毛乌素沙地榆林沙区典型固沙林地碳汇效应与机制研究

摘要

沙漠化是我国最严重的土地退化类型之一，探究其逆转恢复过程与机制对于认知和指导沙漠化地区生态修复与重建具有重要科学意义。有机碳是土壤肥力和生态恢复效应评价的关键指标。本文以毛乌素沙地榆林沙区流沙地、半固定沙地以及恢复年限为20～51年的灌木和乔木固沙林地为研究对象，在野外调查及室内测定分析的基础上，研究了土壤地表枯落物、表层根系、土壤总有机碳和砂粒、粉粒、黏粒结合有机碳随固沙林恢复年限延长的演变特征及其关键驱动因素。主要研究结果如下:
　　(1)与流沙地相比，灌木和乔木固沙林土壤总有机碳含量随恢复年限延长呈显著增加趋势，随土层加深而呈显著降低趋势。在0～20m土层，两种固沙林地土壤有机碳含量较流沙地均显著提高。植被恢复51年时，灌木和乔木固沙林土壤总有机碳含量分别比流沙地增加了7.4倍和8.0倍。从20年到51年恢复期内，两种固沙林土壤总有机碳密度比流沙地增加了2.6～7.4倍，枯落物碳密度和根系碳密度分别比半固定沙地增加了19.0～70.5倍和2.6～8.6倍。总体来看，恢复51年的固沙林地土壤总有机碳密度是地表枯落物碳密度的5.6倍，是根系碳密度的10.4倍。
　　(2)灌木和乔木固沙林地土壤各颗粒结合碳含量均随植被恢复年限的延长呈直线增长趋势，并以表层0～10 cm增幅最高。从流沙地到恢复51年的灌木和乔木固沙林地，0～20 cm土层砂粒碳密度增长速率分别为0.11和0.12 Mg·hm-2·a-1，粉粒碳密度增速分别为0.12和0.11 Mg·hm-2·a-1，而黏粒碳密度增速仅分别为0.07和0.08 Mg·hm-2·a-1。灌木和乔木固沙林地0～20 cm土层土壤各颗粒碳密度增速平均为0～10 cm土层的2.8倍。按此增速固沙林地恢复到51年时，两种固沙林地0～20 cm土层的砂粒碳、粉粒碳及黏粒碳密度平均分别比流沙地提高7.5、25.4、4.4倍，此外，土壤颗粒结合碳对总有机碳的累积贡献率平均为粉粒碳(39.8％)≈砂粒碳(34.6％)＞黏粒碳(25.7％)。
　　(3)毛乌素沙地榆林沙区植被恢复过程伴随着土壤理化性质和生物学性质的显著变化，除了pH值和全钾含量。特别是0～10 cm土层的变化显著高于10～20 cm。在变化显著的0～10 cm土层，不同恢复年限固沙林地土壤氮、磷、钾的含量平均分别比半固定沙地增加了0.9～11.8倍、0.2～1.0倍和0.3～3.9倍;而微生物量碳氮比半固定沙地增加了1.3～8.1倍，过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性分别比半固定沙地增加了1.7～6.8倍、0.4～8.5倍、0.6～8.9倍和0.6～9.5倍。可见，研究区固沙林土壤生物学特性增幅显著高于土壤理化性质，对植被恢复响应更敏感。
　　(4)主成分分析表明，固沙林植被恢复过程土壤性质的变化可归为以生物学性质为主和以理化性质为主的两个主成分来解释，它们分别代表了土壤性质52.45％和14.82％的变异信息。按此主成分分析不同固沙林恢复状况由好到坏依次为:51年＞30年＞20年固沙林＞半固定沙地。进一步相关性分析与冗余分析(RDA)表明，土壤总有机碳、砂粒碳、粉粒碳和黏粒碳除与pH值、土壤容重、碳氮比、全钾存在负相关关系外，与其它指标均呈极显著正相关关系。并且在生物因子中，土壤碳库的增加对微生物量碳氮、过氧化氢酶和脲酶活性的变化最敏感;在土壤理化因子中，碳库的增加对全氮和速效钾的变化最敏感。
　　综上分析，毛乌素沙地榆林沙区固沙林地恢复过程表现出显著的碳汇效应，并且有机碳主要以与土壤砂粒和粉粒结合的形式固存。同时，固沙林恢复过程土壤物理、化学和生物性质均与土壤总碳库及其颗粒组分库累积密切相关，尤其以土壤微生物量碳氮、过氧化氢酶和脲酶以及全氮和速效钾对土壤碳库变化影响最明显，是毛乌素沙地固沙林土壤碳库累积的关键驱动因素。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 沙漠化及其危害

1．2．2 沙漠化的治理

1．2．3 土壤碳库变化及其影响因素

1．2．4 毛乌素沙地榆林沙区固沙林碳库研究

第二章 研究内容与方法

2．1 研究区概况

2．2 研究内容

2．3 研究方法

2．3．1 样地选取

2．3．2 样品采集

2．3．3 样品的分析测定

2．4 数据计算与统计分析

第三章 固沙林地碳汇效应与累积机制

3．1 土壤总碳库变化特征

3．2 枯落物与根系碳储量的变化特征

3．2．1 枯落物碳储量变化特征

3．2．2 根系碳储量变化特征

3．2．3 碳储量及其分配格局

3．3 土壤不同颗粒结合碳库的变化特征

3．3．1 土壤不同大小颗粒结合碳含量变化

3．3．2 土壤不同大小颗粒固碳速率

3．3．3 土壤不同大小颗粒固碳比例

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 固沙林地土壤微环境变化对土壤碳库的影响

4．1 固沙林地土壤理化特性变化特征

4．2 固沙林地土壤生物特性变化特征

4．2．1 土壤微生物量碳氮变化特征

4．2．2 土壤酶活性变化特征

4．3 影响土壤碳库变化的关键因子分析

4．3．1 土壤有机碳及各颗粒有机碳影响因子的主成分分析

4．3．2 土壤有机碳及各颗粒有机碳与土壤理化性质相关性分析

4．3．3 土壤有机碳及各颗粒有机碳与土壤生物学性质相关性分析

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 主要结论

参考文献

缩略词

致谢

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