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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 17 期摇 摇 2012 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
基于生物生态因子分析的长序榆保护策略 高建国,章摇 艺,吴玉环,等 (5287)…………………………………
闽江口芦苇沼泽湿地土壤产甲烷菌群落结构的垂直分布 佘晨兴,仝摇 川 (5299)………………………………
涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响 刘摇 渡,李摇 俊,于摇 强,等 (5309)………………
地下滴灌下土壤水势对毛白杨纸浆林生长及生理特性的影响 席本野,王摇 烨,邸摇 楠,等 (5318)……………
绿盲蝽危害对枣树叶片生化指标的影响 高摇 勇,门兴元,于摇 毅,等 (5330)……………………………………
湿地资源保护经济学分析———以北京野鸭湖湿地为例 王昌海,崔丽娟,马牧源,等 (5337)……………………
湿地保护区周边农户生态补偿意愿比较 王昌海,崔丽娟,毛旭锋,等 (5345)……………………………………
湿地翅碱蓬生物量遥感估算模型 傅摇 新,刘高焕,黄摇 翀,等 (5355)……………………………………………
增氮对青藏高原东缘典型高寒草甸土壤有机碳组成的影响 郑娇娇,方华军,程淑兰,等 (5363)………………
大兴安岭 2001—2010 年森林火灾碳排放的计量估算 胡海清,魏书精,孙摇 龙 (5373)…………………………
基于水分控制的切花百合生长预测模型 董永义,李摇 刚,安东升,等 (5387)……………………………………
极端干旱区增雨加速泡泡刺群落土壤碳排放 刘殿君,吴摇 波,李永华,等 (5396)………………………………
黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应 许明祥,王摇 征,张摇 金,等 (5405)……………………
小兴安岭 5 种林型土壤呼吸时空变异 史宝库,金光泽,汪兆洋 (5416)…………………………………………
疏勒河上游土壤磷和钾的分布及其影响因素 刘文杰,陈生云,胡凤祖,等 (5429)………………………………
COI1 参与茉莉酸调控拟南芥吲哚族芥子油苷生物合成过程 石摇 璐,李梦莎,王丽华,等 (5438)……………
Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用 王艳萍,王摇 力,卫三平 (5445)……………………
三峡水库消落区不同海拔高度的植物群落多样性差异 刘维暐,王摇 杰,王摇 勇,等 (5454)……………………
基于 SPEI的北京低频干旱与气候指数关系 苏宏新,李广起 (5467)……………………………………………
山地枣树茎直径对不同生态因子的响应 赵摇 英,汪有科,韩立新,等 (5476)……………………………………
幼龄柠条细根的空间分布和季节动态 张摇 帆,陈建文,王孟本 (5484)…………………………………………
山西五鹿山白皮松群落乔灌层的种间分离 王丽丽,毕润成,闫摇 明,等 (5494)…………………………………
长期施肥对玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影响 马晓霞,王莲莲,黎青慧,等 (5502)………………
基于归一化法的小麦干物质积累动态预测模型 刘摇 娟,熊淑萍,杨摇 阳,等 (5512)……………………………
上海环城林带景观美学评价及优化策略 张凯旋,凌焕然,达良俊 (5521)………………………………………
旅游风景区旅游交通系统碳足迹评估———以南岳衡山为例 窦银娣,刘云鹏,李伯华,等 (5532)………………
一种城市生态系统现状评价方法及其应用 石惠春,刘摇 伟,何摇 剑,等 (5542)…………………………………
黄海中南部细纹狮子鱼的生物学特征及资源分布的季节变化 周志鹏,金显仕,单秀娟,等 (5550)……………
蓝藻堆积和螺类牧食对苦草生长的影响 何摇 虎,何宇虹,姬娅婵,等 (5562)……………………………………
黑龙江省黄鼬冬季毛被分层结构及保温功能 柳摇 宇,张摇 伟 (5568)……………………………………………
虎纹蛙选择体温和热耐受性在个体发育过程中的变化 樊晓丽,雷焕宗,林植华 (5574)………………………
水丝蚓对太湖沉积物有机磷组成及垂向分布的影响 白秀玲,周云凯,张摇 雷 (5581)…………………………
专论与综述
城市绿地生态评价研究进展 毛齐正,罗上华,马克明,等 (5589)…………………………………………………
全球变化背景下生态学热点问题研究———第二届“国际青年生态学者论坛冶
万摇 云,许丽丽,耿其芳,等 (5601)
…………………………………
……………………………………………………………………………
研究简报
雅鲁藏布江高寒河谷流动沙地适生植物种筛选和恢复效果 沈渭寿,李海东,林乃峰,等 (5609)………………
学术信息与动态
生态系统服务时代的来临———第五届生态系统服务伙伴年会述评 吕一河,卫摇 伟,孙然好 (5619)…………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*334*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄09
封面图说: 带雏鸟的白枕鹤一家———白枕鹤是一种体型略小于丹顶鹤的优美的鹤。 体羽蓝灰色,腹部较深,背部较浅,脸颊两
侧红色,头和颈的后部及上背为白色,雌雄相似。 其虹膜暗褐色,嘴黄绿色,脚红色。 白枕鹤常常栖息于开阔平原芦
苇沼泽和水草沼泽地带,有时亦出现于农田和海湾地区,尤其是迁徙季节。 主要以植物种子、草根、嫩叶和鱼、蛙、软
体动物、昆虫等为食。 繁殖区在我国北方和西伯利亚东南部。 我国白枕鹤多在黑龙江、吉林、内蒙古繁殖,与丹顶鹤
的繁殖区几乎重叠,为国家一级保护动物。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 17 期
2012 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 17
Sep. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:中国科学院知识创新重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄443);国家自然科学基金项目(41171422);中国科学院战略性先导科技专项子课题
(XDA05050504)
收稿日期:2011鄄12鄄31; 摇 摇 修订日期:2012鄄05鄄08
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: gbliu@ ms. iswc. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201112312027
许明祥,王征,张金,刘国彬.黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应.生态学报,2012,32(17):5405鄄5415.
Xu M X, Wang Z, Zhang J, Liu G B. Response of soil organic carbon sequestration to the “Grain for Green Project冶 in the hilly Loess Plateau region. Acta
Ecologica Sinica,2012,32(17):5405鄄5415.
黄土丘陵区土壤有机碳固存对
退耕还林草的时空响应
许明祥1,2,王摇 征2,张摇 金2,刘国彬2,*
(1. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌摇 712100;
2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌摇 712100)
摘要:研究了黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应特征,分析了退耕还林草对土壤有机碳的近期影响和长期效
应。 结果表明,1)从黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应整体而言,相对于坡耕地,退耕还林和退耕撂荒具有显著的土壤碳
增汇效应,而退耕还草、退耕还果没有明显土壤碳增汇效应。 以天然草地土壤有机碳密度为目标,撂荒地表层土壤有机碳增汇
潜力可达 8. 3 t / hm2。 2)以 10a为界,退耕还林草的近期土壤碳增汇效应不明显,而 10a 后土壤碳增汇效应逐渐明显,退耕还
林、还灌、撂荒和坡耕地的固碳效应差异显著。 3)在评估黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应时应当注重长期固碳效应。
4)退耕还林草的土壤固碳效应主要受还林草方式及年限的影响,二者分别可解释 55. 6%和 24. 1%的有机碳变异性;地形因子
可解释 8. 5%的有机碳变异性。 在评估该区退耕还林的土壤固碳效应时应当充分考虑退耕年限和地形因子的影响。 5)人工刺
槐林地、人工柠条林地以及撂荒地深层土壤(100—200 cm)有机碳密度占 2 m土体有机碳密度的 35%—40% ,而且随着植被恢
复深层土壤有机碳密度显著增加。 6)在估算黄土丘陵区退耕还林土壤固碳效应时应该考虑深层碳累积。 如果按 1 m土层的土
壤有机碳密度计算,会严重低估退耕还林草的土壤固碳量。
关键词:土壤有机碳;固碳效应;退耕还林草;黄土丘陵区
Response of soil organic carbon sequestration to the “Grain for Green Project冶 in
the hilly Loess Plateau region
XU Mingxiang1,2, WANG Zheng2, ZHANG Jin2, LIU Guobing2,*
1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling, Shaanxi 712100,
China
2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China
Abstract: Land use change is one of the major factors affecting soil organic carbon (SOC) and global carbon balance. The
Grain for Green Project, implemented in the hilly Loess Plateau region, has remarkably changed the land use types in this
region. However, it is not clear how this has affected SOC sequestration. Our objectives were (玉) to determine the
temporal and spatial response of SOC sequestration to the land use changes, (域) to understand the critical factors
impacting the SOC sequestration. The research was conducted on the central of the hilly Loess Plateau region, which
covered an area of 707km2 . Soil samples were taken in five catchments with different revegetation types and revegetation
chronosequence. The results showed that at the regional scale, natural grasslands, planted shrub lands, planted wood lands
and naturally revegetated grasslands showed remarkable SOC sequestration compared with slope croplands. However, no
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significant increase in SOC sequestration was found in planted grasslands and orchards compared with slope croplands.
Setting the SOC density in natural grassland as the target, the naturally revegetated grassland had a SOC sequestration
potential of 8. 3t / hm2 in top soil (0—20cm). We found no increase in SOC sequestration in the first 10 years after the
Grain for Green Project implemented. However, after 10 years, we saw a significant increase in SOC sequestration in
planted woodlands, planted shrub lands, revegetated grasslands and slope croplands. The effect of the Grain for Green
project on SOC sequestration was mainly influenced by land use type and age, which explained 55. 6% and 24. 1% of the
variation of SOC. Topographic factors, including slope aspect and slope position explained 8. 5% of the variation in SOC.
The SOC density in the deep soil layer (100—200 cm) in the planted woodland (dominated by Robinia pseudoacacia),
planted shrub land (dominated by Caragana Korshinskii) and revegetated grassland was about 35%—40% of that in the
0—200 cm soil profile. The SOC sequestration in deep soil layer ( 100—200cm) was significantly increased after
revegetation. Therefore, our study showed that evaluation of the Grain for Green project needs to account for 1) land use
type and age, 2) SOC sequestration in the deep soil layer and 3) long鄄term effects ( >10 years) rather than short鄄term
effects. Otherwise, the effect of this program on SOC sequestration will be significantly under鄄estimated.
Key Words: soil organic carbon; carbon sequestration; grain for green project; hilly Loess Plateau
退耕还林工程是近年来我国实施的规模最大的生态工程之一,1999—2008 年全国累计实施退耕还林
0郾 27 亿 hm2,其中黄土高原约 520 万 hm2,是国家退耕还林草的核心区。 如此规模的生态恢复工程对区域土
地利用 /覆盖变化产生了重大影响,进而必将对土壤有机碳固存产生影响。 回答黄土高原近 10a 来退耕还林
还草的土壤固碳效应是黄土高原地区生态效应评估的基本需求。 黄土高原复杂地形及复合生态系统进一步
增加了评估退耕还林还草工程固碳效应的挑战性。
目前土壤固碳研究已在不同尺度上开展的较多,但大尺度土壤碳储量估算仍然存在较大的不确定
性[1鄄2]。 这除了与某些区域相关数据资料不足有关,还与小尺度上土壤固碳过程及其影响因素不甚清楚有
关。 在黄土高原地块尺度上,退耕还林草引起土壤有机碳时空变化的研究结果也表现出较大的差异。 比如有
些研究认为退耕还林中期土壤有机碳增长速率最高,后期增长较平稳[3鄄4];而另外一些研究认为土壤有机碳
在林木生长后期仍有显著的提高[5鄄6]。 有些研究认为退耕还林后乔木的土壤固碳效应大于灌木[7鄄8],有些研
究则得出相反的结论[9鄄10]。 这些结论的差异性与黄土丘陵区自然环境条件复杂,土壤有机碳受环境因素影响
较大有关[11鄄12]。 因此,开展小尺度土壤固碳过程及其影响因素研究,将为准确估算区域土壤碳储量提供科学
依据。
针对黄土高原退耕还林草的土壤固碳效应评估需求,本研究主要回答以下 3 个问题:不同还林草方式的
土壤固碳效果如何? 退耕还林草的土壤固碳效应主要受那些因素影响? 黄土区土层深厚,深根系植被恢复对
深层土壤碳累积有何影响? 为此,以黄土丘陵区为例,开展了土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应特征
研究,分析了退耕还林草对土壤有机碳的近期影响和长期效应。 以期为区域土壤有机碳固存的定量评估和认
证提供依据,为我国政府制定减缓全球变暖的可持续发展战略,履行国际环境公约提供理论基础。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
研究样地选择在陕北黄土丘陵沟壑区安塞县中部和南部的县南沟、纸坊沟、北宋塔、桥庄村陀山、坊塔以
及延安市附近的燕沟等小流域 (图 1),可代表黄土丘陵区中部 700 km2 区域的土壤、地形和气候环境。 研究
区属暖温带半干旱季风气候。 平均海拔 1200 m,相对高差 100—300 m,年均气温 8. 8 益,年均降水量 505
mm,无霜期 l60 d左右。 土壤以黄土母质上发育来的黄绵土(钙质干润雏形土)为主。
纸坊沟流域(北纬 36毅51忆30义,东经 109毅19忆30义)面积 8. 27 km2。 年日照总时数为 2415 h,年均气温 8. 8
益,逸10 益的积温 3160 益;年均降水量为 549 mm。 该流域经过 30 多年水土保持综合治理,林地面积从 1980
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年的不足 5%增加到 40%以上,流域生态经济系统进入良性循环阶段。
图 1摇 研究区位置图
Fig. 1摇 Location of the research region
1. 2摇 样品采集
在黄土丘陵沟壑区中部的县南沟、纸坊沟、燕沟等小流域,选取不同土地利用类型(人工乔木林、人工灌
木林、天然草地、人工草地、撂荒地、果园和农地)样地 303 个,走访调查样地利用年限,记录取样点的坡度、坡
位、坡向等环境因子特征(表 1)。 在取样点周围随机选择 5 个点,用土钻取 0—20 cm 土壤混合样,并测定土
壤容重。 分析不同退耕还林草方式的土壤固碳效应。
在纸坊沟小流域,根据不同的土地利用类型、植被恢复年限、地形差异选择样地 85 个。 在乔灌林样地内
设置 10 m伊10 m的样方调查植物生长状况,并选取生长状况中等的相邻植株,在其间设定 3 个 0. 5 m伊0. 5 m
的小样方;撂荒样地随机设定 3 个 0. 5 m伊0. 5 m 的小样方。 在设定的小样方内调查草本群落,收集凋落物。
记录样地立地条件:坡向偏北的(NE45毅—NW45毅)划分为半阴坡,坡向偏南的(SE35毅—SW25毅)划分为半阳
坡;坡度小于 25毅划分为缓坡,大于 25毅划分为陡坡;坡位分为坡上、坡中、坡下。 在取样点周围随机选择 5 个
点,用土钻分 4 层取 0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土样,同层 5 点混合为一个样品。 分析土壤有
机碳的空间分布特征。
在纸坊沟及其相邻流域,选取不同年限的刺槐林、柠条林、撂荒地和坡耕地,每种类型 6 块样地,采集 0—
400 cm剖面土样,0—200 cm每 20 cm一层样,200 cm以下每 40 cm一层样。 同时测定各层土壤容重。 分析
深层土壤有机碳累积动态。
土壤样品经风干,剔除其中的根系、石块等杂物,用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量。
1. 3摇 数据处理
土壤有机碳密度(SOCD)的计算:
SOCD = SOC 伊 籽 伊 H 伊 (1 - 啄2mm / 100) 伊 10
-1
式中,SOCD为 SOC密度(t / hm2);SOC为 SOC含量(g / kg); 籽为平均土壤容重(g / cm3),不同土地利用的土壤
容重见表 2; H为土层厚度(cm);啄2mm 为粒径> 2 mm 的砾石体积含量。
数据处理采用 SPSS 18. 0 软件,LSD法进行差异显著性检验。
7045摇 17 期 摇 摇 摇 许明祥摇 等:黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应 摇
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表 1摇 研究样地的基本情况
Table 1摇 Basic status of the studied sites
土地利用类型
Land use type
样点数
Sample
number
利用年限 / a
Land use
ages
海拔 / m
Altitude
坡度 / (毅)
Gradient
坡位
Position
坡向
Aspect
0—20 cm土壤
容重 / (g / cm3)
Soil bulk
density
植被
Vegetation
坡耕地
Slope cropland 86 1024—1386 3—30 U6,L5,M77
A7,U40,
SA43,SU7 1. 18依0. 04
谷子 Setaria italica Beauv. , 玉米
Zea mays L. , 荞麦 Fagopyrum
esculentum Moench.
撂荒地
Abandoned land 81
1—10,
12,15,17,20,
25,30,35
1122—1397 7—36 U24,M42,L15 A12,U11,SA30,SU28 1. 17依0. 09
黄花蒿 Artemisia annua L. , 茵陈
蒿 Artemisiacapillaris Thunb. , 长
芒草 Stipa bungeana Trin, 铁杆蒿
Artemisia sacrorum Ledeb.
人工草地
Planted grassland 14 1—10 1226—1428 7—34 U8,M6
A2,U1,SA9,
SU2 1. 17依0. 01
草木樨 Melilotus suaveolens
Ledeb. , 苜蓿 Medicago sativa
Linn.
果园
Orchard 10
4,7,10,13,
14,15,20,23 1211—1374 20—32 U3,M3,L4 A4,SA2,SU2 1. 17依0. 01 苹果 Malus pumila Mill.
人工灌木林
Planted
shrub land
35 8,10,15,17,20,24,26,30,33 1156—1341 5—34 U8,M20,L7
A8,U17,
SA4,SU6 1. 24依0. 05
柠条 Caragana Korshinskii Kom. ,
铁杆蒿 Artemisia sacrorum Ledeb.
长芒草 Stipa bungeana Trin.
人工乔木林
Planted woodland 56
3,5,8,9,10,
12,15,17,20,
22,25,27,30,
37,43
1101—1373 15—35 U17,M31,L8 A19,U6,SA17,SU14 1. 20依0. 08
刺槐 Robinia pseudoacacia Linn.铁
杆蒿 Artemisia sacrorum Ledeb. 茭
蒿 Artemisia giraldii Pamp.
天然草地
Natural grassland 21 1081—1297 12—40 U6,M9,L6
SA7,SU7,
U4,A3 1. 19依0. 09
铁杆蒿 Artemisia sacrorum Ledeb.
长芒草 Stipa bungeana Trin.
摇 摇 U、M、L分别表示上、中、下坡位;坡向一栏中 A、U、SA、SU分别表示阳坡、阴坡、半阳坡及半阴坡;坡度、坡向、地形中的数字代表样点数
为了辨析退耕还林草方式、年限及地形因子等对土壤有机碳密度的影响程度,用 SPSS 18. 0 统计软件中
一般线性模型 GLM的方差成分估计模块计算了土地利用及地形因子等在土壤有机碳密度变异(方差)中所
占的百分比,并对其影响的显著性程度进行了检验。 百分比的大小反映了各因子对土壤有机碳密度的影响程
度。 采取将定性的土地利用类型、坡位、坡向因子赋以不同的编码的方法,使其定量化。 以土地利用类型、利
用年限、坡度、坡位、坡向、地表凋落物量为随机因子,用最大似然法计算土壤有机碳密度的方差[13]。
2摇 结果与分析
图 2摇 不同利用类型土壤有机碳密度(0—20 cm,n=303)
Fig. 2摇 SOC density in different landuse types (0—20 cm, n=303)
2. 1摇 不同退耕方式土壤有机碳累积量
黄土丘陵区不同利用类型下土壤有机碳密度
(SOCD)差异较大(图 2),天然草地 SOCD最高,其次是
人工灌乔林地,再次是撂荒地,而人工草地、果园和坡耕
地 SOCD最低。 天然草地 SOCD 约为人工乔灌林地的
1. 2—1. 5 倍,人工灌木林地和人工乔木林地 SOCD 分
别是撂荒地的 1. 5 倍和 1. 3 倍。 天然草地、人工灌木林
地、人工乔木林地、撂荒地 SOCD 差异显著,而人工草
地、果园和坡耕地之间 SOCD差异不显著。
以上结果表明,从黄土丘陵区退耕还林草对表层
(0—20 cm)土壤有机碳累积的整体效应而言,退耕还
林(乔木、灌木)的土壤固碳效益>退耕撂荒>退耕还草、退耕还果。 退耕还灌的土壤固碳效益大于退耕还乔
(P<0. 05)。 与坡耕地相比,退耕还灌、退耕还乔、退耕撂荒有显著的碳增汇效应,分别较坡耕地增汇 7. 8、4. 1
和 2. 1 t / hm2,增幅分别为 90. 6% 、61%和 27. 5% 。 而退耕还草、退耕还果碳增汇效应不显著。 以天然草地
8045 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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SOCD为目标,撂荒地表层土壤有机碳碳增汇潜力可达 8. 3 t / hm2,增幅 83. 6% 。
2. 2摇 不同退耕方式土壤有机碳累积动态
从土壤有机碳密度(SOCD)随退耕年限变化的动态曲线可以看出(图 3),随着退耕还林和退耕撂荒年限
的增加,SOCD逐渐增加,二者具有显著的相关关系,可以用指数函数 y = aebx来表示。 退耕初期 SOCD增加不
明显甚至较坡耕地有所降低,退耕 10a SOCD(8. 26—8. 79 t / hm2)较坡耕地提高了 6%—12% 。 退耕 10a 后
SOCD显著增加(P<0. 05),退耕 35a SOCD(14. 31—26. 21 t / hm2)比坡耕地提高了 84%—238% 。 表明退耕还
林草的土壤固碳效应在退耕后期才体现出来。
图 3摇 不同退耕方式土壤有机碳累积动态(0—20 cm)
Fig. 3摇 Dynamics of SOC accumulation in different revegetation types(0—20 cm)
不同退耕还林草类型的 SOCD累积速率差异较大。 退耕初期(0—10a),人工乔木林地、灌木林地、撂荒地
SOCD累积速率差异不大,分别为 0. 08、0. 09 t·hm-2·a-1 和 0. 05 t·hm-2·a-1;退耕 10a 后,人工乔灌林地 SOCD
累积速率(0. 70 t·hm-2·a-1,0. 53 t·hm-2·a-1)明显高于撂荒地(0. 24 t·hm-2·a-1)。 以上结果表明,在退耕后期,
退耕还林(乔木、灌木林)较退耕撂荒具有更快的土壤固碳速率。
以退耕 10a为界,分析了不同退耕还林草方式对土壤碳固存的近期影响和长期效应(图 4),结果表明,退
耕还林草的近期土壤固碳效应(<10a)不明显,不同退耕方式的固碳量差异不显著。 退耕还林草的长期固碳
效应(35a)相当可观,不同方式的固碳量有显著差异。 退耕 35a 时,退耕还林、退耕撂荒的碳增汇分别为
16 t / hm2 和 6 t / hm2,较坡耕地增加了 2—3倍。
图 4摇 不同退耕方式及退耕年限对表层土壤(0—20cm)有机碳累积的影响
Fig. 4摇 Soil organic carbon accumulation in topsoil (0—20cm) of different revegetation types and revegetation years
A. 退耕年限<10a;B. 退耕 35a,人工乔木和灌木分别为刺槐和柠条
2. 3摇 不同退耕方式土壤有机碳空间变化
土壤有机碳在 0—30 cm土层表现出明显的表聚现象(图 5)。 不同退耕方式土壤有机碳表聚性有明显差
别:人工乔木林地>灌木林地>撂荒地>坡耕地。 随退耕年限增加,表聚性更加明显。 退耕 9、15、25 和 35a 后,
各退耕类型 0—5 cm土层有机碳平均含量分别占 0—30 cm土层有机碳含量的 1. 6、1. 8、2. 0 倍和 2. 5 倍; 0—
5 cm土层有机碳密度分别占 0—30 cm土层的 25% 、29% 、31%和 39% 。 表明 0—5 cm 表层土壤是退耕后土
9045摇 17 期 摇 摇 摇 许明祥摇 等:黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应 摇
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壤有机碳累积效果最明显的层次,也是对退耕还林后土壤有机碳响应最敏感的层次。
图 5摇 不同退耕方式及退耕年限下有机碳在土壤剖面(0—30cm)的分布特征
Fig. 5摇 Soil organic carbon distribution in profile (0—30cm) of different revegetation types and revegetation years
从表 2 可见,地形对退耕还林草的土壤固碳效应影响显著。 阴坡比阳坡更利于 SOC 积累,重建 9a 人工
乔木林地出现显著(P<0. 05)差异。 缓坡植被恢复和重建后的 SOC 积累稍好于陡坡,但差异不明显,9a 撂荒
地和 35a人工灌木林地的陡坡、缓坡 SOCD均无显著(P>0. 05)差异。 植被恢复和重建后,形成了较好的保持
水土作用,可能因此陡坡、缓坡 SOC积累差异较小;而本区域水分一直是植被生长的主要限制因素,光照的影
响相对较小,阴坡水分、土壤条件要好于阳坡,更有利于植被生长和 SOC 积累。 沟坡具有汇土汇水作用,植被
恢复和重建后 SOCD也显著(P<0. 05)高于梁峁坡(9 年生人工乔木)。 峁顶植被恢复后 SOCD显著(P<0. 05)
高于梁峁坡(35a人工灌木),可能是由于本研究选用的样地植被群落已趋于成熟,抵御风蚀水蚀的能力较强,
加之峁顶地势较平坦,反而比坡面能更好的积累 SOC。 综上所述,本区域植被恢复后,在坡向、坡度、坡位 3 种
地形因子中,坡向对 SOC截流影响最大,其次是坡位,而坡度的影响在变小。 总体而言,地形条件对土壤有机
碳空间分布的影响符合常规认识,即:阴坡 SOC 积累好于阳坡,缓坡好于陡坡,沟坡较梁峁坡有利于 SOC
积累。
表 2摇 不同地形条件下退耕还林草对土壤有机碳密度(t / hm2)的影响(0—20 cm)
Table 2摇 SOC density (0—20 cm) in different landforms of different land uses on the hilly Loss Plateau (t / hm2)
退耕类型
坡向 Slope aspect
阴坡 阳坡
坡度 Slope gradient
阴坡 阳坡
坡位 Slope position
阴坡 阳坡
人工乔木 淤10. 74依0. 83a 淤7. 64依0. 61b 于8. 80依0. 98 于10. 41依0. 84 - 淤7. 64依0. 61a 淤8. 62依0. 58b
人工灌木 盂13. 02依1. 23a 盂8. 65依0. 83b 盂20. 29依0. 76 榆21. 57依2. 13 榆23. 68依1. 23 榆21. 57依2. 13
撂荒 虞9. 42依0. 43 虞9. 27依0. 41 虞8. 12依0. 95 虞9. 27依0. 41 愚10. 28依1. 03 愚10. 88依1. 57
摇 摇 淤. 9a人工乔木林地;于. 15a人工乔木林地;盂. 20a人工灌木林;榆. 35a人工灌木林地;虞. 9a撂荒地;愚. 35a撂荒地
2. 4摇 土壤有机碳累积的影响因素
用通用线性回归模型中的方差成分估计模块,计算了利用类型(人工乔木、人工灌木、果园、人工草地、天
然草地、撂荒地)、年限、地形(坡向、坡位、坡度)等因子对黄土丘陵区土壤有机碳密度变异性的贡献(表 3)。
结果表明,在黄土丘陵区区域尺度上,土壤有机碳密度主要受利用类型及年限的影响,二者可解释 79. 7%的
有机碳变异性;地形因子可解释 8. 5%的有机碳变异性,其中坡向的影响大于坡位和坡度的影响。 凋落物量
对土壤有机碳密度的影响也较大,可解释 11. 8%的有机碳变异性。 因此,在估算退耕还林草的土壤固碳效应
时,应当充分考虑退耕年限、退耕类型和地形等因素的影响,否则会严重降低估算结果的准确性和可靠性。
2. 5摇 深层土壤有机碳累积
在考虑了退耕方式、退耕年限、地形等因素后,还需要确定土层深度。 按照国际惯例,以 1 m 土层为准。
但对黄土高原地区,由于其深厚的黄土层以及深根系植被的影响,1 m 土层可能会低估退耕还林的土壤固碳
量。 为此,以坡耕地为对照,对退耕还林和撂荒方式下 0—400 cm 剖面土壤有机碳累积状况进行了研究。 从
图 6 可以看出,60 cm 以上各层 SOCD 较大,且层次间差异显著,60 cm 以下土层 SOCD 较低且各层差异不显
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著。 植被恢复主要增加了 60 cm以上 SOCD。 与坡耕地相比,退耕还林后深层土壤碳密度有所增加(大约 0. 5
t / hm2)。
表 3摇 不同因子在土壤有机碳密度变异(方差)中的贡献(GLM模型,方差成分估计,n=221)
Table 3摇 Contribution of different factors to the variation of SOC density (GLM model, variance components, n=221)
有机碳密度
SOC density
方差来源 Variance source
利用类型
Land use types
利用年限
Land use ages
凋落物量
Litter amount
坡位
Slope position
坡向
Slope aspect
坡度
Slope gradient
方差 Variance 20. 9 9. 1 4. 5 2. 1 1. 1 0
占总方差的比例
Variance percentage to
total variance
55. 6 24. 1 11. 8 5. 7 2. 8 0
图 6摇 不同退耕方式剖面(0—400cm)土壤有机碳累积量(撂荒地退耕年限 20a、人工灌木林地(柠条)和人工乔木林地(刺槐)退耕年限
28a)
Fig. 6摇 Soil organic carbon accumulation in profile (0—400cm) of different revegetation types (revegetation years for abandoned cropland was
20a, for planted shrubland (Caragana) and planted woodland(Robinia) was 28a)
从深层土壤有机碳累积动态(图 7)可见,土壤有机碳累积表现出一定的阶段性。 随退耕年限延长,浅层
(0—100 cm)SOCD先显著增加,而后维持稳定水平;深层(100—200 cm、200—400 cm)SODC 先显著增加,而
后则明显降低。 刺槐林成熟期(10—28a),浅层 SOCD累积速率(1. 1 t / hm2)) >深层(0. 5 t / hm2))。 柠条林
浅层和深层 SOCD累积速率相当(约为 1. 1 t / hm2))。
图 7摇 不同退耕方式剖面(0—400cm)土壤有机碳累积动态
Fig. 7摇 Soil organic carbon dynamics in profile (0—400cm) of different revegetation types
不同退耕类型下浅层(0—100 cm)和深层(100—200 cm、200—400 cm)SOCD见图 8。 对于浅层 SOCD,人
工乔木林(42. 1 t / hm2)显著高于撂荒地(32. 2 t / hm2 ) (P<0. 05);对于深层(100—200 cm、200—400 cm)
SOCD,人工林地(乔木、灌木)显著高于撂荒地。 值得注意的是,与人工乔木和灌木林地不同,撂荒地 200—
400 cm土层 SOCD显著高于 100—200 cm土层 SOCD。
以 0—200 cm深度进行计算,撂荒地浅层(0—100 cm)和深层(100—200 cm)SOCD分别占 0—200 cm土
层有机碳储量的 64. 6%和 35. 4% 。 人工林地(灌木、乔木)浅层(0—100 cm)和深层(100—200 cm)SOCD 所
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占比例约为 60%和 40% (图 9)。
摇 图 8摇 不同退耕方式浅层和深层土壤有机碳密度
Fig. 8摇 SOC density in shallow layer and deep layer
摇 图 9摇 不同退耕方式浅层和深层土壤有机碳分配比例
Fig. 9摇 Percentage of SOCD in shallow layer and deep layer
3摇 讨论
土地利用变化是土壤有机碳变动的重要影响因素[14鄄15]。 在过去的 10 多年,黄土高原大规模退耕还林草
工程带动土地利用类型发生重大转变[16鄄17],对土壤有机碳的积累及分布产生了深刻影响。 有关黄土高原退
耕还林草的土壤固碳研究表明,不同退耕方式的土壤固碳效应有明显差别。 一些研究认为,退耕撂荒的 SOC
积累作用要优于人工乔灌林地[11, 18],有些研究认为退耕还林后乔木的固碳效应大于灌木[7, 19],有些研究则得
出相反的结论[9鄄10]。 这可能是由于不同退耕类型对比时所选用的退耕年限以及立地条件不同造成的。 本研
究综合分析了黄土丘陵区 303 个样点的土壤有机碳密度结果表明,退耕还林和退耕撂荒具有显著的碳增汇效
应,而退耕还草、退耕还果没有明显的碳增汇效应。 天然草地经过长期自然恢复,土壤有机碳累积量可达到坡
耕地的 2. 3 倍。 从长远看,经过长期的自然恢复,撂荒地的土壤固碳潜力十分可观(达 8. 3 t / hm2),通过自然
恢复可以显著增加土壤有机碳储量。 退耕还草、退耕还果没有显著的碳增汇效应,这与人工草地、果园的经营
管理方式有直接关系。 人工草地累积的地上生物量大多被刈割利用,果园累积的地上生物量以果实、修剪枝
条等形式携出,归还土壤的有机物量有限,因此土壤有机碳的净累积没有显著增加也就可以理解。 因此,面向
减排增汇的退耕还林方式应当以退耕还灌、退耕还乔、退耕撂荒较为适宜。
黄土丘陵区人工乔木林、人工灌木林、撂荒 3 种典型退耕还林草方式的土壤有机碳累积动态显示,退耕还
林草前期(0—10 a左右)土壤有机碳增加不明显,退耕 10a 左右有机碳积累速率开始显著提高(图 3)。 退耕
前期虽然表层 SOC含量(0—5 cm)有所增加,但土壤下层 SOC 含量提高不明显甚至下降,说明土壤表下层
SOC得不到新建植被有机物的有效补充,这也正是退耕还林前期土壤有机碳密度增加不明显的原因。 在植被
建成初期,同化作用较强,有机质被大量消耗,土壤有机碳含量会下降[20鄄21]。 而退耕 10 多年后植被形成较稳
定群落,随着凋落物量增加,土壤有机碳累积量逐步升高(图 2)。 目前黄土丘陵区坡耕地大面积退耕还林草
已完成 10a左右,如果以现阶段的状况来评价坡耕地退耕后的土壤碳截流效应,则形成的是一个不明显的土
壤碳汇,甚至是一个碳源。 退耕还林草的长期固碳效应相当可观,退耕 35a 时,退耕还林、退耕撂荒的碳增汇
分别为 16t / hm2 和 6t / hm2,较坡耕地增加了 3—2倍。 因此在评价黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应时,
应着眼于长期效应。
土壤有机碳受土地利用类型、利用年限、地形等因素影响较大[9, 13],表现出复杂的时空分布格局[15, 19],明
确土壤有机碳时空分布及对环境因素的响应特征,对于评估退耕还林草的土壤固碳效应十分重要。 在黄土丘
陵区,退耕还林草的土壤固碳效应主要受还林草方式及年限的影响,二者分别可解释 55. 6%和 24. 1%的有机
碳变异性;地表凋落物量反映了地上植被生长发育状况,对表层土壤有机碳累积有显著影响,可解释 11. 8%
的土壤有机碳变异性。 地形因子对土壤固碳也有显著影响,可解释 8. 5%的有机碳变异性。 一般认为,特定
小地形的小气候具有一定差异,会影响植被生长、形成特定的土壤环境[16, 22],最终影响 SOC 的积累。 随着黄
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土丘陵区退耕还林还草工程的实施,尤其是林灌草长期生态效应的发挥,原有小地形环境差异的影响也发生
变化,不同地形条件下 SOC积累表现为:陡坡、缓坡地差异减小;阴坡、阳坡差异明显;峁顶逐渐比梁峁坡有利
于 SOC积累。 地形造成的 SOC积累的差异达到了退耕后年土壤碳汇效应的几倍多(表 2、图 3)。 因此,评估
该区退耕还林的土壤固碳效应时应当充分考虑退耕年限和地形因子的影响。
土体中的有机碳主要分布于 1 m以上的土层[23鄄24],因此,已有的土壤固碳研究主要针对上层(臆1 m)土
壤展开,土壤有机碳储量也多用 1 m以上土层的碳密度为依据估算[24鄄26]。 然而,近期一些研究表明,1 m以下
的深层土壤积聚的有机碳十分可观[24, 27],据估计全球林地 1—3 m 土层有机碳储量约占 0—3 m 土体有机碳
储量的 1 / 3[24]。 在黄土丘陵区砖窑沟小流域,深层(100—200 cm)SOCD占 0—200 cm土层的 48. 2% [28]。 在
黄土高原沟壑区,深层(100—200 cm)SOCD占 0—200 cm土层的 38%—42% [8];黄土高原区全区 300 多个样
点的研究结果显示[2],深层(100—200 cm)SOCD占 0—200 cm 土层的 37%—40% (图 10),与图 9 显示结果
一样。 可见,黄土丘陵区深层土壤有机碳储量在土壤碳库中占有较大比例。 黄土区土壤常常厚达数十米,尽
管深层土壤有机碳密度低于表层,但植被恢复与土壤管理措施对深层土壤有机碳储量的影响不容忽视。 但从
有机碳累积动态来看,深层土壤有机碳密度随植被恢复而增加,因此,在估算该区退耕还林草的土壤固碳量
时,应该考虑深层土壤的有机碳储量,否则会严重低估退耕还林草的土壤固碳效应。
图 10摇 黄土高原深层土壤有机碳累积量(上左:长武王东沟流域[8] ;上右:黄土高原地区[2] )
Fig. 10摇 SOC accumulation in deep soil layers on the Loess Plateau ( left: results from Wangdonggou watershed[8] , Changwu, Shaanxi; right:
Loess Plateau region[2] )
4摇 结论
1)从黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应整体而言,相对于坡耕地,退耕还林和退耕撂荒具有显著的
土壤碳增汇效应,而退耕还草、退耕还果没有明显土壤碳增汇效应。
2)以退耕还林工程实施 10a为界,退耕还林草近期的土壤碳增汇效应不明显,而 10a 后土壤碳增汇效应
逐渐明显,退耕还林、退耕还灌、退耕撂荒和坡耕地的固碳效应差异显著。 在评估该区退耕还林的土壤固碳效
应时应当注重长期固碳效应。
3)退耕还林草的土壤固碳效应主要受还林草方式及年限的影响,二者分别可解释 55. 6%和 24. 1%的有
机碳变异性;地形因子可解释 8. 5%的有机碳变异性。 在评估该区退耕还林的土壤固碳效应时应当充分考虑
退耕年限和地形因子的影响。
4)深层(100—200 cm)土壤有机碳密度占 2 m土层有机碳密度的 35%—40% ,而且随着植被恢复深层土
壤有机碳密度显著增加。 在估算黄土丘陵区退耕还林土壤固碳效应时应该考虑深层碳累积。 如果仅按 0—
100 cm土层深度计算土壤有机碳密度,会严重低估退耕还林草的土壤固碳量。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 17 September,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Conservation strategies for Ulmus elongata based on the analysis of biological and ecological factors
GAO Jianguo, ZHANG Yi, WU Yuhuan, et al (5287)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Vertical distribution of methanogen community structures in Phragmites australis marsh soil in the Min River estuary
SHE Chenxing, TONG Chuan (5299)
…………………
………………………………………………………………………………………………
Energy balance closure and its effects on evapotranspiration measurements with the eddy covariance technique in a cropland
LIU Du, LI Jun, YU Qiang, TONG Xiaojuan, et al (5309)
…………
………………………………………………………………………
Effects of soil water potential on the growth and physiological characteristics of Populus tomentosa pulpwood plantation under
subsurface drip irrigation XI Benye, WANG Ye, DI Nan, et al (5318)…………………………………………………………
Physiological indices of leaves of jujube (Zizyphus jujuba) damaged by Apolygus lucorum
GAO Yong, MEN Xingyuan, YU Yi, et al (5330)
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Economic analysis of wetland resource protection: a case study of Beijing Wild Duck Lake
WANG Changhai, CUI Lijuan, MA Muyuan, et al (5337)
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Comparative studies on the farmers忆 willingness to accept eco鄄compensation in wetlands nature reserve
WANG Changhai,CUI Lijuan,MAO Xufeng, et al (5345)
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Remote sensing estimation models of Suaeda salsa biomass in the coastal wetland
FU Xin,LIU Gaohuan, HUANG Chong,LIU Qingsheng (5355)
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Effects of N addition on soil organic carbon components in an alpine meadow on the eastern Qinghai鄄Tibetan Plateau
ZHENG Jiaojiao, FANG Huajun, CHENG Shulan, et al (5363)
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Estimating carbon emissions from forest fires during 2001 to 2010 in Daxing忆anling Mountain
HU Haiqing, WEI Shujing, SUN Long (5373)
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Predicting the effects of soil water potential on the growth of cut lily DONG Yongyi, LI Gang, AN Dongsheng, et al (5387)………
Rain enrichment鄄accelerated carbon emissions from soil in a Nitraria sphaerocarpa community in hyperarid region
LIU Dianjun, WU Bo, LI Yonghua, et al (5396)
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Response of soil organic carbon sequestration to the “Grain for Green Project冶 in the hilly Loess Plateau region
XU Mingxiang, WANG Zheng, ZHANG Jin, et al (5405)
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Temporal and spatial variability in soil respiration in five temperate forests in Xiaoxing忆an Mountains, China
SHI Baoku,JIN Guangze,WANG Zhaoyang (5416)
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Distributions pattern of phosphorus, potassium and influencing factors in the upstream of Shule river basin
LIU Wenjie, CHEN Shengyun, HU Fengzu, et al (5429)
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COI1 is involved in jasmonate鄄induced indolic glucosinolate biosynthesis in Arabidopsis thaliana
SHI Lu, LI Mengsha, WANG Lihua, et al (5438)
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Modeling canopy rainfall interception of a replanted Robinia pseudoacacia forest in the Loess Plateau
WANG Yanping,WANG Li,WEI Sanping (5445)
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The differences of plant community diversity among the different altitudes in the Water鄄Level鄄Fluctuating Zone of the Three
Gorges Reservoir LIU Weiwei, WANG Jie, WANG Yong, et al (5454)…………………………………………………………
Low鄄frequency drought variability based on SPEI in association with climate indices in Beijing SU Hongxin, LI Guangqi (5467)……
Response of upland jujube tree trunk diameter to different ecological factors
ZHAO Ying, WANG Youke, HAN Lixin,et al (5476)
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The spatial distribution and seasonal dynamics of fine roots in a young Caragana korshinskii plantation
ZHANG Fan, CHEN Jianwen, WANG Mengben (5484)
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Interspecific segregation of species in tree and shrub layers of the Pinus bungeana Zucc. ex Endl. community in the Wulu
Mountains, Shanxi Province, China WANG Lili, BI Runcheng, YAN Ming, et al (5494)………………………………………
Effects of long鄄term fertilization on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities during maize growing season
MA Xiaoxia, WANG Lianlian, LI Qinghui, et al (5502)
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A model to predict dry matter accumulation dynamics in wheat based on the normalized method
LIU Juan, XIONG Shuping, YANG Yang, et al (5512)
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Optimization strategies and an aesthetic evaluation of typical plant communities in the Shanghai Green Belt
ZHANG Kaixuan, LING Huanran, DA Liangjun (5521)
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Carbon footprint evaluation research on the tourism transportation system at tourist attractions: a case study in Hengshan
DOU Yindi, LIU Yunpeng, LI Bohua, et al (5532)
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An urban ecosystem assessment method and its application SHI Huichun, LIU Wei, HE Jian, et al (5542)…………………………
Seasonal variations in distribution and biological characteristics of snailfish Liparis tanakae in the central and southern Yellow Sea
ZHOU Zhipeng, JIN Xianshi, SHAN Xiujuan,et al (5550)
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Effects of cyanobacterial accumulation and snail grazing on the growth of vallisneria natans
HE Hu, HE Yuhong,JI Yachan,et al (5562)
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The structure and thermal insulation capability of Mustela sibirica manchurica winter pelage in Heilongjiang Province
LIU Yu,ZHANG Wei (5568)
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Ontogenetic shifts in selected body temperature and thermal tolerance of the tiger frog, Hoplobatrachus chinensis
FAN Xiaoli, LEI Huanzong, LIN Zhihua (5574)
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The influence of tubificid worms bioturbation on organic phosphorus components and their vertical distribution in sediment of
Lake Taihu BAI Xiuling, ZHOU Yunkai, ZHANG Lei (5581)……………………………………………………………………
Review and Monograph
Research advances in ecological assessment of urban greenspace MAO Qizheng, LUO Shanghua, MA Keming, et al (5589)………
Ecological hot topics in global change on the 2nd International Young Ecologist Forum
WAN Yun, XU Lili, GENG Qifang,et al (5601)
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Scientific Note
Screening trial for the suitable plant species growing on sand dunes in the alpine valley and its recovery status in the Yarlung
Zangbo River basin of Tibet, China SHEN Weishou, LI Haidong, LIN Naifeng, et al (5609)…………………………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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