喀斯特石漠化土壤有机碳及其生态系统服务功能研究

【摘要】：2020年国家发展改革委、自然资源部联合印发《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》指出通过实施生态系统保护和修复重大工程,促进生态系统服务功能的全面增强,明确了桂黔滇喀斯特石漠化的综合防治,计划继续治理石漠化面积3.94×10~4km~2。2022国发2号文件《国务院关于支持贵州在新时代西部大开发上闯新路的意见》明确了贵州生态文明建设先行区的战略定位。喀斯特石漠化土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)是陆地生态系统重要的碳库,因其高度的时空异质性而成为影响全球碳平衡和碳循环的重要因素。此外,SOC不仅是土壤肥力的重要组成部分,还是提升农业产量和品质的重要保障,对生态系统服务有重要支持/调节功能。开展喀斯特石漠化SOC及其生态系统服务功能研究,为碳达峰/中和提供喀斯特贡献,对提升生态系统服务、石漠化治理技术、生态产业发展及乡村振兴布局具有重要意义。根据地理学、生态学、环境科学等时空分异、生态系统服务、权衡/协同等理论,针对喀斯特石漠化地区SOC分布与存储能力差异的关键影响因素及耦合机制、SOC对生态系统服务的支持与调节作用、“权衡”与“协同”石漠化SOC生态系统服务功能以及生态系统服务优化提升并驱动生态建设产业化形成的国际/国内前沿科学问题与科技需求。在代表中国南方喀斯特生态经济总体结构的贵州高原山区选择毕节撒拉溪、关岭-贞丰花江、施秉喀斯特、普定马官和荔波-环江喀斯特为研究区,2018-2022年,通过连续野外调研、样品采集与分析,运用因素分析、数理统计、数学模型等方法,围绕石漠化SOC及其生态系统服务功能的基础前沿研究、共性关键技术研发、优化机制与推广模式进行全链条设计、一体化部署、分模块推进的系统研究。重点阐明SOC分布与影响因素的耦合机理,揭示SOC对生态系统服务的驱动机制,提出提升生态系统服务功能的优化机制与模式并进行验证与推广讨论,为石漠化治理提升生态系统服务功能提供科技参考。(1)发现了石漠化SOC与影响因素空间分布均具高度异质性,SOC含量在一定程度上随着石漠化程度的增强而增加,打破了对石漠化程度高SOC含量低的固有印象:不同地貌类型SOC含量在4.64-38.20 g/kg之间,喀斯特高原山地、高原峡谷、高原槽谷峡谷、高原盆地及低山丘陵SOC含量区间分别为6.34-35.17、6.28-38.20、4.64-27.08、4.62-23.79及6.12-37.85 g/kg,对应的变异系数为0.23、0.37、0.19、0.26及0.17,均达到中高度变异水平。由于受微型地貌(如石盆、石缸、石槽及石沟等)“汇聚作用”的影响,使SOC具有“表聚”的空间分布格局,且石漠化程度越高这种分布特征相对越突出。对比发现,中-强度石漠化的地貌类型其SOC表现出高含量高变异的空间分布特征,而无-潜在石漠化的地貌类型其SOC含量和变异程度较低;不同地貌类型之间由于石漠化差异,其SOC的关键影响因素也存在很大的不同;打破了石漠化程度高SOC含量低的观念,这有利于揭示石漠化过程中SOC的分布及其变化规律。(2)阐明了中国南方喀斯特石漠化SOC密度不同于其含量的空间分布重塑机制,具有高含量低密度的特征,两者随着石漠化程度的增加而呈现出互逆的发展过程,且石漠化程度越高其上土层的SOC密度贡献越大:石漠化SOC在微地貌的汇聚作用下,其含量具有随石漠化程度的增加而增加的趋势;但由于石漠化程度增加其土壤层较薄,对SOC的储存能力变弱,致使其剖面密度值(7.06-10.52kg/m~2)普遍小于全国平均水平(10.53 kg/m~2),这体现出其含量与密度互逆的发展趋势。同时,石漠化程度低各土层的SOC密度分布相对均匀,当石漠化程度较高时其SOC密度贡献主要来自于0-40 cm的土壤层中,并且石漠化程度越高上层土的SOC密度贡献率也相对越大,可达87%。对比发现,高度石漠化土壤对有机碳的储存能力弱,表底土层之间分布均匀性低,容易受干扰而缺乏稳定性,这有利于揭示石漠化过程中SOC含量变化与SOC密度/储存能力/稳定性之间的区别与联系。(3)揭示了中国南方喀斯特石漠化SOC生态系统服务的驱动机制,混农林SOC的生态系统服务功能普遍高于其他生态系统类型,且都随着石漠化程度的增加而降低:SOC对土壤总氮(Total nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)有明显的增持效果,在混农林生态系统中较为显著,SOC每提升10%对应的TN与TP可分别提升12.50%-48.32%及17.62%-26.10%,但随着石漠化程度的增加其增持效果则分别降低35.82%及8.48%;SOC与土壤总钾(Total potassium,TK)无直接显著的正相关,而是通过TN来表征TK的变化特征;此外,SOC含量与土壤可侵蚀因子K值呈极显著负相关(r=-0.99,p0.01),与土壤水拟合曲线:y=-0.00064x~2+0.5021x+17.016(R~2=0.527,p0.05),过高或过低的SOC均不利于土壤水分的保持,较适宜的SOC含量在26.02-32.35g/kg之间;同时,混农林SOC及其轻组分含量均相对较高。总体上,石漠化SOC的生态系统服务功能及协同性表现出混农林森林草地,无-潜在潜在-轻度中-强度石漠化,这为优化提升石漠化SOC的生态系统服务功能奠定了基础。(4)创建了喀斯特高原山地潜在-轻度石漠化防治混农林SOC高含量高协同生态系统服务模式、高原峡谷中-强度石漠化治理混农林SOC高含量低协同生态系统服务模式、高原槽谷峡谷无-潜在石漠化防治混农林SOC低含量高协同生态系统服务模式,并分析在石漠化治理中的可推广范围。SOC与关联服务项目之间的协同性是石漠化治理提升生态系统服务功能的准绳,毕节、关岭-贞丰及施秉3种模式的D_(RMS)值分别为0.116、0.127及0.109,各项生态系统服务功能具有良好的协同性。根据研究区的自然社会差异,分别构建适宜的“林-粮”、“林-蔬”、“林-药”、“林-草”及“林-果”5种亚模型。基于中国南方喀斯特石漠化分布,这3种主要模式适宜推广面积分别占南方8省/区岩溶总面积的36.48%、9.86%及67.29%。在石漠化治理过程中应加强SOC与各项生态系统服务之间的协同度与技术优化及其适用情境分析,促进乡村振兴与生态建设产业化的可持续发展。