退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响.pdf
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1、第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 4 修回日期:2 0 2 2-0 8-2 1 资助项目:国家自然科学基金面上项目“黄土高原退耕还草土壤有机无机碳耦合过程对团聚体稳定性的影响机制”(4 1 8 7 7 0 3 7)第一作者:李映雪(1 9 9 5),女,内蒙古包头人,在读硕士研究生,主要从事草地土壤生态学研究。E-m a i l:l i y i n g x
2、 u e n w a f u.e d u.c n 通信作者:赵巍(1 9 7 9),男,湖北赤壁人,博士,副研究员,博士生导师,主要从事土壤化学与生态研究。E-m a i l:a o e i n w a f u.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 0 7.李映雪,臧真凤,张瑜,等.退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):2 4 1-2 4 9.L IY i n g
3、 x u e,Z A N GZ h e n f e n g,Z HA N GY u,e ta l.C h a n g e s i nS o i lC a r b o nP o o lA c t i v i t ya n dD i s t r i b u t i o no fL a b i l eO r g a n i cC a r b o nC o m p o s i t i o ni nS o i lA g g r e g a t e sF o l l o w i n gC o n v e r s i o no fF a r m l a n d t oG r a s s l a n do n
4、 t h eL o e s sP l a t e a uJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):2 4 1-2 4 9.退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响李映雪1,2,臧真凤1,2,张 瑜1,2,王怡楠1,2,赵 巍1,2,3(1.西北农林科技大学 草业与草原学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;3.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2
5、 1 0 0)摘 要:目的 揭示黄土高原地区退耕还草对土壤团聚体活性有机碳的影响,阐明植被恢复过程中土壤碳库质量和稳定性的调控因素,为评估土壤碳固存潜力和有机碳积累机制提供理论参考。方法 以安塞纸坊沟流域不同退耕年限(7a,1 8a,3 5a和4 5a)土壤为研究对象,选取耕地作对照,分析了01 0c m土层团聚体分布及其稳定性、不同粒级团聚体(52mm,20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mm和0.2 5mm粒级大团聚体中,低活性有机碳主要存在于0.2 5mm粒级微团聚体中。团聚体不同活性有机碳组分的积累主要受土壤总有机碳、可溶性有机碳、全氮和全磷等营养元素含量调控。结论 在黄土高原植
6、被恢复过程中,土壤结构和营养元素的综合效应共同决定活性有机碳在团聚体中的分布。关键词:土壤团聚体;活性有机碳;退耕还草;黄土高原中图分类号:S 1 5 3.6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 2 4 1-0 9C h a n g e s i nS o i lC a r b o nP o o lA c t i v i t ya n dD i s t r i b u t i o no fL a b i l eO r g a n i cC a r b o nC o m p o s i t i o n i nS o i lA g g r e g a
7、 t e sF o l l o w i n gC o n v e r s i o no fF a r m l a n dt oG r a s s l a n do nt h eL o e s sP l a t e a uL IY i n g x u e1,2,Z ANGZ h e n f e n g1,2,Z HANGY u1,2,WANGY i n a n1,2,Z HAO W e i1,2,3(1.C o l l e g eo fG r a s s l a n dA g r i c u l t u r e,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y
8、a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;2.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n go nt h eL o e s sP l a t e a u,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;3.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t
9、e rC o n s e r v a t i o n,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sa n dM i n i s t r yo f W a t e rR e s o u r c e s,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e a i m so f t h i s s t u d ya r e t oe x a m i n e t h e i m p a c t o f c o n v e r s i
10、 o no f f a r m l a n d t og r a s s l a n di nt h er e g i o no ft h eL o e s sP l a t e a uo nl a b i l eo r g a n i cc a r b o n(h i g h,m o d e r a t e,a n dl o wl e v e l)i ns o i la g g r e-g a t e s,c l a r i f yt h er e g u l a t o r yf a c t o r sf o rs o i lc a r b o np o o lq u a l i t ya
11、 n ds t a b i l i t yd u r i n gv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n,a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o re v a l u a t i n gs o i lc a r b o ns e q u e s t r a t i o np o t e n t i a la n do r g a n i cc a r b o na c c u-m u l a t i o nm e c h a n i s m.M e t h o d sS
12、o i l s a m p l e s i n f o u r g r a s s l a n d r e s t o r a t i o ny e a r s(7y e a r s,1 8y e a r s,3 5y e a r sa n d4 5y e a r s)a n do n es a m p l e f r o mf a r m l a n d i nt h e01 0c ms o i l l a y e r i nZ h i f a n g g o uw a t e r s h e d i nt h eh i l l ya n dg u l l yr e g i o no f t
13、 h eL o e s sP l a t e a uw e r e c o l l e c t e d.T h ed i s t r i b u t i o na n ds t a b i l i t yo f a g g r e g a t e s,t h eo r g a n i cc a r b o n(S O C)a n d l a b i l eo r g a n i cc a r b o n(L O C)c o n t e n t s i ns o i l a g g r e g a t e s(52mm,20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mma n d 0.2 5mm),
14、L O C-L i nm i c r o-a g g r e g a t e s(0.2 5mm),而微团聚体(0.2 5mm)的有机碳矿化率较低1 7。然而,黄土高原退耕还草过程中指示土壤碳库稳定性的活性有机碳组分含量如何变化,活性有机碳组分在团聚体中的分布特征及其驱动因子尚不清楚。因此,本研究以黄土高原不同退耕还草年限土壤为研究对象,探究退耕还草过程中土壤团聚体特征及恢复年限和团聚体大小对活性有机碳组分含量及分布的影响,阐明植被恢复过程对土壤碳库质量和稳定性的影响,为评估植被恢复过程中土壤碳库质量和理解有机碳积累机制提供理论参考。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于陕西省延安市安塞区
15、纸坊沟流域内(3 6 7 4 3 6 8 0 N,1 0 9 2 3 1 0 9 2 5 E),海拔11 1 312 4 1m,多年平均气温8.8,年降水量5 4 1.2mm,集中于79月。流域内土壤类型以由黄土母质发育而来的黄绵土为主,结构疏松,抗侵蚀能力差。由于过度开垦植被遭到严重破坏,流域生态系统严重退化。1 9 7 3年开展生态修复综合治理后,该地一些废弃陡坡耕地逐渐演替为天然草地,主要优势物种为铁杆蒿(A r t e m i s i a242 水 土 保 持 研 究 第3 0卷g m e l i n i i)、阿尔泰狗娃花(H e t e r o p a p p u sa l t a
16、 i c u s)、兴安胡枝子(L e s p e d e z ad a u r i c a)、糙隐子草(C l e i s-t o g e n e s s q u a r r o s a)和赖草(L e y m u s s e c a l i n u s)等。1.2 样品采集2 0 2 1年1 0月,在全面踏查的基础上,根据文献查阅与居民走访的结果采集土壤样品。选取流域内不同退耕年限的自然恢复草地(分别退耕还草7a,1 8a,3 5a和4 5a)开展试验,各样地退耕前管理措施相似,主要种植作物是玉米(Z e a m a y s)和谷子(S e t a r i ai t a l i c a),
17、自退耕后未受人为干扰,植被自然定植和生长。同时选取立地条件相似的坡耕地作为对照样地,耕地实行一年两熟玉米谷子轮作种植制度,采样当年种植玉米。所有选定的样地都具有相似的坡向、坡度、海拔和土质,样地具体信息见表1。表1 样地基本概况和土壤特征指标 处理耕地退耕7 a退耕1 8 a退耕3 5 a退耕4 5 a地理坐标3 6 7 4 3 9 N3 6 7 4 4 0 N3 6 7 4 4 0 N3 6 7 5 7 4 N3 6 8 0 0 6 N1 0 9 2 4 1 7 E1 0 9 2 4 2 8 E1 0 9 2 4 2 2 E1 0 9 2 5 1 5 E1 0 9 2 3 8 7 E坡度/(
18、)1 81 02 72 5坡向N b y E 1 0 N b y E 9 N b y E 2 6 N b y E 2 7 海拔/m1 2 3 51 2 3 21 2 4 11 2 1 01 1 1 3p H8.2 70.0 2 a8.3 50.0 4 a8.2 70.0 5 a8.3 10.0 2 a8.1 10.0 7 b总有机碳/(gk g-1)5.3 80.2 0 b4.2 30.0 5 b5.9 40.4 0 b6.7 60.6 8 b1 3.0 51.2 1 a全氮/(gk g-1)0.3 30.0 2 b0.2 10.0 1 b0.2 80.0 3 b0.3 50.0 2 b0.5
19、 70.0 8 a全磷/(gk g-1)0.4 50.0 2 a0.3 40.0 1 b0.2 70.0 1 b0.2 40.0 1 b0.3 20.0 1 b可溶性有机碳/(gk g-1)0.2 70.0 2 b0.2 10.0 1 b0.2 50.0 2 b0.2 30.0 2 b0.4 50.0 2 a注:同行不同字母表示差异显著(p0.0 5)。在这些研究地点随机建立3个重复样地(1m1m),由于纸坊沟流域退耕还草样地大多以山坡为主,因此采样时选的所有退耕还草样地包含了上坡、中坡和下坡。去除地表凋落物后,在每个样地内按“S”型取样法用土钻(直径5c m)随机钻取9个表层(01 0c m
20、)土壤样品,过2mm筛后混合成一份样品,在4储存下立刻运到实验室,一部分自然风干,一部分保存在4,用于土壤理化性质分析。在每个样地按照“五点取样法”采集原状土样装入铝制饭盒运回实验室,剔除小石块和植物残体,沿自然裂缝将土壤掰成直径8mm后过5mm土壤筛,将同一样地内的5个原状土混匀成一个土壤样品,最后风干土样。1.3 测定方法土壤团聚体采用湿筛法1 8进行分级,得到52mm,20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mm和0.2 5)/MT(3)式中:xi为各粒级平均直径(mm);wi为各粒级水稳定性团聚体质量百分比(%);n为水稳定性团聚体总粒级数;Mr0.2 5为大于0.2 5 mm土壤团
21、 聚体质量(g);MT为土壤团聚体总质量(g)。使用p H计测定土壤p H(土水比1 2.5);土壤总有机碳(T o t a lo r g a n i cc a r b o n,T O C)含量、团聚体有机碳(S o i l o r g a n i c c a r b o n,S O C)含量采用重铬酸钾氧化法测定2 0;土壤全氮(T o t a ln i t r o g e n,T N)采用凯式定氮法测定2 0;土壤全磷(T o t a lp h o s p h o r u s,T P)采用硫酸高氯酸钼锑抗比色法测定2 0;采用岛津T O C-L有机碳分 析 仪 测 定 土 壤 可 溶 性
22、有 机 碳(D i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n,D O C)浓 度2 1。不 同 活 性 有 机 碳 组 分 采 用L o g n i n o w1 5提出的高锰酸钾氧化法测定,并进行了一些修改,具体方法如下1 3:称取含1 5 3 0m g碳的土壤样品于5 0 m l离心管,加入不同浓度(3 3.3,1 6 7,3 3 3mm o l/L)的KM n O4溶液2 5m l,密封震荡1h后,放入离心机以40 0 0r/m i n的转速离心5m i n,取上清液用去离子水稀释2 5 0倍,然后将稀释液于分光光度计5 6 5n m波长处比色,根据KM
23、 n O4消耗量得出3种活性有机碳的含量,分别记为C1,C2,C3,单位为g/k g(氧化过程中1mm o l/LKM n O4消耗9m g碳)。C1为高活性有机碳(H i g h-l a b i l eo r g a n i c c a r b o n,L O C-H)含量,C2和C1的差值为 中 活 性 有 机 碳(M o d e r a t e-l a b i l eo r g a n i cc a r b o n,L O C-M)含量,C3和C2的差值为低活性有机碳(L o w-l a b i l eo r g a n i cc a r b o n,L O C-L)含 量。土 壤 碳
24、库 活 度(C a r b o np o o l a c t i v i t y,A)依照以下公式计算:342第5期 李映雪等:退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响A=L O C/(TO C-L O C)(4)式中:L O C为土壤总活性有机碳含量(g/k g),等于C3测定值;TO C为土壤总有机碳含量(g/k g)。1.4 统计分析采用S P S S2 4.0软件进行数据处理,采用单因素方差分析(o n e-w a yA N O V A)和D u n c a n检验比较不同处理下的参数差异(=0.0 5)。采用P e a r s o n相关系数评价不同因子间的相关关系,采
25、用逐步回归分析不同活性有机碳的主要影响因素。使用O r i g i n2 0 2 1绘制柱状图和折线图,R4.1.0绘制主成分分析(P C A)图。2 结果与分析2.1 土壤水稳性团聚体分布及稳定性的变化随着草地恢复,土壤5 2mm团聚体占比不断增加,在退耕4 5a达到最高值(2 5.6 7%),而0.2 50.0 5 3mm团聚体占比整体呈降低趋势(图1)。退耕还草后,团聚体MW D,GM D和W A S值均高于耕地,并随退耕年限增加表现为先增加后略减小的分布特征,在退耕3 5a达到最大值。退耕3 5a的MW D,GM D和WA S较耕地分别增加1 7 7.1 5%,1 1 5.8 0%和8
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