全 文 ：书退耕草地演替过程中的碳储量变化
王俊明１，２，张兴昌１
（１．黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西
杨凌７１２１００；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）
摘要：退耕草地演替的研究对了解现有退耕草地的变化趋势有重要意义，也可以为退耕地的植被恢复提供科学依
据。本研究采用以空间代替时间的方法，对处于不同演替时间阶段退耕草地的土壤碳储量以及植被的地上部分与
根系生物碳储量变化进行了研究，结果表明，退耕草地演替过程中，地上部分生物碳储量呈阶梯式上升趋势，演替
初期地上部分生物碳储量先降后升，并在演替的２２～３２年，保持相对平稳，之后在演替的４０～６０年，达到第２个相
对平稳的阶段。根系生物碳储量也呈分阶段的阶梯式上升趋势，但第１个相对平稳的阶段出现在演替的第１２～２８
年，在演替的第３２～６０年出现第２个相对平稳的阶段。退耕草地的土壤碳储量在退耕演替的初期下降，且在演替
的第１～１２年一直小于农地，在演替的第１５年之后，土壤碳储量逐步上升。在０～１５０ｃｍ的不同土层中，土壤有机
碳含量以０～１５ｃｍ最高，在演替的１～１２年，各土层有机碳含量均小于农地，之后在演替的第１５～６０年，各土层土
壤有机碳含量均随演替时间的增加有所增加，且０～５０ｃｍ表层土壤有机碳含量在演替第３４～６０年迅速积累，增
幅较大。在演替初期，草地地上部分生物碳储量、根系生物碳储量和土壤碳储量较演替第１年均表现为下降趋势，
表明退耕初期生态环境并没有改善，如何缩短这段时间需进一步研究。
关键词：退耕草地；演替；土壤碳储量；地上部分生物碳储量；根系生物碳储量
中图分类号：Ｓ１５６；Ｓ１５３．６＋１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２００９）０１０００１０８
草地生态系统是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一，在全球碳循环和气候调节中起重要
的作用［１，２］。但有关陆地生态系统碳库存量及其动态变化的研究大多侧重于森林植被方面的工作，而草地植被
的研究相当薄弱［３］。对草地生态系统碳库存量的研究有助于增加对全球碳平衡与草地生态系统碳循环的了解。
目前，研究者主要通过估算植被生物量的方法来估算生态系统的碳库［４］，用来估算草地生物量大小的方法主要
有：全球生物量密度法（用全球植被类型的平均生物量密度乘以对应的面积来估算）［５，６］、产草量法（用草地普查
资料数据直接估算生物量）［７，８］、遥感模型法（用遥感资料与野外实测调查资料建立回归模型来估算生物量）［４］以
及野外样地调查（选代表性样地来估算整个区域的生物量）［９］等。这些方法虽方便了对草地碳储量的估算，但由
于对植物根系与土壤有机碳垂直分布的研究甚少及对草地地下生物量实测数据的不足，使得估算出的草地生物
量与碳储量具有较大的不确定性。
黄土高原是我国乃至全球水土流失最严重的地区之一，生态环境极其脆弱。为改善这种恶化了的生态环境，
中国政府于１９９９年开始推行“退耕还林还草”项目计划，通过“以粮代赈”与资金补助等措施，促使生态环境脆弱
区域部分坡耕地的退耕，以增加林草植被覆盖、减少水土流失与改善区域生态环境。截至２００５年底，甘肃、宁夏、
青海、陕西已累计完成退耕还林（草）面积４００万ｈｍ２，其中退耕地还林（草）１９７万ｈｍ２［１０］。大面积的退耕林（草）
地对改善当地的生态环境具有重要意义，也势必会影响到土壤的有机碳含量，而土壤有机碳储量是植物生态系统
中土壤碳循环研究的基础，它不但决定了退耕后的植物生态系统碳库的大小，而且能直接表征土壤的有机质水
平，是评价土壤肥力和植被生态价值的主要指标之一。因而了解退耕草地植被演替过程中土壤有机碳储量的变
化及其垂直分布特点，具有重要的理论和现实意义。目前，对黄土高原退耕地植被演替的研究已有很多，有关弃
耕演替中的演替序列［１１～１３］，植被种类组成［１１～１５］，初级生产力特征［１６～１８］，水土保持功能［１９，２０］和土壤理化性质演
变［２１～２４］等均有报道。但对这种因土地利用方式改变而导致的土壤碳库变化的研究还不多，对退耕草地演替过程
中土壤有机碳储量的变化及其垂直分布特征还未见报道，对退耕草地演替过程中地上部分与根系的生物碳储量
第１８卷 第１期
Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
１－８
２００９年２月
收稿日期：２００８０２２６；改回日期：２００８０４０９
基金项目：教育部创新团队支持计划和国家科技支撑计划（２００６ＢＡＤ０９）资助。
作者简介：王俊明（１９７９），男，山西朔州人，在读博士。Ｅｍａｉｌ：ｗｊｍｎｓｘ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
的变化研究也不多。准确估算退耕草地植被演替过程中不同阶段土壤有机碳储量的大小并了解其垂直分布对草
地碳循环研究具有重要的科学意义，并能为准确评价“退耕还林还草”政策的生态效益提供科学参考。本研究采
用以空间代替时间序列的方法，对处于不同演替阶段的退耕草地进行研究，利用实测的地上与地下部分生物量和
土壤有机碳数据，试图揭示退耕草地演替过程中土壤有机碳储量的变化与垂直分布规律以及不同演替阶段退耕
草地地上部与根系生物碳储量的变化规律。
１ 材料与方法
１．１ 研究区概况
纸坊沟流域位于陕西省安塞县（３６°５１′Ｎ，１０９°１９′Ｅ），属于黄土高原丘陵沟壑区第二副区，海拔１０１０～１４３１
ｍ。在气候区划上属暖温带半干旱气候，年平均降水量５１０ｍｍ，干燥度指数１．４８，年均气温８．８℃，≥１０℃年积
温２８００～３５００℃，无霜期１６０ｄ左右。土壤类型为黄绵土，其中粉粒占６４％～７３％，黏粒占１７％～２０％，土质疏
松，抗蚀抗冲性差，水土流失严重。草本植物主要是铁杆蒿（犃狉狋犲犿犻狊犻犪犵犿犲犾犻狀犻犻）、茭蒿（犃．犵犻狉犪犾犱犻犻）、达乌里胡
枝子（犔犲狊狆犲犱犲狕犪犱犪犺狌狏犻犮狌狊）、长芒草（犛狋犻狆犪犫狌狀犵犲犪狀犪）等组成。
纸坊沟流域过去林草茂盛，但到１９５８年，由于人口增长、耕地面积扩大等因素，森林几乎被破坏殆尽。从
１９７４年起，纸坊沟流域开始进行综合治理，逐步进行退耕还林还草，１９８４年，纸坊沟流域开始持续稳定退耕，林草
地面积不断增加，生态系统得到了恢复和重建。１９９９年，响应国家“退耕还林还草”政策，又有一些坡耕地进行了
退耕［２５，２６］。本研究共选取了１３个退耕年限的３８块样地，并以种植玉米（犣犲犪犿犪狔狊）的３块农地作为有机碳储量
变化的研究对照，具体样地情况见表１。
１．２ 研究方法
１．２．１ 野外采样 在每块地中都设置１个大样方（１０ｍ×１０ｍ），大样方四角及中心部位各设置１个小样方（１
ｍ×１ｍ），共５个，于２００６年７月调查每个小样方内出现的物种及其盖度，并记录样地海拔、坡度和坡向等。将５
个小样方内植物地上部分全部剪下，除去粘附的土壤、砾石等杂质后带回实验室，６５℃下烘干并称重。每块样地
设置１个小样方（５０ｃｍ×５０ｃｍ），用于测定地下生物量。将地上部分齐地面刈割后，采用挖掘法分层（０～１５，１５
～３０，３０～５０，５０～７０，７０～９０，９０～１１０，１１０～１３０和１３０～１５０ｃｍ）采集植物根系，共分８个土层，挖出的土壤暴
晒片刻后，用干筛法（筛孔２ｍｍ×２ｍｍ）过滤得到植物根系，带回实验室水洗后，６５℃下烘干至恒重，用以测定地
下部分生物量。同时在挖开剖面的各个土层上利用环刀法采集土样用于测定土壤容重，并采集用于测定土壤有
机碳含量的土样。
１．２．２ 室内分析 将野外处理过的根系在实验室内冲洗，然后在６５℃下烘干至恒重。在１０５℃下将土样烘干至
恒重，测定土壤含水率与容重；用于测定土壤有机质的土样去除草根等杂质后过１００目土壤筛，１０５℃烘干至恒
重，用重铬酸钾外加热氧化法测定土壤有机质含量［２６］。
１．２．３ 数据处理 对５个小样方的地上生物量求平均得到每块样地的地上生物量，用同一退耕年限不同样地的
地上生物量的平均值来计算这一退耕年限的地上生物量的平均值与标准差。地下部分生物量为各土层中根系生
物量的总和，由退耕年限相同的不同样地的地下部分生物量来计算这一退耕年限的地下部分生物量的平均值与
标准差。数理统计使用软件ＳＰＳＳ１５．０进行，其中多重比较选用 Ｗａｌｅｒ－Ｄｕｎｃａｎ检验法，选取０．０５显著水平。
本研究采用转换系数（０．４５）将生物量统一以碳（ｇ／ｍ２）的形式表示［２７］。
土壤剖面中的有机碳储量按下列公式计算：
犛犗犆犆＝∑犜犻×ρ犻×犕犻×犛犻×（１－犆犻）／１０
式中，犜犻、ρ犻、犕犻、犛犻、犆犻分别表示第犻层土层厚度（ｃｍ）、土壤容重（ｇ／ｃｍ
３）、有机碳浓度（ｇ／ｋｇ）、面积（ｍ２）、＞２
ｍｍ的砾石含量（％），犛犗犆犆为土壤有机碳含量（ｋｇ／ｍ２）。因土样采集地点的土壤为典型黄绵土，砾石含量极小，
远小于１０％，因而在计算中忽略犆犻［２８］。
２ 结果与分析
２．１ 不同演替年限退耕草地地上部分生物碳储量的变化
农地退耕后的第１年，地上部生物碳储量较高（图１），可达５３．１２ｇ／ｍ２，之后下降，演替第２年地上部生物碳
储量值最低，为２２．３２ｇ／ｍ２，且在演替第２～１５年，地上部生物碳储量一直未能超过第１年，这可能与农地退耕
２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１
后的第１年土壤肥力依然较高有关。退耕演替的２２～３２年地上部生物碳储量变化不大，维持在６１．９８～６９．４４
ｇ／ｍ２。之后继续上升，在演替的４０～６０年，地上部分生物碳储量的变化再次的相对平稳，为９０．４１～９８．１６
ｇ／ｍ２。对不同演替时间的地上生物量进行多重比较发现，演替时间为２２，２８和３２年的草地地上部分生物碳储
量处于同一显著水平，而演替时间为４０，５０和６０年的草地也处于同一显著水平。这说明草地的地上部分生物碳
储量在演替的初始阶段相对较小，在演替的２２～３２年生物碳储量上升达到了第１个较大的、相对平稳的阶段；之
后，在演替的４０～６０年生物量上升达到第２个相对平稳的阶段。由此可知，在草地自然演替过程中，地上部分生
物碳储量并不是随演替时间线性增长的，而是在演替的过程中呈分阶段的阶梯式上升趋势。
表１ 研究样地的基本情况
犜犪犫犾犲１ 犅犪狊犻犮犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狅犳狋犺犲狉犲狊犲犪狉犮犺狊犪犿狆犾犲狊
样地数
Ｎｕｍｂｅｒｏｆ
ｓａｍｐｌｅｓ
退耕年限
Ｙｅａｒｓｏｆｂｅｉｎｇ
ａｂａｎｄｏｎｅｄ（ａ）
坡度
Ｓｌｏｐｅｄｅｇｒｅｅ
（°）
坡向
Ｓｌｏｐｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
坡位
Ｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
盖度
Ｃｏｖｅｒａｇｅ
（％）
群落优势种
Ｄｏｍｉｎａｎｔｓｐｅｃｉｅｓ
３ ０（农地Ｃｒｏｐｌａｎｄ）１５～２７ 半阳２Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ２、半阴１
Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１
中３Ｍｉｄｄｌｅ３ ７０～８５ 玉米犣．犿犪狔狊
３ １ １８～２５ 阳１Ｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１、半阳１Ｓｅｍｉｓｕｎ
ｎｙｓｌｏｐｅ１、半阴１Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１
中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
下１Ｌｏｗｅｒ１
６０～７３ 猪毛蒿 犃．狊犮狅狆犪狉犻犪、狗尾草犛犲
狋犪狉犻犪狏犻狉犻犱犻狊
３ ２ １９～２３ 半阳２Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ２、半阴１
Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１
中１Ｍｉｄｄｌｅ１、
下２Ｌｏｗｅｒ２
２５～５５ 猪毛蒿 犃．狊犮狅狆犪狉犻犪，狗尾草 犛．
狏犻狉犻犱犻狊
４ ４ １２～２０ 半阴２Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ２、阳１Ｓｕｎ
ｎｙｓｌｏｐｅ１、半阳１Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１
中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
上２Ｕｐｐｅｒ２
５０～７５ 猪毛蒿犃．狊犮狅狆犪狉犻犪、山苦荬犐狓犲狉犻狊
犮犺犻狀犲狀狊犻狊
５ ７ １６～２７ 半阳２Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ２、半阴２
Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ２、阴１Ｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ
１
上１Ｕｐｐｅｒ１、
中２Ｍｉｄｄｌｅ３、
下１Ｌｏｗｅｒ１
７０～８０ 猪毛蒿犃．狊犮狅狆犪狉犻犪、香青兰犇狉犪犮狅
犮犲狆犺犪犾狌犿犿狅犾犱犪狏犻犮犪、阿尔泰狗娃花
犎犲狋犲狉狅狆犪狆狆狌狊犪犾狋犪犻犮狌狊
３ １０ １５～２５ 阳１Ｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１、半 阴 ２Ｓｅｍｉ
ｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ２
中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
下１Ｌｏｗｅｒ１
７０～８５ 铁杆蒿 犃．犵犿犲犾犻狀犻犻，猪毛蒿 犃．
狊犮狅狆犪狉犻犪
２ １２ １８～２０ 半阳 １ Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１、阴 １
Ｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１
中１Ｍｉｄｄｌｅ１、
下１Ｌｏｗｅｒ１
４５～６５ 长芒草犛．犫狌狀犵犲犪狀犪、铁杆蒿 犃．
犵犿犲犾犻狀犻犻
３ １５ １３～１９ 阳坡１Ｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１、半阳２Ｓｅｍｉ
ｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ２
中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
下１Ｌｏｗｅｒ１
５０～７０ 长芒草犛．犫狌狀犵犲犪狀犪、铁杆蒿 犃．
犵犿犲犾犻狀犻犻、达乌里胡枝子犔．犱犪犺狌
狏犻犮狌狊
３ ２２ １２～１６ 半阳２Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ２、半阴１
Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１
中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
下１Ｌｏｗｅｒ１
７０～８５ 茭蒿犃．犵犻狉犪犾犱犻犻、铁杆蒿犃．犵犿犲
犾犻狀犻犻、达乌里胡枝子犔．犱犪犺狌狏犻犮狌狊
３ ２８ ２４～３０ 半阴２Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ２、半阳 １
Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１
中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
下１Ｌｏｗｅｒ１
７０～９０ 茭蒿犃．犵犻狉犪犾犱犻犻、铁杆蒿犃．犵犿犲
犾犻狀犻犻、硬质早熟禾 犘狅犪狊狆犺狅狀犱狔
犾狅犱犲狊
２ ３２ ２２～３４ 半阴１Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１、半阳 １
Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ１
中２Ｍｉｄｄｌｅ２ ７５～９０ 长芒草犛．犫狌狀犵犲犪狀犪、草木樨 犕犲
犾犻狅狋狌狊狊狌犪狏犲狅犾犲狀狊、铁杆蒿犃．犵犿犲
犾犻狀犻犻
３ ４０ ３３ 半阳３Ｓｅｍｉｓｕｎｎｙｓｌｏｐｅ３ 中２Ｍｉｄｄｌｅ２、
下１Ｌｏｗｅｒ１
８０～９０ 铁杆蒿 犃．犵犿犲犾犻狀犻犻、长芒草 犛．
犫狌狀犵犲犪狀犪、茭蒿犃．犵犻狉犪犾犱犻犻
２ 约５０
Ａｂｏｕｔ５０
５～１２ 半阴２Ｓｅｍｉｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ２ 中２Ｍｉｄｄｌｅ２ ８０～９０ 长芒草犛．犫狌狀犵犲犪狀犪、铁杆蒿 犃．
犵犿犲犾犻狀犻犻、大针茅犛狋犻狆犵狉犪狀犱犻狊
２ ６０以上
Ａｂｏｖｅ６０
３４～３７ 阴 １Ｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１、半 阴 １Ｓｅｍｉ
ｓｈａｄｙｓｌｏｐｅ１
中１Ｍｉｄｄｌｅ１、
上１Ｕｐｐｅｒ１
８５～９５ 长芒草犛．犫狌狀犵犲犪狀犪、铁杆蒿 犃．
犵犿犲犾犻狀犻犻
注：坡向后的数值为样地数。
Ｎｏｔｅ：Ｎｕｍｂｅｒｓｂｅｈｉｎｄｔｈｅｓｌｏｐｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓａｍｐｌｅｓ．
３第１８卷第１期 草业学报２００９年
２．２ 不同演替年限退耕草地根系生物碳储量的变化
根系生物碳储量的变化与植被地上部分生物碳储量的变化相似，在演替初期的１～１０年，根系生物碳储量相
对较小，在５７．１２～１２９．３７ｇ／ｍ２；在演替的１２～２８年，根系生物碳储量上升达到第１个相对平稳的阶段，生物碳
储量达到２４１．２３～２６６．８３ｇ／ｍ２；之后在演替的３２～６０年根系生物碳储量上升达到第２个较平稳的阶段，生物
碳储量的数值在３５１．７６～４０５．３８ｇ／ｍ２（图２）。用ＳＰＳＳ１５．０选择 Ｗａｌｅｒ－Ｄｕｎｃａｎ检验法对处于不同演替时间
的根系生物碳储量进行多重比较结果表明，演替时间为１２，１５，２２和２８年的草地，根系生物碳储量处于同一显著
水平，而演替时间为３２，４０，５０和６０年的草地，根系生物碳储量也处于同一显著水平。这说明在退耕草地的演替
过程中，草地植被根系的变化也呈阶梯式上升趋势，但与地上部分生物碳储量的变化相比，根系生物碳储量相对
平稳阶段出现的时间都有所提前。
２．３ 不同演替年限退耕草地土壤有机碳储量的变化
退耕草地在演替的开始几年中，０～１５０ｃｍ土层中的土壤有机碳储量较农地土壤有机碳储量有所下降，均较
农地的６．６２４ｋｇ／ｍ２ 为低（图３）。直到退耕草地自然演替１５年，土壤有机碳储量才超过农田土壤有机碳储量，
达到９．４１９ｋｇ／ｍ２。在此后的演替过程中土壤有机碳储量均高于农地土壤有机碳储量，并呈逐渐增加的趋势，演
替年限越长，土壤有机碳储量越高，在演替时间为６０年达到最大值１９．２７８ｋｇ／ｍ２。而表层０～３０ｃｍ土层的
土壤有机碳储量变化与土壤有机碳含量储量的变化趋势相近，在从农地到演替第１２年里变化幅度不大，而在演
图１ 退耕草地演替过程中地上部分生物碳储量随演替时间的变化
犉犻犵．１ 犆犺犪狀犵犲狊狅犳犪犫狅狏犲犵狉狅狌狀犱犮犪狉犫狅狀犮狅狀狋犲狀狋狑犻狋犺
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犪狀犱狅狀犲犱犪犵犲狊
图２ 退耕草地演替过程中根系生物碳储量随演替时间的变化
犉犻犵．２ 犆犺犪狀犵犲狊狅犳狉狅狅狋犮犪狉犫狅狀犮狅狀狋犲狀狋狑犻狋犺
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犪狀犱狅狀犲犱犪犵犲狊
图３ 土壤有机碳储量随演替时间的变化
犉犻犵．３ 犆犺犪狀犵犲狊狅犳狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀犮狅狀狋犲狀狋狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犪狀犱狅狀犲犱犪犵犲狊
４ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１
替的第１２年到第３２年中０～３０ｃｍ的土壤有机碳储量上升较为迅速，之后的第３２年到第６０年中，０～３０ｃｍ土
层中的有机碳储量又相对较为平稳。
在草地演替前期的１～１２年中，不同演替年限土壤的各个土层中的土壤有机碳含量都较农地的低（图４）。
到演替的１５年之后，土壤有机碳含量的总量开始超过农地的土壤有机碳含量。不同土层中，以０～１５ｃｍ的表层
土壤有机碳含量最高，１５～５０ｃｍ的２个土层中土壤有机碳含量迅速下降，之后５０～１５０ｃｍ的５个土层中，土壤
有机碳含量开始平缓下降。从演替时间来看，退耕演替的前１～２８年，各土层中的土壤有机碳含量变化相对平
缓，总体表现为下降趋势。到演替的第３２～６０年中，表层０～１５ｃｍ的土壤有机碳含量都达到了一个较高的水
平，且０～５０ｃｍ土层中的有机碳含量均较演替第２８年的要高，这说明在演替的第２８年之后，０～５０ｃｍ表层土
壤的有机碳含量都有了大幅度的积累，其积累量又以０～１５ｃｍ土层最多。
图４ 不同土层中土壤有机碳储量的变化
犉犻犵．４ 犞犲狉狋犻犮犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀犮狅狀狋犲狀狋犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犪狀犱狅狀犲犱犪犵犲狊
２．４ 不同演替年限退耕草地有机碳储量的变化
土壤的有机碳储量在数值上远大于植被的生物碳储量，是退耕草地有机碳储量的主体，植被生物有机碳储量
只占草地有机碳总储量的３％左右（表２）。而在植被的生物碳储量中，根系的生物碳储量要大于植被地上部分的
生物碳储量。在退耕草地演替的前期，根系生物碳储量约占植被生物碳储量总量的６０％左右，而到演替的第１０
年之后，根系生物碳储量可占植被生物碳储量的８０％左右，特别是在演替的第１５年，根系生物碳储量占植被生
物碳储量总量的９１．９５％。而在０～１５０ｃｍ土层中的土壤有机碳储量中，约有７０％的量集中在０～９０ｃｍ土层，
表层０～３０ｃｍ土层土壤有机碳储量所占０～１５０ｃｍ土壤剖面有机碳储量总量的比例在演替的中后期逐渐增加，
在演替的第３２年之后可占到０～１５０ｃｍ土壤有机碳储量的４０％左右。
３ 讨论与结论
草地是世界最广布的植被类型之一，草地植被对全球气候变化具有重大影响。目前草地生态系统中碳储量
的估计已成为草地碳循环研究的热点之一，估算草地生态系统碳储存量对分析草地植被在气候变化中的生态价
值和贡献，研究陆地碳循环机制和全球碳收支平衡都具有重要意义，这样的研究已有不少［２９，３０］，但对土地利用方
式改变后土壤碳库变化的研究还并不多见。有研究认为，农地退耕之后，土壤有机碳储量随着演替时间的推进而
逐渐上升［３０］。但由本研究的结论看来，退耕草地在退耕后的初始阶段，无论是植被的地上部分生物碳储量与根
系生物碳储量，还是土壤的有机碳储量都没有表现出直接上升的趋势，而是在退耕后的第２年迅速下降，之后缓
慢回升，需要经过很长一段时间才能达到退耕后第１年的水平，这一点与前人的研究有所不同［３０］。这应与其选
择的样地演替年限太少有关。这种情况的成因可能是因为退耕第１年时的土壤肥力仍保持着一个较高的水平。而
５第１８卷第１期 草业学报２００９年
表２ 不同演替年限退耕草地的有机碳储量
犜犪犫犾犲２ 犆犪狉犫狅狀狊狋狅狉犪犵犲犻狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犪狀犱狊狅犻犾犱狌狉犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狌犮犮犲狊狊犻狅狀犪犾狊狋犪犵犲狊狅犳狉犲犺犪犫犻犾犻狋犪狋犲犱犵狉犪狊狊犾犪狀犱
退耕年
限Ｙｅａｒｓ
ｏｆｂｅｉｎｇ
ａｂａｎ
ｄｏｎｅｄ
（ａ）
植被生物碳储量Ｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅｉｎｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ
植被生物碳储量
总量Ｔｏｔａｌｃａｒｂｏｎ
ｓｔｏｒａｇｅｉｎｖｅｇｅｔａ
ｔｉｏｎ（ｇ／ｍ２）
地上部
分比率
Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
ｏｆｓｈｏｏｔ
（％）
根系比率
Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
ｏｆｒｏｏｔ
（％）
土壤有机碳储量Ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅ
０～１５０ｃｍ 土壤
有机碳储量 Ｓｏｉｌ
ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ
ｓｔｏｒａｇｅｏｆ０－１５０
ｃｍ（ｋｇ／ｍ２）
０～３０ｃｍ土层有机
碳储量比率Ｐｒｏｐｏｒ
ｔｉｏｎｏｆ０－３０ｃｍｓｏｉｌ
ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒ
ａｇｅ（％）
０～９０ｃｍ土层有机
碳储量比率Ｐｒｏｐｏｒ
ｔｉｏｎｏｆ０－９０ｃｍｓｏｉｌ
ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒ
ａｇｅ（％）
退耕草地有机碳
总储量 Ｔｏｔａｌｏｒ
ｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒ
ａｇｅｏｆｒｅｈａｂｉｌｉｔａ
ｔｅｄｇｒａｓｓｌａｎｄ
（ｋｇ／ｍ２）
１ １４４．８３ ３６．６８ ６３．３２ ４．４９４ ２８．１５ ６７．８５ ４．６３９
２ ７０．６１ ３１．６１ ６８．３９ ５．１５９ ２２．３１ ６２．７８ ５．２３０
４ ９６．３１ ３６．８５ ６３．１５ ４．３３３ ２５．８５ ５９．５０ ４．４２９
７ ７８．２１ ４４．１９ ５５．８２ ４．８２７ ２４．５７ ６２．３０ ４．９０５
１０ １６４．７７ ２７．４７ ７２．５３ ４．７６９ ２５．８５ ６４．２９ ４．９３５
１２ ２６６．９５ １０．７５ ８９．２５ ４．３３９ ２７．５９ ６６．１７ ４．６０５
１５ ２９７．７７ ８．０５ ９１．９５ ９．４１９ ２２．３８ ５９．３７ ９．７１７
２２ ３２８．１０ ２１．１６ ７８．８４ ６．７０８ ３４．２０ ７２．３６ ７．０３７
２８ ３１８．９３ １９．４３ ８０．５７ １２．３４４ ３０．４８ ６５．７２ １２．６６３
３２ ４３２．７６ １４．９１ ８５．０９ １４．８９９ ５１．０２ ８３．３２ １５．３３２
４０ ４５５．５７ ２０．７４ ７９．２６ １７．０６１ ４１．１０ ７０．５５ １７．５１７
５０ ５１３．４３ １７．６１ ８２．３９ １８．１８９ ３８．６２ ７７．００ １８．７０２
６０ ５０２．３１ １９．５４ ８０．４６ １９．２７８ ３９．７７ ７２．０７ １９．７８１
在演替的第２年土壤肥力已有所消耗与流失，所以出现了演替第２年土壤有机碳、地上生物量与根系生物量均下
降为所有演替年限中最低水平的情况，但其具体原因还值得进一步深入研究。在退耕草地的演替过程中，前期较
长一段时间里的土壤有机碳含量、地上与根系生物量均低于退耕后第１年的水平，这可以说明退耕还草的最初几
年中，当地的生态状况并不会有明显好转，土壤肥力与草地的植被状况还可能会有一定的退步，直到退耕的数十
年以后，土壤有机碳含量与草地的地上地下生物量才开始明显上升。这段演替前期的生态状况并没有得到改善
的数十年时间，在现实的退耕还林（草）工作中应尽量缩短，但如何实现也需要做更进一步的研究。在退耕草地演
替的中后期，土壤有机碳表现线性的上升趋势，但植被的地上与根系生物量却表现出分阶段的阶梯式上升趋势，
这种现象的成因，也需要在今后的研究中继续探讨。
致谢：感谢纸坊沟流域峙崾岘村张志俊老人在样地选择时给予的诸多帮助。
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７第１８卷第１期 草业学报２００９年
犆犺犪狀犵犲狊狅犳犮犪狉犫狅狀狊狋狅狉犪犵犲犻狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犪狀犱狊狅犻犾犱狌狉犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狌犮犮犲狊狊犻狅狀犪犾狊狋犪犵犲狊狅犳狉犲犺犪犫犻犾犻狋犪狋犲犱犵狉犪狊狊犾犪狀犱
ＷＡＮＧＪｕｎｍｉｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＸｉｎｇｃｈａｎｇ１
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｏｉｌＥｒｏｓｉｏｎａｎｄＤｒｙｌａｎｄＦａｒｍｉｎｇｏｎｔｈｅＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｉｌ
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犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｏｖｅｒｔｈｅｌａｓｔｆｅｗｄｅｃａｄｅｓｔｈｅｅｘｔｅｎｔｏｆｌａｎｄｕｓｅａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｈａｓｄｒａｍａｔｉｃａｌｙｃｈａｎｇｅｄ
ｉｎｔｈｅＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ．Ｆｏｒａｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｅｄｇｒａｓｓｌａｎｄ，ｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅｉｎ
ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎａｎｄｓｏｉｌｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎａｓｐａｃｅｓｅｒｉｅｓｏｆｒｅｐｌａｃｅｄｔｉｍｅｃｏｕｒｓｅｓ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｄｉｄ
ｎｏｔｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｓｔａｇｅｏｆｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ，ｂｕｔｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏｉｔｓｌｏｗｅｓｔｐｏｉｎｔｉｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄｙｅａｒ
ｆｏｌｏｗｉｎｇａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔ．Ａｆｔｅｒａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔｆｏｒ２２ｔｏ３２ｙｅａｒｓ，ｔｈｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏａ
ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅａｎｄａｆｔｅｒａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔｆｏｒ４０ａｎｄ６０ｙｅａｒｓ，ｉｔａｐｐｒｏａｃｈｅｄａｓｅｃｏｎｄｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆ
ｒｏｏｔｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｗａｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈａｔｏｆａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎ．Ｂｅｔｗｅｅｎａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔａｇｅｓ１２ａｎｄ２８
ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｒｏｏｔｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｒｅａｃｈｅｄａｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅａｎｄｂｅｔｗｅｅｎａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔａｇｅｓ３２ａｎｄ６０ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｒｏｏｔ
ｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎａｐｐｒｏａｃｈｅｄａｓｅｃｏｎｄｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｒｏｐｌａｎｄ，ｔｈｅｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｅｄｇｒａｓｓｌａｎｄｈａｄａ
ｌｏｗｅｒｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇ（１－１２ｙｅａｒｓ）ｂｕｔａｆｔｅｒ１５ｙｅａｒｓｔｈｅｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒ
ａｇｅｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｉｎｃｒｏｐｌａｎｄａｎｄｈａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｔａｂｌｙ．Ｉｎｔｈｅ０ｔｏ１５０ｃｍｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅ，ｔｈｅｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ
ｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅ０ｔｏ１５ｃｍｌａｙｅｒｗａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ．Ｏｕｒｓｔｕｄｙｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎａｌｓｔａｇｅｏｆｒｅｈａ
ｂｉｌｉｔａｔｅｄｇｒａｓｓｌａｎｄ，ｔｈｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎ，ｒｏｏｔｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎａｎｄｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅｄｉｄ
ｎｏｔｉｎｃｒｅａｓｅ，ｂｕｔｒｅｍａｉｎｅｄａｔａｌｏｗｌｅｖｅｌｆｏｒａｂｏｕｔ１０ｙｅａｒｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｉｓｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｗｏｒｋｏｕｔｈｏｗｔｏｒｅ
ｄｕｃｅｔｈｉｓｄｅｌａｙ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｅｄｇｒａｓｓｌａｎｄ；ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ；ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅ；ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｓｔｏｒ
ａｇｅ；ｒｏｏｔｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅ
８ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１