毛乌素沙地沙漠化逆转过程土壤固定碳氮效应与机制

发布时间：2020-07-17 23:45

【摘要】：沙漠化是全球目前最严重的土地退化现象之一,各地为阻止沙漠化展开了大量的植被重建和生态恢复工程,探究沙漠化逆转过程的效应与机制对于认识,实践和评价沙漠化地区植被重建与生态恢复具有重要理论和实践意义。有机碳氮作为土壤肥力的核心组成部分,能够指示沙漠化土地治理恢复的效应与机制。因此,在长期野外跟踪调查的基础上,本文选取沙漠化典型地区榆林红石峡治沙区流动沙地-半固定沙地-恢复年限为20a、30a、51a的灌木和乔木固定沙地为研究对象,形成不同沙漠化逆转恢复阶段,经过室内土壤成分测定分析,研究了土壤总有机碳、全氮及其砂粒、粉粒、黏粒结合有机碳、全氮,轻重组碳氮,氧化活性有机碳,δ~(13)Cδ~(15)N丰度随固沙林恢复年限延长的演变特征、固持比例以及不同碳氮组分抗分解稳定性,揭示了研究区沙漠化逆转过程土壤固定碳氮效应与机制。主要研究结果如下:(1)到恢复51a时,灌木和乔木林地0~5cm土层总有机碳含量分别达到流沙地的10.7和11.3倍,总氮含量分别达到9.0和9.2倍。同时,不同恢复年限固沙灌木林0~5cm土层土壤总有机碳含量是5~10cm和10~20cm土层的1.9~3.4倍,乔木林则是1.8~4.0倍;全氮含量在灌木林0~10cm土层达到10~20cm土层的2.2~4.7倍,乔木则为2.5~3.9倍。从不同大小土壤颗粒碳氮组分看,0~5cm土层51a灌木和51a乔木土壤砂粒碳、粉粒碳含量分别是黏粒碳的2.5和1.8、2.7和2.6倍,0~10cm土层51a灌木和51a乔木土壤砂粒氮、粉粒氮含量分别是黏粒氮的1.3和1.1、0.85和1.7倍。0~5cm土层灌木土壤砂粒碳、粉粒碳和黏粒碳密度增速分别为0.05、0.05和0.02Mg/hm~2·a,砂粒氮、粉粒氮及黏粒氮年增长速率在0~10cm的土层分别达到4.4mg/kg·a、4.0mg/kg·a和2.5mg/kg·a。按照轻重分组来看,51a灌木和51a乔木的轻组有机碳含量分别是重组的1.3和4.9倍;51a灌木和51a乔木的轻组氮含量分别是重组的0.5和1.6倍。按照活性有机碳与惰性有机碳分组来看,20a灌木和51a灌木的氧化活性有机碳含量分别是20a乔木和51a乔木的2.0和1.2倍。(2)到恢复51a时灌木0~20cm土层土壤各颗粒碳对总有机碳的贡献率为,粉粒碳42.6%砂粒碳33.2%黏粒碳24.2%;51a乔木0~20cm土层土壤各颗粒碳对总有机碳的贡献率为,粉粒碳36.0%≈砂粒碳36.0%黏粒碳27.1%,可见土壤粉粒和砂粒贡献碳氮比例较大。51a灌木和51a乔木的轻组有机碳占总有机碳比例由半固定沙地的35.4%分别上升为57.4%和83.1%,51a灌木和51a乔木的轻组全氮占总氮比例由半固定沙地的6.6%分别上升为31.4%和61.3%。两种林地恢复过程土壤氧化活性有机碳占总有机碳百分比均在20a达到峰值,20a灌木和20a乔木土壤氧化活性有机碳百分比由半固定沙地的17.4%分别上升至41.3%和27.2%。可见,活性碳和轻组碳氮组分比例逐渐升高,对固定碳氮也具有重要作用。(3)全土的δ~(13)C丰度与枯枝落叶层相近,且在沙漠化逆转过程各恢复年限林地无显著差异。恢复阶段来看,灌木林地各颗粒碳δ~(13)C丰度总是在流动沙地-20a灌木过程下降,20a-51a灌木过程上升;乔木林地则是持续上升。恢复过程各个阶段的粉粒氮与黏粒氮的δ~(15)N丰度始终与枯枝落叶层相近,砂粒氮与全土的δ~(15)N丰度在流动沙地-20a灌乔木阶段上升,20a灌乔木-51a灌乔木阶段下降。(4)不同年限灌木土壤CO_2累积排放量关系为半固定沙地51a灌木30a灌木20a灌木,乔木CO_2累积排放量为半固定沙地51a乔木20a乔木30a乔木。培养60天后51a灌木和51a乔木轻组有机碳含量较培养前减少了58.6%和88.72%,重组有机碳含量较培养前仅减少了5.0%和3.0%;同时,轻组氮含量较培养前减少了60.8%和85.6%,重组氮含量较培养前减少了13.7%和2.9%。培养后的半固定沙地、51a灌木和51a乔木土壤轻组有机碳分解量占总有机碳分解量的比例为79.2%、91.6%和97.8%,培养后的半固定沙地、51a灌木和51a乔木土壤轻组氮分解量占总氮分解量的比例为3.2%、53.1%和98.7%。可见,固沙林恢复土壤轻组活性碳氮是土壤有机碳分解损失的主要碳氮库。综上分析,毛乌素沙地沙漠化逆转过程带来显著的土壤固定碳氮效应,乔木固沙林的固碳氮效应比灌木更强。碳氮库主要以土壤组分中砂粒和粉粒结合的机制固存。轻组储存碳氮含量高,活性较强,稳定性弱,为土壤植被环境提供快速周转的碳氮;而重组稳定不易分解,对于碳氮稳定性及防止土壤养分流失具有重要意义。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S153.6
【图文】：

榆林市,实验站,红石,陕西省

sylvestris)、油蒿(Artemisia ordosica)、花棒(Sterigmostemum matthioloides)、油松(Pinustabulaeformis)和杨柴(Hedysarum leave)等(周淑琴等 2013)。图2-1 研究区位置(陕西省榆林市红石峡治沙实验站)Fig. 2-1 Location of the study area (Hongshixia Afforestation of Sands Experiment Station at Yulin)

示意图,示意图,广口瓶,溶液

西北农林科技大学硕士学位论文土壤放入 500ml 的广口瓶中。土样放入广口瓶之前加水。将装有 10ml 小塑料瓶放入广口瓶中的土壤表面来吸收土壤呼吸释放的 CO2。将广口C 的恒温条件下培养 60d。每次测定后称一次土样重量，调节含水量以定。每个处理设置 3 次重复。在开始培养后的第 2、4、6、8、10、1228、32、39、46、53 和第 60d 测量释放出的 CO2量。形成的 CO2量由 0.确定。再滴定一份放石英砂的 NaOH 溶液用于对照。培养试验在恒温箱-S, Medicine Machinery Co. Ltd., Guangdong, China, 2002)。每个吸收瓶由 0.5mol/L HCl 溶液(酚酞作指示剂)通过滴定剩余 NaOH 溶液的量来确0)。排放测定：将含 30ml 0.5mol/L NaOH 溶液的吸收瓶从组培瓶中取出，入 30ml 的 0.5 mol/L BaCl2溶液并震荡，反应完全后倒入 250ml 的锥形瓶，润洗液也倒入锥形瓶内，之后向其中加入 1~2 滴酚酞指示剂进行滴由红色褪至无色时，达到滴定终点，记录 HCl 溶液用量(黄涛等 2013)。

有机碳含量,灌木,乔木

第三章沙漠化逆转过程土壤总碳氮及其组分累积效应木与 30a 灌木无差异，与 51a 灌木有显著性差异。20a 乔木的轻组有机碳含量3.20g/kg、30a 乔木的轻组有机碳含量为 9.81g/kg、51a 乔木的轻组有机碳含量4.74g/kg，且含有最高有机碳含量的 51a 乔木是半固定沙地的 70.9 倍。三者相互均著性差异。整体上说明轻组有机碳含量为乔木大于灌木大于半固定沙地。这与之前占土样的质量百分比结果相一致。

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