全 文 ：中国生态农业学报 2012年 9月 第 20卷 第 9期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2012, 20(9): 1197−1203


* 中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050203)和中国科学院百人计划项目(kzcx2-yw-BR-02)资助
** 通讯作者: 陈云明(1967—) , 男, 博士, 研究员, 主要研究方向为生态恢复与水文。E-mail: ymchen@ms.iswc.ac.cn
崔静(1986—) , 女, 硕士研究生, 主要研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail: cui.jing1987@163.com
收稿日期: 2012-03-15 接受日期: 2012-05-31
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01197
黄土丘陵半干旱区人工柠条林土壤固碳
特征及其影响因素*
崔 静1 陈云明2,3** 黄佳健4 王琼芳1 姚志杰1 张 飞5
(1. 西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学水土保持研究所 杨凌 712100;
3. 中国科学院水利部水土保持研究所 杨凌 712100; 4. 云南今禹生态工程咨询有限公司 昆明 650244;
5. 华东勘测设计研究院 杭州 310014)
摘 要 为了探讨黄土丘陵区不同生长年限的人工柠条林地土壤有机碳含量的变化特征及其影响因素, 更好
地阐明黄土丘陵区柠条林土壤的固碳机理, 本文采用时空替代法, 以撂荒 2 a的坡耕地为对照, 对黄土丘陵半
干旱区不同林龄(10 a、17 a、26 a、34 a、40 a、50 a)人工柠条林地土壤有机碳(SOC)、全氮(STN)、全磷(STP)
及柠条林的根系生物量和枯落物现存量进行了分析。结果表明: 1)在 0~60 cm的土层剖面上, 0~20 cm土层 SOC
含量明显高于其他土层, 并随土层深度的增加逐层递减, 其中柠条林地 0~20 cm 土层 SOC 含量变化幅度为
2.68~11.44 g·kg−1, 而 40~60 cm土层 SOC含量仅在 1.64~2.73 g·kg−1波动; 与对照相比, 随林龄增加柠条林地
0~60 cm土层平均 SOC含量先减小后增加最后趋于平稳: 10 a和 17 a柠条林 SOC含量比对照显著降低了 34.5%
和 26.9%, 26 a柠条林的 SOC含量显著升高, 其值是对照的 1.43倍, 40 a和 50 a柠条林 SOC含量处于积累与
消耗相对稳定的状态。2)对 SOC 含量与 STN、STP 含量及根系生物量和枯落物现存量进行相关性分析表明,
SOC含量与 STN含量、根系生物量及枯落物现存量之间存在极显著线性相关, 但与 STP含量相关性不明显, 说
明土壤中氮含量的增加能明显提高土壤的固碳能力, 而根系生物量和枯落物现存量的多少能够决定土壤的固
碳水平。
关键词 黄土丘陵区 柠条林地 土壤有机碳 土壤全氮 土壤全磷 根系生物量 枯落物现存量
中图分类号: S153.62 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)09-1197-07
Soil carbon sequestration characteristics of Caragana microphylla plantations
and influencing factors in Loess Hilly Semiarid Region
CUI Jing1, CHEN Yun-Ming2,3, HUANG Jia-Jian4, WANG Qiong-Fang1, YAO Zhi-Jie1, ZHANG Fei5
(1. College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Soil and Water
Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of
Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China; 4. Yunnan Jinyu Ecological Engineering Consultation Co. Ltd.,
Kunming 650244, China; 5. Hydrochina Huadong Engineering Corporation, Hangzhou 310014, China)
Abstract Using spatio-temporal substitution method, this study analyzed soil organic carbon (SOC), soil total nitrogen (STN), soil
total phosphor (STP), root biomass and litter biomass of Caragana microphylla plantations of different ages. Soil carbon content
change characteristics under C. microphylla plantations and the influencing factors in the Loess Hilly Semiarid Region were
discussed. It threw further light on soil carbon mechanisms under C. microphylla plantations. The results suggested that at 0~60 cm
soil profile, SOC content steadily decreased with soil depth increasing. Also SOC content in the 0~20 cm soil layer was higher than
that in the other soil layers. At 0~20 cm soil layer, SOC content was 2.68~11.44 g·kg−1. At 40~60 cm soil depth, however, SOC
content fluctuated only minimally and was 1.64~2.73 g·kg−1. Compared with two-year abandoned sloping farmland (CK), variations
in average SOC content under C. microphylla at 0~60 cm soil depth initially decreased and then increased before finally stabilizing
1198 中国生态农业学报 2012 第 20卷


with time. At C. microphylla ages 10 and 17, SOC content significantly decreased by 34.5% and 26.9%, respectively, compared with
that in CK. At C. microphylla age 26, SOC content significantly increased, which was 1.43 times as that in CK. At C. microphylla
ages 40 and 50, however, SOC content was in the state that accumulation and consumption of SOC was relatively stable. Correlation
analysis showed that SOC was significantly correlated with STN, root biomass and litter biomass. However, there was no correlation
between SOC and STP contents. The results indicated that soil carbon sequestration capacity increased by increasing soil total
nitrogen content. Both the amounts of root biomass and litter biomass dictated soil carbon sequestration degree.
Key words Loess Hilly Region, Caragana microphylla plantations, Soil organic carbon, Soil total nitrogen, Soil total
phosphorus, Root biomass, Litter biomass
(Received Mar. 15, 2012; accepted May 31, 2012)
温室气体排放造成全球变暖, 减少大气 CO2 排
放, 了解全球“碳源”、“碳汇”分布、动态及机制已成
为当今科学研究的热点问题。土壤作为陆地生态系
统中最大的有机碳库, 控制着地球表层系统之间的
碳循环。它既可以是 CO2 排放的源, 也可以是固定
CO2的汇。土壤碳库 0.1%的变化将导致大气圈 CO2
的浓度发生百万分之一的变化[1]。全球土壤有机碳
10%的变化, 其数量相当于人类活动 30 a排放的 CO2
量[2]。其中, 森林土壤有机碳库是陆地土壤有机碳库
的重要组成部分, 在全球范围内, 森林土壤有机碳
贮量占陆地土壤有机碳贮量的 40%, 在全球碳循环
中扮演着源、汇、库的作用, 其积累和分解直接影
响到全球的碳平衡[3]。因此, 研究森林土壤的固碳特
征对全球气候及生态环境的影响具有重要意义。
黄土丘陵半干旱区气候干旱少雨, 水土流失严
重, 生态环境脆弱, 以退耕还林还草为主的土地利
用方式的变化使得土壤有机碳具有明显的碳汇效
应。有研究表明, 黄土高原地区退耕还林后, 其碳含
量增幅可达 1.08~3.83 倍[4]; 刘守赞等[5]在黄土高原
沟壑区对土地利用方式与土壤有机碳的关系研究结
果表明, 退耕还林还草可使土壤有机碳含量比农田
高出 11.6%~25.3%; 王小利等 [6]对黄土丘陵区燕沟
流域的研究表明 , 还林还草能使有机碳增幅达
36.3%~161.5%; 在黄土高原北部草地的研究也表明,
草地恢复与重建可使碳含量增幅达 36%~39%[7]。这
些研究均表明植被恢复有助于土壤有机碳含量的增
加。在退耕还林还草工程的重点区域黄土丘陵半干
旱区, 主要退耕植被为以柠条、沙棘等为主的人工
灌木林, 大面积人工灌木林的种植, 势必会对该区
土壤有机碳库产生显著影响。目前已有学者[8−9]对该
区人工柠条林地土壤有机碳含量进行了一些研究 ,
其存在的共同问题是时间序列短或时空跨度较大 ,
不能很好地阐明人工柠条林不同生长阶段的土壤固
碳特征。本文以同一流域 10~50 a 的柠条林为研究
对象, 分析不同生长年限的人工柠条林固碳现状及
其影响因子, 以期为评价黄土丘陵区土壤的碳汇效
应及人工林经营管理决策提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况及样地设置
研究区位于陕西省安塞县的中国科学院安塞水
土保持综合试验站纸坊沟示范区流域内(E109°13′46″~
109°16′03", N36°46′42″~36°46′28″), 该区地形破碎,
沟壑纵横, 属黄土丘陵沟壑区, 暖温带半干旱季风
气候, 海拔 1 010~1 400 m, 流域面积为 8.27 km2;
年均气温 8.8 ,℃ ≥0 ℃积温 3 733.5 , ℃ 干燥度 1.5,
无霜期 157~194 d。年均降水量 542.5 mm, 但分布不
均, 7—9 月降雨量占年降雨量的 61.1%, 且多暴雨;
年均蒸发量为 1 463 mm。土壤类型以黄土母质发育
而成的黄绵土为主, 抗冲抗蚀能力差, 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 ,
天然林已遭破坏; 乔木以刺槐(Robinnia pseudoacacia)
和小叶杨(Populus simonii)等为主; 灌丛主要有柠条
(Caragana microphylla)和沙棘 (Hippophae rham-
noides)等人工林灌丛以及封禁后形成的黄刺玫
(Rosa xanthina)、狼牙刺(Sophora viciifolia)等天然灌
丛; 草原主要为铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、茭蒿(A.
giraldii) 、 长 芒 草 (Stipa bungeana) 、 白 羊 草
(Bothriochloa ischaemum)等形成的草原和干草原。
采用时空替代法, 在纸坊沟流域内选取坡度、
坡向、坡位等立地条件相似, 造林和管理方法相对
一致的 6个样地, 分别为 10 a、17 a、26 a、34 a、
40 a 和 50 a的柠条林地(柠条人工林均是在退耕地
进行穴播形成的), 同时选撂荒 2 a 的坡耕地为对照
样地, 该坡耕地农作为一年一熟, 一般以黄豆和谷
子轮作为主, 一般不施农家肥, 柠条林地在退耕前
的农作制度和管理措施与撂荒 2 a的坡耕地相似。柠
条林地和对照样地面积均为 20 m×20 m。其基本情
况见表 1。
1.2 样品采集与分析
样地调查与样品采集集中在2009年5—6月完成。
在每个样地内沿对角线选取 5 丛代表性柠条植
株, 再在 5丛代表性植株附近选取 3个 1 m×1 m小
第 9期 崔 静等: 黄土丘陵半干旱区人工柠条林土壤固碳特征及其影响因素 1199


表 1 调查样地描述
Table 1 Description of sample plots
年限
Age
(a)
海拔
Elevation
(m)
坡度
Slope gradient
(°)
坡向
Slope
aspect
柠条生物量
Biomass of C. micro-
phylla (kg·hm−2)
柠条现存密度
Density of C. micro-
phylla (clump·hm−2)
枯落物现存量
Litter biomass
(g·m−2)
枯落物厚度
Litter thickness
(cm)
林下植被
Undergrowth
vegetation
10 1 142 33 东 E 10 892.32 3 021 295.64 0.7 铁杆蒿 A. sacrorum
铁杆蒿 A. sacrorum
17 1 409 26 东 E 15 717.56 4 657 473.88 1.5 长芒草 S. bungeana
铁杆蒿 A. sacrorum
26 1 231 26 北 N 17 081.97 4 804 1 176.52 2.0 茭蒿 A. giraldii
铁杆蒿 A. sacrorum
34 1 221 20 北 N 14 930.85 7 580 1 115.37 2.0 长芒草 S. bungeana
40 1 138 22 北 N 14 596.41 8 414 1 063.07 1.8 铁杆蒿 A. sacrorum
铁杆蒿 A. sacrorum
50 1 217 31 北 N 14 962.39 4 687 929.29 1.2 茭蒿 A. giraldii
CK 1 264 31 北 N — — — 0.2 茵陈蒿 A. capillaries
CK为撂荒 2 a的坡耕地, 下同。CK is sloping farmland abandoned for two years. The same below.

样方(3 个小样方的设置也是沿对角线选取, 分为对
角线的 2 个角和中部, 每个小样方设置在 2 丛等距
离中间部位), 在选定的小样方内进行草本植物种
类、地上地下生物量和枯落物量调查, 地上生物量
采用收获法, 地下生物量采用改进 1/4 样圆法取点,
用 9 cm生物钻取样[10], 取样深度为 0~60 cm, 其中
0~40 cm每隔 10 cm取样 1次, 40~60 cm取样 1次。
生物量和枯落物均在室内以 80 ℃烘干至恒重, 称
重。土样采集同样在 1 m×1 m的小样方内进行, 以
挖取土壤剖面的方法采集混合土样, 采样层次同地
下生物量, 同时用环刀取每个土层的原状土用于测
定土壤容重。
野外采集的土样在室内风干后 , 磨碎过0.25
mm筛用于测定土壤有机碳、全氮和全磷含量。有机
碳含量测定采用GB7857—87中规定的重铬酸钾−硫
酸氧化法测定[11], 全氮含量测定采用GB7173—87中规
定的半微量开氏法[11], 全磷含量测定采用GB7852—87
规定的硫酸−高氯酸溶−钼锑抗比色法[11]。
某一土层的有机碳储量(SOCi, kg·m−2)的计算公
式为:
SOCi = Ci×Di×Ei×(1−Gi)/100 (1)
式中 , Ci为土壤有机碳含量(g·kg−1), Di为土壤容重
(g·cm−3), Ei为土壤厚度(cm), Gi为直径>2 mm的石砾
所占的体积百分比 (%)。因研究区整个土壤剖面
(0~60 cm)无直径>2 mm的石砾, 所以公式中Gi为0。
1.3 数据统计
利用 Excel和 SPSS 16.0统计软件对数据进行统
计分析。
2 结果与分析
2.1 土壤有机碳(SOC)变化
随着柠条的生长, 柠条林地 SOC储量先减小后
增加最后趋于平稳(图 1)。10 a和 17 a柠条林 SOC
储量较低, 其值仅分别为 1.79 kg·m−2和 1.82 kg·m−2,
这可能是因为柠条生长初期, 根系快速生长的同时,
不断吸收水分和无机盐, 间接改变了土壤的理化性
质和微生物的生活环境, 从而造成了土壤有机碳的
损失; 26 a时柠条处于生长盛期, 植被光合能力和传
输能力都最高, 使土壤有机碳快速累积, SOC 储量
最高, 其值达 3.54 kg·m−2; 26 a后柠条生长衰退, 土
壤有机碳积累量比 26 a时有所下降, 但其 SOC储量
变化基本稳定, 维持在 3.11~3.29 kg·m−2 之间。从
SCO储存的空间分布来看, 0~20 cm土壤碳储存功能
占土壤总土层碳储存功能的 41.9%~59.7%。这是因
为表层(0~20 cm)土壤结构合理, 透气性好, 土壤水
分等条件适中, 有利于枯落物分解, 进而造成该层
SOC储量与下层相比较高。
如表 2 所示, SOC 含量在剖面上的变化表现为
随土层深度增加而降低, 且柠条林的生长对 SOC含
量影响主要体现在 0~20 cm 土层。不同林龄阶段



图 1 不同年限柠条林地土壤有机碳储量
Fig. 1 Storage of soil organic carbon of C. microphylla
plantations with different ages
1200 中国生态农业学报 2012 第 20卷


0~20 cm 柠条林土壤 SOC 含量明显高于深层土壤:
柠条林地 0~20 cm土层 SOC含量幅度在 2.68~11.44
g·kg−1, 而 40~60 cm 土层 SOC 含量仅在 1.64~2.73
g·kg−1波动。这是因为林下枯落物分解形成的有机物
质首先进入土壤表层, 随土层深度增加, 有机物质
向下输入的过程中受到限制(如枯落物减少, 土壤透
气性差, 微生物分解活动减弱等), 从而导致深层土
壤有机碳含量减少[12]。与撂荒 2 a的坡耕地相比, 17 a
柠条林地 0~10 cm土层 SOC含量提高, 而 10~60 cm
土层 SOC含量降低, 其原因可能是 17 a柠条林随着
地上枯落物补充, 增加了 0~10 cm 土层 SOC 含量,
同时 17 a也是柠条高生长期, 地上生物量积累较快
(表 1), 因根系吸收作用造成了 10~60 cm土层 SOC
含量降低, 具体原因有待进一步研究查明。
相对于撂荒 2 a 的坡耕地, 随着柠条林的生长,
0~60 cm 土层土壤平均 SOC 含量变化与柠条林地
SOC 碳储量变化一致: 先减少后增加最后趋于平稳
(图 2 A); 10 a和 17 a柠条林地 0~60 cm土层 SOC含
量分别比撂荒 2 a 的坡耕地降低了 34.5%和 26.9%,
并达到差异显著水平(P<0.05), 26 a柠条林地 SOC含
量显著高于撂荒 2 a的坡耕地, 其 SOC含量是撂荒
地的 1.43倍, 34 a、40 a和 50 a柠条林地 SOC含量
与 26 a之间差异不显著, 其 SOC含量比 26 a柠条林
地有所下降 , 但仍显著高出撂荒 2 a 的坡耕地
33.7%~39.1%。柠条生长初期(10 a、17 a), 地上部分
生物量积累迅速, 土壤有机碳分解利用速度大于其
积累速度, 导致 SOC 含量降低; 随着地上生物量的
不断积累和柠条根蘖繁殖, 林分密度和枯落物厚度
迅速增加(表 1), 使林下枯落物的分解量增加, 补充
了土壤有机碳库, 到柠条生长盛期(26 a、34 a)时,

表 2 不同年限柠条林地土壤有机碳、全氮、全磷含量
Table 2 Contents of soil organic carbon, soil total nitrogen and soil total phosphorus of C. microphylla
plantations with different ages g·kg−1
年限 Age (a) 项目
Item
土层
Soil depth (cm) CK 10 17 26 34 40 50
0~10 3.83±0.30Ab 3.14±0.75Ab 4.56±0.55Ab 9.93±0.98Aa 10.01±2.28Aa 11.44±1.87Aa 9.82±1.04Aa
10~20 3.85±0.09Ab 2.68±0.60ACc 2.82±0.43Bbc 5.46±1.00Ba 5.04±0.83Ba 5.16±0.25Ba 5.06±0.90Ba
20~30 3.37±0.46Aa 2.13±0.45BCb 2.02±0.13Cb 3.82±0.09Ca 3.36±0.53BCa 3.25±0.24Ca 3.32±0.28Ca
30~40 3.36±0.48Aa 1.98±0.27Bd 1.79±0.05Cd 3.28±0.42Cac 2.83±0.21Cbc 2.46±0.20Cb 2.83±0.14Cbc
有机碳
Soil organic
carbon
40~60 2.64±0.86Ba 1.64±0.21Bb 1.70±0.03Cb 2.73±0.34Ca 2.71±0.41Ca 2.28±0.30Cab 2.57±0.12Ca
0~10 0.44±0.03Ae 0.44±0.13Ae 0.55±0.07Ade 1.12±0.13Aa 0.95±0.22Aab 0.81±0.04Abc 0.71±0.10Acd
10~20 0.45±0.03Abc 0.33±0.08ABd 0.38±0.04Bcd 0.63±0.10Ba 0.50±0.05Bb 0.46±0.01Bbc 0.54±0.05Bab
20~30 0.45±0.27Aa 0.27±0.04Bc 0.29±0.04Cbc 0.45±0.00Ca 0.35±0.13BCbc 0.39±0.05Cab 0.42±0.02BCa
30~40 0.35±0.04Bab 0.26±0.03Bcd 0.27±0.01Cbcd 0.37±0.03Ca 0.23±0.10Cd 0.32±0.03Dabc 0.36±0.01Ca
全氮
Soil total
nitrogen
40~60 0.32±0.05Babc 0.23±0.03Bcd 0.24±0.03Cbcd 0.32±0.00Cab 0.16±0.11Cd 0.30±0.01Dabc 0.35±0.00Ca
0~10 0.62±0.07Abc 0.55±0.78Ad 0.60±0.32Abcd 0.64±0.17Aac 0.68±0.28Aa 0.66±0.15Aac 0.64±0.02Aac
10~20 0.62±0.01Aa 0.52±0.69Ac 0.56±0.27ABbc 0.63±0.08Aa 0.65±0.21Aba 0.61±0.01ABa 0.62±0.17Aa
20~30 0.61±0.15Aac 0.52±0.73Aac 0.55±0.12Bac 0.63±0.11Aa 0.63±0.27Ba 0.51±0.16Bbc 0.60±0.13Bac
30~40 0.61±0.22Aa 0.51±0.82Ab 0.54±0.14Bbc 0.62±0.14Aa 0.63±0.30Ba 0.59±0.11ABac 0.60±0.05Ba
全磷
Soil total
phosphorus
40~60 0.59±0.38Aac 0.51±0.61Ab 0.54±0.12Bbcd 0.62±0.11Aa 0.63±0.30Ba 0.59±0.01ABad 0.61±0.16Ba
同列不同大写字母表示相同年限不同土层间差异显著(P<0.05), 同行不同小写字母表示相同土层不同年限间差异显著(P<0.05)。Different
capital letters in the same column indicate significant difference at 5% level among different soil layers of C. microphylla plantations with same ages;
different small letters in the same row indicate significant difference at 5% level among different ages of C. microphylla plantations at same soil layer.



图 2 不同年限柠条林地土壤 0~60 cm土层平均有机碳、全氮及全磷含量变化
Fig. 2 Average contents of soil organic carbon (SOC), soil total nitrogen (STN) and soil total phosphorus (STP) at 0~60 cm soil
layer of C. microphylla plantations with different ages
第 9期 崔 静等: 黄土丘陵半干旱区人工柠条林土壤固碳特征及其影响因素 1201


SOC含量达到测定年限最大值; 40 a、50 a时, 柠条
林老化现象严重, 植被生长不良, 林下枯落物减少,
SOC相对减少, 但与撂荒 2 a的坡耕地相比, SOC含
量仍处于累积状态。
2.2 土壤全氮(STN)含量变化及其与有机碳(SOC)
含量相关性分析
土壤STN含量在剖面上的分布与SOC相似(表 2),
均随土层深度的增加逐层递减。柠条林生长对 STN的
影响也主要体现在 0~20 cm土层, 0~20 cm土层的 STN
含量比其他土层显著高出 35.1%~61.3%。0~60 cm 土
层土壤平均STN含量变化与SOC含量变化相似, 表现
为先减少后增加, 最后趋于平稳(图 2 B); 10 a、17 a时
柠条林地STN含量增加缓慢且在10 a时显著低于撂荒
2 a的坡耕地, 26 a时 STN含量显著增加, 比撂荒 2 a
的坡耕地高 12.0%~48.1%, 34 a与 26 a相比，STN含
量下降, 且差异达显著水平(P<0.05), 40 a、50 a时相对
稳定。通过对土壤 SOC含量(y)与 STN含量(x)进行相
关性分析显示二者之间呈极显著正相关关系(图 3), 其
线性回归方程为 y=9.405x−0.315, R2=0.861, P<0.01。
2.3 土壤全磷(STP)含量变化及其与土壤有机碳含
量相关性分析
由表 2可知, 随土层深度的加深, STP含量减少,
与 SOC、STN相比, 随土层深度的增加, STP变化不
是很大, 波动幅度仅为 0.04~0.07 g·kg−1(表 2)。0~60
cm 土层平均 STP 含量变化也与 SOC、STP 变化相
似(图 2), 与撂荒 2 a的坡耕地相比, 10 a、17 a时含
量显著下降, 17 a后开始增加, 40 a、50 a时趋于平稳,
但与撂荒 2 a的坡耕地之间差异未达到显著水平(图
2C)。建立 SOC含量变化随 STP变化的散点图(图 4)
发现, 柠条林地土壤碳含量变化和磷含量变化之间
无明显的线性关系。



图 3 柠条林地有机碳含量与全氮含量变化的关系
Fig. 3 Relationship between contents of soil organic carbon (SOC)
and soil total nitrogen (STN) of C. microphylla plantations


图 4 柠条林地土壤有机碳含量与全磷含量变化的关系
Fig. 4 Relationship between contents of soil organic carbon (SOC)
and soil total phosphorus (STP) of C. microphylla plantations

2.4 根系生物量变化及其对土壤固碳的影响
不同年限柠条林根系生物量变化见图 5。柠条
林根系生物量变化在 0~10 cm土层较其他土层明显,
随土层深度增加根系生物量在各土层之间有穿叉 ,
变化规律不明显。尽管 0~10 cm柠条林根系生物量
明显比其他土层高, 但 10~60 cm土层根系生物量也
占了较大比重 , 是 0~60 cm 土层总根系生物量的
63.1%~78.4%。随着柠条林的生长, 0~60 cm土层根
系平均生物量大小与撂荒 2 a 的坡耕地相比 , 与
SOC 含量随林龄的变化规律相似; 在 10 a 时减少,
比撂荒 2 a的坡耕地低 39.5%, 17 a之后不断增加, 34 a
时达到其生长阶段的最大值, 该阶段根系生物量比
撂荒 2 a的坡耕地高 83.8%, 此后柠条林进入衰老阶
段, 代谢能力开始下降, 部分根系死亡, 到 40 a、50 a
时处于稳定状态。对柠条林根系生物量与 SOC进行
相关性分析表明(图 6), 二者之间呈极显著正相关关
系, 其线性回归方程为 y=12.236x+0.450, R2=0.675,
P<0.01。



图 5 不同年限柠条林地根系生物量
Fig. 5 Root biomass of C. microphylla plantations with
different ages
1202 中国生态农业学报 2012 第 20卷


2.5 枯落物现存量对土壤固碳的影响
由表 1 知, 人工柠条林地枯落物现存量随林龄增
加先增加后减少, 10 a柠条林地最少, 仅 295.64 g·m−2,
26 a时枯落物量最大, 为 1 176.52 g·m−2, 50 a时减少
至 929.29 g·m−2。柠条林下枯落物现存量的变化与柠
条所处的生长阶段有关: 生长初期 , 灌丛小 , 枯落
物量及厚度都最小; 到生长盛期, 柠条林枝繁叶茂,
生长代谢加快, 枯落物量及厚度达到最大值; 其后,
柠条林生长衰退, 植被生长不良, 枯落物量减少。对人
工柠条林地枯落物现存量(x)与平均 SOC 含量(y)相关
性分析结果显示(图 7), 枯落物量与平均 SOC 含量存
在良好的线性关系, 其线性方程为 y=3.465x+1.106,
R2=0.983, P<0.01。



图 6 柠条林地有机碳含量与根系生物量的关系
Fig. 6 Relationship between soil organic carbon content and
root biomass of C. microphylla plantations



图 7 柠条林地土壤有机碳含量与枯落物现存量的关系
Fig. 7 Relationship between soil organic carbon (SOC) content
and litter biomass of C. microphylla plantations

3 讨论与结论
黄土丘陵区柠条人工林 0~60 cm土层平均 SOC
含量随林龄增加变化范围为 2.31~5.04 g·kg−1, 撂荒
2 a的坡耕地为 3.53 g·kg−1。其中, 10 a、17 a时柠条
林地平均 SOC 含量比撂荒 2 a 的坡耕地显著降低
34.5%、26.9%, 26 a时显著升高, 是撂荒 2 a坡耕地
的 1.43倍, 34 a、40 a及 50 a时比 26 a时下降, 但仍
高出撂荒 2 a的坡耕地 33.7%~39.1%。
与撂荒 2 a的坡耕地相比, 随柠条恢复年限的增
加, 柠条林地 STN、STP和 SOC变化规律相似, 10 a、
17 a时降低, 26 a时增加, 40 a、50 a基本处于积累与
消耗的相对稳定状态。多数研究表明[13−15], 土壤全
氮含量与有机碳含量显著相关, 这与本文对 SOC与
STN 进行相关性分析得出的 SOC 含量与 STN 极显
著线性相关(P<0.01)这一结论基本一致 , 说明柠条
林土壤的固氮水平直接影响着林地土壤的固碳能力,
氮含量的增加, 能显著提高土壤的碳含量。Sainju等[16]
的研究也有类似结论, 认为 SOC含量与 STN高度相
关, 并且碳固定能引起氮固定。土壤中的全氮主要
以有机氮形式存在于有机质中[17], 并且通过微生物
来建立关系 [18], 柠条林生长过程中, 根系分泌物和
枯落物经微生物分解后形成的腐殖质, 使土壤中的
有机质含量增加, 此外, 柠条根系的固氮特性对土
壤中 SOC含量增加也起到一定的促进作用。而目前
关于土壤全磷与有机碳之间关系的研究结论还存在
争议, 本文研究发现 SOC与 STP之间相关性不明显,
这与蔡太义等[19]和戴全厚等[20]得出的结论一致, 而
与薛萐等[21]和王华静等[17]认为 SOC 与 STP 极显著
相关不同。
植物的根系和凋落物是土壤有机碳周转的重要
驱动力, 是土壤碳形成的主要物质来源。根系是植
物将光合产物直接输入到地下的惟一途径, 有研究
表明去除根系会引起土壤总有机碳的降低。本文研
究发现, SOC 随植被恢复的变化趋势与柠条根系生
长的变化趋势一致, 相关性极显著(P<0.01), 相关系
数达 0.822, 说明根系的生长能增加 SOC含量, 是土
壤的直接碳源。根系通过不断生长, 能够改良土壤
结构并对有机碳的汇集、贮存、积累起着重要作
用[22]。此外, 在柠条林生长过程中, 根系代谢产生的
分泌物及根系的枯死腐烂可以提高 SOC含量, 根系
还能通过增加土壤孔隙和降低土壤容重[23], 帮助地
表有机物质分解后随径流入渗, 并有助于增强土壤
动物与微生物的繁殖力和生存范围, 使土壤碳源汇
集能力及土壤固碳能力提高[22]; 枯落物作为土壤有
机碳的另外一个主要来源 , 是土壤−植物系统碳循
环的联结库, 因为覆盖于地面, 故能有效减少水土
流失, 其输入数量和质量的微小改变都可能引起土
第 9期 崔 静等: 黄土丘陵半干旱区人工柠条林土壤固碳特征及其影响因素 1203


壤碳循环的巨大变化[24]。森林枯落物现存量的变化
对土壤碳储量影响很大[25]。研究表明添加枯落物能
够引起土壤有机碳含量增加[26], 去除枯落物会降低
土壤有机碳含量[27]。本研究中通过对柠条林地平均
SOC 含量与柠条林下枯落物现存量进行相关性分析
发现, 二者之间极显著线性相关(P<0.01), 相关系数
高达 0.992, 这一结论与王华等 [28]对中亚热带几种
典型森林生态系统碳储存功能研究得出的结论相似,
说明枯落物含量的多少能够显著影响土壤有机碳含
量。而枯落物分解能直接向土壤浅表层输入有机质[14],
这也是研究中表层(0~20 cm)土壤有机碳含量较高的
原因。
黄土丘陵区植被恢复过程中, 人工柠条林的种
植能够使土壤有机碳增加, 并且在 26 a左右土壤的
固碳效果显著, 考虑到柠条生长到 40 a之后开始老
化, 固碳效果下降, 建议在此阶段对林分进行抚育
改造, 通过改变林分结构与组成, 促进老龄柠条林
群落的天然化发育 , 以期使土壤能保持较高的“碳
汇”功能。
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