水土流失治理措施对小流域土壤有机碳和全氮的影响

明确综合治理条件下小流域土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)和全氮(Total nitrogen,TN)的空间分布特征及其影响因素,对科学评价水土流失区土壤固碳潜力具有重要意义。以黄土高原丘陵沟壑区典型小流域(砖窑沟流域)为对象,基于流域内3种典型地貌类型(梁峁坡、沟坡、沟谷)和3种典型水土流失治理措施(水平梯田、林地和草地措施,坡耕地为对照),采集土壤样品737个,研究地貌类型和水土流失治理措施对小流域SOC和TN变化的影响。结果表明,同一地貌类型上,水平梯田、林地和草地措施的SOC和TN(0—10 cm土层)含量均显著高于坡耕地(P<0.1)。梁峁坡上,水平梯田、林地和草地措施条件下的SOC和TN含量较坡耕地依次提高了18%和24%、70%和59%、25%和21%;沟坡上,林地和草地措施的SOC和TN较坡耕地依次提高了76%和54%、25%和27%。同一治理措施在不同地貌类型间对0—10 cm土层SOC和TN的影响存在显著差异(P<0.1)。水平梯田条件下,沟谷的SOC和TN含量比峁坡提高了46%和43%;林地措施条件下,沟坡的SOC和TN含量比峁坡提高了18%和6%;草地措施条件下,沟坡的SOC和TN含量比峁坡提高了14%和18%。0—100 cm土层的SOC或TN在不同地貌类型或不同治理措施间的差异与土壤水分含量(Soil moisture,SM)的变化趋势基本一致,并且SOC或TN与SM呈指数关系y=aebx(y为SOC或TN,x为SM)。     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤有机碳空间分布及其影响因素

研究局域尺度土壤有机碳空间分布特征,对准确估算大尺度土壤碳库储量和变化具有重要意义。以黄土丘陵沟壑区典型小流域为对象,采集0-10、10-20、20-40、40-60、60-80、80-100cm土层中(898个土壤样品),采用多元线性逐步回归和地理信息系统(GIS)相结合方法,分析了地形(峁顶、峁坡、沟底)、土地利用(农田、果园、川坝地、草地、灌木林、乔木林)等作用下,小流域不同深度土壤有机碳含量的空间分布特征。结果表明:地形因素不仅对表层(0-10cm)土壤有机碳含量空间分布差异影响显著,而且对深层(40-100cm)影响也显著,且空间格局图上40-100cm可以清晰地看地沟底与峁顶和峁坡显著差异。在0-10cm土层,峁顶以中值斑块(50%)和低值斑块(48%)为主;峁坡以中值斑块(62%)为主,其次是低值斑块(22%);沟底中值斑块占70%,其次为低值斑块(23%)。40-100cm均为低值斑块,沟底低值绿色斑块占34%,远高于峁坡(8%)和峁顶(13%)。土地利用对表层(0-40cm)有机碳含量影响显著,对40-100cm土层无影响。在0-10cm土层,乔木林、灌木林、草地上高值斑块分别占18%、47%、10%,川坝地、农田和果园没有高值斑块,中值斑块分别占80%、53%、85%、73%、39%、23%。10-40cm土层,乔木林、灌木林、草地、川坝地、农田和果园中值斑块分别占21%、46%、22%、19%、5%、4%。但在40-100cm土层,各土地利用下有机碳均处于低值斑块区。坡向上0-100cm各层土壤有机碳含量半阴坡(北部、东北、东部)最高,半阳坡(西部、西南、南部)含量较低。     

土地利用驱动的土壤性状变化影响微生物群落结构和功能

微生物在调节陆地生态系统地球化学循环过程中具有重要作用。土地利用方式改变显著影响土壤微生物群落结构和功能,但对土地利用驱动的土壤性状变化与微生物群落结构和功能关系的研究相对匮乏。依托长期定位监测试验（始于1984年）,通过16S rRNA基因片段和ITS高通量测序,研究了土地利用方式（裸地、农田、草地）驱动的土壤碳氮变化对微生物群落结构和功能的影响。结果表明：对于细菌群落而言,裸地中α-多样性最高、其次是草地、农田中最低,农田和草地中细菌优势菌群变形菌（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）相对丰度较裸地低4.5%、3.9%和5.5%、3.8%;对于真菌群落而言,裸地子囊菌门（Ascomycota）相对丰度最高、农田次之、草地最低;化能异养型、好氧化能异养型细菌相对丰度裸地显著高于农田和草地（P<0.05）,而硝化型和好氧氨氧化型细菌裸地显著低于农田和草地（P<0.05）;腐生型真菌相对丰度大小排序为：裸地>农田>草地。细菌群落变化主要与土壤容重、全氮、矿质氮、C ： N比和微生物量碳有关,而真菌群落与土壤矿质氮有关。细菌和真菌功能菌群主要受土壤容重、土壤有机碳、土壤全氮、C ： N比和微生物量碳影响。因此,土壤容重、土壤全氮、土壤有机碳、C ： N比、微生物量碳、矿质氮差异可能是影响不同土地利用方式中微生物群落和功能变化的主要因素。     

长期施肥对NO3--N深层积累和土壤剖面中水分分布的影响

研究了旱地农业系统中,长期不同施肥条件下,降水对NO₃^--N积累、剖面水分分布以及N素吸收量、回收率影响及其相互之间的关系.结果表明,降水和氮肥施用量显著影响作物产量.施用氮肥在土壤剖面中造成NO₃^--N深层积累,其中NPM处理累积层位于60～120cm,累积量相当于3.0年的年度施肥量(120kg·hm^-2),NP处理累积层位于80～140cm,相当于1.4年施肥量.随着降水的年际间波动,无论在丰水年、平水年还是干旱年,NPM处理耗水量>NP处理>M处理>P,CK处理.13年不同施肥造成了土壤剖面水分差异.冬小麦播种前不同施肥处理0～100cm水分剖面分布差别不大.NPM处理、NP处理(除丰水年外),土壤100～300cm含水量迅速降低,干旱年M处理缓慢降低,P和CK处理在任何年份变化都不大.氮肥回收率随着降水的波动也呈现相应的高低变化,NPM、NP处理的高低波动幅度最大.NPM、NP处理NO₃^--N累积与N素回收率的降低、土壤水分亏缺基本吻合.由此也反映了水分作物施肥三者之间存在的内在制约关系.     

半干旱区农田土壤无机氮积累与迁移机理

研究黄土旱塬区长期定位试验中 1 0个典型处理土壤剖面 (0～ 30 0 cm)水分和无机氮的季节变化 ,探讨在半干旱区农田无机氮的积累与迁移机理。结果表明休闲处理除表层外土壤剖面的水分、硝态氮和铵态氮的含量分别稳定在 1 7%～ 2 0 %、4～ 7mg N/kg和 6～ 1 0 mg N/kg土的范围。种植作物显著地改变土壤剖面水分和硝态氮的分布状况 ,并使其含量发生大幅度的季节变化。作物利用限制了农田土壤硝态氮向深层的迁移。小麦连作无化肥氮处理及苜蓿连作不施肥或氮、磷加有机肥处理土壤硝态氮主要集中在 0～ 40 cm土层。小麦连作单施氮肥 (1 2 0 kg N/(hm2· a) )处理经 1 7年后土壤剖面硝态氮积累总量达到施氮总量的55% ,40～ 60 cm和 1 4 0～ 2 2 0 cm土层出现两个高峰 ,并表现出随季节性变化向土壤深层迁移的趋势。氮肥与磷肥或有机肥施用大幅度减少了土壤剖面硝态氮积累 ,并使其限制在 1 60 cm以上的土层内 ,2 0 0 cm以下土层的硝态氮含量极低 (<1 mg N/kg土 ) ,因而不具向深层迁移的条件。土壤剖面的铵态氮含量不受作物、施肥和季节性气候变化的影响     

天然次生林与人工林对黄土丘陵沟壑区深层土壤有机碳氮的影响

研究深层土壤有机碳、氮(Soilorganic C,SOC,Totalsoil N,TSN)量对摸清陆地生态系统深层碳氮固定潜力,寻找碳汇丢失之谜和应对全球气候变暖具有重要意义。以黄土区子午岭林场3种典型人工林(油松、刺槐、小叶杨)和3种天然次生林(辽东栎、白桦、鼠李)为对象,在设立的18个样方内,分层测定了0-100cm土层SOC、TSN和DOC(Dissolved organic C,DOC)量变化,监测了样方内地表长年凋落物积累量及其碳氮组成。1m土层内SOC、TSN和DOC含量天然次生林显著高于人工林。与人工林相比,天然次生林表层(0-20cm)SOC、TSN储量分别高42%、22%,但20-100cm土层SOC、TSN储量相对量最大。人工林下,20-100cm土层SOC储量为33.6thm-2,占1m土层的55%;TSN储量为3.9thm-2,占1m土层的57%;天然次生林下,20-100cm土层SOC、TSN储量分别为55.3thm-2、6.0thm-2,占1m土层储量分别为59%和63%。其中,40-60cm天然次生林比人工林碳氮储量分别高了82%、65%;其次为20-40cm,天然次生林比人工林碳氮储量分别高了73%、65%。不同植被恢复条件下,SOC与DOC、TSN、Olsen-P都表现出较强的相关性。研究表明,植被恢复有利于土壤碳氮的积累,不仅表层土壤,深层土壤也具有较强的碳氮固定能力;天然次生林土壤碳氮固定能力和长年地表凋落物量都高于人工林。     

黄土旱塬区冬小麦不同施肥处理的土壤呼吸及土壤碳动态

依据黄土旱塬区黑垆土上中国科学院长武站长期定位试验 (始于1984年),于2008年3月到6月,测定了冬小麦连作系统中返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期和收获期土壤呼吸日变化、生育期变化以及土壤可溶性有机碳(Dissolved organic C, DOC)和微生物量碳(Soil microbial biomass C, MBC),研究了施肥措施对土壤呼吸、DOC和MBC的影响以及土壤呼吸与碳组分之间的关系.研究涉及6个处理:休闲地(F)、不施肥(CK)、有机肥(M)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)和氮磷有机肥(NPM).结果表明,冬小麦连作系统中土壤呼吸的日变化格局呈单峰曲线,最高值出现在12:00左右(拔节期)和14:30左右(成熟期),最小值出现在0:00～3:00之间或6:00左右;冬小麦土壤呼吸速率拔节期最高,其次是灌浆后期,抽穗期最低;不同施肥条件下,各生育期土壤呼吸速率大小顺序:NPM＞M＞NP＞N＞CK＞F.土壤水分亏缺是导致抽穗期和灌浆期土壤呼吸速率降低的重要原因.各施肥处理DOC含量高低顺序为灌浆期＞抽穗期＞成熟期＞返青期＞拔节期;除M,NPM处理MBC含量拔节期＞灌浆期外,各施肥处理MBC含量高低顺序为成熟期＞抽穗期＞灌浆期＞拔节期＞返青期.同一处理不同生育期土壤呼吸速率与DOC,MBC的相关性较低,但同生育期不同施肥处理土壤呼吸与土壤有机碳组分间存在显著的相关性.以F处理土壤呼吸为基础,估算CK、N和NP处理生育期根系对土壤呼吸的平均贡献率依次为36%、45%和54%.     

黄土高原刺槐人工林地表凋落物对土壤呼吸的贡献

于黄土高原沟壑区王东沟小流域26年刺槐人工林(Robinia pseudoacacia)中,设置对照(CK)、去除凋落物(no litter, NL)和倍增凋落物(double litter, DL)3个处理,利用Li-8100系统测定各处理的土壤呼吸速率。结果表明,添加或去除凋落物显著影响土壤呼吸(P = 0.091-0.099),与对照(CK)的土壤呼吸速率(3.23 μmol m^-2 s^-1)相比,添加凋落物(DL)使土壤呼吸速率增加26%,去除凋落物(NL)使土壤呼吸速率减少22%。NL、CK和DL的累积土壤呼吸分别为631、787和973 g C m^-2a^-1。各处理土壤呼吸速率与土壤温度呈显著的指数关系(R²=0.81-0.90,P < 0.0001),但与土壤水分的关系不明显。NL、CK和DL的Q₁₀依次为1.92、2.29和2.31。地表凋落物对土壤呼吸年平均贡献量为20%。相关性分析表明,各测定日地表凋落物贡献与土壤温度(r=0.54,P < 0.05)或土壤水分关系显著(r=0.68, P < 0.05)。刺槐人工林地表凋落物的输入量为213 g C m^-2a^-1,大于凋落物引起的呼吸量156 g C m^-2a^-1。在黄土区通过植被恢复治理水土流失过程中,随着地表凋落物的积累,林地生态系统的碳汇功能将逐步得到加强。     

长期施肥条件下黄土旱塬土壤NO3--N的淋溶分布规律

在黄土旱塬区,长期施肥对土壤剖面NO₃^--N含量和分布有显著影响.施用化学氮肥,土壤剖面中出现NO₃^--N的淋溶与深层累积,而施用磷肥和有机肥有减弱NO₃^--N向更深层淋溶的作用.单施氮肥处理(N),NO₃^--N的累积峰深度最大,为120～200cm;N、P有机肥配施处理(NPM),NO₃^--N的累积峰值最高,但峰深度降低至60～120cm;N、P配施(NP)累积深度为80～140cm.不施氮肥,分布在土壤剖面中NO₃^--N含量显著降低.氮肥用量愈大,NO₃^--N的累积量愈大.N、P配施可以有效降低NO₃^--N累积.在同一氮肥用量下,NO₃^--N累积量随磷肥用量的增加而减少.