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退耕地土壤有机碳库特征及碳周转相关因子对植被恢复模式的响应

杨渺  
【摘要】: 土壤有机碳作为陆地碳库的主要部分,在全球碳循环中起着重要作用。在全球变化的背景下,如何管理陆地生态系统,以保持原有碳储量,并尽可能沉积更多的大气碳是当前面临的新挑战。目前,碳积累机制的研究已引起了广泛关注。 SOC的吸存和动态与土地利用活动紧密相关,通常认为森林破坏导致SOC流失,森林重建增加土壤碳汇。其实,植被变化过程中SOC的变化方向和数量大小不仅仅取决于变化前后植被类型,还主要与土地利用的历史,现状及管理强度有关。中国西南地区是全国第二大林区,和东北地区一样,该区有机质分解缓慢有利于碳储存,因此对全球碳循环具有重要贡献。近年来,在森林植被恢复过程中,营造了大量人工林,由于所种植的树种单一,导致土壤营养流失,既不利于森林的生长和更新,也不利于土壤碳吸存。另外,西南地区人口众多,经济不发达。农业用地的减少,无疑给居民的生活增加了压力。因此,本文以农田为对照,研究几种具有不同经济价值的人工林模式(苦竹、苦竹+光皮桦木、光皮桦木、牛鞭草)的土壤碳汇特征,分析土壤碳汇能力、周转过程与机理,这对土壤碳管理和当地经济发展具有现实意义。结果表明,造林5年后: 1.新营造的几种植被模式的碳含量都低于农田,导致了土壤碳的流失。符合造林初期土壤碳下降的规律。各植被类型SOC随土层深度的增加而降低,和已有研究结果相符,但几种植被类型对SOC随剖面深度分布特征的影响显著不同(P<0.05)。植被类型对不同土层深度SOC含量季节动态影响不同。在0-20cm土层,4种新营造植被类型SOC含量季节波动较大,年内有两个高峰,但在20-40cm土层,苦竹、牛鞭草SOC含量几乎不受季节变化影响,而苦竹+光皮桦木20-40cm和0-20cm剖面层SOC含量的季节动态极为相似。 2.农田造林后ROC含量的下降,同时,随土层加深土壤ROC含量也减小。但在0-10cm土层,退耕地上所建4种植被类型的土壤ROC含量没有显著差别。相关分析表明,ROC含量和SOC具有正相关性,可能是SOC总量的减少造成了ROC含量下降。温度可能是影响ROC季节动态的主要环境因子之一。3月至9月,0-20cm土层ROC含量上升趋势和逐渐上升的大气温度极为吻合。在各土层,ROC年际间有三个峰值,估计受降水影响,土壤深层ROC含量的季节波动可能与降水的淋溶作用有关。 3.农田造林后POCp含量的下降。随土层变深,POCp都减小,和SOC土壤剖面分布特征一致。各土层POCs受季节影响波动明显,年内有一大一小两个峰值,可能由PSR的季节变化所引起。POCp在10-30cm各层几乎不受季节影响,0-10cm剖面层受季节因素影响较明显,同SOC变化趋势相似。 4.造林后土壤N含量下降。牛鞭草草地土壤N含量最低。土壤表层(0-20cm)N含量季节变化明显。三月至七月下旬土壤N逐渐下降,7-9月为全年土壤N迅速积累期。秋季土壤N含量维持在一个较高水平。 5.农田退耕造成了PNp下降。各植被类型PNp、PNs含量都随土层深度增加而下降,剖面方向上,PNs降低的主要是由PNp降低导致的。PNp、PNs和PSR季节变化趋势相似,在6月下旬和10月下旬各有一大一小两个峰值 6.农田造林后,土壤δ~(13)C的变化与造林类型有关。一般认为土壤有机碳δ~(13)C值随土层深度而增加,本研究的结果基本支持了这一结论。各植被类型颗粒土δ~(13)C值低于原土,在各剖面层都具有这个规律,因此颗粒土含有更多轻碳,这支持了新增有机碳倾向于集中在粗团聚体的结果。 7.农田脲酶活性要高于各植被类型。土层深度对脲酶活性有极显著影响(P<0.01),4种植被类型脲酶活性都随土层而降低。各植被类型脲酶活性季节变化趋势较为一致,在6月下旬和9月下旬各有一个高峰,而8月下旬和10月下旬分别出现两个活性较低的阶段。从曲线变化趋势来看,从4月至12月初,脲酶活性总体呈上升趋势。11月末12月初应有个高峰,1-3月份出现全年最低值。 8.农田和牛鞭草草地pH值差异不显著,其余各植被类型间则差异显著。各植被类型pH值都随土层加深而增加(P<0.05)。但植被类型不同,pH值的剖面分布也显著不同,两者间交互效应极显著(P<0.01)。pH值的变化全年可分为三个时期(1)pH值上升期。主要为春季,随气温和降水量的增高而上升(2)pH值迅速下降期。主要是夏季多雨期,高频度大量降水使盐基离子迅速大量地流失,造成pH值迅速下降。(3)pH值平稳期。主要为秋冬季节。


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