【摘 要】
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植被恢复过程中,土壤有机碳含量随凋落物数量、质量以及根系分泌物的不同而变化,在全球变化的环境下,土壤碳库的收支平衡以及土壤有机碳动态机制将面临严峻的挑战。土壤中有新鲜有机物(如葡萄糖、根系分泌物等)输入时,可能会促进或者抑制土壤中原有有机质分解的现象,则称为激发效应。本研究选择黄土丘陵区不同恢复年限的人工刺槐林(14年、20年、30年、45年)以及邻近坡耕地为研究对象,采用室内培养试验,应用13C
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目“黄土高原刺槐林恢复中土壤微生物代谢对团聚体固碳的影响机制”(编号:41907031); 国家自然科学基金面上项目“脆弱生境植被恢复过程植物-微生物-土壤碳氮磷化学计量协调机制”(编号:41877543);
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植被恢复过程中,土壤有机碳含量随凋落物数量、质量以及根系分泌物的不同而变化,在全球变化的环境下,土壤碳库的收支平衡以及土壤有机碳动态机制将面临严峻的挑战。土壤中有新鲜有机物(如葡萄糖、根系分泌物等)输入时,可能会促进或者抑制土壤中原有有机质分解的现象,则称为激发效应。本研究选择黄土丘陵区不同恢复年限的人工刺槐林(14年、20年、30年、45年)以及邻近坡耕地为研究对象,采用室内培养试验,应用13C稳定同位素标记技术,研究刺槐林恢复中土壤有机碳激发效应变化特征,同时分析土壤有机碳物理、化学和生物学组分含量及碳库稳定性的变化,阐明植被恢复对土壤有机碳组分及碳库稳定性的影响,结合植被群落特征、土壤基础理化性质以及胞外酶活性,探究刺槐林恢复中土壤碳库组分及稳定性对激发效应的影响。具体取得以下结果:(1)刺槐林恢复中外源碳输入引起正向激发效应,土壤有机质分解增强刺槐林恢复中,外源碳输入促进了土壤有机碳的矿化,即呈现正的激发效应。随着恢复年限的增加,激发效应表现为先增后降的趋势,在刺槐20年达到最高值,且刺槐林有机碳激发效应均大于农田。此外,在培养过程中,刺槐林土壤有机碳激发效应呈现出培养初期迅速增加而中后期增速减慢最后趋于稳定,其变化范围为38.68-83.66mg CO2-C?kg-1 soil。(2)刺槐林恢复中土壤有机碳及其组分含量逐渐增加,碳库稳定性增强刺槐林恢复过程中,土壤有机碳、活性有机碳、难降解有机碳以及微生物生物量碳含量随恢复年限递增均显著增加,变化范围分别为2.98-7.73 g?kg-1、0.77-1.82 g?kg-1、2.21-5.91 g?kg-1、60.27-521.54 mg?kg-1。在不同团聚体组分中,微团聚体(0.053-0.25 mm)有机碳含量最高且在恢复年限间变化明显,变化范围为5.65-9.59 g?kg-1。土壤碳库指数、碳库管理指数随着恢复年限增加逐渐增加,而碳库活度、碳库活度指数逐渐降低,说明植被恢复促进土壤碳库稳定性的增强。(3)刺槐林恢复中土壤有机碳激发效应与粘粉粒组分有机碳显著相关,且受土壤酶活性的协同调控刺槐林恢复过程中,植被覆盖度、生物量、土壤全氮、速效氮、微生物生物量含量、水解酶(葡萄糖苷酶、纤维素酶)活性随恢复年限递增均显著增加,而氧化酶(过氧化物酶、多酚氧化酶)活性随恢复年限递增呈先增后降趋势。通过回归分析发现,粘粉粒(<0.053 mm)有机碳、碳库管理指数的增加将促进土壤激发效应,微团聚体有机碳、难降解有机碳、微生物生物量碳含量以及碳库指数则与激发强度正相关。偏最小二乘路径模型发现,植物群落通过两种方式调控土壤有机碳激发效应,一是凋落物有机碳直接影响参与土壤碳循环的胞外酶活性对激发效应产生显著的正向影响,二是通过影响土壤养分含量而改变土壤碳库稳定性从而间接影响激发效应。总体来讲,相较于后者,土壤胞外酶活性是植被群落特征影响激发效应的关键过程。综上所述,在生态环境脆弱的黄土丘陵区进行退耕还林,将坡耕地转化为人工刺槐林,有助于地上植被生物量和覆盖度的提高,土壤结构和养分质量逐渐改善,而土壤中来自动植物残体、根系分泌物的外源有机物质数量增加将引起正向的激发效应。本研究结果对于黄土丘陵区外源碳输入对土壤碳库影响的研究具有一定的参考价值,对阐明植被恢复对土壤碳循环的影响及其对全球变化的响应具有重要意义。
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