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干旱区研究 >

2025 , Vol. 42 >Issue 5: 895 - 906

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.05.12

植物生态

平茬对天山北坡浅山带灌木群落生长及碳收支的影响

  • 刘鑫 , 1 ,
  • 张毓涛 , 2, 3 ,
  • 师庆东 1 ,
  • 李吉玫 2, 3 ,
  • 孙雪娇 2, 3
展开
  • 1.新疆大学生态与环境学院， 新疆 乌鲁木齐 830017
  • 2.新疆维吾尔自治区林业科学院， 新疆 乌鲁木齐 830063
  • 3.新疆天山森林生态系统国家定位观测研究站， 新疆 乌鲁木齐 830063
张毓涛. E-mail:

刘鑫（1998-），男，硕士研究生，主要从事森林生态系统碳交换研究. E-mail:

收稿日期: 2025-01-02

  修回日期: 2025-03-26

  网络出版日期: 2026-03-12

基金资助

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2023D01A90)

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2022D01B174)

收起

Effects of levelling stubble on the growth of shrub communities and carbon sequestration in the shallow mountain belt of the northern slope of Tianshan Mountains

  • LIU Xin , 1 ,
  • ZHANG Yutao , 2, 3 ,
  • SHI Qingdong 1 ,
  • LI Jimei 2, 3 ,
  • SUN Xuejiao 2, 3
Expand
  • 1. College of Ecology and Environment, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang, China
  • 2. Xinjiang Academy of Forestry, Urumqi 830063, Xinjiang, China
  • 3. Xinjiang Tianshan Forest Ecosystem National Observation and Research Station, Urumqi 830063, Xinjiang, China

Received date: 2025-01-02

  Revised date: 2025-03-26

  Online published: 2026-03-12

Fold

摘要

本研究旨在探讨平茬措施对天山北坡浅山带灌木群落生长及碳收支能力的影响。在黑果小檗（Berberis atrocarpa）、宽刺蔷薇（Rosa platyacantha）和金丝桃叶绣线菊（Spiraea hypericifolia）灌木群落内，分别设置4种不同平茬高度处理：全部平茬（QP）、留茬高度为株体原高度的1/2（LG1/2）、留茬高度为株体原高度1/4（LG1/4）、未平茬对照（CK），监测灌木群落生长指标（地径、冠幅、枯枝比、新枝长）、碳收支及土壤微生物和酶活性变化。研究结果表明：（1） 灌木群落的生长指标对QP处理响应最为明显，新枝高度增加109.2%并且枯枝比降幅达到88.1%，QP处理的差异性显著增加。（2） QP、LG1/2、LG1/4平茬处理分别提高了灌木群落的净生态系统CO2交换（NEE）195.3%、157.6%、177.4%，分别降低生态系统呼吸（ER）51.2%、51.7%、66.5%，降低了土壤呼吸（RS）67.4%、49.6%、12.2%，3种平茬处理的灌木群落碳交换均与对照呈现出显著性差异。（3） 平茬处理明显提高灌木群落土壤碳含量和酶活性，土壤碳交换与土壤生物因子（微生物量碳、土壤有机碳、土壤酶活性）显著正相关。综上所述，合理的平茬措施能有效提升天山北坡浅山带灌木群落的生长及固碳能力，全部平茬在该区域内对促进灌木群落生长和提高碳汇功能最为有效，对减缓区域大气中CO2的增长具有积极作用。

关键词： 碳收支; 平茬; 灌木群落; 净生态系统; CO2交换

本文引用格式

刘鑫 , 张毓涛 , 师庆东 , 李吉玫 , 孙雪娇 . 平茬对天山北坡浅山带灌木群落生长及碳收支的影响[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(5) : 895 -906 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.05.12

Abstract

This study aims to investigate the effects of stumping on the growth and carbon sequestration capacity of shrub communities in the low mountain belt on the northern slope of the Tianshan Mountains. Within the shrub communities of Berberis atrocarpa, Rosa platyacantha and Spiraea hypericifolia, four different stumping height treatments were set up: complete stumping (QP), leaving 1/2 of the original plant height (LG1/2), leaving 1/4 of the original plant height (LG1/4), and an un-coppiced control (CK). The growth indices of the shrub communities (ground diameter, crown width, dead branch ratio, and new branch length), carbon sequestration, and changes in soil microbial and enzyme activities were monitored. The results showed that: (1) The growth indices of the shrub communities were most responsive to the QP treatment, with new branch height increasing by 109.2% and the dead branch ratio decreasing by 88.1%, resulting in significant differences in the QP treatment. (2) The QP, LG1/2, and LG1/4 treatments increased the net ecosystem CO2 exchange (NEE) of the shrub communities by 195.3%, 157.6%, and 177.4%, respectively, and decreased ecosystem respiration (ER) by 51.2%, 51.7%, and 66.5%, respectively, and soil respiration (RS) by 67.4%, 49.6%, and 12.2%, respectively. The carbon exchange of the shrub communities under the three stumping treatments showed significant differences compared with the control. (3) stumping significantly increased soil carbon content and enzyme activity in the shrub communities, and soil carbon exchange was significantly positively correlated with soil biotic factors (microbial biomass carbon, soil organic carbon, and soil enzyme activity). In conclusion, rational stumping measures can effectively enhance the growth and carbon sequestration capacity of shrub communities in the low mountain belt on the northern slope of the Tianshan Mountains. Complete stumping (QP) is the most effective in promoting shrub community growth and enhancing carbon sink function in this area, and it has a positive effect on mitigating the increase of CO2 in the regional atmosphere.

Key words： carbon balance; flat stubble; shrub communities; net ecosystem; CO2 exchange

森林生态系统的碳交换是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，对全球气候变化有重要影响，因其巨大的固碳功能和增汇潜力在“碳中和”、“碳达峰”中发挥着重要作用[1-5]。定量评估森林生态系统的碳源、碳汇和碳收支对制定减缓CO2排放的有效措施、探索“双碳”目标实现的生态路径都具有重要意义[6]，也是当前全球气候变化和碳中和战略目标研究中的焦点之一[7-8]。已有研究证实经营方式是影响森林生态系统碳收支和碳交换的重要驱动因子之一。目前，关于森林生态系统碳交换的研究主要集中于乔木林和荒漠灌木林[9-11]。浅山带灌木林生态系统碳收支的研究一直未被关注。
平茬是灌木林更新复壮的主要措施[12]，尤其适合具有萌生能力的灌木。目前有关平茬对灌木林的影响研究相对较多，主要集中在平茬高度、频次和强度及周期对灌木群落萌蘖数量、生物量及种群动态的影响[13-14]。张泽宁等[15]认为平茬对植物生物量产生影响，聂恺宏等[16]主要开展了平茬对种群动态的影响研究。也有研究证实不合理的平茬阻碍灌木生长，导致生物量碳降低，进而影响生态系统碳收支[17-19]。在科尔沁沙地的研究表明，平茬强度对锦鸡儿生长的影响不大。平茬对萌蘖能力的影响不仅与植被类型有关，且与平茬强度、频度及周期等也密切相关。平茬通过刺激诱导伐桩不定芽和休眠芽萌发，通过加大根系和叶片生物量及分配促进萌芽生长，并在萌枝数、存活率、生长量权衡作用下形成不同平茬制度的萌枝格局[20]。平茬处理也会对土壤碳含量和酶活性产生影响，于文涛[21]发现平茬改善了土壤有机碳、土壤全氮和土壤蓄水量，平茬处理下的土壤碳输入有效提高，可用于改善长期林地土壤固碳能力下降的状况。董雪等[22]研究表明4种典型灌木植物灌丛下土壤有机碳、全氮、全磷彼此之间存在显著的正相关。李元等[23]认为微生物活性是土壤异氧呼吸，主要受控于土壤养分的有效性。但也有研究发现平茬并未改变土壤有机质和土壤呼吸[24]。不同区域物种的平茬处理效果有所差异，尚未有统一定论。
天山北坡浅山带位于天山主体山脉与准噶尔盆地的过渡带，包括低山区与山前冲洪积扇，海拔相对较低。灌木作为该区域的主要植被类型之一，在固碳释氧、水土保持、生物多样性保护等方面发挥着重要的生态功能。天山北坡浅山带分布的灌木林面积为80.75×104 hm2，占区域森林面积的48.3%，优势物种为黑果小檗、宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊，是抵御自然灾害和防止土地退化的天然保护屏障[25]，在维持区域生态系统碳循环方面起着至关重要的作用，是新疆未来固碳增汇的重要潜力区[26]。近100 a来受自然条件（季节性干旱、气候变化）、立地条件（部分区域土壤瘠薄）及人类活动（过度放牧、无序开发）的影响，天山北坡浅山带灌木林出现大面积退化或衰败甚至死亡，导致灌木林生态系统碳交换逆向生长。
为促进灌木林恢复，天山东部国有林管理局对部分经营的退化灌木林进行平茬，以达到更新复壮的目的。本研究在黑果小檗、宽刺蔷薇和金丝桃叶绣线菊灌木群落内，分别设置4种不同平茬高度处理，监测样地内灌木群落净生态系统CO2交换（Net Eeosystem Exchang，NEE）、生态系统呼吸（Ecosystem Respiration，ER）及土壤呼吸速率（Soil Respiration rate，RS）；同步采集土壤样品，分析土壤环境指标的变化；并对样地内灌木群落生长指标进行监测，比较不同平茬高度下灌木群落生长和生态系统碳收支差异，分析不同平茬高度下灌木群落碳收支的动态变化规律及其与土壤环境因子的关系，明确不同留茬高度处理对浅山带灌木群落生长及碳收支影响[27-28]。以期为提升浅山带灌木林固碳增汇潜力提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究主要依托中国森林生态系统研究网络（China Forest Ecosystem Research Network，CFERN）新疆天山森林生态系统国家定位观测研究站（43°24′48″~43°26′17″N，87°27′28″~87°28′47″E）开展工作。该行政区域位于天山北坡中段的新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市乌鲁木齐县水西沟镇，属于天山东部国有林管理局板房沟分局（图1），海拔约为1908 m，气候类型为温带大陆性气候，年均气温为2~3 ℃，年均降水量400~600 mm，雨季集中在6—10月，年均蒸发量980~1150 mm，年均相对湿度65%。区域内灌木是以耐干旱、耐瘠薄的黑果小檗、宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊等建群种的灌木群落为主（表1），灌木林下草本稀疏，草本盖度不足5%，土层较薄，林下枯落物厚约0.85~1.70 cm。
图1 研究区概览图

Fig. 1 Overview map of the study area

表1 样地基本信息

Tab. 1 Basic information on sample plots

平茬处理 群落组成 样地数量/个 灌木平均高度/m 灌木平均冠幅/m2 平均盖度/% 各样地平均株数/株
CK Sh 7株；Rp 8株；Ba 5株 4 0.42±0.04 0.71×0.64 34.07±0.02 19
QP Sh 8株；Rp 8株；Ba 4株 6 0.55±0.06 0.59×0.54 34.02±0.08 26
LG1/2 Sh 4株；Rp 9株；Ba 7株 4 0.69±0.09 0.71×0.68 41.13±0.10 26
LG1/4 Sh 5株；Rp 8株；Ba 7株 4 0.85±0.08 0.60×0.54 40.05±0.11 30

注：CK为对照组；QP为全部平茬（留茬高度3~5 cm）；LG1/2为平茬高度为株体原高度的1/2；LG1/4为平茬高度为株体原高度1/4；Sh为金丝桃叶绣线菊；Rp为宽刺蔷薇；Ba为黑果小檗。下同。

1.2 样地设置

2021年10月在天山北坡浅山带灌木林分布的典型区域选择微地形（海拔、坡度、坡向）等基本一致的地段，设置4种不同留茬高度的平茬处理，即对照（CK）、全部平茬（QP：留茬高度3~5 cm）、留茬高度为株体原高度的1/2（LG1/2）、留茬高度为株体原高度的1/4（LG1/4）。每个处理样地大小为5 m×5 m，共18个样地。其中，CK、LG1/2和LG1/4处理样地各4个，QP样地6个。为了防止牲畜破坏，样地用围栏围起（表1）。

1.3 平茬后生长指标监测

2023年7月下旬，在灌木生长旺盛期，调查各处理样地内每株灌木的地径（距地面1 cm处的直径）、株高、冠幅、总枝条（包括新枝、老枝和枯枝）数量、新枝数量（包括从基部和伐桩新长出的所有枝条）、新枝长及枯枝比（枯枝数量占总枝条数量的比例）。每株灌木选择粗、中、细枝条各3枝，使用数显游标卡尺（精度0.01 mm）测量地径；人工计数各个样地内每株灌木总枝条、新枝条和枯枝数量，统计枯枝比。

1.4 平茬后碳收支监测

结合上述处理调查每木检尺结果，2023年5—9月在每个处理样地选择3~5株标准灌木，清除周边草本植物，埋设80 cm×80 cm×80 cm或50 cm×50 cm×50 cm的钢制底座。高度不足40 cm的灌木，选择50 cm底座；高度大于40 cm小于80 cm，选择80 cm底座，底座在土壤中埋设深度为5 cm，在底座卡槽内使用水封，保证气密性良好。底座上放置同化箱。同化箱内部设有两个风扇搅匀气体，将进气口和出气口与便携式土壤呼吸仪相连，保证箱内气密性良好，2023年5—9月下旬选择晴朗无风的天气，在8:00—14:00监测NEE，每个样地重复3次，若遇到降雨天气，则在雨后3 d测量。NEE测定结束后，掀开同化箱通风，保证叶室内充满经过对流交换的空气，将不透光黑色罩子罩在同化箱上暗反应30 min后监测生态系统呼吸ER。具体每个同化箱内灌木样株基本情况见表2。
表2 同化箱内样株基本情况

Tab. 2 Basic information on the sample plants in the assimilation chamber

处理 同化箱内树种数量及组成 平均株高/m 平均冠幅/m2 平均盖度/%
CK Sh 2株；Rp 1株；Ba 1株 0.38±0.14 0.35±0.07 43.10±0.07
QP Sh 1株；Rp 1株；Ba 1株 0.42±0.06 0.32±0.06 45.06±0.06
LG1/2 Sh 1株；Rp 1株；Ba 1株 0.50±0.17 0.37±0.15 47.06±0.05
LG1/4 Sh 1株；Rp 1株；Ba 1株 0.65±0.26 0.32±0.09 50.03±0.11
每个样地内提前埋设一个露出地面高度为2~3 cm的PVC环（内径20 cm，高15 cm），并砸实外圈土壤以防漏气，保持PVC环静止不动连接自带气室的便携式土壤呼吸仪，测量土壤呼吸（RS）。

1.5 土壤采样及测定

2023年7月，在上述处理样地各选择3个土壤采样点，并用直径10 cm的土钻分层采集0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~40 cm的土样，并将相邻3个点的同层土样混合，分两部分带回实验室。其中一部分常温保存，用于测定土壤有机碳含量；另外一部分低温（4 ℃）保存，用于测定土壤微生物生物量碳、脲酶、超氧化物歧化酶和磷酸酶活性。其中有机质碳含量采用重铬酸钾法测定；采用氯仿熏蒸法测定微生物生物量碳；采用靛酚蓝比色法测定土壤中脲酶；采用NBT-分光光度法测定超氧化物歧化酶；采用磷酸苯二钠水解比色法测定土壤中磷酸酶。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2021对数据进行整理统计，计算均值及标准差。采用SPSS 26.0 for Windows进行统计分析，采用单因素方差分析法（One-way ANOVA）、最小显著差数（Least Significant Difference，LSD）法进行多重比较，分析不同平茬高度对净生态系统CO2交换(NEE)、总初级生产力（Gross Ecosystem Productivity，GEP）、生态系统呼吸（ER）和土壤呼吸（RS）及土壤微生物和土壤酶活性的差异性，使用相关分析法分析土壤有机碳、微生物量碳、土壤酶活性对土壤碳收支的影响。使用Origin 2021进行绘图。
生态系统总初级生产力（GEP）的计算公式如下：
$\begin{array}{c}GEP=NEE+ER\end{array}$
式中：NEE为净生态系统CO2交换（μmol·m-2·s-1）；ER为生态系统呼吸（μmol·m-2·s-1）；GEP为总初级生产力（μmol·m-2·s-1）。
灌木新生枝条地径变化率计算公式如下：
$\begin{array}{l}\begin{array}{c}地径变化率=\frac{处理组地径均值-对照组地径均值}{对照组地径均值}\times \end{array}100\%\end{array}$
式中：处理组地径均值（cm）；对照组地径均值（cm）

2 结果与分析

2.1 不同平茬高度下灌木群落生长指标变化

如表3和图2所示天山北坡灌木林3种优势群落QP处理样地新生枝条地径明显高于其他平茬处理。4种平茬处理下，宽刺蔷薇新生枝条地径依次为QP>LG1/4>LG1/2>CK，金丝桃叶绣线菊为QP>CK>LG1/4>LG1/2，黑果小蘗依次为QP>LG1/2>CK>LG1/4。与CK处理样地相比，宽刺蔷薇QP、LG1/2和LG1/4处理样地新枝地径变化率分别为116.7%、5.0%和50.0%。宽刺蔷薇、黑果小檗QP处理样地与CK、LG1/2、LG1/4有显著性差异（P<0.05）。平茬过程中留茬高度不同，其对新生枝条地径的影响不同，在QP处理下，金丝桃叶绣线菊和黑果小檗新生枝条地径变化率明显高于CK和其他两种平茬处理。从表3可以看出，QP处理下宽刺蔷薇新生枝条平均地径比平茬前增加了116.7%。平茬1 a后个别样地宽刺蔷薇单株平均地径可达1.2 cm。黑果小檗平茬样地新生枝条数量和枝条地径与平茬前相比，也有明显增加。黑果小檗在QP处理下地径增幅可达50.0%。与宽刺蔷薇和黑果小檗相比，金丝桃叶绣线菊地径变化不大。宽刺蔷薇新生枝条地径在LG1/2、LG1/4平茬方式下分别比对照增加了5.0%和50.0%；金丝桃叶绣线菊新生枝条地径分别增加了-33.3%和-6.7%；黑果小檗新生枝条地径分别增加了2.5%和-2.5%。
表3 不同平茬高度3种灌木地径变化率

Tab. 3 Rates of change in ground diameter of three shrubs with different levelling heights

物种
 QP
 LG1/2
 LG1/4
宽刺蔷薇
 116.7 5.0 50.0
金丝桃叶绣线菊
 33.3 -33.3 -6.7
黑果小檗
 50.0 2.5 -2.5

注：以上均为与CK相比的变化率（%）。

图2 不同平茬高度下灌木群落地径、枯枝比、新枝高度比较

注：图中不同字母表示差异显著（P<0.05）。下同。

Fig. 2 Comparison of ground diameter, deadwood ratio and new branch height of shrub communities under different levelling heights

从3种灌木的枯枝比来看，金丝桃叶绣线菊较高、宽刺蔷薇次之，黑果小檗较低。对照组处理样地的枯枝比较高，金丝桃叶绣线菊群落枯枝比高达50.0%以上，宽刺蔷薇和黑果小檗枯枝比也超过了30.0%。但平茬处理后，QP灌木群落的枯枝比均在10%以下，株体主要为新生枝条，LG1/2、LG1/4处理样地的枯枝比相对于对照组处理样地也均有下降，平茬1~2 a后金丝桃叶绣线菊枯枝比降低了19.4%~42.2%；黑果小檗枯枝比降低了21.7%~39.5%；宽刺蔷薇枯枝比降低了13.6%~36.5%，3种处理样地的枯枝比降幅从高到低依次为QP>LG1/4>LG1/2（图2c）。
黑果小檗、宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊新枝长度均表现为：QP>LG1/4>LG1/2（图2b）。与CK相比，QP处理下宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的新枝长分别增加了91.2%、56.5%和109.2%；LG1/2处理下宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的新枝长分别增加了-9.3%、11.4%和9.1%；LG1/4处理下宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的新枝长分别增加了26.4%、22.1%和37.1%（表4）。3种灌木群落新枝长增幅从高到低的顺序依次为QP>LG1/4>LG1/2>CK。
表4 不同平茬高度3种灌木新枝长与变化率

Tab. 4 New branch length and rates of change of three shrubs with different levelling heights %

指标 处理 物种
宽刺蔷薇 金丝桃叶绣线菊 黑果小檗
新枝长/cm
 CK 23.0 18.0 35.0
QP 44.0 28.0 73.0
LG1/2 21.0 20.0 38.0
LG1/4 29.0 22.0 48.0
平茬处理与CK的新枝长度变化率/%
 QP与CK 91.2 56.5 109.2
LG1/2与CK -9.3 11.4 9.1
LG1/4与CK 26.4 22.1 37.1
黑果小檗、宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊单株萌蘖枝条数均表现为：QP>LG1/4>LG1/2>CK。与CK相比，QP处理下宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的单株萌蘖枝条数分别增加了233.1%、133.2%和323.0%；LG1/2处理下宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的单株萌蘖枝条数分别增加了67.5%、33.1%和164.0%；LG1/4处理下宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的单株萌蘖枝条数分别增加了167.3%、50.3%和224.0%（表5）。3种灌木群落单株萌蘖枝条数增幅从高到低依次为QP>LG1/4>LG1/2>CK。
表5 不同平茬高度3种灌木单株萌蘖枝条数与变化率

Tab. 5 Number and rate of change of sprouting tillers of three shrubs at different levelling heights %

指标 处理 物种
宽刺蔷薇 金丝桃叶绣线菊 黑果小檗
单株萌蘖枝条
数/个		 CK 3 12 5
QP 10 28 21
LG1/2 5 16 13
LG1/4 8 18 16
平茬处理与CK的单株萌蘖枝条数变化率/%
 QP与CK 233.1 133.2 323.0
LG1/2与CK 67.5 33.1 164.0
LG1/4与CK 167.3 50.3 224.0

2.2 不同平茬高度下灌木群落碳交换变化

不同平茬处理样地净生态系统CO2交换（NEE）、生态系统呼吸（ER）、土壤呼吸（RS）如图3所示，在生长季内（5—9月），CK样地NEE值为正，说明在这一时期内未处理的CK样地是碳源，释放CO2到大气中；QP、LG1/2、LG1/4样地NEE均为负值，在这一时期为碳汇，吸收固定大气中的CO2。QP、LG1/2、LG1/4样地的NEE比CK样地高195.3%、157.6%和177.4%。QP样地的NEE相比于LG1/2、LG1/4样地分别高出67.2%和24.2%，不同平茬处理样地的NEE与CK样地均呈现出显著性差异（P<0.05）。
图3 不同平茬高度下灌木群落NEE、ER、RS、GEP比较

Fig. 3 Comparison of NEE, ER, RS and GEP of shrub communities under different flat stubble heights

QP、LG1/2、LG1/4处理样地的ER比对照样地分别低51.2%、51.7%、66.5%，QP、LG1/2处理样地的ER比LG1/4处理样地高29.0%，不同平茬处理的ER从高到低分别为CK>LG1/2>QP>LG1/4。不同平茬处理样地的ER与CK样地的ER均呈现出显著性差异（P<0.05）。
3种平茬处理中，QP处理样地的土壤呼吸最低，相比CK样地降低67.4%。LG1/4处理样地的土壤呼吸最高，相比CK样地降低了12.2%。LG1/2处理样地的土壤呼吸相比于CK样地降低了49.6%。QP、LG1/2处理样地的土壤呼吸均与CK样地呈现显著性差异（P<0.05），LG1/4处理样地的土壤呼吸与CK样地未呈现出显著性差异（P>0.05）。

2.3 灌木群落土壤碳、微生物和酶活性变化

对照样地的土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量、土壤微生物生物量碳（Soil Microbial Biomass Carbon，SMBC）含量和土壤酶活性随着土层深度增加而逐渐降低；QP处理样地土壤有机碳含量、脲酶（Ure）和磷酸酶（Pho）活性均表现出随着土层深度增加而降低。土壤微生物量碳表现为随着土层深度增加而增加（表6）。0~5 cm和5~10 cm土层土壤微生物碳与CK均无差异（P>0.05），其余2个土层存在显著差异（P<0.05），但总体依然表现为QP处理样地高于CK样地；20~40 cm土层土壤有机碳与CK样地差异均显著（P<0.05），其余3个土层不存在显著差异（P>0.05），但总体也依然表现为处理样地高于CK样地（图4）。QP处理样地4个土层超氧化物歧化酶与CK样地差异均显著（P<0.05）。4个土层磷酸酶和脲酶与CK无显著差异（P>0.05）（图5）。
表6 灌木群落土壤碳及酶活性垂直变化

Tab. 6 Vertical changes in soil carbon and enzyme activity in shrub communities

平茬处理 土层深度
/cm		 土壤有机碳
/（g·kg-1）		 土壤微生物量碳
/（mg·kg-1）		 脲酶
/[μg·（24h）-1·g-1]		 超氧化物歧化酶
/（U·g-1）		 磷酸酶
/[μmol·（24h）-1·g-1]
CK 0~5 55.27±12.94 231.53±11.82 414.45±41.41 391.35±29.30 151.98±8.57
5~10 42.60±5.32 192.63±45.39 351.52±66.13 314.03±83.91 105.48±22.06
10~20 32.78±6.07 144.03±67.68 142.20±21.01 292.98±20.20 43.57±6.38
20~40 24.61±3.23 120.35±56.55 106.37±1.24 386.52±34.32 40.31±11.50
QP 0~5 83.48±20.20 234.19±40.44 269.80±71.74 582.74±35.93 160.85±19.42
5~10 59.81±11.66 237.52±52.75 266.60±53.60 642.53±86.23 131.95±43.55
10~20 46.39±7.85 263.53±62.87 166.67±57.96 517.83±55.37 84.08±3.10
20~40 40.43±4.60 304.77±74.14 178.62±36.06 521.14±65.67 52.31±12.91
LG1/4 0~5
5~10
10~20
20~40		 91.49±13.22
68.66±17.61
47.34±12.37
44.60±7.05		 202.62±16.26
178.55±52.82
136.12±20.41
92.30±25.39		 99.81±22.87
64.85±19.05
37.76±10.87
25.96±7.36		 595.02±158.70
553.41±133.68
583.83±159.68
520.49±21.04		 174.18±6.62
115.82±0.89
83.68±25.72
43.11±12.22
LG1/2 0~5
5~10
10~20
20~40		 88.43±11.84
56.97±7.17
35.41±2.83
37.03±7.02		 211.14±8.71
229.16±20.41
200.02±57.39
165.33±17.29		 349.34±52.66
294.86±58.32
235.72±56.56
194.64±59.61		 491.81±26.64
472.25±48.15
388.04±77.31
418.56±88.58		 159.58±15.38
118.56±35.37
89.44±21.12
82.89±16.21
图4 不同平茬高度下灌木群落土壤有机碳、土壤微生物量碳含量变化

Fig. 4 Changes in soil organic carbon and soil microbid biomass carbon of shrub communities under different levelling height

图5 不同平茬高度下灌木群落土壤脲酶、超氧化物歧化酶、磷酸酶活性变化

Fig. 5 Changes in soil urease, superoxide dismutase, phosphatase activities of shrub communities under different levelling heights

LG1/4处理样地的土壤有机碳含量、土壤微生物量碳含量和土壤酶活性随着土层深度增加逐渐降低；LG1/4处理样地3个土层超氧化物歧化酶（SOD）与CK样地差异均显著（P<0.05），只有20~40 cm土层超氧化物歧化酶与CK样地差异不显著（P>0.05），0~5 cm和5~10 cm土层脲酶与对照有差异（P<0.05），其余2个土层无显著差异（P>0.05）；20~40 cm土层土壤有机碳与CK样地差异均显著（P<0.05），其余3个土层不存在显著差异（P>0.05），但总体依然表现为LG1/4处理样地低于CK样地。
LG1/2处理样地土壤有机碳含量、脲酶、磷酸酶活性随着土层深度增加而降低，超氧化物歧化酶活性随着土层深度增加而降低，但在20~40 cm深度有所增加，总体表现为LG1/2处理样地高于CK样地；4个土层土壤有机碳、脲酶和超氧化物歧化酶与CK样地无显著差异（P>0.05）；20~40 cm土层土壤有机碳与CK样地差异均显著（P<0.05），其余3个土层不存在显著差异（P>0.05），但总体也表现为LG1/2处理样地高于CK样地。

2.4 平茬后土壤因子对碳收支的影响

利用相关性分析探讨不同平茬高度处理下的灌木群落碳交换与土壤碳、土壤酶活性的相关关系，图6所示，QP处理下的NEE、GEP与SOC、SMBC极显著相关（P<0.001），与Pho显著性相关（P<0.05），RS与SOC、SMBC显著性相关（P<0.05）；LG1/2处理下的RS与Ure显著性相关（P<0.05）；不同平茬高度处理下灌木群落碳交换与土壤碳、土壤微生物和酶活性的相关性均有所提升。
图6 不同平茬高度下灌木群落相关性比较

注：*和***分别表示P<0.05和P<0.001水平显著相关；SOC为土壤有机碳；SMBC为土壤微生物量碳；SOD为超氧化物歧化酶活性；Ure为脲酶活性；Pho为磷酸酶活性。

Fig. 6 Comparison of shrub community correlations at different levelling heights

3 讨论

平茬是灌木林更新复壮的主要措施，尤其适合具有萌蘖能力的灌木，但对山地潜山带灌木林的应用研究较少。本研究揭示不同平茬高度对天山北坡浅山带灌木群落生长及碳收支的影响。平茬处理可能会对灌木生物量的增长和新生枝条的生长产生积极影响。研究发现QP处理显著提高了宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的新生枝条地径，宽刺蔷薇在留茬3~5 cm处理下地径增幅达116.7%，这可能源于宽刺蔷薇的茎基部休眠芽密度较高[29]，宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗在LG1/4和LG1/2处理下灌木新生枝条比CK样地有所提高，黑果小檗的新生枝条涨幅最大，对平茬处理的响应最为明显。这可能是由于平茬后减少了植株间的竞争压力，为新生枝条提供了更多生长空间和资源。研究印证了天山北坡浅山带低留茬高度对强萌蘖物种的适应性优势[29]。3种高度平茬处理下的灌木群落枯枝比均显著降低，QP处理下的灌木群落的枯枝比降幅最大，金丝桃叶绣线菊对枯枝比降低的响应最明显，平茬处理有助于减少群落内的死亡和衰败组织，提高生态系统的整体活力，从而促进灌木群落优质生长，进而提高灌木群落固碳能力。
3种平茬高度处理下的灌木群落净生态系统CO2交换（NEE）均得到大幅度提高，土壤呼吸和生态系统呼吸均有明显下降。与CK处理样地相比，QP处理样地宽刺蔷薇、金丝桃叶绣线菊和黑果小檗的NEE增加了157.6%~195.3%，印证了天山北坡浅山带低留茬高度对强萌蘖物种的适应性优势。这一结果与荒漠灌木（如沙拐枣）的响应规律形成鲜明对比，后者因水分限制更适应中等强度平茬。平茬措施显著提高了土壤碳含量及酶活性，骆土寿等[30]发现土壤中碳氮含量的过高与过低都会抑制微生物活性，由于微生物呼吸作为土壤呼吸的重要组成部分，微生物活性的变化最终会影响到土壤呼吸。李耀林等[31]认为平茬对土壤水分的影响对于防治土壤旱化具有重要意义。本研究3种不同高度平茬处理均显著提高了土壤碳含量及酶活性，加速了土壤碳的转化和循环过程。合理的平茬措施能够有效促进灌木群落的碳收支，对于减缓大气中CO2的增长具有重要意义。QP处理显著提高了灌木生态系统碳收支，表明QP处理能够有效促进灌木群落的碳吸收，这对于恢复和提升生态系统的碳汇功能具有显著优势。

4 结论

（1） 平茬处理对天山北坡浅山带优势灌木群落具有显著的正面影响，合理的平茬高度能够有效提升灌木群落的生长以及碳收支，QP处理对于提高灌木生态系统的碳汇功能效果最为显著，为实现区域碳中和目标提供了有效的管理手段。
（2） 平茬处理可以促进灌木群落新生枝条的地径增加，QP处理效果最为明显，增加了33.3%~116.7%。大幅度降低了灌木群落枯枝比，QP处理的样地枯枝比均在10%以下，其他处理样地枯枝比下降13.6%~42.2%。各处理样地的新枝长均有所增加，其中QP处理样地的新枝长增加达到56.5%~109.2%，新枝萌蘖数达到了133.2%~323.0%。处理样地的地径、枯枝比、新枝长等对不同高度平茬的响应均表现为QP>LG1/4>LG1/2>CK。充分改善了灌木群落的结构和生长状况，增强了灌木生态系统的生产力和抵御外来干扰的能力，有利于提高灌木生态系统的健康稳定和生态系统服务功能。
（3） 各平茬处理均有效提高了灌木群落的净生态系统CO2交换（NEE），将退化灌木群落的碳源性转化为碳汇性，与CK样地均有显著性差异，QP处理提高净生态系统CO2交换（NEE）195.3%。各平茬处理均降低了灌木群落的生态系统呼吸及土壤呼吸，与CK样地呈现出显著性差异，QP处理的土壤呼吸最低，降低了67.4%。
（4） 平茬处理有效提高了灌木群落土壤碳含量及酶活性，随着土层深度增加逐渐降低；处理样地土壤有机碳含量、脲酶和磷酸酶活性均表现随着土层深度增加而降低，处理样地的土壤碳含量及酶活性与对照样地呈现显著性差异，QP处理在各土层和各项指标中均表现出最明显的差异性。进一步证实了平茬措施对增加土壤有机质的输入、提高酶活性和促进土壤碳循环过程均具有积极作用，能够明显改善灌木群落土壤碳和酶活性，提高生态系统的长期碳储存和固碳潜力，这对于生态系统的长期碳储存和固碳潜力具有重要意义。

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