中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤有机碳的响应及其影响因素分析

以中国南方典型喀斯特石漠化生态系统土壤为研究对象, 运用野外定点取样和实验室分析检测方法, 研究喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳分布特征及其影响因素; 运用空间代替时间方法, 探讨石漠化演替过程中土壤有机碳的响应及其机制, 旨在为中国南方喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建提供理论支撑。结果表明: 1)喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳含量较低, 三个研究区平均值分别为23.42、25.78 和26.03 g·kg–1; 2)不同等级石漠化环境土壤有机碳含量存在显著差异, 但土壤有机碳含量并不是随着石漠化程度增加而一直降低, 而是一个先降低后增加的趋势; 3)土壤有机碳与土壤特性有明显的相关性, 与土壤总氮、水解氮、速效钾、总孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田间持水量和上层渗透性存在极显著地正相关, 与总磷、下层渗透性存在显著地正相关, 与容重存在极显著地负相关,而与pH、总钾、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度无明显相关性; 4)土地覆被变化明显影响石漠化生态系统土壤有机碳含量, 而地貌的影响不明显。研究结果不仅对中国南方喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建具有重要的意义, 而且对应对全球变化碳循环的减源增汇同样具有重要的科学价值。     

典型喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳时空分布格局及其与环境的相关性

选取中国西南3个典型喀斯特石漠化生态系统(贵州毕节鸭池高原山地石漠化区、贵阳红枫湖高原盆地石漠化区和关岭花江高原峡谷石漠化区)为研究区,广泛建立野外样地,开展石漠化生态系统土壤有机碳分布及其与石漠化等级、地形地貌、植被、土壤性质等环境因子的相关性研究。结果表明:1)喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳含量较低,毕节鸭池、贵阳红枫湖和关岭花江3个石漠化生态系统平均值分别为23.42、25.78、26.03 g/kg,且3个不同地貌类型石漠化土壤有机碳含量无明显差异。2)土地覆被变化明显影响了土壤有机碳含量,原生森林土壤有机碳平均含量31.32 g/kg,是所有类型中最高的。随着土地覆被由原生森林至石旮旯地退化不断增加的过程,土壤有机碳含量显示先降低后增加的变化趋势。3)土壤有机碳与土壤特性有明显的相关性,与土壤总氮、水解氮、速效钾、总孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田间持水量和上层渗透性存在极显著地正相关,与总磷、下层渗透性存在显著地正相关,与容重存在极显著地负相关。4)植物多样性的丰富度指数(R)和多样性指数(H)与土壤有机碳含量有明显的相关性,达到了极显著的水平。5)不同石漠化等级土壤有机碳含量有显著差异,随着石漠化干扰程度的递增,土壤有机碳含量显示了先减小后增加的趋势。研究结果对中国西南喀斯特森林生态保护、石漠化生态系统恢复重建以及应对全球气候变化碳循环的减源增汇具有重要的理论意义和实践指导价值。     

土地利用变化对土壤有机碳的影响研究进展

土壤有机碳是陆地碳库的重要组成部分,也是当前全球碳循环和全球变化研究的热点。土地利用/覆被变化及土地管理变化通过影响土壤有机碳的储量和分布,进而影响温室气体排放和陆地生态系统的碳通量。研究土地利用变化影响下的土壤有机碳储量及其动态变化规律,有助于加深理解全球气候变化与土地利用变化之间的关系。在阅读国内外有关文献的基础上,分别从土地利用及其管理方式变化的角度,概括了土地利用变化对土壤有机碳的影响过程与机理;针对当前研究的两大类方法,即实验方法和模型方法,分类详细介绍了它们各自的特点以及存在的一些问题。在此基础上,提出今后土地利用变化对土壤有机碳影响研究的发展趋势。     

岩溶区土地利用变化对土壤有机碳与岩溶碳汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响是当今全球碳循环和气候变化研究的热点。土地利用变化对土壤有机碳含量、组分及稳定性产生影响,从而影响土壤CO_2,进而控制岩溶地质过程的碳汇效应。本文综述了岩溶区土地利用变化对土壤有机碳与岩溶地质过程的影响,阐明了岩溶区土地利用变化对土壤有机碳及其组分影响的过程与机理,土地利用变化对岩溶地质过程影响的土壤CO_2浓度调控机制、水循环影响及无机酸干扰等影响机制。提出了土壤固碳的团聚体归宿和分配,团聚体物理保护机制及钙的化学稳定机制是当前岩溶土壤有机碳深化的方向;土壤CO_2、水循环和无机酸在土地利用变化过程中以何种关系共同影响岩溶碳汇强度;水生光合作用利用DIC形成的稳定有机质与DIC、AOC通量的关系及其对土地利用变化的响应机理是岩溶碳循环前沿领域;而石漠化治理对岩溶碳循环的影响及相关固碳增汇技术的研究是需要重视的工作。     

西南喀斯特典型石漠化生态系统土壤养分生态化学计量特征及其影响因素

喀斯特石漠化生态系统土壤养分元素生态化学计量特征及其对环境变异的生态响应是喀斯特退化森林生态系统恢复重建必需明确的关键科学问题。为探明喀斯特石漠化土壤C、N、P、K养分元素生态化学计量特征,探讨其对环境因子的响应,对西南喀斯特3个典型石漠化调查点(贵州毕节鸭池、清镇红枫湖和关岭-贞丰花江) 90个样方土壤及环境因子调查取样,研究了其土壤有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)及全钾(K)的化学计量特征及其影响因素。结果表明:西南喀斯特典型石漠化生态系统土壤C、N、P、K平均含量分别为45.61、2.54、0.79 g/kg和3.33 g/kg,计量比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K平均值分别为19.56、65.07、23.65、3.45、1.32和0.39。4个土壤养分元素中,K元素表现明显高于其他元素的波动性。土壤养分含量及化学计量比在不同调查点、石漠化等级及植被覆盖率环境均有显著差异。无石漠化环境土壤养分C、N、P含量显著大于潜在、轻度、中度和强度石漠化,而强度石漠化环境土壤养分K含量却显著高于其他等级石漠化。土壤养分含量之间及其与化学计量比之间多具有显著的非线性相关关系。降水、温度、岩石裸露率和土地覆被是西南喀斯特石漠化生态系统土壤养分及其化学计量比最主要的影响因素。研究结果对丰富土壤生态化学计量学科学理论和我国西南喀斯特石漠化退化植被科学恢复具有重要意义。     

贵州喀斯特石漠化过程中的土壤有机碳与容重关系

测定了不同石漠化等级的西南喀斯特生态系统的土壤容重和土壤有机碳.结果表明:西南喀斯特生态系统的土壤容重为0.91～1.37 kg cm-3,土壤有机碳含量变化较大,为8.1～58.9 g kg-1.在0～40 cm的土层中,没有发生石漠化的生态系统的有机碳储量达16.91 kg m-2,伴随着石漠化程度的加剧,土壤有机...     

西南喀斯特长期植被修复对土壤有机碳组分的影响

揭示西南喀斯特土壤有机碳分布积累及其组分构成对长期植被修复的响应规律和内在机理,可为喀斯特石漠化科学治理和阐明喀斯特植被修复的土壤碳汇效应提供科学依据。以西南典型喀斯特石漠化植被恢复区实施了28-31年的4种植被修复工程内的7种典型修复措施(人造乔木林:柏木和柚木种植;人造灌木林:花椒和火龙果种植;人造藤林:金银花种植;人工草地:砂仁和皇竹草种植)为研究对象,系统分析了土壤总有机碳、活性有机碳、缓效性有机碳和惰性有机碳分布积累对长期植被修复的响应。结果表明:(1)西南喀斯特长期植被修复显著改变了土壤有机碳及其组分的分布积累。人造乔木和藤本显著提升土壤有机碳及其各组分的分布积累,但人工种草不仅不能提高土壤有机碳的累积,反而在多数情况下降低了土壤总有机碳含量和储量以及土壤有机碳各组分含量。(2)西南喀斯特长期植被修复明显影响着土壤有机碳库组分结构。除人工种草外,植被修复显著提升了土壤有机碳库中缓效性有机碳的占比。人造花椒明显降低了土壤有机碳库中活性有机碳的占比。柏木种植显著增加了土壤有机碳碳库中的惰性有机碳的比例,而火龙果和砂仁种植明显降低了土壤有机碳碳库中的惰性有机碳的比例。(3)土壤总氮、总磷和容重与土壤有机碳及其各组分的分布积累具有极显著正/负相关,是长期植被修复背景下西南喀斯特土壤有机碳及其组分分布积累的主要影响因子。研究结果为西南喀斯特脆弱生态系统科学植被恢复,以及基于植被修复的土壤碳循环调控助力碳中和提供了科学理论依据。     

石漠化地区苔藓结皮对土壤养分及生态化学计量特征的影响

苔藓结皮是石漠化生态系统的重要地表覆被物，但其在土壤养分累积和元素循环过程中的作用尚不明确。以我国贵州典型喀斯特高原峡谷石漠化区-花江大峡谷两岸不同等级石漠化生境下的苔藓结皮及其覆被土壤为研究对象，研究了苔藓结皮覆被对土壤养分及生态化学计量特征的影响。结果表明：（1）苔藓结皮层养分含量显著高于下层土壤，结皮覆被土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）平均含量分别为25.95、3.05、1.00、5.10 g/kg和189.61、1.59、275.10 mg/kg，较无结皮覆被的裸土分别增加46.08%、26.50%、53.62%、20.25%、25.24%、110.47%和83.76%。（2）苔藓结皮覆被土壤C/N、C/K、P/K显著高于裸土，且随土层加深而递减；N/P显著低于裸土，且随土层加深而升高。（3）苔藓结皮覆被土壤养分恢复指数为33.16%-72.48%，呈现随石漠化等级升高而增加的趋势，中度和强度石漠化阶段较无石漠化阶段分别增加83.26%和118.58。本研究表明苔藓结皮能有效促进土壤养分累积，加速石漠化土壤养分恢复进程，可作为补充手段联合其它生态恢复措施共同推动石漠化地区的生态恢复与重建。     

气候变暖对陆地生态系统碳循环的影响

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对全球陆地生态系统碳循环的影响巨大,揭示这一作用对于精确理解碳循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义。该文综述了此领域近十几年来的主要研究工作,总结了陆地生态系统碳循环对气候变暖响应的主要内部机制及其过程,简述了相关模型的发展及其主要应用,并指出以往研究中存在的主要问题以及未来研究的主要方向。在气候变暖条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要体现在以下几个方面:1)低纬度地区生态系统NPP一般表现为降低,而在中高纬度地区通常表现为增加,而在全球尺度上表现为NPP增加;2)土壤呼吸作用增强,但经过一段时间后表现出一定的适应性;3)高纬度地区的生态系统植被碳库表现为增加趋势,低纬度地区生态系统植被碳库变化不大,或略微降低,在全球尺度上表现为植被碳库增加;4)地表凋落物的产量和分解速率增加;5)土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少;6)尽管不同生态系统表现各异,总体上全球陆地生态系统表现为一个弱碳源。生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型陆续被开发出来用于研究工作,并取得了一定的成果,但是研究结果仍然存在很大的不确定性。在未来的数年甚至是数十年间,气候变暖与全球变化的其它表现间的协同影响将是下一步的研究重点,气候变暖和陆地生态系统间的双向反馈作用机制是进行更准确研究的理论基础,生态系统结构和功能对气候变化的适应性是准确理解和预测未来气候情景下陆地生态系统碳循环的前提。     

陆地碳循环研究中的模型方法

陆地碳循环是全球变化研究中的重要内容,碳循环模型已成为研究陆地碳循环的必要方法．其中气候变化、大气ＣＯ２浓度上升以及人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化导致陆地生态系统在结构、功能、组成和分布等方面的变化及其反馈关系对陆地碳循环的影响是模型模拟的关键问题．生物地理模型和生物地球化学模型是碳循环模型的两大类型,建模方法、模型性质、特点和应用范围各异．碳循环模型的发展方向是综合两类模型的特点,建立全球动态碳循环模型．     

喀斯特地区石漠化生态修复对土壤生物多样性的影响

我国西南喀斯特地区是具有土层薄和土被不连续等特征的生态脆弱区，人为过度干扰和土地不当利用导致了生境退化甚至石漠化的发生。从“九五”规划到“十三五”规划，为了有效抑制并逆转石漠化趋势，生态修复措施得到普遍的推广应用。“十四五”规划进一步提出科学推进石漠化综合治理，提高生态系统自我修复能力和稳定性。从土壤微生物、原生动物、线虫、微节肢动物、蚯蚓和线蚓等方面，综述了喀斯特地区生态修复对土壤生物多样性的影响。研究发现：(1)喀斯特生境细菌和真菌的多样性高于非喀斯特生境，原因是喀斯特具有较高的土壤pH和钙含量；(2)与非喀斯特生境相比，喀斯特生境土壤动物类群数相差不大而个体密度较低；(3)石漠化过程伴随着植被退化，降低了土壤微生物种类和功能多样性，土壤动物的个体密度和类群数也呈现降低趋势；(4)生态修复促进植被正向演替，土壤微生物量和酶类活性逐渐上升，真菌/细菌生物量比值增大，土壤动物个体密度和类群数增加，有利于土壤固碳和生态修复。因此，土壤生物多样性是适合指示喀斯特石漠化的生态修复的生物学指标。研究建议：(1)在传统分类鉴定基础上，结合宏基因组学、宏蛋白质组学和同位素标记等技术，完善生态修复的...     

喀斯特石漠化综合治理及其区域恢复效应

国家加大生态保护与建设力度背景下,我国西南喀斯特石漠化面积实现"持续净减少",面临由传统高强度人为干扰向大规模自然恢复与人工造林的转变,石漠化治理也面临转型。现有喀斯特生态研究已阐明了喀斯特脆弱生态系统人为干扰退化机制,初步揭示了生态治理改善生态系统结构与功能的恢复机理,突破了保土集水与植被恢复的适应性石漠化治理技术与模式,评估了石漠化治理显著加速区域植被生长与恢复的固碳效应。但目前石漠化治理面临着治理成效巩固困难、治理技术与模式缺乏区域针对性、大规模低效人工林亟待改造、社会人文驱动机制不清等问题。未来喀斯特生态恢复应聚焦石漠化治理提质增效,从侧重单一生态要素、单一生态过程的研究向多要素综合、多过程综合以及喀斯特地表-地下过程耦合、景观格局与生态过程耦合、生态过程与生态系统服务耦合、自然与人文过程耦合等陆地表层系统集成的方向发展,为我国西南喀斯特地区石漠化治理与扶贫开发成效巩固、乡村振兴与美丽中国战略的实施提供科技支撑。     

中国喀斯特生态保护与修复研究进展

喀斯特生态系统是地球表层系统的重要组成部分。我国西南喀斯特地区以高强度农业活动为主,人地矛盾尖锐、石漠化严重,是我国最大面积的连片贫困区。在国家科技计划项目等的持续支持下,我国围绕喀斯特区生态修复与石漠化治理,系统开展了喀斯特生态保护与修复基础理论、技术研发、产业示范等研究,在喀斯特生态系统退化机理、石漠化治理技术与模式、生态治理助力脱贫攻坚、喀斯特景观资源保护、喀斯特国际合作等方面取得突出进展,引领了国际喀斯特学科发展。面对当前石漠化治理过程中产生的治理成效巩固困难、缺乏可持续性等新问题,未来喀斯特生态保护与修复研究应以增强生态治理的可持续性为导向,加强生态恢复过程机理与机制研究,提升喀斯特生态系统服务、提高生态恢复质量、巩固扶贫成果,实现石漠化治理的提质与增效,为"美丽中国"战略的贯彻实施及全球喀斯特地貌分布区所属国家的生态治理提供"中国方案"。     

喀斯特峰丛洼地石漠化治理与生态服务提升技术研究

针对峰丛洼地区域石漠化面积削减较为迅速、亟需从前期治理侧重遏制面积扩张转向生态服务提升为主的新阶段后面临的治理投入与分区较为粗放、治理技术与模式缺乏针对性、综合效益亟待提升等问题,以生态服务提升为核心目标,系统研究生态工程实施以来区域石漠化演变的关键因子、水土流失/漏失关键过程与调控、植被恢复与人工诱导提升土壤生态功能机理,突破面向生态功能优化的区域生态系统监测评估、表层岩溶水生态调蓄与高效利用、有机物资源利用与退化土壤肥力提升、耐旱型植物群落构建与规模化建植、可持续性生态衍生产业培育等关键技术,形成生态服务提升与民生改善的区域石漠化治理系统性解决方案,为石漠化治理二期工程与扶贫提供科技支撑与示范样板。     

中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应

以中国西南典型喀斯特石漠化生态系统土壤为研究对象,运用野外定点取样和实验室分析检测方法,研究不同等级石漠化环境土壤理化性质特征;运用空间代替时间方法,探讨石漠化演替过程中土壤理化性质的响应及其机制,旨在为中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建提供理论支撑。结果表明:1)不同等级石漠化环境土壤理化性质存在显著差异,土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、田间含水量、毛管含水量、pH值、有机质、水解氮、有效磷和全钾均在不同等级石漠化环境间具有显著差异。但这些指标并不是随着石漠化程度增加而一直退化,而是一个先退化后改善的趋势;2)土壤有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度与土壤其它绝大多数理化因子具有明显的相关性,是土壤理化性质的关键因子,在改善土壤理化性质和促进养分循环方面起着关键作用;3)主成分分析也表明,土壤有机质、氮素、钾素、容重、持水状况、孔隙度等是基于土壤理化性质评价石漠化程度的关键指标。作者提出了强度石漠化环境裸岩对土壤养分的聚集效应学说和喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应及其机制。研究结果对中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建具有重要的理论意义和实践指导价值。     

贵州喀斯特石漠化地区植物多样性与土壤理化性质

以贵州典型喀斯特石漠化生态系统环境为研究对象,运用野外取样调查和实验室检测分析方法,研究不同等级石漠化环境植物多样性和土壤理化性质特征及其相关性;运用空间替代时间方法,探讨石漠化演替过程中植物多样性和土壤理化性质的响应,旨在为贵州乃至整个中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建提供理论支撑。结果表明:1)石漠化环境植物群路组成简单,物种丰富度也很低,且随着石漠化程度增加,植被物种组成呈递减趋势;不同等级石漠化环境植物多样性具有显著差异,均匀度指数变化与石漠化等级演替明显耦合,显示了随石漠化程度增加而减小的变化趋势。2)不同等级石漠化环境土壤理化性质存在显著差异,随着石漠化程度增加,土壤理化性质显示了先退化后改善的响应过程。土壤有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度与植物多样性具有明显的相关性,在改善土壤理化性质和促进植物多样性恢复方面起着关键作用。3)主成分分析表明,土壤有机质、氮素、钾素、持水状况、孔隙度和植物多样性均匀度指数等是基于土壤理化性质和植物多样性评价石漠化程度的关键指标。基于上述结果,进一步阐述了石漠化演替过程中植物多样性和土壤理化性质的变化规律和响应机制。研究结果对我国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建具有一定的理论意义和实践指导价值。     

喀斯特脆弱生态系统复合退化控制与重建模式

以西南喀斯特地区为例,通过总结前人的研究成就和采集中国科学院亚热带农业生态研究所喀斯特生态实验站部分收集整理和试验数据,系统分析了喀斯特脆弱生态系统及其退化的机理,从"人-自然-经济复合生态系统"的观点出发,以干扰程度、群落类型、服务功能、土地退化和贫困状况为指标,创新性地提出了喀斯特脆弱生态系统的复合退化模式(含4个阶段),运用现代生态恢复学原理、方法和现代管理学创新理论,建立了喀斯特脆弱生态系统复合退化的控制模型.以此为基础,在喀斯特石山区、半石山区和土山丘陵区3个区域环境尺度范围内,针对性地建立了生态保护型、外向经济型和双三重螺旋3种生态恢复与重建模式,以促进喀斯特区域生态、经济、社会的全面协调与可持续发展.     

岩溶地区不同石漠化程度下草地细根对土壤养分的贡献

细根分解和周转是土壤有机质和养分的重要来源。为探明不同石漠化程度天然草地细根对土壤养分的贡献,于2017年3月至次年1月,采用土柱法和分解袋法,研究不同石漠化程度下天然草地的细根生物量、分解和养分释放动态及对石漠化的响应。结果表明:3种不同石漠化程度下草地的细根生物量随季节均呈现先增加后降低的趋势,随石漠化程度的加剧均呈现逐渐降低的趋势,潜在、中度和强度石漠化草地的细根生物量分别为3355.65、2944.02 g/m~2和1806.80 g/m~2。细根分解速率呈现先快后慢的趋势,分解300天后的残留率均低于50%。细根有机碳、全氮、全磷和全钾的释放过程具有显著不同,释放模式最终均表现为"释放",潜在、中度和强度石漠化草地细根的有机碳、全氮、全磷、全钾的年归还量分别为32.46—161.08、0.24—3.88、0.08—0.32、0.15—2.78 g/m~2。随石漠化程度的加剧,细根生物量和分解率呈现逐渐降低趋势,土壤有机碳、全氮归还量呈现逐渐增加趋势。     

西南岩溶地区石漠化综合治理研究

我国西南岩溶地区石漠化是人地矛盾作用下生态系统退化的过程或结果,石漠化不仅带来水土流失加剧、旱涝灾害频发、生物多样性降低等生态问题,还会带来贫困落后等一系列社会问题。20世纪80年代开始进行的石漠化治理工作已经成为我国西南岩溶地区生态文明建设的重要举措与必由之路,通过近40年来的石漠化治理使得我国西南岩溶地区石漠化问题恶化的趋势开始得到扭转。面向生态文明新时期的建设目标,石漠化脆弱区仍存在人地矛盾难以全面消除、治理成果可持续性亟待提升等问题,石漠化防治需要从多年来石漠化治理研究与实践探索积累中汲取有益于促进人地和谐、提升生态系统可持续性的治理经验与做法。因此,本文以石漠化治理典型区域调研资料与文献资料为数据基础,从石漠化治理目标、技术、措施和模式四个层面梳理石漠化治理经验与做法,归纳总结出石漠化综合治理四点配置原则:(1)以治理目标与预期周期为导向,确立石漠化治理采取的措施;(2)针对解决的关键生态退化问题,结合区域特征遴选石漠化治理技术;(3)针对石漠化退化阶段的差异,确定石漠化治理途径措施;(4)结合石漠化综合治理模式的共性特征,以小流域为基本单元,因地制宜的选择与构建石漠化综合治理模式。以期通过对实践经验的总结为石漠化治理过程中选择具备区位适宜性和机理明晰性的生态技术提供参考。