湘中丘陵区不同土地利用方式土壤养分及碳库特征研究

摘要

亚热带地区土地利用方式丰富多样且不稳定，对土壤养分供应、SOC库各组分含量及空间分布产生深刻的影响。特别是近十几年来经济社会快速发展，土地利用变化尤为强烈，导致区域和国家尺度上SOC库发生强烈改变，且土地利用的破碎化和干扰的频发性带来了SOC库时空上很大的不确定性。本研究开展湘中丘陵区6种土地利用方式（天然次生林、杉木人工林、毛竹林、苗圃、农用旱地、水田）下土壤养分、SOC库各组分含量时空变异特征的研究，以正确地评估不同土地利用方式SOC库各组分动态特征及其生态学意义，为完善土壤碳循环的动态平衡机制，实现土地资源可持续利用，以及进一步了解土壤有机质退化机理奠定基础。主要的研究结果为:
　　(1)研究区内0-15cm土层容重为1.14～1.58g/cm3之间，0-30cm土层为1.24～1.47g/cm3之间;与石栎+青冈天然次生林相比，杉木人工林、苗圃、农用旱地、水田0-30 cm土层容重依次提高了12.64％、10.49％、17.66％和10.59％，毛竹林下降了0.80％;土壤具有南方红壤丘陵区典型质地粘重特征，水田为粉壤土，其它5种土地利用方式均为粘壤土;人为活动频繁干扰造成土壤粉粒、粘粒含量明显下降，细砂粒和粉粒含量增加，不同土地利用方式之间土壤粒径分形维数差异显著，石栎+青冈天然次生林土壤结构状况最好，其次是毛竹林、苗圃，而杉木人工林、农用旱地、水田最差;水田平均自然含水率最高，其次是杉木人工林、农用旱地、苗圃，而石栎+青冈天然次生林、毛竹林最低;6种土地利用方式各土层自然含水率的季节动态节律基本一致。表明土地利用方式对土壤物理性状影响显著，尤其是天然次生林转变农用地后，土壤容重增大，物理性粘粒含量减少，土壤颗粒组成呈现明显的粗化特征，土壤粒径分形维数下降，但对土壤自然含水率的季节变化影响不明显。
　　(2)研究区内土壤pH处于4.6～5.5之间，为酸性土，农用旱地、苗圃土壤pH最高，其次是水田、毛竹林，石栎+青冈天然次生林、杉木人工林最低，除农用旱地外，其它5种土地利用方式土壤pH的季节变化基本一致;土壤全N、水解N、全P、有效P、全K、速效K含量表聚效应明显，土地利用方式对土壤全N、水解N、全P、有效P、速效K含量，土壤供N、P、K强度的影响明显，但对全K含量影响不明显，表明土地利用方式对土壤养分的积累、供应状况产生明显的影响;土壤养分(N、P、K)全量含量及其有效态含量的季节变化明显，但土地利用方式仅对土壤全N、水解N含量季节变化产生明显的影响，对土壤全P、有效P、全K、速效K含量的季节动态影响不明显;湘中丘陵区土壤水解N、全P、全K、速效K相对缺乏，尤其是全P、全K，土壤养分库综合指数介于1.87～9.32之间，排序为:农用旱地(9.32)＞水田(4.29)＞石栎+青冈天然次生林(3.35)＞毛竹林(2.89)＞杉木人工林(2.50)＞苗圃(1.87)。无论是整个研究区还是6种土地利用方式下土壤养分含量之间及其与土壤pH之间的相关性不完全一致，不同土地利用方式下全N、水解N含量与全P、有效P、速效K含量之间，有效P含量与速效K含量之间多表现协同耦合作用，而全N、全P含量与全K含量之间多表现为颉抗作用。
　　(3)4种土壤酶活性均随土壤深度增加而递减，但不同酶活性递减幅度不同，差异均不显著。不同土地利用方式间土壤过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性变异较小，脲酶、蔗糖酶活性变异较大。毛竹林4种土壤酶活性（除0-15cm土层脲酶活性外）均为最高，石栎+青冈天然次生林除过氧化氢酶活性外，其它3种酶活性也较高，表明土地利用方式对过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性影响较小，对脲酶、蔗糖酶活性影响较大;天然次生林转变为杉木人工林、农用地后土壤酶活性均有不同程度下降，而毛竹林适度耕作和施肥在一定程度上增强了土壤酶活性;不同土地利用方式间土壤酸性磷酸酶活性的季节变化节律差异最为明显，过氧化氢酶活性也有所不同，脲酶活性均表现为“单峰曲线型”，但峰值大小和出现时间因土地利用方式不同而异，蔗糖酶活性基本一致。表明土地利用方式对土壤酸性磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶活性的季节动态影响明显，对蔗糖酶活性的季节动态影响不明显，仅改变了蔗糖酶活性的波动幅度;土壤过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性与土壤pH、N、P、K含量显著相关，说明湘中丘陵区土壤酶活性与土壤养分循环和能量转化关系密切，可用以指示该区域不同土地利用方式下土壤质量的演变特征。
　　(4)6种土地利用方式下SOCD均随土壤深度增加而下降，0-30cm土层SOCD由高至低排序为:石栎+青冈天然次生林（85.08t/hm2）＞杉木人工林（72.98t/hm2）＞毛竹林(65.69t/hm2)＞水田(64.72t/hm2)＞农用旱地(54.28t/hm2)＞苗圃地(40.94t/hm2)。土壤TOC、Cmic、DOC、ROC、MOC含量均表现出明显的表聚性，石栎+青冈天然次生林、杉木人工林、毛竹林尤为明显;与石栎+青冈天然次生林相比，杉木人工林、毛竹林、苗圃、农用旱地、水田SOC、Cmic（除毛竹林、水田外）、DOC、ROC、MOC含量均有不同程度的下降，其中苗圃、农用旱地下降幅度较大，其次是水田、杉木人工林，毛竹林下降幅度较小，表明天然次生林转变为人工林、农用地后土壤SOC库各组分明显下降，其中ROC、MOC含量下降较为明显。
　　石栎+青冈天然次生林、杉木人工林、毛竹林各土层TOC、Cmic含量季节变化明显，均呈现“夏高冬低型”，苗圃、农用旱地各土层TOC、Cmic含量季节之间差异不明显，水田各土层TOC、Cmic含量季节变化明显，但苗圃、农用旱地、水田各土层TOC、Cmic含量季节变化节律各不相同，也与石栎+青冈天然次生林、杉木人工林、毛竹林土壤TOC、Cmic含量季节变化不同;6种土地利用方式各土层DOC、ROC含量季节变化明显且基本一致，各土层MOC含量季节变化明显，与土壤TOC、Cmic含量季节变化基本一致，季节动态节律及峰值出现时间、大小因土地利用方式不同而异，表明土地利用方式对土壤TOC、Cmic、MOC含量季节动态影响明显，但对DOC、ROC含量季节变化影响不明显。
　　水田土壤微生物商在5.38％～5.59％之间，其它5种土地利用方式在2.26％～3.38％之间，以水田最高，其次是毛竹林，农用旱地或苗圃最低;0-15cm土层DOC分配比例在2.18％～2.86％之间，15-30cm土层在2.50％～2.95％之间，不同土地利用方式间各土层DOC分配比例从高至低的排序与土壤TOC含量的排序恰好相反;土壤ROC的分配比例在21.02％～32.54％之间，各土层ROC的分配比例排序基本为:水田＞石栎+青冈天然次生林＞毛竹林＞农用旱地＞苗圃＞杉木人工林，且前三者与后三者问差异极显著或显著;各土层MOC的分配比例在0.27％～0.47％之间，大小依次为:苗圃＞农用旱地＞水田＞毛竹林＞青冈+石栎天然次生林＞杉木人工林。表明土地利用方式对土壤活性有机碳各组分的分配比例影响明显，但影响程度不同。
　　湘中丘陵区0-30cm土层Cmic周转率为0.50～1.90(1/年)之间，周转时间在0.55～2.14年之间，水田Cmic周转率最高，周转时间最短，流通量（达292.96 g/m2·a）最大，而苗圃、农用旱地周转率最低，周转时间最长，流通量(分别为24.81 g/m2·a和30.17g/m2·a)最低，表明水田在SOC含量较低情况下，加快土壤Cmic周转速度，加大其流通量，以固持更多养分和促进养分矿化，为农作物生长提供更充分养分，而石栎+青冈天然次生林土壤Cmic周转率较低，维持较高的微生物现存量且变化平缓，有利于土壤有机质积累和养分固定。与石栎+青冈天然次生林相比，水田、毛竹林、杉木人工林、农用旱地、苗圃0-15cm土层碳库管理指数依次下降了18.37％、20.89％、44.05％、51.53％和66.63％，15-30cm土层依次下降了11.61％、9.14％、40.00％、48.58％、59.33％，表明天然次生林转变为杉木人工林、毛竹林或农用地后均导致土壤质量下降，尤其是表土层。
　　(5)无论是整个研究区还是不同土地利用方式下土壤Cmic、DOC、ROC、MOC含量两两之间及其与土壤TOC含量之间均呈极显著或显著正相关，其中ROC、MOC含量与TOC含量的相关系数普遍高于Cmic、DOC含量与TOC含量的相关系数;土壤有机碳各组分含量与全N、水解N、全P含量、脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性间呈极显著或显著的正相关，与全K、有效P、速效K含量间的相关性较弱，表明不同土地利用方式下土壤Cmic、DOC、ROC、MOC均可作为土壤活性有机碳库的重要组分，其含量的变化均将会导致土壤TOC含量的变化，其中ROC、MOC含量具有较强指示作用，而土地利用方式不同导致土壤TOC、活性有机碳各组分含量的变化，是引起土壤肥力变化的重要原因。不同土地利用方式下土壤pH、自然含水率对土壤碳库各组分含量的影响不同;土壤碳库管理指数与TOC、Cmic、DOC、ROC、MOC、全N、水解N、有效P含量、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性间均呈极显著或显著正相关。表明农业或林业经营管理方式下土壤碳库及碳库管理指数差异显著，土壤碳库管理指数能全面反映不同经营措施对土壤碳库和土壤肥力的影响。天然次生林转变为杉木人工林、毛竹林、苗圃和农用地后，SOC量和质降低，土壤碳库管理指数、土壤肥力也随之下降。

目录

声明

摘要

论文中缩写词的中文含义

1 文献综述

1．1 研究背景及意义

1．2 土地利用方式对土壤有机碳的影响

1．2．1 开垦与耕作对土壤有机碳的影响

1．2．2 林地转变为草地对土壤有机碳的影响

1．2．3 退耕还林(草)对土壤有机碳的影响

1．3 土地利用方式对土壤活性有机碳组分的影响

1．3．1 土壤活性有机碳的组分及其功能

1．3．2 土壤活性有机碳各组分对土地利用方式的响应

1．4 土地利用方式对土壤养分的影响

1．5 土壤活性有机碳各组分与土壤养分的相关性

1．5．1 易氧化有机碳与土壤养分的相关性

1．5．2 水溶性有机碳与土壤养分的相关性

1．5．3 微生物生物量碳与土壤养分的相关性

1．5．4 可矿化有机碳与土壤养分的相关性

1．6 研究展望

1．6．1 土壤活性有机碳的组分及其测定方法有待统一

1．6．2 土地利用方式对土壤有机碳库动态过程影响的研究有待深入

2 研究地概况

3 研究方法

3．1 采样样地的选定

3．2 分析样品采集与处理

3．3 分析方法

3．4 数据统计分析

4 结果与分析

4．1 土地利用方式对土壤物理性状、养分供应的影响

4．1．1 土壤容重的差异

4．1．2 土壤颗粒组成及其分形维数的差异

4．1．3 土壤自然含水率的差异及其季节变化

4．1．4 土壤pH值的差异及其季节动态

4．1．5 土壤N、P、K含量的差异及其季节动态

4．1．6 土壤养分库综合指数的差异

4．1．7 土壤容重、土壤含水率、分形维数间的相关性

4．1．8 土壤养分间及其与土壤pH的相关性

4．1．9 小结与讨论

4．2 土地利用方式对土壤酶活性的影响

4．2．1 土壤酶活性的空间分布变异特征

4．2．2 土壤酶活性的季节动态

4．2．3 土壤酶活性问及其与土壤养分含量、pH间的相关性

4．2．4 小结与讨论

4．3 土地利用方式对土壤总有机碳的影响

4．3．1 土壤总有机碳含量的变异及其季节动态

4．3．2 土壤总有机碳密度

4．3．3 小结与讨论

4．4 不同土地利用方式下土壤微生物生物量碳含量特征

4．4．1 土壤微生物生物量碳含量的差异及其季节动态

4．4．2 土壤微生物商平均值及其季节动态

4．4．3 土壤微生物生物量碳的周转及流通

4．4．4 小结与讨论

4．5 不同土地利用方式下土壤水溶性有机碳含量的变化特征

4．5．1 土壤水溶性有机碳平均含量的变异

4．5．2 土壤水溶性有机碳含量的季节变化

4．5．3 土壤水溶性有机碳的平均分配比例

4．5．4 土壤水溶性有机碳分配比例的季节动态

4．5．5 小结与讨论

4．6 不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳含量的变化特征

4．6．1 土壤易氧化有机碳平均含量的差异

4．6．2 土壤易氧化有机碳含量的季节变化

4．6．3 土壤易氧化有机碳的分配比例

4．6．4 土壤易氧化有机碳分配比例的季节动态

4．6．5 土壤碳库管理指数的变化

4．6．6 小结与讨论

4．7 土地利用方式对土壤可矿化有机碳含量的影响

4．7．1 土壤可矿化有机碳平均含量的差异

4．7．2 土壤可矿化有机碳含量的季节变化

4．7．3 土壤可矿化有机碳的分配比例

4．7．4 小结与讨论

4．8 土壤有机碳各组分、碳库管理指数与土壤养分、酶活性的相关性

4．8．1 土壤有机碳各组分含量间的相关性

4．8．2 土壤有机碳各组分与土壤养分、pH、自然含水率的相关性

4．8．3 土壤有机碳各组分与土壤酶活性的相关性

4．8．4 土壤碳库管理指数与有机碳各组分、土壤养分、酶活性的相关性

4．8．5 小结与讨论

5 结论

5．1 不同土地利用方式下土壤物理性状

5．2 不同土地利用方式下土壤养分特征

5．3 不同土地利用方式下土壤酶活性

5．4 不同土地利用方式下土壤有机碳库特征

5．5 土壤碳库各组分间及其与土壤肥力的关系

6 创新点

7 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要学术论文

致谢