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川南坡地几种退耕模式对土壤抗蚀性及有机质组分的影响

王景燕  
【摘要】:水土流失是当今世界普遍关注的重大环境间题,退耕还林(草)是修复土壤、控制水土流失、改善生态环境的根本性措施。退耕还林后林间部分土地荒芜,加之林木生长缓慢,经济效益不高,如何兼顾与协调生态效益、经济效益和社会效益三者的关系,选择适宜的退耕模式成为迫切需要解决的问题。论文从土壤抗蚀性和土壤有机质组分着手,系统地研究了川南坡地及其退耕成慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林和弃耕地5年后土壤养分、土壤层及枯落物层水源涵养功能、土壤抗蚀性、土壤分形特征及土壤有机质组分(包括微生物量碳和氮、水溶性有机碳、活性有机碳、轻组有机碳和氮、颗粒有机碳和氮、腐殖质组分碳和氮、有机碳和氮矿化、团聚体中有机碳和氮)的变化,主要研究结果如下: 1)退耕有利于土壤养分含量、微生物数量和酶活性的提高,不同退耕模式的土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、细菌、真菌、放线菌及总微生物数量、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性的大小顺序为:慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地;有效磷、速效钾含量的大小顺序为:农耕地慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地;全钾含量的大小顺序为:慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林=弃耕地农耕地,且0-15 cm土层各指标含量均高于15-30 cm土层。土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和全钾含量与蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、微生物总数、细菌、真菌和放线菌数量之间呈极显著正相关关系。 2)不同退耕模式土壤物理性质及其水源涵养功能差异明显。慈竹林土壤总空隙度、最大持水量和毛管持水量大于杂交竹林、桤木+慈竹林和弃耕地;枯落物储量、最大持水量和有效拦蓄量呈现出慈竹林杂交竹林桤木+慈竹混交林弃耕地的变化规律。4种不同退耕模式枯落物持水量与浸泡时间的关系式为Q=alnt+b,在0-2 h内,枯落物持水量迅速增加,此后增加速度逐渐减缓;其吸水速率与浸泡时间关系式为V=ktn,在0-2 h内,枯落物吸水速率迅速下降,4h后下降速度逐渐减缓。综合土壤层和枯落物层的综合蓄水能力,慈竹林持水能力最强,具有良好的生态水文功能。 3)与农耕地对照相比,退耕5年后土壤水稳性团聚体平均重量直径、结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、物理稳定性指数和有机质增加,土壤结构体破坏率、不稳定团粒指数、分散率、侵蚀系数和受蚀性指数降低。各模式土壤抗蚀性综合主成分值为-4.466~3.436,呈现出慈竹林杂交竹林桤木+慈竹混交林弃耕地农耕地的规律。土壤有机质与大多数抗蚀性指标具有显著相关性,且与抗蚀性综合主成分值呈极显著正相关,说明坡地退耕后土壤有机质增加是土壤抗蚀性增强的关键,坡地退耕成慈竹林更有利于增强研究区土壤抗蚀性。 4)退耕后0.25 mm的土壤团聚体和水稳性团聚体含量均显著增加,团粒结构分形维数介于1.377-2.826之间,且慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地,并随0.25 mm的土壤团聚体及水稳性团聚体含量的增加而降低。退耕后的慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹林和弃耕地的土壤团粒结构分形维数与抗蚀性综合主成分值、土壤理化性质、微生物数量及酶活性相关性较好。农耕地退耕对增加0.25 mm的土壤团聚体及水稳性团聚体含量和提高土壤结构稳定性具有较好的作用;土壤团粒结构分形维数可以作为坡地退耕后土壤肥力和抗蚀性变化的理想指标,在研究区坡地退耕种植慈竹具有较好的培肥改土效益。 5)退耕后土壤有机质、粘粒(0.001 mm)含量、颗粒分形维数、颗粒组成中物理性粘粒(0.01 mm)与物理性砂粒(0.01 mm)含量的比值增加,呈现出慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地的变化规律,各模式土壤颗粒分形维数在2.507-2.598之间。土壤颗粒分形维数与土壤物理性质、抗蚀性综合主成分值、养分含量、微生物数量和酶活性之间相关性较好。说明农耕地退耕对提高土壤粘粒含量、肥力水平及改善颗粒组成比例具有较好的作用;土壤颗粒分形维数可以作为坡地退耕后土壤肥力和抗蚀性变化的评价指标。 6)不同退耕模式土壤微生物量碳和氮含量以慈竹林为最高,且慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地,各模式土壤微生物量碳和氮含量均为0-15 cm土层高于15-30 cm土层。退耕模式慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹林和弃耕地0-30 cm土层土壤微生物量比农耕地相比,微生物量碳分别高出111.6~147.0%,78.4~107.4%,59.2~83.9%,28.7~51.3%,微生物量氮分别增加92.1~107.8%,57.6~78.9%,45.7~62.3%,27.2~43.6%。水溶性有机碳含量排序同土壤微生物量碳和氮,各模式依次比农耕地高出128.4~150.6%、79.2~105.9%、59.3~86.0%、35.8~55.5%,且均为上层大于下层土壤。说明退耕有利于土壤微生物量碳和氮及水溶性有机碳含量的增加。土壤微生物量可以较为敏感地反映退耕地植被恢复对土壤性质的影响。 7)在不同退耕模式下土壤活性有机碳的含量为0.121-1.238 g·kg-1。同一退耕模式下,上层土壤的活性有机碳(CL333)、中等活性有机碳(CL167)和高活性有机碳(CL33)的含量均高于下层,且CL333CL167CL33。各土层土壤活性有机碳(CL333)、中等活性有机碳(CL167)和高活性有机碳(CL33)含量及碳库管理指数大小均为:慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地;各模式土壤活性有机碳(CL333、CL167和CL33)含量均为0-15 cm土层高于15-30 cm土层。全氮、碱解氮、全磷、全钾、细菌、真菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和抗蚀性综合主成分值与高活性有机碳、中等活性有机碳、活性有机碳及碳库管理指数呈极显著相关,说明全氮、碱解氮、全磷、全钾、细菌、真菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶与土壤不同活度有机碳和碳库管理指数关系密切,通过对土壤活性有机碳和碳库管理指数的研究可以预测坡地退耕后土壤肥力和抗蚀性的变化。 8)退耕后土壤轻组及重组有机碳和氮含量、轻组有机碳和氮分配比例、轻组及重组有机质C/N比、轻组有机碳和氮储量均呈现出慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地的变化规律,且轻组及重组有机碳和氮含量、轻组有机碳和氮分配比例和轻组及重组有机质C/N比均为0-15 cm土层土壤高于15-30 cm土层。 9)退耕均能在不同程度上增加土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮含量,提高土壤颗粒有机碳和氮分配比例及颗粒有机质C/N,且上层土壤各指标均高于下层。各模式颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮储量均呈现出慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地的趋势,与农耕地相比,各退耕模式颗粒有机碳和氮储量分别增加60.9%-162.4%和54.5%-136.5%,矿质结合有机碳和氮储量分别增加54.6%-119.8%和50.4%-103.4%。说明退耕是增加土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮的关键。 10)土壤腐殖质(胡敏酸、富里酸和胡敏素)及活性腐殖质(活性胡敏酸和活性富里酸)组分碳、氮含量和可浸提腐殖质(胡敏酸和富里酸)及活性腐殖质组分碳、氮分配比例大小顺序均为:慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地,说明慈竹林对增加土壤腐殖质及活性腐殖质组分碳、氮效果更为明显。各退耕模式土壤活性腐殖质碳和氮的增加率均分别高于腐殖质碳和氮,说明活性腐殖质组分碳和氮较腐殖质组分碳和氮对不同退耕模式的响应更灵敏。 11)不同退耕模式下各土层土壤有机碳矿化量差异显著,其释放C02-C量的大小顺序为:慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地,且上层土壤高于下层。在培养的前5天,各土层土壤C02-C快速释放,之后趋于平缓,整个培养期土壤有机碳累积矿化量呈曲线增加趋势。与弃耕地相比,慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹林和农耕地土壤中铵态氮、硝态氮和总无机氮含量均增加;0-30 cm土层土壤氮净矿化速率由大到小依次为慈竹林杂交竹林慈竹+桤木林弃耕地农耕地,且差异显著。 12)不同退耕模式土壤各粒级团聚体有机碳和氮含量顺序均为慈竹林杂交竹林桤木+慈竹林弃耕地农耕地,表明退耕后随着植被的恢复土壤团聚体有机碳和氮含量提高。土壤团聚体有机碳和氮的含量随团聚体粒径的减小而增大呈现出“V”变化规律,即大粒级和小粒级团聚体(5 mm和0.25mm粒径)土壤有机碳和氮含量高,而中间粒级团聚体土壤有机碳和氮含量低,且各模式均以0.25mm团聚体土壤有机碳和氮含量最高。退耕增加了大粒径团聚体中有机碳和氮的分配比例,减少了小粒径团聚体有机碳和氮的分配比例。


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