土壤非保护性有机碳对荒漠草原沙漠化的响应

沙化草地的恢复与重建是干旱半干旱区生态建设的重要内容,分析荒漠草原沙漠化过程中土壤非保护性有机碳分配比例的变异规律对于探讨沙化草地恢复机制具有重要的理论价值。以干旱、半干旱地区荒漠草原不同沙化阶段的土壤为研究对象,分析土壤粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳、轻组有机碳含量和分配比例的分布特征、土壤非保护性有机碳转化为保护性有机碳的速率。结果表明:荒漠草原发生逆向演替后,土壤细颗粒有碳含量和分配比例表现为固定沙地荒漠草地半固定沙地流动沙地;粗颗粒有机碳含量表现为荒漠草地半固定沙地流动沙地固定沙地,粗颗粒有机碳分配比例表现为流动沙地半固定沙地荒漠草地固定沙地;轻组有机碳含量和分配比例递减。颗粒有机碳、轻组有机碳、土壤有机碳对草地沙漠化的敏感性不同,颗粒有机碳较轻组有机碳和土壤有机碳敏感性强,其中细颗粒有机碳较粗颗粒有机碳敏感性强。随着草地沙漠化程度的增强土壤非保护性有机碳分配比例呈下降趋势,表明草地沙漠化降低土壤质量。荒漠草地退化至流动沙地土壤非保护性有机碳转化为保护性有机碳的速率整体呈上升趋势。     

宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤粒径分形特征

研究宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤性状、土壤粒径分形维数的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系.结果表明: 草地沙漠化对土壤分形维数(D)影响显著,D值为1.69～2.62.除在10～20 cm土层出现较小波动外,随着沙漠化程度加剧,0～30 cm土层D值整体呈减小趋势.在荒漠草原沙漠化过程中,荒漠草地D值最大,黏粒和粉粒体积百分含量最高,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最低;流动沙地D值最小,黏粒和粉粒体积百分含量最小,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最高.D与<50 μm和>50 μm粒径的土壤颗粒存在显著正相关和负相关,表明50 μm粒径是决定草地沙漠化过程中土壤分形维数与土壤粒径关系的临界粒径.随着荒漠草原沙漠化加剧,土壤有机质和全氮含量逐渐降低,土壤容重逐渐升高,固定沙地至半固定沙地是荒漠草原沙漠化的质变过程,其中土壤粘粒体积百分含量、粉粒体积百分含量、土壤有机质含量、土壤全氮含量骤减,极细砂粒体积百分含量、细砂粒体积百分含量和土壤容重骤增.分形维数与土壤有机质、土壤全氮和土壤容重显著相关,固定沙地与半固定沙地分形维数的临界值为2.58,因此分形维数2.58可作为荒漠草原沙漠化的退化指标.     

长期施肥条件下黑土有机碳、氮组分的分配与富集特征

研究不同管理措施下黑土有机碳、氮组分的变化特征是深刻认识和理解黑土固碳的基础.本文以黑龙江省农业科学院31年的长期定位试验为基础,采用物理分组法对土壤不同粒径颗粒进行分离,分析6种不同施肥处理31年后,黑土表层(0～20 cm)及亚表层(20～40 cm)土壤有机碳、氮在粗砂粒、细砂粒、粉粒及黏粒中的分配与富集特征.结果表明： 长期施用有机肥可显著提高土壤有机碳、全氮在粗砂粒和黏粒中的分配比例.在表层土壤,有机无机配施（NPKM）处理下粗砂粒有机碳和全氮的分配比例比对照分别提高191.3%和179.3%,单施有机肥（M）处理下黏粒组分的有机碳和全氮的分配比例分别提高45%和47%.亚表层土壤施用有机肥处理各粒级有机碳、氮含量的提高比例低于表层土壤.在表层和亚表层的粉粒组分中,贮存的有机碳占总储量的42%～63%和48%～54%,全氮占总储量的34%～59%和41%～47%.表层土壤施用有机肥可显著增加粗砂粒中有机碳、氮的富集系数,其中有机肥配施化肥（NPKM）处理富集系数最高（2.30和1.88）,而黏粒组分的有机碳、氮富集系数对长期施肥无响应.
     

高寒山地生态修复方式对土壤颗粒碳氮分配的影响

通过探讨草地和林地两种修复方式下不同粒径土壤颗粒有机碳和全氮的分配规律,以期能够为高寒山地生态修复措施对土壤颗粒碳氮的影响提供参考。以空间序列代替时间序列的方法,分别选取不同恢复年限的草地和林地作为研究对象,管理方式分别为仅在生长季封育和常年封育。对生长季野外现场采集的土壤样品在实验室采用离心法对土壤颗粒进行分级,分为砂粒(2000—50μm)、粉粒(50—2μm)和粘粒(<2μm),以此分析不同粒径土壤颗粒中有机碳和全氮的分配规律。结果显示:1)不同修复年限草地和林地土壤颗粒有机碳和全氮的分配主体分别为砂粒和粉粒,草地和林地土壤颗粒有机碳在砂粒中的分配比例分别为57.36%和46.46%,全氮在粉粒中的分配比例分别为44.79%和42.55%。2)两种修复用地三种粒径土壤颗粒碳氮分配比例均与其组分含量呈正相关关系,砂粒的碳氮分配比例主要受地下生物量和土壤总孔隙度影响,粘粒和粉粒碳氮分配比例主要受容重和pH的影响。本研究区植树造林的修复方式对土壤颗粒碳氮的分配影响更为明显。     

雅鲁藏布江山南宽谷风沙化土地土壤养分和粒度特征

在雅鲁藏布江山南宽谷区,选择流动沙地、平缓沙砾地、半固定沙地、固定沙地和覆沙河滩地等类型样地,研究了不同深度(0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm)土壤层的养分状况和粒度特征,探讨了风沙运动对土壤粒度组成和养分含量的影响。结果表明:1)风沙化土地土壤pH值呈中性、碱性和强碱性,土壤有机质和全氮含量均很低,但全磷和全钾均很高。土壤粒度组成表现为砂粒含量(53.83%—95.93%)>粉粒(3.3%—40.5%)>粘粒(0.77%—5.68%)。2)粘粒和粉粒含量均以覆沙河滩地(分别为4.02%和27.95%)最大、半固定沙地(分别为1.35%和5.27%)最小。粘粒含量表现为覆沙河滩地>固定沙地(2.98%)>河滩流动沙地(2.89%)>平缓沙砾地(1.69%)>河岸流动沙地(1.54%)>山坡流动沙地(1.49%)>半固定沙地。不同类型沙地粉粒含量的大小顺序与粘粒含量相似,仅在山坡流动沙地和河岸流动沙地的大小顺序有所差别。砂粒含量以半固定沙地(为93.40%)最大、覆沙河滩地最小(68.05%)。不同类型沙地的砂粒含量与粉粒含量的大小顺序正好相反。3)土壤养分含量与粘粒、粉粒、极细砂粒和细砂粒等细沙物质的相关性较强,与中砂粒、粗砂粒和极粗砂粒等粗沙物质呈负相关或相关性较弱。其中,粘粒和极细砂粒含量的增加对土壤养分的增加贡献较大。流动沙丘随风沙运动而不断往复摆动的现象和土壤细颗粒的迁移和损失,对不同类型沙地和沙丘部位的土壤养分状况及其再分配过程产生较大影响。     

灌丛防治荒漠化后土壤有机碳及其密度组分的变化

面对土地的沙化和草地退化问题,可以在土地表面种植灌木丛。灌木丛的出现一方面会有效抑制沙漠化,同时,也会影响土壤中有机碳的含量以及组分。本研究主要是研究沙漠化后种植柠条锦鸡儿(20年)的退化牧场以及沙地的土壤有机碳、轻组分有机碳、重组分有机碳含量变化。结果表明,种植灌木可导致沙地土壤有机碳含量增加,而使退化草地土壤有机碳含量下降。沙地土壤有机碳含量的增加主要是基于轻组分有机碳的累积。退化草地土壤有机碳的流失是由于重组分有机碳浓度的降低造成的,这可能与深层土壤中草本细根生物量和土壤含水量的减少有关。因此,控制荒漠化的灌木种植并不总能提高西北地区土壤有机碳的数量和稳定性。     

不同母岩发育土壤的可氧化态有机碳

采用KMnO4氧化法测定了8种不同母岩发育形成的土壤的可氧化态有机碳含量,结果表明,发育母岩不同,土壤可氧化态有机碳含量显著不同。通过对土壤养分、土壤颗粒组成、容重与可氧化态有机碳含量的相关性分析表明,土壤可氧化态有机碳与土壤的速效磷、全氮、速效钾、砂粒、粉粒的含量存在着极显著负相关关系;与土壤容重存在着极显著的正相关关系;与土壤的有机质、碱解氮、粗砂、细砂、粘粒、pH值、石砾含量无相关关系。     

若尔盖沙化草地不同生态恢复模式土壤活性有机碳及碳库管理指数变化

研究退化林草地不同生态恢复模式土壤活性有机碳和碳库管理指数变化,可为评价生态恢复措施提升土壤质量的效果,以及优化生态恢复模式的选择提供重要参考。结合野外调查和室内分析法,研究了若尔盖沙化草地不同生态恢复模式土壤有机碳组分及碳库管理指数变化。若尔盖沙化草地的生态恢复模式有:灌草间作模式Ⅰ(条带状红柳间植草本植物,SGⅠ)、灌草间作模式Ⅱ(环状红柳间植草本植物,SGⅡ)、沙障+灌草模式(红柳沙障+红柳间植草本植物,SBSG)。结果表明,与沙化草地(DG)相比,3种恢复模式都能提高土壤有机碳及其活性组分含量。SGⅠ模式的全剖面土壤微生物量碳(MBC)、溶解性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(EOC)、颗粒有机碳(POC)含量分别增加36.6%、139.0%、89.4%、130.9%;SGⅡ模式的分别增加2.7%、-43.9%、15.0%、49.7%;SBSG模式的分别增加82.4%、21.8%、56.2%、170.3%。表明SGⅠ与SBSG提高土壤有机碳的效应相近,而且二者都远大于SGⅡ。3种生态恢复模式土壤活性有机碳分配比例与DG的差异表现不一致,显著体现是SGⅠ模式土壤DOC分配比例的垂直变化出现分馏现象。3种生态恢复模式土壤碳库管理指数(CPMI)均大于100%,能不同程度地提升土壤质量,其效应大小为SGⅠSGⅡSBSG。易氧化有机碳可作为反映沙化草地生态修复模式土壤质量变化的优选指标,CPMI也可用于表征生态恢复措施提升沙化草地土壤质量的效果。     

植被恢复对退化红壤团聚体稳定性及碳分布的影响

土壤有机碳对土壤团聚体的形成与稳定具有重要影响.研究了植被恢复对侵蚀退化红壤团聚体稳定性的影响,在此基础上探讨了有机碳在团聚体中的分布及有机碳与团聚体稳定性的关系.红壤侵蚀裸地大团聚体水稳定性程度低,植被恢复后大团聚体稳定性显著提高.裸地各级团聚体有机碳含量基本相似,植被恢复后,有机物质输入的增加促进了团聚体的形成,从而改变了土壤团聚体有机碳含量和分配比例.大团聚体对有机碳具有一定的富集作用,有机碳含量高于全土和微团聚体、粉粒及粘粒有机碳含量,大团聚体有机碳恢复速度也快于微团聚体以及粉粒与粘粒有机碳的恢复速度.植被恢复使裸地0～10cm土层大团聚体有机碳占总有机碳的比例从15%左右增加到32%～42%.土壤中增加的有机碳约41%～51%储存在大团聚体中,24%～38%储存在微团聚体中,20%～31%储存在粉粒及粘粒中.团聚体稳定性的增强与土壤有机碳含量密切相关,植被恢复时间越长,土壤有机碳含量越高,土壤团聚体水稳性程度也越好.     

不同退化沙地土壤碳的矿化潜力

通过实验室土壤培养试验 ,研究了科尔沁退化沙质草地不同生境 (流动沙地 ,半固定沙地 ,固定沙地和丘间低地 )下土壤碳的矿化潜力及不同凋落物在沙地土壤中的分解。经 33d的室内培养 ,不同生境土壤 CO2 - C的释放有极显著的差异 ,与生境植被盖度 ,凋落物积累 ,土壤沙化程度 ,土壤有机碳和全氮含量的分布有显著相关。流动沙地土壤有极低的土壤有机碳和氮的含量及其微弱的土壤微生物呼吸 ,表明土地沙漠化不仅导致土壤有机碳库衰竭 ,也使土壤微生物活性丧失。在有机质含量很低的流动沙地和半固定沙地土壤中 ,含氮量高的小叶锦鸡儿 (Caragana microphylla)凋落物比含氮量低、C/N比高的差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)和 1年生植物凋落物有较快的分解。在沙漠化的演变中 ,土壤的粗粒化 ,有机物质和养分及微生物活性的丧失制约着凋落物在土壤中的矿化潜力。灌木的存在使更多的有机物质和养分积聚在灌丛下 ,形成灌丛肥岛 ,因而显著贡献于碳的固存。     

科尔沁沙地流动沙丘造林后表层土壤有机碳和轻组有机碳的变化

以流动沙丘为对照,研究了科尔沁沙地25年生和35年生樟子松人工固沙林表层土壤(0～15cm)有机碳(SOC)和土壤轻组有机碳(LFOC)的变化.结果表明:流动沙丘造林后,粗沙含量明显降低,土壤极细沙和粘粉粒含量显著增加;SOC和LFOC含量均显著增加,但随土层加深趋于减少;流动沙丘造林显著增加了表层土壤的SOC和LFOC储量,且林龄越长,SOC和LFOC储量越高.人工林地0～15cm层LFOC储量的增幅远高于SOC储量,说明流动沙丘造林对表层土壤LFOC的影响大于SOC.     

Carbon storage capacity of semi‐arid grassland soils and sequestration potentials in northern China

Organic carbon (OC) sequestration in degraded semi‐arid environments by improved soil management is assumed to contribute substantially to climate change mitigation. However, information about the soil organic carbon (SOC) sequestration potential in steppe soils and their current saturation status remains unknown. In this study, we estimated the OC storage capacity of semi‐arid grassland soils on the basis of remote, natural steppe fragments in northern China. Based on the maximum OC saturation of silt and clay particles <20 μm, OC sequestration potentials of degraded steppe soils (grazing land, arable land, eroded areas) were estimated. The analysis of natural grassland soils revealed a strong linear regression between the proportion of the fine fraction and its OC content, confirming the importance of silt and clay particles for OC stabilization in steppe soils. This relationship was similar to derived regressions in temperate and tropical soils but on a lower level, probably due to a lower C input and different clay mineralogy. In relation to the estimated OC storage capacity, degraded steppe soils showed a high OC saturation of 78–85% despite massive SOC losses due to unsustainable land use. As a result, the potential of degraded grassland soils to sequester additional OC was generally low. This can be related to a relatively high contribution of labile SOC, which is preferentially lost in the course of soil degradation. Moreover, wind erosion leads to substantial loss of silt and clay particles and consequently results in a direct loss of the ability to stabilize additional OC. Our findings indicate that the SOC loss in semi‐arid environments induced by intensive land use is largely irreversible. Observed SOC increases after improved land management mainly result in an accumulation of labile SOC prone to land use/climate changes and therefore cannot be regarded as contribution to long‐term OC sequestration.     

宁夏东部风沙区固定沙丘土壤性质小尺度空间变异特征

随着流动沙丘的不断固定,不同地形部位的土壤机械组成、有机碳(SOC)和全氮(TN)含量的变化存在差异。为了探明固定沙丘的土壤机械组成与土壤养分空间变异特征,本研究以宁夏黄沙古渡固定沙丘为对象,分析了固定沙丘不同部位、不同土层的风沙土机械组成、SOC和TN特征。结果表明: 各土层土壤机械组成均以中沙和细沙为主。SOC和TN有明显的表聚作用,SOC和TN含量最大值分别为5.781和0.412 g·kg^-1,分布在丘间地,脊线和背风坡含量最少。随着土层深度的增加,背风坡和迎风坡的SOC含量逐渐减少,丘间地的SOC含量先减少后增加。SOC和TN在小尺度上均表现出明显的空间异质性;SOC和TN与粉沙和极细沙含量呈显著正相关,与中沙和粗沙含量呈显著负相关。土壤机械组成对SOC和TN含量有明显影响,而且SOC和TN含量随着细颗粒含量的增加而增加,表明土壤细颗粒对有机质的吸附和积累起着重要作用。     

自然风化过程对赤泥团聚体有机碳组分的影响

以华中地区某氧化铝企业赤泥堆场为研究对象,采集不同时间赤泥堆场(1a,10a,20a)0—20 cm样品,采用物理分组方法,研究自然风化过程对赤泥团聚体有机碳组分的影响。结果发现,赤泥轻组有机碳分配比例随堆存时间的延长呈上升趋势。重组有机碳约占赤泥总有机碳的97.24%—99.11%,以粗颗粒有机碳和矿物结合态颗粒有机碳为主。3种堆存时间(1a,10a,20a)赤泥团聚体颗粒有机碳含量变化范围分别为1.21—1.85、2.62—2.95、3.52—4.15 g/kg。颗粒有机碳含量在2—1 mm粒级赤泥团聚体中最高,随赤泥粒级减小而降低,其中矿物结合态颗粒有机碳分配比例最高,游离态颗粒有机碳分配比例最低。这表明自然风化过程增加了赤泥有机碳组分含量,提高了赤泥中有机碳库的稳定性。     

Soil Properties and their Spatial Pattern in a Degraded Sandy Grassland under Post-grazing Restoration, Inner Mongolia, Northern China

In this study, we use classical and geostatistical methods to identify characteristics of some selected soil properties including soil particle size distribution, soil organic carbon, total nitrogen, pH and electrical conductivity and their spatial variation in a 5-year recovery degraded sandy grassland after two different grazing intensity disturbance: post-heavy-grazing restoration grassland (HGR) and post-moderately grazing restoration grassland (MGR), respectively, in Horqin steppe, Inner Mongolia, northern China. The objective was to examine effect of grazing intensity on spatial heterogeneity of soil properties. One hundred soil samples were taken from the soil layer 0–15 cm in depth of a grid of 10 m×10 m under each treatment. The results showed that soil fine fractions (very fine sand, 0.1–0.05 mm and silt + clay, <0.05 mm), soil organic carbon and total nitrogen concentrations were significant lower and their coefficients of variation significant higher under the HGR than under the MGR. Geostatistical analysis of soil heterogeneity revealed that soil particle size fractions, organic carbon and total nitrogen showed different degree of spatial dependence with exponential or spherical semivariograms on the scale measured under HGR and MGR. The spatial structured variance account for a large proportion of the sample variance in HGR plot ranging from 88% to 97% for soil particle fractions, organic C and total N, however, except for organic C (88.8%), the structured variance only account for 50% of the sample variance for soil particle fractions and total N in the MGR plot. The ranges of spatial autocorrelation for coarse-fine sand, very fine sand, silt + clay, organic C and total N were 13.7 m, 15.8 m, 15.2 m, 22.2 m and 21.9 m in HGR plot, respectively, and was smaller than in MGR plot with the corresponding distance of 350 m, 144.6 m, 45.7 m, 27.3 m and 30.3 m, respectively. This suggested that overgrazing resulted in an increase in soil heterogeneity. Soil organic C and total N were associated closely with soil particle fractions, and the kriging-interpolated maps showed that the spatial distribution of soil organic C and total N corresponded to the distribution patterns of soil particle fractions, indicating that high degree of spatial heterogeneity in soil properties was linked to the distribution of vegetative and bare sand patches. The results suggested that the degree of soil heterogeneity at field scale can be used as an index for indicating the extent of grassland desertification. Also, the changes in soil heterogeneity may in turn influence vegetative succession and restoration process of degraded sandy grassland ecosystem.     

毛乌素沙地沙漠化逆转过程土壤颗粒固碳效应

为揭示毛乌素沙地沙漠化逆转过程中土壤颗粒的固碳效应,选择陕北榆林治沙区从流沙地、半固定沙地到林龄为20～55年生的灌木和20～50年生的乔木固沙林地,采用物理分组法分析了土壤砂粒、粉粒、黏粒结合碳的演变特征和累积速率.结果表明: 对比流沙地,土壤总有机碳及各颗粒碳含量在两种固沙林地均呈显著增加趋势,并以表层0～5 cm土壤碳含量增幅最高.从流沙地到55年生灌木和50年生乔木固沙林地,0～5 cm土层砂粒碳密度增速均为0.05 Mg·hm^-2·a^-1,粉粒碳密度增速分别为0.05和0.08 Mg·hm^-2·a^-1,而黏粒碳密度增速分别为0.02和0.03 Mg·hm^-2·a^-1.0～20 cm土层,两种林地各颗粒碳密度增速平均为0～5 cm土层的2.1倍.按此增速到50～55年生的固沙林地时,两种林地0～20 cm土层的砂粒碳、粉粒碳和黏粒碳密度分别比流沙地平均提高6.7、18.1、4.4倍,并且颗粒碳对总有机碳的累积贡献率平均为粉粒碳(39.7%)≈砂粒碳(34.6%)>黏粒碳(25.6%).综上,毛乌素沙地沙漠化逆转过程土壤颗粒均表现出显著的固碳效应,且以砂粒和粉粒为主要固碳组分.     

耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业土壤有机碳的影响

耕作对黄绵土(Calclaric Cambisols,FAO)、灰褐土(Haplic Greyxems,FAO)和典型褐灰钙土(Orthic Brown Chernozem)的土壤有机碳(SOC)动态的影响存在明显差异,黄绵土在开垦5年内O～20cm土壤有机碳损失了77％,损失速率为2．15t·hm^-2·yr^-1,其主要原因为水蚀和耕作侵蚀,灰褐土在开垦后的42年里耕层土壤的有机碳损失了70％,损失速率为0．96～1．06t·hm^-2·yr^-1,主要为水蚀和有机碳的矿化分解,1960以后开垦的典型褐灰钙土0～20cm耕层土壤有机碳损失了11％,损失速率为0．17t·hm^-2·yr^-1。1920年开垦的典型褐灰钙土有机碳损失了44％,损失速率为0．45t·hm^-2·yr^-1,造成这一差异的主要原因是耕作和轮作体制的改善有效地阻止了风蚀的危害,并增加了进入土壤系统的有机物的量,3种土壤轻组有机碳(LFOC)的变化趋势与总有机碳的变化趋势相似：黄绵土和灰褐土在相应的时间内LFOC损失了73％和90％,1920年和1960年开垦的典型褐灰钙土LFOC分别损失了74％和70％,3种土壤间LFOC和HFOC的分配比例不同也可能是造成黄绵土和灰褐土有机碳下降快的原因。