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黄土高原次生林区植被恢复过程中土壤结构与土壤有机碳特征研究

作　者: 马帅
导　师: 赵世伟
学　校: 中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）
专　业: 土壤学
关键词: 植被恢复土壤结构有机碳组分贡献率
分类号: S714
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

子午岭北部次生落叶阔叶林是1866年当地人口外迁后,主要在弃耕地上逐渐恢复的,是黄土高原腹地少有的天然林。本文选取黄土高原子午岭次生林区植被恢复过程中坡耕地、弃耕地、草地、灌木林地和乔木林地的典型样地为对象,进行野外调查、采样和室内分析。应用物理方法对土壤有机碳及团聚体有机碳进行分组,研究子午岭林区植被恢复过程中土壤结构特征、有机碳库及其组分(颗粒有机碳、矿物结合态有机碳、轻组有机碳、重组有机碳)及其在团聚体中分布的变化规律,为在此基础上探讨子午岭林区土壤有机碳保护机制提供依据。主要研究结果如下:(1)植被恢复对土壤有机碳含量及其组分的影响0-100cm剖面整体土壤总有机碳(Soil organic carbon, SOC)、土壤颗粒有机碳和土壤矿物结合态有机碳含量随植被恢复进程表现为坡耕地、弃耕地<草地、灌木林地<乔木林地。乔木林地土壤有机碳、土壤颗粒有机碳和土壤矿物结合态有机碳含量0-100cm土层加权平均值分别为6.15,2.24和3.90mg/g,较坡耕地分别提高73.6%,173.6%和43.5%。0-20cm土层整体土壤轻组有机碳含量随植被恢复进程表现最为坡耕地<弃耕地<草地、灌木林地<乔木林地,坡耕地土壤轻组有机碳含量0-20cm土层加权平均值为0.69 mg/g,乔木林地土壤轻组有机碳含量0-20cm土层加权平均值为2.20 mg/g,比坡耕地提高218.8%。0-20cm土层整体土壤重组有机碳含量随植被恢复进程表现最为坡耕地<弃耕地<草地、灌木林地<乔木林地,坡耕地土壤重组有机碳含量0-20cm土层加权平均值为6.24 mg/g,乔木林地土壤重组有机碳含量0-20cm土层加权平均值为12.59 mg/g,比坡耕地提高101.8%。不同土层土壤总有机碳及其组分(颗粒有机碳、矿物结合态有机碳、轻组有机碳和重组有机碳)含量均随植被恢复进程逐渐提高,随土层的加深,植被对土壤有机碳及其组分的影响减弱,在0-5cm土层土壤总有机碳及其组分(颗粒有机碳、矿物结合态有机碳、轻组有机碳和重组有机碳)受植被恢复影响最强,0-5cm土层土壤总有机碳、颗粒有机碳(Particulate organic carbon, POC)、轻组有机碳(Light fraction organic carbon, LFOC)、矿物结合态有机碳(Mineral associated organic carbon, MOC)和重组有机碳(Heavy fraction organic carbon, HFOC)含量分别为8.75,4.32,1.04,4.43和7.17mg/g,乔木林地分别比坡耕地提高192.7%,310.3%,366.3%,78.0%和170.2%。(2)植被恢复对土壤结构稳定性的影响植被恢复各阶段0-5和5-10cm土层中,>5,5-2和2-1mm粒级团聚体含量均比坡耕地有较大幅度提高,1-0.5和0.5-0.25mm粒级团聚体含量与坡耕地相比变化不大;在10cm以下土层植被恢复各阶段>5,5-2,2-1,1-0.5和0.5-0.25mm粒级团聚体含量均比坡耕地有所提高,随土层加深,>1mm团聚体含量随植被恢复进程的提高幅度逐渐减小,1-0.5和0.5-0.25mm团聚体随植被恢复进程的提高幅度逐渐增大。子午岭林区植被自然恢复可以提高土壤中>0.25mm水稳性团聚体含量,降低团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数,改良土壤结构。除灌木林地土壤结构稳定性比草地有所降低外,土壤结构稳定性随植被恢复进程逐渐提高,乔木林地土壤结构稳定性达到最高。>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数与土壤有机碳含量之间呈对数相关关系。当有机碳含量低于20.9mg/g时,随土壤有机碳含量增加,>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数变化较为明显,当土壤有机碳含量达到并高于20.9mg/g时,这三个指标变化渐趋稳定。根据这一阈值,在草地和乔木林地的0-5cm土层土壤有机碳含量达到并高于20.9mg/g,其土壤结构趋于稳定。(3)植被恢复对团聚体有机碳含量、组分及其分布的影响在0-5和5-10cm土层除弃耕地与坡耕地差异不显著,灌木林地比草地有所下降外,各粒级聚体有机碳、团聚体矿物结合态有机碳和团聚体重组有机碳含量随植被恢复进程逐渐提高。在0-5和5-10cm土层除灌木林地比草地有所降低或与草地差异不显著外,各粒级团聚体颗粒和团聚体轻组有机碳含量有机碳含量均随植被恢复进程逐渐提高。(4)植被恢复对团聚体有机碳及其组分贡献率的影响在0-20cm土层,>1mm团聚体对土壤有机碳的贡献随着植被恢复进程逐渐增大,<1mm团聚体对土壤有机碳的贡献逐渐减小。在0-5cm、5-10cm土层,>1mm团聚体对土壤颗粒有机碳和轻组有机碳的贡献随植被恢复进程逐渐增大,<1mm团聚体对土壤颗粒有机碳和轻组有机碳的贡献逐渐减小;在10-20cm土层,>0. 5mm团聚体对土壤颗粒有机碳和轻组有机碳的贡献随植被恢复进程逐渐增大,<0.5mm团聚体对土壤颗粒有机碳和轻组有机碳的贡献逐渐减小。在0-5和5-10cm土层,>1mm团聚体对土壤矿物结合态有机碳和重组有机碳的贡献随植被恢复进程逐渐提高,<1mm团聚体对土壤矿物结合态有机碳和重组有机碳的贡献逐渐降低;在10-20cm土层随植被恢复进程>0.25mm团聚体对土壤矿物结合态有机碳和重组有机碳的贡献逐渐提高,<0.25mm团聚体对土壤矿物结合态有机碳和重组有机碳的贡献逐渐降低。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-10
ABSTRACT  10-16
第一章绪论  16-26
  1.1 选题目的及意义  16-18
  1.2 国内外研究进展  18-25
    1.2.1 植被恢复对土壤结构的影响  18
    1.2.2 植被恢复对土壤有机碳及其组分的影响  18-22
      1.2.2.1 植被恢复对土壤有机碳的影响  18-19
      1.2.2.2 植被恢复对土壤有机碳组分的影响  19-22
    1.2.3 土壤固碳潜力及现状研究进展  22-23
    1.2.4 土壤固碳机制研究进展  23-24
      1.2.4.1 化学稳定机制  23
      1.2.4.2 物理保护机制  23
      1.2.4.3 生物化学稳定机制  23-24
    1.2.5 团聚体物理保护对土壤固碳的影响  24-25
  1.3 存在问题及选题目标  25
  1.4 研究内容  25-26
第二章材料与方法  26-30
  2.1 研究区概况  26
  2.2 样地选择与样品采集  26-27
  2.3 分析方法  27-29
    2.3.1 测定方法  27-28
      2.3.1.1 土壤有机碳测定  27
      2.3.1.2 土壤团聚体含量测定  27
      2.3.1.3 土壤轻组和重组有机碳  27-28
      2.3.1.4 土壤颗粒和矿物结合态有机碳  28
      2.3.1.5 团聚体有机碳及其组分测定  28
    2.3.2 数据处理与分析  28-29
      2.3.2.1 土壤总有机碳及其组分含量的计算  28
      2.3.2.2 团聚体总有机碳及其组分含量的计算  28
      2.3.2.3 团聚体有机碳或其组分对土壤有机碳或其组分贡献率的计算  28
      2.3.2.4 团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数的计算  28-29
      2.3.2.5 统计分析  29
  2.4 技术路线  29-30
第三章土壤有机碳积累及其在团聚体中分布特征  30-36
  3.1 植被恢复对0-100cm 剖面土壤有机碳的整体影响  30-31
  3.2 植被恢复对不同土层土壤有机碳的影响  31
  3.3 植被恢复对土壤团聚体有机碳含量的影响  31-33
  3.4 植被恢复对土壤各粒级团聚体有机碳贡献率的影响  33-35
  3.5 小结  35-36
第四章植被恢复对土壤结构稳定性特征的影响  36-47
  4.1 植被恢复过程中土壤团聚体含量的变化  36-40
  4.2 植被恢复对土壤>0.25mm 水稳性团聚体含量的影响  40-41
  4.3 植被恢复对土壤团聚体破坏率的影响  41-42
  4.4 植被恢复对土壤团聚体分形维数的影响  42-43
  4.5 团聚体稳定性与土壤有机碳相关性  43-45
  4.6 小结  45-47
第五章土壤颗粒有机碳积累及其在团聚体中的分布特征  47-54
  5.1 植被恢复对0-100cm 剖面土壤颗粒有机碳的整体影响  47-48
  5.2 植被恢复对不同土层土壤颗粒有机碳的影响  48
  5.3 植被恢复对0-20cm 土层团聚体颗粒有机碳的整体影响  48-49
  5.4 植被恢复对各土层团聚体颗粒有机碳的影响  49-51
  5.5 植被恢复对各土层土壤团聚体颗粒有机碳贡献率的影响  51-53
  5.6 小结  53-54
第六章土壤轻组有机碳积累及其在团聚体中的分布特征  54-61
  6.1 植被恢复对0-20cm 剖面土壤轻组有机碳的整体影响  54-55
  6.2 植被恢复对不同土层土壤轻组有机碳的影响  55
  6.3 植被恢复对0-20cm 土层团聚体轻组有机碳的整体影响  55-56
  6.4 植被恢复对各土层土壤团聚体轻组有机碳的影响  56-58
  6.5 植被恢复对各土层土壤团聚体轻组有机碳贡献率的影响  58-60
  6.6 小结  60-61
第七章土壤矿物结合态有机碳积累及其在团聚体中的分布特征  61-69
  7.1 植被恢复对0-100cm 剖面土壤矿物结合态有机碳的整体影响  61-62
  7.2 植被恢复对不同土层土壤矿物结合态有机碳的影响  62
  7.3 植被恢复对 0-20cm 土层土壤团聚体矿物结合态的整体影响  62-63
  7.4 植被恢复对各土层土壤团聚体矿物结合态有机碳的影响  63-65
  7.5 植被恢复对各土层土壤团聚体矿物结合态有机碳贡献率的影响  65-68
  7.6 小结  68-69
第八章土壤重组有机碳积累及其在团聚体中的分布特征  69-77
  8.1 植被恢复对 0-20cm 剖面土壤重组有机碳的整体影响  69-70
  8.2 植被恢复对不同土层土壤重组有机碳的影响  70-71
  8.3 植被恢复对 0-20cm 土层土壤团聚体重组有机碳的整体影响  71-72
  8.4 植被恢复对各土层土壤团聚体重组有机碳的影响  72-73
  8.5 植被恢复对各土层土壤团聚体重组有机碳贡献率的影响  73-76
  8.6 小结  76-77
第九章主要结论  77-81
参考文献  81-91
作者简介  91

黄土高原次生林区植被恢复过程中土壤结构与土壤有机碳特征研究

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