，表層凋落物較多，有機(jī)物輸入量更大，導(dǎo)致其表層土壤碳氮含量明顯高于灌木和草地（王志齊等，2016）。此外，喬木林發(fā)達(dá)的根系更有利于降低土壤侵蝕速率，減緩表層土壤碳氮的流失；而灌木林地和草地隨著恢復(fù)年限的增加，逐步趨于老化與退化，其根系對(duì)于土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)能力持續(xù)減弱，同時(shí)對(duì)地表土壤侵蝕的減緩作用進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致其表層土壤碳氮含量和儲(chǔ)量趨于下降，這與和黨珍珍等（2015）和馮棋等（2019）的研究結(jié)論一致。

3.2 不同植被恢復(fù)類型下的平均土壤固碳速率

從植被恢復(fù)表層土壤的平均固碳速率來(lái)看，Zhang et al.（2010）研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原退耕還林后表層土壤有機(jī)碳固存速率為 0.37 Mg·hm?2·a?1；而Chang et al.（2012）表明該區(qū)表層土壤固碳速率為0.173 Mg·hm?2·a?1；鄧?yán)伲?014）通過(guò)建立土壤固碳量（ΔCs）與恢復(fù)年限之間的一元線性回歸方程，估算了黃土高原地區(qū)退耕還林（草）的平均固碳速率為 0.29 Mg·hm?2·a?1。不同研究者的研究結(jié)果仍然存在較大差異，表明黃土高原地區(qū)在植被恢復(fù)下，表層土壤固碳速率的估算仍存在較大不確定性。本文的研究結(jié)果表明：在晉西北黃土高原地區(qū)，通過(guò)退耕還林，林地表層土壤中長(zhǎng)期（>50 a）的平均固碳速率可達(dá) 0.42—0.49 t·hm?2·a?1，高于其他學(xué)者對(duì)于黃土高原地區(qū)退耕還林表層土壤的平均固碳速率的估算值。Hong et al.（2020）的研究結(jié)果也表明：植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響取決于本底土壤碳儲(chǔ)量，在土壤本底有機(jī)碳豐富的區(qū)域，造林會(huì)降低土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，尤其是深層土壤的有機(jī)碳含量；而在土壤本底有機(jī)碳較為貧瘠的區(qū)域，造林則會(huì)促進(jìn)土壤碳的積累，且在土壤表層最為顯著。晉西北右玉縣過(guò)去由于不合理的土地利用，水土流失嚴(yán)重，土地沙化嚴(yán)重，與黃土高原其他地區(qū)相比，這一地區(qū)的土壤本底有機(jī)碳含量較低，通過(guò)大規(guī)模的退耕還林（草）的生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施，可以促進(jìn)表層土壤有機(jī)碳的快速積累。

在黃土高原地區(qū)退耕還林（草）過(guò)程中，不同植被恢復(fù)類型，對(duì)于促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累的速率存在顯著差異。鄧?yán)伲?014）研究表明，在降雨量較低的黃土高原北部（<450 mm），與林地和灌木林相比，草地表現(xiàn)出較高的土壤固碳速率。而本文的研究表明，在氣候干旱、降水較少和風(fēng)蝕嚴(yán)重的黃土高原北部地區(qū)（晉西北），無(wú)論是中期還是長(zhǎng)期來(lái)看，退耕還林（灌），均比還草表現(xiàn)除了更高的固碳速率，而退耕還草的表層土壤固碳速率隨恢復(fù)年限的增加，表現(xiàn)為先增加后減少，這和董云中等（2014）的研究結(jié)果較為一致，這是因?yàn)橹脖换謴?fù)表層土壤的有機(jī)碳輸入主要取決于地表凋落物和根系，與草地相比，林地和灌木地根系發(fā)達(dá)，表層凋落物較多，有機(jī)碳輸入較多，會(huì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，同時(shí)可以有效降低土壤侵蝕速率，減少表層土壤有機(jī)碳的流失。因此，在黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)的表層土壤平均固碳速率的估算中，應(yīng)充分重視區(qū)域自然環(huán)境本底、植被類型、恢復(fù)年限等多種因素，尤其在相關(guān)模型的構(gòu)建中，如果忽視對(duì)以上因素的綜合考慮，將會(huì)極大增加模型估算結(jié)果的不確定性。

4 結(jié)論

（1）晉西北黃土丘陵區(qū)退耕還林（草）的土壤碳氮蓄積效應(yīng)，以20 a和50 a為界，可分為短期、中期和長(zhǎng)期3個(gè)階段。退耕還林在中期（21—50 a）和長(zhǎng)期（>50 a）的土壤固碳（氮）效應(yīng)相當(dāng)可觀，退耕還灌在短期（<20 a）和中期（21—50 a）的土壤固碳（氮）效應(yīng)表現(xiàn)顯著，對(duì)于草地，僅在退耕中期（21—35 a）表現(xiàn)出明顯的土壤固碳（氮）效應(yīng)。因此，在評(píng)估黃土高原植被恢復(fù)的土壤碳氮效應(yīng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同植被類型和不同恢復(fù)時(shí)期的階段效應(yīng)。

（2）從3種植被類型表層土壤碳氮蓄積速率的變化來(lái)看，林地在退耕中期和長(zhǎng)期，其表層土壤均表現(xiàn)出較高的碳氮蓄積速率；灌木林地在退耕早期（<20 a），其表層土壤碳氮蓄積速率最快，之后，隨恢復(fù)年限的增加，趨于下降，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（>50 a）；草地僅在退耕21—35 a，土壤碳氮蓄積速率為正值，土壤碳氮增匯效應(yīng)明顯，其余階段均為負(fù)值，表現(xiàn)為碳氮虧損。

（3）退耕還林（草）的表層SOC含量與STN含量、C/N和土壤含水量呈明顯的正相關(guān)，與土壤容重之間呈顯著的負(fù)相關(guān)。土壤C/N與SOC相關(guān)的顯著性要高于其與STN，表明土壤C/N受SOC的影響較大；土壤水分條件的改善可以促進(jìn)SOC和STN的積累，其對(duì)表層STN的影響程度甚至高于SOC。