退耕还林坡地土壤CO_2排放的空间变化:地形的控制作用

【目的】退耕还林还草引起地表植被盖度变化不仅能有效控制坡耕地的土壤侵蚀,而且会显著增加土壤有机碳储量。但目前关于退耕坡地人工恢复植被后土壤CO2排放的空间变化及其控制机理却较少研究,增大了定量估算退耕还林工程土壤碳循环效应的不确定性。本文以黄土丘陵典型退耕还林坡地为对象,研究了土壤CO2排放的空间变化及其控制机理,为进一步认识黄土高原有机碳库周转和估算陆地生态系统碳收支提供科学依据。【方法】为了确定人工林山坡土壤CO2排放空间变异及其影响因素,将人工林全山坡划分为峁顶、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部5个坡位,并按照从峁顶到坡下部沿顺坡断面每间隔10 m确定一个研究小区,利用点测法测定不同植被类型盖度,利用原状根钻采集土壤剖面样品用于测定根系密度、土壤有机碳(SOC)含量和137Cs面积含量,并利用LI-8100碳通量自动测量仪原位测定土壤CO2排放速率的季节变化,同时测定土壤水分和表层土壤5cm深度的温度,利用相关回归分析法确定影响土壤CO2排放空间变化的主要因素。【结果】试验期间,不同坡位土壤CO2排放速率均表现为夏季>秋季>春季。与春季相比,人工林全山坡土壤CO2排放速率的平均值在夏、秋季分别增加了48%和9%。研究期内人工林坡地土壤CO2排放速率在春、夏、秋三个季节具有相同的空间分异特征,其平均值的大小为峁顶(参考点)[2.51±0.07μmol/(m2·s)]>峁坡[2.19±0.17μmol/(m2·s)]>坡下部[1.88±0.12μmol/(m2·s)]>坡中部[1.71±0.09μmol/(m2·s)]>坡上部[1.62±0.12μmol/(m2·s)]。与峁顶参考点相比,坡上部和坡中部的137Cs面积含量分别减少了46%和29%;峁坡和坡下部的137Cs面积含量分别增加了88%和52%,这说明研究区人工林山坡的坡上部发生了严重土壤侵蚀,坡中部发生了轻度土壤侵蚀,而峁坡和坡下部则发生了土壤堆积,尤以峁坡的土壤堆积最为显著。人工林坡地土壤CO2排放的空间变化与地形坡度、137Cs面积含量(土壤侵蚀指标)均呈显著相关关系(P<0.01),与土壤水分、土壤温度和SOC储量只在夏季有显著相关(P<0.01),在其它季节无显著相关性;人工林坡地土壤CO2排放的空间变化与植被根系密度无明显相关性。【结论】地形坡度变化驱动的土壤侵蚀和堆积过程是控制黄土丘陵区人工林坡地土壤CO2排放空间分异的主要因子,应在定量评价退耕还林工程的土壤固碳效应时予以考虑。

人工林植被细根防蚀拦沙作用的有效性

选择我国西南山地典型人工林为对象,调查全山坡人工林的植被盖度及根系密度,利用137Cs示踪技术确定人工林坡地土壤侵蚀速率,探讨人工林坡地植被盖度及其细根与土壤侵蚀的关系。结果表明:整个人工林坡地表现为严重土壤侵蚀,侵蚀速率达25.25t/(hm2·a)。不同类型植被覆盖下土壤侵蚀再分布速率为祼地(-36.32t/(hm2·a))<乔木(-0.57t/(hm2·a))<灌木(0.53t/(hm2·a))<草(0.60t/(hm2·a))。回归分析表明,人工林坡地土壤侵蚀速率与植被盖度无显著相关性,土壤侵蚀速率随<1mm的植被细根密度的增加而降低,二者之间呈显著负相关关系(P<0.01),但与>10mm径级的植被粗根密度没有显著相关性。人工林地植被细根控制土壤侵蚀的有效性可以用植被细根密度与土壤再分布速率的关系方程来定量评价。当植被细根密度为60～100g/m2时,可以看作人工林植被防蚀拦沙的有效根密度。结果表明,植被细根在控制坡地土壤侵蚀比植被盖度更为重要。因此,禁牧保护植被细根是控制人工林地土壤侵蚀与土地退化的有效措施。