黃土高原丘陵區(qū)典型退耕恢復(fù)植被土壤碳分布特征及其影響因素①

沙國(guó)良，陳宇軒，魏天興*，任 康，郭 鑫，傅彥超

黃土高原丘陵區(qū)典型退耕恢復(fù)植被土壤碳分布特征及其影響因素①

沙國(guó)良1,2，陳宇軒1,2，魏天興1,2*，任 康1,2，郭 鑫1,2，傅彥超1,2

(1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2 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)

為深入了解退耕地植被恢復(fù)對(duì)土壤碳庫(kù)的影響，選取黃土高原丘陵區(qū)典型退耕還林樹(shù)種沙棘、油松、山杏和山杏油松混交林0 ～ 100 cm土壤為研究對(duì)象，以天然草地土壤為對(duì)照，運(yùn)用方差分析、冗余分析和隨機(jī)森林模型等方法，探究黃土高原丘陵區(qū)典型退耕恢復(fù)植被有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳、全碳含量分布特征及其影響因素。結(jié)果表明：①研究區(qū)各植被平均土壤全碳含量為1.685 ～ 1.898 g/kg，平均土壤有機(jī)碳含量山杏(0.368 g/kg)>草地(0.299 g/kg)>沙棘(0.250 g/kg)>油松(0.233 g/kg)>油松山杏混交(0.209 g/kg)，平均土壤無(wú)機(jī)碳含量為平均土壤有機(jī)碳含量的5.6倍；②所有植被土壤深層(60 ～ 100 cm)無(wú)機(jī)碳含量均無(wú)顯著差異；除油松外各植被表層(0 ～ 20 cm)土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他土層(<0.05)；③坡向、坡度、海拔、土地利用類(lèi)型、土壤含水量、土壤黏粒、有效磷和速效氮共解釋了78%、24% 和77% 的有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳和全碳含量變化，其中海拔、坡向和土壤含水量為研究區(qū)土壤碳含量變化的主要影響因素(<0.05)。在黃土高原植被恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)充分考慮地形因子和土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤碳含量分布的影響。本研究結(jié)果可為正確評(píng)估人工林土壤碳儲(chǔ)量及其生態(tài)效益提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

黃土高原；有機(jī)碳；無(wú)機(jī)碳；分布特征；影響因素

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫(kù)，其碳動(dòng)態(tài)(固存、分解、釋放)的微弱變化將導(dǎo)致土壤與大氣間碳通量的巨大改變，對(duì)全球氣候變化和碳循環(huán)具有重要意義[1]。相關(guān)研究表明，大規(guī)模植樹(shù)造林對(duì)土壤碳庫(kù)具有巨大影響，但針對(duì)造林對(duì)土壤碳庫(kù)的具體影響目前仍存在爭(zhēng)議[2-3]，因其很大程度上取決于不同的恢復(fù)植被、地形和土壤理化性質(zhì)等自然條件[4]。不同植被具有不同的生物量和功能組成，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致碳輸入的分解和轉(zhuǎn)化率存在顯著差異[5]。地形造成的局部光照和土壤含水量等差異，不僅會(huì)影響森林物種組成和群落結(jié)構(gòu)[6]，還會(huì)影響土壤風(fēng)化和發(fā)育，間接影響土壤碳庫(kù)。土壤養(yǎng)分如氮、磷元素的輸入和有效性可通過(guò)調(diào)節(jié)植物光合作用和凋落物分解，從而影響土壤碳積累[7]。因此，了解不同植被土壤碳分布特征及其影響因素對(duì)正確評(píng)估碳儲(chǔ)量和了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有重要意義。

黃土高原自1999年起實(shí)施了大規(guī)模退耕還林，長(zhǎng)期植被恢復(fù)使得土壤碳庫(kù)發(fā)生了巨大變化，不同學(xué)者針對(duì)黃土高原不同恢復(fù)植被土壤碳庫(kù)特征開(kāi)展了大量研究。如張智勇等[8]認(rèn)為在大吉溝人工林碳匯系統(tǒng)中沙棘林功能最優(yōu)；劉偉等[9]指出在黃土高原不同草地類(lèi)型中土壤碳含量主要分布在0 ～ 40 cm；張宏等[10]指出自然恢復(fù)群落比人工林群落在碳固存上更有優(yōu)勢(shì)。然而，一方面黃土高原土壤中具有大量無(wú)機(jī)碳(SIC)，過(guò)往研究集中于單一有機(jī)碳(SOC)將會(huì)低估陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳效益和碳匯功能[11]；另一方面，雖已有研究對(duì)土壤碳分布特征的影響因素進(jìn)行了探索[12]，但目前尚不清楚植被恢復(fù)過(guò)程中各環(huán)境因子對(duì)土壤碳分布影響的相對(duì)重要性。

鑒于此，本文選取黃土高原丘陵退耕地油松林()、山杏林()、山杏油松混交林()和沙棘林()為研究對(duì)象，天然草地作為對(duì)照，綜合分析SOC、SIC垂直分布特征，并采用隨機(jī)森林方法確定各環(huán)境因子的重要性，深入了解環(huán)境因子對(duì)土壤碳的作用機(jī)制，以期為正確評(píng)估人工林土壤碳儲(chǔ)量及其生態(tài)效益提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣(107°39′ ～ 108°33′E，36°33.5′ ～ 37°24.5′N(xiāo))，吳起縣面積3 791.5 km2，地處黃土高原中部，地貌為黃土梁狀丘陵溝壑，海拔1 235 ～ 1 744 m。土壤多為黃綿土，土層深厚，呈弱堿性。吳起縣屬半干旱地區(qū)，溫帶大陸性季風(fēng)氣候顯著，年平均降水量483.4 mm，年均溫7.8 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 435.7 h，≥10 ℃積溫2 883 ℃，無(wú)霜期146 d。自1999年大規(guī)模退耕還林以來(lái)，全縣退耕還林面積達(dá)243.19萬(wàn)畝(15畝= 1 hm2)，形成了以沙棘、油松、山杏、刺槐()、檸條()等為主的人工植被群落。

1.2 樣品采集與分析

于2020年9月在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)退耕恢復(fù)植物分布特點(diǎn)進(jìn)行采樣，選取20 m×20 m的天然草地(GL)、油松林(PT)、山杏林(AS)、山杏油松混交林(A-P)、沙棘林(HR)樣地，并用手持GPS記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔，樣地基本信息如表1所示，樣地空間距離大于1 km。樣地內(nèi)部采集深度為100 cm，依次間隔20 cm深度取土壤樣品，各土層重復(fù)采樣3次，同層混合均勻后封裝，共計(jì)75個(gè)土壤樣品。同時(shí)使用環(huán)刀采集原狀土，烘干法測(cè)量容重，鋁盒收集鮮土用烘干法測(cè)量土壤含水量。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干處理后，過(guò)2 mm篩，去除礫石和植物細(xì)根，樣品預(yù)處理后，使用激光粒度分析儀測(cè)定土壤粒度組成。堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤速效氮，鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷。樣地基本理化性質(zhì)如表2所示。SOC含量由風(fēng)干樣品過(guò)0.25 mm篩后，用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)得[13]；通過(guò)全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定土壤全碳(TC)含量；SIC含量根據(jù)SIC=TC–SOC獲得。

表1 樣地基本信息

表2 樣地土壤基本理化性質(zhì)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用IBM SPSS Statistics 25.0進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)正態(tài)性；單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同恢復(fù)植被和不同深度的土壤碳含量差異；經(jīng)方差齊性檢驗(yàn)后使用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(<0.05)。為探究土壤碳含量與環(huán)境變量的相關(guān)性，使用R 4.1.0進(jìn)行冗余分析(RDA)和相關(guān)性分析并繪圖，冗余分析中以SOC、SIC和TC為響應(yīng)變量，海拔(Ele)、坡度(SG)、坡向(SA)、黏粒含量(Clay)、土壤含水量(SWC)、容重(BD)、有效磷(AP)、速效氮(AN)和土地利用類(lèi)型(Landuse)為解釋變量。并使用R4.1.0 Random forest包進(jìn)行隨機(jī)森林回歸(ntree=500，mtry=3)，使用均方根誤差變化以檢驗(yàn)環(huán)境因子對(duì)土壤碳含量的重要性。并通過(guò)隨機(jī)置換1 000次執(zhí)行了影響因素的顯著性檢驗(yàn)，Origin 2019 b用于描述統(tǒng)計(jì)分析和繪制統(tǒng)計(jì)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被下的土壤碳含量

由表3可知，研究區(qū)0 ～ 100 cm SOC含量最大值0.697 g/kg(HR)，最低含量0.087 g/kg(HR)。平均SOC含量由大到小排序?yàn)锳S(0.368 g/kg)>GL (0.299 g/kg)> HR(0.250 g/kg)>PT(0.233 g/kg)>A-P (0.209 g/kg)。不同恢復(fù)植被下SOC含量變異系數(shù)均在10% ～ 100%，具有中等程度的變異，表現(xiàn)為HR>A-P>PT>GL>AS。

研究區(qū)SIC含量范圍在1.319 ～ 1.851 g/kg，最高含量出現(xiàn)在AS(1.851 g/kg)，最低含量出現(xiàn)在PT(1.319 g/kg)，平均SIC約為SOC含量的5.6倍，平均SIC含量由大到小排序?yàn)镠R(1.553 g/kg) > A-P(1.551 g/kg)>AS(1.531 g/kg)>GL(1.501 g/kg)>PT (1.452 g/kg)。各恢復(fù)植被下SIC含量呈弱變異性(CV<10%)，表現(xiàn)為AS>PT>GL>HR>A-P。

研究區(qū)TC最大含量出現(xiàn)在AS，為2.182 g/kg；最小含量出現(xiàn)在HR，為1.603 g/kg。平均TC含量由大到小排序?yàn)锳S(1.898 g/kg)>HR(1.803 g/kg)>GL (1.797 g/kg)>A-P(1.760 g/kg)>PT(1.685 g/kg)。各恢復(fù)植被下TC呈弱變異性(CV<10%)，變異系數(shù)由大到小排序?yàn)镠R>AS>A-P>GL>PT。

表3 不同恢復(fù)植被下土壤碳含量描述統(tǒng)計(jì)(g/kg)

2.2 不同植被下土壤碳垂直分布特征

如圖1所示，不同恢復(fù)植被SOC含量垂直變化存在差異，GL與HR的SOC隨土壤深度增加逐漸減少，HR減少趨勢(shì)更顯著，0 ～ 20 cm土層SOC含量約是80 ～ 100 cm的5.2倍。AS與A-P中的SOC隨土層深度增加存在先減少后增加的現(xiàn)象。除PT外，0 ～ 40 cm內(nèi)各恢復(fù)植被SOC含量超過(guò)剖面SOC總含量的50%，各恢復(fù)植被0 ～ 20 cm土壤SOC含量顯著高于深層土(<0.05)。PT各土層SOC含量沒(méi)有顯著差異。各深度上不同恢復(fù)植被SOC含量A-P均顯著小于PT、AS、HR(除60 ～ 80 cm)，AS與GL在各深度上SOC含量均無(wú)顯著差異。

(圖中大寫(xiě)字母不同表示同一土層不同植被間差異達(dá)P<0.05顯著水平，小寫(xiě)字母不同表示同一植被類(lèi)型下不同土層間差異達(dá)P<0.05顯著水平)

0 ～ 20 cm，GL的SIC含量顯著小于其他恢復(fù)植被(<0.05)，在較深土層(60 ～ 100 cm)，不同恢復(fù)植被SIC含量并無(wú)顯著差異。同種恢復(fù)植被SIC含量隨土壤深度增加變化不顯著。

各恢復(fù)植被TC含量均在0 ～ 20 cm達(dá)到最大值，隨深度增加TC含量逐漸減少。在各個(gè)深度PT的TC含量都小于其他恢復(fù)植被，AS中的TC含量均高于其他恢復(fù)植被，HR與A-P的TC含量無(wú)顯著差異。

2.3 土壤碳影響因素

RDA分析第一二排序軸分別解釋了總方差的51.9% 和 17.5%，全模型顯著性檢驗(yàn)<0.05，速效氮(=24.02,<0.001)、土壤容重(=66.78,<0.001)、土壤含水量(=31.71,<0.001)和黏粒含量(=31.71,=0.002)為主要環(huán)境因子，分別解釋了49.69%、13.97%、15.90% 和12.74% 的研究區(qū)土壤碳含量變化。冗余分析和相關(guān)性分析的結(jié)果表明，SOC與土壤黏粒、有效磷、坡向和坡度呈正相關(guān)，與速效氮呈極顯著正相關(guān)(<0.001)，相關(guān)性大小表現(xiàn)為速效氮>有效磷>坡向>坡度>土壤黏粒；而SOC與土地利用類(lèi)型、海拔、土壤容重和土壤含水量表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)，其中土壤含水量與SOC相關(guān)性最大。SIC與SOC呈負(fù)相關(guān)；SIC與環(huán)境因子的相關(guān)性較弱，關(guān)系多為不顯著負(fù)相關(guān)，僅與海拔呈正相關(guān)，與有效磷呈顯著正相關(guān)(<0.05)。TC與SOC和SIC呈正相關(guān)(圖2、圖3)。

隨機(jī)森林回歸結(jié)果如圖4所示，模型分別解釋了78%、24%、77% 的土壤SOC、SIC、TC含量變化。所有變量中坡向、海拔、土壤黏粒含量、土壤容重、土壤水分含量及速效氮是土壤SOC含量的重要影響因子，重要性前三的因子分別為速效氮、土壤水分含量與土壤黏粒含量，重要性累計(jì)達(dá)到對(duì)土壤SOC含量變異的56.79%(圖4A)。而黏粒含量、土壤含水量、海拔和坡向是影響土壤SIC含量的重要影響因子(圖4B)；土壤含水量、海拔、坡向、坡度、速效氮、土壤容重和土地利用類(lèi)型在土壤TC含量中有重要影響(圖4C)。不同恢復(fù)植被中，坡向、海拔和土壤含水量均顯著影響了SOC、SIC和TC(<0.05)，三者總計(jì)在SOC中重要性達(dá)到38.07%，SIC重要性達(dá)到41.64%，TC中重要性達(dá)到36.41%。

(AP、AN、SA、SG、Clay、BD、SWC、Landuse、Ele分別代表有效磷、速效氮、坡向、坡度、土壤黏粒含量、土壤容重、土壤含水量、土地利用類(lèi)型和海拔，下同)

3 討論

3.1 土壤碳含量分布特征

SOC含量主要取決于動(dòng)植物碳輸入與土壤有機(jī)質(zhì)分解[14]。研究區(qū)不同植被SOC存在明顯表層富集現(xiàn)象，這與前人研究結(jié)果一致[15]。主要原因是大量凋落物帶來(lái)的外源有機(jī)質(zhì)輸入經(jīng)過(guò)土壤微生物分解后，增加了表層土壤的SOC含量。此外，凋落物質(zhì)量對(duì)SOC也具有重要影響，不同植被類(lèi)型凋落物C/N差異影響了其分解速率，具有高質(zhì)量(低C/N)的闊葉凋落物更容易分解，因此，本研究中AS的SOC高于PT。值得注意的是，相關(guān)研究表明在植被恢復(fù)后期，針葉樹(shù)種對(duì)SOC固存的貢獻(xiàn)將會(huì)超過(guò)闊葉樹(shù)種[16]。

隨土層深度增加，SOC含量逐漸減少，各恢復(fù)植被SOC在20 ～ 100 cm土層無(wú)顯著差異，這與Fang等[17]的研究結(jié)果一致。隨深度增加，土壤理化性質(zhì)變得更為穩(wěn)定，同時(shí)淋溶作用減弱，凋落物輸入減少，植物根系密度減小，微生物活性降低，都會(huì)導(dǎo)致SOC含量垂直分布變化減弱。本研究中AS的SOC變異系數(shù)最小，各土層SOC含量均高于其他恢復(fù)植被，且相關(guān)研究表明山杏純林對(duì)保持深層土壤水也有良好效果[18]，因此黃土高原植被恢復(fù)樹(shù)種可以?xún)?yōu)先選擇山杏。此外，本研究結(jié)果表明混交林在固存SOC上并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，這和前人研究結(jié)果不符[19]。SOC受混交模式的影響，不同混交模式下微生物對(duì)碳源利用具有選擇性[20]。山杏油松混交林屬于非固氮樹(shù)種混交，限制了植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，且本研究中立地條件超出了山杏油松混交林適宜生長(zhǎng)范圍[21]，種間競(jìng)爭(zhēng)超過(guò)協(xié)同促進(jìn)作用，導(dǎo)致了更低的生物量積累，進(jìn)而影響SOC含量，這在一定程度上說(shuō)明了混交樹(shù)種的選擇要充分考慮植物生理協(xié)同作用和地區(qū)性因素。

(顏色深淺代表相關(guān)性絕對(duì)值大小，橢圓左上右下走向代表正相關(guān)，右上左下走向代表負(fù)相關(guān)，***、**、* 分別表示P<0.001、P<0.01和P<0.05顯著性，下同)

圖4 環(huán)境因子對(duì)土壤碳含量的相對(duì)重要性

SOC與SIC具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，本研究中草地SIC隨土層深度增加呈上升趨勢(shì)，一方面草地土壤質(zhì)地較細(xì)，持水性較強(qiáng)，更有利于形成和保護(hù)SOC顆粒[22]，進(jìn)而影響了SIC。另一方面草地地表植被覆蓋高，碳輸入與周轉(zhuǎn)速度快，土壤SOC在分解過(guò)程中產(chǎn)生的CO2降低了土壤中交換性Ca+有效性，加速了碳酸鹽溶解，并在深層土壤中再次沉淀[23]。總之，本研究SIC隨土壤深度增加變化不大，各恢復(fù)植被在60 ～ 100 cm土層上SIC含量無(wú)顯著差異。

3.2 影響土壤有機(jī)碳含量的因素

不同空間尺度下影響SOC含量的驅(qū)動(dòng)性因素不同，在小區(qū)域尺度上氣溫和降水變異不大，因此SOC含量的差異可歸因于土地利用類(lèi)型、土壤質(zhì)地、地形、土壤養(yǎng)分等環(huán)境因素[24-25]。隨機(jī)森林結(jié)果表明，研究區(qū)土壤0 ～ 100 cm SOC受土地利用類(lèi)型影響較小，這與前人的研究不符[26]。但在其他地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似結(jié)論，如Rabbi等人[27]的研究中土地利用類(lèi)型僅解釋了1.4% 的SOC變化。這可能是在干旱、半干旱地區(qū)，SOC向深層土壤運(yùn)動(dòng)受到土壤水分條件限制，使得土地利用類(lèi)型對(duì)SOC的影響主要集中在土壤表層。

海拔等地形因子通過(guò)水熱再分配進(jìn)而影響SOC的空間分布。海拔與SOC呈負(fù)相關(guān)，這與鄭梓萱和曾辰[28]的研究結(jié)果一致。海拔上升，導(dǎo)致溫度下降，濕度增加，植物生長(zhǎng)受限，地上生物量減少，凋落物歸還受阻，SOC含量下降。坡向?qū)е碌奶?yáng)輻射強(qiáng)度差異，影響了植物分布與生長(zhǎng)；此外，有研究表明，坡向顯著影響了土壤微生物的活性[29]，控制了植物有機(jī)質(zhì)輸入和分解，從而影響了SOC。除地形因子外，SOC也受到土壤理化性質(zhì)不同程度的影響，其中土壤質(zhì)地與SOC有著密切關(guān)聯(lián)，研究表明土壤黏粒含量與SOC呈顯著正相關(guān)[30]，土壤黏粒通過(guò)形成團(tuán)聚體提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少SOC與氧氣的接觸，削弱微生物分解作用，保護(hù)SOC，還可通過(guò)調(diào)控微生物代謝底物和所需營(yíng)養(yǎng)濃度，從而影響SOC的垂直分布[31]。土壤碳氮具有高度關(guān)聯(lián)，本研究中AN與SOC呈正相關(guān)，重要性也最高，與常帥等人[32]的研究結(jié)果一致。N元素影響植被生長(zhǎng)，調(diào)控凋落物數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而影響SOC[33]。需要指出的是，隨著林地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展，SOC不斷積累，N限制對(duì)微生物的影響將超過(guò)C限制，當(dāng)微生物代謝所需營(yíng)養(yǎng)受限時(shí)，將影響SOC礦化速率[34]。

本研究中土壤含水量與SOC表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，這與Wang等人[35]在黃土高原不同地形序列上的研究結(jié)果一致。在一定范圍內(nèi)，在高含水量條件下溶解性有機(jī)碳增多，同時(shí)增強(qiáng)了土壤微生物呼吸作用的底物有效性，加速了SOC礦化[36]。在黃土高原地區(qū)，水分是植被生長(zhǎng)的主要限制性因子，深層水是植物根系生長(zhǎng)的主要來(lái)源。已有研究表明退耕還林在增加生態(tài)系統(tǒng)固碳效益的同時(shí)會(huì)造成深層土壤水分的缺乏[37]。因此在黃土高原植被恢復(fù)中要充分權(quán)衡植被固碳效益與耗水能力的關(guān)系。

3.3 影響土壤無(wú)機(jī)碳含量的因素

與SOC相比，SIC和環(huán)境因子關(guān)聯(lián)不強(qiáng)(2=0.24)，土壤碳庫(kù)中的無(wú)機(jī)碳主要由土壤發(fā)生性碳酸鹽組成，基于碳酸鹽溶解沉淀反應(yīng)過(guò)程(公式1、2)，影響反應(yīng)平衡的土壤水分含量、Ca2+、CO2、HCO3–是SIC變化的主要原因。本研究中土壤含水量、黏粒、海拔和坡向是SIC的重要影響因子，較高土壤水含量將促進(jìn)SOC礦化，增加CO2分壓，促使反應(yīng)(2)向左側(cè)CaCO3減少方向進(jìn)行，從而與SIC有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

相關(guān)研究表明土壤pH和土壤溫度等土壤屬性通過(guò)調(diào)節(jié)微生物活性[38]，對(duì)碳酸鹽的形成有重要影響。此外土壤質(zhì)地在土壤碳酸鹽的形成中也具有不可忽視的作用。本研究中黏粒對(duì)SIC的重要性為12.67%，且與SIC呈負(fù)相關(guān)，這與Goddard等人[39]研究結(jié)果一致。砂質(zhì)土壤更有利于SIC的積累，這與較粗土壤質(zhì)地所帶來(lái)的孔隙度和滲透性影響微生物活性和碳酸鹽淋溶遷移有關(guān)。坡向在SIC分布中具有重要作用，與陰坡相比，陽(yáng)坡的SIC含量相對(duì)較高，與Zhao等人[40]的研究結(jié)果一致，這可能是由于向陽(yáng)坡土壤含水量較低，減少了碳酸鹽的轉(zhuǎn)移。

退耕還林后，黃土高原SOC儲(chǔ)量顯著增加，但植被恢復(fù)后的SIC變化仍存在爭(zhēng)議[41-42]。本研究中各恢復(fù)植被SIC差異不顯著，這與Chang等人[43]的研究結(jié)果一致，土地利用類(lèi)型僅解釋了3.85% 的SIC變化，與土地利用類(lèi)型相比，土地利用變化與SIC有更緊密的關(guān)系。值得注意的是，至少有20% 的土壤碳變化隨機(jī)森林模型無(wú)法解釋?zhuān)@突出了今后研究中對(duì)植物根系、土壤其他理化性質(zhì)和土壤微生物數(shù)據(jù)的需求。

4 結(jié)論

1)不同退耕恢復(fù)的植被平均SOC含量0.209 ～ 0.368 g/kg，平均SIC含量1.452 ～ 1.553 g/kg，平均TC含量為1.685 ～ 1.898 g/kg，研究區(qū)平均SIC約為SOC的5.6倍。SOC呈現(xiàn)表層聚集，隨土層深度增加而減少，SIC隨土層深度增加變化不顯著。

2)研究區(qū)SOC與土壤黏粒含量、有效磷、速效氮、坡向和坡度呈正相關(guān)，與海拔、土壤容重、土壤含水量負(fù)相關(guān)。SIC僅與海拔、速效氮呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)。

3)隨機(jī)森林結(jié)果表明，研究區(qū)土壤碳分布特征主要受地形與土壤理化性質(zhì)影響，海拔、坡向和土壤含水量是研究區(qū)土壤碳含量變化的驅(qū)動(dòng)因素(<0.05)。SOC受環(huán)境因子影響強(qiáng)烈，SIC與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性較弱。

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Distribution of Soil Carbon and Its Driving Factors Under Typical Restored Vegetation in Hilly Areas of Loess Plateau

SHA Guoliang1,2, CHEN Yuxuan1,2, WEI Tianxing1,2*, REN Kang1,2, GUO Xin1,2, FU Yanchao1,2

(1 School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2 Jixian National Forest Ecosystem Observation and Research Station, CFERN/CNERN, Beijing 100083, China)

To understand the impact of vegetation restoration on soil carbon in the Loess Plateau in China, soil samples (0–100 cm) were collected from grass land,,,mixed plantations andin Wuqi County, and then the distribution characteristics of soil carbon (SOC, SIC and TC) contents and their influencing factors were analyzed through random forest model and other methods. The results show that the average TC is ranged from 1.685 to 1.898 g/kg, average SOC content is in the order of(0.368 g/kg) > grass land (0.299 g/kg) >(0.250 g/kg) >(0.233 g/kg) >mixed plantations (0.209 g/kg), and average SIC content is 5.6 times higher than that of SOC. SIC is not significantly different in all restored vegetation in 60–100 cm soil layer, SOC in 0–20 cm soil layer is significantly higher (<0.05) than that in 20–100 cm soil layer in all plant communities except for. Slope aspect and gradient, elevation, land use type, soil moisture and the contents of soil clays, available phosphorus and nitrogen can explain a total of 78%, 24% and 77% of the variation in SOC, SIC and TC respectively. The elevation, slope aspect and soil moisture are the main factors influencing soil carbon content in the study area (<0.05). In general, the influence of topographic factors and soil physiochemical properties should be fully considered in the process of vegetation restoration on the Loess Plateau. This study can provide basic data and scientific references for the accurate assessment of soil carbon stocks in plantation forests and their ecological benefits.

Loess Plateau; Organic carbon; Inorganic carbon; Distribution characteristics; Influencing factors

S714.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.06.022

沙國(guó)良, 陳宇軒, 魏天興, 等. 黃土高原丘陵區(qū)典型退耕恢復(fù)植被土壤碳分布特征及其影響因素. 土壤, 2022, 54(6): 1265–1272.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFF1300401)資助。

通訊作者(weitx@bjfu.edu.cn)

沙國(guó)良(1997—)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，主要從事植被恢復(fù)等方面的研究。E-mail: sgl2020@bjfu.edu.cn