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近几十年来,由于土壤侵蚀、大气污染和过度耕作等引发的土壤退化已经成为人类面临的主要环境问题之一。农林复合系统被认为是一种可持续的土地经营方式,能有效地防止土地退化。在我国,随着“三北”防护林建设工程、退耕还林工程等林业生态工程的建设以及农业、林业可持续发展战略的实施,农林复合系统得到广泛应用和推广。尽管农林复合系统在我国农林业生产中发挥着重要的作用,但关于农林复合系统土壤质量的研究较少,尤其是在干旱半干旱地区。因此,开展农林复合经营对土壤质量影响的研究,对于农林复合系统生产力的维持以及系统的可持续经营具有非常重要的意义。
本研究选取杨树农林复合经营、杨树防护林和杨树-沙棘混交林3种辽西地区典型的农林复合系统,通过调查相关的土壤属性,揭示农林复合经营对土壤质量的影响；而且,通过室内培养试验,调查了农林复合系统中植物残余物和树木新鲜根系的分解动态,得到以下主要结果:
1)与单作农田相比,杨树农林复合经营5年后土壤pH、有机碳、全氮、微生物量氮、代谢熵和氮矿化速率均没有显著变化,而土壤微生物量碳和微生物量碳/氮比增加,土壤NO3--N降低。在半干旱温带地区,杨树农林复合经营在系统建立初期对土壤质量的影响较为有限。然而,农林复合系统中树木能在作物休耕期截获土壤NO3--N,减少土壤NO3--N淋溶。
2)边际农田营造杨树防护林后,土壤有机碳和氮储量、微生物量碳和氮矿化速率均呈现出先降低后升高的趋势,而代谢熵则先增加后降低。此外,土壤颗粒有机碳和氮在造林的前10年内没有显著变化,然后随着林分的发育而显著增加。在半干旱地区,边际农田造林后,土壤质量呈现出先降低、后增加的变化趋势。
3)与5年生杨树纯林相比,5年生杨树.沙棘混交林的地上部分生物量、土壤有机碳、全氮、微生物量碳和代谢熵均没有显著差异。然而,与15年生杨树纯林相比,15年生杨树-沙棘混交林能增加地上部分生物量、土壤有机碳、全氮和微生物量碳,降低土壤代谢熵。在半干旱地区,杨树.沙棘混交在林分建立初期对土壤质量的影响不显著,但随着林分的发育,固氮物种能有效改善人工林土壤质量,提高林分生产力。
4)在49天的室内培养试验中,植物残余物分解速率与其质量有着较好的相关关系。花生根系的氮和磷含量高,碳氮比低,因此其分解速率高于其他单一植物残余物。此外,在杨树叶片凋落物与作物残余物的混合分解中,尽管混合残余物各组分的初始养分浓度存在显著差异,但在树木叶片凋落物和作物残余物的混合分解中存在加和效应。
5)在84天的室内分解试验中,大豆叶片由于其高氮浓度及低碳氮比,质量损失和氮素释放速率最高。在植物残余物的混合分解中,残余物组分按实际比例混合更容易出现非加和效应。在杨树叶片凋落物和作物残余物二者的混合分解中,质量损失以加和效应为主,而氮素释放以促进效应为主。在杨树叶片凋落物、作物茎和作物叶三者的混合分解中,残余物质量损失和氮素释放均显著高于预测值。
6)在119天的室内分解试验中,新鲜根系直径越大,分解速率越慢。对于同一径级的树木新鲜根系而言,杨树根系分解速率高于松树。此外,杨树和松树的新鲜根系分解对氮素添加的响应方式也不同。在添加较低水平的氮素后,杨树根系分解过程所释放的CO2量和质量损失没有变化,但随着氮素添加水平的提高,植物根系分解速率减慢；而松树新鲜根系分解过程所释放的CO2量和质量损失均随着氮素添加水平的提高而呈现出增加的趋势。