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黄土台塬区植被恢复对土壤碳组分影响研究

刘梦云  
【摘要】:为探讨黄土高原大规模的生态修复对土壤碳收支的影响,本研究以乔、灌、草和农田等不同植被类型,植被恢复的不同阶段,纯林和混交林等不同林分结构为对象,在野外调查和室内试验分析基础上,通过测定其典型剖面土壤及其团聚体有机碳的组分、数量变化及相互关系,研究其有机碳组分的变化趋势,探索生态恢复对土壤有机碳固定的影响,为黄土高原土地利用和生态环境建设规划提供依据。主要研究结果如下: 1.植被恢复对土壤有机碳和总碳的影响 (1)植被类型对土壤有机碳和总碳的影响较大。林地和草地可较大幅度地提高土壤碳含量,其中,灌木林地和天然草地在整个剖面上能积累更多碳。不同植被类型土壤有机碳和总碳的差异以0-5 cm土层尤为显著,林地和草地土壤有机碳含量高出耕地70%-107%,其土壤总碳高出耕地34%-66%。 (2)不同植被恢复阶段土壤有机碳和总碳存在一定差异。沙棘林对土壤碳的积累效果最明显,其中在幼年期(15、16年)-成年期(20年)有机碳和总碳增加迅速,分别增加94%、158%;成年期-过熟期(26年)逐渐降低,总碳和有机碳分别减少32%、43%。刺槐林土壤碳随林龄增加而持续缓慢增加,22-28的6年间总碳增加14%,22-41的19年间有机碳增加68%。油松林有机碳和总碳变化速率介于沙棘林和刺槐林之间,30年以前(幼年-青年-成年期)随生长年限的增加而缓慢增加,30年后(成年-过熟期)则有所降低。 (3)林分结构对土壤有机碳和总碳的累积存在较大影响。混交林对碳的积累效果明显优于纯林,土壤有机碳含量高出纯林16%-160%,其中侧柏-刺槐混交林高于纯林123%-160%,而油松-沙棘-刺槐混交林低于部分纯林;混交林土壤总碳含量高出纯林8%-115%,其中侧柏-刺槐混交林高于纯林74%-115%,而油松-沙棘-刺槐混交林分别低于沙棘和刺槐纯林15%和10%。 2.植被恢复对土壤团聚体及其碳含量的影响 (1)植被恢复可以较大程度地影响土壤团聚体及其碳含量。植被恢复可提高大粒 径团聚体的含量,天然草地和灌木林地提高效果突出,而传统耕作会破坏大粒径团聚体。其中0-5cm土层,草地和林地土壤平均重量直径与耕地相比提高417%-811%,团聚体总量高于耕地29%-51%;耕地团聚体的48%为0.25-0.5mm粒级,草地和林地0.25-0.5mm团聚体所占比例均20%,而其0.5-2mm团聚体所占比例均大于50%。 植被恢复可以有效提高各粒级团聚体有机碳含量,尤以灌木林地最为显著;各植被类型土壤均表现为,0.25-0.5mm粒级有机碳含量最低,而2-5、1-2mm粒级有机碳较高。其中以0.5-1mm (林地和草地高于耕地53%-129%)和0.25-0.5mm(林地和草地高于耕地194%-196%)两个粒级差异较大。 (2)不同植被恢复阶段土壤团聚体及其碳存在一定差异。刺槐林随恢复年限增加,团聚体增加明显,从28-41年的13年间,团聚体增加64%-143%。沙棘林和油松林幼年-青年期团聚体增加,成年期以后随恢复年限增加有所降低,油松在26-36年的10年间,团聚体降低43%-57%;沙棘林在16-26年的10年间降低36%-90%。 不同植被恢复阶段,都以2-5mm、1-2mm和0.5-1mm三个粒级团聚体颗粒态有机碳含量较高。0-5 cm土层各粒径团聚体有机碳含量,油松林表现为16-26年间下降14%-36%,26-36年间除1-2mm粒径无变化外,其他各粒径均有小幅度增加,2-5mm粒级增加33%;28-41的13年间刺槐林各粒径团聚体有机碳含量增加23%-71%;而沙棘林16-26的10年间,各粒径团聚体有机碳含量基本上表现为先增加后减少,16-21的5年间增加46%-126%,而21-26的5年间下降24%-52%。 (3)不同林分结构造成土壤团聚体及其碳存在一定差异。除刺槐混交林外,其他混交林土壤团聚体含量都低于其纯林。混交林可有效提高土壤各粒径团聚体有机碳含量。0-5 cm土层,侧柏纯林低于其混交林40%-58%,沙棘纯林低于油松-沙棘-刺槐混交林23-39%,油松纯林高于其混交林8%-57%,但低于油松-沙棘-刺槐混交林7%-30%,刺槐纯林低于其混交林1%-51%。 3.植被恢复对土壤活性碳组分的影响 (1)不同植被类型土壤活性碳组分存在较大差异。植被恢复可明显提高土壤活性 碳组分及其分配比例,灌木林地和天然草地尤为显著。其中易氧化态有机碳含量高出耕地179%-204%,轻组有机碳含量高出耕地250%-1303%,粗颗粒态有机碳含量高出耕地865%-1409%,细颗粒态有机碳含量高出耕地65%-239%,可溶性有机碳含量高出耕地86%-155%。 (2)不同植被恢复阶段土壤活性碳组分的变化较大。幼-青年期沙棘林和成年期刺槐林效果突出。其中沙棘林从幼年-青年,各碳组分积累明显,易氧化态有机碳含量增加25%-67%,轻组有机碳含量增加82%,粗颗粒态有机碳含量增加128%,细颗粒态有机碳含量增加57%,可溶性有机碳含量增加90%;成年-过熟期则迅速降低,易氧化态有机碳含量降低31%,轻组有机碳含量降低58%,粗颗粒态有机碳含量降低65%,细颗粒态有机碳含量降低40%,可溶性有机碳含量降低35%。刺槐林各碳组分随生长年限的增加各碳组分持续增加,其中22-41年的青年-成年期,易氧化态有机碳含量增加约60%,轻组有机碳增加18%-137%,粗颗粒态有机碳含量增加67%-210%,细颗粒态有机碳含量增加27%-243%,可溶性有机碳含量增加69%。而油松林的各活性有机碳组分变化速率介于沙棘林和刺槐林之间,基本以30年为界限先缓慢增加后缓慢降低。 (3)不同林分结构土壤活性碳组分存在很大差异。混交林可有效提高各活性有机碳含量,混交林易氧化态有机碳含量高于纯林16%-304%;混交林轻组有机碳含量高于纯林17%-1399%,而沙棘混交林低于沙棘纯林7%-42%;混交林粗颗粒态有机碳含量高于纯林7%-639%,而刺槐-沙棘混交林低于沙棘纯林8%,油松-沙棘-刺槐混交林低于纯林21%-54%;混交林细颗粒态有机碳含量高于纯林16%-633%,却低于沙棘纯林5%- 53%;混交林可溶性有机碳含量高于纯林17%-170%,沙棘混交林略低或等于沙棘纯林。4.各碳组分之间的关系 易氧化态、轻组、颗粒态有机碳组成物质及其物质来源基本一致,而重组与稳态有机碳基本一致,可溶性有机碳主要来源于易氧化态、细颗粒态有机碳;可溶性有机碳的增加可以减少无机碳的含量;碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性直接与土壤活性碳组分的转化有关,而过氧化氢酶活性可反映土壤碳总量特征。 土壤总碳、各有机碳组分与团聚体及其各粒级碳相关性说明,有机碳及其组分主要集中在1-2mm和0.5-1mm水稳性团聚体内;土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶活性促进了团聚体的形成,尤其是1-2mm、0.5-1mm两个粒级团聚体。


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