黄土高原植被恢复对不同粒径土壤团聚体中酶活性的影响

[目的]研究不同植被恢复方式下土壤酶活性以及在不同团聚体中的分布特征,为黄土高原植被恢复和管理提供理论依据。[方法]通过野外调查与室内实验相结合的方法研究不同植被恢复方式对土壤团聚体酶活性的影响。[结果]天然草地、15年和25年柠条林地土壤酶活性较高,而坡耕地土壤酶活性较低。土壤酶活性在不同粒径土壤团聚体中,随着团聚体粒径的增大而增大,在1~2,2~3和3~5mm粒径土壤团聚体中逐渐达到最大,之后又随土壤团聚体粒径的增大而减小。土壤酶活性主要分布在粒径1~2,2~3和3~5mm团聚体中,而小团聚体(<0.25,0.25~1mm)和大团聚体(>5mm)中土壤酶活性较低。在0—20cm土层中,土壤酶活性表现出随恢复年限的增大而增加,在20—40cm土层则表现出随恢复年限的增大而维持稳定。[结论]随着人工林种植年限的增加,土壤酶活性逐渐加强,而坡耕地不利于土壤酶活性的提高。因此,未来该区的植被建设中应该加强对天然草地与柠条林地的保护,这有利于土壤酶活性的改善。     

黄土高原典型植被根系对土壤团聚体及其有机碳组分的影响

为探究植被根系作用下不同粒径团聚体内碳组分含量的相对变化及其主要影响因素,以黄土高原地区自然生长的直根系植物铁杆蒿(Artemisia gmelinii Web.)和须根系植物长芒草(Stipa bungeana Trin.)典型植被为研究对象,以退耕1年撂荒地为对照样地(CK),测定各粒径团聚体质量占比及其土壤有机碳(SOC)、颗粒态有机碳(POC)、矿物结合态有机碳(MAOC)含量,分析土壤基本理化性质和根系特征参数与不同粒径团聚体碳组分特征间的相互关系。结果表明:(1)与撂荒地相比,铁杆蒿和长芒草样地均显著提高POC和MAOC含量,POC含量变化幅度均大于MAOC。铁杆蒿和长芒草样地显著提高各粒径团聚体碳组分含量,＞0.25 mm大团聚体中POC和MAOC含量增幅较微团聚体更大,分别为7.44~8.26倍和3.76~4.37倍。(2)大团聚体有机碳含量与POC、MAOC均为极显著相关,小团聚体有机碳含量与POC显著相关,微团聚体有机碳含量与MAOC显著相关。团聚体对POC的包裹和对MAOC的结合作用共同存在,同时二者以不同的影响方式作用于团聚体有机碳变化,继而影响土壤总有机碳,其中,小团聚体有机碳含量是最主要的影响因素。(3)土壤团聚体碳组分与植被根系参数显著相关,根表面积密度(RSAD)和根生物量密度(RWD)是影响团聚体碳组分的主要因素,其解释方差分别为50.5%,17.0%。通过碳组分对各粒径土壤团聚体有机碳的影响,植物根系能够有效提升土壤有机碳含量并改善土壤质量。该研究结果为黄土高原地区土壤固碳与植被恢复提供参考。     

黄土丘陵区植被恢复中不同粒级土壤团聚体有机碳分布特征

对黄土丘陵区土壤有机碳在不同粒级团聚体中的分布特征及其对植被恢复的响应进行了研究。结果表明：（1）黄土丘陵区不同植被覆盖条件下,土壤有机碳的分布具有一定的表聚性,0～20 cm土层中有机碳的含量均高于20～40 cm中有机碳的含量,不同植被群落下有机碳的含量大小为：大针茅群落〉长芒草群落〉铁杆蒿群落〉百里香群落;（2）同一深度土壤各粒级团聚体中有机碳的分布特征是：0.5～0.25 mm与1～0.5 mm两个粒级中有机碳的含量最高,〉1 mm的团聚体中有机碳的含量有随粒级增大而减小的趋势;（3）恢复年限对不同粒级土壤团聚体中有机碳的含量影响很大,有机碳的含量随恢复年限的增加总体呈上升趋势。黄土高原沟壑区土壤有机碳的积累与土壤团聚体的粒级和植被恢复的类型、年限等有明显的关系。     

黄土丘陵区不同植被群落土壤团聚体有机碳及其组分的分布

有机碳是形成土壤团聚体的重要物质,植被群落通过有机残体的输入增加土壤有机碳含量,从而通过影响团聚体的形成而影响土壤结构。为探究不同植被群落对土壤结构改良的意义,对黄土丘陵区森林带和草原带的不同植被群落土壤团聚体中有机碳组分进行了研究。结果表明:(1)研究区域森林带土壤有机碳含量大于草原带,森林带植被群落土壤总有机碳含量大小顺序为:辽东栎群落>人工刺槐群落>狼牙刺群落,草原带植被群落土壤总有机碳含量大小顺序为:人工沙棘群落>达乌里胡枝子+茭蒿群落>铁杆蒿+达乌里胡枝子群落;(2)土壤活性有机碳和腐殖质碳占土壤总有机碳的比例在两种植被带之间基本相同,相同植被群落土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比例高于腐殖质碳占总有机碳的比例;(3)森林带土壤>0.25 mm团聚体含量显著高于草原带土壤>0.25 mm团聚体含量,各种形态的有机碳随着土壤团聚体粒级的增大有机碳含量呈先增加后减少或者随着团聚体粒级的增大而增大的趋势,2~0.25 mm和<0.25 mm团聚体中有机碳含量最高;(4)草原带每种植被群落土壤活性有机碳含量空间差异性较大,辽东栎群落各种形态土壤有机碳含量的空间差异性都较大,<0.25 mm团聚体腐殖质碳含量大于其他粒径;(5)草原带人工沙棘群落土壤各种形态有机碳在土壤剖面上的含量差异很小,其他各植被群落0~10 cm土层土壤有机碳含量均大于10~20 cm土层。     

土壤团聚体中有机碳研究进展

增加土壤有机碳有助于农业可持续发展, 同时对缓解温室气体增加造成的全球气候变暖等具有重要意义。土壤团聚体是土壤的重要组成部分, 影响土壤的各种物理化学性质。土壤团聚体和有机碳是不可分割的, 前者是后者存在的场所, 后者是前者存在的胶结物质。本文在综合各方面研究的基础上, 阐述了土壤团聚体和有机碳的依存关系, 影响团聚体固碳的几大因素, 团聚体对有机碳的物理保护机制以及目前应用比较广泛的团聚体内有机碳的研究方法, 为以后的研究提供理论和方法上的支持。     

长期保护性耕作提高土壤大团聚体含量及团聚体有机碳的作用

【目的】团聚体形成被认为是土壤固碳的最重要机制。本文以河南豫西地区长期耕作试验为研究对象,研究了长期保护性耕作对土壤团聚体性质及土壤有机碳(SOC)含量的影响,为探讨土壤固碳机理,优化黄土高原坡耕地区农田耕作管理措施,实现土壤固碳减排、培肥土壤提供理论依据。【方法】长期耕作试验开始于1999年,试验处理有免耕覆盖(NT)、深松覆盖(SM)和翻耕(CT)。利用湿筛法筛分第3年(2002年)和第13年(2011年)0—10cm和10—20 cm土层中,2000、250~2000、53~250和53μm级别的水稳性团聚体,计算团聚体平均质量直径(MWD),并测定了各级别团聚体的有机碳(SOC)含量。【结果】1)连续13年免耕覆盖和深松覆盖显著提高了土壤表层0—10 cm的SOC含量,分别比翻耕增加了33.47%和44.48%。2011年免耕覆盖和深松覆盖SOC含量较2002年上升了1.92%和8.59%,翻耕下降了18.97%。2)与翻耕相比,免耕覆盖和深松覆盖2000μm团聚体含量显著提高了40.71%和106.75%;53~250μm团聚体含量显著降低了19.72%和22.53%;团聚体平均质量直径显著提高了20.55%和39.68%,显示了土壤结构的明显改善。3)免耕覆盖和深松覆盖显著提高了表层土壤所有团聚体有机碳的含量,尤其以2000μm团聚体提升最多。与翻耕相比,2000μm团聚体有机碳分别提高了40.0%和27.6%。4)免耕覆盖和深松覆盖下表层土壤大团聚体有机碳含量随耕作年限增加,微团聚体有机碳随耕作年限降低。2000μm的土壤团聚体有机碳含量2011年较2002年分别升高了23.93%和7.12%,53~250μm微团聚体有机碳含量分别下降了19.58%和13.27%。【结论】长期保护性耕作(包括免耕覆盖和深松覆盖)可显著提高表层土壤大团聚体含量,降低微团聚体含量,提高团聚体的水稳性,改善土壤结构。同时可增加土壤团聚体有机碳含量,提高土壤肥力。长期保护性耕作在河南豫西丘陵地区是一种较为合理的耕作方式。     

茶园土壤团聚体分布特征及其对有机碳含量影响的研究

通过野外调查与室内分析相结合的方法,对茶园土壤团聚体的分布及其有机碳的含量及分布进行了研究.结果表明:茶园0-20 cm,20-40 cm土层土壤团聚体的分布均以>2.00mm和2～5 mm团聚体为主,分别占总团聚体的比例为56.57%和69.53%.茶园土壤团聚体平均重量直径平均值为1.02 mm,并且随着土壤层次的增加有增加的趋势.茶园0-20 cm土层0.25～0.5 mm粒径土壤团聚体有机碳含量最高,20-40 cm土层<0.25 mm粒径土壤团聚体有机碳含量最高,而2～5 mm粒径土壤团聚体有机碳含量在0-20 cm和20-40 cm土层均最低.茶园0-20 cm土层.各粒径团聚体中的有机碳分配比例均高于20-40 cm土层土壤.     

不同土地利用方式下土壤团聚体的分布及其有机碳含量的变化

通过野外调查与室内分析相结合的方法,对耕地、园地、林地和撂荒地土壤团聚体及其有机碳的分布特点进行了研究.结果表明,不同土地利用方式下土壤闭聚体的分布均以＞2.00 mm团聚体为主,其它依次为0.5～1,1～2,＜0.25和0.25～0.5 mm粒径的团聚体.林地和撂荒地土壤有机碳含量随粒径的减小呈递增的变化趋势;耕地在0.25～0.5 mm和＜0.25 mm团聚体中有机碳含量较高,园地则以0.25～0.5mm粒径团聚体中有机碳含量最高.4种土地利用方式下,以＞5 mm团聚体中土壤有机碳含量差异最大,随着团聚体粒径的增加,它们之间的差异逐渐减小;各土地利用方式下表层土壤中,分布在＜0.25 mm和0.25～0.5mm团聚体粒径中有机碳占有机碳总量比例低于2～5,＞5和0.5～1 mm的团聚体.     

土壤团聚体与有机碳稳定机制的研究进展

土壤不同稳定机制(物理、化学、生物)的有机碳是土壤中主要的物质基础,在土壤的各方面特性中都发挥着巨大的作用。土壤固定外源碳的能力与土壤中团聚体的组成息息相关。团聚体的评价指标很多,但其中应用最广泛的是:水稳性团聚体的数量、平均重量直径(MWD)、平均重量直径变化值和分形维数(fractal dimension,D)。相比土壤总有机碳(SOC),土壤物理、化学、生化的不同稳定机制团聚体有机碳在外界条件变化时,能够更好更快的反映土壤质量的变化。本文重点阐述了目前土壤团聚体形成与稳定机制以及不同稳定机制下的有机碳分离技术研究进展,并提出未来土壤团聚体与有机碳方面的研究重点。     

黄土丘陵区植被恢复中不同粒级土壤团聚体有机碳分布特征

对黄土丘陵区土壤有机碳在不同粒级团聚体中的分布特征及其对植被恢复的响应进行了研究。结果表明:(1)黄土丘陵区不同植被覆盖条件下,土壤有机碳的分布具有一定的表聚性,0~20 cm土层中有机碳的含量均高于20~40 cm中有机碳的含量,不同植被群落下有机碳的含量大小为:大针茅群落>长芒草群落>铁杆蒿群落>百里香群落;(2)同一深度土壤各粒级团聚体中有机碳的分布特征是:0.5~0.25 mm与1~0.5 mm两个粒级中有机碳的含量最高,>1 mm的团聚体中有机碳的含量有随粒级增大而减小的趋势;(3)恢复年限对不同粒级土壤团聚体中有机碳的含量影响很大,有机碳的含量随恢复年限的增加总体呈上升趋势。黄土高原沟壑区土壤有机碳的积累与土壤团聚体的粒级和植被恢复的类型、年限等有明显的关系。     

黄土台塬不同林分结构土壤有机碳质量分数特征

为探讨林分结构对土壤有机碳固定的影响,本文以黄土台塬的油松、 沙棘、 刺槐和侧柏纯林及其混交林为对象,对土壤有机碳、 易氧化态、 轻组、 颗粒态以及可溶性有机碳进行了分析。结果表明, 1）混交林可有效增加土壤不同组分有机碳含量,侧柏混交林与纯林相比增加最为明显,其土壤有机碳增加了123%和160%,易氧化态有机碳增加了161%和304%,轻组有机碳增加了1399%和482%,颗粒态有机碳增加了454%和436%,可溶性碳增加了138%和170%（05 cm土层）; 刺槐-沙棘、 油松-沙棘-刺槐混交林相对改良效果较差。2）各活性有机碳间相比较,混交林对土壤易氧化态碳含量增加效果最显著,而对土壤颗粒有机碳的改善效果不甚明显。3）在0100 cm土层,轻组有机碳敏感性指标分别是总有机碳、 可溶性和易氧化态有机碳的1.00~10.58、 3.83~10.19和1.78~5.10倍。4）有机碳与活性有机碳组分均呈线性极显著正相关关系; 轻组有机碳与颗粒有机碳二者之间的相关性大于其与其他,易氧化态碳与可溶性有机碳二者之间的相关性大于其与其他。     

黄土台塬不同土地利用方式下土壤碳组分的差异

为探讨土地利用方式对土壤碳固定的影响,以乔木、灌木、草和农田等不同植被类型,纯林和混交两种栽培模式的黄土台塬为对象,进行了土壤碳组分研究。结果表明,不同利用方式下林地和天然草地在0—100 cm土层总碳,轻组、重组、可溶性有机碳以及轻组有机碳分配比例(LFOC/SOC)均不同程度高于耕地,而其有机无机复合度(HFOC/SOC)则低于耕地,灌木林地和天然草地这种趋势尤为突出;各种土地利用方式间,土壤总碳和HFOC/SOC在0—20cm差异显著,总碳在60—100 cm也差异明显,轻组、重组及可溶性有机碳在0—40 cm,而无机碳则在40—100 cm差异明显;LFOC/SOC和DOC/SOC在各土层均存在一定差异。土壤总碳、有机碳以及各组分有机碳之间呈极显著正相关,而无机碳则与其呈负相关。轻组和可溶性有机碳均与粗颗粒、易氧化有机碳以及2—0.25 mm团聚体有机碳的相关性高于与细颗粒、稳态有机碳和2 mm团聚体有机碳;而重组有机碳则与之相反。轻组有机碳较有机碳、总碳、重组以及可溶性有机碳能更敏感地反映利用方式之间的差异,可作为土壤质量变化的评价指标。     

不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征

以连续进行12年的保护性耕作长期定位试验为研究对象,探索了传统耕作(T)、传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕不覆盖(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)4种耕作措施对陇中黄土高原旱作农田豌豆-小麦双序列轮作系统的土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征的影响。结果表明:各处理均以≥0.25 mm团聚体为优势团聚体,且≥0.25 mm团聚体含量随土层深度增加而增加,而其他粒径团聚体含量随土层深度的变化并无明显规律。较之T处理,TS、NT、NTS处理均可提升≥0.25 mm团聚体含量和平均重量直径,NTS处理提升效果最明显。TS、NT、NTS处理土壤有机碳和全氮含量均高于T处理,其中TS、NTS处理显著高于T处理,NTS处理高于TS处理;各处理土壤有机碳和全氮含量均随土层增加而减小。较之T处理,NT、TS、NTS处理可不同程度提高各粒径团聚体中有机碳和全氮含量,NTS处理的含量最高;各粒径团聚体中有机碳和全氮含量均随土层深度增加而减小;同时,团聚体中有机碳和全氮含量随粒径减小而增加。2~5 mm和0.25~2 mm和≥5 mm团聚体含量与相应粒径团聚体有机碳含量呈极显著正相关、极显著正相关和极显著负相关;0.25~2 mm和≥5 mm团聚体含量与相应级别团聚体全氮含量分别呈极显著正相关和显著负相关。T处理不同粒径团聚体有机碳和全氮贡献率按其大小排序均为(0.25 mm)(≥5 mm)(0.25~2 mm)(2~5 mm),其他3种耕作措施各粒径团聚体有机碳和全氮贡献率在各土层中的排序各有不同,并无明显规律。     

Soil organic carbon distribution in relation to land use and its storage in a small watershed of the Loess Plateau, China

Soil organic carbon (SOC) is an important component in agricultural soil, and its stock is a major part of global carbon stocks. Estimating the SOC distribution and storage is important for improving soil quality and SOC sequestration. This study evaluated the SOC distribution different land uses and estimated the SOC storage by classifying the study area by land use in a small watershed on the Loess Plateau. The results showed that the SOC content and density were affected by land use. The SOC content for shrubland and natural grassland was significantly higher than for other land uses, and cropland had the lowest SOC content. The effect of land use on the SOC content was more significant in the 0-10 cm soil layer than in other soil layers. For every type of land use, the SOC content decreased with soil depth. The highest SOC density (0-60 cm) in the study area was found in shrublandII (Hippophae rhamnoides), and the other land uses decreased in the SOC density as follows: natural grassland > shrublandI (Caragana korshinskii) > abandoned cropland > orchard > level ground cropland > terrace cropland > artificial grassland. Shrubland and natural grassland were the most efficient types for SOC sequestration, followed by abandoned cropland. The SOC stock (0-60 cm) in this study was 23,584.77 t with a mean SOC density of 4.64 (0-60 cm).     

黄土丘陵沟壑区退耕地植物群落土壤抗蚀性研究

 国家退耕还林(草)科技示范点陕西省吴旗县的退耕地植物群落的抗蚀性试验研究结果表明:通过对衡量土壤抗蚀性的12项指标主成分分析,反映特征值大部分信息(88.671%)的主成分包括无机黏粒类、团聚类、无机胶粒类和水稳性团粒类4大类。对4个主成分进行聚类,将吴旗县内的植物群落分为3大类,其中以退耕时间长的人工林地和还草地为主的植物群落抗蚀性最好,其次是退耕时间长的蒿类群落为主,以新退耕还林(草)地和坡耕农用地为主的植物群落抗蚀性较差。从土壤抗蚀性这一重要指标来看,随着退耕时间的延伸,退耕地人工林地抗蚀性较坡耕农用地不断提高,逐渐接近于天然林地,而退耕时间较晚的还林(草)地和坡耕农用地相对较差。     

不同植被盖度下的黄土高原土壤侵蚀特征分析

利用地理信息系统(GIS)技术对黄土高原土壤侵蚀空间数据和植被盖度等级数据进行了空间叠加,研究不同盖度的植被对土壤侵蚀的影响。结果表明:植被盖度等级为1时,黄土高原土壤侵蚀全部为水蚀,占整个土壤侵蚀的100%;植被盖度等级为2时,土壤侵蚀主要以水蚀为主,占整个土壤侵蚀的95.61%;植被盖度等级为3、4、5时,土壤侵蚀仍主要以水蚀为主,分别占整个土壤侵蚀的74.90%、66.68%和58.19%。冻融侵蚀出现在植被盖度等级为4和5时,占整个土壤侵蚀的比例均不大。随着植被盖度的增加水蚀所占比重逐渐减小,而风蚀、水?风混合侵蚀和冻融侵蚀所占比重逐渐加大。植被盖度等级为5时,水蚀、风蚀和水-风混合侵蚀的土壤侵蚀指数均比其他植被盖度等级的土壤侵蚀指数大,分别为657.56、796.68和596.79,土壤侵蚀最严重。黄土高原植被盖度变化对土壤侵蚀状况影响显著。     

Soil aggregate size mediates the impacts of cropping regimes on soil carbon and microbial communities

Understanding the influence of long-term crop management practices on the soil microbial community is critical for linking soil microbial flora with ecosystem processes such as those involved in soil carbon cycling. In this study, pyrosequencing and a functional gene array (GeoChip 4.0) were used to investigate the shifts in microbial composition and functional gene structure in a medium clay soil subjected to various cropping regimes. Pyrosequencing analysis showed that the community structure (β-diversity) for bacteria and fungi was significantly impacted among different cropping treatments. Functional gene array-based analysis revealed that crop rotation practices changed the structure and abundance of genes involved in C degradation. Significant correlations were observed between the activities of four enzymes involved in soil C degradation and the abundance of genes responsible for the production of respective enzymes, suggesting that a shift in the microbial community may influence soil C dynamics. We further integrated physical, chemical, and molecular techniques (qPCR) to assess relationships between soil C, microbial derived enzymes and soil bacterial community structure at the soil micro-environmental scale (e.g. within different aggregate-size fractions). We observed a dominance of different bacterial phyla within soil microenvironments which was correlated with the amount of C in the soil aggregates suggesting that each aggregate represents a different ecological niche for microbial colonization. Significant effects of aggregate size were found for the activity of enzymes involved in C degradation suggesting that aggregate size distribution influenced C availability. The influence of cropping regimes on microbial and soil C responses declined with decreasing size of soil aggregates and especially with silt and clay micro-aggregates. Our results suggest that long term crop management practices influence the structural and functional potential of soil microbial communities and the impact of crop rotations on soil C turnover varies between different sized soil aggregates. These findings provide a strong framework to determine the impact of management practices on soil C and soil health.