衣鵬慧,吳會峰,胡保安,溫 馨,韓海榮,程小琴

北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護學(xué)院, 北京 100083

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫,土壤有機碳(SOC)儲量約為大氣碳庫的3.3倍,植被碳庫的4.5倍[1-2]。SOC作為土壤碳庫的重要組成部分,其動態(tài)平衡在全球氣候變化和碳循環(huán)中的作用尤為重要。黃土高原位于干旱與半干旱地區(qū),地質(zhì)破碎,土壤侵蝕嚴重,長期以來面臨著嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[3],土壤侵蝕造成的SOC損失是大氣CO2濃度加劇的驅(qū)動因素之一[4]。植被恢復(fù)通過促進植物和土壤中碳的吸收和利用,被認為是實現(xiàn)“雙碳目標”下的生態(tài)修復(fù)的一種有效途徑,SOC儲量的提升可能會降低大氣中CO2濃度的增加。在日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題和氣候變化威脅的雙重背景下,如何最大限度地提高黃土高原地區(qū)SOC儲量來恢復(fù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)以及降低土壤侵蝕帶來的消極影響已成為許多生態(tài)學(xué)者共同關(guān)切的熱點議題。

自退耕還林工程實施以來,盡管已有大量研究表明植被恢復(fù)措施對提高SOC儲量具有顯著成效[5-8],但由于不同植被類型光合及生物殘體等有機物質(zhì)的輸入,以及植物和土壤微生物分解作用為主的有機物質(zhì)的損失之間的復(fù)雜生態(tài)過程對SOC動態(tài)平衡的作用機制的響應(yīng)不同[9],有機質(zhì)的輸入和輸出過程因受到氣候、植被、土壤等多方面因素的綜合影響,導(dǎo)致不同區(qū)域植被恢復(fù)對SOC儲量作用規(guī)律表現(xiàn)不同的特征[10]。相關(guān)研究表明草地SOC固存對年平均氣溫(MAT)和年平均降雨量(MAP)的響應(yīng)比林地更敏感[11]。在MAP較少(<550 mm)的地區(qū)進行草地和灌木地恢復(fù),在MAP較多(>550 mm)的地區(qū)進行林地恢復(fù)可以減少SOC的損失[12]。除氣候因素,SOC儲量的變化特征還可不同程度地被植被恢復(fù)年限所解釋。例如,草地恢復(fù)需>30年才可達到農(nóng)田SOC儲量水平[13],但是也有研究表明需要約100年的恢復(fù)年限[14]。同時,在植被恢復(fù)過程中,植被覆蓋率的增加改變了地表覆被情況,土壤特性發(fā)生變化,使得SOC儲量得到了提升[15]。此外,有研究表明SOC儲量在幼林中(<15年)隨MAP的增加而增加,但在中老林(>15年)中呈現(xiàn)減少的趨勢[16]。因此,植被恢復(fù)后SOC儲量的增加或減少在很大程度上取決各種因素的相互作用,而這些因素之間的復(fù)雜相互作用還缺少定量評估。目前,退耕還林后關(guān)于植被恢復(fù)對土壤固碳效應(yīng)的研究尺度多基于黃土高原有限試驗點,難以充分代表該地區(qū),所得出的結(jié)論在更大區(qū)域范圍內(nèi)普適性較差,明確SOC儲量的總體變化趨勢和多因素間復(fù)雜的作用機制是十分必要的。

本文旨在:(1)明確退耕還林后植被恢復(fù)是否會增加黃土高原地區(qū)SOC儲量;(2)探討氣候因素、植被因素和土壤因素下SOC儲量的變化特征;(3)揭示和量化評估影響SOC儲量的關(guān)鍵因子及其相互作用。以期為黃土高原不同氣候區(qū)及不同恢復(fù)條件下選擇合理的植被配置方式提供參考,發(fā)揮退耕還林生態(tài)工程的最大效益。

1 材料與方法

1.1 文獻檢索

本文通過中國知網(wǎng)、萬方和Web of Science中英文數(shù)據(jù)庫對1999-2022年的相關(guān)論文進行檢索。中文以“黃土高原”、“植被恢復(fù)”、“植被恢復(fù)類型”、“土地利用”、“土地利用方式”、“土壤有機碳”、“土壤有機碳儲量”和“土壤養(yǎng)分”等關(guān)鍵詞進行檢索。英文以“the Loess Plateau”、“vegetation restoration”、“vegetation restoration types”、“l(fā)and use”、“l(fā)and use pattern”、“soil organic carbon”、“soil carbon storage”和“soil nutrient”等關(guān)鍵詞進行檢索。為保證研究的準確性,盡可能全面搜索黃土高原地區(qū)“植被恢復(fù)與SOC固存”的相關(guān)文獻。

為滿足篩選和分析數(shù)據(jù)時的準確性,采用以下標準篩選文獻:(1)確定文獻研究的所需指標均來自黃土高原地區(qū)試驗位點;(2)文獻中至少包含一種以農(nóng)田為對照組的植被恢復(fù)類型(林地、灌木地、草地);(3)SOC儲量可以直接或間接由土壤有機質(zhì)、SOC以及容重計算得到。(4)文獻中對樣本數(shù)、平均值等數(shù)據(jù)記錄清晰,圖表數(shù)據(jù)采用GetData Graph Digitize 2.26軟件提取。

最終獲得117篇符合標準的文獻:中文79篇,英文38篇,共1140組SOC數(shù)據(jù)。檢索后對SOC儲量數(shù)據(jù)進行偏移檢驗,結(jié)果顯示失安全數(shù)(Fail-safe number)為19967.3,遠遠大于臨界值595(5N+10),不存在文獻偏移。檢索的指標有經(jīng)度、緯度、MAT、MAP、植被恢復(fù)年限、植被覆蓋率、SOC儲量、SOC含量、土壤有機質(zhì)、土壤容重和土壤采樣深度。

1.2 數(shù)據(jù)分類

為了更全面探討影響退耕還林后植被恢復(fù)對SOC儲量的因素,本文根據(jù)黃土高原地區(qū)基本特征和所收集數(shù)據(jù)的均勻性對指標進行分組,具體分組情況如下(表1)所示。

表1 因素分組信息Table 1 Factor classification information

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤有機質(zhì)采用0.58為系數(shù)進行有機碳含量換算,計算公式為[17]:

SOC=SOM×0.58

(1)

式中,SOC為土壤有機碳含量(g/kg);SOM為土壤有機質(zhì)含量(g/kg)。

將數(shù)據(jù)中不同土壤深度分類的SOC含量歸一化處理:比如0-5cm、5-10cm、10-20cm等,按照土壤深度分別加權(quán)平均到相同土壤深度。對于只給出單層SOC含量的數(shù)據(jù)根據(jù)楊睿哲等[11]和Li等[18]方法調(diào)整到0-20cm土層,計算公式為:

(2)

式中,SOCt為0-20 cm土壤深度的SOC含量(g/kg);0.9928為SOC含量隨土壤深度變化的相對減少率;H為原始采樣深度(cm);SOCH為原始土壤深度的SOC含量。

將文獻中檢索的SOC數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成SOC儲量,計算公式為:

(3)

式中,SOCS為SOC儲量(Mg/hm2);BD為土壤容重(g/cm3);H為土壤深度(cm)。

使用WU等[19]的方法估算未給出的土壤容重(BD),計算公式為:

BD=-0.1229×ln(SOC)+ 1.2901(SOC>60 g/kg)

(4)

BD=1.3774e-0.0413 ×SOC(SOC<60 g/kg)

(5)

(6)

進行Meta分析時,用效應(yīng)值(lnR)反映不同植被恢復(fù)類型對SOC儲量的影響,Var為lnR的方差,計算公式為[21]:

(7)

(8)

綜合效應(yīng)值(lnR++)、lnR++的標準誤差(SE)和權(quán)重(W)的計算詳見參考文獻[22];為了更直觀地反映SOC儲量對植被恢復(fù)的響應(yīng),將結(jié)合效應(yīng)值轉(zhuǎn)化為SOC儲量的變化率(X),計算公式為[23]:

X=(elnR++-1)×100%

(9)

如果X的95%置信區(qū)間在零刻線右側(cè),則表示相對于實驗組(農(nóng)田),處理組(植被恢復(fù))顯著增加SOC儲量;反之則顯著減少;若X的95%置信區(qū)間包含零刻線,則表示處理組對SOC儲量無顯著作用。進行Meta分析時,對收集的數(shù)據(jù)進行異質(zhì)性檢驗,若P<0.05,使用隨機效應(yīng)模型進行亞組分析;若P>0.05,則采用固定效應(yīng)模型[24]。

地理探測器是一種基于空間分異性來探索變量驅(qū)動機制的一種統(tǒng)計學(xué)方法,該方法將連續(xù)性變量進行離散化處理后,通過建立自變量與因變量之間的模型,分別計算和比較自變量的q值及兩個自變量疊加后的q值,判斷每個因變量對自變量的影響程度以及因變量間是否存在交互作用以及交互作用的強弱[25]。因此本文運用地理探測器方法對退耕還林后黃土高原地區(qū)SOC儲量變化特征進行多因子定量歸因,甄別不同植被恢復(fù)類型下SOC儲量變化的主要驅(qū)動因素及其交互作用。

本文使用MetaWin 2.1計算效應(yīng)值及其95%置信區(qū)間;并運用R 4.1.3進行地理探測器分析影響因素對SOC儲量的相對貢獻率及交互作用;最后用Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被恢復(fù)對SOC儲量影響的總體特征

與農(nóng)田相比,植被恢復(fù)下SOC儲量效應(yīng)值lnR的頻數(shù)分布呈顯著性正態(tài)分布(P<0.01),滿足Meta分析的必要條件(圖1)。其中,林地SOC儲量的效應(yīng)值lnR主要分布在0.00-0.50,均值為0.335;灌木地SOC儲量的效應(yīng)值lnR主要分布在-0.20-0.50,均值為0.299;草地SOC儲量的效應(yīng)值lnR主要分布0.00-0.30,均值為0.146)。

圖1 SOC儲量效應(yīng)值的頻率分布Fig.1 Frequency distribution of the effect size of SOC storageM、SD和N分別為平均值、標準差和樣本量;曲線為擬合高斯分布函數(shù),P為顯著性檢驗概率水平

總體來看,植被恢復(fù)可顯著提高SOC儲量(27.83%)。SOC儲量的增加效應(yīng)以林地最大(36.21%),灌木地次之(32.41%),草地最小(15.57%)。其中,林地、灌木地與草地呈現(xiàn)顯著差異,林地與灌木地間無顯著差異(圖2)。

圖2 SOC儲量對植被恢復(fù)的響應(yīng)Fig.2 Response of SOC Storage to vegetation restorationSOC:土壤有機碳Soil organic carbon;括號中數(shù)值表示相關(guān)樣本量;圖中誤差線表示95%的置信區(qū)間

2.2 植被恢復(fù)對SOC儲量的影響因素分析

對不同植被恢復(fù)類型的SOC儲量效應(yīng)值lnR進行異質(zhì)性檢驗,結(jié)果顯示在各因素影響下SOC儲量均存在異質(zhì)性(P<0.01)(表2)。

表2 異質(zhì)性檢驗結(jié)果Table 2 Result of heterogeneity test

在不同MAT條件下,植被恢復(fù)對SOC儲量的增加效應(yīng)存在差異。林地SOC儲量的增加效應(yīng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,增加程度由大到小順序表現(xiàn)為39.46%(7-10℃)、29.55%(<7℃)、23.97%(>10℃);灌木地和草地恢復(fù)對SOC的增加效應(yīng)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,在MAT<7℃條件下最高,分別顯著增加了37.88%和22.85%;而MAT>10℃時,草地SOC儲量無顯著增加效應(yīng)。隨著MAP的增加,林地和灌木地對SOC儲量提高的變化趨勢為先升高后降低,在MAP為450-550 mm條件下的增幅最大,分別顯著提高了41.09%和38.64%;而草地呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,在MAP>550 mm條件下的增幅最大,顯著提高了36.79%(圖3)。

圖3 SOC儲量在不同因素下的變化特征Fig.3 Change characteristics of SOC storage under different factors

在不同植被恢復(fù)年限條件下,植被恢復(fù)對SOC儲量的增加效應(yīng)表現(xiàn)為植被恢復(fù)年限越長,SOC儲量的增加效應(yīng)越大;且植被恢復(fù)年限<30 a的林地和灌木地SOC儲量的增幅顯著低于植被恢復(fù)年限>30 a的林地和灌木地;植被恢復(fù)年限<10 a的草地SOC儲量的增幅顯著低于植被恢復(fù)年限>10 a的草地。植被覆蓋率≤60%時,林地和草地SOC儲量分別顯著提高了65.55%和19.83%,而灌木地無顯著變化;植被覆蓋率>60%時,各植被恢復(fù)類型均可顯著提高SOC儲量,分別提高了84.21%、54.13%和53.45%(圖3)。

圖3所示,隨著土層的加深,植被恢復(fù)對SOC儲量提高的幅度呈現(xiàn)降低的趨勢。林地恢復(fù)可顯著提高0-60 cm各土層SOC儲量,灌木地和草地恢復(fù)可顯著提高0-40 cm各土層SOC儲量,而在40-60 cm土層中無顯著增加效應(yīng)。不同植被恢復(fù)類型SOC儲量增幅的最高值出現(xiàn)在低土壤容重(<1 g/cm3)條件下,顯著高于中土壤容重(1-1.3 g/cm3)條件下對SOC的增加效應(yīng)(圖3)。

2.3 多因素對SOC儲量的貢獻率及交互作用

通過地理探測器模型分析了各因素對SOC儲量的相對貢獻率(圖4)。植被恢復(fù)年限對林地SOC儲量的貢獻率最大(21.44%),其次是MAT(20.95%)。各因素對灌木地SOC儲量的貢獻率表現(xiàn)為植被覆蓋率(59.93%)> MAT(53.44%)> MAP(49.72%)>土壤容重(42.66%)>植被恢復(fù)年限(42.46%)>土壤深度(10.94%)。MAP對草地SOC儲量的貢獻率最大(32.63%),其余因素分別為:植被覆蓋率(18.18%)>MAT(15.67%)>植被恢復(fù)年限(8.62%)>土壤容重(5.15%)>土壤深度(0.19%)。

圖4 SOC儲量影響因素的貢獻率及交互作用Fig.4 Contribution rate and interaction of influencing factors of SOC storageMAT:年平均氣溫Mean annual temperature;MAP:年平均降雨量Mean annual precipitation;VRA:植被恢復(fù)年限Vegetation restoration age;VC:植被覆蓋率Vegetation coverage;SD:土壤深度Soil depth;BD:土壤容重Soil bulk density

地理探測器模型交互作用的分析結(jié)果表明,MAP與植被恢復(fù)年限的交互作用對林地SOC儲量的增加效應(yīng)最大(33.46%)。MAT與土壤容重的交互作用對灌木地SOC儲量的增加效應(yīng)最大(86.77%)。MAP與植被覆蓋率的交互作用對草地SOC儲量的增加效應(yīng)最大(60.59%)(圖4)。

3 討論

3.1 氣候因素對SOC儲量的影響解析

溫度和降雨量是影響SOC固存和分解的重要因素[26],在黃土高原地區(qū)有明顯的空間分布特征,通過光合作用產(chǎn)生的凈初級生產(chǎn)力對植被分布進行調(diào)控[27],較高的SOC儲量往往更頻繁地出現(xiàn)在潮濕和較冷的地區(qū),因為這些條件減緩了分解和礦化的過程。灌木地和草地SOC儲量在MAT<7℃條件下的增量最大,而林地SOC儲量在MAT為7-10℃的條件下增量最大,其原因是低溫會抑制SOC的降解速率,林地的冠層更為茂盛,在一定程度上可抵御溫度升高對SOC固存的消極影響[11]。SOC儲量的變化主要由植物碳輸入量和微生物分解量來調(diào)控,最終影響SOC的輸出過程,因此SOC儲量隨MAT升高而降低的現(xiàn)象可以用與植物碳輸入量相比,微生物分解作用對溫度的響應(yīng)更大來解釋[28],所以在MAT>10℃條件下SOC儲量的增加效應(yīng)較小。由于微生物的溫度敏感性,溫度升高可使草地土壤細菌和真菌群落活性提高加速土壤碳分解[29],因此在溫度較低的環(huán)境中進行草地恢復(fù),可能更利于草地SOC儲量的固存。

降雨量是黃土高原地區(qū)土壤水分的主要限制因素,決定了土壤水分與SOC之間的權(quán)衡關(guān)系。各植被恢復(fù)類型在MAP條件下不同的響應(yīng)可歸因于不同植物物種的性質(zhì)以及它們與土壤水分條件和微生物之間復(fù)雜的相互作用[30]。在干旱地區(qū),降雨量不足(MAP<450 mm)時,植物固定的碳多用于增加其生物量而不是SOC儲量;而在降雨量較為充沛的地區(qū)(MAP>550 mm),加速了SOC的礦化,導(dǎo)致其固存量相對低于MAP為450-550 mm的地區(qū)[31]。但草地在MAP>550 mm條件下的固碳效應(yīng)最好,與Deng等[12]研究不同,這一差異可能與草地植被覆蓋率的交互作用有關(guān)。雖然較大的降雨量可能會由于溶出有機碳造成淋溶損失而減少有機層中碳的積累,但草地覆蓋層為土壤提供更多的滲透通道,從而降低徑流系數(shù)抑制碳礦化帶來的損失[32]。MAP是草地SOC儲量增加效應(yīng)的主要驅(qū)動因素,降雨量的差異性直接或間接影響了SOC儲量[33]。

3.2 植被因素對SOC儲量的影響解析

本研究表明,植被恢復(fù)年限越長對SOC儲量的增加效應(yīng)越大,主要是因為SOC儲量與凋落物和根系生物量密切相關(guān)[34]。植被在恢復(fù)初期(<10 a)固碳能力較弱,而灌木在短期內(nèi)能夠迅速成林,相對于喬木和草本具有更高的植被生產(chǎn)力和較高的根系固氮能力維持生長發(fā)育,從而促進SOC的快速積累[35]。草地在恢復(fù)初期由于群落的種間競爭作用加速土壤養(yǎng)分的爭奪使其植被蓋度下降,物種多樣性減少,不利于SOC固存[36]。即使如此,在恢復(fù)初期草地SOC儲量依然增加的原因是根系較淺的植物往往壽命較短并且會不斷生長出新的根系,較高的根系生產(chǎn)率通過細根周轉(zhuǎn)誘導(dǎo)了有機質(zhì)的輸入[37]。但相較于林地和灌木地,恢復(fù)初期草地SOC的增加效應(yīng)較低?；謴?fù)時間越長,林、灌、草地植被群落變得更加復(fù)雜和穩(wěn)定,地表覆蓋面積增加,大量凋落物、根系和根系分泌物進入土壤[38-39],較高數(shù)量的植被凋落物輸入可以通過增加微生物壞死體的積累來增加SOC儲量在土壤中的持續(xù)蓄積。植被恢復(fù)年限是影響林地SOC儲量的主要驅(qū)動因子,由于凋落物和根的高碳量輸入,在長期恢復(fù)中木本植物具有較高的SOC固存潛力[40]。因此進行長期恢復(fù)時,林地和灌木地可能是提高黃土高原地區(qū)SOC儲量的更好恢復(fù)選擇。

本研究表明,植被覆蓋率越高對SOC儲量的增加效應(yīng)越大,主要是因為植被覆蓋率增加后,土壤濕度、溫度及土壤理化性質(zhì)等發(fā)生變化。植被覆蓋率增加有利于保持土壤濕度,提高植物初級生產(chǎn)力,而植物初級生產(chǎn)力的提高會反過來促使植物產(chǎn)生更多的凋落物來增加SOC積累[41]。林地每年產(chǎn)生大量凋落物,腐殖質(zhì)層較厚,其分解過程中約有67%的碳輸入土壤,因此在較高植被覆蓋率下,林地的土壤固碳能力較強[42]。同時,凋落物覆蓋層可以避免表層SOC過度暴露于氧氣中而抑制碳的分解和礦化過程[43],減少降雨對土壤大團聚體的破壞,進而減緩團聚體內(nèi)部SOC礦化速度,并通過降低地表溫度減緩?fù)寥赖暮粑俾?從而增加SOC儲量。此外,相關(guān)研究指出土壤顆粒中砂粒與植被覆蓋率呈負相關(guān),而粘粒與植被覆蓋率呈正相關(guān)[44],砂質(zhì)土壤對SOC的截獲能力明顯低于粘質(zhì)土壤。植被覆蓋率是影響灌木地SOC儲量的主要驅(qū)動因子,然而在低覆蓋率下(≤60%)灌木地SOC儲量無顯著增加的原因可能是灌木種植在黃土高原地區(qū)含砂粒較多的土壤中[45],而砂質(zhì)土壤比粘質(zhì)土壤積累碳更少[46];此外,灌木可能沒有足夠的冠層結(jié)構(gòu)來攔截降雨以保護土壤免受侵蝕,因此在種植灌木時應(yīng)考慮初始植被覆蓋率對SOC固存的影響。

3.3 土壤因素對SOC儲量的影響解析

植被恢復(fù)對SOC儲量的增加效應(yīng)隨土壤深度而變化。由于碳源輸入存在表聚現(xiàn)象[47],植被恢復(fù)更有利于提高0-20 cm土層SOC儲量。土壤表面覆蓋著由糖類、酚類和半纖維素構(gòu)成的凋落物層[48],豐富了土壤微生物群落物種多樣性[49],從而促進營養(yǎng)物質(zhì)在表層的周轉(zhuǎn);當養(yǎng)分不足時,土壤微生物會分泌養(yǎng)分礦化酶分解養(yǎng)分進而影響SOC的固存。Jiao等[50]研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)后土壤養(yǎng)分的可用性增加,木本植物表層(0-20 cm)土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮和速效鉀等養(yǎng)分含量高于草地,增強了土壤的抗干擾能力,進而利于SOC的固存。林地和灌木地在0-20 cm土層SOC儲量高于草地,更利于提高表層SOC儲量,這與Wang等[8]研究結(jié)果一致。但植被恢復(fù)對40 cm以下深度SOC儲量的影響較小[51],地下根系垂直分布格局變化[52]和土壤水分[36]的消耗也相應(yīng)限制了SOC的固定。林地根系分布較深,為深層SOC提供了關(guān)鍵碳源[53],同時土壤礦物隨土壤深度加深而升高,而深層SOC更多以有機質(zhì)和礦物質(zhì)的復(fù)合體形式呈現(xiàn)[54],土壤中富含的叢枝菌根產(chǎn)生的多種分解產(chǎn)物通過菌絲的連接被吸附到礦物表面后形成了穩(wěn)定的有機物質(zhì)[55],從而顯著提高了0-60 cm土層SOC儲量。

土壤容重是土壤養(yǎng)分儲存、水分輸送和氣體滲透的重要物理參數(shù)[56],是影響SOC儲量的重要指標。大量研究表明土壤容重與SOC呈負相關(guān)[57-58],不同植被恢復(fù)類型SOC儲量在低土壤容重(<1 g/cm3)條件下的增加效應(yīng)最大,可能與SOC的物理保護機制有關(guān)。低土壤容重可以增加土壤孔隙度,有利于形成水穩(wěn)性團聚體并提高其穩(wěn)定性。植被恢復(fù)過程提高了>0.25 mm粒級水穩(wěn)性團聚體在黃土高原地區(qū)土壤增碳中的作用,土壤抗侵蝕能力增強[37]。同時,低土壤容重環(huán)境為根際營造了良好的微生境,促使氨基酸等根系分泌物的產(chǎn)生,氨基酸通過抑制微生物的降解作用,改變了碳氮比和pH,從而促進了SOC的積累[59]。

3.4 多因素對SOC儲量的交互作用的定量評估

在植被恢復(fù)過程中,SOC儲量變化的復(fù)雜性導(dǎo)致影響因素并不是單獨起作用,而是多因素耦合驅(qū)動的結(jié)果。Xiang等[10]研究表明不同MAP條件下林地SOC固存效應(yīng)存在差異,且隨恢復(fù)年限的增加SOC儲量明顯增加,與本文交互作用的結(jié)果相符。氣候和土壤性質(zhì)是影響灌木生長的重要因素[60-61],它們的交互作用可能會對灌木的生長和生理特性產(chǎn)生復(fù)雜的影響,例如,在溫度和容重較高的環(huán)境中可能會抑制植被的生長,而在低溫和低容重的條件下可能會為植被提供適合生長的環(huán)境,進而影響植物-土壤間的碳循環(huán)過程。正如本文結(jié)果顯示在MAT<7℃和低土壤容重的條件下,灌木地SOC儲量的增加效應(yīng)更高(圖3),由于SOC儲量的調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜,內(nèi)在機理需要進一步分析。MAP與植被覆蓋率的交互作用促進了草地SOC儲量的增加。首先,草地碳輸入會隨MAP增加相應(yīng)地增加[37],然而草地植被覆蓋率較低,即使MAP較高,植被生長和分解代謝也可能會降低,從而限制碳的積累。另一方面,如果草地植被覆蓋率較高,那么碳的輸入和積累將更加頻繁和充分。MAP(MAP>550 mm)和植被覆蓋率(>60%)較高的情況下,它們的交互作用可能會促進SOC固存。

4 結(jié)論

與農(nóng)田相比,退耕還林后植被恢復(fù)(林地、灌木地、草地)顯著提高了黃土高原地區(qū)SOC儲量,林地的固碳效應(yīng)最好。植被恢復(fù)對SOC儲量的增加效應(yīng)隨恢復(fù)年限、植被覆蓋率的增加而增強,隨土壤深度增加而減弱,且在低容重條件下有利于促進SOC儲量的增加效應(yīng)。林地恢復(fù)在MAT為7-10℃條件下更利于提高SOC儲量的增加效應(yīng),在MAT<7℃條件下更易促進灌木地SOC儲量的增加效應(yīng),且二者在MAP為450-550 mm條件下利于SOC儲量的增加。而草地SOC儲量的增加效應(yīng)在MAT<7℃、MAP>550 mm條件下較為明顯。植被恢復(fù)年限、植被覆蓋率和MAP分別是影響林地、灌木地和草地固碳效應(yīng)的主要驅(qū)動因子。同時,在黃土高原地區(qū)進行植被恢復(fù)時應(yīng)綜合考慮因子間交互作用或共同驅(qū)動作用對土壤固碳效應(yīng)的影響。