侵蚀退化地植被恢复过程中芒萁对土壤可溶性有机碳的影响

林下植被是生态系统的重要组分。通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地的土壤可溶性有机碳(DOC,Dissolved Organic Carbon)含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系。结果表明:林下植被芒萁覆盖增加了地上叶片和地下根系生物量,土壤DOC含量及储量也显著增加(P<0.05),芒萁覆盖对表层土壤(0—20cm)DOC的影响大于深层土壤(20—100cm)(P<0.05);相关分析结果表明,林下芒萁覆盖地土壤DOC储量与细根生物量的垂直变化呈显著的正相关关系(P<0.05),且随植被恢复年限的增加相关性显著增加,地下根系的垂直分布直接影响各土层DOC储量。不同植被恢复时期,林下芒萁覆盖地土壤DOC与鲜叶(马尾松+芒萁)和枯落物(马尾松+芒萁)淋溶液DOC均呈显著的正相关关系(P<0.01),而林下裸露地土壤DOC仅与鲜叶(马尾松)淋溶液DOC呈显著的相关性(P<0.01),林下芒萁覆盖地相对于裸露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶。植被恢复过程中芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于林下裸露地。因此,在植被恢复进程中,芒萁能够提供更多底物参与土壤物质与养分循环,对土壤DOC的贡献较大,为侵蚀区马尾松林恢复提供了重要的养分再吸收来源;同时芒萁覆盖增加了微生物活性,促进了微生物对土壤DOC的同化作用,提高了微生物碳源的利用率,对土壤有机碳的积累起着重要的作用。

红壤侵蚀退化地土壤对不同来源可溶性有机碳的吸附特征

选取南方典型红壤侵蚀退化地恢复后的马尾松林为研究对象,通过在室内模拟芒萁(Dicranopteris dichotoma)和马尾松(Pinus massoniana)的鲜叶与凋落叶的浸提液在侵蚀退化地原状土柱的淋溶过程,分析了植被恢复过程中马尾松林土壤对不同来源可溶性有机碳(DOC)吸附特征及影响因素。结果表明:(1)红壤侵蚀退化地对不同来源DOC的吸附作用具有明显差异,来自马尾松鲜叶的DOC平均截留量最大为2.39mg/kg,来自芒萁鲜叶的DOC平均截留量最小为1.67mg/kg,说明马尾松鲜叶的DOC更易被表层土壤吸附,芒萁鲜叶的DOC更易进入深层土壤,不同来源DOC组成和性质的差异是其主要原因。(2)随着退化地的植被恢复,土壤渗滤液的DOC浓度增加,土壤截留DOC能力下降。土壤DOC截留量与粉粒和土壤pH呈正相关,与土壤DOC含量、土壤有机碳含量和砂粒呈负相关,其中土壤有机碳含量可以解释DOC截留量变化的51.4%,是影响土壤DOC截留能力的关键因素。(3)光谱特征表明芳香类化合物、腐殖类物质易被土壤吸附,吸附能力更强的物质可以解吸土壤中亲水性腐殖类物质。淋溶后DOC光谱特征的变化由不同来源DOC的化学组成和土壤有机碳的性质共同决定。红壤侵蚀退化地对不同植物来源的DOC吸附作用特征主要受DOC和土壤SOC性质的共同调控,对进一步认识退化红壤的固碳机制具有重要参考价值。

植被恢复过程中芒萁覆盖对侵蚀红壤氮组分的影响

氮素是限制陆地生态系统生产力的重要因子。采用时空代换法,以红壤侵蚀区未治理、恢复12年和30年的马尾松林为研究对象,对比分析了林下芒萁覆盖地与裸地表层土壤之间氮同位素、不同形态氮组分含量以及不同组分氮含量所占比例之间的差异。结果表明:在所有马尾松林中,芒萁覆盖增加了表层土壤的全氮含量,δ^(15)N值则比林下裸地显著降低了33. 8%—83.1%(P<0.05)。随着恢复年限增加,林下芒萁覆盖地表层土壤δ^(15)N值显著下降,而林下裸露地δ^(15)N值没有显著变化(P>0.05)。不同恢复年限马尾松林的芒萁覆盖地表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量显著高于林下裸地(P <0.05),而硝态氮含量则显著低于林下裸地(P<0.05)。随恢复年限增加,表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮含量均呈增加趋势,而硝态氮含量则呈下降趋势,不同形态氮占全氮比例表现为:微生物生物量氮>铵态氮>可溶性有机氮>硝态氮。相关分析表明土壤δ^(15)N值与硝态氮极显著正相关,与其他氮组分极显著负相关(P<0.01)。由此可见,与林下裸地相比,芒萁覆盖在植被恢复过程中有助于提高表层土壤中全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量,降低硝态氮的淋溶损失风险,促进土壤氮保持和积累,从而有利于退化红壤生态系统的恢复。

杉木人工林凋落物添加与去除对土壤碳氮及酶活性的影响

为了解未来气候变化过程中森林生产力增加的背景下,凋落物增加如何影响土壤碳氮过程,在杉木人工林中通过模拟实验研究凋落物添加(一倍)与去除对土壤中碳氮、碳氮同位素(δ^(13)C、δ^(15)N)、微生物生物量碳氮(MBC、MBN)及酶活性的影响。结果表明:凋落物添加后土壤中氮获得酶(β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶)活性显著上升,加速对土壤中有机质的分解获取氮素;凋落物添加与去除处理对土壤碳的影响较小,土壤有机碳(SOC)与可溶性有机碳(DOC)均未发生显著变化;土壤中δ^(13)C丰度与凋落物处理之间未呈现出相关规律性,而δ^(15)N丰度在凋落物添加处理后显著上升。这些结果说明,凋落物处理对杉木林土壤中氮的影响较为敏感,对土壤碳的影响较小。因此,未来气候变化导致森林生产力提高、凋落物输入增加,可能会导致土壤中氮素的损失,迫使土壤微生物分泌更多的氮获得酶同植物竞争土壤氮,最终可能会造成土壤碳氮循环的不平衡,对整个生态系统造成严重影响。

红壤侵蚀区植被恢复过程中土壤有机碳组分变化

为了解土壤有机碳组分在植被恢复过程中的变化规律,选取了红壤区本底条件基本一致的不同恢复年限马尾松林为研究对象,以未治理的侵蚀裸地(CK1)和恢复后的次生林(CK2)为对照,采用物理化学分组法,将土壤有机碳分为由溶解性有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POM)组成的活性碳库、物理保护态的团聚体与粉粒和黏粒组合成的缓效性碳库以及化学结构稳定的惰性碳库。结果表明:在植被恢复过程中(0~30年)活性碳库储量及其分配比例在植被恢复7~10年显著提高(P<0.05),并在植被恢复27~30年保持较稳定水平,缓效性碳库储量及其分配比例在27~30年呈显著变化(P<0.05),而活性碳库分配比例有所降低,且POM、DOC与缓效性碳库均达显著相关(P<0.01),说明活性碳库在恢复7~10年后逐渐向缓效性碳库转化;惰性碳库储量随恢复年限不断增加,但其分配比例保持较稳定水平。相关性分析显示,恢复年限、不同组分与不同碳库均达显著相关(P<0.01),且缓效性碳库随植被恢复最敏感,说明在马尾松恢复过程中土壤有机碳以活性碳库积累逐渐转化为缓效性碳库积累为主,进而影响惰性碳库的积累,有利于土壤有机碳的长期保持。

模拟增温对武夷山不同海拔森林表层土壤碳氮及酶活性的影响

为了解亚热带森林土壤碳氮及酶活性对气候变暖的响应,以武夷山不同海拔的三种典型森林群落土壤为研究对象,采用把高海拔土柱置换到低海拔的方式模拟增温,探究模拟增温对土壤碳、氮、磷循环相关酶活性及土壤理化性质的影响。结果表明:土柱置换后海拔梯度上土壤温度平均增加2℃。土柱置换模拟增温导致高海拔(1400 m)土壤有机碳下降幅度最大;不同海拔土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量碳均呈下降趋势,仅高海拔达到显著水平。土柱置换对各海拔土壤水解酶活性影响较大,而对氧化酶活性没有显著影响。相反,土柱置换增温增加了各海拔土壤归一化酶活性,且高海拔土壤归一化酶活性对增温的响应程度比低海拔更大。冗余分析结果发现,土壤有机碳、可溶性有机碳、土壤温度和含水率是影响土壤酶活性变化最重要的因子。本研究表明模拟增温对高海拔土壤碳氮循环过程影响较大,其机制主要是通过提高微生物活性和分泌酶的能力来影响土壤碳氮循环过程。

武夷山不同海拔典型森林土壤有机碳和全氮储量分布特征

为探究武夷山森林土壤碳氮储量的分布特征,以武夷山国家公园不同海拔高度(600,1000,1400 m)的典型森林土壤为研究对象,研究土壤有机碳和全氮含量及储量随海拔高度的变化规律,分析了影响土壤有机碳和全氮储量变化的因子。结果表明:随着海拔的升高,土壤有机碳和全氮的含量在0—5 cm土层和5—10 cm土层变化规律不同,5—10 cm土层的土壤碳氮含量随海拔变化趋势更为明显,而0—5 cm土层的土壤碳氮含量表现为1000 m海拔较高;海拔1000 m的土壤C/N明显高于海拔1400 m和600 m;在土壤有机碳和全氮储量方面,1400 m明显高于1000 m和600 m,且高海拔区域土壤碳氮储量的变化幅度显著大于低海拔区域,两土层间差异不显著;相关分析和RDA分析表明细根C/N和土壤温度是影响土壤有机碳和全氮储量的主导因子。综上所述,土壤有机碳和全氮的分布随海拔升高并非线性增长,受到气候、植被特征及土壤状况的综合影响,高海拔地区土壤碳氮储量对气候变化的响应更为敏感。

武夷山不同海拔森林表层土壤轻组有机质特征

土壤轻组有机质是土壤有机质的重要组分,研究轻组有机质在不同森林生态系统土壤中的变化规律对理解土壤有机质形成与转换具有重要意义。以福建省武夷山国家级自然保护区不同海拔的常绿阔叶林(海拔600 m)、针阔混交林(海拔1000 m)和针叶林(海拔1400 m)为研究对象,利用密度分组方法分离了表层(0-5 cm和5-10 cm)土壤轻组有机质,研究了不同海拔森林土壤轻组有机质特征及其影响因素。结果表明:针阔混交林表层土壤的轻组有机质含量大于针叶林和常绿阔叶林(P<0.05),并且轻组有机碳的含量变化亦是如此(P<0.05),而轻组有机氮的含量无显著差异(P>0.05)。表层土壤对应土层的轻组C∶N大于土壤C∶N,针阔混交林轻组C∶N和土壤C∶N均大于其他林分类型。0-5 cm与5-10 cm土层针阔混交林的轻组有机碳、氮储量均大于针叶林和常绿阔叶林(P<0.05),并且针阔混交林的轻组有机碳、氮储量所占土壤有机碳与总氮的比重均大于其余两种林分。0-10 cm土层针叶林土壤有机碳与总氮含量与储量最高,并随海拔降低而减小,但差异不显著(P>0.05)。相关分析结果表明,轻组有机碳、氮储量与SOC、DOC、MBC和细根生物量具有显著相关关系(P<0.05),而与年凋落物量无关(P>0.05),说明地下细根可能是土壤轻组有机质的重要来源。因此,在未来气候和植被变化共同作用下,地下细根对土壤轻组有机质的形成可能具有不可忽视的作用。

氮添加对武夷山不同海拔土壤有机碳矿化的影响

氮是影响土壤碳矿化的一个重要生态因子。以福建省武夷山4个海拔(650 m,1 450m,1 850 m,2 100 m)的表层土壤(0~10 cm)为研究对象,探讨了外源氮添加对不同海拔土壤有机碳矿化的影响。结果表明:氮添加显著提高了武夷山650 m常绿阔叶林的土壤有机碳累积矿化量和矿化速率,而对其他3个更高海拔的土壤有机碳矿化没有显著影响。不同海拔土壤有机碳累积矿化量与微生物生物量碳显著负相关,与可溶性有机碳和代谢熵呈极显著正相关关系,与铵态氮和硝态氮无显著相关关系。氮添加促进了常绿阔叶林土壤微生物活性,微生物碳代谢升高,从而促进低海拔土壤有机碳的矿化。

丹江流域气候因子变化分析

利用1970—2015年丹江流域气候因子数据,采用小波分析和Mann-Kendall突变检验法,研究了丹江流域气候因子多时间尺度的周期性变化规律。小波分析结果显示,在大尺度上(23~32 a)气温的年际和季节变化规律一致,但在小尺度上(8~22、3~7 a)变化周期差异明显,且随着时间尺度的缩小,周期变化越来越频繁;降水量的年际和季节变化在不同时间尺度上呈现出不同的规律性,这种规律在大尺度上(22~31 a)相对稳定,在小尺度上(12~21、3~11 a)干湿交替频率增大、时间间隔缩小。Mann-Kendall突变检验表明,丹江流域年平均气温变化总体呈上升趋势,且在1985年增温突变,冬季气温对全年增幅贡献最大,也是年平均气温在1985年后突变增温的主要原因;年平均降水量的增加中夏季的贡献值较大,但其不稳定的变化趋势也是导致年平均降水量变频较大的主要原因;年平均日照时数的减少与年平均降水量的增加有关。

武夷山低海拔和高海拔森林土壤有机碳的矿化特征

研究不同海拔土壤有机碳矿化对深入认识不同海拔森林土壤有机碳动态变化具有重要意义.本文以武夷山低海拔和高海拔森林土壤为研究对象,通过室内模拟其在各自年平均气温(17、9℃)条件下的矿化培养试验,探讨土壤有机碳矿化特征的差异.结果表明:培养126 d后,尽管高海拔森林土壤的有机碳含量显著高于低海拔森林土壤,但低海拔和高海拔森林土壤在各自环境温度背景下的有机碳累积矿化量并无显著差异.一级动力学方程均能较好地模拟高低海拔森林土壤有机碳矿化特征,高海拔和低海拔森林土壤有机碳潜在矿化量(CP)和矿化速率常数均无显著差异,但低海拔土壤C_P/SOC值和矿化率显著高于高海拔土壤,表明在环境温度背景下,低海拔土壤固碳能力低于高海拔土壤.随着培养时间增加,高海拔土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于低海拔土壤,表明高海拔土壤微生物的碳同化量高于低海拔土壤微生物,有利于有机碳的积累.高海拔森林土壤中的β-葡萄糖甘酶和纤维素水解酶高于低海拔森林土壤,说明高海拔土壤微生物可能更多地分解活性碳.未来气候变暖可能暗示着会降低高海拔土壤有机碳固碳能力和微生物碳利用效率,从而导致土壤有机碳储量下降.

武夷山不同海拔黄山松新叶和老叶氮磷化学计量特征

土壤是植物养分的直接来源,植物叶片的养分特征在一定程度上能反映土壤养分状况。叶片氮磷比(N∶P)被广泛用于指示土壤养分有效性和养分限制性,选择对土壤养分最敏感的叶片来指示土壤养分状况具有重要意义。为比较黄山松新叶和老叶指示土壤养分状况的准确性,在福建武夷山选择了3个海拔(1100、1500和1900 m)的黄山松新叶和老叶作为研究对象,通过测定土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量,黄山松叶片N、P含量及土壤和叶片15N丰度值,并计算土壤和叶片的化学计量比,从而揭示黄山松新叶和老叶对不同海拔土壤养分状况的敏感性。结果表明:(1)不同海拔土壤氮有效性无显著差异,而土壤和叶片15N丰度值随海拔呈递增趋势,说明土壤氮素对植物的有效性随海拔升高而增加;低海拔(1100 m)土壤总P和有效P含量低于高海拔(1500和1900 m)处,且低海拔叶片P含量也显著低于高海拔;(2)黄山松新叶N、P和N∶P随海拔升高均无显著变化,且新叶N∶P与土壤养分相关性不大;老叶N、P含量与土壤养分相关性较密切,表明黄山松老叶较新叶对不同海拔土壤养分状况响应更敏感,更能指示土壤养分状况。因此,这些研究结果明晰了不同海拔植物新叶和老叶对土壤养分状况的敏感性差异,对于我们进一步了解未来气候变化背景下不同海拔植物生长对土壤养分状况变化的响应具有重要意义。