第３９卷第１８期２０１９年９月
生态学报
ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１８Ｓｅｐ．，２０１９
基金项目：国家自然科学基金项目（４１８７１１９４）；国家重点研发计划课题（２０１６ＹＦＣ０５０１７０１）；中国科学院科技网络服务计划（ＫＦＪ⁃ＳＴＳ⁃ＺＤＴＰ⁃０３６）；城市与区域生态国家重点实验室自主项目（ＳＫＬＵＲＥ２０１７⁃１⁃２）收稿日期：２０１８⁃１２⁃１４；㊀㊀网络出版日期：２０１９⁃０７⁃０４∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｅｉｙａｎｇ＠ｒｃｅｅｓ．ａｃ．ｃｎ
ＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１８１２１４２７３３
冯棋，杨磊，王晶，石学圆，汪亚峰．黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应．生态学报，２０１９，３９（１８）：６５９８⁃６６０９．ＦｅｎｇＱ，ＹａｎｇＬ，ＷａｎｇＪ，ＳｈｉＸＹ，ＷａｎｇＹＦ．ＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｔｏｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｅｐｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎＬｏｅ
ｓｓＨｉｌｌｙ
Ｒｅｇｉｏｎ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１９，３９（１８）：６５９８⁃６６０９．
黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应
冯㊀棋１，２，杨㊀磊１，∗，王㊀晶３，石学圆３，汪亚峰４
１中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京㊀１０００８５２中国科学院大学，北京㊀１０００４９
３北京师范大学地理科学学部，北京㊀１００８７５４中国科学院青藏高原研究所，北京㊀１００１０１
摘要：黄土高原大规模植被恢复显著影响了这一区域土壤水分和有机碳（ＳＯＣ），从而影响其承载的土壤水源涵养和固碳服务㊂明确深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应特征是当前黄土高原地区生态水文与生态系统服务研究的一个重要科学问题，其中植被类型以及生长年限是这一过程的重要影响因素㊂然而，目前关于深层土壤有机碳和土壤水分对植被恢复的响应及二者关系的研究较少㊂通过对陕北典型黄土丘陵区不同植被类型和生长年限下０ ５ｍ土壤水分与有机碳的监测，分析了深层土壤
水分和有机碳对植被恢复的响应及其特征㊂研究发现：（１）植被恢复后０ ５ｍ土层均出现水分亏缺，土壤水分亏缺在表层１ｍ最低，２ ３ｍ最高；对于不同恢复方式，林地土壤水分亏缺在恢复至２１ ３０ａ时显著高于前一阶段（１１ ２０ａ），而在恢复３１ａ后水分开始恢复，而灌木㊁草地土壤水分亏缺程度则随恢复年限延长不断增加㊂（２）林地㊁灌木㊁草地０ ５ｍ平均土壤有机碳含量为１．９７㊁１．７７㊁１．７２ｇ／ｋｇ；林地土壤固碳量随恢复年限的增加而增加，并且在恢复２０ａ时固碳量与对照农田相比出现净增；灌木土壤固碳量随恢复年限先增加后降低；草地土壤固碳量则随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田㊂（３）表层０ １ｍ土壤水分随恢复年限增加变化不显著，深层土壤水分则随恢复年限增加显著降低；相比而言，随恢复年限增加，土壤有机碳随年限的变化在各层土壤中均不显著㊂深层土壤水分与土壤有机碳呈现显著的正相关，且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分，研究认为，深层土壤固碳与土壤水分关系密切，且深层土壤固碳需要充足水分参与㊂深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发展，使深层土壤有机碳输入减少㊂
关键词：土壤水分；有机碳；植被类型；黄土高原；深层土壤
ＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｔｏｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｅｐｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎＬｏｅｓｓＨｉｌｌｙＲｅｇｉｏｎ
ＦＥＮＧＱｉ１，２，ＹＡＮＧＬｅｉ１，∗，ＷＡＮＧＪｉｎｇ３，ＳＨＩＸｕｅｙｕａｎ３，ＷＡＮＧＹａｆｅｎｇ４
１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｒｂａｎａｎｄＲｅｇｉｏｎａｌＥｃｏｌｏｇｙ，ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｃｏ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５，Ｃｈｉｎａ
２ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ３ＦａｃｕｌｔｙｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＢｅｉｊｉｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７５，Ｃｈｉｎａ
４ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ性格用英语怎么说
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕｈａｓｈａｄａｍａｊｏｒｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ（ＳＯＣ），ａｓｗｅｌｌａｓｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｓｅｒｖｉｃｅｓｉｎｔｈｉｓｒｅｇｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｄｅｅｐｓｏｉｌｍｏ
ｉｓｔｕｒｅａｎｄＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔｓｔｏｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｒａｉｓｅｄｓｅｒｉｏｕｓｃｏｎｃｅｒｎｓｉｎｃｕｒｒｅｎｔｓｔｕｄｉｅｓｒｅｇａｒｄｉｎｇｅｃｏ⁃
ｈｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｓｉｎｔｈｅＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｌｉｍｉｔｅｄｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｅｘａｍｉｎｅｄｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｄｅｅｐＳＯＣａｎｄｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｒｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｔｏｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｃｒｉｔｉｃａｌａｒｅａ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（０ ５ｍｄｅｐｔｈ）ｏｆＳＯＣａｎｄｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｕｍａｎ⁃ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅｓ（ｇｒａｓｓｌａｎｄ，ｓｈｒｕｂｌａｎｄａｎｄｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ）ａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅｓｉｎａｔｙｐｉｃａｌｌｏｅｓｓｈｉｌｌｙｗａｔｅｒｓｈｅｄｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｎｄＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｃｒｏｐｌａｎｄｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｓｃｏｎｔｒｏｌｓ．Ｏｕｒａｎａｌｙｓｅｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：（１）Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｕｍａｎ⁃ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅｓ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｏｉ
ｌｌａｙｅｒ（０ １ｍｄｅｐｔｈ）ｈａｄｔｈｅｌｏｗｅｓｔｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔ，ａｎｄｔｈｅ２ ３ｍｄｅｐｔｈｌａｙｅｒｈａｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔ．Ｉｎｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ，ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｇｒｅａｔｅｒｉｎｔｈｅ２１ ３０ａｓｔａｇｅｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔａｇｅ（１１ ２０ａ），ａｎｄｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄａｆｔｅｒ３１ｙｅａｒｓｏｆｇｒｏｗｔｈ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔｉｎｓｈｒｕｂｌａｎｄａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｔｏａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔｏｆｃｒｏｐｌａｎｄｓ．（２）Ｔｈｅｍｅａｎ
ＳＯＣｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ，ｓｈｒｕｂｌａｎｄａｎｄｇｒａｓｓｌａｎｄｉｎｔｈｅ０ ５ｍｄｅｐｔｈｐｒｏｆｉｌｅｗｅｒｅ１．９７，１．７７，ａｎｄ１．７２ｇ／ｋｇ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｉｎｆｏｒｅｓｔｌａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅｓ，ａｎｄｅｘｈｉｂｉｔｅｄｎｅｔｇａｉｎｉｎｔｈｅ
２０ａｓｔａｇｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｒｏｐｌａｎｄ．Ｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｉｎｓｈｒｕｂｌａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｉｔｉａｌｌｙ，ｂｕｔｔｈｅｎｄｅｃ
ｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅ．Ｉｎｃｏｎｔｒａｓｔｔｏｆｏｒｅｓｔｌａｎｄａｎｄｓｈｒｕｂｌａｎｄ，ｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｉｎｇｒａｓｓｌａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅ，ａｎｄｗａｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｆａｒｍｌａｎｄｆｏｒａｌｌｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｓｔａｇｅｓ．（３）Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｌａｙｅｒ（０ １ｍｄｅｐｔｈ）ｄｉｄｎｏｔｅｘｈｉｂｉｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｉｎｄｅｅｐｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅ．Ｎｅｖｅｒｔｈｅｌｅｓｓ，ｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗａｓｆｏｕｎｄｂｅｔｗｅｅｎｌｅｖｅｌｓｏｆＳＯＣａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅａｔａｎｙｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｔｅｓｔｅｄ．Ｉｎｄｅｅｐｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓ，ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄＳＯＣｅｘｈｉｂｉｔｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｒａｔｅｏｆｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＳＯＣｗａｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｓｅｆｉｎｄｉｎｇｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｄｅｅｐｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｗａｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏ
和煦的春风ｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｍａｙｒｅｑｕｉｒｅａｄｅｑｕａｔｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅａｔｇｒｅａｔｅｒｓｏｉｌｄｅｐｔｈ．Ｄｅｅｐｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔｍａｙ
ｒｅｓｔｒｉｃｔｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｅｐｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｂｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｉｎｇｆｉｎｅｒｏｏｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅ；ＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ；ｄｅｅｐｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅ
土壤水分是陆地生态系统的重要组成部分，也是地表过程的重要纽带［１，２］㊂尤其在干旱㊁半干旱的黄土
丘陵区，气候干旱㊁降水稀少且地下水埋藏深，土壤水分是维持生态系统的直接水分来源，是这一地区生态恢复的关键制约因子［３⁃４］㊂近２０年来，黄土高原大规模植被恢复使得人工植被成为主要的植被类型［５⁃６］㊂大规模植被恢复虽有效促进了黄土高原的脆弱生态系统恢复，提升了土壤保持㊁固碳等诸多生态系统服务，但植被生长的同时也大量消耗了土壤水分，导致土壤干燥化，威胁生态系统稳定性［７］㊂土壤水源涵养与固碳作为重要的生态系统服务，明确其对植被恢复的响应特征是黄土高原重要的研究议题［８］㊂
植被类型和生长年限均能影响土壤水分消耗与土壤固碳功能［９⁃１０］，并且土壤水分利用是植被恢复与固碳
的必要条件，高效的碳同化与积累又有助于水分利用效率的提高［１１⁃１２］，因此干旱㊁半干旱区的土壤水源涵养与固碳功能存在紧密的权衡与协同关系㊂例如，Ｊｉａ等［１３］分析了陕北黄土丘陵区植被恢复后多种生态系统服务间的权衡关系，发现植被生长增加了生态系统碳固定却降低了水的可用性㊂Ｌｖ等［８］研究黄土高原４００ ６５０ｍｍ降雨梯度下大规模植被恢复后多种生态系统服务的变化同样发现土壤有机碳与总氮的增加以过度消耗土壤水分为代价㊂明确不同植被恢复类型以及不同生长阶段中土壤水源涵养和固碳两种关键生态系统服务的响应特征，对提升植被恢复的生态系统服务具有重要的科学意义㊂另一方面，黄土丘陵区黄土覆盖深厚，人工植被根系较深，深层土壤的水分利用与固碳作用成为这一地区特殊的生态过程［１４⁃１５］，深层土壤水分是该地区人工植被的重要水源，深层土壤有机碳也是黄土高原土壤碳库的重要组成部分㊂然而，目前的研究多集中于浅层土壤剖面或针对单一生态系统服务的探讨［９，１６］，或集中于土壤碳与氮对植被类型与生长年限响应的研究［９，１７⁃１９］，关于深层土壤有机碳与土壤水分对植被恢复的响应及二者相互关系的研究较少㊂系统研究不同植被恢复方式及生长年限对土壤水分和有机碳的影响，阐明深层土壤水源涵养与固碳的权衡与协同关系，有
９
９５６㊀１８期㊀㊀㊀冯棋㊀等：黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应㊀
利于合理的植被恢复类型选择与配置，维持植被恢复的可持续性和稳定性㊂
本研究以陕北典型黄土丘陵小流域为例，选取不同生长年限（０ ３７ａ）下的典型乔木㊁灌木和草本植被，以农田为参照，对比分析不同植被恢复年限下土壤水分和有机碳的响应特征及二者关系，以期为黄土高原植被恢复可持续性维持和生态系统服务提升提供科学依据㊂
１㊀材料和方法
１．１㊀研究区概况
研究区位于陕西省安塞县大南沟小流域（３６ʎ５４ᶄ ３６ʎ５６ᶄＮ，１０９ʎ１６ᶄ １０９ʎ１８ᶄＥ），流域海拔１０７５ １３５０ｍ，面积３．４６ｋｍ２㊂多年平均降雨量５４９ｍｍ，其中７５％的降雨集中在６ ９月间，年际变率达７４．５％㊂多年平均气温９ħ，１月平均气温－８ħ，７月平均气温２２ħ，年大于１０ħ积温约为３１７０ħ㊂流域属黄土丘陵沟壑区，地表切割破碎，冲㊁切沟发育，土壤类型主要为黄土母质上发育的黄绵土，粉粒占６４％ ７３％，粘粒占１７％ ２０％㊂土质疏松，抗侵蚀性差㊂流域经过多年的人工植被恢复，现主要土地利用有刺槐乔木林地㊁柠条灌木林地㊁撂荒地㊁天然荒草地㊁苹果园地㊁梯田耕地和农村居民点，其中刺槐㊁柠条㊁沙棘等为人工植被恢复恢复类型㊂
１．２㊀研究方法
１．２．１㊀采样点布设和样品采集
于２０１７年８月在流域内综合考虑地形㊁植被类型㊁生长年限等因素，选取具有不同植被类型及恢复年限且地形条件较为一致的３４个固定样地（表１），各样地地形㊁土壤等环境因子基本一致㊂选取１个长期耕作的农田作为对照，研究不同植被恢复类型及生长年限对土壤水分和有机碳的影响㊂使用罗盘测定每个样地的坡度和坡向信息，使用ＧＰＳ测定各样地海拔高度，坡向原始记录以朝北为起点０ʎ，顺时针旋转的角度表示㊂坡度（ʎ）与海拔（ｍ）以实际观测值表示㊂
采用轻型人力钻在每个样地钻取０ ５ｍ深度的土壤样品，以２０ｃｍ为间隔取样㊂土壤样品一部分装入铝盒后封装，在１０５ħ下烘干１２ｈ测定其重力土壤含水量；另一部分装入自封袋带回实验室自然风干，过筛后采用重铬酸钾法测量有机碳含量㊂
宝宝奶瓶１．２．２㊀数据分析方法
（１）土壤水分含量采用烘干法（１０５ħ）测定㊂
土壤水分含量（％）＝鲜重－干重
干重
ˑ１００％
（２）土壤有机碳（Ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ＳＯＣ）含量测定取土壤样品过０．１５ｍｍ筛后，采用高温外热重铬酸钾氧化⁃容量法进行测定㊂
（３）土壤水分亏缺效应（Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔ，ＳＭＤ）用于评估不同植被恢复方式对土壤水源涵养的影响㊂
ＳＭＤｊ，ｋ＝ＳＭＣｊ，ｋ－ＳＭＣ０，ｋ
ＳＭＣ０，ｋ
式中，ＳＭＤｊ，ｋ为ｋ层ｊ植被恢复方式下土壤水分亏缺效应，ＳＭＣｊ，ｋ为ｋ层ｊ植被恢复方式下土壤水分含量（％），ＳＭＣ０，ｋ为对照农田ｋ层土壤水分含量（％）㊂
（４）土壤固碳效应（Ｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ，ＳＣＳ）用于评估不同植被恢复方式的土壤固碳能力㊂
ＳＣＳｊ，ｋ＝ＳＣＳｊ，ｋ－ＳＣＳ０，ｋ
ＳＣＳ０，ｋ
式中，ＳＣＳｊ，ｋ为ｋ层ｊ植被恢复方式下土壤固碳效应，ＳＣＳｊ，ｋ为ｋ层ｊ植被恢复方式下土壤有机碳含量（ｇ／ｋｇ），ＳＭＣ０，ｋ为对照农田ｋ层土壤有机碳含量（ｇ／ｋｇ）㊂
１．２．３㊀统计分析方法
八角苗采用描述性统计分析不同植被恢复年限与不同恢复方式下土壤水分㊁有机碳分布与变化情况，并采用单００６６㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀
因素方差分析㊁多重比较㊁回归分析，研究不同植被恢复方式在植被恢复过程中水碳变化的差异性（Ｐ＜０．０５）㊂各类分析通过Ｏｒｉｇｉｎ９．１完成㊂
表１㊀不同植被类型与生长年限样地统计
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌｏｔｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅｓａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅｓ
恢复方式Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｔｙｐｅｓ样地编号Ｎｏ．
主要植被Ｍａｉｎｐｌａｎｔｓｐｅｃｉｅｓ倚天屠龙h
退耕年限
Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ
ａｇｅｓ／ｙｒ
海拔
Ａｌｔｉｔｕｄｅ／ｍ
坡向Ｓｌｏｐｅｓａｓｐｅｃｔ／ʎ坡度Ｓｌｐｅｓｄｅｇｒｅｅ／ʎ坡位Ｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎ水平坡形Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｌｏｐｅｓｈａｐｅ垂直坡形Ｖｅｒｔｉｃａｌｓｌｏｐｅｓｈａｐｅ林地１刺槐Ｒｏｂｉｎｉａｐｓｅｕｄｏａｃａｃｉａ１１１１８０１１９．５１６中下平平Ｆｏｒｅｓｔｌａｎｄ
２刺槐１４１２８０２９６
１８中微凸微凸３刺槐１７１３００７０．５２７中凸平４杏Ｐｒｕｎｕｓａｒｍｅｎｊａｃａ
１７１２９０２２２．５２２
上凸
凸５刺槐１７１２１０２１２．５９．５上微凸凸６刺槐１７１２１０１２３１２．５上微凸凸７刺槐１７１１９０１９０２２．８下凸平
８刺槐１９１２６０３１５．５１０．５上平微凸９
刺槐２０１３１０７３
３１．５中平平１０刺槐２１１３２０１０４．５３２
中凸平１１刺槐２１１０９０２０７２８．５中凸平１２刺槐２４１１７０１８８１５上凸平１３刺槐２７１３００２７５２７中凸平１４刺槐２７１１９０２１３
２２上凸平１５刺槐２９１０９０１６５．５３４．５中凸微凸１６山杏３３１２９０３１２．５１５．５中平
凹１７刺槐３４１３７０２８８２２上
微凹平１８刺槐３４１３３０１７４４０．５中上微凸平１９刺槐３４１３００６３．５
１７．５上平微凸２０紫薯泥
刺槐３５１３７０３１９．５２６下平平２１刺槐３７１１７０３５．５４１中上微凸平灌木２２沙棘Ｈｉｐｐｏｐｈａｅｒｈａｍｎｏｉｄｅｓ１１１１９０１２９１２．５下微凸平Ｓｈｒｕｎｂｌａｎｄ
２３沙棘１７１３１０１３７．５３４．５中上
微凸平２４沙棘１７１２４０１８３５．５
上凸凸２５沙棘２８１３１０７４．５３０．５中平平２６柠条ＣａｒａｇａｎａＫｏｒｓｈｉｎｓｋｉｉ３４１３１０３４
２４．５中平平２７
柠条
３５１３３０７５．５２６中下凸平草地Ｇｒａｓｓｌａｎｄ
２８旱芦苇Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓａｕｓｔｒａｌｉａｓ㊁早熟禾Ｐｏａａｎｎｕａ㊁刺儿菜Ｃｉｒｓｉｕｍｓｅｔｏｓｕｍ
２１２３０６６．５１上平平２９旱芦苇㊁猪毛蒿Ａｒｔｅｍｉｓｉａｓｃｏｐａｒｉａ㊁２１１９０７５１中平平３０铁杆蒿Ａｒｔｅｍｉｓｉａｇｍｅｌｉｎｉｉ㊁早熟禾㊁草木樨状黄芪Ａｓｔｒａｇａｌｕｓｍｅｌｉｌｏｔｏｉｄｅｓ２７１３３０２７５．５２４．５中凸微凸３１披针叶苔草Ｃａｒｅｘｌａｎｃｅｏｌａｔａ㊁朝天委陵菜Ｐｏｔｅｎｔｉｌｌａｓｕｐｉｎａ㊁达乌里胡枝子Ｌｅｓｐｅｄｅｚａｄａｖｕｒｉｃａ２８１２７０２６０１３．５上平微凸３２铁杆蒿㊁多花胡枝子Ｌｅｓｐｅｄｅｚａｆｌｏｒｉｂｕｎｄａ㊁达乌里胡枝子２９１２７０９０．５２５．５中平平３３
铁杆蒿㊁草木樨状黄芪㊁火绒毛草Ｈｏｌｃｕｓｌａｎａｔｕｓ２９１３００３４２．５１９中微凸平农田Ｃｒｏｐｌａｎｄ
３４大豆Ｇｌｙｃｉｎｅｍａｘ０
１１７０
３６．５
１中平
平１
桂林介绍
０６６㊀１８期㊀㊀㊀冯棋㊀等：黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应㊀
２０６６㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀２㊀结果与分析
２．１㊀土壤水分对植被恢复的响应
由图１可知，不同恢复年限的林地㊁灌木㊁草地土壤水分均低于未进行植被恢复的农田，草地㊁林地㊁灌木０ ５ｍ平均土壤水分含量依次降低，分别为８．３０％㊁６．４２％㊁５．５４％㊂将植被恢复年限划分为小于１０ａ㊁１０ ２０ａ㊁２１ ３０ａ与大于３１ａ四个阶段，除第１阶段外，第２㊁３㊁４阶段间土壤水分含量差异较小，且随退耕年限增
加，土壤水分含量减少㊂由图２可知，进行植被恢复的样地在不同土壤深度内均出现土壤水分亏缺，且水分亏缺均在２ ３ｍ土层最为严重，表层０ １ｍ土壤水分亏缺最小㊂在０ ５ｍ土壤剖面内，林地土壤水分亏缺在恢复至２１ ３０ａ时高于前一阶段（１１ ２０ａ），随后亏缺状况在大于３１ａ后得到缓解㊂灌木土壤水分亏缺总体呈逐渐增加趋势，并在大于３１ａ显著增加㊂草地土壤水亏缺在０ ５ｍ土层随恢复年限延长显著增加，但显著低于林地㊁灌木㊂当植被恢复至１０ ２０ａ时，灌木土壤水分亏缺高于林地，ＳＭＤ分别为－０．７０㊁－０．６７；在恢复至２１ ３０ａ时，林地土壤水分亏缺高于灌木㊁草地，ＳＭＤ分别为－０．７３㊁－０．７０㊁－０．６６㊂在恢复年限大于３１ａ后，灌
０．５９㊂
木水分亏缺高于林地，ＳＭＤ分别为－０．７５与－
图１㊀不同植被恢复方式年限下土壤水分垂直分布特征
Ｆｉｇ．１㊀Ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔ
ｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅｓａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅｓ
２．２㊀土壤有机碳对植被恢复的响应
由图３可知，林地０ ５ｍ平均土壤有机碳含量高于灌木㊁草地，分别为１．９７㊁１．７７㊁１．７２ｇ／ｋｇ㊂从时间分布来看，对照农田与１０ａ㊁１０ ２０ａ㊁２１ ３０ａ㊁３１ａ土壤有机碳含量分别为２．１１㊁２．０７㊁１．８１㊁１．８８㊁１．８２ｇ／ｋｇ㊂不同土壤剖面土壤有机碳含量随植被恢复年限增加呈不同变化趋势，在０ １ｍ㊁３ ４ｍ土壤剖面，随植被恢复年限增加土壤有机碳含量变化不显著㊂在１ ２ｍ㊁２ ３ｍ土壤剖面，随植被恢复年限增加，土壤有机碳含量波动递减，在４ ５ｍ土壤剖面，植被恢复后平均土壤有机碳含量高于对照农田㊂
由图４可知，三种植被恢复方式下土壤有机碳变化趋势相似，在１ ３ｍ土壤剖面固碳量为负，林地㊁灌木㊁草地２ ３ｍＳＣＳ分别为－０．２５㊁－０．２２㊁－０．３２㊂林地０ １ｍ㊁３ ４ｍ土壤剖面内固碳量随植被恢复年限增加而增加，在１ ３ｍ㊁４ ５ｍ土壤剖面内呈先增加后减少趋势，但在０ ５ｍ土壤剖面内随恢复年限增加固碳
图２㊀不同植被恢复方式与恢复年限下土壤水分亏缺效应
Ｆｉｇ．２㊀Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｆｉｃｉｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｙｐｅｓａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｇｅｓ
大写字母表示不同植被同一恢复年限间ＳＭＤ的显著性差异，小写字母代表同一植被不同恢复年限间ＳＭＤ的显著性差异，如有一个字母相同表示差异不显著（Ｐ＜０．０５，ＬＳＤ）
量增加，ＳＣＳ分别为－０．１４㊁０．０４㊁０．０７㊂灌木固碳量随植被恢复年限先增加后减少，
第２㊁３㊁４恢复阶段ＳＣＳ分别为－０．０９㊁－０．０５㊁－０．２７；草地固碳量随植被恢复年限增加而减少，第１㊁３恢复阶段ＳＣＳ分别为０．０２㊁－０．２３㊂植被生长１１ ２０ａ时，林地土壤固碳量低于灌木，在生长至２１ ３０ａ时，林地土壤固碳量则高于灌木与草地㊂２．３㊀土壤水分／有机碳与植被恢复年限的关系
图５展示了土壤水分㊁有机碳同植被恢复年限的关系㊂在０ ５ｍ土层内，随植被恢复年限增加，土壤水分均呈递减趋势，其中２ ５ｍ土层显著递减㊂随植被恢复年限增加，土壤有机碳在０ １ｍ㊁３ ４ｍ土壤剖面增加，而在１ ３ｍ有所减少，但土壤有机碳变化在各层土壤中均不显著㊂由图６可知，土壤水分与有机碳在
１ ２ｍ与３ ５ｍ土层存在显著的相互作用，土壤碳的增加分别为土壤水分增加的０．３８４㊁０．８３５㊁０．５４９倍（土壤有机碳与水分单位均为％的条件下）㊂
３㊀讨论
３．１㊀植被恢复对深层土壤水分的影响
植被主要通过根系的吸收㊁利用以及冠层截留对土壤水分产生影响［２０］㊂不同植被恢复方式与恢复年限显著影响水文过程，尤其是渗透与蒸散发，从而导致土壤水分含量的时空异质性［２１⁃２２］
兰溪村
㊂黄土高原诸多研究表明农田与草地土壤水分要高于林地［６，２２⁃２４］㊂本研究中，不同植被恢复方式下土壤水分依次为农田＞草地＞林地＞灌木㊂耗水性乔灌木根系虽主要分布于０ ２ｍ土层，但主根随恢复年限的增加不断下伸，成熟主根一般深达３ ６ｍ，最大可达８ｍ以下土层，强烈消耗深层土壤水分［２５］㊂农田受人为耕作活动影响，表层土壤疏松且
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㊀１８期㊀㊀㊀冯棋㊀等：黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应㊀
