土壤是陆地生态系统的重要组成成分，它与大气和陆地生物群落共同组成了系统中碳与植物营养元素的主要贮存库和交换库.据估计(Post et al., 1982; Schlesinger，1990; Houghton，1995)，全球约有1400~1500 Gt的碳是以有机质形式储存于土壤中，是陆地植被碳库(500~600 Gt)的2~3倍，是全球大气碳库(750 Gt)的2倍多，土壤贡献于大气CO₂的年通量是燃烧化石燃料贡献量的10倍.土地利用/覆被变化是造成全球变化和碳循环不平衡的重要原因之一(Contzen et al., 1994)，是仅次于化石燃料燃烧而使大气CO₂浓度急剧增加的最主要人为活动(Watson et al., 2000).土壤碳库在受到土地利用变化的影响后，既可能变成大气中CO₂ 的“源”，也可能变成“汇”(Kirschbaum，1995;吴金水等，2004)，因此，确定土地利用变化对土壤有机碳的影响尤为关键.

土地利用变化影响土壤有机碳的输入和周转，是土壤有机碳变化的重要驱动力(Jackson et al., 2000).国内外有关土地利用变化对土壤有机碳影响的研究已经广泛展开，如天然林变成草地、天然林变成农田、农田变成人工林、农田变成灌木林、农田变成草地等.但多数研究在热带、亚热带、美洲或欧洲的一些地区开展，对包括温带和暖温带区域在内的其它区域研究还较少(吴建国等，2004)，且相关的研究集中于30 cm以上的表层土壤(Hughes et al., 2000;Vesterdal et al., 2002;Lorenz et al., 2005;王小利等，2006).目前，越来越多的研究表明，土地利用变化影响深层土壤有机碳(Osher et al., 2003;吴建国等，2004;Wright et al., 2007; Poeplau et al., 2011; Harrison et al., 2011).有研究表明，亚马逊地区热带雨林退化为草原后土壤深层SOC降低约0.255 t · hm^-2，转化为放牧场后1 m以下土壤有机碳含量会再次下降(Contzen et al., 1994)；Guo等(2002)对大量数据总结得出农地转变为草地后，1 m以下土壤有机碳含量会增加约10%.所以在研究土壤有机碳时，对1 m以下深层土壤有机碳的研究不容忽视.

黄土高原几千年的人类活动已经使土地利用方式发生了很大变化，尤其是清朝末年毁林开荒、20世纪70年代荒地开垦及近十多年来的退耕还林，导致土地利用/覆被发生了几次重大变化(李裕元等，2004).该地区土层深厚，深层土壤有机碳含量所占比例较大，有研究表明，黄土高原沟壑区1~2 m土层SOC储量占2 m土层储量的37.3%(车升国等，2010).有关黄土高原退耕还林后植被恢复过程中土壤有机碳的研究已开展较多并取得了重要进展(王征等，2010;张金等，2012).但就该区天然次生林转变为人工林及农田等植被破坏过程中，土壤有机碳变化的研究还鲜见报道，还不足以科学认识该区土地利用变化对土壤有机碳的影响方式和程度.因此，本文以黄土丘陵子午岭林区为研究区，通过分析天然乔木林、天然灌木林转变成人工乔木林、农田及撂荒后土壤有机碳含量及其在土壤剖面上分布的差异，与浅层(0~100 cm)土壤对比，分析土地利用变化对深层(100~200 cm)土壤有机碳的影响，揭示浅层和深层土壤有机碳对土地利用变化响应的敏感性.以期为深入理解土地利用变化的土壤环境效应及深层土壤有机碳的稳定性提供科学依据.

研究区位于陕西省富县任家台子午岭林区(东经109°08′~109°11′，北纬36°04′~36°05′).地貌类型属梁状黄土丘陵沟壑区，海拔高程920~1683 m，相对高差100~150 m，沟谷密度 4.5 km · km^-2.年均气温 9 ℃，年均降雨量 576.7 mm，多集中在 7、8、9 三个月，占全年降雨的 60%以上，属于暖温带半湿润气候.地面组成物质主要以新黄土、老黄土为主，有些沟谷底部出现三趾马红土和白垦系砂、页岩.在清同治年间(1842—1866年)陕甘交界地区发生大范围民族冲突，此后该地区人口逃亡、田地荒芜，植被开始自然恢复，至今已有近150年历史，目前子午岭已经形成较大范围而且连片的次生森林景观，20世纪40—60年代以来，由于战争、饥荒、自然灾害等原因，陆续有人迁居此地，重新开始垦荒种田，同时由于人口变动又不断出现新的弃耕土地(李裕元等，2004).区内林木郁闭度达0.7以上，主要树种有山杨(Pobulus davidiana)、白桦(Betula platyphylla Suk)、辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz)、榆树(Ulmus pumila)和杜梨(Pyrus betulaefolia Bunge)等.林下草灌覆盖度达0.9以上，主要有绣线菊(Spiraea salicifolia L)、胡枝子(Lespedeza buergeri Miq)、栒子(C.zabelii Schneid)、黄刺玫(Rosa xanthina Lindl)、山桃(Prunus davidiana)、酸刺(Hippophae rhamnoides Linn)、四季青(Euonymus japonicus Thunb)、铁杆蒿(Compositae)、白草(Pennisetum centrasiaticum Tzvel)、羽茅(Achnatherum sibiricum)、野菊(Dendranthema)等.林下的枯枝落叶层厚度2~5 cm.阴坡及半阴坡的森林长势较阳坡好，梁峁顶部多旱生草灌植被，局部有散生的杜梨(Pyrus betulaefolia Bunge)分布.

于2013年8—11月在研究区选取天然乔木林、天然灌木林、人工乔木林、撂荒地、农地5种不同土地利用类型，针对4种土地利用变化(天然乔木林-人工乔木林、天然乔木林-农田、天然灌木林-农田、天然灌木林-农田-撂荒)，采用相邻样地比较法，布点采样，以真实反映土地利用变化对土壤有机碳的影响.天然林是原始森林遭破坏后经保护而形成的天然次生林，对照农田是由天然乔木林开垦形成，耕作时间约25年；人工乔木林是在天然乔木林破坏后重新建立，栽种约30年；撂荒地和对照农田是天然灌木林开垦形成，其中，撂荒地耕作20年后撂荒10年左右，农田开垦时间约50年(样地概况见表 1).

表1(Table 1)

表1 样地概况 Table 1 Characteristics of studied sites

表1 样地概况 Table 1 Characteristics of studied sites 土地利用 海拔/m 坡位 坡向 坡度/(°) 主要植物种类 天然乔木林 1266~1276 中上 北偏西 15~30 油松P. tabulaeformis、山杨P. davidiana 天然灌木林 1212~1264 中 南 18~25 山桃P.davidiana、山杏Armeniaca sibirica(L.)Lam.、狼牙刺Sophora davidii、黄刺玫Rosa xanthina Lindl、狗尾草S. viridis 人工乔木林 1211~1216 中上 北 15~25 油松P. tabulaeformis、狗尾草S. viridis 撂荒地 1201~1212 中下 南 8~15 角蒿I. sinensis、黄蒿Artemisia annua L、狗尾草S. viridis 农田 1253~1284 中上 南 5~8 谷子Setaria italica、玉米Zea mays、大豆Glycine max 1252~1275 中上 北偏西 15~30 大豆Glycine max

每种土地类型选取有代表性的重复样地3个，为减少样地间地形及小气候差异，选择邻近、坡向和土壤类型基本相同的样地.每块样地选5个采样点，用内径9 cm的根钻取土，采样深度0~200 cm，以20 cm为一层取样，共10层.每一层5个样点采集的土样组成一个混合样，将植物根系拣出，用于计算每层土壤的根系生物量，然后将剩下的土壤充分混匀，按照四分法，取其中的一部分装入塑料袋中，自然风干过2 mm土壤筛，带回实验室测定有机碳含量.每个样地挖200 cm深的土壤剖面，与土钻取样分层一致，测定每层土壤容重.

土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾-外加热容量法(鲁如坤，2000).土壤有机质储量的计算公式如下：

用Excel进行数据预处理，用SPSS16.0统计软件对不同利用类型下不同土层土壤有机碳含量进行ANOVA分析，LSD法进行差异显著性检验.用SPSS16.0中一般线性模型(GLM)的方差成分估计模块土地利用类型、容重、根系生物量等因子在土壤有机碳含量变异(方差)中所占的百分比，其百分比的大小可反映各因子对土壤有机碳含量影响程度.

由表 2可知，在0~200 cm土壤剖面上，天然乔木林、天然灌木林、人工乔木林、撂荒地、农田土壤有机碳平均含量分别为5.85、3.96、4.98、3.09、3.20 g · kg^-1，天然乔木林、人工乔木林与天然灌木林、撂荒地、农田土壤有机碳含量差异显著(p<0.05)，天然灌木林、撂荒地和农田之间无显著差异.

表2(Table 2)

表2 不同土地利用类型下土壤有机碳含量 Table 2 The concentration of soil organic carbon under different l and -use types

表2 不同土地利用类型下土壤有机碳含量 Table 2 The concentration of soil organic carbon under different l and -use types 土层深度/cm 有机碳含量/(g·kg-1) 天然乔木林地 天然灌木林地 人工乔木林地 撂荒地 农田 注：表中不同小写字母表示不同土地利用类型在同一土层土壤有机碳含量差异显著(p<0.05)，不同大写字母表示同一土地利用类型在不同土层土壤有机碳含量差异显著(p<0.05). 0~20 20.11±2.14Aa 13.85±2.78Ab 16.43±3.59Ab 8.59±2.23Ac 5.81±1.13Ac 20~40 9.18±1.10Ba 5.80±0.61Bb 8.01±1.53Ba 4.93±1.36Bb 3.89±1.09Bb 40~60 5.38±0.52Ca 3.29±0.16Cbc 4.27±0.91Cab 2.90±0.71BCc 3.17±0.57Cbc 60~80 4.19±0.60CDa 2.84±0.21Cbc 3.70±0.74Cab 2.57±0.73Cc 3.07±0.49Cbc 80~100 3.64±0.56Da 2.72±0.22Cab 3.31±0.73Cab 2.29±0.84Cb 2.91±0.43Cab 100~120 3.55±0.40Da 2.44±0.09Cbc 3.11±0.66Cab 2.05±0.79Cc 2.87±0.44Cab 120~140 3.33±0.45Da 2.26±0.19Cbc 2.92±0.67Cab 1.91±0.66Cc 2.69±0.15Cab 140~160 3.29±0.61Da 2.14±0.14Cbc 2.82±0.60Cab 1.92±0.44Cc 2.68±0.18Cabc 160~180 2.97±0.55Da 2.21±0.10Cab 2.59±0.60Cab 1.85±0.49Cb 2.50±0.31Cab 180~200 2.88±0.41Da 2.04±0.05Cbc 2.65±0.41Cab 1.86±0.24Cc 2.39±0.37Cac 平均值 5.85±0.72a 3.96±0.36b 4.98±0.66a 3.09±0.71b 3.20±0.53b

从土壤剖面分布来看，几种土地利用类型下土壤有机碳含量沿土壤剖面呈降低的趋势，0~60 cm下降幅度较大，60 cm以下土层降幅较小.天然乔木林、天然灌木林、人工乔木林和农田0~60 cm土层之间土壤有机碳含量有极显著差异(p<0.05)，60 cm以下土壤有机碳含量无差异.撂荒地0~40 cm土层之间土壤有机碳含量有显著差异(p<0.05).

不同土地利用类型下浅层(0~100 cm)和深层(100~200 cm)土壤有机碳含量分别为3.77~8.50 g · kg^-1和1.92~3.20 g · kg^-1，浅层和深层土壤有机碳含量分别占0~200 cm土壤有机碳含量的58%~71%和29%~42%.其中，浅层土壤有机碳含量以天然乔木林、人工乔木林地较高，其次为天然灌木林地，撂荒地和农田土壤有机碳含量最低.深层土壤有机碳含量则以天然乔木林、人工乔木林地和农田较高，天然灌木林地和撂荒地土壤有机碳含量较低.不同土地利用类型间浅层土壤有机碳含量差异显著，但深层土壤有机碳含量差异不大(图 1).

图 1(Fig. 1)

图 1 不同土地利用类型下0~100 cm和100~200 cm土层土壤有机碳含量(不同字母表示不同土层间差异显著(p<0.05)，Ⅰ:天然乔木林地，Ⅱ:天然灌木林地，Ⅲ:人工乔木林地，Ⅳ:撂荒地，Ⅴ:农田) Fig. 1 SOC content in 0~100 cm and 100~200 cm depth under different l and -use types

土地利用变化对土壤有机碳储量有显著影响.从图 2可知，天然乔木林转变为人工乔木林、天然乔木林转变为农田、天然灌木林转变为撂荒地及农田4种土地利用转变方式下0~200 cm土壤有机碳储量分别减少9.68、52.90、20.20、12.49 t · hm^-2，降低幅度分别为7%、39%、21%、13%.不同土地利用转变方式下浅层(0~100 cm)和深层(100~200 cm)土壤有机碳呈现不同的变化规律.天然乔木林转变为人工乔木林浅层土壤有机碳储量的减少量(2.27 t · hm^-2)低于深层土壤(7.41 t · hm^-2)；天然乔木林转变为农田、天然灌木林转变为撂荒地浅层土壤有机碳储量的减少量比深层土壤分别高33.62 t · hm^-2和13.08 t · hm^-2；天然灌木林转变为农田，浅层土壤有机碳储量减少(16.14 t · hm^-2)，深层土壤有机碳储量却有少量增加(5.14 t · hm^-2).土地利用变化导致浅层土壤有机碳储量减少幅度为2%~48%，深层土壤减少幅度为12%~22%，这表明相对于表层土壤，深层土壤有机碳受土地利用变化的响应程度较小.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同土地转换方式土壤有机碳储量在不同深度土层的变化量(Ⅰ:天然乔木林转变为人工乔木林，Ⅱ:天然乔木林转变为农田，Ⅲ:天然灌木林转变为撂荒地，Ⅳ:天然灌木林转变为农田) Fig. 2 The variation of SOC storage in different depths under different l and use changes

土地利用变化对土壤有机碳储量在土壤剖面上的分布也产生影响.由表 3可知，Ⅱ和Ⅲ转变类型下土壤有机碳的减少量随着土壤深度的加深而不断地减少，其中，0~60 cm深度减少的幅度较大，60 cm以下减少量趋于平稳.天然乔木林转变为人工乔木林，0~40 cm土壤有机碳储量增加，天然灌木林转 变为农田，除表层0~40 cm土壤有机碳储量减少外，40 cm以下土壤有机碳储量不同程度地增加，但增加的幅度不大.说明深层土壤有机碳储量随土地利用类型变化后剖面上分布有一定复杂性.另外，土地利用类型变化后，土壤有机碳储量改变的幅度比土壤有机碳含量小，这些差异也主要由土壤有机碳含量和土壤容重差异所致.

表3(Table 3)

表3 土地方式转变后土壤有机碳储量变化量 Table 3 The variation of SOC storage after different l and use changes

表3 土地方式转变后土壤有机碳储量变化量 Table 3 The variation of SOC storage after different l and use changes 土层深度/cm 土壤有机碳储量变化量/(t·hm-2) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 注：Ⅰ:天然乔木林转变为人工乔木林，Ⅱ:天然乔木林转变为农田，Ⅲ:天然灌木林转变为撂荒地，Ⅳ:天然灌木林转变为农田，正值表示增加，负值表示减少. 0~20 2.10 -22.80 -12.02 -16.35 20~40 0.34 -10.11 -2.27 -3.56 40~60 -2.13 -5.35 -1.13 0.58 60~80 -1.42 -3.12 -0.32 1.29 80~100 -1.16 -1.88 -0.91 0.41 100~120 -1.71 -2.60 -0.88 1.53 120~140 -1.57 -2.00 -0.76 0.96 140~160 -1.74 -1.85 -0.39 1.33 160~180 -1.47 -1.57 -1.07 0.54 180~200 -0.92 -1.62 -0.46 0.78 总计 -9.68 -52.90 -20.20 -12.49

用一般线性模型中的方差成分估计模块，计算了各因子对土壤有机碳含量变异性的贡献(表 4).结果表明，浅层(0~100 cm)土壤有机碳含量主要受土层的影响，可解释47.9%的变异性；容重、土地利用类型和根系生物量对有机碳含量的影响也较大，可分别解释28.9%、14.8%和8.5%的变异性；与浅层土壤不同，深层(100~200 cm)土壤有机碳含量主要受土地利用类型的影响，可解释71.1%的变异性；其次是容重和根系生物量，可分别解释11.1%、10.2%的变异性；土层对土壤有机碳含量的影响比较前3个因子较小，可解释7.7%的变异性.可以看出，表层土壤和深层土壤有机碳主要影响因素不同.

表4(Table 4)

表4 不同因子在土壤有机碳含量变异(方差)中的贡献 Table 4 The contribution of different factors in SOC variation(variance)

表4 不同因子在土壤有机碳含量变异(方差)中的贡献 Table 4 The contribution of different factors in SOC variation(variance) 方差来源 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm 方差 方差百分比 方差 方差百分比 方差 方差百分比 注：用GLM模型进行方差成分估计，n=180. 土地利用 类型 2.732 14.76% 0.167 71.06% 0.351 3.27% 土层 8.872 47.94% 0.018 7.66% 4.387 40.83% 容重 5.339 28.85% 0.026 11.06% 5.893 54.84% 根系生物量 1.563 8.45% 0.024 10.21% 0.114 1.06%

许多研究表明，土地利用变化对土壤有机碳有着重要的影响.就全球尺度而言，森林变为农田1 m土层内的土壤碳损失量为25%~30%(Houghton，1995).李正才等(2007)对北亚热带地区次生林转变成农耕地的研究得出，0~100 cm土壤有机碳含量下降了28.2%.吴建国等(2004)研究发现，暖温带半湿润区天然次生林转变成农田，0~110 cm土层土壤有机碳含量减少了54%，差异主要在0~50 cm土层.本研究得出，0~200 cm土层，天然乔木林转变成农田后，有机碳含量平均减少了46%，差异主要在0~80 cm土层，与上述结果相当；天然灌木林转变成撂荒地和农田，有机碳含量平均减少了22%和19%，差异主要在0~40 cm土层，比上述研究结果低.主要原因在于植被差异，天然乔木林根系发达，表层枯落物多(廖洪凯等，2011)，活性有机碳含量高(张剑等，2009)，且微生物含量多，有机碳的周转速率快，故转变成农田后有机碳损失速率较灌木林快.由于不同地区气候类型、土壤母质等不一样，加上土壤有机碳在空间分布的极大变异性、研究者方法的差异，导致不同地区土地利用变化对土壤有机碳影响的研究结果也不一样(Don et al., 2011).Bouwman(1990)指出，土地开垦几乎在所有的情况下都会造成自然生态系统土壤有机碳含量的降低，温带地区加拿大黑钙土开垦后土壤有机碳减少了50%以上.李正才等(2007)对北亚热带地区土地利用变化的研究表明，次生林转变成长期经营的农耕地后，土壤有机碳储量下降了22.5%，而转变成长期集约经营早竹林土壤有机碳储量下降51.4%.

一般而言，深层土壤碳储量对土地利用变化的响应不如表层土壤碳储量敏感(Guo et al., 2002; Poeplau et al., 2011).Detwiler和Hall(1988)总结得出，农田耕种30~50年后0~20 cm土壤表层土壤有机碳损失50%，0~100 cm土层土壤有机碳损失30%.吴建国等(2004)研究认为天然次生林转变为农田后0~100 cm土层土壤有机碳密度平均降低35%，其中，表层0~50 cm土层土壤有机碳密度农田比天然次生林低20%~79%.本文研究的天然乔木林地转变为农田后浅层(0~100 cm)土壤有机碳储量下降48%，深层(100~200 cm)土壤下降22%.这主要是因为随着土层的加深，土壤稳定性有机碳比例增加，周转时间变长(Rumpel et al., 2002)，深层土壤有机碳难分解的化合物增加(Liang et al., 2008)；相对于深层，表层土壤活性有机碳含量高(宇万太等，2007)，受环境因素影响较大(李忠等，2001;Petersen et al., 2002)，更容易造成损失.本研究中，天然灌木林转变为农田浅层土壤有机碳储量下降26%，深层变化与上述不同，有机碳储量增加了18%，这与其他学者(吴建国等，2004;李正才等，2007)的研究结果相同，60 cm以下农田土壤有机碳储量均比同层灌木地多.其原因一是土地管理方式如施肥、翻耕会促进地上新鲜有机物向下层土壤输入(Rasse et al., 2006;Huggins et al., 2007)；加上农田地势平坦，降雨导致表层水溶性碳向深层淋溶更明显(Marinho-Soriano et al., 2006)，长期的累积可能是造成深层有机碳含量增加的一个原因.

土壤碳库在受到土地利用变化的影响后，既可能变成大气中CO₂ 的“源”，也可能变成“汇”(吴金水等，2004; Kirschbaum，1995).Lugo等(1986)对热带森林的研究表明，森林砍伐成为农田后，土壤碳含量降低65%，而当农田恢复为森林，50年后土壤碳含量可以恢复为原有水平的75%.我国黄土丘陵区退耕还林后，土壤有机碳的累积表现出一定的阶段性，恢复10年的刺槐林土壤有机碳累积不明显，而恢复28年的刺槐林，0~100 cm土壤有机碳储量有明显增加，累积速率为1.1 t · hm^-2 · a^-1，100~200 cm土壤有机碳累积速率为0.5 t · hm^-2 · a^-1(许明祥等，2012).不同退耕类型和退耕年限土壤有机碳储量变化有一定的差异.张金等(2012)研究指出，恢复30年后的柠条林有机碳储量增加14.20 t · hm^-2，平均累积速率为0.44 t · hm^-2 · a^-1，100~200 cm土壤有机碳累积速率为0.32 t · hm^-2 · a^-1.相对于农田退耕还林而言，天然林地开垦为农田后对土壤有机碳的影响程度更大.林地开垦为农田导致土壤有机碳储量显著降低，如森林转化为农地，种植农作物5年内使土壤有机碳减少40%(Detwiler，1986).本研究结果表明，天然乔木林转变成农田后0~100 cm土层的土壤有机碳储量显著降低，平均减少速率为1.73 t · hm^-2 · a^-1；100~200 cm土层的平均减少速率为0.39 t · hm^-2 · a^-1，且浅层的降低速率显著高于深层.相对于林地开垦为农田而言，农田退耕还林后土壤有机碳的恢复要慢得多.

土地利用变化对表层土壤有机碳有显著影响，且深层土壤在一定程度上也参与了碳循环，深入研究土地利用变化对深层土壤有机碳影响对量化土地利用方式改变所引起的碳储量变化，制定生态系统管理策略，适应和减缓全球气候变化具有重要的意义.由于大量的有机碳储存于深层土壤，深层土壤有机碳的长期稳定固存的机制问题仍未明晰，因此，未来应加强深层土壤有机碳的来源、特征与长期动态变化方面的研究.

1)不同土地利用类型间0~200 cm土层的土壤有机碳含量有一定差异，以乔木林和人工林地最高，其次是天然灌木林地，撂荒地和农田土壤有机碳含量最低.浅层和深层土壤有机碳含量分别占0~200 cm土壤有机碳含量的58%~73%和27%~42%.不同利用类型间浅层土壤有机碳含量差异显著，但深层土壤有机碳含量差异不大.

2)不同土地转变方式对土壤有机碳储量有显著影响，浅层比深层变化更敏感.天然乔木林转变为人工乔木林、天然乔木林转变为农田、天然灌木林转变为撂荒地及农田4种土地利用转变方式下0~200 cm土壤有机碳储量分别减少了7%、39%、21%和13%.土地利用变化导致浅层土壤有机碳储量减少幅度为2%~48%，深层减少幅度为12%~22%.相对于林地开垦为农田而言，农田退耕还林后土壤有机碳的恢复要慢得多.

3)土壤有机碳在浅层和深层的主要影响因素不同.黄土丘陵区0~100 cm土层土壤有机碳含量主要受土层的影响，可解释47.9%的变异性；容重、土地利用类型和根系生物量可分别解释28.9%、14.8%和8.5%的变异性；100~200 cm土层土壤有机碳含量主要受土地利用类型的影响，可解释71.1%的变异性；其次是容重和根系生物量，可分别解释11.1%、10.2%的变异性.