喀斯特峰丛洼地不同生态系统的土壤肥力变化特征

基于喀斯特峰丛洼地坡耕地、草丛、灌丛、人工林、次生林、原生林6种典型生态系统的土壤主要养分、矿质养分和微生物这3组变量共计20个指标的调查、取样和分析,运用多重比较分析、主成分分析和典范相关分析探讨了其土壤肥力变化特征、主要影响因子及两两之间的相互关系。结果表明,喀斯特峰丛洼地土壤pH值为6.60—7.75,土壤主要养分、微生物种群数量和微生物生物量明显高于同纬度地区地带性红壤,矿质养分含量相对较低,其中SiO2、Al2O3、Fe2O3占矿质全量的90%以上。土壤肥力的总体趋势为原生林>次生林>灌丛>草丛>坡耕地>人工林。喀斯特石漠化地区实行林草结合的退耕还林还草模式更有利于土壤生态系统的环境改善,坡耕地应多施有机肥和氮肥,人工林应多施氮肥。原生林植物与养分之间达到了良好的平衡状态,主要应加强森林抚育管理,改善森林环境,保障植物、土壤养分及微生物之间的良好协调关系。确保土壤资源的合理利用,促进喀斯特峰丛洼地乃至整个西南喀斯特区域植被的迅速恢复和生态重建。     

喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式土壤水分对降水特征的响应

为了明确喀斯特峰丛洼地不同土地利用类型土壤水分对降水的响应, 采用定位观测法, 选择顺坡种植桂牧1号、顺坡种植玉米、封育、刈割除根、火烧、刈割6种喀斯特峰丛洼地最典型的土地利用方式, 分析了这6种土地利用方式下土壤水分动态变化。结果表明: 研究区2011—2013年的降水量可分为枯水年(2011年)、丰水年(2012年)和平水年(2013年)三种降水年型。枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 平水年和丰水年均表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。封育和桂牧1号土地利用方式在各降水年型下均具有较高的水分含量, 而种植玉米土壤含水量则最低, 其次为刈割除根。降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>丰水年>平水年的趋势。不同土地利用方式在枯水年、丰水年和平水年三种降水年型中, 土壤水分变化趋势各有特点, 主要受近期降水和土壤蒸发的影响。封育和桂牧1号土壤水分含量高, 两种土地利用方式能显著改善土壤水分状况, 积蓄一定的水分。     

不同土地利用方式下喀斯特峰丛洼地土壤微生物群落特征

基于对喀斯特峰丛洼地6种土地利用类型(坡耕地、草丛、灌丛、人工林、次生林、原生林)的土壤微生物、养分、矿物质和植被4组变量35个指标的调查分析,研究了不同土地利用方式下土壤微生物种群数量、微生物生物量C、N、P及其分形特征,以及土壤微生物与植被、土壤养分、矿物质的关系.结果表明:不同土地利用方式下喀斯特峰丛洼地的土壤微生物种群数量及组成不同.微生物种群数量均以原生林和坡耕地最高,人工林最低;3种森林土壤的细菌比率较大,坡耕地、草丛、灌丛的放线菌比率较大,真菌的比率均很小;土壤微生物生物量C、N、P的含量均很高,其中原生林最高;土壤微生物生物量碳与土壤微生物种群数量具有良好的分形关系,而土壤微生物生物量氮、磷与种群数量不存在分形关系;土壤微生物与植被、土壤养分、土壤矿物质显著相关,其中土壤微生物生物量碳与乔木层的Shannon指数、土壤速效氮、Fe₂O₃、CaO含量显著相关.     

喀斯特峰丛坡地不同土地利用方式下土壤N、P空间变异特征

基于网格点(5 mx5 m)采样法采集土壤样品,利用经典统计学和地统计学方法,研究了喀斯特峰丛坡地不同土地利用方式(火烧迹地、刈割地、草地、封育地)下表层(0～20cm)土壤氮、磷的空间变异特性.结果表明:研究区4种不同土地利用方式土壤全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效磷(AP)均为中等程度变异,含量分别为5.40 ～6.26 g·kg-1、1.24 ～1.44 g·kg-1、365.87～507.32 mg·kg-1、3.91 ～8.04 mg·kg-1,封育地、火烧迹地土壤质量优于草地和刈割地;4种土地利用方式中火烧AN、火烧AP、刈割AN、封育TN的半方差函数最佳拟合模型为球状模型,火烧TN、刈割TN、刈割AP最佳拟合模型为指数模型,其他指标的最佳拟合模型均为高斯模型.刈割TP、火烧TP、草地TP、刈割TN、火烧AP、草地AP、封育TP表现为强烈的空间自相关性,其他土壤养分表现为中等的空间自相关.4种土地利用类型土壤TN与AN、TP与AP具有相似的空间分布格局.火烧、刈割处理TN和AN呈凹形分布,TP和AP呈单峰分布特征,中下坡含量最高,往两端含量逐渐降低;草地TN、AN、TP、AP 4种养分含量均随着坡位的升高而降低;封育样地中4种养分呈类似凹形分布,中间含量低,两端略微升高.土地利用方式的变化改变了喀斯特峰丛坡地土壤养分质量,造成了土壤养分空间格局的变化,因此,在地形破碎、土层浅薄的喀斯特地区进行生态恢复与重建时,应采取合理土地利用方式,进行保护和适度开发,提高喀斯特退化生态系统土壤质量.     

喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征

基于典型喀斯特峰丛洼地坡面土地利用方式试验火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米(面积分别为20m×70m)控制性试验建设,通过网格法(5 m×5 m)采样,用经典统计学和地统计学方法,分析了6种土地利用方式下(火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米)表层土壤水分在不同季节的空间变异特征。结果表明:喀斯特峰丛洼地土壤含水量均很高,雨季显著大于旱季,雨季为火烧封育、刈割除根玉米、桂牧1号刈割,旱季为刈割、火烧、刈割除根桂牧1号、封育玉米,均呈中等至强度变异,且含水量越低变异越大;不同土地利用方式土壤水分的自相关函数均呈由正向负方向发展的相同趋势,但拐点不同,且旱季大于雨季,不同土地利用方式旱季、雨季土壤水分的最佳拟合模型不同,但均呈中等或强烈的空间相关性,变程为6.8—213 m,且旱季大于雨季;同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水空间格局相似,不同土地利用方式空间格局则不同,因此在该区域进行植被恢复和生态重建时应采取不同的水资源利用策略。     

喀斯特峰丛洼地土壤矿物质的组成特征与作用

基于喀斯特峰丛洼地农作区、人工林、次生林、原生林4类典型生态系统动态监测样地(200 m×40 m)土壤矿质养分因子(7个)、植被(9个)、地形(4个)、土壤理化性状(10个)共计30个指标的全面调查取样分析,采用经典统计分析、主成分分析和典范相关分析探讨了土壤矿物质的组成特征、作用以及与植被、地形、其他土壤性状的耦合关系.结果表明： 喀斯特峰丛洼地土壤矿物质组成以SiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3为主,明显低于全球土壤平均背景值和同区域地带性红壤,CaO、MgO含量居中,MnO含量很低;不同生态系统土壤矿物质组成和变异不同,土壤的发育程度也不同,植被和土壤的原生性呈同比正相关,均有潜在的石漠化风险;4类生态系统景观异质性高,主成分分析的降维效果不好,土壤矿物质均为各生态系统的主要影响因子,且与植被、地形、其他土壤性状的关系非常密切,特别是SiO2、CaO和MnO,其中对植被的影响主要是物种多样性,对土壤则为有机质、全氮、全钾等主要养分.土壤矿物质是影响喀斯特峰丛洼地土壤肥力和植物生长发育的限制因子之一,有效利用矿物质资源、合理施用矿质养分对喀斯特退化生态系统的恢复与重建作用重大.     

泸沽湖流域土地利用方式对土壤肥力的影响

为探讨泸沽湖流域不同土地利用方式对土壤肥力的影响,采用野外调查、取样和室内分析相结合的方法,对泸沽湖流域内3种主要土地利用方式(农田、草地、林地)的土壤理化性状进行对比分析。结果表明:(1)土地利用类型对土壤肥力影响明显,农田含水率、全氮、速效氮、速效磷和速效钾含量相对较高;(2)林地有机质含量相对较高,草地全磷全钾含量相对较高;(3)土壤养分含量与土壤颗粒组成之间有一定的相关性,其中土壤全磷与砂粒呈显著正相关,土壤速效氮含量与粉粒呈显著负相关。     

喀斯特峰丛洼地不同类型森林养分循环特征

以中国西南喀斯特峰丛洼地为研究区域用标准木法和收获法对人工林、次生林、原生林3个不同类型森林的6个代表性群落的生物量、营养元素生物循环量及循环特征进行了研究。结果表明:(1)不同类型森林群落乔木各器官的养分含量大小顺序为:叶枝根干,林下植被层和凋落物层的养分含量比较高,其含量普遍高于乔木层各组分,仅次于乔木叶片;各组分中营养元素以K、Ca最高,P、Mg最低;(2)3种类型森林间乔木层的养分积累量总规律表现为原生林(4540.30 kg/hm~2)次生林(2107.09 kg/hm~2)人工林(719.51 kg/hm~2),分别占林分养分积累量的88.30%、79.57%和62.60%;(3)3种类型森林生态系统养分总贮量相差不大,均主要集中在土壤层在各层分配格局有所差异;营养元素的年吸收量和年归还量均为次生林原生林人工林,年吸收量分别为:418.80、271.17和148.79 kg hm~(-2)a~(-1);年归还量分别为:182.98、111.43和43.37 kg hm_(-2)a~(-1);(4)不同类型森林养分利用系数总规律为人工林(0.35)次生林(0.20)原生林(0.10);循环系数则相反,为原生林(0.48)次生林(0.46)人工林(0.30);而周转时间为原生林(37.32)人工林(18.63)次生林(13.93)。喀斯特峰丛洼地土层薄,养分贮存能力差,森林养分循环能力相对较弱,沿着强、中、弱干扰递减梯度,3种类型森林养分利用效率和循环能力呈增长趋势。     

喀斯特山区土地利用方式转变对土壤酶活性及其化学计量特征的影响

土地利用变化引起的土壤理化性质改变会显著影响土壤碳氮磷养分含量及其化学计量特征,然而由于不同研究区域环境异性较大,土壤胞外酶活性及其化学计量特征与各土壤因子间的协同变化规律仍不明确。以喀斯特山区7种典型土地利用方式（马尾松林地、柏树林地、灌木林地、梯田菜地、梯田撂荒地、坡面撂荒地和坡耕地）为研究对象,采用时空互代法研究土地利用方式转变过程中6种土壤胞外酶活性（β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-木糖苷酶、纤维素二糖水解酶、β-1,4-N-乙酰葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶）及其化学计量特征的变化规律,并分析它们与土壤理化因子之间的关系。结果表明坡耕地转变土地利用方式后,土壤养分状况和酶活性得到明显改善,并且土壤微生物通过调节酶的表达和活性提高了磷素的有效性,促进了土壤养分的平衡。总体来看,坡耕地转马尾松和柏树林地后土壤质量改善的效果更加显著,但加剧了土壤磷素的限制。此外,土壤全氮含量、C∶N、N∶P和pH是土壤酶活性变化的主要驱动因素,土壤酶活性与养分含量具有趋同性且受土壤pH的调控。因此,喀斯特地区马尾松和柏树人工林的经营管理过程中应考虑磷素的投入以缓解人工林生态系统的磷限制。     

桂西北喀斯特峰丛洼地不同植被恢复方式下土壤有机碳组分变化特征

植被恢复被认为是提升退化区域土壤有机碳（SOC）固持的有效措施。然而,喀斯特脆弱生态系统植被人工恢复和自然恢复模式下SOC不同组分变化特征、稳定性和固持能力的研究还较缺乏。以典型喀斯特峰丛洼地为研究区,以耕地为对照,以恢复15年的人工恢复（人工林）和自然恢复（耕地撂荒后植被自然演替为灌丛）为研究对象,分析不同植被恢复模式下SOC、颗粒态有机碳（POC）、矿质结合态有机碳（MOC）、易氧化态有机碳（ROC）、惰性碳指数（RI）和SOC相对固持能力（SCS_capacity）变化特征。结果发现：（1）人工林和灌丛SOC、POC和ROC含量显著高于耕地,且灌丛POC和ROC含量显著高于人工林,MOC则在三者之间差异不显著;（2）与耕地相比,人工林和灌丛RI显著下降,但SCS_capacity差异不显著。研究表明,桂西北喀斯特峰丛洼地植被恢复15年后主要提升土壤活性碳组分,且自然恢复比人工恢复更有利于于提升土壤活性碳组分;然而,耕地退耕后短期内土壤碳稳定性并未增加,强调植被恢复后避免再次毁林开荒对于维持土壤碳固持的必要性。     

喀斯特峰丛洼地不同退耕还林还草模式的土壤微生物特性

以坡耕地为对照,研究了喀斯特峰丛洼地任豆、香椿、板栗、柑橘、任豆+桂牧1号、桂牧1号和撂荒7种常见退耕还林还草模式下土壤微生物种群数量、微生物量碳氮磷及其分形特征和主要土壤酶活性特征。结果表明,不同退耕还林还草模式土壤微生物种群数量组成不同,除任豆模式外其他退耕还林还草模式均能提高土壤微生物总数量;不同退耕还林还草模式(除任豆模式外)土壤微生物量碳(MB_C)含量极显著增加,撂荒地最高,土壤微生物量氮(MB_N)含量变化范围不大,呈下降趋势,土壤微生物量磷(MB_P)含量的变异很大,香椿、板栗、撂荒和桂牧1号模式显著或极显著高于坡耕地;土壤MB_C与细菌数量的关系最相关(D=-4.07,R=0.81,P<0.01),其次为MB_C与放线菌数量(D=3.82,R=0.44,P<0.05),再次为MB_N与真菌数量(D=0.58,R=0.61,P<0.01),MB_C与真菌数量、MB_N与细菌、放线菌数量以及MB_P与细菌、真菌、放线菌数量之间不存在分形关系;不同退耕还林还草模式(除桂牧1号模式外)均显著或极显著增加了土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性。总之,不同退耕还林还草模式均改善了土壤微生物特性,为喀斯特峰丛洼地脆弱生态系统恢复与重建提供了重要依据。     

喀斯特峰丛洼地不同植被类型碳格局变化及影响因子

采用样方法研究了西南喀斯特峰丛洼地草地、灌丛、次生林、原生林4种植被类型碳格局及其土壤碳的影响因子。结果表明:草地、灌丛、次生林、原生林4类生态系统总碳储量分别为133.84、160.79、179.08和261.24 Mg C/hm2,其中植被碳储量为5.02、6.59、20.87和60.20 Mg C/hm2,占总碳储量的3.75%—23.04%,随植被正向发展而增加;地被物碳储量为1.76、0.95、2.60和0.82 Mg C/hm2,仅占总碳储量的0.32%—1.45%;土壤层碳储量为127.06、153.25、151.61和200.21 Mg C/hm2,占76.64%—94.93%,随植被正向发展呈增加趋势,但对整个生态系统碳储量贡献率减少;由草地向原生林发展过程中,地下部分碳储量均大于地上部分碳储量,地上部分所占比例逐渐提高,地下部分所占比例逐渐减少;相关分析表明,土壤有机碳含量、储量与土壤容重、土壤深度存在良好的线性关系,喀斯特峰丛洼地石灰土土壤有机碳含量与水稳性团聚的分布关系密切,土壤氮素是影响有机碳含量的主要因素,2 mm细根和土壤微生物对石灰土土壤有机碳的积累具有重要的作用。     

西双版纳不同土地利用方式下土壤氮矿化作用研究

氮在森林生态系统的养分循环中很重要,常把土壤氮矿化速率作为生态系统中氮有效性和氮损失的指标.在云南省中国科学院西双版纳热带生态站周围,用顶盖埋管法,对季风常绿阔叶林、季节雨林、橡胶林、受过严重干扰的季节雨林、鸡血藤次生林和旱谷地的氮矿化速率进行研究.结果表明,在6种土地利用方式下,净氮矿化速率和硝化速率由大到小依次为受过严重干扰的季节雨林＞鸡血藤次生林＞季节雨林＞季风常绿阔叶林＞橡胶林＞旱谷地.在西双版纳地区橡胶林和旱谷地被认为是受人为干扰较严重的土地利用方式,这两种土地利用方式与各种森林下土壤中的氮矿化速率和氮储量相比均低,达到显著水平.较低的氮矿化速率与土壤本底氮储量低有关,也与土壤中真菌数量较少有关.对西双版纳6种常见土地利用方式的土壤氮储量和氮循环速率的研究表明,受过严重干扰的季节雨林在恢复多年后土壤中养分的转化速率与原生林接近,而林地被转化为农业或经济林用地后氮储量和氮矿化速率均显著降低.     

喀斯特峰丛洼地不同森林类型植物和土壤C、N、P化学计量特征

研究西南喀斯特峰丛洼地人工林、次生林、原生林3个不同森林类型的6个代表性植物群落C、N、P化学计量特征及其与土壤的关系.结果表明: 不同森林类型植物和土壤C、N、P含量均存在显著差异.土壤C和N含量均为次生林最高,人工林最低,土壤P含量为人工林最高,原生林最低;植物C和P含量变化趋势为人工林>原生林>次生林,植物N含量为次生林最高,原生林最低.土壤C∶P、N∶P以及植物C∶P均为原生林显著高于次生林和人工林,土壤C∶N在不同森林类型间差异不显著;植物N∶P为次生林最高,人工林最低,植物C∶N为原生林>人工林>次生林.在不同森林类型中,乔木叶片N含量与P含量、C∶N与C∶P以及C∶P与N∶P之间均呈显著线性正相关,除了植物叶片C∶N与N∶P以及土壤C∶N与N∶P之间呈显著线性负相关外,植物和土壤的C、N、P、C∶P均无显著相关性,说明土壤C、N、P供应量对乔木叶片C、N、P含量影响不大.     

喀斯特峰丛洼地不同森林表层土壤有机质的空间变异及成因

基于动态监测样地(200 m×40 m)的网格(10 m×10 m)取样,以农作区为对照,用地统计学方法研究了喀斯特峰丛洼地人工林、次生林和原生林3类典型森林生态系统表层土壤(0—15 cm)有机质的空间变异,通过主成分分析和相关分析,探讨了其生态学过程和机制。结果表明:喀斯特峰丛洼地土壤有机质很高,沿着农作区-人工林-次生林-原生林的恢复梯度,土壤有机质显著提高,变异系数逐步增大;农作区和3类森林土壤表层有机质均具有良好的空间自相关性;农作区试验半变异函数C0/(C0+C)值为26.5%,呈中等程度的空间相关性;3类森林的C0/(C0+C)值为9.0%—22.6%,呈强烈的空间相关性;农作区和人工林土壤有机质呈单峰分布,次生林呈凹型分布,原生林呈凸型分布;不同森林的主导因子不同,农作区的主导因子为主要土壤养分,人工林为地形和物种多样性,次生林为森林结构和物种多样性,原生林为地形和物种多样性,且同一因子在不同森林与土壤表层有机质的正负作用关系和相关程度也不同。因此,农作区和3类森林应根据其土壤表层有机质的空间变异及主要影响因子制定相应的固碳措施。