半干旱区不同土地利用与土地覆盖条件下土壤有机碳储量的时间变化

《Ecological Indicators》：Temporal variation in soil organic carbon stocks under different land-use and land-cover conditions in a semi-arid region

　　

研究人员对半干旱区不同土地利用与土地覆盖条件下土壤有机碳（SOC）储量的时间变化进行了研究。土地利用是土壤有机碳储量的主要驱动因素。再生卡廷加（Caatinga）地区的土壤有机碳储量最高。毁林增加了土壤有机碳储量的季节变异性。原生植被对卡廷加地区的土壤碳保护具有支撑作用。

**半干旱区不同土地利用与土地覆盖条件下土壤有机碳储量的时间变化研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

季节干旱森林约占全球森林面积的42%，在生物地球化学循环中具有重要作用，但正日益受到土地利用变化的威胁，尤其是森林向农田和牧场的转变。卡廷加（Caatinga）是最大的季节干旱热带森林，具有高度的气候变异性和环境复杂性，养分循环、土壤肥力维持和碳储存等重要生态功能均依赖该生态系统的完整性。然而，人类活动已导致卡廷加约一半的原生植被覆盖发生改变。植被覆盖变化会改变土壤保水性、养分有效性，并最终影响土壤有机碳（SOC）储量。已有研究表明，在卡廷加地区，将原生植被转为牧场可使土壤碳储量减少50%以上，但差异幅度可能受评估期间水分条件的影响。由于卡廷加地区降水季节分配不均，单次采样的碳储量评估可能无法反映全年真实水平。然而，目前关于土地利用对SOC储量的影响已受到关注，但不同土地利用和土地覆盖条件下SOC储量的时间变异仍知之不详。为填补这一空白，本研究提出以下问题：在不同土地利用和土地覆盖条件下，土壤有机碳储量在年内不同时期如何变化？研究假设为：（i）受干扰程度越大的区域土壤有机碳储量越低，而植被再生可恢复储量；（ii）土壤有机碳储量的时间变化受全年水分有效性调控。

**二、研究内容与结论**

研究人员在巴西伯南布哥州Floresta市（08°18′31″S, 38°31′37″W, 378 m）开展实验，当地气候为热带半干旱（BSh），年平均气温约26 °C，年均降水489.3 mm，降水集中在1—7月。研究区包含三个样地：保存完好的卡廷加（CAA）、再生区（REG）和已砍伐区（DEF）。其中，CAA为原生植被覆盖，约200 ha；REG于2005年部分清除原生植被后未进行农业生产，自然恢复至今；DEF在2005年前曾被完全清除用于农业种植，现处于再生初期，有零星草本和裸露土壤斑块。研究人员于2024年7月、10月、2025年1月和3月四个时期采集0–15 cm和15–30 cm深度土壤样品，共计每区288个样品，测定土壤有机碳储量及其物理性质，并采用Kruskal-Wallis检验和主成分分析（PCA）进行统计。结果表明，土地利用是SOC储量的主要驱动因素。年均0–30 cm深度下，CAA（15.95 Mg ha?1）和REG（25.87 Mg ha?1）的SOC储量分别比DEF（8.62 Mg ha?1）高101%和232%。REG比CAA高65%。在季节变化上，DEF在不同时期波动最大，从干-雨季过渡到雨季时，0–30 cm深度SOC储量增加249%，而CAA仅增加40%–49%，稳定性更高。PCA分析显示，碳储量与黏粒、粉粒、总孔隙度正相关，与土壤容重负相关，表明土壤结构属性对碳保护有重要作用。研究结论强调，原生植被的保存和再生对于维持半干旱区土壤碳储存和生态系统服务至关重要。

**三、关键技术方法**

本研究在巴西伯南布哥州Floresta市的三个样地（保存完好的卡廷加CAA、再生区REG、砍伐区DEF）进行。土壤样品采用Uhland型钻和圆筒型钻在0–15 cm和15–30 cm深度采集，每个区域36个采样点，四个时期共288个样品。微气候变量通过安装在卡廷加样地的气象站连续监测。土壤总有机碳（TOC）采用Walkley-Black湿氧化法测定，并利用以下公式计算SOC储量：SOCstock = (TOC × BD × soil depth) / 10，其中BD为容重，soil depth为土层厚度。数据经Shapiro-Wilk正态性检验后，用Kruskal-Wallis检验和Conover多重比较进行差异显著性分析，显著性水平α=0.05。主成分分析（PCA）用于评估土壤物理性质与碳储量动态的关系。全部统计采用R软件完成。

**四、主要研究结果**

**（一）不同样地SOC储量的总体差异**
在0–30 cm深度，年均SOC储量以再生区最高（25.87 Mg ha?1），保存完好的卡廷加次之（15.95 Mg ha?1），砍伐区最低（8.62 Mg ha?1）。砍伐区显著低于其他两个区域，且其土壤容重较再生区高3.47%–8.33%，黏粒含量低69%。PCA第一主成分（解释了55.77%的变异性）显示碳储量与黏粒（0.97）、水分散性黏粒（0.97）、粉粒（0.80）和总孔隙度（0.77）正相关，与容重（?0.85）和分散度（?0.58）负相关，表明土壤结构稳定性与碳储量紧密关联。

**（二）季节变化对SOC储量的影响**
在雨季-干季过渡期和雨季，砍伐区的SOC储量显著低于其他两个区域。在干季和干-雨季过渡期，再生区的SOC储量比保存完好的卡廷加高30%–131%。砍伐区在干-雨季过渡期到雨季期间，0–15、15–30和0–30 cm储量的中位数分别增加了114%、163%和249%，表现出最高的季节变异性。保存完好的卡廷加仅在0–15和0–30 cm深度出现显著季节差异，增幅为40%和49%，稳定性最强。再生区在雨季-干季过渡期到干季期间，各深度储量增加32%–46%，显示出在水分受限条件下仍能维持甚至积累碳。

**（三）不同深度间的SOC储量差异**
在0–15和15–30 cm深度之间，各区域和各时期的SOC储量均无显著差异，说明表层和亚表层碳储量对土地利用的响应模式相似。

**五、讨论与结论总结**

讨论部分指出，砍伐区SOC储量低是碳输入减少和土壤结构退化共同作用的结果：植被移除降低了有机质输入，土壤暴露促进了侵蚀和分解，同时黏粒和粉粒减少削弱了有机质的物理保护。再生区较高的碳储量归因于草本植物的快速恢复和较高的黏粉粒含量，增强了有机质的稳定性。时间变异性分析表明，植被覆盖越完整，SOC储量对水分变化的缓冲能力越强；砍伐区在雨季的碳储量激增可能只反映临时性输入，而非长期固碳。研究也承认存在局限性，如缺乏基线数据、仅监测一个年度周期、单个气象站无法全面代表空间异质性等。结论部分强调：土壤有机碳储量受到土地利用的强烈影响，保存完好和再生的卡廷加区域碳储量远高于砍伐区，表明退化会大幅削弱土壤碳储存能力；再生区在水分胁迫下仍表现出比原生植被更高的碳累积效率，说明再生过程有助于有机质恢复；砍伐区对气候条件更敏感，季节波动大；因此，保护和再生原生植被是维持半干旱区土壤质量和生态系统服务平衡的重要策略。