本文關(guān)鍵詞：巖溶石漠化區(qū)植被恢復(fù)對土壤有機碳、氮積累與氮素礦化特征影響研究

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【摘要】：特殊的地質(zhì)條件和自然地理背景造就了西南巖溶區(qū)相對脆弱的生態(tài)環(huán)境,不合理的人類活動導(dǎo)致植被破壞、土壤侵蝕、土地退化,形成大面積的石漠化景觀。石漠化最突出的本質(zhì)是土壤和養(yǎng)分的流失,石漠化發(fā)展造成地表嚴重缺土,僅有的土壤資源顯得尤為珍貴。因此,稀缺的土壤資源是植被恢復(fù)的重要限制性因素；其中,土壤質(zhì)量是植被恢復(fù)重建的關(guān)鍵,而有機碳(質(zhì))、氮是土壤質(zhì)量的核心,在土壤肥力系統(tǒng)中起基礎(chǔ)性作用。因此,研究植被恢復(fù)過程中土壤有機碳、氮的積累與氮素礦化特征,對石漠化區(qū)的植被恢復(fù)重建和土壤養(yǎng)分的調(diào)控與管理有重要意義。本文以南川石慶村(重慶巖溶山地退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建示范基地)、北碚中梁山為研究區(qū),在野外調(diào)查和資料查閱的基礎(chǔ)上,在研究區(qū)內(nèi)選取代表性的樣地、采集土壤樣品,采用野外試驗與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,研究植被恢復(fù)過程中,土壤團聚體中有機碳、氮分布規(guī)律及土壤碳、氮積累過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；土壤氮素供應(yīng)狀況及其決定性因素；富鈣的地球化學(xué)特征對土壤氮礦化的影響等。結(jié)果表明：1.植被恢復(fù)過程中,土壤有機碳、氮積累明顯。(1)土壤有機碳、易氧化有機碳、全氮、堿解氮含量隨植被恢復(fù)進程而提高,隨土壤剖面深度而降低。土壤溶解性有機碳含量表現(xiàn)為棄耕地≈灌叢地灌喬林地喬木林地≈草地,草地含量顯著高于其它樣地。在剖面上隨深度而降低,同時也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動態(tài)特征,夏季、春季冬季、秋季。土壤礦質(zhì)氮含量表現(xiàn)為草地棄耕地灌叢地灌喬林地喬木林地。在剖面上隨深度而降低,同時也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動態(tài),冬、春季夏、秋季。在礦質(zhì)氮組成中,草地、灌叢地、喬木林地土壤以銨態(tài)氮為主,而棄耕地、灌喬林地以硝態(tài)氮為主。人工植被恢復(fù)樣地中,人工林地對土壤碳氮的改善作用強于金銀花地。(2)土壤團聚體總有機碳、輕組有機碳、易氧化有機碳,全氮、輕組氮、堿解氮、礦質(zhì)氮含量基本上隨團聚體粒徑減小而升高,0.25 mm粒徑含量最高。與棄耕地相比,植被自然恢復(fù)樣地,各粒徑團聚體有機碳、氮含量均有不同程度的提高,總體上表現(xiàn)為棄耕地草地灌叢林地灌喬林地喬木林地。(3)植被恢復(fù)對0.25 mm粒徑團聚體碳氮含量影響最大,能顯著提高該粒徑團聚體碳氮含量,其中活性有機碳、氮的增長幅度大于總有機碳、氮。且團聚體C/N有隨粒徑減小而增大的趨勢,0.25 mm活性有機碳占總有機碳的比例最大。同時,凋落葉分解系數(shù)與0.25 mm、0.25～1mm粒徑輕組碳、氮含量之間顯著正正相關(guān),凋落葉分解過程中輕組有機碳、氮優(yōu)先向小粒徑團聚體輸入。因此,在植被恢復(fù)過程中,活性有機碳、氮優(yōu)先向小粒徑團聚體積累,小粒徑團聚體對土壤有機碳積累作用重大。(4)在植被恢復(fù)初期,團聚體碳氮在粒徑間的變異系數(shù)較大,小粒徑團聚體碳氮積累較快；在植被恢復(fù)中后期,團聚體碳氮在粒徑間的變異系數(shù)變小,小粒徑團聚體碳氮含量提高的同時,其它粒徑團聚體碳氮含量也有較大提高,有機碳氮在團聚體粒徑間分布相對均勻。(5)各樣地土壤團聚體以5～10 mm與2～5mm粒徑占絕對優(yōu)勢,與棄耕地相比,植被自然恢復(fù)能明顯提高5～10 mm粒徑團聚體數(shù)量。各粒徑團聚體碳、氮對土壤碳、氮的貢獻受團聚體粒徑質(zhì)量百分含量控制,其中5～10 mm、2～5 mm粒徑團聚體貢獻大,土壤碳、氮主要貯存于大團聚體中,大粒徑團聚體對土壤碳、氮的貯存有重要意義。人工植被恢復(fù)樣地土壤團聚體粒徑分布規(guī)律與棄耕地相似,團聚體碳、氮含量提高的幅度不大,但人工林地土壤團聚體碳、氮的改善作用大于人工金銀花。2.植被恢復(fù)過程中土壤氮素供應(yīng)狀況。(1)植被恢復(fù)對土壤凈氮礦化速率、氨化速率、硝化速率有重要影響。在植被恢復(fù)過程中土壤凈氮礦化速率表現(xiàn)為草地棄耕地灌叢地灌喬林地喬木林地；氨化作用表現(xiàn)為,灌喬林地棄耕地草地灌叢地喬木林地；硝化作用,草地灌叢地棄耕地喬木林地灌喬林地。土壤凈氮礦化速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,基本上表現(xiàn)為夏季高而冬季低的變化趨勢,但在各個季節(jié)氮素凈礦化速率在樣地間均表現(xiàn)為草地棄耕地灌叢地灌喬林地喬木林地。人工林地土壤凈氮礦化速率略大于金銀花地。(2)一級動力學(xué)方程能很好地擬合土壤氮素礦化過程。與棄耕耕地相比,植被恢復(fù)能不同程度提高土壤氮素礦化潛勢,具體為：棄耕地金銀花地人工樟樹林地草地灌叢地灌喬林地喬木林地。(3)溫度、水分對土壤氮礦化有明顯的交互作用,在低含水量(20%、30%)范圍內(nèi)土壤氮礦化速率隨溫度與濕度的升高而增加。高的含水量對土壤氮素礦化存在明顯的抑制作用,在50%的高含水量條件下除喬木林地礦化速率隨溫度升高而增加之外,其它樣地則有隨溫度升高而降低的趨勢。最大礦化速率組合為35℃,30%質(zhì)量含水量,此時土壤氮素礦化速率表現(xiàn)為,棄耕地草地灌叢地灌喬林地喬木林地,溫度敏感系數(shù)在不同樣地間表現(xiàn)出與此相反的變化趨勢。(4)團聚體全氮貯量中,0.25～1 mm、5～10 mm、2～5 mm粒徑對土壤凈氮礦化量貢獻大,其它粒徑貢獻較小。隨植被恢復(fù)進程,5 mm粒徑團聚體質(zhì)量百分比逐漸提高,大團聚體氮貯量相應(yīng)提高,在增強土壤供氮能力的同時,也加強了對有機氮的貯存與保護。(5)土壤有機碳、氮與凈氮礦化速率之間極顯著正相關(guān),與輕組C/N之間極顯著負相關(guān)。在植被恢復(fù)進程中土壤氮素礦化速率隨植被恢復(fù)進程而提高,盡管季節(jié),水分、溫度等環(huán)境因子,以及土壤鈣等均對土壤氮礦化有重要影響,但是在大致相同的條件下,土壤凈礦化速率均表現(xiàn)出隨植被恢復(fù)進程而提高的趨勢,在植被恢復(fù)過程中,土壤有機質(zhì)的積累是影響氮素供應(yīng)的最本質(zhì)因素。3.富鈣的地球化學(xué)特征對土壤氮素礦化有促進作用。(1)石灰土各形態(tài)鈣中交換態(tài)鈣、有機結(jié)合態(tài)鈣以及全量鈣與土壤凈氮礦化速率之間呈顯著正相關(guān),而凈硝化速率與土壤鈣之間的關(guān)系更密切,除與殘渣態(tài)鈣相關(guān)性不明顯外,與其它形態(tài)鈣之間均呈顯著正相關(guān)。富鈣的土壤環(huán)境對土壤氮礦化有促進作用。(2)添加碳酸鈣對土壤氮素礦化有激發(fā)作用,由碳酸鈣激發(fā)作用產(chǎn)生的礦化氮增加量在不同樣地之間表現(xiàn)出從棄耕地、草地、灌叢地、灌喬林地到喬木林地依次增加的趨勢,而礦化氮增加率在不同樣地之間呈現(xiàn)出與此相反的變化趨勢。(4)碳酸鈣激發(fā)作用產(chǎn)生的礦化氮增加率在石灰土、黃壤、紫色土之間存在差異,其中在貧鈣的黃壤中激發(fā)效應(yīng)較大,對石灰土的激發(fā)效應(yīng)較小,而對紫色土的激發(fā)效應(yīng)最小。富鈣的土壤環(huán)境能促進土壤凈礦化氮量的增加,但礦化氮增加率有隨鈣含量提高而降低的趨勢,低鈣含量土壤對外源鈣反應(yīng)敏感。(5)添加有機物料對土壤礦質(zhì)氮有較強的固定作用,其中對喬木林地土壤礦質(zhì)氮的固定作用相對較弱。同時添加碳酸鈣與有機物料能一定程度上緩解礦質(zhì)氮的微生物固持。在培養(yǎng)后期,添加有機物料處理土壤礦質(zhì)氮含量呈增加趨勢,且在整個培養(yǎng)期間,凈氮礦化速率都呈上升趨勢。4.植被恢復(fù)過程凋落葉分解與養(yǎng)分釋放與土壤碳、氮關(guān)系。(1)各樣地凋落葉分解系數(shù)k介于0.73-1.33之間,不同樣地之間表現(xiàn)為,草地灌叢地喬木林地灌喬林地,人工樟樹林地介于喬木林地與灌喬林地之間。隨植被恢復(fù)年限的延長,凋落葉分解速率呈增大的趨勢。各樣地凋落葉有機碳、氮釋放率分別58.5%～72.9%與21.2%-63.9%,在分解期間有機碳表現(xiàn)為凈釋放,且有機碳、氮釋放率隨植被恢復(fù)年限的延長呈增加的趨勢。凋落葉分解速率、有機碳、氮釋放率主要受初始氮含量與C/N控制。(2)凋落葉分解與養(yǎng)分釋放對土壤有機碳、氮含量以及土壤凈氮礦化速率提高有促進作用,尤其與硝化作用間關(guān)系更為密切。凋落葉分解系數(shù)與0.25～1mm、0.25 mm粒徑團聚體輕組有機碳、氮之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,小粒徑團聚體在土壤有機碳、氮積累方面意義重大。5.植被恢復(fù)過程中土壤脲酶酶促反應(yīng)特征及與土壤氮礦化間的耦合關(guān)系。(1)植被恢復(fù)能影響土壤脲酶酶促反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù),增強酶—底物之間親和力、降低酶促反應(yīng)進行所需能量、增強底物在酶活性中心排列的有序性,有利于促進酶促反應(yīng)進行。(2)脲酶活性以及酶促反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)與土壤凈氮礦化速率,尤其是氨化速率之間呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系,植被恢復(fù)能改善土壤酶促反應(yīng)進行條件,促進土壤氮素礦化,增強土壤供氮能力。綜上,植被恢復(fù)能促進土壤有機碳、氮積累,在積累過程活中活性有機碳、氮優(yōu)先向小粒徑團聚體輸入,小粒徑團聚體在有機碳、氮積累中作用重大；隨團聚體的逐級團聚,土壤有機碳、氮主要貯存在大粒徑團聚中,并對氮素的供應(yīng)有積極作用。有機質(zhì)是土壤氮素礦化的物質(zhì)基礎(chǔ),在植被恢復(fù)過程中隨有機質(zhì)的積累,土壤氮素供應(yīng)能力增強,在礦化過程中環(huán)境因子、富鈣的土壤特征等對礦化作用均有影響,但在大致相同的條件下,在不同樣地中氮素礦化作用均表現(xiàn)為隨植被恢復(fù)進程而提高,土壤有機質(zhì)是氮素供應(yīng)的最本質(zhì)因素；同時,在植被恢復(fù)過程中,伴隨著有機碳、氮的積累,土壤酶促反應(yīng)條件改善,促進了土壤氮素的供應(yīng)。在生態(tài)恢復(fù)過程中,植被與土壤之間相互作用,協(xié)同發(fā)展；土壤有機質(zhì)積累,養(yǎng)分元素供給充足,推動植被向更好方向發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】：巖溶石漠化 植被恢復(fù) 土壤有機碳 土壤有機氮 土壤鈣形態(tài)
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X171.4;X144
【目錄】：

• 摘要7-11
• Abstract11-17
• 第1章 緒論17-33
• 1.1 選題意義和理論依據(jù)17-18
• 1.2 研究現(xiàn)狀18-30
• 1.2.1 土壤活性有機碳18-21
• 1.2.2 土壤氮組成及氮礦化特征21-25
• 1.2.3 土壤氮礦化影響因素25-28
• 1.2.4 植被恢復(fù)對土壤屬性的影響28-30
• 1.3 科學(xué)問題的提出30
• 1.4 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線30-33
• 1.4.1 主要研究內(nèi)容30-31
• 1.4.2 預(yù)期達到的目標及技術(shù)路線31-33
• 第2章 研究區(qū)概況與樣品采集33-43
• 2.1 研究區(qū)概況33-34
• 2.2 樣品采集與實驗方法34-43
• 2.2.1 樣點描述與樣品采集34-37
• 2.2.2 實驗方法37-43
• 第3章 植被恢復(fù)對土壤有機碳、氮的影響43-57
• 3.1 植被恢復(fù)對土壤總有機碳、氮的影響43-45
• 3.2 植被恢復(fù)對土壤易氧化有機碳、堿解氮的影響45-47
• 3.3 土壤溶解性有機碳、礦質(zhì)氮及季節(jié)動態(tài)47-50
• 3.4 討論50-53
• 3.4.1 植被恢復(fù)對土壤有機碳、氮積累的影響50-51
• 3.4.2 溶解性有機碳、氮及季節(jié)動態(tài)51-53
• 3.5 小結(jié)53-57
• 第4章 植被恢復(fù)對土壤團聚體有機碳、氮分布特征的影響57-73
• 4.1 植被恢復(fù)對土壤團聚體粒徑分布的影響57-58
• 4.2 植被恢復(fù)對土壤團聚體有機碳庫分布特征的影響58-61
• 4.2.1 團聚體總有機碳58-59
• 4.2.2 土壤易氧化有機碳59-60
• 4.2.3 土壤輕組有機碳60-61
• 4.3 植被恢復(fù)對土壤團聚體氮庫分布特征的影響61-65
• 4.3.1 土壤全氮及堿解氮61-62
• 4.3.2 土壤輕組氮62-63
• 4.3.3 土壤礦質(zhì)氮63-65
• 4.4 各粒徑團聚體碳、氮對土壤碳、氮貢獻分析65-67
• 4.5 討論67-71
• 4.5.1 植被恢復(fù)對團聚體粒徑分布的影響67-68
• 4.5.2 植被恢復(fù)對團聚體碳、氮積累的影響68-71
• 4.5.3 團聚體有機碳、氮庫特征71
• 4.6 本章小結(jié)71-73
• 第5章 植被恢復(fù)對土壤氮素礦化的影響73-83
• 5.1 土壤氮素礦化速率及季節(jié)動態(tài)73-76
• 5.1.1 植被自然恢復(fù)下土壤氮素礦化速率73-75
• 5.1.2 植被自然恢復(fù)下土壤氮素礦化速率季節(jié)動態(tài)75-76
• 5.1.3 人工植被恢復(fù)下土壤氮素礦化速率及季節(jié)動態(tài)76
• 5.2 土壤氮素礦化特征及參數(shù)76-78
• 5.2.1 土壤氮素礦化量隨時間變化特征77
• 5.2.2 土壤氮素礦化過程的動力學(xué)模型77-78
• 5.2.3 土壤氮素礦化特征參數(shù)78
• 5.3 討論78-80
• 5.3.1 土壤凈氮礦化速率78-80
• 5.3.2 土壤氮素礦化特征參數(shù)80
• 5.4 本章小結(jié)80-83
• 第6章 鈣素形態(tài)與有機碳對土壤氮素礦化速率的影響83-93
• 6.1 植被恢復(fù)對土壤鈣素形態(tài)的影響83-87
• 6.1.1 土壤鈣素形態(tài)及含量83-87
• 6.1.2 土壤鈣素含量與土壤有機碳的關(guān)系87
• 6.2 鈣形態(tài)對土壤氮素礦化速率的影響87-88
• 6.3 有機碳、氮對土壤氮素礦化速率的影響88-89
• 6.3.1 有機碳、氮組分與氮素礦化速率的關(guān)系88
• 6.3.2 土壤團聚體氮組分與氮素礦化速率的關(guān)系88-89
• 6.4 討論89-92
• 6.4.1 土壤鈣形態(tài)及含量89-90
• 6.4.2 土壤鈣形態(tài)與土壤凈氮礦化速率的關(guān)系90-91
• 6.4.3 土壤有機碳、氮與凈氮礦化速率的關(guān)系91-92
• 6.5 小結(jié)92-93
• 第7章 碳酸鈣及有機物料添加對土壤氮素礦化特征的影響93-109
• 7.1 溫度、水分對土壤氮礦化的影響93-99
• 7.1.1 對凈氮礦化速率的影響93-95
• 7.1.2 對氨化、硝化速率的影響95-99
• 7.2 碳酸鈣與有機物料添加對土壤氮素礦化作用的影響99-104
• 7.2.1 礦質(zhì)氮含量隨時間變化99-103
• 7.2.2 凈氮礦化速率隨時間變化103-104
• 7.3 討論104-108
• 7.3.1 溫度、水分對礦化速率的影響104-105
• 7.3.2 碳酸鈣與有機物料對氮礦化的影響105-108
• 7.4 小結(jié)108-109
• 第8章 植被恢復(fù)過程中凋落葉分解特征及與土壤有機碳、氮關(guān)系109-119
• 8.1 凋落葉分解動態(tài)109-111
• 8.1.1 質(zhì)量損失動態(tài)109-110
• 8.1.2 凋落葉分解模型110-111
• 8.2 凋落葉分解過程中有機碳、氮動態(tài)111-113
• 8.2.1 凋落葉分解過程中有機碳、氮含量變化111-112
• 8.2.2 凋落葉有機碳、氮釋放率動態(tài)112-113
• 8.2.3 凋落葉C/N動態(tài)113
• 8.3 凋落葉分解與土壤碳、氮的關(guān)系113-114
• 8.4 討論114-117
• 8.4.1 凋落葉質(zhì)量損失動態(tài)114-115
• 8.4.2 凋落葉有機碳、氮釋放115-116
• 8.4.3 凋落葉分解對土壤有機碳、氮的影響116-117
• 8.5 小結(jié)117-119
• 第9章 植被恢復(fù)過程中土壤脲酶酶促反應(yīng)特征及與氮素礦化的關(guān)系119-127
• 9.1 土壤脲酶活性及季節(jié)動態(tài)119-120
• 9.2 脲酶酶促反應(yīng)動力學(xué)特征120-121
• 9.3 脲酶酶促反應(yīng)熱力學(xué)特征121-122
• 9.4 脲酶酶促反應(yīng)特征與土壤氮素礦化之間關(guān)系122-123
• 9.4.1 脲酶活性與氮素礦化間關(guān)系122-123
• 9.4.2 酶促反應(yīng)特征參數(shù)與氮素礦化間關(guān)系123
• 9.5 討論123-126
• 9.5.1 植被恢復(fù)過程脲酶活性變化123-124
• 9.5.2 植被恢復(fù)對酶促反應(yīng)特征參數(shù)的影響124-126
• 9.6 本章小結(jié)126-127
• 第10章 結(jié)論與展望127-131
• 10.1 本研究主要結(jié)論127-129
• 10.1.1 植被恢復(fù)能促進土壤有機碳、氮積累127
• 10.1.2 植被恢復(fù)過程土壤氮素供應(yīng)狀況127-128
• 10.1.3 富鈣的環(huán)境對土壤有機氮礦化的影響128-129
• 10.1.4 植被恢復(fù)過程凋落葉分解動態(tài)及與土壤碳、氮關(guān)系129
• 10.1.5 植被恢復(fù)過程土壤酶促反應(yīng)特征及與土壤氮礦化間的耦合關(guān)系129
• 10.2 本文創(chuàng)新點129-130
• 10.3 存在的問題130-131
• 10.3.1 主要存在的問題130
• 10.3.2 展望130-131
• 參考文獻131-149
• 致謝149-151
• 附錄151

【參考文獻】

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3 李光超;典型巖溶區(qū)板栗樹下土壤鈣元素的遷移及其生態(tài)效應(yīng)[D];廣西師范大學(xué);2012年

4 葛云輝;喀斯特土壤有機碳礦化與微生物對外源碳酸鈣和有機物質(zhì)的響應(yīng)[D];湖南農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

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本文編號：655252