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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 20 期摇 摇 2012 年 10 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2O)释放特征 袁淑方,王为东 (6279)……………………………………………
闽江河口湿地植物枯落物立枯和倒伏分解主要元素动态 曾从盛,张林海,王天鹅,等 (6289)…………………
宁夏荒漠草原小叶锦鸡儿可培养内生细菌多样性及其分布特征 代金霞,王玉炯 (6300)………………………
陕西省栎黄枯叶蛾蛹的空间分布 章一巧,宗世祥,刘永华,等 (6308)……………………………………………
模拟喀斯特生境条件下干旱胁迫对青冈栎苗木的影响 张中峰,尤业明,黄玉清,等 (6318)……………………
中国井冈山生态系统多样性 陈宝明,林真光,李摇 贞,等 (6326)…………………………………………………
鄂西南木林子常绿落叶阔叶混交林恢复过程中优势树种生态位动态 汤景明,艾训儒,易咏梅,等 (6334)……
不同增温处理对夏蜡梅光合特性和叶绿素荧光参数的影响 徐兴利, 金则新,何维明,等 (6343)……………
模拟长期大风对木本猪毛菜表观特征的影响 南摇 江,赵晓英,余保峰 (6354)…………………………………
雷竹林土壤和叶片 N、P 化学计量特征对林地覆盖的响应 郭子武,陈双林,杨清平,等 (6361)………………
利用树木年轮重建赣南地区 1890 年以来 2—3月份温度的变化 曹受金,曹福祥,项文化 (6369)……………
川西亚高山草甸土壤呼吸的昼夜变化及其季节动态 胡宗达,刘世荣,史作民,等 (6376)………………………
火干扰对小兴安岭白桦沼泽和落叶松鄄苔草沼泽凋落物和土壤碳储量的影响
周文昌,牟长城,刘摇 夏,等 (6387)
…………………………………
……………………………………………………………………………
黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 佟小刚,韩新辉,吴发启,等 (6396)………………………
岩质公路边坡生态恢复土壤特性与植物多样性 潘树林,辜摇 彬,李家祥 (6404)………………………………
坡位对东灵山辽东栎林土壤微生物量的影响 张摇 地,张育新,曲来叶,等 (6412)………………………………
太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 王摇 瑛,张建锋,陈光才,等 (6422)………………………
基于多角度基尼系数的江西省资源环境公平性研究 黄和平 (6431)……………………………………………
中国土地利用空间格局动态变化模拟———以规划情景为例 孙晓芳,岳天祥,范泽孟 (6440)…………………
世界主要国家耕地动态变化及其影响因素 赵文武 (6452)………………………………………………………
不同氮源下好氧反硝化菌 Defluvibacter lusatiensis str. DN7 的脱氮特性 肖继波,江惠霞,褚淑祎 (6463)………
基于生态足迹方法的南京可持续发展研究 周摇 静,管卫华 (6471)………………………………………………
基于投入产出方法的甘肃省水足迹及虚拟水贸易研究 蔡振华,沈来新,刘俊国,等 (6481)……………………
浦江县土壤碱解氮的空间变异与农户 N投入的关联分析 方摇 斌,吴金凤,倪绍祥 (6489)……………………
长江河口潮间带盐沼植被分布区及邻近光滩鱼类组成特征 童春富 (6501)……………………………………
深圳湾不同生境湿地大型底栖动物次级生产力的比较研究 周福芳,史秀华,邱国玉,等 (6511)………………
灰斑古毒蛾口腔反吐物诱导沙冬青细胞 Ca2+内流及 H2O2 积累 高海波,张淑静,沈应柏 (6520)……………
濒危物种金斑喙凤蝶的行为特征及其对生境的适应性 曾菊平,周善义,丁摇 健,等 (6527)……………………
细叶榕榕小蜂群落结构及动态变化 吴文珊,张彦杰,李凤玉,等 (6535)…………………………………………
专论与综述
流域生态系统补偿机制研究进展 张志强 ,程摇 莉 ,尚海洋,等 (6543)…………………………………………
可持续消费的内涵及研究进展———产业生态学视角 刘晶茹,刘瑞权,姚摇 亮 (6553)…………………………
工业水足迹评价与应用 贾摇 佳,严摇 岩,王辰星,等 (6558)………………………………………………………
矿区生态风险评价研究述评 潘雅婧,王仰麟,彭摇 建,等 (6566)…………………………………………………
研究简报
围封条件下荒漠草原 4 种典型植物群落枯落物枯落量及其蓄积动态 李学斌,陈摇 林,张硕新,等 (6575)……
密度和种植方式对夏玉米酶活性和产量的影响 李洪岐,蔺海明,梁书荣,等 (6584)……………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*312*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄10
封面图说: 草丛中的朱鹮———朱鹮有着鸟中“东方宝石冶之称。 洁白的羽毛,艳红的头冠和黑色的长嘴,加上细长的双脚,朱鹮
历来被日本皇室视为圣鸟。 20 世纪前朱鹮在中国东部、日本、俄罗斯、朝鲜等地曾有较广泛地分布,由于环境恶化等
因素导致种群数量急剧下降,至 20 世纪 70 年代野外已认为无踪影。 1981 年 5 月,中国鸟类学家经多年考察,在陕
西省洋县重新发现朱鹮种群,一共只有 7 只,也是世界上仅存的种群。 此后对朱鹮的保护和科学研究做了大量工
作,并于 1989 年在世界首次人工孵化成功。
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 20 期
2012 年 10 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 20
Oct. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2010JQ5001); 教育部高等学校博士点基金(20090204120038); 国家自然基金(30971695);
西北农林科技大学基本科研业务费专项(QN2011153); 西北农林科技大学博士启动金(2010BSJJ032)
收稿日期:2012鄄01鄄02; 摇 摇 修订日期:2012鄄07鄄17
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: hanxinhui@ nwsuaf. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201201020003
佟小刚, 韩新辉, 吴发启, 张艳云, 于小玲, 蒋碧.黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异.生态学报,2012,32(20):6396鄄6403.
Tong X G, Han X H, Wu F Q, Zhang Y Y, Yu X L, Jiang B. Variance analysis of soil carbon sequestration under three typical forest lands converted from
farmland in a Loess Hilly Area. Acta Ecologica Sinica,2012,32(20):6396鄄6403.
黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异
佟小刚1, 韩新辉2,*, 吴发启1, 张艳云1, 于小玲1, 蒋摇 碧1
(1. 西北农林科技大学资源与环境学院, 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌摇 712100;
2. 西北农林科技大学农学院,杨凌摇 712100)
摘要:探讨了黄土丘陵区退耕种植 10—40a的柠条、沙棘及刺槐林地土壤总有机碳库及其活性组分密度随退耕时间、土层分布
及相对比例的变化差异。 结果表明:100 cm深土壤碳库在退耕 10a 时仅柠条林地碳库未比坡耕地显著增加,但退耕 20—40a
3 种林地比退耕 10a时都已有显著增加,且增幅均为刺槐>沙棘>柠条,其中总有机碳的最大增幅分别达到 90. 92、27. 87、14. 89
Mg / hm2,活性有机碳的分别达到 30. 28、10. 51、9. 67 Mg / hm2。 各还林地碳库增加在退耕 10a 时主要来自 0—40 cm 浅层土,而
40—100 cm深层土碳库到退耕 20a起才开始显著增加。 对比退耕 10a时,到退耕 40a时柠条、沙棘及刺槐林地 0—20 cm表层土
分别平均累积了 35. 4% 、27. 9% 、27. 1%的总有机碳,20. 2% 、45. 1% 、23. 1%的活性有机碳,而 20—100 cm 各土层间对碳库累
积比例大小变化无一致规律,平均每 20 cm厚土层累积了 17. 4%的总有机碳和 17. 6%活性有机碳。 并且相比坡耕地,各林地
均使 100 cm深土壤活性有机碳占总有机碳的比例提高,改良了碳库质量。 综上分析,长期退耕下 3 种林地固碳效应有明显差
异,以刺槐林地碳累积效应较强。
关键词:黄土丘陵区;退耕还林;土壤有机碳;氧化活性有机碳;固碳效应
Variance analysis of soil carbon sequestration under three typical forest lands
converted from farmland in a Loess Hilly Area
TONG Xiaogang1, HAN Xinhui2,*, WU Faqi1, ZHANG Yanyun1, YU Xiaoling1, JIANG Bi1
1 Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri鄄environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, College of Source and Environment, Northwest
Agricultural & Forestry University, Yangling 712100, Shannxi, China
2 College of Agricultural Sciences, Northwest Agricultural & Forestry University Yangling 712100, Shannxi, China
Abstract: Quantifying soil carbon sequestration may be an important consideration under large scale afforestation because it
has been counted in global carbon budgets according to the Kyoto Protocol. The conversion of cropland to forest as part of a
huge ecological afforestation engineering scheme has played a very important role in reversing ecological destruction in the
Loess Plateau and strongly affects the carbon cycle. This research was conducted to determine the changes in total soil
organic carbon and its labile fraction in soil to 100 cm under three typical forested lands. These typical forest lands are
Caragana, Buckthorn, and Robinia, which have been converted from farmland between 10 and 40 years ago in a Loess Hilly
Area. The results showed that, compared with sloped farmland, the concentration of total organic carbon and labile organic
carbon in soil at 100 cm was not higher in Caragana forest land 10 years after conversion from farmland. The carbon pool
was significantly increased in Buckthorn and Robinia after the same period. Compared with 10 years since farmland
conversion, the total organic carbon and labile carbon was further increased in all forest lands after 20 to 40 years of
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conversion from farmland. This increase followed the order Robinia > Buckthorn > Caragana, and the highest increase in
total organic carbon reached 90. 92, 27. 87, and 14. 89 Mg / hm2, and for labile organic carbon was 30. 28, 10. 51, and
9郾 67 Mg / hm2 respectively. The changes in soil organic carbon in different soil layers were also significantly different with
time since farmland conversion. The soil organic carbon and its labile fraction was increased mainly in the 0—40 cm soil
layer 10 years after farmland conversion in all forest lands. The soil organic carbon pools in the 40—100 cm layer were
increased significantly 20 years after farmland conversion. As a result, all soil layers showed a contribution to soil organic
carbon increase with long term conversion of cropland to forest. Forty years after farmland conversion 35. 4% , 27郾 9% , and
27. 1% of the increased total organic carbon and 20. 2% , 45. 1% , and 23. 1% of the increased labile organic carbon in the
soil to 100 cm was sequestrated in the 0—20 cm layer under Caragana, Buckthorn, Robinia forest land respectively. By
contrast, the proportion of soil organic carbon sequestration showed inconsistent changes among the forest lands in the 20—
100 cm soil layer, with an average of 17. 4% of the increased total organic carbon and 17. 6% of the increased labile
organic carbon sequestrated in each 20 cm layer. Additionally, in comparison with sloped farmland, the ratio of labile
organic carbon to total organic carbon was significantly different in each soil layer of all forest lands 40 years after farmland
conversion. This was especially so in the 60—100 cm soil layer where the ratio was increased by 146. 7% , 76. 9% , and
126. 1% in Caragana, Buckthorn, and Robinia forest lands, respectively. The ratio in the 100 cm soil layer also increased
by 63. 7% , 34. 0% , and 47. 0% in Caragana, Buckthorn, and Robinia, respectively, which indicated the activation of
soil carbon pools had been enhanced, and the quality of soil was improved indirectly. Consequently, conversion of cropland
to forest could sequestrate carbon in soil and Robinia is the better forest land to improve the soil organic carbon pool. Soil
carbon sequestration following the afforestation of former arable land would be a powerful carbon sink for anthropogenic CO2
production in the Loess Plateau in the future.
Key Words: Loess Hilly Area; conversion of cropland to forest;soil organic carbon; oxidizable labile organic carbon;
carbon sequestration
土壤有机碳(SOC)一方面作为土壤肥力的核心物质,影响着土壤结构和持水保肥性,并起到缓解或调节
与土壤退化及其生产力有关的一系列土壤过程[1鄄2];另一方面,土壤有机碳作为陆地生态系统中最大的碳
库[3],其碳汇功能对于减排大气 CO2,缓解温室效应的作用已受到众多学者的认可[4鄄5]。 因此,土壤碳不再局
限于对土壤质量的指示,更关系到生态环境、大气圈及生物圈的可持续发展[2,4],掌握土壤碳库演变及固碳机
理对于人们认知不同土地利用方式和植被恢复措施对提升土壤质量和改良生态环境的效应具有重要意义。
退耕还林作为我国一项宏伟的生态造林工程,通过植被恢复改变了土壤内部及与植物群落的养分元素流
动状况,必然引起土壤碳库变化。 国内外多数研究亦显示农田退耕还林后将会引起土壤碳的增加[6鄄8],但也
有研究认为造林后土壤碳储量在初期会下降,一般 10a 后才开始积累[6,9],如薛萐等[10]和王春梅等[8]分别报
道刺槐林和长白落叶松林退耕 10a后土壤有机碳才开始恢复,周国模等[11]更得出人工毛竹林土壤总有机碳
持续下降至 20a后才趋于稳定。 可见,人工造林后土壤碳库恢复是一个漫长的过程,并且总有机碳的累积只
是矿化分解和合成的平衡结果,不能反映碳库性质变化、转化速率及累积机制等。 因此,根据有机碳分解速率
或活性差异进行碳分组研究成为探究土壤碳周转过程和固定机理的重要手段[2,12]。 这类碳组分中国内的研
究多倾向于用高锰酸钾可氧化的碳作为活性有机碳(LOC),而未被氧化的作为非活性有机碳(NLOC),它们
分别在快速响应短期土地管理措施影响及碳固定上起着积极的指示作用[10,13鄄14]。 但这些研究多集于中表层
土壤或是单一林种,缺乏同地区内不同人工林地间及深层土壤碳库及其组分在不同土层、退耕时间序列变化
上的差异分析。 因此,本研究采集黄土丘陵区 10—40a 不同典型退耕还林地 0—100 cm 不同土层土壤,进行
总有机碳、活性有机碳储量随退耕年限、不同土层分布及相对比列变化上的对比分析研究。 揭示不同退耕还
林地提升土壤碳库储量、质量效应及差异特征,以期为评价人工林促进生态恢复效果、土壤质量提高及选择生
7936摇 20 期 摇 摇 摇 佟小刚摇 等:黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 摇
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态碳库管理技术提供依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
研究区位于陕西省安塞县纸坊沟流域(E109毅13忆46义—109毅16忆03义,N36毅46忆42义—36毅46忆28义),该区地形破
碎,沟壑纵横,属黄土高原丘陵沟壑地貌,暖温带半干旱季风气候,海拔 1 010—1 400 m,年均气温 8. 8 益,年
均降水量 505. 3 mm。 土壤类型以黄土母质上发育而成的黄绵土为主,有机质含量低、抗侵蚀能力差,植被类
型处于暖温带落叶阔叶林向干草原过渡的森林草原带[10]。 该流域生态系统自 20 世纪 60、70 年代开始由破
坏期转向逐渐稳定和恢复期,至 20 世纪末 90 年代初进入良性生态初步形成期,这主要是在多年的水土保持
综合治理,开展了林草植被和工程等措施建设下,有效遏制了该流域的土壤侵蚀,成功地恢复了退化生态系
统[15]。 目前,该区域林地面积从 1980 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[10]。 因此,该区域也拥有长期不同灌木林、乔木林及经济林等退耕还林类型林地,为本研究提供了良好的
自然研究基础。
1. 2摇 样地选取及采样
基于时空互代法,2010 年 9 月于研究区选择退耕还林年限为 10a、20a、40a 的柠条(Caragana korshinskii)
C10、C20、C40;沙棘(Hippophae rhamnoides) H10、H20、H40;刺槐 (R. pesudoacacia) R10、R20、R40 共 3 种退耕还林
地样地,并以长期坡耕地(SF)为对照。 样地土壤类型均为黄绵土,粘粒含量为 7%—9%,各样地其它基本特
征见表 1。 每种还林地都选择 3 个立地条件基本一致的重复样地进行采样。 在每个样地内,设置 20 m伊20 m
标准采样区,采样时先除去地面凋落物,按照“S冶型选 12 点,取 0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm共
5 层林下及草本植物覆盖下土样,以客观代表退耕还林地土壤,每层取样点土样混合后作为该层待测土样。
同时,挖取剖面采用环刀法测定各土层密度,以计算土壤有机碳密度。 土壤样品自然风干后研磨过 0. 25 mm
筛备用。
表 1摇 样地基本特征
Table 1摇 Description of the sampling plots
样地
Site
坡位
Slope position
坡向
Aspect
坡度 / ( 毅)
Slope
海拔 / m
Altitude
林分密度
Stand density
/ (株 / hm2)
林下主要草本种类
Mainly vegetation types of herb
SF 梁坡中部 S 23 1167 — 荞麦
C10 梁坡中部 SW20毅 33 1154 3000 铁杆蒿、长芒草、艾篙
H10 梁坡中上部 S 24 1175 3300 胡枝子、长芒草
R10 梁坡中部 SE10毅 21 1179 2100 胡枝子、阿尔泰紫苑、长芒草
C20 梁坡中部 S 22 1145 2400 铁杆蒿、长芒草、狗尾草
H20 梁坡中上部 SW32毅 24 1157 2800 胡枝子、长芒草、艾篙
R20 梁坡中部 SE 34 1158 1800 胡枝子、长芒草、
C40 梁坡中上部 S 25 1169 2300 铁杆蒿、长芒草、狗尾草
H40 梁坡上部 SW15毅 29 1148 2600 胡枝子、长芒草
R40 梁坡中部 SW18毅 30 1149 1600 白刺花、茭蒿、立式黄芪
1. 3摇 指标测定
土壤总有机碳(TOC)采用重铬酸钾加热法测定[16];土壤活性有机碳的测定采用 KMnO4氧化法[17],即称
取含有 15 mg总有机碳的土样于 50 mL离心管中,加入 333mmol / L KMnO4 25 mL,振荡 1 h,离心 5 min(转速 2
000 r / min),取上清液用去离子水按 1颐250 稀释,然后将稀释液在 565 nm 比色。 根据 KMnO4浓度的变化求出
样品的活性有机碳含量(氧化过程中 1 mmol / L KMnO4 消耗 9 mgC)。 非活性有机碳为总有机碳与活性有机
碳之差。
8936 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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1. 4摇 数据计算与分析
土壤有机碳密度是指单位面积一定厚度的土层中有机碳的质量,可以指示土壤有机碳的储量。 对于分层
的土壤剖面而言,土壤有机碳的密度计算公式为:
T0 = 1 - 啄( )j 籽 jcjd j / 10
式中,T0为第 j层土壤有机碳的密度(Mg / hm2);啄 j、籽 j、cj、d j 分别为第 j层土中>2 mm 砾石的体积分数(% )、土
的密度(g / cm3)、有机碳平均含量(g / kg)、土层厚度(cm)。 0—100 cm 土层有机碳密度则为各层土壤有机碳
密度之和。 退耕还林地 0—100 cm深土壤固定增加的有机碳在不同土层的分配比例按以下公式计算:
R j% =
C40j - C10( )j 籽 j 伊 d j
移
n
j
C40j - C10( )j 籽 j 伊 d j
伊 100
式中,R j 为固定的有机碳在第 j层土壤的分配比例;C40j 和 C10 j 分别为退耕还林 40a和 10a时土壤有机碳含量
(g / kg)。
以上实验结果的统计与分析采用 Excel 和 SPSS16. 0 软件进行。 不同退耕还林地及土层中有机碳密度、
分配比例、活性有机碳占总有机碳比例等差异显著性采用邓肯法进行检验分析(P< 0. 05)。
2摇 结果与分析
2. 1摇 土壤总有机碳密度变化
表 2 显示,不同还林地各土层 TOC随退耕年限延长均呈显著增加趋势,但土层间增幅演变明显不同。 相
比坡耕地各土层,柠条、沙棘、刺槐林地 0—20 cm 表层土 TOC 密度增加最明显,在退耕 10a 时即分别增加了
0. 2、1. 0、0. 9 倍,到退耕 20a时增加更为明显,退耕 40a时达到最大值,增幅分别达到 1. 0、2. 3、4. 8 倍;20—40
cm土层在退耕 10a时,仅柠条林未显著增加 TOC密度,之后退耕 20a里,柠条、沙棘、刺槐林地 TOC 均持续增
加,同样到 40a时增幅达到最高,增幅分别为 0. 6、1. 6、4. 4 倍;40—100 cm 各土层 TOC 密度增加效果则明显
减缓,退耕 10a时不同还林地 TOC密度均未有显著增加,到退耕 20a时仅沙棘和刺槐林地 TOC才开始显著增
加,到退耕 40a时柠条、沙棘、刺槐林地 40—100 cm各土层 TOC密度平均分别显著增加了 0. 5、1. 0 及 3. 0 倍。
表 2摇 不同退耕还林地土壤总有机碳密度
Table 2摇 Density of soil TOC in different forest lands converted from slope farmland / (Mg / hm2)
样地
Sites
土壤深度 Soil depth / cm
0—20 20—40 40—60 60—80 80—100
SF 6. 39a 5. 32a 5. 32a 4. 95a 4. 58a
C10 7. 22b 6. 00ab 5. 52ab 5. 47a 4. 67a
H10 13. 08d 8. 57c 6. 10ab 3. 85a 5. 19a
R10 12. 31d 6. 80b 6. 06ab 5. 01a 4. 46a
C20 9. 94c 6. 06b 4. 87a 5. 90a 5. 20a
H20 16. 54e 7. 97c 6. 32b 8. 11b 4. 48a
R20 30. 33g 10. 71d 10. 54c 10. 21c 9. 42c
C40 12. 49d 8. 41c 7. 28b 7. 90b 7. 69b
H40 20. 85f 13. 74e 12. 51d 11. 08e 6. 49b
R40 36. 95h 28. 94f 19. 09e 19. 72f 20. 87d
摇 摇 同列内小写字母表示在 P<0. 05 水平下不同还林地及其退耕年限下有机碳密度差异显著
长期退耕还林下不同土层 TOC密度的显著增加也使得总体 100 cm深土壤 TOC 密度随退耕年限显著提
升。 如图 1 显示,相比坡耕地,退耕还林 10a时沙棘和刺槐林地 100 cm深土层 TOC 密度即开始显著增加,而
柠条林地 TOC密度还未有显著差异。 与退耕还林 10a相比,退耕 20a时 3 种林地 TOC密度均持续显著增加,
到退耕 40a时最高,且增幅为刺槐>沙棘>柠条,分别达到 90. 92、27. 87、14. 89 Mg / hm2,说明刺槐林地土壤相
对固碳效应更好。
9936摇 20 期 摇 摇 摇 佟小刚摇 等:黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 摇
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2. 2摇 土壤活性有机碳密度变化
长期退耕还林下 LOC密度在不同还林地各土层均成显著增加趋势(表 3)。 各土层相比坡耕地,仍以 0—
20 cm表层土 LOC密度增加最明显,退耕 10a时柠条、沙棘、刺槐林地使其分别增加了 0. 4、0. 8、1. 2 倍,到退
耕 40a时增幅分别达到 1. 3、3. 0、4. 5 倍。 20—40 cm 土层柠条林地 LOC 密度到退耕 40a 时才比坡耕地显著
增加 1. 3 倍;沙棘和刺槐林地 LOC密度在退耕 10—40a里持续增加,增幅分别为 0. 6—2. 0 倍和 0. 4—7. 2 倍。
40—100 cm土层 LOC密度增加减缓。 退耕 10a时,仅刺槐林使 40—60 cm和 80—100 cm土层 LOC密度分别
增加 0. 4 倍和 0. 5 倍;退耕 20a时,不同还林地间 LOC密度变化出现分异,柠条和沙棘倾向于显著增加 60—
100 cm深层 LOC密度,刺槐则使 40—100 cm各土层 LOC密度均有显著增加。 退耕 40a 时,柠条、沙棘、刺槐
林地 40—100 cm各土层 LOC密度均显著增加,且增幅随土层加深变大,分别达到 1. 2—3. 4 倍、1. 3—2. 0 倍
及 4. 2—11. 4 倍。
表 3摇 不同退耕还林地土壤活性有机碳密度
Table 3摇 Density of soil LOC in different forest lands converted from slope farmland / (Mg / hm2)
样地
Sites
土壤深度 Soil depth / cm
0—20 20—40 40—60 60—80 80—100
SF 2. 09a 1. 16a 1. 13a 0. 75a 0. 59a
C10 2. 88b 1. 03a 0. 82a 0. 68a 0. 34b
H10 3. 66c 1. 89bc 1. 25a 0. 78a 0. 56a
R10 4. 61d 1. 60b 1. 62b 0. 63a 0. 88c
C20 3. 58c 1. 13a 1. 37ab 0. 86a 0. 83c
H20 5. 09d 2. 17c 1. 25ab 1. 29b 1. 20c
R20 6. 32e 3. 20d 2. 07c 1. 78b 1. 63d
C40 4. 83d 2. 72d 2. 49c 2. 75c 2. 62e
H40 8. 39f 3. 47d 2. 62c 2. 39d 1. 78f
R40 11. 58g 9. 48e 5. 83d 5. 42e 7. 31g
图 1 显示总体上退耕 10a时 100 cm深土层各还林地 LOC密度仅柠条未与坡耕地达到显著差异,但退耕
20—40a时 3 种还林地 LOC密度均比退耕 10a时都有了显著增加,并且增幅表现为刺槐>沙棘>柠条,分别达
到 9. 28—30. 28 Mg / hm2、5. 28—10. 51 Mg / hm2、 2. 04—9. 67 Mg / hm2,说明长期退耕还林下能够显著提升土
壤碳库活性组分,起到了改良土壤内养分循环过程的作用。
图 1摇 不同还林地 100 cm深土壤总有机碳和活性有机碳密度
Fig. 1摇 Density of TOC and LOC in 100cm soil layer under different forest lands converted from slope farmland
不同字母表示在 P<0. 05 水平下不同还林地及其退耕年限下有机碳密度差异显著
2. 3摇 土壤固定碳的分布特征及性质变化
退耕还林 40a后,各还林地不同土层对土壤碳固定均表现出积极的作用(图 2)。 0—20 cm表层土对总体
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100 cm深土壤 TOC增加贡献最大,在柠条、沙棘、刺槐林地中分别固定了 35. 4% 、27. 9% 、27. 1%的 TOC,但
在 20—100 cm各土层,随土层加深 TOC 累积的比例高低变化并无明显规律,固碳比例分别在 16. 3%—
20郾 3% 、4. 7%—23. 9% 、14. 3%—24. 4% 。 而对 LOC仅沙棘林地在 0—20 cm表层土累积 LOC的比例显著高
于低层土壤,累积比例达到 45. 1% ;柠条和刺槐林表层土壤累积的 LOC比例分别为 20. 2%和 23. 1% ,并不都
高于所有低层土壤。 同样,在 20—100 cm随土层加深,柠条、沙棘、刺槐林地各土层累积 LOC 的比例高低差
异无一致规律,分别平均为 20. 0% 、13. 7% 、19. 2% ,说明长期退耕还林对深层土壤中 LOC组分库的增加也有
积极作用。
图 2摇 退耕还林 40a不同林地固定的有机碳在不同土层中的分布
Fig. 2摇 Distribution of sequestrated organic carbon in different forest land soil layer after 40 years conversion of farmland to forest
土壤中活性有机碳占总有机碳的比例(LOC / TOC)可在一定程度上反映土壤有机碳的质量和稳定程度。
该比例大表明土壤有机碳较易矿化、周转期较短或活性高,该比例小则有机碳较稳定,不易被生物所利
用[18鄄19]。 图 3 显示,退耕还林 40a后,柠条和沙棘林地 0—20 cm土层 LOC / TOC 比例达到 38. 7%和 40. 2% ,
而 20—100 cm各土层该比例较低,且基本接近,平均分别为 33. 8%和 23. 8% 。 刺槐林地 100 cm深土壤各土
层 LOC / TOC比例都基本接近,平均为 31. 4% 。 与坡耕地比较,各还林地仅未使 0—60 cm深土壤个别土层的
LOC / TOC比例显著提高,但柠条、沙棘、刺槐林均使 60—80 cm 和 80—100 cm 深层土壤 LOC / TOC 比例显著
增加,且增幅显著高于浅层土壤,分别达到 128. 9%—164. 4% 、41. 4%—112. 4% 、80. 9%—171. 3% ,说明长期
退耕还林对深层土壤碳库质量和稳定性有显著影响。 从整体 100 cm土壤看,各还林地 LOC / TOC比例均比坡
耕地显著增加,且增幅表现为柠条(63. 7% )、刺槐林(47. 0% ) >沙棘林(34. 0% )。 可见,长期退耕还林能够
增加土壤活性碳组分所占比例,改良了土壤碳库质量。
3摇 结论与讨论
3. 1摇 长期退耕还林下不同林种及土层间固碳效应存在显著差异
Jandla 等[6]和 Guo等[20]通过综述分析都说明农地转为林地后会显著增加土壤碳库,并且认为树种也是
引起土壤碳库数量变化和差异的原因之一。 本研究亦显示长期退耕还林下 100 cm深土壤总有机碳密度比坡
耕地显著增加,但固碳量以刺槐林最高,是沙棘和柠条林的 3. 3 倍和 6. 1 倍。 不同土层间总有机碳累积则呈
现随土层变深而减缓。 表层土碳的迅速增加与凋落物的投入密切相关[21鄄22],郭胜利等[22]研究显示黄土区乔
木林类凋落物是灌木林类的 1. 9 倍,而 0—20 cm表层土有机碳含量前者是后者的 2. 3 倍。 这也解释了刺槐
林作为乔木林在表层土对碳库增加就显著高于沙棘和柠条。 随土层加深,林地根系生物碳的投入成为土壤碳
增加的主要来源[23]。 如此,3 种林地间根系投入的不同使碳库变化产生差异,如曲卫东等[23]报道灌木林根系
生物量主要分布在 0—30 cm土层,并且在长期生长下逐渐衰落,故造成其固定碳量显著低于刺槐林。 但根系
1046摇 20 期 摇 摇 摇 佟小刚摇 等:黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 摇
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图 3摇 退耕还林 40a后不同林地土壤活性有机碳占总有机碳的比值
Fig. 3摇 Ratio of LOC to TOC in different forest land after 40 years conversion of farmland to forest
不同小写字母代表同一土层中不同还林地活性有机碳占总有机碳比例相比差异显著
生长和恢复一定时间后才有更多的根系代谢有机物投入,从而促进碳积累。 因此,3 种林地 40—100 cm 各土
层总有机碳在退耕 20a后才开始恢复增加,到退耕 40a时也平均贡献了共 50. 2%的碳汇,可见评价黄土丘陵
区植被恢复的土壤固碳效应时应充分考虑深层土壤有机碳储量和变化[24]。
3. 2摇 长期退耕还林显著提升了土壤活性碳组分密度,改良了土壤碳库质量
活性有机碳是土壤有机碳库中最活跃的部分,可促进土壤结构改善、养分供应及循环,能作为碳库和土壤
质量改良的重要指标[18,25]。 本研究中长期退耕还林下 100 cm 深土壤活性有机碳随退耕年限延长显著增加,
且增幅表现为刺槐>沙棘>柠条,说明其不仅促进了土壤总碳库的增加,且使碳库质量显著提升[9,19]。 但不同
林地还林种和生长差异可能使输入土壤有机碳源的类型和多少有差异,从而引起各还林地对活性有机碳影响
明显不同。 这是因为 Tirol鄄Padre等[26]研究发现高锰酸钾能够氧化有机碳主要是糖类化合物、有机酸类如氨
基酸,抗坏血酸及木质素等,它们都属于有机质的分解和根系分泌的产物,与植物种类密切相关。 说明不同林
种也会引起土壤碳库性质和质量产生显著差异。
从不同土层看,长期退耕还林下 3 种林地各土层对活性有机碳增加均有积极作用,但表层土壤对活性有
机碳累积的贡献比例并不都高于深层土壤,说明退耕还林下深层土壤对活性有机碳的增加也有积极作用,并
且活性有机碳可能是土壤碳库优先变化的组分[17]。 这可能是因为植被恢复过程中,植物作为碳素的源以凋
落物、根系残体及其分泌物的形式把养分归还于土壤,而土壤作为库贮存碳素,随着植被恢复生物量增加,对
作为生物生长所需速效基质的活性碳素需求逐渐增大,引起活性有机碳迅速增加[10,25]。 这与本研究中退耕
还林显著提升了各还林地中 100 cm深土壤活性有机碳占总有机碳的比例提高也对应。 并且 3 种林地活性有
机碳占总有机碳比例在 60—100 cm深层土壤提高显著高于浅层土壤,说明退耕还林下即使深层土壤碳库活
性也会明显发生变化,以促进植物生长与土壤间的碳及养分循环,间接的也改良了土壤质量[18鄄19]。
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3046摇 20 期 摇 摇 摇 佟小刚摇 等:黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 20 October,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Characteristics of nitrous oxide (N2O) emission from a headstream in the upper Taihu Lake Basin
YUAN Shufang, WANG Weidong (6279)
……………………………………
……………………………………………………………………………………………
Nutrient dynamics of the litters during standing and sediment surface decay in the Min River estuarine marsh
ZENG Congsheng, ZHANG Linhai, WANG Tian忆e, et al (6289)
………………………
…………………………………………………………………
Diversity and distribution of endophytic bacteria isolated from Caragana microphylla grown in desert grassland in Ningxia
DAI Jinxia, WANG Yujiong (6300)
……………
…………………………………………………………………………………………………
Spatial distribution of Trabala vishnou gigantina Yang pupae in Shaanxi Province, China
ZHANG Yiqiao, ZONG Shixiang, LIU Yonghua, et al (6308)
……………………………………………
……………………………………………………………………
Effects of drought stress on Cyclobalanopsis glauca seedlings under simulating karst environment condition
ZHANG Zhongfeng, YOU Yeming, HUANG Yuqing, et al (6318)
……………………………
…………………………………………………………………
Ecosystem diversity in Jinggangshan area, China CHEN Baoming, LIN Zhenguang, LI Zhen, et al (6326)…………………………
Niche dynamics during restoration process for the dominant tree species in montane mixed evergreen and deciduous broadleaved
forests at Mulinzi of southwest Hubei TANG Jingming, AI Xuenru,YI Yongmei, et al (6334)……………………………………
Effects of different day / night warming on the photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters of Sinocaly鄄
canthus chinensis seedlings XU Xingli,JIN Zexin,HE Weiming, et al (6343)……………………………………………………
The effect of simulated chronic high wind on the phenotype of Salsola arbuscula
NAN Jiang,ZHAO Xiaoying, YU Baofeng (6354)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Responses of N and P stoichiometry on mulching management in the stand of Phyllostachys praecox
GUO Ziwu, CHEN Shuanglin, YANG Qingping, et al (6361)
…………………………………
……………………………………………………………………
Tree鄄ring鄄based reconstruction of the temperature variations in February and March since 1890 AD in southern Jiangxi Province,
China CAO Shoujin, CAO Fuxiang, XIANG Wenhua (6369)……………………………………………………………………
Diel variations and seasonal dynamics of soil respirations in subalpine meadow in western Sichuan Province, China
HU Zongda,LIU Shirong,SHI Zuomin, et al (6376)
…………………
………………………………………………………………………………
Effects of fire disturbance on litter mass and soil carbon storage of Betula platyphylla and Larix gmelinii鄄Carex schmidtii swamps
in the Xiaoxing忆an Mountains of Northeast China ZHOU Wenchang, MU Changcheng, LIU Xia, et al (6387)…………………
Variance analysis of soil carbon sequestration under three typical forest lands converted from farmland in a Loess Hilly Area
TONG Xiaogang, HAN Xinhui, WU Faqi, et al (6396)
………
……………………………………………………………………………
Soil鄄property and plant diversity of highway rocky slopes PAN Shulin,GU Bin,LI Jiaxiang (6404)……………………………………
Effects of slope position on soil microbial biomass of Quercus liaotungensis forest in Dongling Mountain
ZHANG Di, ZHANG Yuxin, QU Laiye, et al (6412)
………………………………
………………………………………………………………………………
Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of 3 typical streams in Yixing
WANG Ying, ZHANG Jianfeng, CHEN Guangcai, et al (6422)
………………………
……………………………………………………………………
Study on the fairness of resource鄄environment system of Jiangxi Province based on different methods of Gini coefficient
HUANG Heping (6431)
………………
………………………………………………………………………………………………………………
Simulation of the spatial pattern of land use change in China: the case of planned development scenario
SUN Xiaofang, YUE Tianxiang, FAN Zemeng (6440)
……………………………
………………………………………………………………………………
Arable land change dynamics and their driving forces for the major countries of the world ZHAO Wenwu (6452)……………………
Denitrification characteristics of an aerobic denitrifying bacterium Defluvibacter lusatiensis str. DN7 using different sources of nitrogen
XIAO Jibo, JIANG Huixia, CHU Shuyi (6463)
……
……………………………………………………………………………………
Study on sustainable development in nanjing based on ecological footprint model ZHOU Jing, GUAN Weihua (6471)………………
Applying input鄄output analysis method for calculation of water footprint and virtual water trade in Gansu Province
CAI Zhenhua, SHEN Laixin, LIU Junguo, et al (6481)
……………………
……………………………………………………………………………
Correlation analysis of spatial variability of Soil available nitrogen and household nitrogen inputs at Pujiang County
FANG Bin, WU Jinfeng, NI Shaoxiang (6489)
…………………
……………………………………………………………………………………
Characteristics of the fish assemblages in the intertidal salt marsh zone and adjacent mudflat in the Yangtze Estuary
TONG Chunfu (6501)
…………………
………………………………………………………………………………………………………………
A comparison study on the secondary production of macrobenthos in different wetland habitats in Shenzhen Bay
ZHOU Fufang, SHI Xiuhua, QIU Guoyu, et al (6511)
………………………
……………………………………………………………………………
Regurgitant from Orgyia ericae Germar induces calcium influx and accumulation of hydrogen peroxide in Ammopiptanthus
mongolicus (Maxim. ex Kom. ) Cheng f. cells GAO Haibo, ZHANG Shujing,SHEN Yingbai (6520)…………………………
Behavior characteristics and habitat adaptabilities of the endangered butterfly Teinopalpus aureus in Mount Dayao
ZENG Juping, ZHOU Shanyi, DING Jian, et al (6527)
……………………
……………………………………………………………………………
Community structure and dynamics of fig wasps in syconia of Ficus microcarpa Linn. f. in Fuzhou
WU Wenshan, ZHANG Yanjie, LI Fengyu, et al (6535)
……………………………………
…………………………………………………………………………
Review and Monograph
Review and trend of eco鄄compensation mechanism on river basin ZHANG Zhiqiang, CHENG Li,SHANG Haiyang, et al (6543)……
Definition and research progress of sustainable consumption: from industrial ecology view
LIU Jingru, LIU Ruiquan, YAO Liang (6553)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
The estimation and application of the water footprint in industrial processes JIA Jia, YAN Yan, WANG Chenxing, et al (6558)……
Research progress in ecological risk assessment of mining area PAN Yajing,WANG Yanglin,PENG Jian, et al (6566)………………
Scientific Note
Litter amount and its dynamic change of four typical plant community under the fenced condition in desert steppe
LI Xuebin, CHEN Lin, ZHANG Shuoxin, et al (6575)
……………………
……………………………………………………………………………
Effects of planting densities and modes on activities of some enzymes and yield in summer maize
LI Hongqi, LIN Haiming,LIANG Shurong, et al (6584)
……………………………………
……………………………………………………………………………
《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
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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。
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