东北温带土地利用变化对土壤团聚体稳定性及有机碳组分的影响

【摘要】土地利用方式变化是影响土壤碳储量的重要因素。森林采伐后转变成其他土地利用方式常常导致土壤有机碳大量损失。近年研究认为天然林向人工林和农田转变可使土壤团聚体遭到破坏,使土壤有机碳失去物理性保护,导致土壤有机碳大量分解和释放。目前关于不同土地利用方式对土壤碳库的动态过程与影响机理的认识仍有尚不清楚之处,其主要原因是土壤总有机碳是由复杂的不同有机碳组分构成。因此,揭示土地利用变化对土壤有机碳影响的关键就是要研究土壤有机碳的不同组分。本文选取东北温带地区具有代表性的次生林、人工林(红松林、落叶松林、云杉林、水曲柳林、落叶松水曲柳混交林)和农田为研究对象,探讨土地利用方式变化对土壤团聚体稳定性及有机碳组分的影响,旨在为科学地经营森林,有效地调控土壤碳库提供理论依据。研究结果如下：1、不同土地利用方式(次生林、人工林、农田)对水稳性团聚体的影响较大。粒径>2mm水稳性团聚体含量次生林最高,人工林次之,农田最低,而粒径<0.25mm水稳性团聚体变化规律则完全相反。次生林、混交林和水曲柳林相对其它土地利用方式,有利于增加较大粒径水稳性团聚体的比例。不同土地利用方式下,林地人为干扰小,土壤结构稳定性较高,土壤水稳性团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)由大到小依次顺序为：次生林最高,其次混交林,水曲柳林,次之针叶林,最低是农田,次生林、混交林与农田相比较,土壤水稳性团聚体MWD和GMD分别提高了58.1%、52.3%和41.0%、35.1%。;农田土壤水稳性团聚体分形维数最高,次生林和人工林低,特别是混交林和落叶松人工林更低。2、不同土地利用方式所有林分均与农田差异显著(P<0.05),不同土壤团聚体粒径间均表现出随土壤团聚体粒径的减小而降低,且粒径>2mm团聚体最高。以表层而言,不同土地利用方式土壤团聚体中有机碳含量的排列顺序：次生林>水曲柳林>混交林>针叶林>农田。七种土地利用方式土壤团聚体有机碳的贡献率表现为一致的顺序；粒径>2mm团聚体为最高,其次是粒径2-lmm,1-0.5mm,0.5-0.25mm团聚体,粒径<0.25mm最低。不同土地利用方式下土壤团聚体有机碳的富集系数,次生林和水曲柳人工林在粒径为<0.25mm、0.5～0.25mm和1～0.5mm的团聚体高,针叶林和混交林富集系数集中在<0.25mm,0.5～0.25mm粒径最高。不同土地利用方式下,土壤总有机碳与粒径1～0.5mm团聚体有机碳相关系数最大,说明粒径1～0.5mm团聚体是土壤有机碳的主要载体。3、由次生林转变为人工林和农田,土壤团聚体轻组有机碳(LFOC)含量和和分配比例明显下降。不同土地利用方式均表现为粒径2～1mm土壤团聚体LFOC含量和分配比例最高,粒径0.5～0.25mm为最低。>0.25mm土壤团聚体LFOC含量顺序为：水曲柳林>次生林>混交林>针叶林>农田,>0.25mm团聚体LFOC分配比例顺序为：人工林>次生林>农田。土地利用方式土壤团聚体POC含量和POC的分配比例,整体上均随着团聚体粒径增大而增加的趋势,不同土地利用方式均表现为粒径>2mm土壤团聚体POC含量最高,粒径0.5-0.25mm为最低。>0.25mm土壤团聚体POC含量顺序为：次生林、水曲柳林、混交林、针叶林,最后为农田；>0.25mm团聚体POC分配比例顺序为：水曲柳林>混交林>次生林>针叶林>农田。土壤>0.25mm水稳性团聚体(WSA)含量与土壤总有机碳、LFOC含量和POC含量呈显著的正相关(P<0.05)。次生林转为人工林、农田,特别是针叶林和农田耕作使土壤团聚体LFOC和POC大量损失,主要是土壤>0.25mm水稳性团聚体有机碳大量损失的结果。4、土地利用方式下土壤团聚体游离颗粒有机碳(fPOM)含量各粒径的排列顺序：>2mm>2～1mm>1～02.5mm>0.25～0.053mm>0.053mm。从表层到亚表层,就粒径>2mmm团聚体次生林转为农田而言,其土壤团聚体fPOM含量下降幅度最高,下降了8.00g.kg-1。特别在粒径>2mm团聚体,而且所有林分间次生林与水曲柳林、混交林土壤团聚体游离颗粒有机碳含量差异不显著(P>0.05)。不同土地利用方式土壤团聚体闭蓄颗粒有机碳(oPOM:oPOM<1.6+oPOM1.6-2.0)高于土壤团聚体fPOM。各粒径团聚体土壤oPOM含量随粒径减小而呈下降趋势。从次生林转为农田,土壤团聚体闭蓄颗粒有机碳oPOM1.6-2.0含量下降幅度明显低于表层的50%以上。在粒径>2mmm团聚体中,次生林、人工林与农田土壤闭蓄颗粒有机碳POM<1.6含量差异显著(P<0.05),其次生林与水曲柳林、混交林差异不显著(P>0.05)。不同土地利用方式对土壤矿物结合碳(Mineral:Mineral>o.o53mm和Mineral<o.o53mm)含量,随土层加深而逐渐下降,且随团聚体粒径的减小而呈下降趋势。土地利用方式土壤团聚体内颗粒有机碳组分含量的排列顺序：土壤游离颗粒有机碳<土壤闭蓄颗粒有机碳<土壤矿物结合碳含量。说明土壤矿物结合碳表现出比土壤oPOM更稳定,因此,附着在矿物颗粒有机物质似乎是更耐矿化。次生林、人工林土壤矿物结合碳含量均高于农田,所有粒径间均表现为次生林与人工林差异显著(P<0.05)。不同土地利用方式对土壤团聚体内颗粒有机碳组分的贡献率随土层不断加深而逐渐减少,并随土壤粒径的减小而下降。除水曲柳林外,次生林与人工林土壤团聚体游离颗粒有机碳的贡献率差异显著。不同土地利用方式土壤团聚体oPOM的贡献率在>0.25mm团聚体最大,同样土壤矿物结合碳贡献率也表现在大粒径团聚体最高。因而,不同土地利用方式,不仅影响土壤总有机碳的含量,而且也影响相对团聚体水平上土壤有机碳的不同组分的含量,并能够改变土壤有机碳组分的结构、稳定和功能。
【作者】郑红；
【导师】张彦东；
【作者基本信息】东北林业大学，森林培育，2014，博士
【关键词】土地利用方式；团聚体；有机碳；轻组有机碳；颗粒有机碳；有机碳组分；

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