喀斯特峰丛洼地土壤有机碳和氮素空间变异特征

本项试验在喀斯特典型峰丛洼地选择3个生态功能区,运用经典统计学和地统计学方法研究了土壤有机碳、全氮及碳氮比的空间变异特征。结果表明,随着生态系统由人工林(Ⅰ)次生林(Ⅱ) 原生林(Ⅲ)顺向演替,土壤有机碳、全氮和碳氮比平均值均呈现增加趋势,变异系数均在10.40％～80.94％之间,存在中等强度的变异性。人工林和原生林的土壤有机碳和全氮及人工林的碳氮比的块金值/基台值均＜25%,具有强烈的空间相关性;原生林碳氮比和次生林的3个土壤性质指标的块金值/基台值在32.6％～41.7％之间,具有中等的空间相关性;人工林各指标的变程明显大于次生林和原始林。Kriging插值结果表明,3个区域内有机碳和全氮的空间分布均具有显著的相似性,碳氮比变化则较不规则;人工林和原生林土壤有机碳、全氮含量呈片状平缓变化分布,次生林土壤有机碳、全氮含量及碳氮比呈支离破碎的斑块状分布。高度异质性的小生境决定了土壤有机碳、全氮和碳氮比的空间结构和格局,而受重度人类活动干扰的人工林和未受干扰的原生林空间异质性较次生林降低。     

典型喀斯特峰丛洼地土壤有机碳含量空间预测研究

我国西南喀斯特地区可能是全球水循环加强背景下一个重要的碳汇[1]。植被和土壤有机碳(SOC)的增加对于该地区整体碳汇的增加,以及这部分由水驱动的碳汇的增加具有极为重要的意义。然而峰丛洼地地区从景观到群落不同尺度水平上表现出的高度异质性,为该地区碳储量的估算和碳源/汇的评估带来很大困难,亟需探索有效方法对     

喀斯特高原典型小流域土壤有机碳及其组分的分布特征

以贵州省清镇王家寨为喀斯特高原典型样区,采用网格布点法,调查研究了土壤总有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）的分布特征。研究结果表明：灌木林地表层土壤SOC、DOC和MBC含量分别为56.86、68.74mg·kg^-1和264.12mg·kg^-1,均显著高于旱地与水田（P〈0.05）;各土地利用方式表层土壤微生物熵（MBC/SOC）值处于0.45%～0.55%之间,土地利用方式对土壤SOC及其组分均有显著影响。协方差分析表明,土壤MBC受土地利用方式和pH的影响较大,土壤SOC和DOC受海拔高度的影响较大。不同土地利用方式下土壤SOC与MBC无相关性,而DOC与MBC的相关性正负各异。3种土地利用方式剖面土壤中,灌木林地0～30cm各土层MBC含量差异显著（P〈0.05）,水田20～30cm土层DOC含量显著低于0～20cm各土层。表层（0～10cm）土壤SOC密度以灌木林地最大,但旱地（155.97t·hm^-2）和水田（107.92t·hm^-2）1m以内土体的有机碳密度显著高于（P〈0.05）灌木林地（76.14t·hm^-2）,结合土层厚度,水田与旱地有机碳储量高于灌木林地。研究表明加强保护灌木林地,对农耕地实行秸秆还田,将有利于区域土壤有机碳的积累和区域生态的恢复,维持区域的可持续发展。     

喀斯特峰丛洼地坡面土壤水分空间变异研究

以线形取样方式测定了喀斯特峰丛洼地坡面表层(0～5、5～10、10～15 cm)的土壤水分,采用经典统计结合地统计学方法分析了其空间分布特征及变异结构。结果表明：在坡面特定土地利用结构下(上坡到下坡分布有自然坡地、退耕地和耕地),表层土壤水分沿上坡向下具有不断减小的变化趋势,坡面纵向和横向土壤水分均呈中等变异,横向上由于特殊的土壤分布和地形地貌特征使得变异程度较纵向强烈,土地利用和坡度因子是造成坡面土壤水分分布和变异的重要因素;半方差分析显示,坡面表层土壤水分具有明显的块金效应和较大的基台值,呈中等或较强的空间相关性,土壤水分总体上具有较好的变异结构和空间连续性,因此可以应用地统计学方法在该地区开展土壤水分空间变异研究。     

祁连山中段土壤有机碳剖面垂直分布特征及其影响因素

以2012—2013年调查的我国西北祁连山中段97个代表性土壤剖面为对象,分析了土壤有机碳(SOC)含量的剖面垂直分布模式,计算了1 m土体内各层次SOC相对含量及其与环境因素(年均降水、年均温度、海拔、坡度、坡向、NDVI)和土壤因素(颗粒组成、体积质量)之间的关系。结果表明:(1)SOC含量剖面垂直分布模式可分为均一分布型、表层聚集型、普通递减型、不规则分布型4个类型,SOC含量剖面垂直分布模式与选取的环境因素和土壤颗粒组成之间没有明显的关系;(2)SOC含量的变异较大,随着深度的增加从中度变异过渡到强度变异;(3)NDVI和年均降水是影响表层土体SOC含量的主要因子,而黏粒和砂粒是影响下层土体SOC含量的主要因子。     

喀斯特峰丛洼地4种典型植物蒸腾作用及其影响因素

[目的]对广西壮族自治区喀斯特峰丛洼地4种典型植物(甘蔗、五节芒、灰毛浆果楝和青冈)蒸腾作用及其影响因素进行研究,为进一步开展区域植被生态需水研究提供科学依据。[方法]于2015年4月至2016年1月对4种主要植物群落不同季节蒸腾速率(Tr)、叶面积指数(LAI)和相关环境因子开展现场观测。[结果]4种植物Tr夏季与春、秋、冬3季呈极显著差异(p0.01),不同植物类型其Tr也存在差异,其中,甘蔗Tr的季节变化为96.55~197.42g/(m2·h),五节芒为95.26~169.13g/(m2·h),灰毛浆果楝为97.20~239.11g/(m2·h),青冈四季Tr为81.65~124.42g/(m2·h)。4种植物Tr均与空气温度(Ta)呈极显著(p0.01)或显著正相关关系(p0.05),与土壤含水率(SWC),LAI,土壤容重(ρb),空气相对湿度(RH)呈显著或极显著相关关系。SWC和Ta对甘蔗Tr起主导作用,是主要决策变量;Ta是五节芒Tr的主要决策变量;SWC和ρb是灰毛浆果楝Tr的主要影响因子;LAI,SWC和Ta是青冈Tr的主要影响因子。[结论]研究区域4种典型植物蒸腾作用存在差异,且均呈季节性变化趋势,不同植物Tr影响因素不同,可通过人工诱导水、光、热等环境因子进而合理调控植被生态需水。     

黔中喀斯特地区3种林型土壤有机碳含量及垂直分布特征

在全球气候变化背景下,森林土壤有机碳库已成为全球碳循环研究的重点之一。研究以黔中喀斯特地区阔叶混交林、针阔混交林和灌木林为对象,分析其土壤及枯落物有机碳含量。结果表明:0-80cm土壤剖面的有机碳含量和碳密度均值表现为阔叶混交林(19.10g/kg,18.62kg/m2)>灌木林(9.21g/kg,9.67kg/m2)>针阔混交林(8.38g/kg,8.60kg/m2),且差异显著(P<0.05),说明同一地区不同林型土壤有机碳的积累和存储不同;3种林型0-20cm土层有机碳含量和碳密度均最大,且与各土层之间差异均显著(P<0.05),并随土层深度的增加而减少,说明森林土壤有机碳含量和密度分布有很强的表聚性,因此,应避免人为活动干扰,增加植被覆盖和减少水土流失;3种林型的土壤有机碳含量与土壤容重呈负相关关系,拟合度(R2)均较大,说明土壤有机碳含量与土壤容重拟合方程均较好;3种林型枯落物现存量和有机碳含量差异均显著(P<0.05),说明同一地区,不同林型的枯落物的积累和分解能力不同。     

喀斯特峰丛洼地原生林区土壤矿质元素空间异质性研究

运用经典统计学和地统计学方法研究了喀斯特峰丛洼地原生林保护区土壤矿质元素钙、镁、硅、铁、铝、锰的空间变异和相关关系,结果表明,在喀斯特峰丛洼地原生林区土壤矿质元素存在空间上的异质性。从半变异函数的模型拟合来看,块金值与基台值的比均小于25%的标准,表明变量具有强烈的空间相关性,且由结构性因素引起的空间变异占主导因素。Kriging等值线图显示,在不同的坡位出现了高值区和低值区,硅、铁和铝在中上坡出现高值区,而钙、镁和锰在中下坡出现低值区,这6个指标在研究区域均出现围绕1~3个中心点聚集分布出现高值或低值区,说明气候、母质、地形和微地貌对喀斯特原生林区土壤矿质元素空间变异起主导作用。     

喀斯特地区洼地剖面土壤含水率的动态变化规律

本文基于连续2年土壤水分的定位监测数据,分析探讨了喀斯特地区不同地质背景(纯灰岩与白云质灰岩)洼地剖面(0～90 cm)土壤含水率的动态变化规律。结果表明:洼地剖面土壤含水率总体较高,且从表层到深层表现为增长型;2009年和2010年土壤含水率的变化均具有明显的分层现象,从上到下依次为活跃层、次活跃层、相对稳定层,但均无速变层,不同地质背景的具体分层略有差异;活跃层和次活跃层集中分布在浅层土壤层,相对稳定层较厚,对应着较差的水文调蓄功能,洼地土壤的水分调蓄功能可能会因其相对较深厚(80～100 cm)的土层而被高估。受降雨、蒸发及植物蒸腾等因素的影响,土壤储水量具有明显的动态变化特征,一年中可分为相对稳定期、消耗期和补给期3个阶段,而土壤水分亏缺的补偿和恢复,主要依靠强度适中、历时较长且雨量较大的降雨,微雨和暴雨的作用较小。     

桂西北喀斯特峰丛洼地降水氢氧稳定同位素的季节变化特征

喀斯特地区特殊的二元水文地质结构增加了水文过程研究的难度。大气降水是流域水循环的重要输入因子,研究降水氢氧稳定同位素的季节变化规律及其影响因素,有利于探讨该地区水汽来源、径流划分、水分滞留时间等水文过程。该文以桂西北环江地区典型喀斯特峰丛洼地为例,基于2009年4月-2011年8月的降雨、温度资料以及月降水氢氧稳定同位素组成数据,分析了降水分布及其氢氧稳定同位素组成的季节变化规律,并探讨了各种环境因素的影响。结果表明,当地大气水线与全球大气水线存在一定的偏离,表明研究区降水云气形成过程中汽、液两相同位素分馏不平衡的程度偏大。过量氘年平均值为14.21‰,旱雨季不同,反映了水汽来源的差异。降水氢氧稳定同位素季节变化呈现正弦波动的特性,波动周期和振幅受纬度及季节因素的影响明显大于降水量及温度,表明大尺度环境因素的影响占主导地位。该研究为基于氢氧稳定同位素技术的喀斯特地区流域尺度水文过程研究奠定了基础,对深入分析该地区植被恢复与重建的生态水文效应提供参考。     

施肥对喀斯特地区植草土壤活性有机碳组分和牧草固碳的影响

通过盆栽试验,研究施肥对喀斯特地区植草土壤不同活性有机碳组分和牧草固碳的影响。试验处理包括CK（不施肥）、 N1 （N 150 mg/kg）、 N2 （N 250 mg/kg）、 N1P1 （P2O5100 mg/kg）、 N2P2 （P2O5150 mg/kg）、 N1P1K1 （K2O 70 mg/kg）、 N1P1K2 （K2O 105 mg/kg）和N2P2K1和N2P2K2。结果表明,与对照（不施肥）相比,施肥处理增加植草土壤有机碳、 微生物量碳和易氧化碳,有机碳日矿化量和累积矿化量以及牧草固碳量。其中N1P1K1处理土壤有机碳和易氧化碳最高,N1P1处理土壤微生物量碳最高,N2P2K1处理土壤可溶性碳最高,N2P2K2处理牧草地上部及根系固碳量、 有机碳日矿化量和累积矿化量均最高。综上,低量氮磷钾肥配施有利于土壤活性有机碳的积累,高量氮磷钾平衡配施牧草固碳效果最佳。     

区域土壤有机碳空间分布特征与尺度效应

结合当前土壤属性空间分布特征及其尺度效应研究进展和不足,综合采用变异函数理论、空间自相关理论、多重分形理论等方法从土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)空间变异性、相关性和结构性等不同层面深入揭示不同尺度下SOC空间分布特征及其尺度效应。研究结果表明:除了15 km尺度外,基于变异函数分析的其他尺度块基比均小于50%,结构性因素占主导,结构性因素主要包括土壤亚类、土地质地、土地类型等,随机部分带来的空间变异性随着尺度的增加呈现减少趋势;不同尺度下的莫兰指数随着分离距离的增加由完全正值逐渐变小,过渡到正负交替出现的格局,最后完全变为负值,标准化统计量均大于1.96,每个尺度均具有良好的空间结构;不论是瑞利谱图,还是多重分形谱,随着尺度的增加,图谱越来越接近,研究区不同尺度下的SOC在空间上的分布是典型的分维数体;无论何种尺度,基于多重分形克里格法的实测值与预测值特异值空间吻合程度较高,特异值覆盖比率均在85%以上。联合了变异函数、空间自相关、多重分形和多重分形克里格等方法能够从空间变异性、空间相关性、空间结构性等更加深入全面地揭示研究区SOC空间分布特征。研究成果可为相对平坦农业区域土壤有机碳空间分布特征研究提供方法支撑。     

不同利用方式对棕壤有机碳垂直分布的影响

采用野外采样和室内分析的方法研究了林地、园地、耕地3种利用方式对典型棕壤总有机碳(TOC)、颗粒有机碳(POC)及重组有机碳(HFOC)在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3层次中垂直分布的影响。结果表明,与林地相比,园地和耕地各层次的TOC含量和储量均显著下降;其分布份额和分布比则为园地中、下层略向上层转移,耕地则明显向中、下层转移。3种利用方式下POC的相对数量均随土层加深而递减,林地开垦为园地和耕地后,POC的相对数量仅在园地上、中层显著降低,分别减少6.67和1.70个百分点,而耕地则各层次均显著降低,其相对数量分别减少13.65、5.43和3.03个百分点;HFOC的相对数量随干预强度和土层深度增加而增大,耕地和园地比林地分别高出:上层5.77和4.00个百分点、中层10.44和6.40个百分点、下层7.35和3.92个百分点,且差异均显著。因此,将林地棕壤开垦为园地或耕地后应注重有机物料的投入,以减缓因开垦对有机碳所造成的损失和不尽合理的分布状况。     

长期不同管理措施下红壤剖面碳、氮储量变化特征

基于中国农业科学院国家红壤肥力长期试验平台,研究长期不同施肥、休闲和轮作措施下旱地红壤剖面(0~100 cm)土体及不同层次(20 cm/层)有机碳(SOC)和全氮(TN)储量的变化特征。结果表明,与试验初始相比,24年不施肥(CK处理)0~100 cm各层有机碳储量均有不同程度降低,但全氮储量在40~100 cm各土层表现出累积趋势。24年施化肥(N、NP、PK、NPK)和化肥配施秸秆处理(NPKS)明显增加40~100 cm有机碳和全氮储量,0~40 cm各层碳储量有所耗竭而氮储量无明显影响。24年有机无机配施(NPKM)明显增加表层0~20和40~100 cm的有机碳和全氮储量。休闲(Fallow)和轮作(NPKMR)措施大幅度提高0~100 cm各层有机碳和全氮储量,但两处理间无显著差异。对于0~100 cm整个土体而言,休闲和轮作处理大幅度增加了土壤剖面的有机碳和全氮储量,其中有机碳储量比初始分别提高64%和93%,全氮储量比初始分别提高71%和82%。不同措施下0~100 cm各层有机碳与全氮储量及其变化量间均存在显著线性相关关系(P0.01),但不同管理措施显著改变了碳氮储量间的相关关系,但储量变化量间的相互关系无统计学上的显著差异。休闲或豆科轮作措施能显著提升红壤剖面碳、氮库容,是红壤肥力恢复和培肥较优管理措施。     

喀斯特森林植被自然恢复过程中土壤有机碳库特征演化

采用空间代替时间的方法,研究了茂兰喀斯特森林自然恢复过程中土壤有机碳库特征,结果表明:土壤容重(0～10 cm土层0.94～1.15 g cm-3,＞30 cm土层0.98～1.19 g cm-3)、石砾含量(0～10 cm土层19.93 ～26.61％,＞30 cm土层20.36 ～32.11％)随恢复进展而减少,随土层加深而增加;土壤容积(0～10 cm土层20.13 ～22.02 m3,＞30 cm土层4.16～6.87 m3)、有机碳含量(0 ～10 cm土层21.14 ～52.67 g kg-1,＞ 30 cm土层11.15 ～25.93 g kg-1)、有机碳密度[(0 ～ 10 cm土层1.91 ～4.03 kg m-2,＞ 30 cm土层0.39～1.96 kgm-2)、有机碳储量(900 m2样地0 ～ 10 cm土层0.538 ～0.883 t,＞30 cm土层0.039 ～0.137 t)、易氧化碳含量(0～10 cm土层5.28 ～33.25 g kg-1,＞ 30 cm土层5.98 ～ 14.13 g kg-1)均随恢复进展而增加,随土层加深而减少;随恢复进展0 ～ 20 cm土层有机碳稳定性增强、活性降低,＞20 cm土层则相反;随土层加深有机碳稳定性增强、活性降低;土壤有机碳随恢复进展总体上具碳汇效应,且早期其量少质低、表聚性强、碳汇效应不显著、固碳潜力大,后期则相反.加强保护喀斯特森林,使其自然恢复,有利于土壤质量的提高和有机碳的累积.     

马尾松-麻栎混交林土壤溶解性有机碳、氮空间分布特征

以河南省驻马店西部低山丘陵区马尾松—麻栎混交林为研究对象,分析土壤有机碳(SOC)、溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)储量及其对坡向、土层深度(0—10cm和10—20cm)及胸高断面积的响应规律。结果表明:坡向和胸高断面积显著影响SOC和DOC储量(p0.05),且不同坡向土壤中SOC、DOC和DON的影响因素不同。阳坡SOC储量主要限制性因素是速效钾,阴坡是全氮;阳坡与阴坡土壤DOC和DON储量主要受全氮的影响。另外,土层深度亦对SOC、DOC和DON储量有显著影响(p0.05),且随土层加深而降低,呈表层富集的现象。相关性分析表明,SOC、DOC和DON储量与土壤物理性质即土壤湿度、紧实度及土壤中颗粒组成存在显著的相关性。SOC、DOC和DON两两之间呈显著正相关关系,并均与土壤全氮、有效氮(铵态氮、硝态氮和碱解氮)、速效磷和速效钾等含量也存在显著的相关性(p0.01),表明土壤养分含量是影响马尾松—麻栎混交林土壤有机碳储量及溶解性有机碳、氮空间分布的重要因素。     

不同人工恢复林对退化红壤团聚体组成及其有机碳的影响

研究土壤团聚体的组成及其有机碳的分布,有助于从微观角度理解土壤结构与功能的相互作用.采用于筛法和湿筛法,研究南方红壤退化地实施人工恢复30年后,马尾松与阔叶复层林(PB)、木荷+马尾松混交林(SP)和阔叶林(BF)3种典型林分在0～60 cm土层的团聚体组成及其有机碳分布特征,分析土壤团聚体有机碳与总有机碳相关关系.结果表明:各恢复林分土壤机械稳定性团聚体质量分数,以＞2 mm粒径所占比例最大(均在60％以上),而在水稳性团聚体中,以＜0.05 mm粒径占优势.不同林分土壤团聚体结构破坏率顺序依次为BF(53.38％～84.27％) ＞SP(52.22％ ～70.86％) ＞PB(22.70％ ～47.83％).机械稳定性和水稳性团聚体有机碳质量分数均以PB最高,随着土层深度的增加,各林分土壤团聚体有机碳质量分数呈下降趋势.水稳性大团聚体(＞0.25 mm粒径)有机碳质量分数总体高于相应土层的总有机碳质量分数,而微团聚体的(＜0.25 mm粒径)则低于后者,说明有机碳对于大团聚体的形成和水稳性具有积极作用.土壤团聚体有机碳与总有机碳的相关关系分析表明,土壤团聚体有机碳的增加,对总有机碳的积累具有正面影响.保留密度大、灌木(草)层盖度高的马尾松与阔叶复层林土壤团聚体的数量和质量更高;因此,在红壤侵蚀退化地森林恢复初期,可通过适当密植、增加林下灌草覆盖等措施,增加有机碳的输入,促进团聚体的形成和稳定,从而加速了退化土地的土壤结构改善和功能恢复.该研究可为南方严重红壤退化地生态恢复中的林分类型选择和优化配置提供科学依据.     

喀斯特峰丛洼地退耕还林还草工程的植被土壤耦合协调度模型

植物和土壤的耦合协调关系是生态恢复、退耕还林还草工程顺利实施的关键。该文基于典型喀斯特峰丛洼地7种代表性退耕还林还草模式植被土壤的全面调查和取样分析,建立9个植被因子和15个土壤因子的2级层次指标体系,采用层次分析法确定各因子的权重,构建了7种模式的植被土壤耦合度和耦合协调度模型。结果表明：不同退耕还林还草模式的耦合度和耦合协调度并不一一对应,植被与土壤的综合指数在全体模式中的位置也并不完全一致,退耕种植任豆+桂牧1号的植被效应和退耕种植香椿的土壤改良作用最好。退耕5年后各模式的植被土壤耦合协调状况还不十分理想,除香椿和撂荒处于中级协调发展时期外,其他退耕模式均还处于失调衰退和过度发展时期,耦合协调度模型只有桂牧1号和撂荒处于植被土壤同步型。喀斯特峰丛洼地实施退耕还林还草工程时应同步提高植物生长抚育和土壤管理水平。