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毛乌素沙地防护林恢复土壤无机碳累积效应与机制

蒋小董  
【摘要】:沙漠化地区植被恢复土壤的无机碳库可能是潜在的“迷失碳汇”,也是认知陆地系统碳循环过程的关键组成环节。因此,本研究选取陕北毛乌素沙地流沙地、半固定沙地、恢复年限为15~54a的灌木和乔木防风固沙林地为研究对象,分析了防护林恢复过程中土壤无机碳(SIC)和水溶性无机碳(WSIC)演变特征以及SIC在土壤砂粒、粉粒、黏粒中的累积与分布;测定SIC和土壤有机碳(SOC)含量和δ~(13)C,分析了SOC与SIC间关系及其转移规律、得到土壤发生性碳酸盐(PC)占SIC的比例;测定土壤理化因子明确了土壤无机碳累积影响因子。本研究可为深入认知半干旱沙漠化地区生态修复过程中碳循环机理供科学依据。主要研究结果如下:(1)防护林SIC含量、密度演变及其组分分布表明:防护林SIC和WSIC含量随林龄呈增加趋势,0~10 cm和80~100 cm层,54a灌木林SIC含量平均分别是流沙地的5.04和4.47倍,54a乔木林是流沙地的29.44和11.30倍。防护林WSIC显著高于流沙地且在土层间差异不显著,与流沙地相比,15~54a灌木林平均增幅为4.17~12.01 mg/kg,26~54a乔木林增幅为4.69~16.96 mg/kg。SIC和WSIC密度与其含量变异呈现相似规律,在0~10 cm和0~100 cm层,54a灌木林的SIC密度分别比流沙地增加0.22 Mg/hm~2和1.59 Mg/hm~2,而54a乔木林SIC密度分别增加了1.4 Mg/hm~2、7.16 Mg/hm~2。在0~10cm和10~20 cm,乔木林内储存于土壤砂粒、粉粒、黏粒中的SIC浓度随林龄增加而增加,而灌木林各大小颗粒无机碳浓度均以46a最大。防护林中对SIC累积贡献最大和最小的组分分别为粉粒无机碳和水溶性无机碳,其贡献比平均分别为59.98%、1.32%。(2)防护林SOC与SIC相关关系以及转移特征表明:防护林SIC与SOC以及不同大小颗粒SIC与SOC间均呈正相关,其中以WSIC与SOC相关性最大。δ~(13)C-SIC随δ~(13)C-SOC呈现先降低后增加趋势,不同年限间灌木林δ~(13)C-SIC差异显著,依序为54a灌木(-4.31‰)流沙地(-3.87‰)26a灌木(-3.24‰)46a灌木(-2.51‰),而乔木林中以54乔木δ~(13)C-SIC最高(-3.47‰),26a乔木(-3.91‰)与流沙地相近,但不同年限灌木和乔木林的δ~(13)C-SOC均无差异,平均为-26.83‰。防护林SOC向SIC转移过程中固定土壤CO_2以形成土壤发生性碳酸盐(PC),灌木林中固定土壤CO_2量以及SOC向SIC的碳转移量随林龄增加至46a后略有降低,而在乔木林中均持续增加。流沙地、26a、46a、54a灌木林中固定土壤CO_2量分别为2.88、6.60、28.95、27.14 mg/kg,对应林地SOC向SIC的碳转移量分别为0.02、0.43、7.23、6.24 mg/kg;26a、46a、54a乔木林固定土壤CO_2量分别为1.17、16.16、173.48 mg/kg,对应SOC向SIC的碳转移量分别为0.05、2.51、50.17 mg/kg。从流沙地到54a防护林,土壤固定CO_2量来源于大气比例从99%平均下降到52%,来源于土壤呼吸的比例从1%平均增至48%。从流沙地到54a灌木和乔木林PC占SIC比例分别从30%增至64%和73%,对应PC增幅分别为118.48 mg/kg、788.55 mg/kg。(3)防护林土壤理化因子及其对SIC影响表明:植被恢复对0~20 cm土壤理化性质影响显著,随林龄增加p H值和全钾含量无明显差异,土壤容重显著降低,26~54a灌木林土壤阳离子交换量、黏粒含量、全氮、速效氮、全磷、速效磷和速效钾含量分别是流沙地的1.62~1.89倍、1.08~1.82倍、1.62~7.08倍、3.48~4.42倍、1.63~1.23倍、1.06~2.78倍、1.59~5.72倍;26~54a乔木林土壤阳离子交换量、黏粒含量、全氮、速效氮、全磷和速效钾含量分别是流沙地的1.63~2.02倍、1.02~1.87倍、2.17~7.42倍、2.79~3.58倍、1.04~1.45倍、1.65~4.10倍。从流沙地到54a灌木林,Ca~(2+)和Mg~(2+)增幅分别为27.66、1.82 mg/kg,从流沙地到54a乔木林增幅分别为41.61、1.41 mg/kg。冗余分析表明,SIC和SOC与Ca~(2+)、Mg~(2+)、全氮、黏粒、阳离子交换量、速效钾、速效磷、速效氮、全磷均呈现正相关,其中SIC与Ca~(2+)间相关性最强,阳离子交换量和速效钾与SOC相关性最强。综上,陕北毛乌素沙地防护林植被恢复过程SIC累积效应明显,SIC主要固存于土壤粉粒中。同时,植被恢复利于土壤PC形成,也促进了SOC向SIC转移,土壤Ca~(2+)是防护林土壤无机碳累积的关键驱动因素。


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