人为干扰下喀斯特土壤氮素的变化与损失途径

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西南喀斯特地区由于其特殊的地质背景和强烈的岩溶作用,地表水大量渗漏,土层浅薄,生态系统极其脆弱。近现代以来日益强烈的人为干扰和不合理的土地利用,导致该地区土壤氮素(N)大量丢失,植被群落受土壤氮素限制严重,成为制约该地区退化生态系统可持续恢复的重要问题。然而目前对该地区土壤氮素转化、迁移的响应机制缺乏充分认知,使得石漠化治理工作的开展难以深入。本研究基于定位控制试验和耕作模拟试验,以土壤团聚体结构和微生物活性为切入点,分析人为干扰/土地利用方式下团聚体组成及其对土壤养分变化的调节作用,并揭示耕作干扰对土壤不同形态N、N淋溶和氧化亚氮(N2O)排放的影响,探讨土壤氮素的丢失途径、形态和规律,揭示干扰作用下土壤N的快速流失机制,以期为喀斯特退化生态系统的恢复重建和有限土地资源的可持续利用提供科学依据。主要结论如下:  (1)各干扰/利用方式土壤团聚体组成均以>5和2-5 mm粒级为主,且土壤SOC在大团聚体中含量显著高于微团聚体;干扰/利用方式对大团聚体数量的影响大于微团聚体(<0.25 mm),但各粒级团聚体有机氮(SOC)、总氮(TN)对干扰/利用处理的响应一致;相比封育处理,其他四种干扰俐用方式全土和团聚体SOC、TN含量较低,其中牧草和玉米种植处理显著低于其他处理,说明农业耕作利用对土壤碳氮和团聚体碳氮的影响最为强烈,且土壤碳氮的丢失主要源于大团聚体(>2mm)碳氮储量的减少。  (2)相比封育处理,砍伐、牧草和玉米种植降低土壤团聚体微生物生物量碳(MBC),且增加微生物熵(Cmic:Corg);干扰/利用方式对大团聚体(<2 mm)微生物活性(MBC、Cmic:Corg)的影响较其他粒级小,表明微生物活性对干扰/利用的响应具有团聚体粒级依赖性;微生物活性在中等粒级(0.25-2 mm)团聚体最高,中等粒级团聚体有着相对更高的SOC含量及微生物活性,预示着更活跃的碳氮动态变化。  (3)原位翻耕模拟试验结果表明,物理扰动主要破坏5-8mm粒级团聚体,对小粒级(<0.5 mm)团聚体影响较小;土壤TN丢失量在初次翻耕后的三个月内较大,且TN丢失量随着翻耕频率的增加呈现增加趋势;土壤硝态氮(NO3--N)含量对翻耕频率响应显著,而土壤铵态氮(NH4+-N)在各翻耕处理间无显著差异;土壤MBC含量随着翻耕频率的增加而呈现逐渐下降趋势,土壤微生物生物量氮(MBN)含量在各翻耕处理下都呈显著下降趋势;方差分解结果表明,土壤总氮丢失量主要受团聚体粒级(5-8 mm)和土壤MBC含量影响。  (4)喀斯特石灰土N淋溶主要以NO3--N为主,其次是可溶解性有机氮(DON),NH用+-N淋溶量最低,且各翻耕处理均显著增加了N淋溶总量;各处理N淋溶总量均表现为雨季大于旱季,但月淋溶总量则表现为雨季小于旱季(去除旱季未收集到淋溶水的两个月),N淋溶量的高峰期出现在旱季干湿交替的月份;雨季N淋溶量和淋溶水量无显著相关关系,旱季淋溶量随淋溶水增加呈显著增加,说明雨季土壤N淋溶受可溶性氮素含量控制,旱季受降雨量控制;N淋溶量与土壤大团聚体5-8 mm、及土壤表层可溶解性总氮(TDN)和NO3--N含量呈显著负相关。  (5)喀斯特地区石灰土N2O月排放量存在季节变化,冬季N2O排放量较低,夏季N2O排放量较高,N2O月排放量随气温和降雨量升高显著增加;中高频翻耕处理(每四月翻、每二月翻和每月翻)土壤N2O排放总量显著低于免耕处理,而低频翻耕处理(每六月翻)土壤N2O排放总量略高于免耕处理;翻耕处理对土壤N2O排放的影响与土壤性质的变化有关,翻耕处理下N2O年累积排放量的主要影响因子为土壤MBC和NO3--N含量,二者对N2O年累积排放量的解释量分别为48.8%及7.4%,说明土壤微生物活性是影响土壤N2O排放的主要控制因素。
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