陆地生态系统碳循环是导致全球气候变暖的重要因素之一(孙维侠等，2004；方运霆等，2004)，土壤碳与大气CO₂的快速交换影响着地球表层与其他系统之间的碳循环(许信旺等，2005)，而土地利用变化对土壤碳的影响是陆地生态系统碳循环变化中影响最深远、最直接的一个方面。研究和了解土地利用变化对土壤碳储量及转化的影响是研究陆地生态系统碳循环的重要前提。目前中国正大力实施退耕还林工程，退耕还林后土壤有机碳和土壤理化性质都将发生一定程度的变化，这必定会对陆地生态系统碳循环造成较大影响。

许多研究表明，在原有的农地造林以后，土壤碳含量有大幅度增长(Charles et al., 2002; 吴建国等, 2004)，也有研究发现造林后土壤有机碳含量没有变化或降低(Laclau，2003；Specht et al., 2003)。近年来，不少学者对不同土地利用方式下土壤有机碳贮量和分布特征进行了研究(刘梦云等，2005；贾月慧等，2005)，Conant等(2003)研究了美国东南部不同土地利用方式下土壤有机碳组分的变化情况，李鸿博等(2005)对不同林下土壤有机碳与水分含量的相关变化进行了研究。但退耕还林对土壤有机碳影响的研究很少。本文以长江三峡库区秭归县兰陵溪小流域几种不同退耕还林模式为对象，探讨不同退耕还林模式对土壤有机碳的影响，为退耕还林工程的生态效益评价提供参考，为研究土地利用变化对全球碳循环的影响提供基础数据。

1 研究区概况

研究区位于长江三峡库区湖北省秭归县兰陵溪小流域，距长江三峡大坝上游5 km(110 °56 ′ E，30 °50 ′ N)。该区属中亚热带湿润季风气候区，年均气温18.0 ℃，年均降水量1 150 mm，年均相对湿度79 %，多年平均日照率25%。土壤以黄壤为主，基岩为花岗岩。主要植被类型有马尾松(Pinus massoniana)次生林、马尾松车麻栎(Quercus acutissim)混交林等。秭归县自2000年实施退耕还林以来，共退耕还林1.33万hm²以上，涉及柑桔(Citrus reticulata)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、马尾松等退耕还林模式200多种。本研究选择兰陵溪小流域内枫香(Liquidambar formosana)纯林、松栎混交林、柑桔+金荞麦(Fagopyrum dibotrys)、板栗(Castanea mollissima)+紫穗槐(Amorpha fruticosa)混交林、马尾松林、板栗纯林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林等7种主要退耕模式进行研究。7种退耕模式中，除板栗、柑桔模式每年进行1次点穴式施肥，并在退耕3年后开始进行少量修剪外，其余几种模式均未进行人为地抚育和管理。7种退耕还林模式均为2000年种植。

2 研究方法 2.1 试验方法

采用相邻样地比较(paired sites)的方法，每种退耕类型选择地形、立地条件相似的典型样地2~3个，每个样地内随机布设土壤剖面3~5个。分别选取本底条件与几种退耕模式相对一致的农耕地和灌丛地作为对照1和对照2。土样在秋末采集。除去凋落层后，挖土壤浅剖面60 cm深，分别于0~30 cm取一个土样，30 cm以下取一个土样。采用环刀法测土壤密度。土样经风干处理后过2 mm筛，采用K₂Cr₂O₇外加热法测有机碳含量。

2.2 数据处理

由于土地利用方式会在很大程度上改变土壤密度，导致单位体积内的土壤质量发生变化，进而使不同退耕模式和对照类型下土壤碳密度失去可比性。为此，本文参照张小全等(2004)介绍的方法对土壤密度(D)进行修正。

式中：M_max和M分别为土壤密度最大和密度较小的采样层包含的土壤质量，ΔM为虚拟层土壤质量，a和b为拟合参数，d为已采样深度，t为土壤虚拟层厚度。

3 结果与分析 3.1 不同退耕还林模式下土壤有机碳含量

7种退耕还林模式下0~30和30~60 cm土壤有机碳平均含量分别为7.64和4.16 g·kg^-1。在0~30 cm土层，除柑桔+金荞麦模式土壤有机碳含量偏低外，其他几种退耕模式土壤有机碳含量均显著高于对照2(农耕地)；而在30~60 cm土层中，各退耕模式土壤有机碳含量大多低于农耕地。说明退耕还林对土壤有机碳含量的影响主要集中在0~30 cm土层。总体来看，7种退耕模式下0~60 cm土壤有机碳的平均值为5.90 g·kg^-1，变异系数为15.33%，与对照2(其0~60 cm土壤平均有机碳含量为5.99 g·kg^-1)无显著差异。

对几种退耕模式进行比较发现，杉木模式下土壤有机碳平均含量最高，0~60 cm土层有机碳平均含量为9.42 g·kg^-1。柑桔+金荞麦模式下土壤有机碳含量最低，其0~60 cm土层平均含量仅为4.19 g·kg^-1。说明不同退耕模式对土壤有机碳含量的影响程度不同。

图 1显示，各种退耕模式和对照类型下土壤有机碳含量总体上都随着土层加深而降低，但不同土地利用类型降低的幅度不同。在所有土地利用类型中，对照1不同土层土壤有机碳含量的变幅最大，达69.61%，而对照2土壤不同土层有机碳含量的降幅最小，仅为4.54%。在不同退耕模式中，板栗纯林模式土壤有机碳随土层加深而递减的幅度最大，土壤有机碳在土层间的变化幅度为56.98%，柑桔+金荞麦林地土壤有机碳含量随土层加深而变化的幅度最小，仅为22.35%，但仍然明显大于农耕地土壤土层间有机碳含量的变幅。这说明退耕还林在很大程度上影响了土壤有机碳在剖面上的垂直分布。

3.2 不同退耕还林模式下土壤碳密度

本研究涉及的几种退耕模式下0~30 cm土层土壤有机碳密度总平均值为3.40 kg·m^-2 ，略高于对照2(农耕地)，但在整个0~60 cm土壤层内，几种退耕模式下土壤有机碳密度与对照2相比，没有显著提高(柑桔+金荞麦等个别模式甚至还有一定程度的下降)。可见，不同的退耕还林模式对土壤碳密度的影响与有机碳含量一样，也主要表现在0~30 cm土层，且不同退耕模式对土壤有机碳密度的影响程度也不相同。7种退耕模式下0~60 cm土壤有机碳密度大小顺序为：杉木林 > 马尾松林 > 松栎混交林 > 板栗纯林 > 枫香纯林 > 板栗+紫穗槐 > 柑桔+金荞麦(表 1)。

研究发现，在0~30 cm土层，各退耕模式下土壤有机碳密度均明显低于对照1(灌丛地)。分析认为，这是由灌丛地受土地利用变化等人为干扰最少，其表层土壤有机碳稳定积累时间较长引起的。

在土壤剖面垂直分布上，不同土地利用类型土壤有机碳密度和土壤有机碳含量一样随着土层加深而降低，从0~30到30~60 cm土层碳密度下降1.50%~51.92 %。在全部土地利用类型中，对照1(灌丛地)土壤碳密度随土层加深而减小的幅度最大，达67.92 %，对照2(农耕地)碳密度的变化幅度最小，仅为1.50%；在几种退耕还林模式中，板栗纯林和马尾松林地土壤土层间土壤碳密度变化最大，柑桔+金荞麦模式的变幅最小。在0~30 cm土层，各退耕模式下土壤有机碳密度均低于灌丛土壤碳密度，而在30~60 cm土层，除柑桔+金荞麦模式外，其余几种退耕还林模式下土壤有机碳密度均高于灌丛地。这说明退耕后土壤有机碳密度在不同土层间的差异比灌丛地小，退耕还林有利于土壤有机碳向下输送。

4 结论与讨论

许多研究认为，在农田和草地上造林后，土壤有机碳将发生显著变化。如吴建国等(2004)对宁夏六盘山林区几种土地利用类型土壤有机碳研究后发现，13、18和25年生华北落叶松(Larix principis_rupprechtii)人工林土壤有机碳含量分别比农田高40 %、111 %和82 %。李跃林等(2002)研究发现，造林14年后土壤有机碳贮量显著提高。也有一些研究认为造林对土壤碳贮量没有明显影响，如Mendham等(2003)研究了澳大利亚西南部风化红壤和砂壤土地上毁林和造林对土壤有机碳的影响后发现，毁林造林前后土壤有机碳并没有发生明显变化，只是导致了有机碳在土壤剖面上的重新分配。

本文通过对几种退耕还林模式下0~60 cm土壤有机碳含量和碳密度分析发现，退耕还林初期对土壤有机碳含量和碳密度的影响主要体现在0~30 cm表层。从整个0~60 cm土层来看，退耕还林工程实施5年后，土壤有机碳含量和碳密度均无明显变化。Paul等(2003)对造林后土壤有机碳的研究也得出类似结论。也有研究认为，造林后土壤碳贮量通常是最初下降，然后才开始积累(Turner et al., 2000; 史军等，2005)。究其原因，可能是退耕还林初期，农耕地上原有的农作物根系和残留物减少，而新的林下凋落层尚未形成，导致地表对土壤有机质的输入减少。

土壤有机碳含量和碳密度随土层深度的变化与植被的根系分布格局密切相关(吴建国等，2004)。本研究中，各退耕还林模式下土壤有机碳含量和碳密度随土层加深而降低的幅度均明显小于对照1 (灌丛地)，但却都大于对照2 (农耕地)。这说明退耕还林在很大程度上改变了有机碳在土壤剖面上的垂直分布。这与Mendham等(2003)的研究结论一致。

在本研究的几种退耕模式中，柑桔+金荞麦模式下土壤有机碳含量和碳密度最低。这可能是因为柑桔+金荞麦是几种退耕模式中唯一间作农作物的类型，金荞麦和柑桔的收获与修剪等人为活动对土壤有机碳的影响所致。而灌丛地由于受土地利用变化等人为干扰最少，有机碳稳定积累时间较长，因而其表层土壤有机碳含量相对较高。说明三峡库区土地利用变化等人为干扰是影响土壤有机碳变化的重要因素之一。