林火对大兴安岭多年冻土土壤碳氮储量的影响

在北方多年冻土区,森林火灾不仅影响森林生态系统的土壤属性,还会对多年冻土环境、土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量及储量造成影响。中国东北多年冻土区位于欧亚多年冻土带的南缘,在气候变化和人类活动影响下,多年冻土正在发生广泛退化,进而影响多年冻土中碳排放与碳氮储量,对气候变暖形成正反馈效应。本研究选择大兴安岭北部阿龙山镇2009年火烧迹地,以未火烧样地作为对照,研究不同火烧强度(轻度和重度火烧)对多年冻土区SOC和TN含量及储量的影响。结果表明:(1)SOC和TN含量和储量在不同火烧强度下差异显著。随火烧强度的增加,SOC和TN含量和储量逐渐降低。与未火烧样地相比,SOC含量在轻度和重度火烧样地分别降低9.78%和65.11%;SOC储量在轻度和重度火烧样地分别降低9.29%和68.48%;TN含量在轻度和重度火烧样地分别降低1.99%和52.49%;TN储量在轻度和重度火烧样地分别降低3.23%和51.61%。随着土壤深度的增加,SOC和TN含量逐渐降低;SOC储量在未火烧样地呈波动式变化,轻度火烧样地先增加后降低,重度火烧逐渐降低;土壤TN储量在未火烧和轻度火烧样地呈波动式变化,在重度火烧样地呈逐渐降低的趋势。(2)随着火烧强度的增加,土壤温度逐渐增加。在0~100 cm深度,与未火烧样地相比,土壤温度在轻度和重度火烧样地分别增加了(0.87±0.18)℃和(9.09±0.37)℃;土壤含水量(SMC)在轻度火烧样地增加(17.79±3.36)%,在重度火烧样地降低(16.71±2.92)%。随着土壤深度的增加,土壤温度和SMC呈下降趋势。(3)冗余分析(RDA)表明,微生物生物量氮(MBN)是影响火后土壤碳氮含量及储量的关键因子,解释率为65.6%(P=0.002)。土壤SOC和TN含量与土壤温度、SMC、土壤铵态氮(NH_(4)^(+)-N)、微生物生物量碳(MBC)和MBN呈显著正相关,与火烧强度、土壤深度和pH呈显著负相关。SOC和TN储量与火烧强度、土壤深度、土壤温度、容重以及土壤硝态氮(NO_(3)^(-)-N)呈显著负相关。综上所述,林火对SOC和TN储量产生了显著影响,导致SOC和TN储量损失,改变了碳氮库的分布格局,降低了土壤碳氮库的稳定性。森林火灾对多年冻土区SOC和TN含量及储量的研究对生态系统碳平衡及寒区生态环境的管护具有重要意义,并且可以为北方多年冻土区SOC和TN储量提供重要数据参考。

1940-2002年长江中下游平原乡村景观区域中耕地类型及其土壤氮磷储量的变化

过去60a间,长江中下游平原乡村景观区域中土地利用覆被类型,特别是耕地类型发生了显著地转变,并对其土壤全氮和全磷产生了明显地影响。通过选取区域代表性样方、研究耕地类型的小尺度转化、土壤取样和收集1965年前土壤全氮、全磷历史数据,采用尺度推绎和蒙特卡洛不确定性分析方法,评价了1940-2002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中耕地类型及其土壤全氮、全磷储量的变化。结果表明:近60a来,在86×103km2的区域中有47%的面积发生了变化,其中33%的面积是耕地类型转化。耕地面积减少18.6%(-16.0×103km2),其中稻田面积减少21.5%(-18.5×103km2),种植木本作物的旱地面积减少1.7%(-1.5×103km2);而种植木本作物和种植1年生作物的水浇地的面积分别增加了3.5%(3.0×103km2)和2.0%(1.7×103km2)。尽管稻田面积大幅减少,但其仍是区域中面积最大的土地利用覆被类型。1940-2002年,有98%的可能性区域耕地0-30cm土壤全氮储量净减少,而其0-30cm土壤全磷储量则无明显变化。区域耕地土壤全氮储量明显减少(-7.2Tg N),主要受稻田土壤全氮储量显著减少(-8.0Tg N)的影响,而稻田面积大幅减少是导致稻田土壤全氮储量减少的主要原因。与此同时,种植木本作物的旱地的土壤全氮储量减少了0.7Tg N;而种植木本作物和种植1年生作物的水浇地分别增加1.3和0.7Tg N。区域耕地土壤全磷储量变化不明显,主要受稻田土壤全磷储量无明显变化的影响。尽管稻田面积大幅减少,但由于稻田土壤全磷密度增加了29%(其净增加的可能性为76%);加之稻田土壤全磷密度变异较大,所以稻田土壤全磷储量并没有明显减少,其净减少的可能性仅为64%。与此同时,有75%的可能性种植木本作物的旱地的土壤全磷储量净减少,但仅减少了0.3Tg P;而种植木本作物的水浇地和种植1年生作物的水浇地土壤全磷都有少量增加,分别为0.7和0.4Tg P。通过选取区域代表性样方、研究耕地类型的小尺度转化、土壤取样和收集土壤历史数据、结合尺度推绎和蒙特卡洛不确定性分析方法,能够揭示1940-2002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中耕地类型及其土壤全氮和全磷储量的变化。

紫色土丘陵区小流域不同土地利用方式土壤氮磷储量特征

[目的]了解紫色土丘陵区小流域不同土地利用方式下土壤氮磷特征。[方法]采集典型小流域林地、旱地、水旱轮作田的分层土壤样品,研究不同土地利用方式下土壤氮磷含量及储量变化,探讨土地利用方式对紫色土丘陵区小流域土壤氮磷库的影响。[结果]3种土地利用方式下,土壤全氮、硝态氮、全磷含量存在显著差异,相同土层土壤全氮含量表现为水旱轮作田>林地>旱地,旱地和水旱轮作田的硝态氮、全磷含量显著高于林地。土壤全氮、硝态氮、全磷含量均随土壤深度增加而下降,表现出明显的表聚性。土壤全氮储量表现为水旱轮作田(684 t/hm2)>旱地(448 t/hm2)>林地(372 t/hm2);土壤全磷储量与土壤全氮储量变化规律相似,水旱轮作田土壤全磷储量(389 t/kg)最高,其次是旱地(373 t/hm2)和林地(153 t/hm2);林地与旱地、水旱轮作田土壤硝态氮储量具有显著差异,且表现为旱地(104.68 kg/hm2)>水旱轮作田(79.70 kg/hm2)>林地(14.81 kg/hm2)。[结论]紫色土丘陵区林地土壤养分固持潜力较大,而耕地土壤氮磷等养分流失风险较高。

基于FD和ESM法的黄土丘陵区典型流域土壤碳氮含量及储量研究

为准确估算黄土丘陵区典型流域土壤有机碳氮储量,基于网格法在王茂沟流域挖掘202个土壤剖面,分层采集了0~100 cm土层土壤样品,以土地利用方式为基本单元,基于固定深度法(FD)和等效质量法(ESM)分析了王茂沟流域不同土地利用方式下土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)储量特征。结果表明:流域内坡耕地转变为梯田、林地和草地后,0~20 cm土层SOC和TN含量均呈增加趋势,但增加量没有达到显著水平;坝地各土层SOC含量略小于坡耕地,但20~100 cm各土层TN含量显著高于坡耕地。基于FD法和ESM法的计算结果均表明,坡耕地转变为林地和草地后,SOC和TN储量均呈明显增加趋势,坝地SOC储量与坡耕地无显著差异,TN储量显著高于坡耕地。FD法计算的王茂沟流域总SOC和TN储量分别为694.97 Mg和24.18 Mg,而ESM法计算的流域总SOC和TN储量分别为665.03 Mg和23.30 Mg,FD法高估了流域总SOC和TN储量。该研究表明,退耕还林(草)可以在一定程度上提高土壤SOC和TN储量,坝地具有较高的土壤SOC和TN储量,尤其是TN储量。未来估算流域不同土地利用方式土壤碳氮储量时,应考虑计算方法对结果的影响。

轮耕模式对黄淮海冬小麦—夏玉米两熟区农田土壤改良效应

目的针对黄淮海地区长期采用单一土壤旋耕作业存在的弊端,研究由秸秆覆盖深松、秸秆还田旋耕和秸秆还田深耕组成的不同轮耕模式对黄淮海两熟区农田的土壤改良效应。【方法】连续6年定位实施5种轮耕模式:连年旋耕(CRT,CK)、连年深松(CST)、连年深耕(CDT)、深耕/旋耕(DT/RT)和深耕/旋耕/旋耕(DT/RT/RT),研究各轮耕模式对冬小麦-夏玉米农田土壤三相比R值、土壤有机碳储量、全氮储量、土壤酶活性、土壤呼吸速率和作物经济效益的影响。【结果】轮耕模式、耕层深度、年份对土壤三相比R值、土壤有机碳储量、全氮储量和酶活性存在显著或极显著影响。与连年旋耕相比,连年深松模式有利于表层土壤有机碳储量、氮储量、土壤脲酶和蔗糖酶活性的积累,而连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕轮耕模式有利于增加10—40 cm土层的有机碳储量、氮储量、土壤脲酶和蔗糖酶活性,促进土壤营养均匀分布。随着轮耕年限的增加,0—40 cm土层的R值呈整体降低趋势,而土壤有机碳储量、全氮储量呈整体增加趋势,其中深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕轮耕模式表现更为明显。与试验开展前相比,秸秆全量还田下的连年旋耕、连年深松、连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式在0—40 cm土层的R值分别降低20.8%、33.1%、29.5%、29.7%和30.7%,有机碳储量分别增加6.4%、14.5%、16.0%、20.6%和23.8%,全氮储量分别增加3.1%、11.1%、11.6%、13.3%和15.7%。轮耕模式对土壤呼吸速率存在极显著影响,与连年旋耕相比,连年深松、连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式冬小麦季的土壤呼吸速率分别提高20.7%、19.3%、13.7%和9.2%,夏玉米季分别提高19.1%、18.1%、15.2%和10.4%。但与连年深耕相比,深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式冬小麦季的土壤呼吸速率分别显著降低5.9%和9.6%,夏玉米季分别降低3.3%和7.3%。其中,深耕/旋耕/旋耕模式冬小麦季的土壤呼吸速率比深耕/旋耕降低4.1%,夏玉米季降低4.3%。轮耕模式、年份及其交互对作物产量和经济效益存在极显著影响。对5种轮耕模式6年的作物周年产量和经济效益综合分析,以深耕/旋耕模式最高,但与深耕/旋耕/旋耕模式的作物产量和经济效益差异均不显著。深耕/旋耕/旋耕、深耕/旋耕、连年深耕和连年深松的周年产量比连年旋耕分别增加18.9%、21.4%、12.9%和15.7%,其经济效益比连年旋耕分别增加31.9%、36.2%、20.3%和25.4%。【结论】深耕/旋耕/旋耕轮耕模式能够改善耕层结构,增加土壤耕层碳氮储量和根区酶活性,且显著降低农田碳排放量,增产增收效果明显,为黄淮海地区冬小麦-夏玉米两熟制农田适宜的轮耕模式,其次是深耕/旋耕轮耕模式。

基于SHAP值方法的乌拉特梭梭(Haloxylon ammodendron)林保护区土壤表层碳氮储量及其影响因素研究

土壤碳氮储量对陆地生态系统碳氮循环及全球变化研究具有重要意义。为了阐明乌拉特梭梭(Haloxylon ammodendron)林国家级自然保护区土壤碳氮储量分布与变化规律,利用相关性分析、随机森林与SHAP解释方法确定影响土壤碳氮储量的关键因子。本研究采用可通行路线网格布点法,在保护区内布设61个调查点,采集表层土壤(0~20 cm),测定土壤碳氮储量,分析其主要影响因素。结果表明:乌拉特梭梭林保护区内土壤全碳和全氮储量在空间上均呈现西高东低、北高南低的特点,其中核心区的全碳储量(1429.91 g·m^(-2))显著高于缓冲区(1194.09 g·m^(-2))和试验区(986.36 g·m^(-2));不同区域的全氮储量差异不显著(P>0.05),核心区、缓冲区、试验区分别为76.79、62.39、51.28 g·m^(-2);pH、电导率、梭梭树高度、物种丰富度、植被盖度和草本生物量在3个区域差异显著(P<0.05)。影响梭梭林保护区表层土壤全碳储量的关键因子为土壤全碳、土壤全氮、土壤含水率、电导率、容重、梭梭树高度、植物密度和pH,SHAP分析表明土壤容重、pH与土壤全碳储量呈负相关,其余因子与土壤全碳储量均呈显著性正相关;影响土壤全氮储量的关键因子为土壤全氮、土壤全碳、电导率、容重、土壤含水率、梭梭树高度、植被盖度、碳氮比和植物密度,SHAP分析表明土壤容重、碳氮比与土壤全氮储量呈负相关,其余因子与土壤全氮储量均呈显著性正相关;基于SHAP值计算的平均因子贡献率表明,保护区内较低的植物密度是限制土壤碳氮储量的关键因素。本研究同时发现,当梭梭树的平均高度高于2 m时对土壤碳氮储量的贡献有显著提升,因此加强对保护区内梭梭林的管理对提升土壤质量具有积极作用。

Analysis on Variation of Soil Organic Carbon and Total Nitrogen Content and Carbon Storage in the Oasis Cotton Field of Manas River Valley

Objective] The research aimed to study soil organic carbon and total ni-trogen distribution in oasis cotton farmland. [Method] With the oasis cotton field of Manas River Val ey in Tianshan Mountains as the research area and abandoned farmland as a control, the distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen content in the cotton field of Manas River Val ey in the last 23 years were investigated by using geographic methods. [Result] Presenting vertical distribution, cotton soil organic carbon and total nitrogen content in Manas River Val ey de-creased with the increase of soil depth, and those in 0-30 cm soil layer was sig-nificantly higher than those in soil layer of below 30 cm, while organic carbon stor-age showed the trend of increase. Also in vertical distribution, soil organic carbon and total nitrogen decreased significantly with the increase of soil depth, and soil organic carbon content in abandoned farmland decreased month by month. Howev-er, cotton soil organic carbon storage firstly decreased and then increased in the oasis cotton field that in the early growth of cotton, soil organic carbon in the layers of 0-30 and 30-100 cm decreased to the lowest in the bloom stage, and then or-ganic carbon increased with the reproductive growth of cotton into the later stages. However, due to no input of plant litter in the abandoned farmland, the soil organic carbon storage decreased month by month. There were significantly differences be-tween oasis cotton field and abandoned farmland in organic carbon contents. [Con-clusion] The soil organic carbon content and total nitrogen content in oasis cotton field were significantly higher than those in the abandoned farmland. The soil organ-ic carbon storage increased in the layer of 0-30 cm, while there was no significant change of soil organic carbon and total nitrogen content in the layer of 30-100 cm, which was consistent with the previous study on the distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen content profile.