黃土丘陵區(qū)不同侵蝕環(huán)境下土壤有機(jī)碳對植被恢復(fù)的響應(yīng)

李玉進(jìn),胡 澍,焦菊英,2,*,吳多洋

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)國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100

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黃土丘陵區(qū)不同侵蝕環(huán)境下土壤有機(jī)碳對植被恢復(fù)的響應(yīng)

李玉進(jìn)1,胡 澍1,焦菊英1,2,*,吳多洋3

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)國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100

植被恢復(fù)是提高土壤有機(jī)碳累積和儲存的重要措施。以黃土丘陵區(qū)兩個典型侵蝕環(huán)境下的小流域即黃土區(qū)坊塌流域和砒砂巖區(qū)滿紅溝流域退耕坡面為研究對象,分析了土壤有機(jī)碳含量(SOCC)、有機(jī)碳密度(SOCD)在同一侵蝕環(huán)境不同群落下的變化以及在同一群落不同侵蝕環(huán)境間的差異,旨在探明不同侵蝕環(huán)境下土壤有機(jī)碳對植被恢復(fù)的響應(yīng)。結(jié)果表明：1)同一侵蝕環(huán)境下,與坡耕地相比,自然恢復(fù)方式下退耕地植被恢復(fù)初期SOCC、SOCD均顯著降低,之后隨植被恢復(fù)均顯著升高(P<0.05)；人工恢復(fù)方式下退耕地20—25 年檸條錦雞兒群落和13—14 年刺槐群落SOCC、SOCD均顯著升高(P<0.05),說明同一侵蝕環(huán)境內(nèi),退耕地在兩種恢復(fù)方式下均能顯著提高土壤有機(jī)碳累積和儲存。2)同一侵蝕環(huán)境下,與相近恢復(fù)年限的自然恢復(fù)群落相比,刺槐群落SOCC、SOCD均顯著高于長芒草+鐵桿蒿群落(P<0.05),砒砂巖區(qū)檸條錦雞兒群落SOCC、SOCD均顯著低于鐵桿蒿群落(P<0.05),黃土區(qū)檸條錦雞兒群落SOCC顯著低于而SOCD顯著高于鐵桿蒿群落(P<0.05),說明相同恢復(fù)時間內(nèi),相對于自然恢復(fù)方式,人工刺槐造林在兩種侵蝕環(huán)境下均能累積與儲存較多的土壤有機(jī)碳,而檸條錦雞兒造林在兩種侵蝕環(huán)境下累積土壤有機(jī)碳的效果均不佳,在黃土區(qū)儲存土壤有機(jī)碳效果好于砒砂巖區(qū)。3)同一群落下,黃土區(qū)人工和自然恢復(fù)群落SOCC均高于砒砂巖區(qū)；黃土區(qū)人工恢復(fù)群落SOCD均顯著高于而自然恢復(fù)群落SOCD均低于砒砂巖區(qū)(P<0.05),說明黃土區(qū)人工恢復(fù)累積和儲存土壤有機(jī)碳及自然恢復(fù)累積土壤有機(jī)碳的效果較好,而砒砂巖區(qū)自然恢復(fù)儲存土壤有機(jī)碳的效果較好。

土壤有機(jī)碳；植被恢復(fù)方式；侵蝕環(huán)境；黃土區(qū)；砒砂巖區(qū)

土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主要部分,土壤有機(jī)碳儲量分別是大氣和生物碳庫的2倍和2.7倍[1- 2]。同時,土壤碳儲存是獲取食品安全和緩解氣候變化的一個策略,它可以提高生產(chǎn)力、改善水質(zhì)量及修復(fù)退化的土壤生態(tài)系統(tǒng)[2]。作為土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的基本元素,土壤有機(jī)碳在提高作物產(chǎn)量和緩解溫室氣體釋放方面發(fā)揮著重要作用[1,3],也是評價退化生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[4]。因此,作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重要組成部分,土壤有機(jī)碳研究也是退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與重建研究的熱點[5]。研究表明,隨著草地轉(zhuǎn)換成農(nóng)地或灌木地,黃土高原半干旱草原土壤有機(jī)碳含量和儲量顯著降低[6]；在西班牙北部地區(qū),自然刺葉櫟林轉(zhuǎn)換為農(nóng)地可導(dǎo)致表層67%的土壤碳損失,而地中海白松造林后土壤有機(jī)碳含量顯著增加[7]。通過植被恢復(fù),全球退化土壤損失碳的60%—75%可以重新固定,土壤碳儲存速率為0.3—0.8 Pg/a[8]。

黃土丘陵區(qū)地形破碎,土壤結(jié)構(gòu)疏松,自然植被遭到破壞,導(dǎo)致侵蝕環(huán)境惡劣,使該區(qū)成為我國嚴(yán)重的水土流失區(qū)之一,也是國家退耕還林還草及生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域[9]。植被恢復(fù)是該區(qū)遏止水土流失、提高土壤有機(jī)碳積累和改善土壤質(zhì)量的重要措施。坡耕地棄耕后,由于人為干擾的停止,植被開始自我恢復(fù)和演替,逐漸形成與該區(qū)水熱條件相適應(yīng)的植被群落,如自然草本或自然次生林群落[10-11]。隨著植被的演替恢復(fù),土壤有機(jī)質(zhì)(碳)含量表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。有機(jī)質(zhì)(碳)含量減小時,地上植被參與了土壤有機(jī)質(zhì)(碳)的消耗,從而提高了植被的豐富度；之后由于植被的凋落、腐解,土壤有機(jī)質(zhì)(碳)含量提高,這樣就形成植被與土壤的正向互動[12]。由于該區(qū)自然演替過程緩慢,在特定環(huán)境條件下人工植樹種草也可增加地表覆蓋和有效控制土壤侵蝕,從而增加了土壤有機(jī)碳的累積[13-16]。大量研究表明,黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)明顯提高了土壤有機(jī)碳含量和儲量[17-21],然而研究多集中于單一侵蝕環(huán)境,且主要在黃土區(qū)。在不同侵蝕環(huán)境下,由于所處的下墊面性質(zhì)、氣候條件及侵蝕營力等的不同,植被的生長狀況和分布存在一定差異,這可能導(dǎo)致植被恢復(fù)過程中同一植被類型下土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度在不同侵蝕環(huán)境間存在差異。因此,通過研究不同侵蝕環(huán)境下土壤有機(jī)碳對植被恢復(fù)的響應(yīng)特征,不僅有助于理解黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)條件下土壤有機(jī)碳源/匯的變化過程,也可以為該區(qū)植被恢復(fù)方式的選擇提供一定參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

依據(jù)黃土高原地區(qū)植被地帶性分異規(guī)律[22],分別在森林草原帶和草原帶選取典型小流域：陜西安塞縣坊塌流域和府谷縣滿紅溝流域。氣候條件分別屬于暖溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候的過渡地區(qū)和暖溫帶半干旱氣候向中溫帶半干旱氣候過渡地區(qū)。這兩個小流域均屬黃土丘陵區(qū),但由于流域所處的氣候條件、下墊面性質(zhì)等不同,因而對土壤侵蝕的影響和作用不同,因此形成了不同的侵蝕景觀和生態(tài)系統(tǒng)(即侵蝕環(huán)境)。由于兩個流域下墊面物質(zhì)組成差異特別顯著,也因而將兩個小流域稱為黃土區(qū)坊塌流域和砒砂巖區(qū)滿紅溝流域,流域的自然地理概況詳見表1。

表1 研究區(qū)不同侵蝕環(huán)境下小流域自然地理概況

刺槐(Robiniapseudoacacia)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、長芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、糜子(Panicummiliaceum)、玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)

1.2 樣地調(diào)查與采樣

綜合分析本課題組多年在黃土丘陵溝壑區(qū)的調(diào)查與研究,自然植被恢復(fù)方式下該區(qū)植被演替一般經(jīng)歷1年生先鋒群落階段、多年生禾草群落階段、蒿類群落階段[11- 12]和疏林草原階段,具體由豬毛蒿、賴草、長芒草、達(dá)烏里胡枝子、鐵桿蒿、茭蒿、白羊草、狼牙刺等為主要優(yōu)勢種構(gòu)成的不同組合的植物群落。而人工植被恢復(fù)方式下喬、灌物種主要包括刺槐、檸條錦雞兒、沙棘等,并在植被恢復(fù)過程中形成了以自身為優(yōu)勢種的植物群落,在該區(qū)廣泛分布。結(jié)合黃土區(qū)坊塌流域和砒砂巖區(qū)滿紅溝流域植被的實際情況,在自然恢復(fù)方式下,1年生草本群落階段選取豬毛蒿群落,多年生蒿禾類草本群落階段選取長芒草群落、白羊草群落及鐵桿蒿群落。人工植被恢復(fù)方式下選取13—14a的刺槐群落、20—25a的檸條錦雞兒群落和3—5a的沙棘群落。

2015年7—8月間,依次在兩個小流域開展野外植被調(diào)查和土壤樣品采集。在兩個流域的梁峁坡分別選擇具有典型性和代表性的退耕樣地,對人工和自然恢復(fù)方式下的植物群落特征進(jìn)行調(diào)查[23],在每個樣地內(nèi)布設(shè)3—5個樣方,樣方大小分別為：喬木林10 m × 10 m,灌木林5 m × 5 m,草本2 m × 2 m。在每個樣方內(nèi)采用“S”型路線選擇3—5個點,用內(nèi)徑 5 cm 的土鉆采集表層0—20 cm土壤樣品,多點混合成一個樣品。從每個樣地中均選取3個代表性樣方,用容積 100 cm3環(huán)刀每隔10 cm采集土壤原狀土,每個樣方3次重復(fù)。土壤樣品自然風(fēng)干,過0.15 mm篩以供測定。GPS記錄每個樣地的地形信息,各樣地的退耕年限通過野外考證與農(nóng)戶走訪確定(表2)。

表2 樣地基本信息

CK: 坡耕地 Sloping croplands; AS: 豬毛蒿Artemisiascoparia; SA: 長芒草+鐵桿蒿Stipabungeana+Artemisiagmelinii; BA: 白羊草+鐵桿蒿,Bothriochloaischaemum+Artemisiagmelinii; A: 鐵桿蒿Artemisiagmelinii; H: 沙棘Hippophaerhamnoides; C: 檸條錦雞兒Caraganakorshinskii; R: 刺槐Robiniapseudoacacia

1.3 樣品測定與數(shù)據(jù)分析

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定,土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤有機(jī)碳密度計算如下：

SOCD=D×SOCC×BD/100

式中,SOCD為土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)；D為土層厚度(cm)；SOCC為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；100為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)。

采用單因素方差分析法(ANOVA)對同一侵蝕環(huán)境不同植被群落下SOCC、SOCD進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(α=0.05)。采用獨立t檢驗方法分析不同侵蝕環(huán)境同一植被群落下SOCC、SOCD的差異(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一侵蝕環(huán)境不同植物群落下土壤有機(jī)碳含量變化

在黃土區(qū)坊塌流域和砒砂巖區(qū)滿紅溝流域,不同植物群落下SOCC變化范圍分別為2.93—6.70 g/kg和2.66—5.82 g/kg。自然恢復(fù)條件下的退耕地與坡耕地相比(有機(jī)碳含量分別為3.62 g/kg和3.43 g/kg),豬毛蒿群落(1—6 a)SOCC分別降低19.2%和22.4%,長芒草+鐵桿蒿群落(15 a)分別提高11.5%和10.3%,白羊草+鐵桿蒿群落(20 a)提高28.5%(黃土區(qū)坊塌流域),鐵桿蒿群落(30 a)分別提高84.9%和69.6%。可見,兩個流域內(nèi)SOCC在植被恢復(fù)初期階段(豬毛蒿群落)均顯著降低,之后隨植被恢復(fù)均呈顯著升高的趨勢(P<0.05)。人工恢復(fù)條件下的退耕地與坡耕地相比,3—5年生的人工沙棘群落SOCC降低8.8%(黃土區(qū)坊塌流域),而兩個流域內(nèi)生長13—14a的刺槐群落和20—25a的檸條錦雞兒群落SOCC均顯著提高(P<0.05),分別達(dá)到65.6%和57%,47.6%和41.4%。對于恢復(fù)年限基本相近的人工與自然群落,3—5年生的人工沙棘群落SOCC與3—6a的豬毛蒿群落相近(黃土區(qū)坊塌流域),而兩個流域內(nèi)13—14 a刺槐群落SOCC均顯著高于15a長芒草+鐵桿蒿群落(P<0.05),20—25檸條錦雞兒群落SOCC均顯著低于30a鐵桿蒿群落(P<0.05)(圖1)。

圖1 黃土區(qū)坊塌流域與砒砂巖區(qū)滿紅溝流域不同植物群落下土壤有機(jī)碳含量變化特征Fig.1 Variations in SOCC under different plant communities in Fangta watershed Loess area and Manhonggou watershed Sandstone areaCK: 坡耕地 Sloping croplands; AS: 豬毛蒿Artemisia scoparia; SA: 長芒草+鐵桿蒿 Stipa bungeana +Artemisia gmelinii; BA白羊草+鐵桿蒿: Bothriochloa ischaemum+Artemisia gmelinii; A: 鐵桿蒿 Artemisia gmelinii; H: 沙棘Hippophae rhamnoides; C： 檸條錦雞兒Caragana korshinskii; R:刺槐 Robinia pseudoacacia; 不同小寫字母表示同一侵蝕環(huán)境不同植物群落下土壤有機(jī)碳含量在0.05水平上差異顯著

2.2 同一侵蝕環(huán)境不同植物群落下土壤有機(jī)碳密度變化

在黃土區(qū)坊塌流域和砒砂巖區(qū)滿紅溝流域,不同植物群落下SOCD變化范圍分別為0.65—1.42 kg/m2和0.73—1.54 kg/m2。與坡耕地相比(有機(jī)碳密度分別為0.87 kg/m2和0.88 kg/m2),豬毛蒿群落(1—6 a)SOCD分別降低25.7%和17.4%,長芒草+鐵桿蒿群落(15 a)分別提高7.5%和16.9%,白羊草+鐵桿蒿群落(20 a)提高24.0%(黃土區(qū)坊塌流域),鐵桿蒿群落(30 a)分別提高48.3%和75.4%?？梢?兩個流域內(nèi)植被恢復(fù)初期階段的豬毛蒿群落SOCD均顯著降低,之后SOCD隨植被恢復(fù)均呈顯著升高的趨勢(P<0.05)。與坡耕地相比,3—5a生沙棘群落SOCD降低15.3%(黃土區(qū)坊塌流域),而兩個流域內(nèi)13—14 a刺槐群落和20—25 a檸條錦雞兒群落SOCD均顯著提高(P<0.05),分別達(dá)到45.8%和63.4%,34.3%和30.2%。對于恢復(fù)年限基本相近群落,黃土區(qū)坊塌流域人工刺槐、檸條錦雞兒和沙棘群落SOCD均高于或顯著高于長芒草+鐵桿蒿群落、鐵桿蒿群落及豬毛蒿群落(P<0.05)；砒砂巖區(qū)滿紅溝流域13—14a人工刺槐群落SOCD高于15a長芒草+鐵桿蒿群落,而20—25 a檸條錦雞兒群落SOCD顯著低于鐵桿蒿群落(P<0.05)(圖2)。

圖2 黃土區(qū)坊塌流域與砒砂巖區(qū)滿紅溝流域不同植物群落下土壤有機(jī)碳密度變化Fig.2 Variations in SOCD under different plant communities in Fangta watershed Loess area and Manhonggou watershed Sandstone area不同小寫字母表示同一侵蝕環(huán)境不同植物群落下土壤有機(jī)碳密度在0.05水平上差異顯著

2.3 同一群落土壤有機(jī)碳含量及密度在不同侵蝕環(huán)境下的比較

由表3可知,同一植物群落下,30a的鐵桿蒿群落和13—14a的刺槐群落SOCC在黃土區(qū)坊塌流域均顯著高于砒砂巖區(qū)滿紅溝流域(P<0.05),其它植物群落SOCC在黃土區(qū)坊塌流域高于砒砂巖區(qū)滿紅溝流域,但均無顯著差異。整體上來說,黃土區(qū)坊塌流域人工和自然恢復(fù)群落土壤有機(jī)碳累積的能力高于砒砂巖區(qū)滿紅溝流域。30a的鐵桿蒿群落SOCD在砒砂巖區(qū)滿紅溝流域顯著高于黃土區(qū)坊塌流域(P<0.05),其它自然植物群落SOCD在砒砂巖區(qū)滿紅溝流域高于黃土區(qū)坊塌流域,但均無顯著差異；而13—14a人工刺槐群落和20—25a檸條錦雞兒群落SOCD在黃土區(qū)坊塌流域均顯著高于砒砂巖區(qū)滿紅溝流域(P<0.05),說明砒砂巖區(qū)滿紅溝流域自然恢復(fù)群落更有利于土壤有機(jī)碳的儲存,而黃土區(qū)坊塌流域人工喬、灌群落更有利于土壤有機(jī)碳的儲存。

表3 同一群落SOCC、SOCD在兩個不同流域間的差異

Table 3 Variations in SOCC and SOCD under the same community between Fangta watershed Loess area and Manhonggou watershed Sandstone area

植物群落PlantcommunitySOCC/(g/kg)SOCD/(kg/m2)黃土區(qū)坊塌流域Fangtawatershedloessarea砒砂巖區(qū)滿紅溝流域Manhonggouwatershedsandstonearea黃土區(qū)坊塌流域Fangtawatershedloessarea砒砂巖區(qū)滿紅溝流域ManhonggouwatershedsandstoneareaCK3.62A3.43A0.87a0.88aAS2.93A2.66A0.65a0.73aSA4.04A3.78A0.93a1.03aA6.70A5.82B1.29a1.54bC5.69A5.06A1.42a1.18bR6.00A4.85B1.27a1.14b

不同大、小寫字母分別表示不同侵蝕環(huán)境同一植物群落下土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度在0.05水平上差異顯著

3 討論

3.1 植被恢復(fù)對土壤有機(jī)碳的影響

研究區(qū)域地處水土流失嚴(yán)重區(qū),該區(qū)植被恢復(fù)與土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度的變化有密切關(guān)系。本研究結(jié)果表明,坡耕地退耕后SOCC、SOCD隨自然植被恢復(fù)呈先減小后增大的趨勢(圖1、圖2),這與馬祥華和焦菊英[12]的研究結(jié)果基本一致。本研究中,草本群落蓋度隨自然恢復(fù)呈增加趨勢(表2),而植被蓋度的增加增強(qiáng)了土壤抵抗侵蝕的能力,從而有利于土壤有機(jī)質(zhì)(碳)的累積[24]。同時,地上植被枯落物在土壤表層覆蓋,可以防止或減輕雨水對土壤的侵蝕作用,并最終在土壤微生物的作用下以土壤有機(jī)質(zhì)(碳)的形式進(jìn)入土壤[25]。對于人工恢復(fù)群落,坡耕地退耕為人工喬、灌群落后,SOCC、SOCD隨植物群落恢復(fù)年限的增加也顯著增加(P<0.05)(圖1、圖2),這與韓新輝等[26]的研究結(jié)果類似,即退耕12a的刺槐、沙棘等人工植被均顯著提高了SOCC、SOCD。因此,人工喬、灌群落恢復(fù)年限影響SOCC、SOCD的變化。已有研究表明,黃土高原人工刺槐林SOC由源到匯的時間為3—8a[16]。與坡耕地相比,黃土丘陵溝壑區(qū)0—20 cm土層未成熟刺槐林(<10 a)SOCD低于坡耕地,而成熟林(>30 a)SOCD增加了59.54%[27]。本研究中不同侵蝕環(huán)境下刺槐群落(13—14 a)SOCD增幅分別為 45.8%和30.2%,說明在黃土區(qū)和砒砂巖區(qū)人工刺槐群落SOCD隨林齡增加仍有提高的潛力。

3.2 氣候條件對土壤有機(jī)碳變化的影響

同一植物群落下,不同侵蝕環(huán)境間SOCC、SOCD存在差異(表3),這種差異可能受到氣候條件的影響。在干旱和半干旱地區(qū),土壤水分對植物的有效性是決定植物的生產(chǎn)力、植物分布的異質(zhì)性和生活型的一個重要因子[28-29]。黃土丘陵溝壑區(qū)大部分地區(qū)植物生長所需的土壤水分完全依靠大氣降水補充[30]。由于水分條件的變化,森林草原地帶鐵桿蒿群落地上和地下生物量分別約低于森林帶1.7倍和1.8倍以上[31]。黃土丘陵區(qū)從北到南(年降雨量范圍從389.6 mm變化到558.4 mm)林地細(xì)根生物量密度由1.49 kg/m3變化到4.26 kg/m3[32]。研究表明,地上生物量、細(xì)根生物量與SOC積累密切相關(guān)[24,33],SOC的累積隨植被地上生物量的增加而增強(qiáng)[24],SOCD隨林地細(xì)根生物量密度增加呈對數(shù)增加趨勢[32]。因而,降雨量空間分布的差異間接造成了SOCC、SOCD的差異。本研究中,黃土區(qū)坊塌流域和砒砂巖區(qū)滿紅溝流域年均降雨量分別為507 mm和400 mm(表1),調(diào)查發(fā)現(xiàn)砒砂巖區(qū)滿紅溝流域植被以草本植物為主,梁峁坡林、灌植被面積小且長勢較差,黃土區(qū)坊塌流域喬、灌植被均分布面積較大,這可能導(dǎo)致兩個不同侵蝕環(huán)境下人工喬、灌群落地上生物量和細(xì)根生物量積累的能力產(chǎn)生差異,從而造成SOCC、SOCD的差異。而且,砒砂巖區(qū)滿紅溝流域常年遭受風(fēng)力侵蝕,人工喬、灌群落形成的凋落物容易被吹散而不易形成枯枝落葉層,從而減小了供應(yīng)土壤有機(jī)物質(zhì)的能力。

同時,植物潛在生產(chǎn)力是綠色植物每年在單位面積上可能生產(chǎn)的有機(jī)干物質(zhì)(包括植物地上和地下植物的總和),它既反映了氣候條件下(年均溫度、年均降雨量)植物產(chǎn)量可能達(dá)到的最大值[34],也反映了植物向土壤供應(yīng)土壤有機(jī)物質(zhì)的潛力。依據(jù)Lieth[35]提出的miami模型,黃土區(qū)坊塌流域多年平均降雨量和平均溫度均高于砒砂巖區(qū)滿紅溝流域(表1),即黃土區(qū)坊塌流域植被的潛在生產(chǎn)力也大于砒砂巖區(qū)滿紅溝流域。因而,黃土區(qū)坊塌流域植被向土壤供應(yīng)土壤有機(jī)物質(zhì)的潛力更大,這可能會導(dǎo)致未來不同侵蝕環(huán)境間SOCC、SOCD差異增大。

3.3 下墊面條件對土壤有機(jī)碳變化的影響

本研究中,坡耕地和同一植物群落下,砒砂巖區(qū)滿紅溝流域SOCC均低于或顯著低于黃土區(qū)坊塌流域(P<0.05)(表3)。一方面,這可能與砒砂巖區(qū)滿紅溝流域溝壑密度相對較高有關(guān)(表1),而溝壑密度既是反映地表破碎程度的重要因子,也是反映土壤侵蝕嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)[36-37]。研究表明,SOCC的降低與土壤侵蝕密切相關(guān),且SOCC的損失隨侵蝕強(qiáng)度的增加而增大[38-40]。因而,砒砂巖區(qū)滿紅溝流域溝壑密度較高,土壤侵蝕也較嚴(yán)重,使得SOCC更容易損失從而不利于土壤有機(jī)碳的累積。另一方面,砒砂巖區(qū)滿紅溝流域土壤砂粒含量(33.3%)高于黃土區(qū)坊塌流域(23.8%)(表1),而砂粒含量的增多不利于SOCC的累積[41]。同一植物群落下,砒砂巖區(qū)滿紅溝流域自然恢復(fù)群落SOCD高于或顯著高于黃土區(qū)坊塌流域(表3),這可能與土壤容重有關(guān)。黃土區(qū)坊塌流域退耕地自然恢復(fù)群落0—10 cm和10—20 cm土壤平均容重分別為1.07 g/cm3和1.17 g/cm3,而砒砂巖區(qū)滿紅溝流域分別為1.30 g/cm3和1.41 g/cm3。因而,不同侵蝕環(huán)境下墊面條件的差異對土壤有機(jī)碳的變化有重要影響。

4 結(jié)論

在黃土丘陵區(qū),不同侵蝕環(huán)境下植被恢復(fù)與土壤有機(jī)碳變化密切相關(guān)。坡耕地退耕后,黃土區(qū)與砒砂巖區(qū)自然和人工植被恢復(fù)均顯著提高了土壤有機(jī)碳的累積和儲存；相近恢復(fù)年限內(nèi),相對于自然恢復(fù)方式,人工刺槐造林在兩種侵蝕環(huán)境下均能累積和儲存較多的土壤有機(jī)碳,而檸條錦雞兒造林在砒砂巖區(qū)累積和儲存土壤有機(jī)碳的效果均不佳。

同一植被恢復(fù)方式下,黃土區(qū)人工和自然恢復(fù)累積土壤有機(jī)碳的效果均較好；砒砂巖區(qū)自然恢復(fù)更有利于土壤有機(jī)碳的儲存,而黃土區(qū)人工恢復(fù)儲存土壤有機(jī)碳的效果較好。不同侵蝕環(huán)境間土壤有機(jī)碳累積與儲存的差異可能受到氣候條件、下墊面性質(zhì)等的影響。

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Response of soil organic carbon to vegetation restoration in different erosion environments in the hilly-gullied region of the Loess Plateau

LI Yujin1, HU Shu1, JIAO Juying1,2,*, WU Duoyang3

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China3CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

Vegetation restoration is one of the most important measures to improve accumulation and storage of soil organic carbon (SOC). The objective of our study was to understand the response of soil organic carbon to vegetation restoration in different erosion environments in the hilly-gullied region of the Loess Plateau. The study was thus conducted on 42 restored slopes and six sloping croplands (control) in the Fangta watershed and the Manhonggou watershed, which are located, respectively, in the Loess area and Sandstone area and is characterized by different erosion environments. Variations in soil organic carbon content (SOCC) and soil organic carbon density (SOCD) among different plant communities in each erosion environment and among different erosion environments for each plant community were analyzed. In each erosion environment, compared with sloping croplands, SOCC and SOCD decreased significantly at the preliminary stage of natural restoration while the increased significantly with the process of restoration (P<0.05); and significant increases of SOCC and SOCD were also observed forCaraganakorshinskiicommunities (20—25 a) andRobiniapseudoacaciacommunities (13—14 a). This shows that soil organic carbon could be improved using both natural and artificial means of restoration within each erosion environment. SOCC and SOCD ofR.pseudoacaciacommunitieswere much higher than those ofStipabungeana+Artemisiagmeliniicommunities (15 a) within each erosion environment (P< 0.05); SOCC and SOCD inC.korshinskiicommunities (20—25 a) were much lower than inA.gmeliniicommunities (30 a) in the Sandstone area (P<0.05); andC.korshinskiicommunities (20—25 a) had much lower SOCC and much higher SOCD thanA.gmeliniicommunities (30 a) in Loess area (P<0.05). These results indicate that within the same duration of restoration, compared with natural restoration,R.pseudoacaciaafforestation could accumulate and store more SOC within each erosion environment. The effectiveness ofC.korshinskiiafforestation for accumulating SOC was not superior within all erosion environments, however, its effectiveness in storing SOC was superior in the Loess area but not in the Sandstone area. Both artificial and natural communities had higher SOCC in the Loess area than in Sandstone area, and artificial and natural communities had higher SOCD and lower SOCD in the Loess area than in the Sandstone area, respectively. Therefore, in contrast to the Sandstone area, artificial restoration in the Loess area was more effective at accumulating and storing SOC, and natural restoration was superior in accumulating SOC, but not in storing SOC.

soil organic carbon; vegetation restoration means; erosion environment; Loess area; Sandstone area

國家自然科學(xué)基金項目(41371280); 水利部公益性行業(yè)科研專項項目(201501045)

2016- 06- 16;

2016- 11- 04

10.5846/stxb201606161168

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jyjiao@ms.iswc.ac.cn

李玉進(jìn),胡澍,焦菊英,吳多洋.黃土丘陵區(qū)不同侵蝕環(huán)境下土壤有機(jī)碳對植被恢復(fù)的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報,2017,37(12):4100- 4107.

Li Y J, Hu S, Jiao J Y, Wu D Y.Response of soil organic carbon to vegetation restoration in different erosion environments in the hilly-gullied region of the Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4100- 4107.