全 文 ：黄土区不同退耕方式下土壤碳氮的
差异及其影响因素
王志齐１　 杜兰兰１　 赵　 慢２　 郭胜利１，２，３∗
（ １西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西杨凌 ７１２１００； ２西北农林科技大学资源与环境学院， 陕西杨凌， ７１２１００； ３中国科
学院水利部水土保持研究所， 陕西杨凌 ７１２１００）
摘　 要　 研究植被恢复对土壤碳氮动态的影响，对了解陆地生态系统碳氮循环，应对全球温
室效应具有重要意义．本研究以黄土丘陵区不同人工恢复植被为对象，以农田为参照，分析了
不同人工植被恢复方式对 ０～１００ ｃｍ剖面土壤有机碳（ＳＯＣ）和全氮（ＴＮ）含量影响的差异及
其影响因素．结果表明： 退耕还林还草显著提高了土壤的 ＳＯＣ 和 ＴＮ含量．退耕后，ＳＯＣ 和 ＴＮ
含量均较农田明显提高．０～１００ ｃｍ 土层 ＳＯＣ 平均含量人工乔木林为农田的 １．４３ 倍，增幅最
大；其次是人工灌木，为 １．３６ 倍；最后是人工草地，为 １．２１ 倍．０ ～ １００ ｃｍ 土层 ＴＮ 平均含量人
工乔木林增幅最大，是农田的 １．３０ 倍；其次是人工草地，为 １．２１ 倍；而人工灌木增幅最小，为
１．１３倍．与农田相比，人工恢复植被类型间 ＳＯＣ和 ＴＮ含量及细根密度的差异在土壤剖面深度
上表现出不同，人工乔木和灌木最明显，影响深度＞１００ ｃｍ；草地最小，仅为 ６０ ｃｍ．恢复植被的细
根密度、Ｃ ∶ Ｎ和凋落物量显著高于农作物，细根密度与 ＳＯＣ、ＴＮ呈显著线性相关（Ｐ＜０．０１） ．细
根的质和量以及凋落物量是不同人工恢复植被下 ＳＯＣ和 ＴＮ含量差异的重要影响因素．
关键词　 土壤全氮； 土壤有机碳； 细根； 凋落物； 植被类型
本文由国家自然科学基金项目（４１３７１２７９，４１０７１３３８）资助 Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （４１３７１２７９，
４１０７１３３８） ．
２０１５⁃０９⁃０６ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ， ２０１５⁃１２⁃２５ Ａｃｃｅｐｔｅｄ．
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｓｌｇｕｏ＠ ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｍｐａｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ． ＷＡＮＧ Ｚｈｉ⁃ｑｉ１， ＤＵ Ｌａｎ⁃ｌａｎ１， ＺＨＡＯ Ｍａｎ２， ＧＵＯ
Ｓｈｅｎｇ⁃ｌｉ１，２，３∗ （１ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ
７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇ⁃
ｌｉｎｇ ７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ３Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉ⁃
ｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ） ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ
（ＳＯＣ） ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｓｏｉｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＴＮ） ｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｔｏ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｙｃ⁃
ｌｉｎｇ ｉｎ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｅｆｆｅｃｔ． Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ＳＯＣ ａｎｄ
ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ０－１００ ｃｍ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｍｐａｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ
ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｌｅｄ ｔｏ
ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｂｏｔｈ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ０－１００ ｃｍ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ
ｏｆ ｃｒｏｐｌａｎｄ． Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ａｖｅｒａｇｅ ＳＯＣ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｏｏｄｌａｎｄ
（１．４３ ｔｉｍｅｓ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｐｌａｎｄ）， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｈｒｕｂｌａｎｄ （１．３６ ｔｉｍｅｓ） ａｎｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ
ｇｒａｓｓｌａｎｄ （１．２１ ｔｉｍｅｓ）； ｗｈｅｒｅａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ａｖｅｒａｇｅ ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒ⁃
ｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｏｏｄｌａｎｄ （ １． ３０ ｔｉｍｅｓ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｐｌａｎｄ）， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｇｒａｓｓｌａｎｄ （ １． ２１
ｔｉｍｅｓ） ａｎｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｈｒｕｂｌａｎｄ （１．１３ ｔｉｍｅｓ）． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｒｏｐｌａｎｄ， ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｕｐ ｔｏ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ＞１００ ｃｍ ｉｎ ｔｈｅ
ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｏｏｄｌａｎｄ ａｎｄ ｓｈｒｕｂｌａｎｄ， ｂｕｔ ａｂｏｕｔ ６０ ｃｍ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｇｒａｓｓｌａｎｄ． Ｔｈｅ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ｄｅｎｓｉｔｙ，
ｓｏｉｌ Ｃ：Ｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄ ｌｉｔｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｏｏｄｌａｎｄ， ｓｈｒｕｂｌａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｓｓｌａｎｄ
ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｃｒｏｐｌａｎｄ， ａｎｄ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｒｒｅ⁃
应 用 生 态 学 报　 ２０１６年 ３月　 第 ２７卷　 第 ３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｊａｅ．ｎｅｔ
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｍａｒ． ２０１６， ２７（３）： ７１６－７２２　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＤＯＩ： １０．１３２８７ ／ ｊ．１００１－９３３２．２０１６０３．０１７
ｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ （Ｐ＜０．０１）． Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ａｎｄ ｌｉｔｔｅｒ ｂｉｏｍａｓｓ ｍｉｇｈｔ ｂｅ
ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｏｔａｌ ｓｏｉｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ； ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ； ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ； ｌｉｔｔｅｒ； ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｔｙｐｅｓ．
　 　 全球土壤碳库为 ２５００ Ｇｔ，是大气碳库（７６０ Ｇｔ）
的 ３．３倍、生物碳库（５６０ Ｇｔ）的 ４．５ 倍，其微小的变
化可能引起大气 ＣＯ２浓度的较大波动，进而影响温
室效应和全球气候变化［１］ ．人工植被恢复是促进土
壤碳氮恢复的重要措施．目前，有关退耕还林还草已
有大量研究［２－３］，但系统的人工恢复研究相对较少．
探讨不同人工植被类型对土壤有机碳（ＳＯＣ）和全氮
（ＴＮ）含量影响的差异对选择合理的植被类型模式
有重要参考意义．
退耕还林还草后 ＳＯＣ和 ＴＮ含量一般都会显著
提高，并受许多因素影响，如土地利用类型、管理方
式、凋落物量、树种组成及细根的质和量等［４－８］ ．与农
田相比，各人工植被类型无论是在管理方式、微气候
环境（温度、湿度） ［５］、凋落物量，还是细根的质和
量［８］等方面都明显不同．因此，人工植被恢复类型对
ＳＯＣ和 ＴＮ含量的影响会有显著差异．但人工乔木、
灌木以及草地对土壤碳氮积累效率影响的优劣仍存
在一定争议［５，７，１１－１４］ ．已有研究表明，退耕后植被恢
复地区的土壤碳氮累积速率多表现为林地＞灌木＞
草地［１０］；苏静等［１１］则认为，退耕后草地比乔木和灌
木更有利于 ＳＯＣ的恢复．Ｇｕｏ等［７］发现，农田转变为
林地 ＳＯＣ 增加了 １８％，而转变为草地后增加了
１９％，没有显著差异．因此，针对不同植被类型退耕
方式的 ＳＯＣ 和 ＴＮ 固存效应，尤其是对其固存效应
的影响因素，有必要开展进一步研究．退耕还林还草
后，ＳＯＣ和 ＴＮ含量最终被 Ｃ 和 Ｎ 输入和输出的平
衡所决定，而细根和凋落物是制约这个平衡的关键
因素［１４］ ．因此，植被细根的质和量深刻影响 ＳＯＣ 和
ＴＮ含量动态变化及剖面分布特征［１５］ ．不同植被类
型下，植被细根的生长速度、生命周期、周转速率、分
解过程等存在较大差别．因此，不同植被恢复类型细
根的质和量及剖面分布特征的差异可能是导致 ＳＯＣ
和 ＴＮ变化的主要驱动力［１５］ ．
黄土高原丘陵区退耕还林还草可追溯到 ２０ 世
纪 ５０年代初期，７０年代国家进行了大规模的治理，
其效果除了体现在植物覆盖度提高以及社会、经济
和生态效益外，土壤固碳氮效益也引起人们的重视．
有关黄土高原退耕还林还草后植被恢复过程中土壤
碳氮的研究已有大量报道［１６］，但是退耕后不同植被
类型的细根质和量以及凋落物量对 ＳＯＣ和 ＴＮ含量
及剖面分布的影响还鲜见报道．本文研究了黄土高
原植被恢复治理区退耕后不同人工植被类型 ０～１００
ｃｍ土层 ＳＯＣ、ＴＮ含量的分布特征及其与细根和凋
落物的关系，以期为评价不同植被恢复类型下土壤
碳氮固存潜力提供依据，为选择合理的退耕模式提
供数据支持．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
燕沟流域 （ ３６° ２８′—３６° ３２′ Ｎ， １０９° ２０′—
１０９°３５′ Ｅ）位于陕西省延安市宝塔区，主沟长 ８． ６
ｋｍ，呈东南⁃西北走向，总面积约 ４８ ｋｍ２，海拔 ９８６ ～
１４２５ ｍ， 以 梁 峁 地 貌 为 主， 沟 壑 密 度 为 ４􀆰 ８
ｋｍ·ｋｍ－２，属于典型黄土高原丘陵沟壑区．流域气候
为暖温带半湿润向半干旱过渡的类型，年平均气温
９．８ ℃，多年平均降雨量约 ５５８ ｍｍ．土壤为半熟化状
态的黄绵土（占 ９０％以上），ｐＨ 为 ７．９２ ～ ８．１３．治理
前流域水土流失面积 ４２． ５５ ｋｍ２，占总面积的
８８􀆰 ７％，属强度水土流失地区［１７］ ．２０ 世纪 ５０ 年代以
来，该区作为黄土高原优先和重点水土流失治理区，
进行了大规模的植被恢复建设，７０ 年代国家进行了
退耕还林还草工程，坡度大于 ２５°的农田全部退耕，
故该地区具有稳定的人工植被恢复序列．
１􀆰 ２　 样地选择
在该流域选取地形近似、历史背景相同（林龄
相似及植被恢复前为坡耕地）且生态平衡稳定的典
型治理坡段，各点以人工乔木、灌木、草地群落为对
象，并在就近区域选取微坡度农田，ＧＰＳ 定位，对其
进行生物群落典型样方调查，每种处理设置 ３ 个样
地，共 １２个，每个样地设置 ３个样方．草地采用 １ ｍ×
１ ｍ样方，调查草丛盖度、高度、种类等；灌木林和乔
木林样地采用 １０ ｍ×１０ ｍ 样方，主要调查林木种
类、郁闭度、胸径、密度生长状况等；林下群落同样采
用 １ ｍ×１ ｍ样方，调查方法同草地．各植被类型自然
状况见表 １．
１􀆰 ３　 样品采集与分析
土样的采集：用直径为 ３ ｃｍ的土钻在每个样方
内选取 ３个点，采集 ０～５、５～１０、１０～１５、１５～２０、２０～
７１７３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 王志齐等： 黄土区不同退耕方式下土壤碳氮的差异及其影响因素　 　 　 　 　 　
表 １　 样地概况
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｓｉｔｅｓ
植被类型
Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ
ｔｙｐｅ
经纬度
Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ
ａｎｄ ｌａｔｉｔｕｄｅ
坡度
Ｇｒａｄｉｅｎｔ
（°）
海拔
Ａｌｔｉｔｕｄｅ
（ｍ）
坡向
Ａｓｐｅｃｔ
林龄
Ａｇｅ
（ａ）
先前
土地利用
Ｐｒｉｏｒ
ｌａｎｄ ｕｓｅ
冠层均高
Ｍｅａｎ
ｃａｎｏｐｙ
ｈｅｉｇｈｔ （ｍ）
树干均高
Ｍｅａｎ
ｐｌａｎｔ
ｈｅｉｇｈｔ
（ｍ）
平均胸径
Ｍｅａｎ
ＤＢＨ
（ｃｍ）
冠层
覆盖度
Ｃａｎｏｐｙ
ｃｏｖｅｒａｇｅ
（％）
凋落物量
Ｌｉｔｔｅｒ
ｂｉｏｍａｓｓ
（Ｍｇ·ｈｍ－２）
主要
优势种
Ｄｏｍｉｎａｎｔ
ｐｌａｎｔ
ｓｐｅｃｉｅｓ
Ⅰ １０９°３１′５０．０″ Ｅ
３６°３１′１３．０″ Ｎ
２０～３５ １２５６ 阳坡 ３０ 农田 ５ ３．８ １５ ４５ １６Ａ 刺槐、山杨
Ⅱ １０９°３２′１４．０″Ｅ
３６°２７′２９．０″Ｎ
２０～３５ １２５０ 阳坡 ３０ 农田 ２ １．５ ７ ４５ ６．３Ｂ 柠条、沙棘、杠
柳
Ⅲ １０９°３１′２３．６″Ｅ
３６°２７′３１．１″Ｎ
２０～３５ １２３８ 阳坡 ２０ 农田 ０．２ ４８ ０．２Ｃ 紫花苜蓿
Ⅳ １０９°３２′５７．３″Ｅ
３６°２７′１５．３″Ｎ
５～１５ １２３０ 阳坡 小麦、小米、玉
米
Ⅰ： 人工乔木 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｏｏｄｌａｎｄ； Ⅱ：人工灌木 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｈｒｕｂｌａｎｄ； Ⅲ：人工草地 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｇｒａｓｓｌａｎｄ； Ⅳ：农田 Ｃｒｏｐｌａｎｄ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ． 不
同大写字母表示植被凋落物间差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｐｉｔａｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｌｉｔｔｅｒｓ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ．
４０、４０～６０、６０ ～ ８０、８０ ～ １００ ｃｍ 土壤样品，相同土层
土样混合为一个样本．采集普通样品的同时，采用环
刀法按同样土层划分采集土样测定土壤容重．采回
的新鲜土样部分风干，磨细过 ０．１５ ｍｍ筛后，测定土
壤有机碳（Ｈ２ＳＯ４⁃Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７外加热法） ［１８］和土壤全氮
（凯氏定氮法） ［１９］ ．部分装入铝盒在鼓风干燥箱中以
（１０５±２） ℃烘干 ８ ～ １０ ｈ 至恒量，用于测定土壤水
分含量，使用质量百分比表示．
根样的采集：用直径为 ９ ｃｍ的根钻在每个样方
内选取 ３ 个点，采集 ０ ～ １０、１０ ～ ２０、２０ ～ ４０、４０ ～ ６０、
６０～８０、８０～１００ ｃｍ土层样品，相同土层土样混合为
一个样本，装入塑料袋收集．从土壤中挑出所有根
系，按处理和重复编号后放于塑封袋中，用水清洗干
净后，按直径≤２ ｍｍ（细根）和＞２ ｍｍ（粗根）分为两
级．将直径＜２ ｍｍ的根系用小纸袋装好，置于鼓风干
燥箱中以 ７０ ～ ８０ ℃烘干至恒量，再分别称量和记
录，研磨过 ０．１５ ｍｍ筛后，测定其碳（Ｈ２ＳＯ４⁃Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７
外加热法）和氮含量（凯氏定氮法）．
１􀆰 ４　 数据处理
利用 ＳｉｇｍａＰｌｏｔ 软件制作相关的基础图件．采用
ＳＡＳ ９．１ 软件中非均衡数据方差分析（Ｐｒｏｃ ＧＬＭ 程
序包）分别进行 ＳＯＣ、ＴＮ、凋落物量和细根密度及其
Ｃ ∶ Ｎ的方差分析，用以比较不同处理、不同土层间
ＳＯＣ、ＴＮ、凋落物量和细根密度及其 Ｃ ∶ Ｎ差异．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 不同植被类型对土壤有机碳含量的影响
由图 １可知，０ ～ １００ ｃｍ 土层农田 ＳＯＣ 平均含
量仅为 ３．１５ ｇ·ｋｇ－１，人工草地（３．８２ ｇ·ｋｇ－１）、人工
灌木（４．２８ ｇ·ｋｇ－１）和人工乔木（４．５１ ｇ·ｋｇ－１）分别
较农田提高了 ２１．２％、３５．９％和 ４３．４％．与农田相比，
不同植被类型 ＳＯＣ 提高的幅度在土层深度上存在
差异（图 １），尤以表层差异较大．乔木林较农田影响
ＳＯＣ剖面深度≥１００ ｃｍ土层，０ ～ ５ ｃｍ 土层 ＳＯＣ 含
量相对提高量最大，为 ９５． ３％．灌木林影响深度
≥１００ ｃｍ土层，２０～４０ ｃｍ 土层相对提高量最大，为
５７．６％．草地剖面影响深度最小，为 ８０ ｃｍ，０ ～ ５ ｃｍ
土层 ＳＯＣ含量相对提高量最大，为 ４０．９％．
２􀆰 ２　 不同植被类型对土壤全氮含量的影响
由图 １可知，０～１００ ｃｍ 土层农田 ＴＮ 平均含量
为 ０．４ ｇ·ｋｇ－１，草地 （ ０． ４９ ｇ·ｋｇ－１ ）、灌木 （ ０􀆰 ４６
ｇ·ｋｇ－１）和乔木（０． ５２ ｇ·ｋｇ－１）分别提高 ２０􀆰 ６％、
１３􀆰 ３％和 ２９．１％．与农田相比，不同植被类型提高的
幅度在土层深度上存在差异（图１），尤以表层差异
图 １　 平均土壤有机碳和全氮含量剖面分布
Ｆｉｇ．１　 Ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｎ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔｓ．
Ⅰ： 人工乔木 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｗｏｏｄｌａｎｄ； Ⅱ： 人工灌木 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｈｒｕｂｌａｎｄ；
Ⅲ： 人工草地 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｇｒａｓｓｌａｎｄ； Ⅳ： 农田 Ｃｒｏｐｌａｎｄ． ∗ 不同植被在
同一土层平均土壤有机碳含量差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅ⁃
ｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． 下
同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
８１７ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
较大．乔木林剖面影响深度达 １００ ｃｍ土层，０～５ ｃｍ土
层 ＳＯＣ含量相对提高量最大，为 ７４．５％．灌木林剖面
影响深度达到 ６０ ｃｍ 土层，２０～４０ ｃｍ 土层相对提高
量最大，为 ３３．３％．草地剖面影响深度达 ６０ ｃｍ 土层，
０～５ ｃｍ土层 ＳＯＣ含量相对提高量最大，为 ４０．１％．
２􀆰 ３　 不同植被类型和农作物细根密度及凋落物量
的特征
０～１００ ｃｍ土层农作物的平均细根密度为 ０􀆰 １４
ｍｇ·ｃｍ－１，草地 （ ０． ２２ ｍｇ · ｃｍ－１ ）、 灌木 （ ０􀆰 ２４
ｍｇ·ｃｍ－１）和乔木 （ ０． ３８ ｍｇ · ｃｍ－１ ） 分别提高
５３􀆰 ４％、７１􀆰 ８％和 １６９．０％（图 ２）．不同植被类型细根
密度因剖面深度表现出差异，尤以表层差异较大．乔
木与农作物细根密度在剖面深度差异≥１００ ｃｍ 土
层，８０～１００ ｃｍ土层相对提高量最大，为 １３００％．灌
木与农作物细根密度在剖面深度差异≥１００ ｃｍ 土
层，８０～１００ ｃｍ土层相对提高量最大，为 ６００％．草地
剖面深度影响达到 ８０ ｃｍ土层，６０～８０ ｃｍ土层相对
提高量最大，为 １２０％．
由表 １ 可知，各植被类型间凋落物量存在显著
差异，表现为人工乔木＞人工灌木＞人工草地＞农田．
２􀆰 ４　 不同人工恢复植被和农作物的细根 Ｃ ∶ Ｎ
不同人工恢复植被细根的碳均大于农田，而氮
小于农田，恢复植被细根的 Ｃ ∶ Ｎ 均显著大于农田
（表 ２，Ｐ＜０．０５）．
图 ２　 平均细根密度剖面分布
Ｆｉｇ．２　 Ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｎ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ｄｅｎｓｉｔｙ．
表 ２　 不同植被类型和农作物细根的碳、氮及其比值
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ Ｃ， Ｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ｉｎ
ｃｒｏｐ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ
植被类型
Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ
Ｃ
（ｇ·ｋｇ－１）
Ｎ
（ｇ·ｋｇ－１）
Ｃ ∶ Ｎ
Ⅰ ４３３．０±３２．７ １９．５±０．４ ２２．２Ｂ
Ⅱ ４５９．９±２．８ １１．０±０．４ ４１．７Ａ
Ⅲ ４５８．５±７．４ ２０．２±０．８ ２２．７Ｂ
Ⅳ ３５０．９±７．４ ２６．１±０．７ １３．４Ｃ
不同大写字母表示各植被间差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｐｉｔａｌ ｌｅｔ⁃
ｔｅｒｓ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｓ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ．
２􀆰 ５　 不同植被类型和农田土壤碳、氮与细根密度的
关系
人工乔木、人工灌木、人工草地和农田 ＳＯＣ 和
ＴＮ含量均与细根密度呈显著的线性关系（Ｐ＜０􀆰 ０１）
（图 ３），Ｒ２分别为 ０．７３和 ０．８０．并且不同植被恢复类
型下 ＳＯＣ和 ＴＮ差值与其细根密度差值之间存在显
著的线性相关（Ｐ＜０．０１，图 ４），相关系数 Ｒ２分别为
０．７３和 ０．６５．
图 ３　 土壤碳、氮与其细根密度的关系
Ｆｉｇ．３ 　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｆｉｎｅ
ｒｏｏｔ ｄｅｎｓｉｔｙ．
图 ４　 土壤碳氮差值与其细根密度差值的关系
Ｆｉｇ． ４ 　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ＳＯＣ ａｎｄ ＴＮ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔ ｄｅｎｓｉｔｙ．
９１７３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 王志齐等： 黄土区不同退耕方式下土壤碳氮的差异及其影响因素　 　 　 　 　 　
３　 讨　 　 论
３􀆰 １　 不同植被类型对土壤有机碳含量及分布的
影响
本研究结果显示，与农田相比，各人工植被类型
能够显著提高 ＳＯＣ含量，这与前人的研究结果相一
致［１０］ ． 但由于乔木林群落物种丰富，根系、枝叶凋落
物等有机物输入量大（表 １），其对 ＳＯＣ 含量的提高
量明显高于灌木和草地．梁爱华等［１０］在黄土高原纸
坊沟流域也得到类似结果，在退耕后 ０ ～ ２０ ｃｍ 土层
ＳＯＣ含量为乔木林（５． ２１ ｇ·ｋｇ－１） ＞灌木林（５􀆰 １２
ｇ·ｋｇ－１）＞草地（４．２４ ｇ·ｋｇ－１）．而本研究 ０ ～ ２０ ｃｍ
各植被类型下 ＳＯＣ含量高于上述结果．这可能是因
为纸坊沟流域位于黄土高原的北部，土壤肥力相对
较差所致．
此外，不同植被类型对 ＳＯＣ 剖面分布的影响也
存在差异（图 １）．乔木林、灌木林、草地各土层 ＳＯＣ
分布比例各不相同．Ｈａｎ 等［２０］研究发现，ＳＯＣ 含量
在 １０ ｃｍ以上土层表现为农田＞人工草地＞人工乔
木＞人工灌木，１０～２０ ｃｍ土层为人工草地＞农田＞人
工灌木＞人工乔木．Ｌｉ 等［２１］指出，６０ ｃｍ 以上土层人
工乔木、人工灌木、人工草地的 ＳＯＣ 含量有着显著
差异，６０ ｃｍ以下土层则变化较小，推测可能与植被
根系的分布有关．
３􀆰 ２　 植被恢复对土壤全氮含量及分布的影响
与农田相比，植被恢复能够显著提高 ＴＮ 含量，
且乔木＞灌木＞草地（图 １）．已有大量相似的报道．邢
肖毅等［２２］在安塞县南部楼坪乡洞子沟流域研究发
现，０～１０ ｃｍ土层人工乔木（０．９０ ｇ·ｋｇ－１） ＞人工灌
木（０．９０ ｇ·ｋｇ－１）＞人工草地（０．３５ ｇ·ｋｇ－１）．本研究
中，各植被类型下 ０ ～ １０ ｃｍ 土层 ＴＮ 含量基本与其
一致．此外，不同植被对 ＴＮ 剖面分布也存在明显差
异（图 １）．乔木林、灌木林、草地各土层 ＴＮ分布比例
各不相同．已有类似研究发现，ＴＮ 储量在 ０ ～ ６０ ｃｍ
土层表现为菜地＞果园＞农田＞林地＞草地，而在 ６０～
８０ ｃｍ土层为果园＞菜地＞农田＞草地＞林地［２３］ ．
３􀆰 ３　 植被恢复下细根和凋落物对剖面土壤碳、氮分
布的影响
根系和凋落物是影响土壤有机物输入的主要因
素［２４］ ．细根周转是土壤碳氮的重要来源，而细根周
转受植被细根的质和量的影响较大［２５］ ．本研究中，
各植被类型下 ＳＯＣ和 ＴＮ含量大小取决于细根密度
和凋落物量的变化（表 １、图 ３ 和图 ４）．人工乔木凋
落物量（１６ Ｍｇ·ｈｍ－２） ＞人工灌木（６．３ Ｍｇ·ｈｍ－２）
＞人工草地（０．２ Ｍｇ·ｈｍ－２）．０～１００ ｃｍ土层，乔木平
均细根密度 （ ０． ３８ ｍｇ · ｃｍ－３ ） ＞ 灌木 （ ０． ２４
ｍｇ·ｃｍ－３）＞草地（０．２２ ｍｇ·ｃｍ－３）（图 ２），可能是由
于乔木群落经过长期的演替过程，物种丰富，林分结
构较为完整［２６］，而人工草地（紫花苜蓿）每年要被收
割 ２～３次，致使乔木群落中凋落物量和细根密度显
著高于灌木和草地［２７］ ．其次，细根密度也会影响
ＳＯＣ和 ＴＮ含量的剖面分布［２０，２８］ ．Ｃｈａｎｇ 等［２８］发现，
林地条件下，５５％的细根分布在表层 ２０ ｃｍ 土层，且
有机碳分布与细根分布存在很好的对应．与灌木和
草地群落相比，乔木群落深层土壤细根密度和 ＳＯＣ
含量均有优势（图 １、图 ２），先前已有研究也有类似
发现［２９］，表明深层土壤乔木群落细根的密集分布可
能是 ＳＯＣ积累的主要原因．植被恢复后土壤碳、氮
的变化亦受到细根质的调控．植被细根的分解和周
转受其 Ｃ ∶ Ｎ、木质素和纤维素的影响［３０］ ．本研究各
恢复植被细根的 Ｃ ∶ Ｎ显著大于农作物细根．
不同植被类型下 ＳＯＣ和 ＴＮ含量与细根密度呈
现显著的线性关系（Ｐ＜０．０１） （图 ３），这表明在 ０ ～
１００ ｃｍ土层，植被恢复后 ＳＯＣ 和 ＴＮ 含量的变化受
细根密度的影响．不同植被类型条件下 ＳＯＣ 差值和
ＴＮ差值与其细根生物量差值之间存在显著的线性
相关（Ｐ＜０．０１）（图 ４），表明细根密度的差值是不同
人工恢复植被下 ＳＯＣ和 ＴＮ含量差异的主要因素．
事实上，ＳＯＣ受根系残体及分泌物、凋落物和退
耕年限等因子的影响，本文仅对细根和凋落物进行
了详细的分析，其他影响因子也应该被考虑．
４　 结　 　 论
退耕还林还草显著提高了土壤碳氮储量．与农
田相比，人工植被恢复能够显著提高土壤碳氮固存
能力，且呈现乔木林＞灌木林＞草地．
恢复植被细根的 Ｃ ∶ Ｎ和凋落物量均显著大于
农田（Ｐ＜０．０５）．不同植被类型下土壤碳氮含量及其
细根密度分布与农田的差异表现在不同剖面土层的
深度上，人工乔木和灌木影响深度＞１００ ｃｍ土层；而
草地仅表现在 ６０ ｃｍ土壤．
退耕后，细根和凋落物是影响不同植被类型土
壤碳氮含量差异的重要因素．
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０２７ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
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１２７３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 王志齐等： 黄土区不同退耕方式下土壤碳氮的差异及其影响因素　 　 　 　 　 　
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作者简介　 王志齐，男，１９８７年生，博士． 主要从事土壤侵蚀
与碳循环研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｗａｎｇｚｈｉｑｉ２０１０＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 张凤丽
王志齐， 杜兰兰， 赵慢， 等． 黄土区不同退耕方式下土壤碳氮的差异及其影响因素． 应用生态学报， ２０１６， ２７（３）： ７１６－７２２
Ｗａｎｇ Ｚ⁃Ｑ， Ｄｕ Ｌ⁃Ｌ， Ｚｈａｏ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｍｐａｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｔｏ⁃
ｒａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， ２０１６， ２７（３）： ７１６－７２２ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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