耕作干扰作用下喀斯特土壤有机碳损失过程及其机制

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西南喀斯特地区土层浅薄、二元结构发育、水土资源不匹配,生态环境极为脆弱。近现代以来,由于不合理的土地利用和高强度人为干扰,导致植被破坏后较难恢复,水土流失加剧,土壤有机碳(SOC)大量损失,以石漠化为特征的土地退化严重。尽管当前西南喀斯特地区石漠化趋势初步得到遏制,但由于对土壤养分流失和重要生源要素(如C)的生物地球化学循环过程还缺乏充分认知,石漠化防治形势依然严峻。喀斯特自然生态系统SOC含量显著高于同地区红壤,然而一经开垦,SOC即表现出急剧损失的特征,但目前对SOC损失过程、途径和机制仍缺乏充分认知。耕作扰动下SOC损失主要受土壤环境(水分、温度等)、SOC稳定性(如团聚体结构、化学组分特征)及微生物等控制的C矿化和流失过程影响。本研究基于不同翻耕频率处理的原位控制试验(T0为免耕对照,T1、T2、T3、T4分别为每6、4、2、1个月翻耕一次处理),以土壤团聚体和微生物群落结构为切入点,通过连续监测土壤团聚体碳组分和碳循环关键过程变化,探明SOC损失过程和途径,揭示干扰作用下SOC变化机制,以期为喀斯特地区生态保护和有限土地资源的可持续利用提供科学依据。主要结论如下:  (1)处理实施一年后,翻耕处理SOC含量显著低于免耕处理,且翻耕各处理SOC变化量(△SOC)均达到显著水平,分别为:-24.5±8.41%(T1),-15.4±4.75%(T2),-20.0±5.95%(T3)和-27.6±5.85%(T4),翻耕处理损失了-10.2~-36.4%的有机碳;初次翻耕三个月后,△SOC分别为-20.5±4.55%(T1),-12.58±3.98%(T2),-16.84±5.38%(T3)和-19.41±6.29%(T4),占SOC年损失总量的70.3~84%,说明SOC对初次翻耕的响应最为强烈。  (2)翻耕不影响土壤水稳性团聚体的总量,但影响其粒级分布。所有处理中,土壤水稳性团聚体总量均占土壤干重的98%以上,且以5-8和2-5mm粒级团聚体为主,占团聚体总量的80.4~86.6%。其中,T0和T1中略高,分别为86.6±2.26%和84.9±2.59%,T2、T3和T4中略低,分别为80.4±5.05%、81.4±3.42%和81.3±3.41%。团聚体粒级分布对翻耕的响应具有明显的季节变化,处理实施初期,土壤中5-8和2-5mm粒级的大团聚体破碎,<2mm的团聚体增多,中后期2-5mm粒级的团聚体增多,并伴随着<2mm粒级团聚体的减少。说明残留的根系分解促进了土壤大团聚体的再形成。处理实施一年后,5-8mm粒级团聚体显著减少,2-5mm粒级团聚体显著增加,<2mm粒级团聚体无显著变化。  (3)翻耕显著降低团聚体有机碳含量,且各粒级团聚体有机碳含量对翻耕处理的敏感程度随粒级不同而变化;翻耕显著降低了5-8mm粒级团聚体有机碳库储量,对其它粒级团聚体有机碳库无显著影响。各粒级团聚体碳库的变化受该粒级团聚体总量和团聚体有机碳含量共同控制。  (4)翻耕处理下土壤CO2排放和DOC淋失均显著增加,但是,土壤DOC淋失量仅相当于土壤CO2-C排放量的0.22~0.31%,约占0-10cm土层SOC损失总量的0.05~0.10%。与土壤DOC淋失相比,耕作扰动下土壤以CO2的形式释放的碳对翻耕后喀斯特SOC损失的贡献更大。然而,本研究监测到的土壤CO2-C排放量与SOC减少量之间存在较大偏差:土壤CO2-C排放量约占SOC损失量的25.6±1.7%(T1),34.2±8.4%(T2),35.5±15.0%(T3)和22.7±5.4%(T4)。这可能是由喀斯特土壤中特殊的碳汇效应导致的。翻耕后SOC矿化产生的CO2可能有一部分通过碳酸盐溶解过程被保留在土壤或淋失至地下管道,而未能释放到大气中。  (5)翻耕显著增加了春、夏、秋三个季节土壤CO2排放速率,但对冬季土壤CO2排放无显著影响。不同翻耕处理间土壤CO2排放速率的差异主要受土壤团聚体、颗粒组成等物理性质以及土壤微生物丰度的影响,并且SOC年损失量与土壤钙、镁离子年淋失量呈极显著的正相关关系。翻耕引起5-8mm粒级团聚体破碎,使得受团聚体和钙、镁保护的闭蓄态碳释放后被微生物迅速分解矿化利用,是喀斯特SOC在翻耕后急剧损失的主要机制。  (6)耕作扰动显著影响土壤微生物生物量碳,而玉米种植显著影响微生物代谢功能。
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