全 文 ：晋西北黄土高原丘陵区不同土地利用方式下
土壤碳氮储量*
董云中摇 王永亮摇 张建杰摇 张摇 强摇 杨治平**
(山西省农业科学院农业环境与资源研究所, 山西省土壤环境与养分资源重点实验室, 太原 030006)
摘摇 要摇 对晋西北黄土高原丘陵区杨树鄄小叶锦鸡儿人工林、小叶锦鸡儿人工灌丛、杨树人工
林、撂荒地和农田 5 种土地利用方式下土壤碳氮储量进行研究.结果表明: 不同土地利用方式
下土壤碳氮含量、碳氮密度和碳氮储量存在显著差异. 5 种土地利用方式 0 ~ 20 cm 表层土壤
碳氮含量和碳氮密度均显著大于 20 ~ 40 cm和 40 ~ 60 cm 土层. 5 种土地利用方式同一土层
碳氮含量和碳氮密度大小为: 杨树鄄小叶锦鸡儿人工林>小叶锦鸡儿人工灌丛>杨树人工林>
撂荒地 >农田;0 ~ 60 cm 土层土壤有机碳储量大小为:杨树鄄小叶锦鸡儿人工林 (30郾 09
t·hm-2)>小叶锦鸡儿人工灌丛(24. 78 t·hm-2 ) >杨树人工林(24. 14 t·hm-2 ) >撂荒地
(22. 06 t·hm-2)>农田(17. 59 t·hm-2);土壤氮储量与有机碳储量变化规律相似,杨树鄄小叶
锦鸡儿人工林 0 ~ 60 cm土层土壤氮储量(4. 94 t·hm-2)最高,其次是小叶锦鸡儿人工灌丛
(3. 53 t·hm-2)、杨树人工林(3. 51 t·hm-2)和撂荒地(3. 40 t·hm-2),农田土壤氮储量(2. 71
t·hm-2)最低.杨树鄄小叶锦鸡儿人工林和小叶锦鸡儿人工灌丛是晋西北黄土高原丘陵区植被
建设和生态恢复过程中较好的两种土地利用方式.
关键词摇 土地利用方式摇 土壤碳氮含量摇 土壤碳氮储量摇 黄土高原
*公益性行业(农业)科研专项经费项目(201103003)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yzpsx0208@ 163. com
2013鄄06鄄16 收稿,2013鄄11鄄20 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)04-0955-06摇 中图分类号摇 Q948摇 文献标识码摇 A
Soil carbon and nitrogen storage of different land use types in northwestern Shanxi Loess
Plateau. DONG Yun鄄zhong, WANG Yong鄄liang, ZHANG Jian鄄jie, ZHANG Qiang, YANG Zhi鄄
ping (Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Institute of Agri鄄
culture Environment and Resources Research, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan
030006, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(4): 955-960.
Abstract: The soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) storage under five different land
use patterns, i. e. , poplar and Caragana microphylla plantation, C. microphylla artificial shrub鄄
land, poplar plantation, bare land and cropland were studied in the hilly Loess Plateau of north鄄
western Shanxi. The results showed that the contents, densities and storage of SOC and TN varied
remarkably under the different land鄄use patterns. Soil carbon and nitrogen contents and storage in
the 0-20 cm soil layer were significantly higher in the 20-40 cm and 40-60 cm soil layers under
each of the five land use patterns. In the same soil layer, the contents and densities of SOC and TN
under the five land use patterns were in the order of poplar and C. microphylla plantation > C. mi鄄
crophylla artificial shrubland > poplar plantation > bare land > cropland. The SOC storage in the
0-60 cm soil layer was in the order of poplar and C. microphylla plantation (30. 09 t·hm-2) > C.
microphylla artificial shrubland (24. 78 t·hm-2 ) > poplar plantation (24. 14 t·hm-2 ) > bare
land (22. 06 t·hm-2) > cropland (17. 59 t·hm-2). Soil TN storage had the same trend as SOC
storage, and TN storage in the 0-60 cm soil layer was the highest (4. 94 t·hm-2) in poplar and
Caragana microphylla plantation, followed by C. microphylla artificial shrubland (3. 53 t·hm-2),
poplar plantation (3. 51 t·hm-2), bare land (3. 40 t·hm-2), and cropland (2. 71 t·hm-2).
Poplar and C. microphylla plantation and C. microphylla artificial shrubland were the good land use
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 4 月摇 第 25 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2014, 25(4): 955-960
patterns in the process of vegetation construction and ecological restoration in the hilly Loess Plateau
of northwestern Shanxi.
Key words: land use type; soil carbon and nitrogen content; soil carbon and nitrogen storage; Lo鄄
ess Plateau.
摇 摇 土壤有机碳库是陆地生态系统中最为重要的碳
库之一[1-3],土壤碳储量约是大气碳储量的 2 倍,植
被碳储量的 3 倍[4-5] . 土壤有机碳在很大程度上影
响土壤结构形成、土壤团聚体稳定性、土壤缓冲性,
同时影响植物营养的生物有效性[6] . 与土壤生产力
和土壤退化有关的一系列土壤过程中,土壤有机碳
起着缓解和调节作用[7] . 因此,土壤有机碳作为土
壤重要的组成部分,不仅是评价农田生态系统土壤
质量的重要指标,也是评价退化森林生态系统植被
恢复效果的重要指标[8] .土壤有机碳研究已经成为
退化土壤植被恢复和重建研究的热点[9] . 土壤氮库
与土壤有机碳库紧密相关. 氮素作为一种大量营养
元素,对维系土壤质量、促进植物生长和保护环境均
极为重要.有研究表明,在土壤退化地区,采取保护
性耕作和植被重建,可以增加土壤有机碳和全氮储
量.反之,土地过度利用会降低土壤有机碳和全氮的
含量和储量[10],从而导致土地生产力下降[11] .尤其
是人为活动不当导致的土壤碳和氮以气体形式向大
气排放,能够引起温室气体效应[12] . 杜建明和王
峰[13]对毛乌素沙地人工固沙林土壤有机碳研究发
现,不同类型人工林土壤有机碳含量及分布存在差
异;赵哈林等[14]研究了沙漠化对科尔沁草地生态系
统碳氮储量的影响,证实随着草地沙漠化的进程,草
地土壤碳、氮含量和储量明显下降;王华静等[15]对
川西北高寒地区土壤有机碳含量垂直分布研究发
现,冲积土和亚高山草甸土有机碳含量随土壤深度
的增加均呈下降趋势,泥炭草甸土有机碳含量随土
壤深度增加先下降后升高.目前,对黄土高原退化土
壤上植被恢复过程中不同植被类型对土壤碳氮储量
影响的研究较少.我国黄土高原丘陵区水土流失严
重,生态脆弱,土地利用方式改变,植被变化是土壤
碳库和氮库变化的重要驱动力, 其作用超过自然环
境变化影响的速率和程度[16-17] . 因此,本文选择晋
西北黄土高原丘陵区生态恢复过程中 5 种典型土地
利用方式,即杨树人工林、小叶锦鸡儿人工灌丛、杨
树鄄小叶锦鸡儿人工林、撂荒地和农田,研究 5 种土
地利用方式间土壤有机碳氮含量和储量的差异,为
黄土高原丘陵区生态系统重建以及植被结构的合理
配置提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于山西省西北部的五寨县石咀头村
(38毅 44忆—39毅 17忆 N, 111毅 28忆—112毅 00忆 E),海拔
1200 ~ 1400 m.该地区气候属温带大陆性气候,四季
分明,春季干旱多风,夏秋雨量集中. 年均温 4. 1 ~
5. 5 益,逸10 益年积温 2452. 3 ~ 2787. 5 益,无霜期
110 d,年降雨量 400 mm,6—8 月降水量占全年降水
量的 70% ,春季 3—5 月降水量占 10% . 年均风速
2郾 8 m·s-1,常年出现大风天气,逸6 级的大风日数
为 35. 4 d,年扬沙日数达 26. 4 d.试验样地坡度 0 ~
4毅.土壤为典型风沙土壤,质地偏砂,肥力瘠薄.为改
良沙化土,减轻风沙危害,自 20 世纪 60 年代开始,
当地陆续种植了固沙植被,主要植被类型有小叶锦
鸡儿(Caragana microphylla)人工灌丛、杨树人工林、
杨树鄄小叶锦鸡儿人工林等.当地是山西省杂粮种植
区,荞麦是主栽大田作物.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 试验设计 摇 于 2009 年 5—6 月,选择同一坡
面、坡度 0 ~ 4毅、位置相邻、持续利用 30 年的 5 种土
地利用类型:杨树人工林、小叶锦鸡儿人工林、杨树鄄
小叶锦鸡儿人工林、撂荒地和农田. 采用样方法,每
种土地利用方式下分别设置 3 个 20 m伊20 m 样方,
采集 0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm和 40 ~ 60 cm土层土样.
每个样方 3 次重复.样地基本情况见表 1.
1郾 2郾 2 样品分析摇 土壤有机碳含量采用重铬酸钾容
量法测定, 全氮含量采用半微量凯氏法测定. 土壤
容重采用环刀法测定.
1郾 3摇 数据处理
土壤有机碳密度(SOC i)是衡量土壤有机碳储
量的重要指标,计算公式为[18]:
SOC i =C iDiE i(1-G i) / 100
式中:C i为土壤有机碳含量(g·kg-1);Di为土壤容
重(g·cm-3);E i为土层厚度(cm);G i为粒径>2 mm
的石砾所占体积百分比(% ),因研究区土壤剖面无
粒径>2 mm的石砾,所以 G i =0.
单位面积一定深度范围内土壤有机碳贮量
(SOC t)计算公式为:
659 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 样地概况
Table 1摇 Basal situation of sites
土地利用类型
Land use type
林龄
Stand age
(a)
平均树高
Average height
(m)
盖度
Coverage
(% )
土壤类型
Soil type
海拔
Altitude
(m)
杨树人工林 Poplar plantation 30 7. 5 40 风沙土 1400
小叶锦鸡儿人工灌丛 Caragana microphylla artificial
shrubland
30 1. 9 60 风沙土 1400
杨树鄄小叶锦鸡儿人工林 Poplar and C. microphylla
plantation
30 1. 9(灌木) / 7. 5(杨树) 60 风沙土 1400
撂荒地 Bare land - - - 风沙土 1400
农田 Cropland 30 - 40 风沙土 1400
摇 摇 SOC t =移
k
i = 1
SOC i =移
k
i = 1
C iDiE i / 100
式中:k为土层数,本研究中 k = 3. 以同样方法计算
土壤氮密度和储量.
采用 Excel 2007 和 SigmaPlot 9. 0 软件进行数据
统计分析.采用单因素方差分析法(ANOVA)进行方
差分析和差异显著性检验(琢 = 0. 05). 图表中数据
为平均数依标准差.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同土地利用方式下土壤表层有机碳和全氮
含量
有研究表明,土壤表层(0 ~ 20 cm)有机碳氮含
量受地表植被覆盖度、凋落物累积与分解程度、土壤
微生物分解作用和人为干扰程度等因素的影响比下
层土壤大[19] .由表 2 可以看出,5 种土地利用方式
下,小叶锦鸡儿人工灌丛和杨树鄄小叶锦鸡儿人工林
表层土壤有机碳含量显著高于其他 3 种土地利用方
式 .农田土壤受人为扰动大,水土流失严重,土壤有
表 2摇 不同土地利用方式下 0 ~ 20 cm土层土壤有机碳和全
氮含量
Table 2摇 Soil organic carbon and total nitrogen contents in
0-20 cm soil layer under different land use types
土地利用类型
Land use type
土壤有机碳
SOC
(g·kg-1)
土壤全氮
TN
(g·kg-1)
C / N
杨树人工林
Poplar plantation
3. 70依0. 05b 0. 61依0. 01bc 6. 1依0. 1b
小叶锦鸡儿人工灌丛
Caragana microphylla arti鄄
ficial shrubland
4. 63依0. 10a 0. 62依0. 02b 7. 4依0. 1a
杨树鄄小叶锦鸡儿人工林
Poplar and C. microphylla
plantation
4. 75依0. 05a 0. 76依0. 01a 6. 3依0. 2a
撂荒地
Bare land
3. 59依0. 03b 0. 60依0. 01bc 6. 0依0. 1b
农田
Cropland
3. 42依0. 03b 0. 58依0. 02c 5. 9依0. 2b
不同字母表示差异显著(P<0. 05)Different letters meant significant difference at
0. 05 level.
有机碳含量最低,占杨树鄄小叶锦鸡儿人工林土壤有
机碳含量的 71. 9% .撂荒地土壤有机碳含量高于农
田土壤,说明撂荒地具有一定程度的恢复地力能力.
Pearson相关性分析表明,土壤全氮含量(YN)
与土壤有机碳含量(XSOC)之间呈显著的一元线性方
程关系:YN =0. 279+0. 0883XSOC,R2 =0. 63.杨树鄄小叶
锦鸡儿人工林表层土壤全氮含量显著高于其他土地
利用方式.小叶锦鸡儿人工灌丛和杨树鄄小叶锦鸡儿
人工林土壤 C / N显著高于其他 3种土地利用方式.
2郾 2摇 不同土地利用方式下土壤有机碳和全氮含量
的分布
由图 1 可以看出,5 种土地利用方式下,0 ~
20 cm土层土壤有机碳含量显著大于20 ~ 40 cm和
图 1摇 不同土地利用方式下土壤有机碳和全氮的分布
Fig. 1 摇 Distribution of soil organic carbon and total nitrogen
contents under different land use types.
玉: 杨树人工林 Poplar plantation; 域: 小叶锦鸡儿人工灌丛 Caraga鄄
na microphylla artificial shrubland; 芋: 杨树鄄小叶锦鸡儿人工林 Poplar
and C. microphylla plantation; 郁: 撂荒地 Bare land; 吁: 农田 Crop鄄
land. 下同 The same below.
7594 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 董云中等: 晋西北黄土高原丘陵区不同土地利用方式下土壤碳氮储量摇 摇 摇 摇 摇 摇
40 ~ 60 cm土层,表明土壤有机碳含量的分布具有很
强的表聚性.其中,小叶锦鸡儿人工灌丛的土壤有机
碳表聚性最强,0 ~ 20 cm土层土壤有机碳含量分别
是 20 ~ 40 cm 和 40 ~ 60 cm 土层的 1. 7 和 1. 9 倍.
同一土层深度,不同土地利用方式土壤有机碳含量
差异显著.杨树鄄小叶锦鸡儿人工林和小叶锦鸡儿人
工灌丛的各土层土壤有机碳含量均显著高于其他 3
种土地利用方式,其原因可能是小叶锦鸡儿人工灌
丛的根系发达,对各层土壤有机碳的累积起重要作
用.由于土壤全氮含量与土壤有机碳含量具有显著
的相关性,其土层分布与土壤有机碳含量分布相似.
2郾 3摇 不同土地利用方式下土壤有机碳和全氮密度
土壤有机碳密度主要由土壤容重和有机碳含量
决定,土壤氮密度主要由土壤容重和全氮含量决定.
由于不同土地利用方式下植被不同,土壤容重受地
表枯落物、地下根系分布、人为干扰等因素影响程度
不相同,因此存在一定差异 . 由图2可以看出,5种
图 2摇 不同土地利用方式下土壤容重和有机碳、全氮密度
Fig. 2 摇 Soil density, soil organic carbon and nitrogen density
under different land use types.
不同字母表示同一土层不同处理间差异显著(P<0. 05)Different let鄄
ters meant significant difference among treatments in the same soil layer at
0. 05 level.
土地利用方式下,杨树人工林和撂荒地土壤容重最
高,3 个土层土壤容重平均值分别为 1. 43 和 1. 47
g·cm-3;小叶锦鸡儿人工灌丛 3 个土层土壤容重均
最低,平均值为 1. 26 g·cm-3,与杨树人工林和撂荒
地差异显著;除 20 ~ 40 cm 土层外,农田与杨树鄄小
叶锦鸡儿人工林的土壤容重差异均不显著,3 个土
层土壤容重平均值分别为 1. 30 和 1. 33 g·cm-3 .
0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm和 40 ~ 60 cm土层土壤有
机碳密度大小均为杨树鄄小叶锦鸡儿人工林>小叶锦
鸡儿人工灌丛、杨树人工林和撂荒地>农田;5 种土
地利用方式下土壤有机碳密度均随土壤深度增加而
逐渐减小,0 ~ 20 cm土层土壤有机碳密度显著高于
20 ~ 40 cm和 40 ~ 60 cm 土层,可见,各土地利用方
式下土壤有机碳密度表现出明显的表聚性.
杨树鄄小叶锦鸡儿人工林 0 ~ 20 cm土层土壤全
氮密度显著高于小叶锦鸡儿人工灌丛、杨树人工林
和农田,与撂荒地差异不显著. 杨树鄄小叶锦鸡儿人
工林 20 ~ 40 cm和 40 ~ 60 cm土层土壤全氮密度的
优势更加明显,显著高于其他 4 种土地利用方式. 5
种土地利用方式下土壤全氮密度均随土壤深度增加
而逐渐减小,表现出明显的表聚性.
2郾 4摇 不同土地利用方式下土壤有机碳和全氮储量
由图 3 可以看出,5 种土地利用方式下,杨树鄄
小叶锦鸡儿人工林土壤有机碳储量显著高于其他 4
种土地利用方式,0 ~ 60 cm 土层土壤有机碳储量累
积达30郾 09 t·hm-2,是农田(17郾 59 t·hm-2)的1郾 7
图 3摇 不同土地利用方式下土壤有机碳和全氮储量分布
Fig. 3摇 Distribution of soil organic carbon and nitrogen storage
under different land use types.
859 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
倍;小叶锦鸡儿人工灌丛和杨树人工林土壤有机碳
储量差异不大,分别为 24. 78 和 24. 14 t·hm-2;撂
荒地土壤有机碳储量稍高于农田, 为 22郾 06
t·hm-2 .从土壤有机碳储量的分布来看,5 种土地利
用方式下 0 ~ 20 cm土壤有机碳储量占 0 ~ 60 cm土
层土壤有机碳储量的 40. 7% ~ 51. 7% ,表明表层土
壤有机碳储量的贡献率最大.
5 种土地利用方式下土壤全氮储量的变化规律
与土壤有机碳储量相似,杨树鄄小叶锦鸡儿人工林土
壤全氮储量显著高于其他 4 种土地利用方式,0 ~
60 cm土层土壤全氮储量累积达 4. 94 t·hm-2 .杨树
人工林、小叶锦鸡儿人工灌丛和撂荒地的土壤全氮
储量没有显著差异,分别为 3. 51、3. 53 和 3郾 40
t·hm-2 .农田土壤全氮储量最低,为 2. 71 t·hm-2,
只有杨树鄄小叶锦鸡儿人工林土壤全氮储量的
54郾 9% .从土壤全氮储量的分布来看,5 种土地利用
方式下0 ~ 20 cm土壤全氮储量占 0 ~ 60 cm 土层土
壤全氮储量的 39. 5% ~ 57. 1% ,表明表层土壤全氮
储量的贡献率最大.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 不同土地利用方式对土壤碳氮含量的影响
土壤有机碳和土壤全氮是林地生态系统植被恢
复与重建过程中重要的土壤质量评价指标. 土地利
用方式的不同对土壤碳氮含量影响很大,尤其是在
生态比较脆弱的黄土高原地区[20] . 本研究中,5 种
土地利用方式下,杨树鄄小叶锦鸡儿人工林和小叶锦
鸡儿人工灌丛的植被盖度达 60% ,枯枝落叶生物量
分别达 450. 8 和 483. 3 g·m-2[21],而杨树人工林和
农田的植被盖度只有 40% ,枯枝落叶生物量分别为
90. 8 和 35. 2 g·m-2 .因此,杨树鄄小叶锦鸡儿人工林
和小叶锦鸡儿人工灌丛的土壤表层(0 ~ 20 cm)有
机碳和全氮含量显著高于其他 3 种土地利用方式
(表 2).有研究表明,林地枯落物现存量对土壤有机
碳含量影响很大[22],增加枯落物量能引起土壤有机
碳含量的增加[23] . 农田地表覆盖物少,而且受人为
扰动大,其土壤有机碳氮转化为 CO2和无机氮的程
度高,因此土壤有机碳和全氮含量最低,只有杨树鄄
小叶锦鸡儿人工林土壤有机碳氮含量的 71. 9%和
76. 9% .撂荒地受人为干扰小,土壤有机碳和全氮含
量高于农田,说明撂荒地在一定程度上有自我恢复
地力的能力.
5 种土地利用方式土壤碳氮含量的土壤剖面分
布均具有很强的表聚性,其中,小叶锦鸡儿人工灌丛
的表聚性最强.小叶锦鸡儿人工灌丛属于灌木林,随
年限延长,丛下土壤理化性质逐步改善[24],透气性
好,微生物活动强,有利于枯落物分解,促进土壤有
机碳氮储存与积累. 小叶锦鸡儿人工灌丛表层土壤
碳氮含量高,使得土壤肥力明显提高,促进丛下植被
多样性提高[21],有力改善了当地的生态环境.
不同土地利用方式下深层土壤碳氮含量的差异
主要由根系的生长发育和分布不同导致,根系是下
层土壤有机碳周转的重要驱动力,是将光合产物直
接输入到地下的唯一途径[25] . 杨树鄄小叶锦鸡儿人
工林和小叶锦鸡儿人工灌丛的根系发达,数量庞大,
对下层土壤有机碳和全氮的累积发挥了重要作用,
因此,其下层土壤有机碳和全氮含量显著高于其他
3 种土地利用方式.
3郾 2摇 不同土地利用方式对土壤碳氮密度和储量的
影响
不同土地利用方式由于立地环境有很大差异,
导致了土壤碳氮密度和储量的差异. 其中,以杨树鄄
小叶锦鸡儿人工林土壤碳氮密度和储量最高,小叶
锦鸡儿人工灌丛次之. 这两种生态系统中植被枯枝
落叶多,保存完好,人为干扰少,土壤微生物种类和
数量丰富,且植被根系发达,因此表现出较高的土壤
碳氮储存功能. 0 ~ 20 cm土层土壤有机碳储量和全
氮储量对 0 ~ 60 cm土层的贡献率最大.由于频繁受
到人类活动的干扰,农田土壤有机碳和全氮不断地
以 CO2和无机氮形式释放出来,因此,降低了土壤碳
氮储量,加剧温室效应,影响区域乃至全球气候变
化[26] .
在黄土高原丘陵区,人类不合理的土地利用会
导致该区域生态系统碳氮存储功能的减弱. 不同土
地利用方式对土壤碳氮储量的影响应该受到高度重
视,应加强植被保护,减少不合理的人为活动,减少
由于破坏地表造成水土流失从而引发的土壤碳氮储
量的减少[27] . 杨树鄄小叶锦鸡儿人工林和小叶锦鸡
儿人工灌丛是晋西北黄土高原丘陵区增加土壤碳储
量较好的土地利用方式,值得推广.
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作者简介摇 董云中,男,1956 年生,副研究员.主要从事养分
资源高效管理研究. E鄄mail: dongyunzhong13579@ 163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
069 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷