黄土高原不同生态系统土壤有机碳特征和稳定性研究

论文编号lybs0000214990

论文标题黄土高原不同生态系统土壤有机碳特征和稳定性研究

论文作者 杨娥女

指导导师 安韶山 杨阳

授予时间2022

授予年份2022

学位级别硕士

学科专业 水土保持与荒漠化防治

主题词 活性碳库 缓效性碳库 惰性碳库 颗粒态有机碳 矿物结合态有机碳

授予单位西北农林科技大学

摘要  土壤有机碳是由复杂的、非均质的有机化合物组成的混合物。增加土壤中的有机碳储量已成为改善土壤、提高植物生产力、延缓大气二氧化碳上升和气候变化速度、同时保持生态系统质量的有效手段。以往大多数研究关注表层土壤,随着研究逐渐深入,人们对深层土壤的有机碳研究越来越重视。本研究采用时空互代法,选择黄土高原不同生态系统(草地生态系统、农田生态系统和沙地生态系统)作为研究对象,运用三库一级动力学理论探讨不同生态系统植被恢复过程中0-100cm土层土壤有机碳库和组分变化特征,揭示了不同生态系统土壤有机碳库大小和周转时间、有机碳组分含量和分配比例,阐明了不同生态系统土壤有机碳库和组分的稳定关系,研究结果对于黄土高原不同生态系统有效管理、持续利用及碳库变化和相应的生态环境效应评价具有重要的理论意义和实践价值,为更好地理解植被恢复过程的固碳机制提供科学依据。主要结果和结论如下:1.不同生态系统土壤惰性碳库含量远大于缓效性碳库和活性碳库,草地土壤,惰性碳(7.97 g.kg~(-1))>缓效性碳(4.72 g.kg~(-1))>活性碳(1.44 g.kg~(-1));农田土壤,惰性碳库(5.29 g.kg~(-1))>缓效性碳库(3.66 g.kg~(-1))>活性碳(0.73 g.kg~(-1))。有机碳释放速率前期快速分解,后期分解缓慢。说明活性碳库是微生物利用的直接来源,很快被分解,惰性碳库不易被分解,主要贡献土壤有机碳积累。2.草地土壤活性碳库(12.92%)和惰性碳库(54.46%)比例大于农田土壤(分别为7.13%和50.50%),而农田土壤的缓效性碳库(37.37%)比例大于草地土壤(31.86%)。草地地上有机物输入量大,可供微生物利用的活性碳多,相比于农田,草地的固碳能力较好,农田的活性碳向缓效性碳转移的更快,对外界干扰更敏感。3.草地封育能显著提高SOC的稳定性,封育1年、10年、15年草地各土层活性碳库周转速率较快(0.5-1.8 day),封育20年、30年和40年草地各土层活性碳库周转较慢(0.9-724.6 day),说明封育年限的增加能减缓活性碳库的周转时间,进而有利于SOC的稳定。农田生态系统各有机碳库和有机碳释放速率均为核心区农田>缓冲区农田>试验区农田,活性碳库周转时间核心区农田(221.4day)>试验区农田(140.7 day)>缓冲区农田(1.8 day),缓冲区农田土壤活性碳库周转最快。4.草地封育和结皮发育对SOC增加有正向效应。有机碳含量较高的土壤,MAOC主要贡献SOC增加,有机碳含量低的土壤,POC主要贡献SOC增加。相比裸沙,生物土壤结皮的发育增加了MAOC比例,减少了POC比例。草地和农田生态系统SOC主要以MAOC形式的碳存在。当土壤增加单位量的有机碳时,以颗粒态形式存在的有机碳沙地占45.18%,草地占8.77%,农田占5.26%,以矿物结合态形式存在的有机碳草地占59.85%,农田占55.10%,沙地占10.89%。5.POC和MAOC含量与活性碳库、缓效性碳库和惰性碳库的含量均为极显著的相关关系(p惰性碳库(0.23g.kg~(-1))>缓效性碳库(0.22g.kg~(-1))。6.农田、草地和沙地中,POC和SOC、MAOC和SOC的关系均达到极显著正相关关系(p<0.01),当增加单位量的SOC时,草地的POC增加速率最快,分别为农田和沙地的2.00倍和1.69倍,沙地的MAOC增加速率最快,分别为农田和草地的1.73倍和1.39倍,且草地土壤POC对土壤总有机碳变化响应的敏感性比农田和沙地高101.7%和70.4%。而沙地土壤MAOC对土壤有机碳变化的响应敏感性比农田和草地高72.4%和38.8%。综上所述,草地封育和结皮发育促进了土壤有机碳的积累,草地土壤有机碳稳定性较好;POC和MAOC与各土壤有机碳库均为极显著的相关关系,有机碳含量较高的土壤,MAOC主要贡献SOC增加,有机碳含量低的土壤,POC主要贡献SOC增加。