黄土丘陵区坡地柠条恢复下土壤结构与水碳关系研究

来源 :山西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhanghai_007
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植被恢复是黄土高原地区生态环境建设的重要举措,对控制区域水土流失、提升土壤功能、促进脆弱生态系统服务价值产生了重要作用。柠条(Caragana korshinskii Kom.)是黄土丘陵区人工植被恢复的典型灌木树种,但其长期种植在坡面上对土壤结构的影响及其与土壤水碳的关系如何还缺乏深入的研究。选择黄土丘陵区条带种植15、25和35年的柠条坡地以及荒草地为研究对象,通过野外取样与监测和室内分析相结合,分析柠条不同种植年限和坡位下土壤团聚体分布特征及稳定性,阐明全土和团聚体有机碳(SOC)、活性组分分布规律及固碳损益,揭示深层土壤水分时空特征及亏缺效应,探明土壤结构与有机碳、水分的关系,以期为黄土高原地区植被恢复土壤环境效应评估提供一定的科学依据。取得主要结论如下:(1)柠条种植增强了表层土壤团聚体稳定性,在下坡效果优于上中坡。随柠条种植年限增长,干筛法和Le Bissonnais(LB)法测定的大团聚体(>0.25 mm)含量和平均重量直径(MWD)总体表现为增加趋势,且变化主要在0-20 cm土层。MWD值在上中坡的35年柠条样地具有最大值(3.08 mm),下坡则在荒草地有最大值(3.27mm)。从坡位来看,MWD值总体表现为下坡>上坡>中坡。基于LB法的相对消散指数和相对机械破碎指数表明,上中坡团聚体对消散作用和机械破碎作用较敏感,而下坡的下层(>20 cm)土壤团聚体对破碎作用更敏感。(2)柠条种植25年后显著提高了SOC含量与固碳能力。柠条种植显著增加了0-40 cm土层全土、团聚体SOC含量和易氧化有机碳(EOC)含量(P<0.05),其中对2-0.25 mm粒级团聚体增加最明显,其对SOC的贡献率达到40%。在上中坡的35年柠条样地最高(26.7 Mg·ha-1),但在下坡则是荒草地最高(23.6Mg·ha-1)。各样地0-100 cm土层的有机碳储量(SOCS)在坡面上呈现为下坡>上坡>中坡。与对照荒草地相比,柠条15年固碳(-0.3 Mg·ha-1)为负向亏缺效应,而柠条25年(1.7 Mg·ha-1)和35年(3.55 Mg·ha-1)样地则为正向积累效应,其差异在于深层(>40 cm)SOCS积累增加明显。上中坡固碳量比下坡高,体现出更好的固碳效应。(3)长时间柠条种植深层土壤水分产生了亏缺效应,但在不同坡位具有差异。总体上各样地0-500 cm的土壤储水量(SMS)在生长季5月份最低,10月达到最大值。随柠条种植年限的增加SMS逐渐下降,其中柠条种植25年及以后对深层水分产生了明显亏缺效应,且在上坡较严重(P<0.05)。SMS季节亏缺除200-300 cm处荒草地以及柠条35年呈负向亏缺外,其余均得到有效补给。年际间SMS在0-200 cm内各样地2018年显著高于2009年,>200 cm在柠条15年及以后呈反向趋势。(4)柠条植被恢复下土壤结构与水碳有显著相关关系冗余分析表明土壤水分是影响土壤团聚体稳定性的主要因子(解释8.5%变异),土层深度显著影响有机碳平衡和土壤水分环境且为显著正相关,贡献分别为45.8%和7.8%,其次年限(10.7%)和坡位(4%)。通过结构方程模型分析,SOC是控制土壤结构稳定性的变化的主要因素,通径系数为0.86,呈显著水平(P<0.05)。土壤水分对有机碳平衡产生负影响,并以此为介导,从而对团聚体产生负影响(-0.35)。总体而言,黄土丘陵区柠条种植(>25年)明显提升了表层土壤结构稳定性,增加了有机碳积累,但同时长时间的种植也对深层(>300 cm)土壤水分造成了亏缺。综合来看短期内柠条种植而产生的积极固碳速率可能会因缺水限制而进一步减弱,从而对结构造成影响。并且,柠条种植产生的影响于不同坡位间有显著差异。因此,在黄土高原地区大面积种植柠条背景下,对坡地的土壤环境效应进行评估时,需注意考虑坡面尺度的坡位特征和种植年限的综合作用。
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