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黄土丘陵区不同恢复植被类型的固碳特征

来源：花匠小妙招时间：2025-07-25 13:55

摘要: 为分析黄土高原水土流失严重区不同恢复植被类型的固碳特征, 比较恢复年限和坡向因素对植被碳汇效应的影响, 在陕北黄土丘陵区选取了6种典型植被类型(农地、草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨), 研究了不同类型的生态系统碳密度及其构成特征.结果表明：①半干旱黄土区植被恢复具有明显的碳汇功能, 不同植被组分(地上生物、地下根系和枯落物)碳密度均表现出乔木>灌丛>草地>农地的变化特征.农地0~40 cm土层土壤有机碳密度最低(1 355.5 g·m-2), 草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨较农地分别增加了91.4%、125.2%、144.0%、124.5%和232.6%. ②草地、沙棘、柠条和山杨的不同植被组分碳密度和不同土层(0~5、5~20和20~40 cm)土壤有机碳密度随恢复时间的推移总体上表现出增加趋势.③坡向对农地和草地植被碳密度无明显影响, 沙棘、柠条、刺槐和山杨不同坡向间的植被碳密度差异明显.土壤有机碳密度存在明显的阴阳坡差异, 农地、草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨阳坡土壤有机碳密度分别比阴坡减少了22.9%、34.3%、75.8%、49.1%、22.4%和69.4%. ④不同类型的生态系统碳密度差异明显, 其中农地最低(2 022.1 g·m-2), 草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨较农地分别增加了48.7%、152.8%、125.1%、166.3%和530.7%.生态系统各组分碳密度总体表现为：土壤层>地上生物层>根系层>枯落物层.土壤有机碳构成了农地、草地、沙棘、柠条和刺槐碳密度的主体, 分别占生态系统碳密度的67.0%、86.3%、59.7%、72.7%和56.5%.研究结果可为黄土高原地区科学管理生态系统碳库和推进生态环境治理提供重要依据.

Carbon Sequestration Characteristics of Different Restored Vegetation Types in Loess Hilly Region

XU Xiao-ming1,ZHANG Xiao-ping1,2,HE Liang1,GUO Jin-wei3,XUE Fan1,ZOU Ya-dong1,YI Hai-jie2,HE Jie1,WANG Hao-jia1

Abstract: Since 1999, the "Grain for Green" Program has been extensively implemented in the Loess Plateau region. This measure has largely been of concern not only for its contribution to soil erosion reduction but also for its effects on carbon sequestration. The aim of this study was to assess the carbon sequestration characteristics of different restored vegetation types in areas with severe soil erosion on the Loess Plateau and to compare the effects of restoration age and slope direction on the vegetation carbon sequestration. To evaluate the carbon density and composition characteristics of different ecosystem types, six typical vegetation types (including farmland, grassland, Hippophae rhamnoides Linn., Caragana korshinskii Kom., Robinia pseudoacacia L., and Populus davidiana Dode.) were selected in the Loess Hilly Region, i.e., Wuqi County and Zhidan County in Northern Shaanxi province, which is a typical area for the implementation of artificial vegetation restoration. The results showed that: ① vegetation restoration in the semi-arid loess region had a profound impact on carbon sequestration. The carbon density of different vegetations, as well as different vegetation components including above-ground vegetation, below-ground roots, and litter, shared the same pattern as tree>scrub>grassland>farmland. The 0-40 cm soil layer of the farmland showed the lowest soil organic carbon density (1 355.5 g·m-2), compared to which those of grassland, H. rhamnoides Linn., C. korshinskii Kom., R. pseudoacacia L., and P. davidiana Dode. were higher by 91.4%, 125.2%, 144.0%, 124.5%, and 232.6%, respectively. ② It was common in grassland, H. rhamnoides Linn., C. korshinskii Kom., and P. davidiana Dode. for the carbon density of different vegetation components as well as soil organic carbon density of different soil layers (0-5, 5-20, and 20-40 cm) to generally show an increasing trend with increased restoration age. ③ Slope direction had a significant impact on the vegetation carbon density only for H. rhamnoides Linn., C. korshinskii Kom., R. pseudoacacia L., and P. davidiana Dode., while showing the contrary for farmland and grassland. Soil organic carbon densities for sunny slopes were significantly lower than those for shaded slopes by 22.9%, 34.3%, 75.8%, 49.1%, 22.4%, and 69.4%, respectively, for farmland, grassland, H. rhamnoides Linn., C. korshinskii Kom., R. pseudoacacia L., and P. davidiana Dode. ④ Ecosystem carbon density varied significantly for different ecosystem types, among which farmland showed the lowest (2 022.1 g·m-2), and grassland, H. rhamnoides Linn., C. korshinskii Kom., R. pseudoacacia L., and P. davidiana Dode. showed values higher by 48.7%, 152.8%, 125.1%, 166.3%, and 530.7%, respectively. The carbon density of each ecosystem component showed a pattern as follows: soil layer>above-ground vegetation layer>root layer>litter layer. Soil organic carbon constituted the main part of the ecosystem carbon density and accounted for 67.0%, 86.3%, 59.7%, 72.7%, and 56.5%, respectively, for farmland, grassland, H. rhamnoides Linn., C. korshinskii Kom., and R. pseudoacacia L. These results can provide an essential basis for scientific management of ecosystem carbon pools and promote ecological environment management on the Loess Plateau.

Key words:vegetation types restoration years slope direction carbon density ecosystem Loess Hilly Region

陆地生态系统是重要的大气碳汇, 发挥着巨大的碳汇功能[1, 2].土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库, 是植被碳库的2~3倍[3].增强陆地生态系统的固碳能力, 有助于应对全球温室气体增加和区域气候变暖.森林作为陆地生物圈的主体, 是最大的有机碳库[4, 5], 植被碳储量和土壤碳储量分别占陆地植被碳储量和土壤碳储量的77.0%和39.0%[3].草地生态系统碳储量(7.6 Tg)约占陆地生态系统碳储量的34.0%, 草地90.0%左右的碳储量集中在土壤层[6, 7], 其碳封存能力仅次于森林生态系统.中国的森林和草地面积分别为2.1亿hm2和4亿hm2, 碳(C)储量分别为33.6 Pg和44.1 Pg[8, 9], 被公认为是重要的碳汇.作为陆地上最重要的两大生态系统, 森林和草地生态系统在碳循环和维持生态平衡中发挥着重要作用.陆地生态系统固碳效能评估、变化、影响机制和潜力分析是目前全球气候环境变化研究的热点问题[10~12].

土地利用变化和植被恢复与全球碳收支密切相关[13].过去陆地生态系统碳汇的研究主要聚焦不同类型生态系统(森林、灌丛、草地、荒漠、湿地和农田)的碳循环、固碳功能和潜力分析[4, 11, 14~16], 某一种生态系统在不同恢复方式下和不同恢复时间下固碳能力的估算[6, 17], 以及影响生态系统固碳能力因素及机制的分析[18, 19].黄土高原作为我国“两屏三带”生态安全战略格局的重要组成部分, 退耕还林还草和生态恢复能够有效地吸收和固存CO2, 对于减少碳排放和应对全球气候变暖具有重要意义[16, 20], 其固碳减排效应备受关注[21~23].黄土高原人工林草植被的固碳特征及其变化研究[24~26]有助于深入理解黄土区植被恢复过程中的重要生态价值, 揭示退耕还林还草工程的环境效应, 促进黄土高原地区人工水土保持林草植被建设、管理和保护.植被碳库和土壤碳库构成了生态系统总碳库, 其中植被碳储量由地上生物碳储量、地下根系碳储量和枯落物碳储量组成[27].但以往黄土区植被恢复的碳汇研究更多地关注了典型恢复植被类型土壤碳库的变化特征, 对整个生态系统碳储量的系统性研究比较薄弱[13, 17, 20, 24, 25].半干旱地区水热条件的阴阳坡差异导致了植被分布、生长和碳封存状况的不同, 以及不同恢复时间下植被-土壤系统固碳能力存在怎样的差异, 这些科学问题需要进一步深入研究与探讨.

综合考虑和明晰不同植被组分与土壤层在固碳方面的作用, 旨在对比分析黄土丘陵区主要恢复植被类型(山杨、刺槐、沙棘、柠条、草地和农地)、不同恢复时间下以及不同坡向的植被层和土壤层的固碳特征.人工林草地的固碳效应研究为科学管理黄土高原生态系统碳库和有效推进生态治理、制定气候变化应对策略和实现国家双碳目标提供理论依据.

1 材料与方法1.1 研究区概况

研究区位于陕西省吴起县和志丹县, 地处北洛河流域上游, 面积为7 325 km2.北依毛乌素沙地, 南抵子午岭林区, 黄土丘陵为主要的地貌类型, 海拔高度为1 059~1 900 m(图 1).气候类型为暖温带半干旱大陆性季风气候, 年平均气温为7.9℃, 从西北到东南降雨梯度变化明显(400~500 mm).5~9月降水量占全年降水总量的76.2%, 阴坡与阳坡水热条件差异明显.主要乔木树种包括小叶杨(Populus simonii Carr.)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、白榆(Ulmus pumila L.)和山杏[Armeniaca sibirica (L.) Lam.]等; 主要灌木种类有沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、柠条(Caragana korshinskii Kom.)和紫丁香(Syringa oblata Lindl.)等; 草本种类主要包括白羊草[Bothriochloa ischemum (L.) Keng.]、达乌里胡枝子[Lespedeza davurica(Laxm.) Schindl.]和铁杆蒿(Artemisia gmelinii)等.退化农地粮食作物以玉米(Zea mays L.)、荞麦(Fagopyrum esculentum Moench.)和谷子(Setaria italica)为主.主要土壤类型为黄绵土, 南部林区为灰褐土, 沟道内发育新积土[21].

图 1 黄土丘陵区野外植被调查样地空间分布示意Fig. 1 Spatial distribution of sample plots for field vegetation survey in Loess Hilly Region

1999年以来, 黄土高原地区率先实施了大规模的植树种草和生态恢复措施, 研究区土地利用方式发生了明显转变, 坡耕地面积大幅减少, 植被覆盖度由2001~2006年的38.9%提高到2013~2017年的52.0%[28].植被恢复影响下, 该区域年侵蚀输沙量由1980~1998年的0.7×108 t减少至1999~2016年的0.2×108 t, 减少幅度约为67.7%, 近期年输沙量进一步减少至0.1×108 t左右[29].退耕还林(草)过程中, 刺槐、山杨、沙棘和柠条是主要的造林树种, 草地以自然封育为主.

1.2 样地设置与植被群落调查

志丹县与吴起县处于北洛河流域上游丘陵区核心位置, 植被恢复过程和固碳效应特征具有代表性.综合土地利用类型数据和实地调查走访勘察的结果, 选取了不同恢复年限的草地(15 a、20 a和自然草地)、沙棘(20、35和50 a)、柠条(20、40和65 a)、山杨(15、25、45、60和100 a), 刺槐林地林龄一般为15~20 a, 农地为对照样地.样地分布比较均匀, 所有样地均考虑了阴坡和阳坡.

2019年9~10月在设置的37块坡位和海拔等立地条件基本相似, 处于不同典型植被类型标准样地内开展了群落特征调查(图 1和表 1).样地的地理位置、坡位、坡向和海拔等环境因子信息借助奥维互动地图软件获取, 基于样带法实测了林分郁闭度和密度.乔木、灌丛和草本样方大小依次为20 m×20 m、10 m×10 m和1 m×1 m.分别对标准样地内的乔木或灌木树种选取3个典型株, 测量树高和胸径(基径), 并对林下主要草本种类进行调查记录.在对比不同植被类型数据时, 采用阴阳坡数据的平均值.

表 1 研究区野外植被调查样地基本信息1)Table 1 Basic information on field vegetation survey sample sites in the study area

1.3 枯落物蓄积量调查与根系生物量估算

野外植被群落调查期间, 在坡面标准样地内随机选取了3个枯落物小样方(31.7 cm×31.7 cm)[30], 收集枯落物样品至塑封袋中.平铺放置在室内通风处, 自然风干大约3 d后称重, 即可计算出各林分类型单位面积内枯落物的蓄积量(t·hm-2).本研究使用的柠条和草地枯落物蓄积量数据参考了栾莉莉等[31]在陕北相似气候条件下子州、子长和榆林野外调查的研究结果.同一植被类型选择3~6块样地, 每块地随机布设3块枯落物样方, 数据具有代表性.

农地和草地根系生物量通过根钻法获取.林地根系生物量的估算参照了文献[32]中的温带阔叶林根系生物量的标准根冠比计算方法：

(1)

式中, UGB为地下生物量(t·hm-2); AGB为地上生物量(t·hm-2).

1.4 土壤样品采集与有机碳测定

在标准样地内选择优势种代表性株2株, 距离树干顺坡方向1 m处, 开挖2个土壤剖面.分3层即0~5、5~20和20~40 cm分别取样, 每层共计4个重复.利用100 cm3环刀分层采集原状土, 并逐层采集散状土, 每层保证多点混合取样, 然后装入已编号的塑封袋中.

将野外采集的土壤样品中的侵入物全部剔除.保证土壤样品充分混合均匀, 放置在室内通风处, 以待阴干(大约7 d), 经过研磨、过筛(2 mm孔径)和称重.采用重铬酸钾外加热法测定样品土壤有机碳含量, 采用环刀法测定土壤容重.

1.5 植物碳密度与土壤碳密度计算

样地生物量的计算是根据调查植株的高度、胸径、冠幅和分枝数等指标, 并参照表 2各物种的异速生长方程, 依据实际调查的株密度估算出各植被类型单位面积的生物量.生物量与植物含碳量的乘积为植物碳密度, 大多数植物及植物不同组分的含碳量为45.0%~50.0%[3], 本文按照47.5%的取值来计算.

表 2 典型植被类型的生物量计算模型1)Table 2 Biomass calculation models for typical vegetation types

土壤有机碳储量通过土壤有机碳密度来评价[36].计算过程如下.

某一土层i中储存的土壤有机碳密度SOCi的计算公式为：

(2)

式中, SOCi为土壤有机碳密度(kg·m-2); Ci为土壤有机碳含量(%); Di为土壤容重(g·cm-3); Ei为土层厚度(cm); Gi为直径＞2 mm的石砾占土壤样品的体积分数(%); i表示某一土层.

当某一土体剖面包括k层土壤, 则可以通过下面公式计算该剖面的土壤有机碳密度SOCi：

(3)

考虑到土壤有机碳主要分布在植被根系分布的表层[37], 因此本研究按照0~40 cm土层厚度来计算根系碳密度和土壤有机碳密度.

1.6 数据处理

采用One-Way ANOVA法和最小显著差异法(LSD)检验植被不同组分碳密度和土壤碳密度的差异(P=0.05).各数据均使用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0软件处理, 最后使用Origin 8.6软件绘图.

2 结果与分析2.1 不同恢复类型植被碳密度分析2.1.1 不同恢复植被类型碳密度

从图 2可以看出, 各植被类型地上生物碳密度之间差异明显, 其中山杨与其他植被类型差异最大.草地生物碳密度最小, 为113.7 g·m-2, 其次为农地(490.7 g·m-2)、柠条(855 g·m-2)、沙棘(1 236 g·m-2)、刺槐(1 472.8 g·m-2)和山杨(6 702.8 g·m-2).乔木地上生物碳密度高于灌丛, 较农地和草地增加明显.不同乔木样地之间地上生物碳密度差异明显, 山杨较刺槐增加了3.6倍.

图 2 不同恢复植被类型地上生物、地下根系和枯落物碳密度Fig. 2 Carbon density in above-ground vegetation, below-ground roots, and litter of different restoration vegetation types

各植被类型地下根系碳密度的分布特征与地上生物碳密度基本一致, 除草地根系碳密度大于地上生物碳密度之外, 其他植被类型均表现出相反的特征.农地根系碳密度最小, 为176.0 g·m-2, 其次为草地(286.8 g·m-2)、柠条(334.3 g·m-2)、沙棘(483.3 g·m-2)、刺槐(536.1 g·m-2)和山杨(1 644.3 g·m-2).

图 2表明, 不同植被类型的枯落物碳密度分布表征为：乔木>灌丛>草地>农地.农地无枯落物碳素蓄积, 草地枯落物碳密度仅为12.2 g·m-2, 灌木柠条样地枯落物碳密度(55.6 g·m-2)明显小于沙棘样地(354.9 g·m-2).乔木刺槐和山杨样地密度差异不大, 分别为443.8 g·m-2和515 g·m-2.

不同恢复类型的植被碳密度存在明显的差异.其中柠条地上生物碳密度、根系碳密度和枯落物碳密度均小于沙棘, 刺槐小于山杨(图 2). 6种植被类型植被总碳密度由高到低表现为：山杨(8 862.1 g·m-2)>刺槐(2 442.7 g·m-2)>沙棘(2 074.1 g·m-2)>柠条(1 244.8 g·m-2)>农地(666.6 g·m-2)>草地(412.7 g·m-2).

2.1.2 不同恢复年限下植被碳密度

图 3(a)表明, 陕北黄土丘陵区林草植被地上生物碳密度随恢复年限的增加, 总体表现出增加的趋势.草地地上生物碳密度积累少, 恢复时间长短对碳密度的增加影响不明显.沙棘地上生物碳密度随时间变化缓慢增加, 柠条则表现出恢复40 a较20 a的样地有明显的增加, 恢复65 a时表现出下降的特征.山杨林地从恢复25~40 a这一阶段地上生物碳密度增加最快, 之后表现为下降的趋势并保持稳定.不同植被类型恢复20 a时, 碳密度从大到小依次为山杨(3 537.1 g·m-2)、沙棘(1 155.8 g·m-2)、柠条(277.6 g·m-2)和草地(112.4 g·m-2).

植被类型：A为恢复15 a草地, B为恢复20 a草地, C为自然恢复草地, D为恢复20 a沙棘, E为恢复35 a沙棘, F为恢复50 a沙棘, G为恢复20 a柠条, H为恢复40 a柠条, I为恢复65 a柠条, J为恢复15 a山杨, K为恢复25 a山杨, L为恢复40 a山杨, M为恢复60 a山杨, N为恢复100 a山杨, 下同图 3 主要植被类型不同恢复年限下地上生物、地下根系和枯落物碳密度Fig. 3 Carbon density in above-ground vegetation, below-ground roots, and litter under different restoration years of major vegetation types

各植被类型地下根系碳密度随恢复时间的分布特征与地上生物碳密度基本一致.草地根系碳密度约为地上生物碳密度的2.5倍, 沙棘、柠条和山杨林地地上生物碳密度约为根系碳密度2~3倍.

各植被类型地上和地下碳密度均呈现出乔木>灌丛>草地的变化特征[图 3(b)].

从图 3(c)可知, 沙棘和山杨林地枯落物碳密度均随恢复年限的延长呈现出增加的变化特征, 表明人工林地植被的恢复有助于提高林下枯落物碳密度.植被生长中前期, 枯落物碳密度较后期增幅更大.由于15 a山杨林地林分密度达到了9 100株·hm-2, 且处于中龄林阶段, 植被生长旺盛, 枯落物蓄积量和相应的碳密度较高.

2.1.3 不同坡向下植被碳密度

图 4(a)所示, 农地和草地阳坡与阴坡地上生物碳密度无明显差异.阳坡刺槐林地地上生物碳密度较阴坡偏高, 二者林分密度约为1 000株·hm-2, 胸径可能是导致不同坡向存在差异的原因.沙棘、柠条和山杨不同坡向间地上生物碳密度差异明显, 阳坡较阴坡分别减少了43.8%、31.6%和61.0%.其中山杨阴阳坡差异最为突出, 说明黄土丘陵半干旱区不同坡向之间水分条件的差异是导致植被地上生物碳密度不同的主要原因, 乔木不同坡向之间的差异大于灌丛、草地和农地, 对水分条件更加敏感.同一坡向下, 不同植被类型地上生物碳密度表现为：山杨>刺槐>沙棘>柠条>农地>草地.

图 4 各植被类型不同坡向下地上生物、地下根系和枯落物碳密度Fig. 4 Carbon density in above-ground vegetation, below-ground roots, and litter under different slopes for each vegetation type

各植被类型地下根系碳密度不同坡向下的分布特征与地上生物碳密度基本一致.坡向对草地根系碳密度无明显影响.农地、沙棘、柠条和山杨林地不同坡向间根系碳密度差异明显, 阳坡较阴坡分别减少了48.3%、43.8%、31.6%和58.5%.同一坡向下, 草地根系碳密度高于农地, 其他植被类型的变化特征与地上生物碳密度一致[图 4(b)].

由图 4(c)可知, 沙棘、刺槐和山杨林地阳坡枯落物碳密度均小于阴坡, 阴坡较阳坡高39.2%~69.7%.不同植被类型之间, 均表现出乔木林地阴坡与阳坡枯落物碳密度大于灌丛, 这表明研究区阳坡枯落物分解速率快, 不利于碳素的储存, 同一植被类型下, 阴坡有利于枯落物碳密度的增加.

2.2 不同恢复植被类型土壤有机碳密度分析2.2.1 不同恢复植被类型土壤有机碳密度

由图 5可知, 山杨林地土壤有机碳密度最高, 为4 508.8 g·m-2, 与其他5种植被类型差异显著.沙棘、柠条和刺槐林地与农地差异显著, 草地和农地差异不显著.农地土壤有机碳密度最低(1 355.5 g·m-2), 草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨林地较农地分别增加了91.4%、125.2%、144.0%、124.5%和232.6%, 表明研究区人工林草地的恢复显著提高了土壤有机碳密度, 具有显著的土壤固碳功能.

柱形图上不同小些字母表示不同植被类型0~40 cm土层土壤有机碳密度差异显著(P < 0.05)图 5 不同恢复植被类型不同土层土壤有机碳密度Fig. 5 Soil organic carbon density in different soil layers of different restoration vegetation types

不同土层对比来看, 不同林草植被土壤有机碳密度较农地均有明显的增加.0~5 cm土层, 从农地到山杨林地, 土壤有机碳密度均有不同程度的增加, 呈现出乔木>灌丛>草地>农地的变化特征, 这与图 2(c)中枯落物碳密度的变化规律基本一致, 表明该层土壤有机碳密度的增加主要受枯落物碳素输入的影响.随着土层加深, 除农地外, 其他5种植被类型土壤有机碳密度差异逐渐缩小.

2.2.2 不同恢复年限下土壤有机碳密度

如图 6所示, 草地、沙棘和柠条样地土壤有机碳密度随恢复时间的增加, 呈现出不断递增的变化趋势.山杨林地则表现出恢复40 a之前先增加, 之后不断减少的变化特征.自然恢复草地较退耕草地土壤有机碳密度更高, 表明黄土高原地区草地生态系统未来仍有较大的固碳潜力.沙棘林地恢复50 a时土壤有机碳密度增加迅速, 枯落物蓄积量的增加和碳素的持续输入是重要的影响因素.

图 6 主要植被类型不同恢复年限下不同土层土壤有机碳密度Fig. 6 Soil organic carbon density in different soil layers under different restoration years of major vegetation types

不同土层对比来看, 草地、沙棘、柠条和山杨林地0~5 cm土层土壤有机碳均随恢复时间的增加, 呈现出递增的变化特征, 枯落物蓄积量的不断增加和碳素的持续输入是重要的影响因素.除柠条5~20 cm土层外, 草地、沙棘和柠条其他土层土壤有机碳密度随恢复时间的延长均表现出增加的变化趋势(图 6).

2.2.3 不同坡向下植被土壤有机碳密度

从图 7可以看出, 植被恢复下土壤有机碳密度存在明显的阴阳坡差异.农地、草地和刺槐阳坡土壤有机碳密度分别比阴坡减少了22.9%、34.3%和22.4%, 沙棘、柠条和山杨林地不同坡向间的差异更加突出, 阳坡分别比阴坡减少了75.8%、49.1%和69.4%.

图 7 各植被类型不同坡向下不同土层土壤有机碳密度Fig. 7 Soil organic carbon density in different soil layers on different slopes for each vegetation type

不同土层对比来看, 农地与草地0~5 cm土层阴坡与阳坡土壤有机碳密度基本一致, 随着土层加深, 二者差异逐渐增大.沙棘、柠条、刺槐和山杨各土层土壤有机碳密度在不同坡向之间均有比较明显的差异.0~5 cm土层可能受枯落物蓄积量和碳素输入在不同坡向间差异的影响, 5~20 cm与20~40 cm土层根系生物量和碳素输入的不同是引起不同坡向间土壤有机碳存在差异的原因.

2.3 不同类型的生态系统碳密度分析

如图 8所示, 不同类型的生态系统碳密度存在明显的差异, 其中农地最低, 为2 022.1 g·m-2.草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨较农地分别增加了48.7%、152.8%、125.1%、166.3%和530.7%, 总体来看, 森林生态系统碳汇效应最强, 其次为草地和农地生态系统.生态系统各组分碳密度总体表现为：土壤层>地上生物层>根系层>枯落物层.

柱形图上不同小些字母表示不同类型的生态系统碳密度差异显著(P < 0.05)图 8 不同类型的生态系统碳密度Fig. 8 Carbon density in ecosystem of different types

从图 8和表 3可以看出, 农地、沙棘和柠条的植被碳密度分别约占生态系统碳密度的35.0%, 土壤有机碳的比重约为65.0%.草地植被部分碳密度约占生态系统碳密度的13.7%, 绝大部分以土壤碳库的形式存在.刺槐和山杨土壤有机碳密度的比重分别为56.5%和35.4%.

表 3 不同恢复植被类型地上生物、地下根系、枯落物和土壤层碳密度及其占比Table 3 Carbon density and its proportion in above-ground vegetation, below-ground roots, litter, and soil layer of different restored vegetation types

3 讨论3.1 黄土丘陵区人工恢复植被的固碳效应

半干旱黄土区人工植被恢复具有显著的碳汇效应[16, 20, 26, 37], 在应对区域气候变化和维持陆地生态系统碳平衡方面发挥了重要作用.本研究发现不同类型的生态系统固碳能力存在差异, 呈现出乔木(9 069.0 g·m-2)>灌丛(4 831.9 g·m-2)>草地(3 006.5 g·m-2)>农地(2 022.1 g·m-2)的变化特征(图 8), 这与李如剑等[24]和林枫等[38]的研究结论一致, 表明与农地相比, 林草植被恢复在碳吸收和固存方面存在明显的生态环境效应[2].于贵瑞等[6]、Fang等[14]和Liu等[39]发现中国退耕草地土壤有机碳密度的增加幅度较小, 增幅为20.1%~32.1%, 表现出中性的碳汇状态.本研究中草地生态系统碳密度较农地增加了48.7%, 与乔木和灌丛相比, 表现出较弱的碳汇功能.

生态系统碳密度包括植被碳密度和土壤碳密度, 研究区不同恢复植被类型植被和土壤碳密度的占比关系差异明显.草地土壤碳密度占整个生态系统碳密度的比重为86.3%, 碳储量与碳循环主要集中和发生在土壤层[6, 7, 20], 季波等[37]对宁夏典型温性天然草原的固碳效应评价中证实了这一点.刺槐与山杨林地土壤有机碳碳密度占生态系统碳密度的比重较沙棘和柠条减少了20.3%, 表明乔木生物碳储量具有较高的比重, 光合作用的固碳效果优于灌丛.土壤碳库在植被恢复影响下垂直分异特征明显.本研究发现植被恢复过程中0~5 cm土层土壤碳密度增加最多, 表层0~5 cm显著高于亚表层5~20 cm[6], 随着土层加深, 土壤碳密度增幅逐渐减弱, Bai等[40]的研究结果与本文的一致.0~5 cm土层土壤碳密度占0~40 cm的18.2%~30.6%, 表聚现象明显(图 5).地表枯落物蓄积和碳素的输入以及植被根系生物量表层分布集中的特点和更高的细根周转率, 导致了0~5 cm土层土壤有机碳密度最大[16, 20].

3.2 恢复年限和坡向对植被固碳效应的影响

植被碳密度和土壤有机碳密度随林草植被的恢复呈现出增加的趋势(图 3和图 5).总体来看, 恢复时间越长, 由于植被根系和枯落物的大量输入以及微生物的分解作用, 植被的固碳效果越明显, 表明植被恢复的长期固碳效应显著, 这与Deng等[41]和冯棋等[42]的研究结论相一致.董凌勃等[16]、许明祥等[20]和Xiao等[43]对黄土高原地区植被恢复的固碳效应研究表明, 土壤有机碳含量并非一直随着植被恢复呈现出增加的趋势.植被恢复初期, 由于植树种草等人为活动对表层土壤的扰动, 导致土壤呼吸作用加强, 一般在恢复10 a以后, 恢复样地土壤有机碳才开始呈现出增加的变化特征.由于本研究所选样地植被恢复年限最小为15 a, 掩盖了恢复初期土壤作为碳源的这一客观现象[19], 植被恢复初期土壤有机碳变化特征的精细化研究对于真实反映和评价植被恢复过程中的土壤碳库动态变化规律具有重要意义.山杨地上生物、地下根系和土壤有机碳密度并非随着恢复时间的增加而一直增加(图 2、图 3和图 5), 这可能受林分林龄的影响.山杨恢复40 a时进入过熟林早期, 植被生长达到鼎盛, 林分密度适宜(2 100株·hm-2), 这些因素可能是导致该阶段山杨林地土壤有机碳密度最高的原因.恢复40 a之后林分进入衰退期, 部分活立木枯死, 林分密度降低, 地下植被根系生物量及碳素输入量减少, 从而导致土壤有机碳密度不断降低.这就意味着植被恢复的固碳效应尽管具有长期性, 但会受林分生命周期的影响, 达到演替顶级或者成熟林阶段, 植被的碳汇效应趋向平衡, 甚至表现出下降的趋势[4, 19, 44].

植被恢复的固碳效应具有明显的阴阳坡差异, 研究区6种植被类型平均阴坡植被碳密度和土壤碳密度分别比阳坡增加了44.1%和45.6%(图 4和图 7).然而, 农地和草地植被碳密度的阴阳坡差异不明显, 可能受其生物量较少和碳储量主要集中在土壤层的影响[6].陕北黄土丘陵区属于半干旱大陆性季风气候区, 降水量季节分配不均, 微地形因素尤其是不同坡向导致了水热条件的再分配, 植被生长受水分的胁迫明显, 因此其固碳效应存在突出的阴阳坡差异[19].本研究发现, 由于水分条件的限制, 致使需水量较多的乔木林地阴坡和阳坡的固碳差异大于需水量较少的灌丛、草地和农地.整体来看, 从农地、草地、灌丛到乔木, 植被固碳能力的阴阳坡差异越来越大, 对水分条件的限制也越来越敏感.许明祥等[20]的研究也发现, 水分条件是黄土高原地区主要植被类型生物量碳密度和土壤有机碳密度出现不同坡向间差异的影响因子.

3.3 未来植被恢复的固碳效应潜力及增汇途径

退耕还林(草)工程实施20多年以来, 黄土高原总植被盖度从2001年的56.0%增长到2017年的76.8%[45], 本研究区植被覆盖度由2001~2006年的38.9%提高到了2013~2017年的52.0%[28], 生态恢复固碳成效显著(图 8).尽管乔灌植被较草地和农地具有较高的固碳功能(图 8), 但考虑到目前植被恢复现状和半干旱地区水分植被承载力的限制条件, 除沟谷和阴坡水分条件相对较好的地区外, 未来黄土丘陵区新增造林面积有限, 应避免土地利用类型频繁和大面积调整而造成土壤中已固存碳素的损失.植被增汇主要应从加强现有林草植被的建设和保护出发, 优化土地管理, 提升生态系统碳库的管理水平以增强生态恢复的碳汇效能.

目前, 研究区大面积人工林主要以幼龄林和中龄林为主.图 3和图 6表明, 随着恢复年限的增加, 植被碳密度和土壤碳密度均表现出增加的变化趋势.因此, 随着人工林地的持续恢复, 森林生态系统固碳的潜力可观[4, 6, 16~18, 27].林地枯落物蓄积具有显著增加0~5 cm土层土壤碳密度的作用(图 2和图 5), 保护林下地表枯落物对于增加土壤碳素的输入和增强植被恢复的碳汇功能具有重要的生态意义.此外, 应注重优化林分结构(包括林龄和林分密度), 提高林分质量和生态系统固碳能力和稳定性[6].自然草地比撂荒恢复草地的土壤碳汇功能更强(图 6), 加强退化草地恢复, 促进草地自然演替, 能够发挥较好的固碳作用.

4 结论

(1) 黄土丘陵区植被恢复具有明显的碳汇功能, 地上生物、地下根系和枯落物碳密度均表现出乔木>灌丛>草地>农地的变化特征.草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨0~40 cm土层土壤有机碳密度较农地(1 355.5 g·m-2)分别增加了91.4%、125.2%、144.0%、124.5%和232.6%.

(2) 草地、沙棘、柠条与山杨不同植被组分和不同土层(0~5、5~20和20~40 cm)碳密度随恢复时间的增加总体上表现出增加趋势, 表明退耕还林(草)工程具有可观的增汇潜力.

(3) 半干旱地区水分条件的阴阳坡差异是导致主要恢复植被类型植被碳密度和土壤有机碳密度在不同坡向间发生差异的主要原因.乔木阴阳坡向间的差异对水分条件更加敏感.

(4) 不同类型的生态系统碳密度差异明显, 草地、沙棘、柠条、刺槐和山杨较农地(2 022.1 g·m-2)分别增加了48.7%、152.8%、125.1%、166.3%和530.7%.土壤有机碳构成了主要恢复植被类型碳密度的主体, 说明土壤层在固存大气CO2过程中发挥了主导作用.

致谢: 感谢陕西省延安市吴起县吴起高级中学冯学慧老师和吴起县吴起镇林业站白云斌站长在野外植被调查和土壤采样提供的帮助.感谢北京师范大学地理科学学部程卓在文章修改过程中的指导和帮助.