子午嶺地區(qū)植被演替的土壤碳匯效應(yīng)

許小明， 田起隆， 孫景梅， 王浩嘉， 王妙倩， 易海杰， 何 亮， 張曉萍,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊陵 712100；3.國(guó)家林業(yè)和草原局西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)與全球氣候變化的關(guān)系是當(dāng)前科學(xué)界廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)環(huán)境問題之一。土壤碳庫(kù)構(gòu)成了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的主體，大部分以土壤有機(jī)碳的形式存在。森林土壤碳庫(kù)約占全球土壤有機(jī)碳碳庫(kù)的73%，對(duì)維持陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的穩(wěn)定與生態(tài)平衡，調(diào)節(jié)因化石燃料大量燃燒、毀林和土地利用方式轉(zhuǎn)變排放的CO所導(dǎo)致的全球氣候變暖意義重大。植樹造林和植被恢復(fù)等措施以及積極的土地利用方式變化能夠有效吸收大氣中的CO，減少溫室氣體在大氣中濃度的過程和活動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)碳中和的主要生態(tài)碳匯途徑。因此，陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳效能評(píng)估、變化和潛力分析是目前全球氣候環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)問題，也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

過去陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳匯的研究主要聚焦全球、國(guó)家、地區(qū)和流域等不同尺度范圍內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)變情景下，以及人工林和天保林在不同恢復(fù)時(shí)間下土壤固碳能力的估算；影響土壤固碳能力因素(氣候、土地利用方式、植被類型、根系、土壤微生物、枯落物和林分管理等因素)的分析；土壤碳匯的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)等方面。這些研究有助于明晰植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的時(shí)空分布規(guī)律和理解其增加土壤碳匯的重要作用及機(jī)理機(jī)制。天然林具有豐富的生物多樣性和良好的生態(tài)功能，在維持陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。從植被演替的角度分析植被恢復(fù)的土壤固碳功能及其變化有助于深入理解典型黃土區(qū)植被長(zhǎng)期恢復(fù)過程中的重要生態(tài)意義，揭示天保工程的環(huán)境效應(yīng)，促進(jìn)黃土高原半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)人工水土保持林建設(shè)和自然恢復(fù)，推進(jìn)國(guó)家雙碳目標(biāo)的落實(shí)。姚小萌和Fu等雖然對(duì)子午嶺林區(qū)植被恢復(fù)的土壤固碳功能進(jìn)行了研究，但在演替階段、分層土壤碳匯效應(yīng)以及影響因素分析等方面不夠精細(xì)。其精細(xì)化研究是黃土高原生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的需要，仍應(yīng)深入研究和探討。

從評(píng)估植被演替對(duì)土壤碳匯效應(yīng)影響的角度出發(fā)，本研究旨在回答2個(gè)科學(xué)問題：(1)黃土高原天然次生林區(qū)不同植被演替階段的土壤碳匯效應(yīng)呈現(xiàn)怎樣的變化特征？(2)哪些植被因素影響了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化?子午嶺地區(qū)覆蓋了完整的植被演替序列，對(duì)于開展植被恢復(fù)的長(zhǎng)期固碳效應(yīng)研究具有很好的代表性?；诖?，本文以子午嶺地區(qū)為例，定量評(píng)估和對(duì)比分析了該區(qū)150年以來8個(gè)演替階段的不同植被類型對(duì)增加土壤碳儲(chǔ)量的作用，植被長(zhǎng)期恢復(fù)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)為科學(xué)、有效管理黃土高原生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)，制定相應(yīng)政策，實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

子午嶺地處黃土高原中部偏南位置，為涇河與洛河兩大水系的分水嶺，總面積約為2.3萬(wàn)km。屬暖溫帶半干旱、半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均氣溫7.4 ℃，年均降水量576.7 mm，7—9月降水量占全年降水總量的60%以上。土壤類型以灰褐土為主，土層淺薄，山區(qū)一般在1 m以下，部分地區(qū)可達(dá)1.5—2.0 m。

1866年以來，子午嶺地區(qū)經(jīng)歷了150多年的自然恢復(fù)過程，形成了森林茂密的天然次生林景觀，部分地區(qū)已經(jīng)演替到氣候頂級(jí)階段，是研究黃土覆蓋區(qū)植被演替規(guī)律的天然場(chǎng)所。林分郁閉度一般在0.7以上，主要林分類型包括山楊(Dode.)、白樺(Suk.)、油松(Carr.)和遼東櫟(Mary.)等。林下草灌發(fā)育，主要灌木種類有白刺花((Franch.) Skeels.)、黃薔薇(Hemsl.)、沙棘(Linn.)、胡枝子(Turcz.)和繡線菊(L.)等；草本種類主要包括白羊草((L.) Ken)、披針苔草(C. B. Clarke.)和長(zhǎng)芒草(Trin.)等。林地枯落物蓋度接近100%，厚度在2～5 cm。本研究所指范圍即為子午嶺在北洛河流域中游的區(qū)域(35°13′06″—37°04′02″N，108°11′03″—109°72′05″E)，屬于典型的黃土高原丘陵溝壑地貌，海拔598～1 805 m(圖1)。

1.2 樣地設(shè)置與群落調(diào)查

據(jù)鄒厚遠(yuǎn)等對(duì)子午嶺北部近150年以來植被演替階段的調(diào)查研究指出，該地區(qū)存在完成的植被演替序列，即棄耕地→草本群落→灌叢群落→先鋒喬木群落→頂級(jí)喬木群落?？紤]到草本群落不同恢復(fù)時(shí)間對(duì)群落特征及土壤性質(zhì)的影響差異，周印東等將其細(xì)分為2個(gè)階段，即先鋒草本群落和白羊草。此外，鄒厚遠(yuǎn)等和雷利平等研究認(rèn)為，油松是子午嶺地區(qū)自然演替的喬木亞頂級(jí)階段，考慮到物種的自身特性及更新條件，油松會(huì)逐漸發(fā)育為油松—遼東櫟混交林，進(jìn)而向氣候頂級(jí)遼東櫟過渡。基于此，本研究綜合考慮了以往研究對(duì)子午嶺地區(qū)150年以來8個(gè)植被演替階段的劃分結(jié)果，進(jìn)行樣地設(shè)置和野外調(diào)查。植物群落的正向演替順序依次為：坡耕地(0年)、撂荒10年草地(10年)、撂荒20年草地(20年)、白刺花(30—50年)、白樺(70年)、油松(120年)、油松—遼東櫟混交林(135年)和遼東櫟(150年)。

富縣與黃陵縣處于北洛河流域中游子午嶺核心區(qū)，在植被演替過程中具有很好的代表性。2020年9月2—30日在設(shè)置的26塊坡位和海拔等立地條件基本相似，處于8個(gè)不同演替階段的典型植被類型標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)開展了群落特征調(diào)查(圖1和表1)。這些樣地處于相似的降雨、溫度和海拔等立地條件下，樣地植被與土壤有機(jī)碳的關(guān)系受空間距離等的影響較弱，與已有研究表述一致。利用奧維互動(dòng)地圖軟件(版本：8.9.3)獲取了樣地的地理位置、坡位、坡向和海拔等環(huán)境因子信息，基于樣帶法實(shí)測(cè)了林分郁閉度和密度。喬木、灌木和草本樣方大小依次為20 m×20 m，10 m×10 m和1 m×1 m。分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)的喬木或灌木樹種選取3個(gè)典型株，測(cè)量樹高和胸徑(基徑)，并對(duì)林下主要草本種類進(jìn)行調(diào)查記錄。草本群落方面，選取3個(gè)典型小樣方進(jìn)行蓋度調(diào)查。文章在對(duì)比不同演替階段數(shù)據(jù)時(shí)，采用同一階段陰陽(yáng)坡數(shù)據(jù)的平均值。在對(duì)比不同土地利用類型數(shù)據(jù)時(shí)，2個(gè)撂荒草本群落均值代表草地，4個(gè)喬木群落均值代表喬木。

注：A、B、C、D、E、F、G、H分別為農(nóng)地、撂荒10年草地、撂荒20年草地、白刺花、白樺、油松、遼東櫟—油松混交林、遼東櫟。下同。

表1 子午嶺地區(qū)野外植被調(diào)查樣地基本信息

1.3 土壤樣品采集與有機(jī)碳含量測(cè)定

經(jīng)過較為全面的野外勘察和調(diào)研走訪之后，于2020年9月2—30日在所選樣地坡面植被長(zhǎng)勢(shì)良好，分布比較均一的地段設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，選擇優(yōu)勢(shì)種代表性株2株，距離樹干順坡方向1 m處，開挖2個(gè)土壤剖面。分3層即0—5，5—20，20—40 cm分別取樣，每層共計(jì)4個(gè)重復(fù)。利用100 cm環(huán)刀分層采集原狀土，并逐層采集散狀土，每層保證多點(diǎn)混合取樣，然后裝入已編號(hào)的塑封袋中。

將野外采集的土壤樣品帶回室內(nèi)，平攤在紙上，將樣品中的侵入物(枯落物、植被根系、石礫和土壤動(dòng)物糞便等)全部剔除。保證土壤樣品充分混合均勻，放置在室內(nèi)通風(fēng)處，以待陰干(大約7天)，經(jīng)過研磨、過篩(2 mm孔徑)和稱重。于2020年12月14—17日采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定樣品土壤有機(jī)碳含量，計(jì)算了土壤有機(jī)碳含量，采用環(huán)刀法測(cè)定了土壤容重。

1.4 土壤有機(jī)碳密度計(jì)算

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量通過土壤有機(jī)碳密度來評(píng)價(jià)。計(jì)算過程為：

某一土層中儲(chǔ)存的土壤有機(jī)碳密度SOC(kg/m)的計(jì)算公式

SOC=(1-)10

式中：SOC為土壤有機(jī)碳密度(kg/m)；為土壤有機(jī)碳含量(%)；為土壤容重(g/cm)；為土層厚度(cm)；為直徑>2 mm的石礫占土壤樣品體積的百分比(%)。

當(dāng)某一土體剖面包括層土壤，則可以通過公式計(jì)算該剖面的土壤有機(jī)碳密度SOC。

傳統(tǒng)上都是根據(jù)1 m深的土層厚度來估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，本研究是根據(jù)子午嶺地區(qū)土層淺薄的客觀實(shí)際，基于野外實(shí)測(cè)的土壤剖面深度(0—40 cm)來計(jì)算。

1.5 枯落物蓄積量調(diào)查

野外植被群落調(diào)查期間，在坡面標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)選取了3個(gè)31.7 cm×31.7 cm的枯落物小樣方，收集枯落物樣品至塑封袋中，避免擠壓破壞葉片結(jié)構(gòu)。將枯落物樣品平鋪放置在室內(nèi)通風(fēng)處，自然風(fēng)干大約3天后稱重，即可計(jì)算出各林分類型單位面積內(nèi)枯落物的蓄積量(t/hm)。本研究使用的白刺花和草地枯落物蓄積量數(shù)據(jù)參考欒莉莉等與汪建芳等在延安市安塞水土保持實(shí)驗(yàn)站和野外調(diào)查的研究結(jié)果。同一植被類型選擇2～6塊樣地，每塊地隨機(jī)布設(shè)3塊枯落物樣方，數(shù)據(jù)具有代表性。

1.6 植被根系生物量測(cè)定

喬灌木群落，在土壤剖面附近且距離典型株主干0.5 m左右的地方進(jìn)行根系采集，草本群落和農(nóng)地則選取植被長(zhǎng)勢(shì)較為均一的地段采集根系，以降低空間異質(zhì)性導(dǎo)致的誤差。首先，貼地表剪除了地上全部植被并清除了地表枯落物，然后利用直徑7 cm、高20 cm的根鉆分3層即0—5，5—20，20—40 cm取樣，每層包括4個(gè)重復(fù)。鑒于細(xì)根(直徑≤2 mm)具有提高凈初級(jí)生產(chǎn)力和重要的土壤養(yǎng)分歸還功能，因此本研究主要針對(duì)細(xì)根開展生物量的測(cè)定。2020年9月2日至10月10日，將樣品放置在孔徑為0.2 mm的土壤篩中進(jìn)行根系的沖洗，所有挑選出的細(xì)根分別裝在紙袋中，在75 ℃下烘干48 h直至恒重，借助天平稱重后即可計(jì)算樣地的根系生物量。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用One-way ANOVA法和最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)不同演替序列中土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量、枯落物儲(chǔ)量和細(xì)根生物量等方面的差異(=0.05)。相關(guān)性分析中，細(xì)根生物量與枯落物儲(chǔ)量為0—40 cm數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)均使用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0軟件處理，使用Origin 8.6軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳平均含量隨植被演替變化

通過對(duì)不同演替階段研究樣地3個(gè)土層深度的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，得到0—40 cm土層深度的土壤有機(jī)碳平均含量。由圖2可知，從農(nóng)地演替到氣候頂級(jí)遼東櫟階段，土壤有機(jī)碳平均含量整體呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)，其中以坡耕地到草本群落階段的增加最為突出且表現(xiàn)出顯著差異。喬木階段表現(xiàn)為波動(dòng)持穩(wěn)的狀態(tài)，說明在該階段土壤有機(jī)碳含量已經(jīng)達(dá)到最大恢復(fù)潛力。喬木群落白樺、油松、遼東櫟—油松混交林和遼東櫟與撂荒10，20年草本群落的土壤有機(jī)碳平均含量存在顯著性差異(<0.05)，草本群落與坡耕地也表現(xiàn)為差異顯著(<0.05)，表明植被演替促進(jìn)了土壤有機(jī)碳含量的增加。坡耕地土壤有機(jī)碳平均含量最小，為6.4 g/kg；油松階段達(dá)到峰值，為20.4 g/kg，油松為坡耕地的3.2倍。

注：土層深度為0—40 cm；圖柱上方不同小寫字母表示同一土層不同植被類型間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一植被類型不同土層間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同土層土壤有機(jī)碳含量隨植被演替變化

由圖3可知，不同土層土壤有機(jī)碳含量隨植被演替總體表征為增加的趨勢(shì)，0—5 cm土層增加幅度最大。不同演替階段同一土層對(duì)比來看，0—5 cm土層，喬木群落白樺、油松、遼東櫟—油松混交林、遼東櫟與灌木群落白刺花和撂荒20年草本群落的土壤有機(jī)碳含量總體上存在顯著性差異，坡耕地與喬木、灌木和草本群落差異均顯著(<0.05)，該土層土壤有機(jī)碳含量在喬木階段達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可能受林地凋落物生物質(zhì)碳輸入的影響；5—20，20—40 cm土層，坡耕地、撂荒草地土壤有機(jī)碳含量與其他階段差異顯著(<0.05)(圖3)。植被演替對(duì)各土層土壤有機(jī)碳含量均有改善，比較而言，喬灌林地對(duì)深層土壤改善作用大于草地和農(nóng)地。同一演替階段不同土層對(duì)比來看，除坡耕地外，其他7個(gè)演替階段0—5 cm土層土壤有機(jī)碳含量與其他2個(gè)土層差異顯著(<0.05)。與0—5 cm土層比較，5—20，20—40 cm土層土壤有機(jī)碳含量減少幅度分別為28.3%～66.6%和35.8%～81.3%(圖3)。

圖3 植被演替不同階段不同土層土壤有機(jī)碳含量

2.3 不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨植被演替變化

由圖4可知，不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨植被演替表現(xiàn)出波動(dòng)增加的變化特征。坡耕地0—40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與其他7個(gè)演替階段差異顯著(<0.05)；撂荒20年草地與白刺花差異不顯著，除白樺外，其他3個(gè)喬木群落與白刺花和撂荒10年草地差異總體不顯著，說明林地和草地對(duì)0—40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加作用差異不明顯。0—5 cm土層，坡耕地與喬木、灌木和草本群落土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著(<0.05)，表明植被恢復(fù)有助于提高土壤碳庫(kù)；5—20，20—40 cm土層，坡耕地與撂荒草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量整體上與其他階段差異顯著(<0.05)，這表明土層越深，喬木林地的土壤固碳能力越優(yōu)于草地和農(nóng)地。

圖4 植被演替不同階段不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

將研究區(qū)8個(gè)植被演替階段土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量按照土地利用類型進(jìn)行歸類，分析表明農(nóng)地與草地、灌木和喬木差異顯著(<0.05)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別在草地和喬木類型得到了顯著性增加(<0.05)。與農(nóng)地相比，草地和灌木分別增加了71.5%和95.7%，喬木增加最為顯著(129.7%)(圖5)，說明林地較草地土壤固碳功能更加突出。

圖5 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

對(duì)比不同土地利用類型不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量百分比，可以看出，從農(nóng)地到草地，0—5，5—20 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出明顯增加的變化趨勢(shì)，從草地到灌木和喬木類型，則呈現(xiàn)出不顯著減少的變化特征；20—40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量則表征為先顯著減少后緩慢增加的變化特征(表2)。喬灌林地0—20 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占比的下降主要受土壤容重降低所影響，而20—40 cm土層占比的提高得益于植被恢復(fù)促進(jìn)了土壤有機(jī)碳含量的增加。

表2 子午嶺地區(qū)不同土地利用類型不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量百分比 單位：%

2.4 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化的植被影響因素分析

由圖6可知，研究區(qū)農(nóng)地?zé)o枯落物蓄存，喬木分別是灌木和草地的5.1，10.8倍。油松、遼東櫟—油松混交林、遼東櫟與其他植被類型枯落物蓄積量差異顯著(<0.05)，白樺與撂荒10年草地、農(nóng)地差異顯著(<0.05)。白樺以前，白刺花與撂荒草地、農(nóng)地枯落物蓄積不明顯，表明枯落物的蓄存很大程度上受恢復(fù)階段及相應(yīng)植被類型的影響。

圖6 植被演替不同階段枯落物蓄積量與細(xì)根生物量

從農(nóng)地到喬木階段，0—40 cm土層總細(xì)根生物量和不同土層細(xì)根生物量均呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)。遼東櫟—油松混交林、遼東櫟總體與其他植被類型差異顯著(<0.05)。與農(nóng)地相比，草地、灌木和喬木總細(xì)根生物量分別增加了19.2%，69.9%和99.5%，植被演替促進(jìn)了細(xì)根生物量的提高，但不同植被類型間的差異與其生物學(xué)特性密切相關(guān)。

將8個(gè)植被演替階段的枯落物蓄積量和細(xì)根生物量分別與0—40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)系數(shù)分別為0.580 3和0.248 5，表明枯落物較細(xì)根生物量更有利于增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，但土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加還可能受到其他因素(如根系分泌物和微生物等)的影響。

2.5 不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的相關(guān)性分析

由圖7可知，8個(gè)植被演替階段下0—5，0—20 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與恢復(fù)年限均存在極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(<0.001)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為在草地階段迅速增加，灌木階段緩慢增加，喬木階段基本達(dá)到穩(wěn)定的變化特征，表明研究區(qū)植被恢復(fù)的土壤碳匯效應(yīng)并非線性的，土壤固碳潛力存在一定的閾值。

圖7 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與恢復(fù)年限耦合關(guān)系及不同土層土壤有機(jī)碳相關(guān)關(guān)系

0—5，0—20 cm土層與0—40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相關(guān)性分析表明，二者均存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(<0.001)，相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.94(圖7)，說明不同土層土壤固碳功能均有呈植被演替增加的趨勢(shì)。

3 討 論

3.1 土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量對(duì)植被演替過程的響應(yīng)

子午嶺地區(qū)經(jīng)過150年左右的自然恢復(fù)過程，土壤有機(jī)碳含量及其儲(chǔ)量得到了明顯蓄積，表現(xiàn)為演替前期增加快速，后期趨向穩(wěn)定的變化特征，這與已有研究結(jié)果基本相似，表明植被恢復(fù)具有顯著的土壤碳匯功能，有助于應(yīng)對(duì)全球CO排放壓力。與農(nóng)地相比，草地和喬木階段土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加顯著(<0.05)，表現(xiàn)出2個(gè)明顯的躍變期。草地與喬木差異顯著(<0.05)，受演替前期草地凈初級(jí)生產(chǎn)力與枯落物、植被根系輸入量少，而演替后期喬木大量枯落物和細(xì)根生物量輸入，較高的林地郁閉度以及枯落物覆蓋導(dǎo)致相對(duì)較低的土壤溫度及較弱的分解速率的影響。黎鵬等對(duì)陜西延安市安塞區(qū)退耕5年的不同恢復(fù)植被類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的對(duì)比分析表明，0—20 cm土層表現(xiàn)為刺槐優(yōu)于撂荒草地，這與本研究得出的喬木大于草地的結(jié)論一致。

撂荒10年草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較20年草地偏高，可能由于前者較多的植被細(xì)根生物量輸入、較高海拔導(dǎo)致相應(yīng)較弱的土壤呼吸作用的影響(圖6，表1)。灌木群落白刺花較高的枯落物蓄積量和細(xì)根生物輸入量，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較草地偏高。同理，這些植被因素也是導(dǎo)致白刺花土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量低于喬木群落的主要原因(圖6)。喬木群落不同演替階段對(duì)比來看，白樺林地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最高(9.4 kg/m)，其次為油松林地(8.7 kg/m)與遼東櫟林地(7.8 kg/m)，遼東櫟—油松混交林地最低(6.8 kg/m)。這可能由于白樺與油松林地的土壤異養(yǎng)呼吸速率較遼東櫟—油松混交林地偏低，導(dǎo)致其碳匯功能相對(duì)較高。

陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳匯功能與土地利用方式緊密相關(guān)。本研究認(rèn)為，土地利用方式變化驅(qū)動(dòng)下植被類型的轉(zhuǎn)變以及恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短是導(dǎo)致子午嶺地區(qū)不同植被演替階段土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在差異的主要原因。研究區(qū)喬木林地碳匯能力最高，其次是灌木、草地，農(nóng)地最低(圖5)。不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)，0—5 cm土層增加最為明顯，其次為5—20，20—40 cm土層，存在明顯的表聚效應(yīng)(表2)，這與許明祥等、韓新輝等和姚小萌得出的研究結(jié)果一致。0—5，5—20 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為草地階段迅速增加，灌木階段緩慢增加，喬木階段基本達(dá)到穩(wěn)定的變化特征。恢復(fù)初期由于草本群落生物多樣性的增加和地上、地下生物質(zhì)碳的輸入，減輕了土壤侵蝕程度，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量迅速增加；喬木階段盡管受枯落物的大量輸入以及植被根系的共同影響(圖6)，但由于植被根系和微生物呼吸作用的加強(qiáng)，故土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加不明顯。在20—40 cm土層，草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加不明顯(5.9%)，灌木和喬木則分別增加了32.1%和61.2%。由于草地根系較淺，底層土壤的固碳效果較弱，而喬木和灌木屬于深根植物，對(duì)20—40 cm土層影響也比較明顯。另外土壤微生物和土壤動(dòng)物等也是引起不同次生演替階段、不同土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異的原因。整個(gè)演替過程中，0—20 cm土層與0—40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(<0.001)，這與黎鵬等對(duì)黃土高原半干旱地區(qū)植被恢復(fù)措施下不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相關(guān)性分析的研究結(jié)果相一致。

3.2 植被演替過程中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的意義

通過評(píng)價(jià)子午嶺地區(qū)次生植被演替的土壤碳匯效應(yīng)，有利于明晰不同演替階段各植被類型的土壤固碳功能，促進(jìn)科學(xué)、有效管理黃土高原生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)，提高土壤固碳潛力，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家雙碳目標(biāo)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的增加應(yīng)從增加輸入量、減少輸出量以及增加穩(wěn)定性等幾個(gè)角度來考慮?？紤]陸地自然帶的分布規(guī)律，遵循植被自然演替規(guī)律是增加碳素輸入，提高土壤碳匯能力的前提。合理調(diào)整土地利用方式，恢復(fù)退化土地，進(jìn)而提高植被生產(chǎn)力。針對(duì)不同的土地利用方式，應(yīng)采取適宜的固碳策略。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)方面，推廣免耕，實(shí)施秸桿還田；促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)自然演替，保護(hù)現(xiàn)有草場(chǎng)面積、因地制宜實(shí)施輪封輪牧、禁牧；保護(hù)天然次生林，營(yíng)造混交林，提高森林覆蓋率，撫育管理人工林，減少對(duì)枯落物的擾動(dòng)。減輕水土流失和碳的淋溶損失，增加貼地表蓋度以降低土壤溫度，進(jìn)而減少土壤呼吸，以降低土壤碳素的輸出。

4 結(jié) 論

(1)子午嶺地區(qū)150年次生植被演替過程明顯提高了土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量，碳匯效應(yīng)顯著。與灌木和草本群落相比較，演替后期喬木群落土壤固碳功能更強(qiáng)。不同土層土壤的固碳能力均隨植被恢復(fù)呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)，土壤有機(jī)碳存在明顯的表層富集現(xiàn)象。

(2)枯落物蓄積量和細(xì)根生物量的增加，有利于提高土壤碳匯功能。土壤碳素輸入和土壤碳素輸出共同影響著土壤碳儲(chǔ)量的變化，林地枯落物應(yīng)當(dāng)受到保護(hù)。

(3)植被恢復(fù)有利于土壤有機(jī)碳的保護(hù)，研究結(jié)果有助于促進(jìn)黃土高原地區(qū)植被自然恢復(fù)和長(zhǎng)期演替，以提高土壤的固碳潛能。

致謝：感謝陜西省延安市吳起縣吳起高級(jí)中學(xué)馮學(xué)慧和吳起鎮(zhèn)林業(yè)站白云斌，以及課題組賀潔、鄒亞東、薛帆在野外植被調(diào)查和土壤采樣提供的幫助。感謝北京師范大學(xué)程卓在文章修改過程中的指導(dǎo)和幫助。