巖溶石漠化區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳、氮積累與氮素礦化特征影響研究.pdf

1、特殊的地質(zhì)條件和自然地理背景造就了西南巖溶區(qū)相對(duì)脆弱的生態(tài)環(huán)境，不合理的人類活動(dòng)導(dǎo)致植被破壞、土壤侵蝕、土地退化，形成大面積的石漠化景觀。石漠化最突出的本質(zhì)是土壤和養(yǎng)分的流失，石漠化發(fā)展造成地表嚴(yán)重缺土，僅有的土壤資源顯得尤為珍貴。因此，稀缺的土壤資源是植被恢復(fù)的重要限制性因素;其中，土壤質(zhì)量是植被恢復(fù)重建的關(guān)鍵，而有機(jī)碳（質(zhì)）、氮是土壤質(zhì)量的核心，在土壤肥力系統(tǒng)中起基礎(chǔ)性作用。因此，研究植被恢復(fù)過(guò)程中土壤有機(jī)碳、氮的積累與氮素礦化特征

2、，對(duì)石漠化區(qū)的植被恢復(fù)重建和土壤養(yǎng)分的調(diào)控與管理有重要意義。
　　本文以南川石慶村（重慶巖溶山地退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建示范基地）、北碚中梁山為研究區(qū)，在野外調(diào)查和資料查閱的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)內(nèi)選取代表性的樣地、采集土壤樣品，采用野外試驗(yàn)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、氮分布規(guī)律及土壤碳、氮積累過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié);土壤氮素供應(yīng)狀況及其決定性因素;富鈣的地球化學(xué)特征對(duì)土壤氮礦化的影響等。結(jié)果表明:
　

3、　1.植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤有機(jī)碳、氮積累明顯。
　　(1)土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量隨植被恢復(fù)進(jìn)程而提高，隨土壤剖面深度而降低。土壤溶解性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為棄耕地≈灌叢地＜灌喬林地＜喬木林地≈草地，草地含量顯著高于其它樣地。在剖面上隨深度而降低，同時(shí)也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征，夏季、春季＞冬季、秋季。土壤礦質(zhì)氮含量表現(xiàn)為草地＜棄耕地＜灌叢地＜灌喬林地＜喬木林地。在剖面上隨深度而降低，同時(shí)也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，冬、春

4、季＞夏、秋季。在礦質(zhì)氮組成中，草地、灌叢地、喬木林地土壤以銨態(tài)氮為主，而棄耕地、灌喬林地以硝態(tài)氮為主。人工植被恢復(fù)樣地中，人工林地對(duì)土壤碳氮的改善作用強(qiáng)于金銀花地。
　　(2)土壤團(tuán)聚體總有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳，全氮、輕組氮、堿解氮、礦質(zhì)氮含量基本上隨團(tuán)聚體粒徑減小而升高，＜0.25 mm粒徑含量最高。與棄耕地相比，植被自然恢復(fù)樣地，各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮含量均有不同程度的提高，總體上表現(xiàn)為棄耕地＜草地＜灌叢林地＜灌喬林

5、地＜喬木林地。
　　(3)植被恢復(fù)對(duì)＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體碳氮含量影響最大，能顯著提高該粒徑團(tuán)聚體碳氮含量，其中活性有機(jī)碳、氮的增長(zhǎng)幅度大于總有機(jī)碳、氮。且團(tuán)聚體C/N有隨粒徑減小而增大的趨勢(shì)，＜0.25 mm活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例最大。同時(shí)，凋落葉分解系數(shù)與＜0.25 mm、0.25～1 mm粒徑輕組碳、氮含量之間顯著正正相關(guān)，凋落葉分解過(guò)程中輕組有機(jī)碳、氮優(yōu)先向小粒徑團(tuán)聚體輸入。因此，在植被恢復(fù)過(guò)程中，活性有機(jī)碳、氮優(yōu)

6、先向小粒徑團(tuán)聚體積累，小粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳積累作用重大。
　　(4)在植被恢復(fù)初期，團(tuán)聚體碳氮在粒徑間的變異系數(shù)較大，小粒徑團(tuán)聚體碳氮積累較快;在植被恢復(fù)中后期，團(tuán)聚體碳氮在粒徑間的變異系數(shù)變小，小粒徑團(tuán)聚體碳氮含量提高的同時(shí)，其它粒徑團(tuán)聚體碳氮含量也有較大提高，有機(jī)碳氮在團(tuán)聚體粒徑間分布相對(duì)均勻。
　　(5)各樣地土壤團(tuán)聚體以5～10mm與2～5 mm粒徑占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與棄耕地相比，植被自然恢復(fù)能明顯提高5～10 mm粒

7、徑團(tuán)聚體數(shù)量。各粒徑團(tuán)聚體碳、氮對(duì)土壤碳、氮的貢獻(xiàn)受團(tuán)聚體粒徑質(zhì)量百分含量控制，其中5～10 mm、2～5 mm粒徑團(tuán)聚體貢獻(xiàn)大，土壤碳、氮主要貯存于大團(tuán)聚體中，大粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤碳、氮的貯存有重要意義。人工植被恢復(fù)樣地土壤團(tuán)聚體粒徑分布規(guī)律與棄耕地相似，團(tuán)聚體碳、氮含量提高的幅度不大，但人工林地土壤團(tuán)聚體碳、氮的改善作用大于人工金銀花。
　　2.植被恢復(fù)過(guò)程中土壤氮素供應(yīng)狀況。
　　(1)植被恢復(fù)對(duì)土壤凈氮礦化速率、氨化速

8、率、硝化速率有重要影響。在植被恢復(fù)過(guò)程中土壤凈氮礦化速率表現(xiàn)為草地＜棄耕地＜灌叢地＜灌喬林地＜喬木林地;氨化作用表現(xiàn)為，灌喬林地＜棄耕地＜草地＜灌叢地＜喬木林地;硝化作用，草地＜灌叢地＜棄耕地＜喬木林地＜灌喬林地。土壤凈氮礦化速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，基本上表現(xiàn)為夏季高而冬季低的變化趨勢(shì)，但在各個(gè)季節(jié)氮素凈礦化速率在樣地間均表現(xiàn)為草地＜棄耕地＜灌叢地＜灌喬林地＜喬木林地。人工林地土壤凈氮礦化速率略大于金銀花地。
　　(2)一級(jí)

9、動(dòng)力學(xué)方程能很好地?cái)M合±壤氮素礦化過(guò)程。與棄耕耕地相比，植被恢復(fù)能不同程度提高土壤氮素礦化潛勢(shì)，具體為:棄耕地＜金銀花地＜人工樟樹林地＜草地＜灌叢地＜灌喬林地＜喬木林地。
　　(3)溫度、水分對(duì)土壤氮礦化有明顯的交互作用，在低含水量(20％、30％)范圍內(nèi)土壤氮礦化速率隨溫度與濕度的升高而增加。高的含水量對(duì)土壤氮素礦化存在明顯的抑制作用，在50％的高含水量條件下除喬木林地礦化速率隨溫度升高而增加之外，其它樣地則有隨溫度升高而降低的

10、趨勢(shì)。最大礦化速率組合為35℃，30％質(zhì)量含水量，此時(shí)土壤氮素礦化速率表現(xiàn)為，棄耕地＜草地＜灌叢地＜灌喬林地＜喬木林地，溫度敏感系數(shù)在不同樣地間表現(xiàn)出與此相反的變化趨勢(shì)。
　　(4)團(tuán)聚體全氮貯量中，0.25～1 mm、5～10 mm、2～5 mm粒徑對(duì)土壤凈氮礦化量貢獻(xiàn)大，其它粒徑貢獻(xiàn)較小。隨植被恢復(fù)進(jìn)程，＞5 mm粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分比逐漸提高，大團(tuán)聚體氮貯量相應(yīng)提高，在增強(qiáng)土壤供氮能力的同時(shí)，也加強(qiáng)了對(duì)有機(jī)氮的貯存與保護(hù)。

11、r>　　(5)土壤有機(jī)碳、氮與凈氮礦化速率之間極顯著正相關(guān)，與輕組C/N之間極顯著負(fù)相關(guān)。在植被恢復(fù)進(jìn)程中土壤氮素礦化速率隨植被恢復(fù)進(jìn)程而提高，盡管季節(jié)，水分、溫度等環(huán)境因子，以及土壤鈣等均對(duì)土壤氮礦化有重要影響，但是在大致相同的條件下，土壤凈礦化速率均表現(xiàn)出隨植被恢復(fù)進(jìn)程而提高的趨勢(shì)，在植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)的積累是影響氮素供應(yīng)的最本質(zhì)因素。
　　3.富鈣的地球化學(xué)特征對(duì)土壤氮素礦化有促進(jìn)作用。
　　(1)石灰土各形態(tài)

12、鈣中交換態(tài)鈣、有機(jī)結(jié)合態(tài)鈣以及全量鈣與土壤凈氮礦化速率之間呈顯著正相關(guān)，而凈硝化速率與土壤鈣之間的關(guān)系更密切，除與殘?jiān)鼞B(tài)鈣相關(guān)性不明顯外，與其它形態(tài)鈣之間均呈顯著正相關(guān)。富鈣的土壤環(huán)境對(duì)土壤氮礦化有促進(jìn)作用。
　　(2)添加碳酸鈣對(duì)土壤氮素礦化有激發(fā)作用，由碳酸鈣激發(fā)作用產(chǎn)生的礦化氮增加量在不同樣地之間表現(xiàn)出從棄耕地、草地、灌叢地、灌喬林地到喬木林地依次增加的趨勢(shì)，而礦化氮增加率在不同樣地之間呈現(xiàn)出與此相反的變化趨勢(shì)。
　　

13、(4)碳酸鈣激發(fā)作用產(chǎn)生的礦化氮增加率在石灰土、黃壤、紫色土之間存在差異，其中在貧鈣的黃壤中激發(fā)效應(yīng)較大，對(duì)石灰土的激發(fā)效應(yīng)較小，而對(duì)紫色土的激發(fā)效應(yīng)最小。富鈣的土壤環(huán)境能促進(jìn)土壤凈礦化氮量的增加，但礦化氮增加率有隨鈣含量提高而降低的趨勢(shì)，低鈣含量土壤對(duì)外源鈣反應(yīng)敏感。
　　(5)添加有機(jī)物料對(duì)土壤礦質(zhì)氮有較強(qiáng)的固定作用，其中對(duì)喬木林地土壤礦質(zhì)氮的固定作用相對(duì)較弱。同時(shí)添加碳酸鈣與有機(jī)物料能一定程度上緩解礦質(zhì)氮的微生物固持。在培養(yǎng)

14、后期，添加有機(jī)物料處理土壤礦質(zhì)氮含量呈增加趨勢(shì)，且在整個(gè)培養(yǎng)期間，凈氮礦化速率都呈上升趨勢(shì)。
　　4.植被恢復(fù)過(guò)程凋落葉分解與養(yǎng)分釋放與土壤碳、氮關(guān)系。
　　(1)各樣地凋落葉分解系數(shù)k介于0.73～1.33之間，不同樣地之間表現(xiàn)為，草地＜灌叢地＜喬木林地＜灌喬林地，人工樟樹林地介于喬木林地與灌喬林地之間。隨植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，凋落葉分解速率呈增大的趨勢(shì)。各樣地凋落葉有機(jī)碳、氮釋放率分別58.5％～72.9％與21.2％～6

15、3.9％，在分解期間有機(jī)碳表現(xiàn)為凈釋放，且有機(jī)碳、氮釋放率隨植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)呈增加的趨勢(shì)。凋落葉分解速率、有機(jī)碳、氮釋放率主要受初始氮含量與C/N控制。
　　(2)凋落葉分解與養(yǎng)分釋放對(duì)土壤有機(jī)碳、氮含量以及土壤凈氮礦化速率提高有促進(jìn)作用，尤其與硝化作用間關(guān)系更為密切。凋落葉分解系數(shù)與0.25～1 mm、＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳、氮之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，小粒徑團(tuán)聚體在土壤有機(jī)碳、氮積累方面意義重大。
　　5.植

16、被恢復(fù)過(guò)程中土壤脲酶酶促反應(yīng)特征及與土壤氮礦化間的耦合關(guān)系。
　　(1)植被恢復(fù)能影響土壤脲酶酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)，增強(qiáng)酶—底物之間親和力、降低酶促反應(yīng)進(jìn)行所需能量、增強(qiáng)底物在酶活性中心排列的有序性，有利于促進(jìn)酶促反應(yīng)進(jìn)行。
　　(2)脲酶活性以及酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)與土壤凈氮礦化速率，尤其是氨化速率之間呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，植被恢復(fù)能改善土壤酶促反應(yīng)進(jìn)行條件，促進(jìn)土壤氮素礦化，增強(qiáng)土壤供氮能力。
　　綜

17、上，植被恢復(fù)能促進(jìn)土壤有機(jī)碳、氮積累，在積累過(guò)程活中活性有機(jī)碳、氮優(yōu)先向小粒徑團(tuán)聚體輸入，小粒徑團(tuán)聚體在有機(jī)碳、氮積累中作用重大;隨團(tuán)聚體的逐級(jí)團(tuán)聚，土壤有機(jī)碳、氮主要貯存在大粒徑團(tuán)聚中，并對(duì)氮素的供應(yīng)有積極作用。有機(jī)質(zhì)是土壤氮素礦化的物質(zhì)基礎(chǔ)，在植被恢復(fù)過(guò)程中隨有機(jī)質(zhì)的積累，土壤氮素供應(yīng)能力增強(qiáng)，在礦化過(guò)程中環(huán)境因子、富鈣的土壤特征等對(duì)礦化作用均有影響，但在大致相同的條件下，在不同樣地中氮素礦化作用均表現(xiàn)為隨植被恢復(fù)進(jìn)程而提高，土壤有