退化红壤区植被恢复对土壤有机碳周转和稳定性的影响研究

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森林恢复与重建已成为亚热带红壤退化区提高土壤生态功能的重要举措,近几十年来在红壤退化区的植被恢复有机碳研究中取得了大量研究成果,主要集中在土壤碳库及碳吸存、不同组分有机碳含量、有机碳稳定性等方面,对于森林恢复后新碳的输入和旧碳的周转状况了解较少。全球气候变化背景下,森林恢复后有机质的周转或动态研究有助于更好地了解植被恢复对生态系统碳循环的影响。森林重建时如果发生了植被类型(C3 C4)的转换,为研究土壤有机碳周转提供了有效手段。本文用空间代时间的方法,以江西泰和退化草地(以C4为主)为对照,选取种植了25年的马尾松林和木荷林为森林恢复对象,结合稳定性碳同位素方法分析植被碳、土壤有机碳、活性和惰性有机碳、团聚体有机碳及其δ13C,比较植被恢复后土壤有机碳来源(C3和C4植被),探讨森林恢复过程不同粒径团聚体对土壤有机碳的保护机制和微生物对土壤有机碳周转的影响机制,为亚热带退化红壤区森林恢复提供有价值的参考。主要研究结果如下:(1)木荷林0-40cm土层有机碳含量显著高于对照区草地和马尾松林。土壤有机碳库则表现不一,表层土和20-40cm土层有机碳库大小顺序为木荷林>草地>马尾松林,10-20cm土层有机碳库大小顺序则为木荷林>马尾松林>草地。木荷林土壤可溶性有机碳、微生物量碳和轻组有机碳含量最高,其次是马尾松林,最低的为草地,三种植被恢复类型0-20cm土层惰性碳含量顺序为木荷林>马尾松林>草地,退化草地δ13CDOC和δ13CSMBC均显著高于马尾松林和木荷林,低于全土δ13C;三种植被恢复类型土壤轻组部分有机碳δ13C接近植被(凋落物)δ13C值。马尾松林和木荷林土壤轻质部分有机碳中于新碳的比例最高;可溶性碳来源于新碳的比例居中,微生物量碳新碳比例最低,表明不同组分活性有机碳对C3和C4植被碳的利用存在差异。(2)退化草地转变为马尾松林和木荷林后,从凋落物δ13C到土壤表层有机碳δ13C分别增加了7.41‰和10.89‰,超出了正常的增加范围(0.5‰~1.5‰),表明两个林地表层有机碳来源为以前草地和当前恢复林分的混合物。人工木荷林土壤有机碳浓度的自然对数值和土壤δ13C值之间线性都存在显著的线性回归关系。木荷林旧碳的分解率低于马尾松林中土壤旧碳的分解率,马尾松林和木荷林中有机碳的存留时间分别为42和66年。可以看出退化草地进行森林恢复选择木荷不仅能更好的保护原有草地旧碳,也有助于森林形成的新碳进入土壤,从而更好发挥人工林土壤的碳汇功能。(3)三种植被类型表层土壤大团聚体(>250μm)的比例最大,微团聚体比例最小,表明在红壤退化区无人为干扰的植被恢复都能改善土壤结构,提高保持水土的功能。木荷林0-20 cm土层大团聚体比例均高于马尾松林和草地,更有利于增强土壤抵抗水力侵蚀的能力。草地表层土团聚体中有机碳δ13C值比全土相比显著降低,木荷林中降低幅度则较小;三种植被恢复类型下土壤总有机碳和新碳在大团聚体储量最大,其次是粉黏粒,最小的是微团聚体。马尾松林和木荷林表土有机碳在团聚体中的周转时间为41-53a,低于全土中有机碳周转时间。(4)室内培养三种植被恢复类型土壤的矿化实验中,土壤有机碳矿化过程土壤呼出CO2的δ13C值在5d后都随着培养时间延长而不断降低,可能是草地转变林地的土壤矿化过程中微生物更多地利用C4植被。草地转化为木荷林和马尾松林后,显著提高了土壤纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶的活性,而降低了多酚氧化酶的活性。三种水解酶之间呈极显著正相关关系,共同对土壤有机碳的转化产生影响。土壤总有机碳和总氮显著影响着淀粉酶和蔗糖酶的活性,微生物量碳显著对淀粉酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶活性产生影响。三种植被恢复类型土壤微生物群落总PLFAs大小顺序为木荷林>马尾松林>草地,细菌是最主要的微生物类群,细菌群中革兰氏阳性菌为优势菌群。淀粉酶与各微生物群落类群和总PLFAs都呈显著性相关关系,蔗糖酶与微生物群落结构关系最密切,总有机碳和总氮的主要影响细菌、放线菌、丛枝菌根真菌和总微生物类群。综上所述,自然恢复草地转换为木荷林后不仅提高了全土总有机碳、不同组分活性碳、惰性碳含量,团聚体有机碳含量也得到显著增加,与碳周转密切相关的微生物群落总量大幅增加,表明本区域的常绿阔叶树木荷直接进行植被恢复能够有效提升土壤地力,降低了原有草地旧碳的分解,来源于木荷林的有机碳能迅速进入土壤,为提高退化红壤区的固碳能力起来了积极的作用;而以先锋树种马尾松进行的植被恢复恢复效果弱于阔叶林,应当采取一定的营林措施促进针叶林向阔叶林的演替。
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