中国科学院水利部水土保持研究所机构知识库

土壤碳氮水是生态系统中最为关键的生源要素之一，决定生态系统的稳定性和可持续性。作为干旱半干旱黄土高原植被恢复过程中的限制性土壤资源，土壤碳氮水的可利用性是该区生态建设成效的关键。因此，理解植被恢复过程中土壤碳氮水变化动态、耦合关系及恢复力是明确黄土高原生态系统稳定性和可持续性的重要环节。本研究针对我国干旱半干旱地区生态建设需求及生态学前沿问题，以退耕后恢复生态系统（人工乔木、人工灌木、撂荒草地）为研究对象，通过历史资料收集和野外调查采样，构建了以土壤碳氮水为主的多因子数据库，研究了植被恢复过程中土壤碳氮水演变过程、耦合关系及恢复力，探讨如何实现土壤碳氮水可持续利用与协同发展，并提出基于限制性资源可持续利用的人工植被管理对策，可为黄土高原人工植被可持续经营提供科学依据。取得的主要结论如下：

（1）人工植被建设对深层土壤有机碳储量变化影响较大，植被恢复年限是影响剖面土壤固碳的关键因子，在植被恢复过程中，人工乔木林地深层土壤固碳潜力较高。

耕地转为人工乔木、人工灌木和撂荒草地后，0-100 cm土层有机碳储量分别增加46.2%，23.9%和27.3%，100-400 cm有机碳储量分别增加19.8%，12.0%和7.9%，约占表层土壤固碳量的42.9%，50.3%和28.8%。人工乔木和人工灌木林地0-200 cm土层的土壤有机碳储量随植被恢复年限增加而增加，而200-400 cm土层土壤有机碳储量则随植被恢复年限先增加后降低，其拐点出现在植被恢复25年时；初始有机碳储量、降雨量、恢复年限、植被类型是影响剖面土壤有机碳储量的重要因素；植被恢复过程中浅层与深层土壤有机碳储量显著相关，0-100 cm土层每增加1Mg C ha^-1，100-400 cm土层则增加0.45 Mg C ha^-1。

（2）黄土高原人工植被恢复可增加浅层与深层土壤氮储量，且土壤固氮潜力随植被恢复时间的延长而增加，人工乔木和灌木的土壤固氮潜力高于撂荒草地。

在0-200 cm土层内，耕地转为人工乔木、人工灌木和撂荒草地后，土壤氮储量随植被恢复年限的增加而增加，尤其是在植被恢复后期（>30年）氮累积量较高，较坡耕地分别增加55.8%、68.4%和36.6%；土壤氮固存与有机碳含量、土壤水分含量和初始氮储量显著相关，且受不同植被类型、降雨、温度、恢复年限及其交互效应的影响；0-20 cm土壤氮固存每增加1Mg N ha^-1，20-200 cm则增加0.33 Mg N ha^-1。

（3）深层土壤水分亏缺限制了黄土高原人工植被的可持续性，植被类型、恢复年限和降雨量是影响区域尺度深层土壤水分的关键因子。

植被恢复方式和林分显著影响0-1000 cm剖面土壤水分含量，其中人工乔木和灌木对土壤水分的负效应强于撂荒草地；与人工刺槐、油松和柠条相比，人工侧柏和沙棘在深层土壤水分维持方面具有明显的优势；人工乔灌土壤水分亏缺程度随恢复年限的增加而加剧，在恢复至20-30年时，土壤水分大幅降低，并在恢复30年后保持稳定；区域尺度上，人工乔木、人工灌木、撂荒草地土壤水分变化速率分别为-0.08 ~ -0.11 g 100g^-1 yr^-1、-0.05 ~ -0.20 g 100g^-1 yr^-1和-0.02 ~ -0.07 g 100g^-1 yr^-1；当考虑植被类型与降雨梯度的交互效应时，在降雨量高于480 mm的地区，可以种植人工乔木和人工灌木；在低于480 mm的地区，撂荒草地是最优的恢复方式。

（4）人工植被建设导致土壤碳氮耦合关系发生改变，深层土壤碳氮耦合关系对气候变化的响应较浅层土壤更加敏感。

在植被恢复过程中，土壤碳氮耦合关系由相对稳定逐渐向不稳定发展，在恢复20年后，土壤碳氮解耦趋势明显，尤其是在深层土壤中。与人工植被相比，长期的自然恢复（地带性顶极森林和顶极草地群落）能够保持浅层和深层土壤碳氮耦合关系的稳定性。此外，人工植被土壤碳氮耦合关系非线性响应于降雨和温度的变化，且土壤碳氮耦合关系对温度变化的敏感性高于降雨变化。与人工乔木和灌木林地相比，撂荒草地土壤碳氮耦合关系对降雨和温度的变化表现出较高的稳定性和适应性。

（5）植被恢复方式影响土壤碳水耦合关系，与人工植被相比，撂荒草地在气候变化背景下表现出较强的土壤碳水调控能力。

黄土高原人工植被建设导致土壤碳水耦合协调度显著降低，处于失调状态，且显著低于耕地和地带性顶极植被。整体而言，在植被恢复过程中，土壤碳水耦合协调度在恢复的前30年呈持续解耦趋势，以10-20年期间解耦趋势最为明显；降雨和温度显著影响土壤碳水耦合关系，其影响程度随植被类型和土壤深度的变化而变化。撂荒草地土壤碳水耦合关系对降雨和温度变化的敏感性高于人工植被，表现出较强的土壤碳水调控能力。

（6）人工植被建设在促进土壤碳氮协同恢复的同时，却导致土壤水分恢复力降低；综合来看，撂荒草地是实现土壤碳氮水同步恢复的较优方式。

基于“历史动态本底”和“地带性顶极生态本底”，构建了区域尺度植被恢复过程中土壤碳氮水恢复力评估框架；在黄土高原植被恢复过程中，土壤碳氮呈协同恢复趋势，但与地带性顶极植被相比，人工植被土壤碳氮恢复程度不足50%；土壤水分呈退化趋势，尤其是人工乔木和灌木，而撂荒草地具有较为可持续的水分恢复力。随着植被恢复年限的增加，0-200 cm土壤碳氮恢复力逐渐增加，而土壤水分恢复力逐渐降低。在降雨和温度梯度上，不同植被类型、不同深度土壤碳氮水恢复力变化趋势各异，与人工乔木和撂荒草地相比，人工灌木0-200 cm剖面土壤碳氮水恢复力在气候梯度上呈增加趋势。综合土壤碳氮水恢复力来看，撂荒草地是实现三者同步恢复的较优方式。