陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究_苟清平.pdf
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1、 收稿日期:2022-04-19 基金项目:“十三五”国家重点研发计划课题(2016YFC05017702)资助。作者简介:苟清平,博士研究生。E-mail:*通信作者:朱清科,博士,教授,博士生导师。E-mail: 安徽农业大学学报,2023,50(3):490-496 Journal of Anhui Agricultural University DOI 10.13610/ki.1672-352x.20230625.013 网络出版时间:2023-06-26 16:43:49 URL https:/ 陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究 苟清平1,朱清科1,2*,梅雪梅3,王雪峰1,吕东
2、唯1(1.北京林业大学水土保持学院,北京 100083;2.林业生态工程教育部工程研究中心,北京 100083;3.郑州大学生态与环境学院,郑州 450001)摘 要:为探究黄土高原植被恢复对深层土壤碳库的影响,选取退耕还林第一县陕北吴起县金佛坪流域 5 种植被恢复类型(山杏林(Armeniaca sibrica),油松林(Pinus tabulaeformis)、沙棘林(Hippophae rhamnoides)、刺槐林(Robinia pseudoacacia)、小叶杨林(Populus simonii)和以自然恢复为主的荒草地为研究对象,通过调查 01 000 cm 土层土壤有机碳含量,
3、并计算土壤有机碳储量,分析不同植被类型的土壤有机碳剖面分布和差异。结果表明:在总体上,土壤有机碳在 060 cm 出现快速下降,601 000 cm 出现不明显的波动变化,其中 40260 cm 土层,小叶杨林地土壤有机碳含量明显最高。不同植被恢复都具有固碳效益,且不同植被土壤有机碳含量差异显著(P0.05)。不同植被土壤有机碳储量:小叶杨(18 年)(301.51 t hm-2)刺槐(19 年)(249.86 t hm-2)沙棘(18 年)(242.14 t hm-2)山杏(8 年)(226.08 t hm-2)油松(5 年)(182.91 t hm-2)荒草地(160.45 t hm-2)
4、,这可能是由于不同树龄和植被类型导致的结果。深层(1001 000 cm)土壤有机碳储量占 01 000 cm 剖面有机碳储量的 73%84%。深层土壤有机碳含量颇丰,在今后碳汇评估中不容忽视。关键词:陕北黄土区;深层土壤有机碳;深层碳储量;植被恢复;固碳 中图分类号:S714.8 文献标识码:A 文章编号:1672-352X(2023)03-0490-07 Study on the soil organic carbon content of different vegetation types in loess region of Northern Shaanxi Province,Chi
5、na GOU Qingping1,ZHU Qingke1,2,MEI Xuemei3,WANG Xuefeng1,LYU Dongwei1(1.Soil and Water Conservation School of Beijing Forestry University,Beijing 100083;2.Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering,Ministry of Education,Beijing Forestry University,Beijing 100083;3.School of Ecolo
6、gy and Environment,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001)Abstract:To investigate the effect of vegetation restoration on deep soil carbon pools in the Loess Plateau,five different vegetation restoration types(Armeniaca sibirica,Pinus tabuliformis,Robinia pseudoacacia,Populus simo-nii and Hippophae r
7、hamnoides)and natural restoration-based barren grassland were selected from Jinfoping water-shed of Wuqi county,Northern Shaanxi.The distribution and differences of soil organic carbon profiles under dif-ferent vegetation restoration types were analyzed by investigating the soil organic carbon conte
8、nt in 0-1 000 cm soil layer and calculating the soil organic carbon storage.The results showed that:in general,soil organic carbon de-creased rapidly in 0-60 cm and an insignificant fluctuating change from 60-1 000 cm,with the highest soil organic carbon content evident in 40-260 cm soil layer,in P.
9、simonii forestland.There were significant differences in soil organic matter content among different vegetation restoration(P R.pseudoacacia(19 years)(249.86 t hm-2)H.rhamnoides(18 years)(242.14 t hm-2)A.sibirica(8 years)(226.08 t hm-2)P.tabuliformis(5 years)(182.91 t hm-2)Grassland(160.45 t hm-2),w
10、hich may be the results of different tree ages and vegetation types.Soil organic carbon storage of deep layer(100-1 000 cm)accounted for 73%-84%of organic carbon storage of 0-1 000 cm profile.The content of organic carbon in deep soil is abundant,which should not be ignored in the future carbon sink
11、 assessment.50 卷 3 期 苟清平等:陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究 491 Key words:in loess region of Northern Shaanxi Province;deep soil organic carbon;deep soil organic stor-age;vegetation restoration;carbon sequestration 土壤有机碳是指包括动物,植物以及微生物的遗体、排泄物以及部分泌物和土壤腐殖质组成的复合化合物1。据估算,全球 100 cm 深度土壤中储存的土壤碳约为 1 500 Pg2-3,是陆地植被碳库的 23倍
12、。土壤碳库中碳的增加对大气中 CO2浓度的降低具有重要的作用2,4。土地利用的变化会引起土壤碳库发生改变2-3,5。土壤有机碳的含量是植被、土壤和人为等各种因素综合作用的结果6-10。林枫等基于文献整合的分析方法,研究了黄土高原土壤有机碳固存对植被恢复的动态响应及其碳汇价值,结果表明,与农田相比,黄土高原退耕还林工程增加了 61.60%的碳固存,退耕乔、灌、草分别增加 88.50%,55.15%和43.18%11。孟国欣等研究了不同植被恢复类型对土壤有机碳的垂直剖面分布的影响,结果表明植被类型可以解释 66.10%土壤有机碳的变异12。Jackson等指出土地利用变化会影响土壤有机碳的输入和周
13、转,是土壤有机碳变化的重要驱动力13。这些研究结果表明,不同植被类型的恢复会增加土壤有机碳,从而影响土壤的碳汇。但是这些研究都集中在土壤的表层(0100 cm),对深层土壤有机碳的储量和分布研究较少。黄土高原自实施退耕还林还草工程以来,植被恢复取得显著成效,对土壤碳库产生重要影响14。毛娜等分析了六道沟地形序列土壤碳剖面分布特征,结果表明 100200 cm 土层总碳密度占 0200 cm 土体总碳密度的 35%15;黄艳章等16 研究 0400 cm 土层不同生态恢复模式土壤碳的剖面分布,结果表明深层(100400 cm)土壤有机碳储量天然次生林、人工生态林和人工经济林分别占 0400 cm
14、 土壤剖面有机碳储量的 46.76%、58.89%和58.62%;在亚马逊东部,储存在 100600 cm 的土壤有机碳占 0600 cm 土层的 50%以上17。这些结果说明深层土壤具有巨大碳汇潜力,加强对深层土壤有机碳储量和分布的研究,对于提升人工林生态系统的固碳功能具有指导意义。本研究调查了陕北黄土区吴起县金佛坪流域 5种植被恢复类型(山杏、油松、沙棘、刺槐和小叶杨)和以自然恢复为主的荒草地 01 000 cm 土壤剖面的土壤有机碳含量,分析了不同植被类型之间土壤有机碳分布和储量的差异,旨在为黄土高原不同植被恢复类型碳储量合理估算和今后提升碳汇功能提供指导。1 材料与方法 1.1 研究区
15、概况 研究区地处陕西省延安市吴起县金佛坪流域,位 于 1073857 1083249 E,363333 372427 N 之间。地形地貌类型是黄土丘陵沟壑区,属暖温带大陆性季风气候,海拔介于 1 233 1 809 m 之间,多年平均气温 7.8,年平均降水量为 478.3 mm,降水季节常常分配不均,年际变化较大,雨季主要集中在 79 月,多年平均年陆面实际蒸发量为 400450 mm。土壤为地带性黑垆土剥蚀后广泛发育在黄土母质上的黄绵土。金佛坪流域由于气候、地质地貌和土壤等因素的制约,特别是人类活动的影响,该流域天然植被已经破坏殆尽,现存植被主要为自 1998 年实施退耕还林还草工程以来形
16、成的人工林地以及通过自然恢复形成的荒草地,主要的造林树种为小叶杨(Populus simonii)、山杏(Armeniaca sibrica)、油松(Pinus tabu-laeformis)、白榆(Ulmus pumila)、山桃(Amygdalus davidiana)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等。主要灌木有柠条(Caragana korshinskii)以及沙棘(Hippophae rhamnoides);草本以菊科、豆科、禾本科为主,草本类型以铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(Artemisia giraldii)、长芒草(Stipa bun
17、geana)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、达乌里胡枝子(Lespedeze davurica)、狗娃花(Heteropappus his-pidus)、冷 蒿(Artemisia frigida)、白 羊 草(Bothriochloa ischcemum)、远志(Polygala tenui-folia)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、百里香(Thymus mongolicus)、赖草(Leymus secalinus)为主。本研究以金佛坪流域内 5 种常见的的人工林地(山杏,油松,沙棘,小叶杨和刺槐)为主要研究对象,同时以荒草地(natur
18、al grassland)为对照组。其中山杏是 8 年人工林地,油松是 5 年人工林地,沙棘和小叶杨是 18 年人工林地,刺槐是 19 年人工林地,荒草地是自 1999 年退耕还林之后形成的自然草地。严格意义上讲,为了研究的可比性,应该选择树龄基本一致的人工林地进行对比研究。在研究区吴起县境内,退耕还林最开始种植沙棘较多,沙棘具有改良土壤的生态功能,但是沙棘慢慢退化,492 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 后来种植了油松和山杏,而本研究中的沙棘、小叶杨以及刺槐都是在开始退耕的时候早期种植,保存下来的,密度较为一致的成片状分布的森林。山杏和油松在吴起县分布范围广,也有成林,但是目前
19、现存的都是一些稀疏的零星分布的比较多,成片的,具有一定林型的山杏成林很少;油松林也是金佛坪流域沙棘退化之后,人工造林补植,形成的成片状分布的森林。为了便于分析金佛坪流域现存植被土壤有机碳储量,因此选择了 8 年山杏林和 5 年油松林。1.2 研究方法 1.2.1 样地选择 该研究选取山杏、油松、沙棘、刺槐、小叶杨和荒草地为研究对象,为了研究的可比性,地形条件(坡向、坡度和海拔)基本相似。乔木林地采用 20 m20 m 样方,灌木采用 10 m10 m 的样方,荒草地采用 1 m1 m 的样方调查不同研究样地的植被情况。不同植被类型的样地基本情况见表 1。表 1 不同林地和荒草地的基本情况 Ta
20、ble 1 Basic situation of different forestland and grassland 植被类型 海拔/m 坡向 坡度/平均株高/m 平均胸径/cm 郁闭度/%林龄/a 栽植密度/株行距 山杏 1 410 东 23 3.1 2.60 40 8 2 m3 m 小叶杨 1 434 东 24 8.9 8.60 85 18 2 m3 m 油松 1 420 东 25 3.2 2.20 60 5 2 m3 m 刺槐 1 410 东北 20 10.9 8.60 80 19 2 m3 m 沙棘 1 425 东南 25 2.5 1.80 90 18 1 m1 m 荒草地 1 43
21、1 东南 18 1.2.2 土壤理化性质测定 在样地调查的基础上,各个样方随机选取 3 个样点,采用人工打土钻的方式取土壤样品,在 01 m 间隔 10 cm 取样,110 m间隔 20 cm 取样,取好的土壤样平分成 3 份,分别用于测定土壤水分质量含水量、土壤有机碳(SOC)和土壤粒径。同时在每个样方开挖 1 m 土壤剖面,每隔 10 cm 用环刀(直径 5 cm,体积 100 cm3)每层取 3 个重复的原状土样,测定土壤容重。土壤样品采用时间为 2018 年 5 月。把取的土壤样品带回实验室,土壤容重立即采用烘干法(105,24 h)测定18;其余土壤样品放到纸上,待自然风干后,挑出杂
22、物(枝叶,根系等)备用,以测定土壤有机碳,采用重铬酸钾外加热法测定19。1.2.3 土壤有机碳密度 计算公式如下:()12mm1%10iiiiiSOCDSOCBDH-=-(1)式(1)中:SOCDi表示土层 i 土壤有机碳密度(t hm-2),SOCi表示土层i土壤有机碳含量(g kg-1),Hi表示土层 i 的土层厚度(cm),BDi表示土层 i 土壤容重(g cm-3),i 2 mm表示土层 i 粒径大于等于2 mm 的砾石体积分数,在黄土区砾石含量极低,可忽略不计。表 2 不同植被类型 0100 cm 土壤剖面土壤容重 Table 2 Bulk density of different
23、types of vegetation in 0-100 cm soil layer (g cm-3)土层深度/cm 山杏 小叶杨 沙棘 油松 荒草地 刺槐 010 1.198 0.011 1.244 0.054 1.242 0.007 1.084 0.065 1.208 0.012 1.084 0.065 1020 1.210 0.058 1.251 0.033 1.262 0.018 1.151 0.023 1.243 0.035 1.270 0.071 2030 1.172 0.042 1.222 0.024 1.232 0.007 1.202 0.005 1.260 0.005 1.2
24、02 0.005 3040 1.160 0.028 1.278 0.019 1.215 0.051 1.192 0.014 1.283 0.016 1.210 0.077 4050 1.272 0.003 1.259 0.010 1.225 0.005 1.225 0.015 1.280 0.000 1.225 0.015 5060 1.295 0.025 1.248 0.017 1.233 0.028 1.243 0.019 1.287 0.032 1.251 0.005 6070 1.318 0.007 1.218 0.107 1.238 0.013 1.274 0.010 1.276 0
25、.006 1.274 0.010 7080 1.322 0.034 1.196 0.016 1.236 0.001 1.285 0.017 1.304 0.006 1.293 0.065 8090 1.325 0.024 1.325 0.012 1.301 0.004 1.295 0.012 1.304 0.005 1.298 0.018 90100 1.318 0.008 1.301 0.035 1.302 0.010 1.304 0.034 1.301 0.012 1.307 0.061 若某一土体由 n 层组成,则该土体单位面积内土壤有机碳储量(SOCD)计算公式为:SOCD=niiSO
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