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《西北农林科技大学》 2017年
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黄土丘陵区人工林土壤氮素积累、转化对土壤碳库的影响

李昌珍  
【摘要】:明确退耕还林下土壤氮库的动态变化特征以及与土壤碳库的关系对于认知植被恢复下土壤氮素固存、提升土壤质量以及改良生态环境效应有重要意义。本研究在退耕还林工程背景下,以黄土丘陵区主要人工林和不同退耕年限刺槐、柠条和荒草作为研究对象,采用时空替代法,通过野外试验与室内分析相结合的方法研究了不同人工林土壤氮组分积累、转化特征以及随退耕年限的演变规律,并结合室内培养试验,分析了凋落物种类、水分和温度对土壤氮素转化的影响,通过比较不同人工林以及不同退耕年限下刺槐、柠条和荒草土壤碳库,明确了土壤氮素积累、转化与土壤碳库的关系。取得以下主要结论:(1)退耕植被恢复对于不同人工林0-200 cm土层氮组分含量、储量和积累量有着明显影响。不同人工林土壤全氮、硝态氮和无机氮含量随土层深度的变化规律基本相似,浅层(0-40 cm)变化大于深层(40-200 cm);铵态氮、可溶性全氮和可溶性有机氮含量随土层深度的变化不明显。与耕地相比,侧柏和刺槐+侧柏土壤硝态氮、无机氮、可溶性全氮和可溶性有机氮储量明显下降,但柠条全氮、铵态氮、硝态氮、无机氮、可溶性全氮和可溶性有机氮储量明显提高,0-200 cm土层氮组分储量分别比耕地高2.24 Mg/ha、8.49 kg/ha、15.00 kg/ha、23.54 kg/ha、429.63 kg/ha和406.44 kg/ha,氮组分积累效果显著。说明植被恢复是影响土壤氮素积累的重要因素,不同人工林土壤氮组分积累效应差异较大。(2)不同退耕年限刺槐、柠条和荒草土壤氮组分储量和积累量不同,深层土壤占据重要地位。不同退耕年限刺槐、柠条和荒草土壤全氮、铵态氮、硝态氮、无机氮、可溶性全氮和可溶性有机氮储量随退耕年限的变化规律不一致,且表层与深层土壤随退耕年限的变化也不同。不同土层氮组分储量分布比例差异显著,深层土壤占据很大比例;100-200 cm土层氮组分储量分布比例最大,为34.18%-57.47%;40-100 cm土层分布比例为20.11%-37.03%。大部分情况下,不同退耕年限刺槐、柠条和荒草土壤全氮和硝态氮积累量随土层0-10 cm、10-40 cm、40-100 cm和100-200 cm呈下降趋势,而铵态氮积累量呈升高趋势。(3)凋落物种类和温度是影响土壤氮素转化的主要因素,对土壤氮素转化起重要作用。不同凋落物处理下土壤硝态氮含量、硝化速率、矿化氮含量和矿化速率差异显著,均表现为柠条凋落物处理最高,其次是刺槐、9:1刺槐+山桃凋落物处理和对照,荒草和1:1刺槐+侧柏凋落物处理最低。不同田间持水量处理下土壤铵态氮含量、氨化速率、硝态氮含量、硝化速率、矿化氮含量和矿化速率差异不显著。不同温度处理下土壤铵态氮含量、硝态氮含量和矿化氮含量有显著差异;38℃处理下土壤铵态氮含量均值为5.87 mg/kg,显著高于12℃和25℃处理;38℃处理下土壤硝态氮和矿化氮含量分别比12℃和25℃处理高11.87mg/kg和2.67 mg/kg(硝态氮)、11.35 mg/kg和7.57 mg/kg(矿化氮)。在同一温度和田间持水量条件下不同凋落物处理土壤硝态氮含量和矿化氮含量差异达极显著水平。在培养过程中,不同凋落物处理土壤硝态氮和矿化氮含量最高的处理是在25℃60%田间持水量条件下柠条凋落物处理,其他凋落物处理最高值出现在38℃60%田间持水量条件下。(4)植被类型、退耕年限以及土层深度是影响土壤碳库的主要因素,三者共同调控土壤碳库变化。不同人工林土壤有机碳、可溶性有机碳、可溶性无机碳和可溶性总碳库存在极显著差异。柠条0-10 cm、0-40 cm、0-100 cm和0-200cm土层有机碳库最高,分别比耕地高2.41 Mg/ha、2.64 Mg/ha、3.12Mg/ha和5.99 Mg/ha;荒草土壤可溶性有机碳、可溶性无机碳和可溶性总碳库最高,0-200 cm土层碳库分别比耕地高10.20%、8.34%和8.62%。不同退耕年限刺槐、柠条和荒草土壤碳库随退耕年限的变化趋势各不相同。(5)植被类型、退耕年限和土层深度是影响土壤氮素积累、转化与土壤碳库关系的重要因素,共同调控土壤碳氮关系。不同人工林各土层氮组分积累量对土壤碳库的影响具有相似性,即0-10 cm和0-40 cm土层表现较为一致,0-100cm和0-200 cm土层较为一致,但不同土层氮组分转化速率对土壤碳库的影响差异较大;所有人工林各土层全氮积累、转化对土壤有机碳影响均为最敏感。不同退耕年限刺槐、柠条和荒草各土层氮组分积累量对土壤碳库的影响差异较大。不同退耕年限刺槐土壤可溶性有机氮和可溶性全氮积累量对土壤可溶性有机碳和可溶性总碳库影响较敏感,可溶性有机氮和可溶性全氮转化速率对土壤可溶性总碳库影响较大。不同退耕年限柠条0-200 cm土层氮组分积累量对土壤碳库的影响较其他土层更明显;土壤铵态氮、硝态氮和无机氮转化速率对土壤可溶性无机碳库影响较大。不同退耕年限荒草土壤氮组分积累、转化对土壤碳库的影响随土层不同差异较大。
【关键词】:人工林 退耕年限 氮积累 氮转化 碳库
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S714.2
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-15
  • 第一章 绪论15-24
  • 1.1 选题的目的和意义15-16
  • 1.2 选题的依据16
  • 1.3 国内外研究进展16-22
  • 1.3.1 土壤氮组分及氮库的影响因素16-20
  • 1.3.2 土壤氮素积累的影响因素20-21
  • 1.3.3 土壤氮素转化过程21-22
  • 1.3.4 土壤碳氮关系22
  • 1.4 本文存在的主要科学问题22-24
  • 第二章 研究区概况、研究内容及方法24-29
  • 2.1 研究区概况24
  • 2.2 研究内容24-25
  • 2.2.1 不同人工林和退耕年限土壤氮组分变化、积累特征24
  • 2.2.2 不同凋落物氮素转化对水分和温度的响应24-25
  • 2.2.3 不同人工林和退耕年限土壤碳库变化特征25
  • 2.2.4 人工林土壤氮库与碳库交互效应关系25
  • 2.3 研究技术路线25
  • 2.4 研究方法25-29
  • 2.4.1 样地选择25
  • 2.4.2 采样方法25-26
  • 2.4.3 室内培养试验方法26-27
  • 2.4.4 样品测定方法27
  • 2.4.5 数据处理与统计27-29
  • 第三章 不同人工林土壤氮组分积累特征29-42
  • 3.1 不同人工林土壤氮组分含量垂直分布特征29-32
  • 3.1.1 土壤全氮含量垂直分布特征29-30
  • 3.1.2 土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量垂直分布特征30-31
  • 3.1.3 土壤可溶性全氮和可溶性有机氮含量垂直分布特征31-32
  • 3.2 不同人工林土壤氮组分储量分布特征32-36
  • 3.2.1 土壤全氮储量分布特征32-33
  • 3.2.2 土壤铵态氮、硝态氮和无机氮储量分布特征33-35
  • 3.2.3 土壤可溶性全氮和可溶性有机氮储量分布特征35-36
  • 3.3 不同人工林土壤氮组分积累量分布特征36-39
  • 3.3.1 土壤全氮积累量分布特征36-37
  • 3.3.2 土壤铵态氮、硝态氮和矿化氮积累量分布特征37-38
  • 3.3.3 土壤可溶性全氮和可溶性有机氮积累量分布特征38-39
  • 3.4 讨论39-41
  • 3.5 小结41-42
  • 第四章 不同退耕年限人工林土壤氮组分积累特征42-66
  • 4.1 不同退耕年限人工林土壤氮组分含量垂直分布特征42-48
  • 4.1.1 土壤全氮含量垂直分布特征42-43
  • 4.1.2 土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量垂直分布特征43-46
  • 4.1.3 土壤可溶性全氮和可溶性有机氮含量垂直分布特征46-48
  • 4.2 不同退耕年限人工林土壤氮组分储量分布特征48-57
  • 4.2.1 土壤全氮储量分布特征48-50
  • 4.2.2 土壤铵态氮、硝态氮和矿化氮储量分布特征50-55
  • 4.2.3 土壤可溶性全氮和可溶性有机氮储量分布特征55-57
  • 4.3 不同退耕年限人工林土壤氮组分积累量分布特征57-63
  • 4.3.1 土壤全氮积累量分布特征57-58
  • 4.3.2 土壤铵态氮、硝态氮和无机氮积累量分布特征58-61
  • 4.3.3 土壤可溶性全氮和可溶性有机氮积累量分布特征61-63
  • 4.4 讨论63-65
  • 4.5 小结65-66
  • 第五章 土壤氮素转化对凋落物种类、水分和温度的响应66-91
  • 5.1 土壤氮素转化对凋落物种类的响应66-72
  • 5.1.1 土壤氮素铵化对凋落物种类的响应66-68
  • 5.1.2 土壤氮素硝化对凋落物种类的响应68-70
  • 5.1.3 土壤氮素矿化对凋落物种类的响应70-72
  • 5.2 土壤氮素转化对土壤水分含量的响应72-77
  • 5.2.1 土壤氮素铵化对土壤水分含量的响应72-74
  • 5.2.2 土壤氮素硝化对土壤水分含量的响应74-75
  • 5.2.3 土壤氮素矿化对土壤水分含量的响应75-77
  • 5.3 土壤氮素转化对温度的响应77-81
  • 5.3.1 土壤氮素铵化对温度的响应77-78
  • 5.3.2 土壤氮素硝化对温度的响应78-79
  • 5.3.3 土壤氮素矿化对温度的响应79-81
  • 5.4 凋落物氮素矿化对土壤水分和温度的响应81-87
  • 5.4.1 凋落物氮素氨化对土壤水分和温度的响应81-83
  • 5.4.2 凋落物氮素硝化对土壤水分和温度的响应83-85
  • 5.4.3 凋落物氮素矿化对土壤水分和温度的响应85-87
  • 5.5 讨论87-89
  • 5.6 小结89-91
  • 第六章 不同人工林及退耕年限土壤碳库分布特征91-103
  • 6.1 不同人工林土壤碳库分布特征92-95
  • 6.1.1 土壤有机碳库分布特征92
  • 6.1.2 土壤可溶性有机碳库分布特征92-93
  • 6.1.3 土壤可溶性无机碳库分布特征93-94
  • 6.1.4 土壤可溶性总碳库分布特征94-95
  • 6.2 不同退耕年限人工林土壤碳库分布特征95-100
  • 6.2.1 土壤有机碳库分布特征95-96
  • 6.2.2 土壤可溶性有机碳库分布特征96-98
  • 6.2.3 土壤可溶性无机碳库分布特征98-99
  • 6.2.4 土壤可溶性总碳库分布特征99-100
  • 6.3 讨论100-102
  • 6.4 小结102-103
  • 第七章 人工林土壤氮素积累、转化对土壤碳库的影响103-115
  • 7.1 土壤氮素积累对土壤碳库的影响103-108
  • 7.1.1 不同人工林土壤氮素积累对土壤碳库的影响103-104
  • 7.1.2 不同退耕年限刺槐土壤氮素积累对土壤碳库的影响104-105
  • 7.1.3 不同退耕年限柠条土壤氮素积累对土壤碳库的影响105-106
  • 7.1.4 不同退耕年限荒草土壤氮素积累对土壤碳库的影响106-107
  • 7.1.5 不同退耕年限刺槐、柠条和荒草土壤氮素积累对土壤碳库的影响107-108
  • 7.2 土壤氮素转化对土壤碳库的影响108-113
  • 7.2.1 不同人工林土壤氮素转化对土壤碳库的影响108-109
  • 7.2.2 不同退耕年限刺槐土壤氮素转化对土壤碳库的影响109-110
  • 7.2.3 不同退耕年限柠条土壤氮素转化对土壤碳库的影响110-111
  • 7.2.4 不同退耕年限荒草土壤氮素转化对土壤碳库的影响111-112
  • 7.2.5 不同退耕年限刺槐、柠条和荒草土壤氮素转化对土壤碳库的影响112-113
  • 7.3 讨论113-114
  • 7.4 小结114-115
  • 第八章 结论与展望115-117
  • 8.1 结论115-116
  • 8.2 研究展望116-117
  • 参考文献117-124
  • 致谢124-126
  • 作者简介126

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