凋落物是生态系统的重要组成成分，它是联系土壤碳库和植物碳库的重要环节，对陆地生态系统碳循环具有重要影响(彭少麟等，2002；杨万勤等，2007)。全球每年通过凋落物分解归还到土壤中有机碳大约为50 Gt(Palviainen et al., 2004)。生态系统中凋落物积累量的增加与土壤有机碳的提高是一致的(Sauer et al., 2007)，大部分新输入的有机碳首先在土壤表层进行分解周转(Arai et al., 2007)；而叶片凋落物的可溶性有机碳(DOC)对土壤A层的发育和B层有机碳的积累具有重要作用(Uselman et al., 2007)。植被恢复措施不仅显著影响凋落物的积累量、性质(张希彪等, 2006; 庞学勇等, 2002; 杨玉盛等, 2004; 王清奎等, 2007; 毛艳玲等，2008; 卢立华等, 2009)，而且显著影响土壤有机碳的积累速率(Abril et al., 2001; Feral et al., 2002; Evrendilek et al., 2004; Liu et al., 2002; 朱志诚，1993; 马玉红等，2007; 胡亚林等, 2005)。但至今，凋落物对土壤有机碳的影响机制尚不十分清楚。

本文依据黄土区植被恢复治理区内天然和人工植被恢复系列，研究了不同植被恢复条件下地表凋落物积累量、凋落物的碳氮组成变化，0~100 cm土层中土壤有机碳全量、可溶性有机碳组分含量分布以及地表凋落物与土壤有机碳之间的关系，以期揭示植被恢复条件下，地表凋落物与土壤有机碳的关系。此外，这一研究对科学评价人工与天然植被的生态效应也具有重要意义。

研究区域位于陕西省延安市燕沟流域和子午岭，属典型的黄土高原丘陵沟壑区，植被分区为黄土高原森林区与森林－草原区过渡带。年平均气温大约为9.8 ℃，无霜期约为170天，大于10 ℃积温3 268 ℃，多年平均降雨量为558.4 mm。天然植被为次生林，主要为辽东栎(Quercus liaotungensis)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)等。天然草地主要是白莲蒿(Artemisia gmelinii)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)等。人工植被主要为刺槐(Robinia pesudoacacia)人工林、农作物等。该流域1998年开始了大规模的植被恢复建设，具有天然和人工植被恢复序列。

2007年5月中旬，在这2个类型区内选取地形和地貌单元近似的治理坡段，以人工和天然植被为序列，选择样地，设置样方。

燕沟流域：为近年来黄土高原优先和重点水土流失治理区。选择10个天然植物样地和8个人工植物样地。每个样地设置3个样方。草地采用1 m×1 m?样方，乔木林采用10 m×10 m?样方(下同)。

子午岭林区：为目前黄土高原唯一保存完整的天然次生林地区。该天然次生林是1866年当地人口外迁后在弃耕地上逐渐恢复起来的。所在区域内，生长有不同弃耕年限天然和人工植物群落。在天然植物样地上设置了5个样方和人工植物样地上设置了3个样方。

各点以GPS定位，植物群落调查采用陆地生物群落典型样方调查方法，每个样地设置3个样方。草地样方，调查草丛盖度、高度、种类等；乔木林样地主要调查林木种类、郁闭度、胸径、密度生长状况等；林下植物群落调查方法同草地；对地表枯落物采用1 m×1 m样方，用网袋收集。共计采集凋落物样品78个，其中，人工植物系列的凋落物样品36个，天然植物系列的凋落物样品42个。

在采集凋落物的样方内，用直径为3 cm的土钻多点采集0~5, 5~10, 10~15, 15~20, 20~40, 40~60, 60~80, 80~100 cm土壤样品，均重复3次；用环刀法采集0~20, 20~40, 40~60, 60~80, 80~100 cm土样，测定土壤密度。土壤样品624个，其中人工植被条件下的土壤样品288个，天然植被条件下的336个。

凋落物在60 ℃烘24 h，称量，以此估算单位面积上枯落物量，粉碎后，测定碳(H₂SO₄-K₂Cr₂O₇外加热法)和全氮(凯氏定氮法)含量。

采回的新鲜土样混合均匀后，风干，磨细过1 mm筛后，测定土壤可溶性碳(0.5 mol·L^-1K₂SO₄溶液浸提，土液质量体积比1:4，振荡30 min，浸提液上机测定)。风干样过0.25 mm筛后，测定土壤有机碳(H₂SO₄-K₂Cr₂O₇外加热法)、全氮(凯氏定氮法)含量。

数据方差分析采用SAS软件(SAS 6.12)，当F检验显著时，进行均值间LSD显著性检验。

由表 1可以看出，开垦利用条件下(坡耕地)，由于植物地上部分被取走，地表很少见到凋落物积累(0.1 t·hm^-2)。退耕还林还草后，地表凋落物的积累量大幅度提高，但不同恢复植被类型对凋落物积累量的影响不同。天然植被恢复过程中，草地凋落物积累量为3.0~8.5 t·hm^-2，平均为5.3 t·hm^-2；天然灌木群落凋落物量为3.7~15.8 t·hm^-2，平均为12.1 t·hm^-2，较草地提高129%(P>0.05)；天然乔木群落27.3~36.6 t·hm^-2，平均为32.4 t·hm^-2，较草地提高511%(P＜0.05)。在人工植被恢复过程中，牧草一般用于饲养圈养的牲畜，地表仅存少量凋落物，但人工灌木群落条件下，地表凋落物积累量变化于1.3~12.3 t·hm^-2，平均为6.7 t·hm^-2；人工乔木林群落条件下，地表凋落物积累量波动于3.1~ 15.3 t·hm^-2，平均为11.4 t·hm^-2，与人工灌木相比，提高70%。随着植被的恢复，除豆科植被刺槐林的C/N明显降低外，天然系列条件下凋落物的C/N由35.9提高到69.2，人工系列条件下，由20.3提高到68.4(表 1)。

表 1 黄土高原丘陵区不同植被条件下的凋落物量与土壤有机碳组分的变化 Tab.1 Litter production and SOC fractions under different vegetations in Loess hilly areas

表 1 黄土高原丘陵区不同植被条件下的凋落物量与土壤有机碳组分的变化 Tab.1 Litter production and SOC fractions under different vegetations in Loess hilly areas

天然植被和人工植被恢复过程中，土壤有机碳含量均呈提高趋势(图 1)，但提高的幅度不同。与耕地(SOC为4.7 g·kg^-1)相比，天然草被类型土壤有机碳含量(14.5 g·kg^-1)提高3.1倍；天然灌木类型(27.5 g·kg^-1)提高5.9倍，人工灌木类型(8.3 g·kg^-1)仅提高1.8倍；天然乔木类型(37.4 g·kg^-1)提高8.0倍，而人工乔木群落(18.6 g·kg^-1)仅提高4.0倍。上述结果表明，随着植被的恢复，表层土壤有机碳含量会提高1.8~8.0倍；但相同条件下天然恢复的植被类型土壤有机碳含量为人工恢复植被类型的2~3倍。土壤可溶性有机碳与土壤有机碳表现出相似的变化规律(图 1)。这些结果表明，植被的天然恢复对土壤有机碳的影响比人工植被的效果更显著。

图 1 植被类型对表层(0~20 cm)土壤有机碳、可溶性碳含量的影响 Figure 1 Effects of vegetation types on SOC and DOC in 0~20 cm soil depth

不同植被类型条件下，土壤有机碳和可溶性碳含量随着土层深度的增加而逐渐降低(表 2，3)，但同一剖面中，40 cm以下土壤有机碳和可溶性碳含量差异并不显著，即使不同植被条件下，40 cm以下土层有机碳含量也不因植被类型而存在显著差异，而辽东栎深层土壤可溶性有机碳含量反倒最低(表 3)。

表 2 植被类型对0~100 cm土层SOC的影响 Tab.2 Effects of vegetation types on SOC in 0~100 cm soil depth

表 2 植被类型对0~100 cm土层SOC的影响 Tab.2 Effects of vegetation types on SOC in 0~100 cm soil depth

表 3 植被类型对0~100 cm土层土壤可溶性碳的影响 Tab.3 Effects of vegetation types on DOC in 0~100 cm soil depth

表 3 植被类型对0~100 cm土层土壤可溶性碳的影响 Tab.3 Effects of vegetation types on DOC in 0~100 cm soil depth

凋落物量与土壤有机碳和土壤可溶性碳存在线性相关关系，表明凋落物是影响土壤有机碳积累的重要因素(图 2)。其次，在0~100 cm的剖面内，各土层的有机碳含量与凋落物量之间的关联度(R²)从0~5 cm土层的0.993减小到20~40 cm土层0.353，80~100 cm土层的0.001。这些结果表明，地表凋落物的积累量对土壤有机碳含量的影响主要在0~40 cm。各植被群落土壤可溶性碳含量在0~10 cm土层随着生物量的增加而升高，关联度R²为0.893和0.95。在10~60 cm土层土壤可溶性碳随着生物量的增加而降低，但关联度R²很小。在60~80，80~100 cm土层关联度(R²)为0.952和0.843。这些结果表明，地表凋落物积累量对土壤可溶性碳的影响主要在0~10 cm土层，二者呈显著的正相关，而10~100 cm土层二者呈负相关，但减小的趋势不显著(表 4)。

图 2 凋落物量对表层(0~20 cm)土壤有机碳及可溶性碳含量的影响 Figure 2 Effects of litter production on SOC and DOC in 0~20 cm soil depth

表 4 凋落物量与0~100 cm剖面中有机碳，可溶性碳含量的相关关系 Tab.4 Correlation between litter production and SOC, DOC in 0~100 cm soil depth

表 4 凋落物量与0~100 cm剖面中有机碳，可溶性碳含量的相关关系 Tab.4 Correlation between litter production and SOC, DOC in 0~100 cm soil depth

综上所述，在黄土丘陵地区，不同植物群落条件下的凋落物存在显著差异。人工植被的凋落物量仅为天然植被的1/2到1/3。在植被恢复过程中，土壤有机碳含量得到大幅度提高。与耕地相比，天然草地土壤有机碳含量提高3.1倍；天然灌木林提高5.9倍，人工灌木林仅提高1.8倍；天然乔木林提高8.0倍，而人工乔木林仅提高4.0倍。凋落物的C/N由35.9提高到69.2。人工条件下，凋落物的C/N由20.3提高到68.4，并且天然植被高于人工植被。凋落物积累量与0~20 cm土层土壤有机碳存在显著线性相关关系，拟合优度R²达到0.827以上。20 cm以下线性相关关系不显著。凋落物积累量与0~10 cm土壤可溶性碳含量存在显著线性相关关系，拟合优度R²达到0.893以上，10~60 cm土层线性相关关系不显著，80~100 cm土层凋落物量与可溶性碳存在显著线性负相关关系。