岩溶石漠化区植被恢复对土壤有机碳、氮积累与氮素矿化特征影响研究

发布时间：2017-08-11 09:07

  本文关键词：岩溶石漠化区植被恢复对土壤有机碳、氮积累与氮素矿化特征影响研究

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【摘要】：特殊的地质条件和自然地理背景造就了西南岩溶区相对脆弱的生态环境,不合理的人类活动导致植被破坏、土壤侵蚀、土地退化,形成大面积的石漠化景观。石漠化最突出的本质是土壤和养分的流失,石漠化发展造成地表严重缺土,仅有的土壤资源显得尤为珍贵。因此,稀缺的土壤资源是植被恢复的重要限制性因素；其中,土壤质量是植被恢复重建的关键,而有机碳(质)、氮是土壤质量的核心,在土壤肥力系统中起基础性作用。因此,研究植被恢复过程中土壤有机碳、氮的积累与氮素矿化特征,对石漠化区的植被恢复重建和土壤养分的调控与管理有重要意义。本文以南川石庆村(重庆岩溶山地退化生态系统恢复与重建示范基地)、北碚中梁山为研究区,在野外调查和资料查阅的基础上,在研究区内选取代表性的样地、采集土壤样品,采用野外试验与室内分析相结合的方法,研究植被恢复过程中,土壤团聚体中有机碳、氮分布规律及土壤碳、氮积累过程中的关键环节；土壤氮素供应状况及其决定性因素；富钙的地球化学特征对土壤氮矿化的影响等。结果表明：1.植被恢复过程中,土壤有机碳、氮积累明显。(1)土壤有机碳、易氧化有机碳、全氮、碱解氮含量随植被恢复进程而提高,随土壤剖面深度而降低。土壤溶解性有机碳含量表现为弃耕地≈灌丛地灌乔林地乔木林地≈草地,草地含量显著高于其它样地。在剖面上随深度而降低,同时也表现出明显的季节动态特征,夏季、春季冬季、秋季。土壤矿质氮含量表现为草地弃耕地灌丛地灌乔林地乔木林地。在剖面上随深度而降低,同时也表现出明显的季节动态,冬、春季夏、秋季。在矿质氮组成中,草地、灌丛地、乔木林地土壤以铵态氮为主,而弃耕地、灌乔林地以硝态氮为主。人工植被恢复样地中,人工林地对土壤碳氮的改善作用强于金银花地。(2)土壤团聚体总有机碳、轻组有机碳、易氧化有机碳,全氮、轻组氮、碱解氮、矿质氮含量基本上随团聚体粒径减小而升高,0.25 mm粒径含量最高。与弃耕地相比,植被自然恢复样地,各粒径团聚体有机碳、氮含量均有不同程度的提高,总体上表现为弃耕地草地灌丛林地灌乔林地乔木林地。(3)植被恢复对0.25 mm粒径团聚体碳氮含量影响最大,能显著提高该粒径团聚体碳氮含量,其中活性有机碳、氮的增长幅度大于总有机碳、氮。且团聚体C/N有随粒径减小而增大的趋势,0.25 mm活性有机碳占总有机碳的比例最大。同时,凋落叶分解系数与0.25 mm、0.25～1mm粒径轻组碳、氮含量之间显著正正相关,凋落叶分解过程中轻组有机碳、氮优先向小粒径团聚体输入。因此,在植被恢复过程中,活性有机碳、氮优先向小粒径团聚体积累,小粒径团聚体对土壤有机碳积累作用重大。(4)在植被恢复初期,团聚体碳氮在粒径间的变异系数较大,小粒径团聚体碳氮积累较快；在植被恢复中后期,团聚体碳氮在粒径间的变异系数变小,小粒径团聚体碳氮含量提高的同时,其它粒径团聚体碳氮含量也有较大提高,有机碳氮在团聚体粒径间分布相对均匀。(5)各样地土壤团聚体以5～10 mm与2～5mm粒径占绝对优势,与弃耕地相比,植被自然恢复能明显提高5～10 mm粒径团聚体数量。各粒径团聚体碳、氮对土壤碳、氮的贡献受团聚体粒径质量百分含量控制,其中5～10 mm、2～5 mm粒径团聚体贡献大,土壤碳、氮主要贮存于大团聚体中,大粒径团聚体对土壤碳、氮的贮存有重要意义。人工植被恢复样地土壤团聚体粒径分布规律与弃耕地相似,团聚体碳、氮含量提高的幅度不大,但人工林地土壤团聚体碳、氮的改善作用大于人工金银花。2.植被恢复过程中土壤氮素供应状况。(1)植被恢复对土壤净氮矿化速率、氨化速率、硝化速率有重要影响。在植被恢复过程中土壤净氮矿化速率表现为草地弃耕地灌丛地灌乔林地乔木林地；氨化作用表现为,灌乔林地弃耕地草地灌丛地乔木林地；硝化作用,草地灌丛地弃耕地乔木林地灌乔林地。土壤净氮矿化速率表现出明显的季节变化特征,基本上表现为夏季高而冬季低的变化趋势,但在各个季节氮素净矿化速率在样地间均表现为草地弃耕地灌丛地灌乔林地乔木林地。人工林地土壤净氮矿化速率略大于金银花地。(2)一级动力学方程能很好地拟合土壤氮素矿化过程。与弃耕耕地相比,植被恢复能不同程度提高土壤氮素矿化潜势,具体为：弃耕地金银花地人工樟树林地草地灌丛地灌乔林地乔木林地。(3)温度、水分对土壤氮矿化有明显的交互作用,在低含水量(20%、30%)范围内土壤氮矿化速率随温度与湿度的升高而增加。高的含水量对土壤氮素矿化存在明显的抑制作用,在50%的高含水量条件下除乔木林地矿化速率随温度升高而增加之外,其它样地则有随温度升高而降低的趋势。最大矿化速率组合为35℃,30%质量含水量,此时土壤氮素矿化速率表现为,弃耕地草地灌丛地灌乔林地乔木林地,温度敏感系数在不同样地间表现出与此相反的变化趋势。(4)团聚体全氮贮量中,0.25～1 mm、5～10 mm、2～5 mm粒径对土壤净氮矿化量贡献大,其它粒径贡献较小。随植被恢复进程,5 mm粒径团聚体质量百分比逐渐提高,大团聚体氮贮量相应提高,在增强土壤供氮能力的同时,也加强了对有机氮的贮存与保护。(5)土壤有机碳、氮与净氮矿化速率之间极显著正相关,与轻组C/N之间极显著负相关。在植被恢复进程中土壤氮素矿化速率随植被恢复进程而提高,尽管季节,水分、温度等环境因子,以及土壤钙等均对土壤氮矿化有重要影响,但是在大致相同的条件下,土壤净矿化速率均表现出随植被恢复进程而提高的趋势,在植被恢复过程中,土壤有机质的积累是影响氮素供应的最本质因素。3.富钙的地球化学特征对土壤氮素矿化有促进作用。(1)石灰土各形态钙中交换态钙、有机结合态钙以及全量钙与土壤净氮矿化速率之间呈显著正相关,而净硝化速率与土壤钙之间的关系更密切,除与残渣态钙相关性不明显外,与其它形态钙之间均呈显著正相关。富钙的土壤环境对土壤氮矿化有促进作用。(2)添加碳酸钙对土壤氮素矿化有激发作用,由碳酸钙激发作用产生的矿化氮增加量在不同样地之间表现出从弃耕地、草地、灌丛地、灌乔林地到乔木林地依次增加的趋势,而矿化氮增加率在不同样地之间呈现出与此相反的变化趋势。(4)碳酸钙激发作用产生的矿化氮增加率在石灰土、黄壤、紫色土之间存在差异,其中在贫钙的黄壤中激发效应较大,对石灰土的激发效应较小,而对紫色土的激发效应最小。富钙的土壤环境能促进土壤净矿化氮量的增加,但矿化氮增加率有随钙含量提高而降低的趋势,低钙含量土壤对外源钙反应敏感。(5)添加有机物料对土壤矿质氮有较强的固定作用,其中对乔木林地土壤矿质氮的固定作用相对较弱。同时添加碳酸钙与有机物料能一定程度上缓解矿质氮的微生物固持。在培养后期,添加有机物料处理土壤矿质氮含量呈增加趋势,且在整个培养期间,净氮矿化速率都呈上升趋势。4.植被恢复过程凋落叶分解与养分释放与土壤碳、氮关系。(1)各样地凋落叶分解系数k介于0.73-1.33之间,不同样地之间表现为,草地灌丛地乔木林地灌乔林地,人工樟树林地介于乔木林地与灌乔林地之间。随植被恢复年限的延长,凋落叶分解速率呈增大的趋势。各样地凋落叶有机碳、氮释放率分别58.5%～72.9%与21.2%-63.9%,在分解期间有机碳表现为净释放,且有机碳、氮释放率随植被恢复年限的延长呈增加的趋势。凋落叶分解速率、有机碳、氮释放率主要受初始氮含量与C/N控制。(2)凋落叶分解与养分释放对土壤有机碳、氮含量以及土壤净氮矿化速率提高有促进作用,尤其与硝化作用间关系更为密切。凋落叶分解系数与0.25～1mm、0.25 mm粒径团聚体轻组有机碳、氮之间呈显著正相关关系,小粒径团聚体在土壤有机碳、氮积累方面意义重大。5.植被恢复过程中土壤脲酶酶促反应特征及与土壤氮矿化间的耦合关系。(1)植被恢复能影响土壤脲酶酶促反应动力学与热力学参数,增强酶—底物之间亲和力、降低酶促反应进行所需能量、增强底物在酶活性中心排列的有序性,有利于促进酶促反应进行。(2)脲酶活性以及酶促反应动力学与热力学参数与土壤净氮矿化速率,尤其是氨化速率之间呈显著或极显著相关关系,植被恢复能改善土壤酶促反应进行条件,促进土壤氮素矿化,增强土壤供氮能力。综上,植被恢复能促进土壤有机碳、氮积累,在积累过程活中活性有机碳、氮优先向小粒径团聚体输入,小粒径团聚体在有机碳、氮积累中作用重大；随团聚体的逐级团聚,土壤有机碳、氮主要贮存在大粒径团聚中,并对氮素的供应有积极作用。有机质是土壤氮素矿化的物质基础,在植被恢复过程中随有机质的积累,土壤氮素供应能力增强,在矿化过程中环境因子、富钙的土壤特征等对矿化作用均有影响,但在大致相同的条件下,在不同样地中氮素矿化作用均表现为随植被恢复进程而提高,土壤有机质是氮素供应的最本质因素；同时,在植被恢复过程中,伴随着有机碳、氮的积累,土壤酶促反应条件改善,促进了土壤氮素的供应。在生态恢复过程中,植被与土壤之间相互作用,协同发展；土壤有机质积累,养分元素供给充足,推动植被向更好方向发展。
【关键词】：岩溶石漠化 植被恢复 土壤有机碳 土壤有机氮 土壤钙形态
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X171.4;X144
【目录】：

• 摘要7-11
• Abstract11-17
• 第1章 绪论17-33
• 1.1 选题意义和理论依据17-18
• 1.2 研究现状18-30
• 1.2.1 土壤活性有机碳18-21
• 1.2.2 土壤氮组成及氮矿化特征21-25
• 1.2.3 土壤氮矿化影响因素25-28
• 1.2.4 植被恢复对土壤属性的影响28-30
• 1.3 科学问题的提出30
• 1.4 主要研究内容和技术路线30-33
• 1.4.1 主要研究内容30-31
• 1.4.2 预期达到的目标及技术路线31-33
• 第2章 研究区概况与样品采集33-43
• 2.1 研究区概况33-34
• 2.2 样品采集与实验方法34-43
• 2.2.1 样点描述与样品采集34-37
• 2.2.2 实验方法37-43
• 第3章 植被恢复对土壤有机碳、氮的影响43-57
• 3.1 植被恢复对土壤总有机碳、氮的影响43-45
• 3.2 植被恢复对土壤易氧化有机碳、碱解氮的影响45-47
• 3.3 土壤溶解性有机碳、矿质氮及季节动态47-50
• 3.4 讨论50-53
• 3.4.1 植被恢复对土壤有机碳、氮积累的影响50-51
• 3.4.2 溶解性有机碳、氮及季节动态51-53
• 3.5 小结53-57
• 第4章 植被恢复对土壤团聚体有机碳、氮分布特征的影响57-73
• 4.1 植被恢复对土壤团聚体粒径分布的影响57-58
• 4.2 植被恢复对土壤团聚体有机碳库分布特征的影响58-61
• 4.2.1 团聚体总有机碳58-59
• 4.2.2 土壤易氧化有机碳59-60
• 4.2.3 土壤轻组有机碳60-61
• 4.3 植被恢复对土壤团聚体氮库分布特征的影响61-65
• 4.3.1 土壤全氮及碱解氮61-62
• 4.3.2 土壤轻组氮62-63
• 4.3.3 土壤矿质氮63-65
• 4.4 各粒径团聚体碳、氮对土壤碳、氮贡献分析65-67
• 4.5 讨论67-71
• 4.5.1 植被恢复对团聚体粒径分布的影响67-68
• 4.5.2 植被恢复对团聚体碳、氮积累的影响68-71
• 4.5.3 团聚体有机碳、氮库特征71
• 4.6 本章小结71-73
• 第5章 植被恢复对土壤氮素矿化的影响73-83
• 5.1 土壤氮素矿化速率及季节动态73-76
• 5.1.1 植被自然恢复下土壤氮素矿化速率73-75
• 5.1.2 植被自然恢复下土壤氮素矿化速率季节动态75-76
• 5.1.3 人工植被恢复下土壤氮素矿化速率及季节动态76
• 5.2 土壤氮素矿化特征及参数76-78
• 5.2.1 土壤氮素矿化量随时间变化特征77
• 5.2.2 土壤氮素矿化过程的动力学模型77-78
• 5.2.3 土壤氮素矿化特征参数78
• 5.3 讨论78-80
• 5.3.1 土壤净氮矿化速率78-80
• 5.3.2 土壤氮素矿化特征参数80
• 5.4 本章小结80-83
• 第6章 钙素形态与有机碳对土壤氮素矿化速率的影响83-93
• 6.1 植被恢复对土壤钙素形态的影响83-87
• 6.1.1 土壤钙素形态及含量83-87
• 6.1.2 土壤钙素含量与土壤有机碳的关系87
• 6.2 钙形态对土壤氮素矿化速率的影响87-88
• 6.3 有机碳、氮对土壤氮素矿化速率的影响88-89
• 6.3.1 有机碳、氮组分与氮素矿化速率的关系88
• 6.3.2 土壤团聚体氮组分与氮素矿化速率的关系88-89
• 6.4 讨论89-92
• 6.4.1 土壤钙形态及含量89-90
• 6.4.2 土壤钙形态与土壤净氮矿化速率的关系90-91
• 6.4.3 土壤有机碳、氮与净氮矿化速率的关系91-92
• 6.5 小结92-93
• 第7章 碳酸钙及有机物料添加对土壤氮素矿化特征的影响93-109
• 7.1 温度、水分对土壤氮矿化的影响93-99
• 7.1.1 对净氮矿化速率的影响93-95
• 7.1.2 对氨化、硝化速率的影响95-99
• 7.2 碳酸钙与有机物料添加对土壤氮素矿化作用的影响99-104
• 7.2.1 矿质氮含量随时间变化99-103
• 7.2.2 净氮矿化速率随时间变化103-104
• 7.3 讨论104-108
• 7.3.1 温度、水分对矿化速率的影响104-105
• 7.3.2 碳酸钙与有机物料对氮矿化的影响105-108
• 7.4 小结108-109
• 第8章 植被恢复过程中凋落叶分解特征及与土壤有机碳、氮关系109-119
• 8.1 凋落叶分解动态109-111
• 8.1.1 质量损失动态109-110
• 8.1.2 凋落叶分解模型110-111
• 8.2 凋落叶分解过程中有机碳、氮动态111-113
• 8.2.1 凋落叶分解过程中有机碳、氮含量变化111-112
• 8.2.2 凋落叶有机碳、氮释放率动态112-113
• 8.2.3 凋落叶C/N动态113
• 8.3 凋落叶分解与土壤碳、氮的关系113-114
• 8.4 讨论114-117
• 8.4.1 凋落叶质量损失动态114-115
• 8.4.2 凋落叶有机碳、氮释放115-116
• 8.4.3 凋落叶分解对土壤有机碳、氮的影响116-117
• 8.5 小结117-119
• 第9章 植被恢复过程中土壤脲酶酶促反应特征及与氮素矿化的关系119-127
• 9.1 土壤脲酶活性及季节动态119-120
• 9.2 脲酶酶促反应动力学特征120-121
• 9.3 脲酶酶促反应热力学特征121-122
• 9.4 脲酶酶促反应特征与土壤氮素矿化之间关系122-123
• 9.4.1 脲酶活性与氮素矿化间关系122-123
• 9.4.2 酶促反应特征参数与氮素矿化间关系123
• 9.5 讨论123-126
• 9.5.1 植被恢复过程脲酶活性变化123-124
• 9.5.2 植被恢复对酶促反应特征参数的影响124-126
• 9.6 本章小结126-127
• 第10章 结论与展望127-131
• 10.1 本研究主要结论127-129
• 10.1.1 植被恢复能促进土壤有机碳、氮积累127
• 10.1.2 植被恢复过程土壤氮素供应状况127-128
• 10.1.3 富钙的环境对土壤有机氮矿化的影响128-129
• 10.1.4 植被恢复过程凋落叶分解动态及与土壤碳、氮关系129
• 10.1.5 植被恢复过程土壤酶促反应特征及与土壤氮矿化间的耦合关系129
• 10.2 本文创新点129-130
• 10.3 存在的问题130-131
• 10.3.1 主要存在的问题130
• 10.3.2 展望130-131
• 参考文献131-149
• 致谢149-151
• 附录151

【参考文献】

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