崔 静，陈云明，曹 扬，王琼芳，黄佳健，王琳琳

（1．西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；2．西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100；3．西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；4．云南今禹生态工程咨询有限公司，昆明650244；5．榆林市绿巨人水利设计有限责任公司，陕西 榆林719000）

黄土丘陵区水土流失严重，生态环境极其脆弱，以退耕还林还草为主的植被恢复措施是该区生态环境重建的根本措施。植被恢复不仅能有效减少水土流失，还可以通过土壤—植物复合系统功能来提高土壤质量［1］。土壤有机碳作为土壤的重要组成部分，不仅能直接反映土壤的肥力水平，衡量土壤质量［2］，还能有效反映土地、林地经营管理利用水平，并可用土壤碳库管理指数进行量化［3］，且已有学者将土壤有机碳及碳库管理指数变化用于退化生态系统恢复评价［1，4－5］。碳库管理指 数 的 概 念 是lefroy等［4］结 合 了人为因素影响下土壤碳库指数和碳库活度两方面的内容提出的，既反映了外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳组分的变化情况，碳库管理指数还能够对土壤的经营和管理是否科学做出评价，其值升高表明该措施有利于土壤的培肥，土壤肥力上升，反之则说明该措施不利于土壤培肥，土壤肥力下降［6－7］。目前国内外对碳库管理指数的研究，多偏重于不同耕作措施［8－12］，不同施肥情况［7，13－14］对土壤有机碳及碳库管理指数的研究，较少涉及到林地经营管理方面。在黄土丘陵区植被恢复过程中，种植了大量的柠条林，并且许多研究表明，在黄土丘陵区种植柠条，能够改良土壤性质，恢复和维持土壤肥力［15－16］，提高土 壤 有 机 碳 含 量［17］。 虽 然 目 前 已 有 关于黄土丘陵区人工柠条林对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响方面的报道［5］，但因时间序列短导致其对土壤有机碳及碳库管理指数的变化机制特征还不是很明确。基于此，本文以10，17，30，34，40，50a较长时间序列人工柠条林为研究对象，分析黄土丘陵区0—40cm土层范围内土壤中有机碳、活性有机碳及碳库管理指数的变化特征，以期为阐明黄土丘陵区人工灌木林土壤固碳机制及土壤质量监测提供理论依据。

1 研究区概况

选择陕西省安塞县中国科学院安塞水土保持综合试验站纸坊沟示范区流域作为研究区域，地理位置109°13′46″—109°16′03"E，36°46′42″—36°46′28″N。该区属黄土丘陵沟壑区，海拔1 010～1 400m，暖温带半干旱季风气候；流域面积为8．27km2；年均气温8．8℃，≥0℃的积温3 733．5℃，干燥度1．5，无霜期157～194d。年均降水量542．5mm，且分布不均，7—9月3个月降雨量占年降雨量的61．1%，多暴雨；年均蒸发量为1 463mm。土壤类型为黄绵土，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，其中，天然林已遭破坏；乔木以刺槐（Robinnia pseudoacacia）和小叶杨（Populussimonii）等为主；灌丛主要有柠条（Caraganamicrophylla）和沙棘（Hippophaerhamnoides）等人工林灌丛以及封禁后形成的黄刺玫（Rosaxanthina）、狼牙刺（Sophoraviciifolia）等天然灌丛；主要为铁杆蒿（Artemisia sacrorum）、茭蒿（Artemisiagiraldii）、长芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloaischaemum）等形成的草原和干草原。

2 材料与方法

采用时空替代法，于2009年5—6月在纸坊沟流域内全面实地踏勘的基础上选取坡度、坡向、坡位等立地条件相似，造林和管理方式相对一致的不同年限的柠条人工林样地6块（表1），生长年限分别为10，17，30，34，40，50a（柠条林人工林均是在退耕地进行穴播形成的），并分别在每个样地内设置3个20m×20m样方。在每个样地的3个样方内用土钻沿对角线多点混合采样，采样深度为0—40cm，每隔20cm取样1次，共采集土样36个。样品采回后，剔除石块和动植物残体等杂质，风干，磨碎，过筛后装袋备用。

土壤全氮测定采用半微量凯氏法［18］；土壤全磷测定采用硫酸—高氯酸法［18］；有效磷用0．5mol／L碳酸氢钠法［18］测定；速效钾的测定采用醋酸铵浸提—火焰光度法［18］；总有机碳测定采用重铬酸钾容量法—外加热法［18］；活性有机碳采用高锰酸钾氧化法测定［19］；非活性有机碳含量为总有机碳和活性有机碳含量之差。土壤碳库管理指数的计算［2］：以10a柠条林地土壤为参考，利用Excel和SPSS 16．0统计软件对数据进行统计分析。其中：碳库活度＝活性碳含量／非活性碳含量；碳库活度指数＝样品碳库活度／参考土壤碳库活度；碳库指数＝样品全碳含量／参考土壤全碳含量；碳库管理指数＝碳库指数×碳库活度指数×100。

表1 样地详细概况

3 结果与分析

3．1 不同生长年限柠条林地土壤碳组分变化

3．1．1 土壤总有机碳含量 由表2可知，随着柠条生长年限的增加，柠条林地0—40cm土层平均土壤有机碳含量先增加后趋于平稳。不同生长年限的柠条林地平均土壤有机碳含量在10a时最小，为2．34 g／kg，34a时最大，为4．29g／kg，到40，50a时，柠条林地土壤平均有机碳基本处于积累与消耗的相对稳定状态，其值稳定在4．11～4．14g／kg。图1A为不同年限柠条林地各土层土壤总有机碳变化情况。0—20cm土层土壤总有机碳的变化与0—40cm土层平均土壤有机碳含量变化一致：10a最小为2．68g／kg，34a时最大为6．35g／kg，40，50a稳定在5．44～5．45g／kg。20—40cm土层土壤总有机碳也随柠条生长年限的增加不断增加，但其增幅明显低于0—20 cm土层。柠条林地0—20cm土层土壤总有机碳含量是20—40cm土层的1．34～2．86倍，这说明土壤有机碳的分布具有一定的表聚性［20］，且有机碳主要集中分布在土壤的表层。

表2 柠条林不同生长年限0－40cm土层土壤平均总有机碳、平均活性有机碳含量变化

3．1．2 土壤活性有机碳含量 随着柠条生长年限的增加，0—40cm土层平均活性有机碳含量呈上升趋势，其他林龄的平均活性有机碳含量比10a高出30%～107．5%（表2）。由图1B可以看出，0—20cm土层土壤活性有机碳含量变化与0—40cm土层土壤平均活性有机碳含量变化一致，在10a时最低为0．48 g／kg，50a最高为1．17g／kg；20—40cm土层土壤活性有机碳含量在17a和30a时比10a下降了6．1%～18．1%，但三者之间差异并未达到显著水平（P＜0．05），40a时活性有机碳含量最高为0．51，是10a的1．55倍，50a时含量比40a时有所下降，但仍比10a高出42．4%。

图1 不同生长年限柠条林地不同土层土壤总有机碳、活性有机碳含量变化

3．2 不同生长年限柠条林地土壤碳库管理指数

碳库活度和碳库活度指数都可以用来反映土壤碳素的活跃程度，活度越大，表示有机碳越易被微生物分解，质量也就越高［3］。由表3可知，不同土层深度中土壤碳库活度和碳库活度指数均随林龄增加而增加，其中碳库活度在0—20cm土层的值高于20—40cm土层，而碳库活度指数除了在30a和50a时0—20cm土层的值高于20—40cm土层外，其他林龄均为20—40cm土层的值等于或高于0—20cm。总体而言，柠条林地0—40cm土层碳库活度及碳库活度指数随柠条林生长年限的增加整体增加，说明随柠条林生长，柠条林地土壤碳库活性增大，土壤中的活性有机碳与非活性有机碳处于一种高速周转的动态平衡之中，土壤中碳素质量得到改善。

表3 不同生长年限柠条林地土壤碳库管理指数

表3还说明，柠条林地的碳库指数变化与碳库管理指数的变化一致，随林龄增加均表现为0—20cm土层明显高于20—40cm土层。就碳库管理指数而言，在0—20cm土层，随生长年限的增加，柠条林地的碳库管理指数明显提高，比10a柠条林地高出54．2%～153．0%；而在20—40cm土层，柠条林地的碳库管理指数提高幅度不及0—20cm土层，甚至在17～30a期间比10a时下降了8．0%～16．9%。柠条林地各土层碳库管理指数提高幅度的不同可能与土壤表层有机质的来源和土壤微生物活性有关，表层土壤有机质主要来源于植物凋落物和分布在表层根系的凋亡，加上表层有适宜的温度和水分，促进了土壤微生物活动，使土壤的碳素循环加快。

3．3 土壤碳组分、碳库管理指数与土壤肥力指标之间相关性分析

通过分析活性有机碳与总有机碳、碳库管理指数及土壤肥力因子之间的相关关系发现，活性有机碳与总有机碳和其他肥力指标均呈极显著的正相关关系，详见表4。由表4可以看出，碳库活度与碳库活度指数存在极显著的正相关关系，并与活性有机碳、总有机碳、碳库指数及碳库管理指数达极显著或显著相关，但与土壤肥力指标间的相关性较弱；碳库指数和碳库管理指数与土壤碳组分、其他主要肥力指标之间都表现为显著相关。

表4 土壤碳组分、碳库管理指数与土壤肥力指标之间的相关性

4 结论与讨论

随生长年限的增加，柠条林地0—40cm土层平均总有机碳含量先增加后趋于平稳：10a时含量最小，仅为2．34g／kg，之后迅速累积，到34a时含量最高，为4．29g／kg，比10a时高出83．3%，40a和50a时积累与消耗处于相对稳定状态，其值稳定在4．11～4．14g／kg。本研究中柠条林在生长10～34a时有机碳积累迅速，与张晋爱等［21］在该地区研究得出的10～22a是柠条林土壤有机质快速积累期的研究结论基本一致。

不同生长年限柠条林地土壤平均活性有机碳含量随林龄增加也表现为先增加后趋于平稳：10a时含量最小为0．40g／kg，40a和50a时含量最高，并稳定在0．82～0．83g／kg。唐国勇等［22］人在干热河谷的研究表明，人工林地土壤有机碳活性高于荒地，且碳库处于良性状况，这也间接证明了种植人工林有助于土壤碳库的提高，与本文研究得出的结论相似。薛萐［23］等的研究中，分别对黄土丘陵区人工刺槐林总有机碳、活性有机碳与其生长年限进行耦合分析发现，随林龄增加，总有机碳与活性有机碳均线性增加。戴全厚［5］也得出类似的结论。而在本研究中对柠条林地土壤总有机碳和活性有机碳分别与生长年限进行耦合分析发现，二者变化并不一致，土壤总有机碳随林龄增加呈二次多项式变化：y＝－0．0017x2＋0．1451x＋1．0952，R2＝0．963 6，而活性有机碳随林龄增加呈线性增加：y＝0．0111x＋0．3189，R2＝0．9379。

戴全厚等［5］的研究表明，随林龄增加，碳库指数和碳库管理指数显著增加。本研究也表明，随着柠条林的生长，土壤碳库指数和碳库管理指数均呈上升趋势，说明在黄土丘陵区种植柠条林能够使土壤肥力上升，促进土壤向良性发展。柠条林地土壤活性有机碳与总有机碳之间及其他肥力指标均极显著正相关，表明不仅总有机碳是衡量土壤质量的评价指标［1］，活性有机碳也可以作为描述土壤质量的重要指标［24］，并能用来反映土壤的肥力状况及指示植被恢复对土壤质量的影响；碳库指数和碳库管理指数与土壤碳组分、其他主要肥力指标之间都显著相关，这与薛萐等［25］在黄土丘陵区研究不同农田类型下土壤碳库管理指数得出的结果一致。Sodhi等［26］的研究表明，在一个新的生态系统或措施下，碳库管理指数可以用来监测随时间变化土壤质量下降或更新的程度，根据本文研究，说明碳库指数和碳库管理指数也可以作为反映黄土丘陵区植被恢复过程中的监测因子。

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