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纸坊沟流域刺槐林土壤有机质演变特点及其累积机理研究

吕海波  
【摘要】:植被覆盖和土地利用方式的变化影响到土壤碳含量。大量研究发现农地转化为林地后土壤碳贮量也随之发生变化。然而,森林生长序列中土壤碳的变化并不保持一致的增长趋势。森林生态系统中土壤有机碳的动态变化机制的研究颇显重要。 研究通过对纸坊沟流域四种年限刺槐林的土壤有机质各组分的调查,在总结其特点的基础上,分别设置野外培养试验和室内培养试验,旨在探索造成有机质变化的影响因素。主要结论如下: (1)对1975年柠条林N75、1974年耕地H74和1978年刺槐林C78土壤剖面有机碳、全N、土壤机械组成、碳酸钙、容重、pH值等指标进行分析,发现各样地土壤有机碳的积累与0.02mm粒径的土壤颗粒有较高的相关;土壤剖面各指标在不同深度存在异常变化,0.002mm粘粒物质大幅度增加,表现出古土壤层的特征;1m深度有机碳储量C78N75H74,但差异主要表现在30cm深度以上土层,特征层的存在可能导致H74剖面16.684g/m3的有机碳评价误差,以及C78剖面36.926g/m2的误差。 (2)分析了类似立地条件下10年、25年、31年、35年四个刺槐林和一个对照农地土壤有机碳SOC各组分的变化。三深度平均SOC含量、活性有机碳AOC含量、水溶性有机碳DOC含量随刺槐林年限增加而增加;与农地相比,所有刺槐林样地AOC/SOC、惰性有机碳ROC/SOC呈高值表现,惰性有机碳LOC/SOC值较低,DOC/水溶性有机氮DON较低而280nm的UV吸收值较高;随退耕年限的增加,25年刺槐林表现出一个以深度分异为代表的退耕特殊阶段。在刺槐林生长过程中,(i)AOC和缓性有机碳ROC都出现累积趋势,刺槐林有助于土壤碳的储存;(ii)土壤碳的累积过程中有组分差异表现,DOC,DOC/DON以及UV吸收值出现与SOC不同的变化;(iii)各深度AOC及SOC并未表现出一致的增长趋势,有深度分异。刺槐林生长发育过程中SOC的积累有组分和深度的差异,其相关机理需进一步研究。 (3)对1975年柠条林N75、1974年农地H74和1978年刺槐林C78在100cm深度土壤剖面有机碳、全N、土壤机械组成、碳酸钙进行差异度分析和线性相关性分析,发现退耕后两种林地SOC及全N含量虽然都有明显变化,但是C78的差异主要表现在0-20cm深度,而N75则主要表现在20-100cm。相关度分析表明,H74在20cm以下SOC、C/N值都与0.002-0.02mm粒径极显著相关,C78在40cm以下SOC含量与0.002mm粒径含量显著相关,C/N值与0.02mm粒径由0-100cm的负相关,变为正相关。结果证明柠条林和刺槐林对SOC和全N的影响存在深度的差异,分别表现在深层和浅层。农地和刺槐林土壤深层SOC与细颗粒土壤显著相关,性质稳定。 (4)对C78样地均匀添加枯落物碎屑的土壤培养坑分3月、7月和11月进行一年期的培养和观测,发现SOC各组分有季节性变化,20cm和40cm深度在7月SOC,活性有机碳POC及总氮TN值最高,可溶性有机碳DOC和可溶性有机氮DON呈相反变化趋势;培养过程中各指标出现深度分异,与20cm不同,在60cm深度,SOC随培养过程而递减,POC及全氮递增,而DOC在7月出现高值。SOC在初始积累过程中先增后减,体现出自我调节。SOC各组分的深度分异,反映出培养坑60cm深度SOC来源出现多元化,枯落物腐解产物影响程度减弱。 (5)采集安塞纸坊沟31年刺槐林土样及林下混合枯落物,通过碱液吸收法测定100%、20%和2%含水量条件下3深度土样20cm,40cm,60cm、去除DOC土样(仅100%含水量条件下)、三种处理枯落物混合土样(林下混合枯落物、刺槐枯落物和草本类枯落物)培养过程中CO_2的累计释放量。结果表明,100%和20%含水量条件下各深度土壤CO_2释放量为20cm60cm40cm;20cm土样去除DOC后CO_2释放量明显减少,40cm明显增加,60cm没有明显变化;混合枯落物土样在100%含水量条件下CO_2释放量最高;20%和2%含水量条件下刺槐枯落物CO_2释放量明显大于草类,而100%含水量条件下草类枯落物略大于刺槐枯落物。研究证明土壤含水量对SOC组分含量和枯落物种类不同的土壤层呼吸强度存在差异性影响,强降水对DOC的淋失可造成表层土壤呼吸的减弱。 (6)设置野外培养坑,将混合枯落物的土样和未混合枯落物的土样用致密的尼龙布隔开,LDOM(难以自由迁移的那部分WEOM)的含量用两者同时培养后WEOM含量的差值来计算。野外培养两年并分段采样,在7月份,样坑表层被吸附的WEOC(LDOC)和WEOC比率较其他时段低,并随样坑深度增加,比率升高;UV280nm吸收值及LDON/WDON较高,LDOC/WDOC较低。7月20cm LDOC/LDON与WEOC/WEON相当,但3月和11月前者高于后者,说明7月份LDOC/LDON值与RDOC/RDON没有明显差异,但在其他时间前者呈高值表现。研究证明LDOM有季节性和深度分异,当比较WEOM和DOM的研究结果时,应当注意到这个问题。


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