退耕还草土壤碳和铁变化特征及其对团聚体形成与稳定的贡献

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liujing6633
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黄土高原位于我国干旱半干旱地区,水土流失严重,属于典型的生态脆弱区。退耕还林还草被认为是生态脆弱区植被恢复重建的有效手段,不仅可以促进土壤养分良性循环,维持土壤结构稳定,还可以增加植被覆盖率并促进植物养分吸收。土壤结构稳定是土壤养分良性循环、植被茁壮成长的基础,其稳定性依赖于土壤团聚体稳定。团聚体是土壤结构的基本单元,对土壤水、肥、气、热的调节有重要作用,是土壤结构稳定的重要指示因子。因此,土壤团聚体的稳定性对陆地生态系统土壤结构稳定至关重要。土壤团聚体是由土壤颗粒与土壤中的胶结物质结合形成的聚集体,然而,关于黄土高原半干旱区自然恢复形成草地过程中胶结物质含量变化对团聚体稳定性的贡献尚不清晰。本研究以陕西安塞纸坊沟流域不同恢复年限(耕地、自然恢复6年、15年、25年和45年)的土壤为研究对象,分析了0-50 cm土层不同土壤胶结物质(有机碳、无机碳和氧化铁)的垂直分布特征,明确了植被恢复过程中胶结物质含量的变化特征,探明了胶结物质在不同粒级团聚体中的分布特征及其对团聚体形成和稳定的贡献,以期为黄土高原植被生态恢复提供科学依据。主要研究结果如下:(1)植被恢复过程中,表层(0-20 cm)土壤全土中有机碳(Soil organic carbon,SOC)的含量随植被恢复年限延长而增加,并在恢复45年达到最大值,相较于耕地分别增长了43.5%(0-10 cm土层)和80%(10-20 cm土层);在20-50 cm土层SOC含量随植被恢复年限增加无显著变化趋势。0-30 cm土层,全土中无机碳(Soil inorganic carbon,SIC)含量在耕地中为最大值,但在植被恢复过程中随年限增加呈增加趋势,30-50 cm土层植被恢复45年的SIC含量增长到耕地中的SIC水平,而其他植被恢复样地SIC含量仍然低于耕地。随土壤深度增加,全土中SOC含量降低,SIC的含量增加。此外,SOC与SIC的相关性随植被恢复年限延长而增强,表明植被恢复有利于SOC和SIC含量增加,并且使得有机碳和无机碳的联系更紧密。(2)植被恢复过程中,全土土壤游离氧化铁(Fed)、无定形氧化铁(Feo)和络合态氧化铁(Fep)的含量随植被恢复年限延长在25年达到最大值,随后降低。随着土壤深度增加,Fed和Feo的含量随之增加,Fep整体上无明显变化趋势。土壤氧化铁的活化程度(Feo/Fed)和络合度(Fep/Fed)随植被恢复年限延长而增加。结果表明,草地植被恢复有利于土壤氧化铁含量增加,并且氧化铁的活化度和络合度也有所提升。(3)团聚体各粒级SOC含量随植被恢复年限增加呈增加趋势,随土壤深度增加呈降低趋势。SIC含量随植被恢复年限延长而呈增加趋势,其含量整体低于耕地,随土壤深度增加而增加,SIC在微团聚体(0.25-0.053 mm)中含量最高,粉粘粒(<0.053mm)中含量最低。Fed和Feo随植被恢复年限增加呈先增加后降低的趋势,Fep随植被恢复年限增加无明显的变化趋势,随土壤深度增加,Feo整体上呈增加趋势,Fed和Fep变化趋势不明显。(4)土壤团聚体稳定性指数(Mean weight diameter,MWD)、大于0.25 mm粒径的团聚体数量(R0.25)随植被恢复年限延长呈增加趋势,而MWD随土层深度增加呈降低趋势,且表土层(0-10 cm)显著高于其他土层,R0.25值在0-30 cm土层均在植被恢复45年为最大值。植被恢复过程中,大团聚体(>2 mm)含量逐渐增加,而粉粘粒(<0.053 mm)含量逐渐降低。(5)团聚体稳定性随植被恢复年限逐渐提升,0-50 cm土层胶结物质的粘结作用对团聚体的稳定性贡献率达到51.3%。其中,0-10 cm和10-20 cm土层胶结物质对团聚体稳定性的贡献率分别是68.6%和81.8%,而20-50 cm土层胶结物质对团聚体稳定性的贡献率较低,为23.2%~33.3%。并且,0-10 cm土层Feo对团聚体稳定性的贡献率最大,10-20 cm土层SOC的贡献率最大。表明植被恢复对团聚体稳定性的促进作用集中于0-20 cm土层,植被恢复对30-50 cm土层的团聚体稳定性无明显作用。(6)决定不同粒级团聚体稳定性的土壤胶结物质不同。SOC和Feo主要促进大团聚体(>2 mm)的稳定性,SIC主要促进小大团聚体(0.25-2 mm)的稳定性,Fep对微团聚体(0.053-0.25 mm)稳定性的贡献最大,植被恢复过程中,Fed通过转变为Feo间接贡献于团聚体稳定性,Fed的增加将促进大团聚体的形成。
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