纸坊沟流域刺槐林土壤有机质演变特点及其累积机理研究

【摘要】：植被覆盖和土地利用方式的变化影响到土壤碳含量。大量研究发现农地转化为林地后土壤碳贮量也随之发生变化。然而，森林生长序列中土壤碳的变化并不保持一致的增长趋势。森林生态系统中土壤有机碳的动态变化机制的研究颇显重要。 研究通过对纸坊沟流域四种年限刺槐林的土壤有机质各组分的调查，在总结其特点的基础上，分别设置野外培养试验和室内培养试验，旨在探索造成有机质变化的影响因素。主要结论如下： （1）对1975年柠条林N75、1974年耕地H74和1978年刺槐林C78土壤剖面有机碳、全N、土壤机械组成、碳酸钙、容重、pH值等指标进行分析，发现各样地土壤有机碳的积累与0.02mm粒径的土壤颗粒有较高的相关；土壤剖面各指标在不同深度存在异常变化，0.002mm粘粒物质大幅度增加，表现出古土壤层的特征；1m深度有机碳储量C78N75H74，但差异主要表现在30cm深度以上土层，特征层的存在可能导致H74剖面16.684g/m3的有机碳评价误差，以及C78剖面36.926g/m2的误差。 (2)分析了类似立地条件下10年、25年、31年、35年四个刺槐林和一个对照农地土壤有机碳SOC各组分的变化。三深度平均SOC含量、活性有机碳AOC含量、水溶性有机碳DOC含量随刺槐林年限增加而增加；与农地相比，所有刺槐林样地AOC/SOC、惰性有机碳ROC/SOC呈高值表现，惰性有机碳LOC/SOC值较低，DOC/水溶性有机氮DON较低而280nm的UV吸收值较高；随退耕年限的增加，25年刺槐林表现出一个以深度分异为代表的退耕特殊阶段。在刺槐林生长过程中，（i）AOC和缓性有机碳ROC都出现累积趋势，刺槐林有助于土壤碳的储存；（ii）土壤碳的累积过程中有组分差异表现，DOC，DOC/DON以及UV吸收值出现与SOC不同的变化；（iii）各深度AOC及SOC并未表现出一致的增长趋势，有深度分异。刺槐林生长发育过程中SOC的积累有组分和深度的差异，其相关机理需进一步研究。 （3）对1975年柠条林N75、1974年农地H74和1978年刺槐林C78在100cm深度土壤剖面有机碳、全N、土壤机械组成、碳酸钙进行差异度分析和线性相关性分析，发现退耕后两种林地SOC及全N含量虽然都有明显变化，但是C78的差异主要表现在0-20cm深度，而N75则主要表现在20-100cm。相关度分析表明，H74在20cm以下SOC、C/N值都与0.002-0.02mm粒径极显著相关，C78在40cm以下SOC含量与0.002mm粒径含量显著相关，C/N值与0.02mm粒径由0-100cm的负相关，变为正相关。结果证明柠条林和刺槐林对SOC和全N的影响存在深度的差异，分别表现在深层和浅层。农地和刺槐林土壤深层SOC与细颗粒土壤显著相关，性质稳定。 （4）对C78样地均匀添加枯落物碎屑的土壤培养坑分3月、7月和11月进行一年期的培养和观测，发现SOC各组分有季节性变化，20cm和40cm深度在7月SOC，活性有机碳POC及总氮TN值最高，可溶性有机碳DOC和可溶性有机氮DON呈相反变化趋势；培养过程中各指标出现深度分异，与20cm不同，在60cm深度，SOC随培养过程而递减，POC及全氮递增，而DOC在7月出现高值。SOC在初始积累过程中先增后减，体现出自我调节。SOC各组分的深度分异，反映出培养坑60cm深度SOC来源出现多元化，枯落物腐解产物影响程度减弱。 （5）采集安塞纸坊沟31年刺槐林土样及林下混合枯落物，通过碱液吸收法测定100%、20%和2%含水量条件下3深度土样20cm，40cm，60cm、去除DOC土样（仅100%含水量条件下）、三种处理枯落物混合土样（林下混合枯落物、刺槐枯落物和草本类枯落物）培养过程中CO_2的累计释放量。结果表明，100%和20%含水量条件下各深度土壤CO_2释放量为20cm60cm40cm；20cm土样去除DOC后CO_2释放量明显减少，40cm明显增加，60cm没有明显变化；混合枯落物土样在100%含水量条件下CO_2释放量最高；20%和2%含水量条件下刺槐枯落物CO_2释放量明显大于草类，而100%含水量条件下草类枯落物略大于刺槐枯落物。研究证明土壤含水量对SOC组分含量和枯落物种类不同的土壤层呼吸强度存在差异性影响，强降水对DOC的淋失可造成表层土壤呼吸的减弱。 （6）设置野外培养坑，将混合枯落物的土样和未混合枯落物的土样用致密的尼龙布隔开，LDOM（难以自由迁移的那部分WEOM）的含量用两者同时培养后WEOM含量的差值来计算。野外培养两年并分段采样，在7月份，样坑表层被吸附的WEOC（LDOC）和WEOC比率较其他时段低，并随样坑深度增加，比率升高；UV280nm吸收值及LDON/WDON较高，LDOC/WDOC较低。7月20cm LDOC/LDON与WEOC/WEON相当，但3月和11月前者高于后者，说明7月份LDOC/LDON值与RDOC/RDON没有明显差异，但在其他时间前者呈高值表现。研究证明LDOM有季节性和深度分异，当比较WEOM和DOM的研究结果时，应当注意到这个问题。