不同发育阶段杉木人工林土壤团聚体碳特征及稳定性机理

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土壤作为森林生态系统重要的组成部分,在全球气候变化和陆地生态系统碳循环中作用关键。据第八次全国森林资源清查结果(2014)显示,目前杉木人工林面积在中国人工林总面积中约占19%。因此,研究杉木人工林土壤碳库动态及稳定性指标,在预测和维护人工林生态系统长期生产力,应对全球气候变化方面均具有重要意义。本研究选取湖南省靖州排牙山林场的杉木人工林为研究对象,对其土壤进行水稳性团聚体分级,以分析不同发育阶段的杉木林土壤团聚体有机碳稳定性,从而更好地解释土壤有机碳库的动态变化过程,为科学经营杉木人工林、制定合理轮伐期以及提高杉木人工林土壤固碳能力提供基础数据和依据。本研究得到的主要结果如下:  (1)杉木人工林土壤有机碳含量、碳储量均表现为随着林龄的增加呈现先降低再增加的趋势,以54年生杉木林土壤碳储量最大,而土壤碳储量约在20-25年(及中龄林阶段)达到最低值,碳含量和碳储量均呈现出随着土壤层加深而减少的趋势。  (2)杉木人工林土壤不同粒径大小水稳性团聚体间碳含量和碳储量均表现为:大团聚体>微团聚体>粉粘粒体,且三者均随着土壤深度的增加而降低  (3)随着杉木人工林林龄的增加,土壤水稳性大团聚体所占百分比逐渐提高。水稳性团聚体的组成比例随着粒径的减小呈逐渐增加趋势,即表现为:粉粘粒体>微团聚体>大团聚体。随着林龄的增长,杉木人工林土壤平均质量直径、几何平均直径和水稳性大团聚体含量均不断升高,团聚体分形维数不断降低,说明土壤团聚度越来越高,土壤团聚体稳定性越来越强。  (4)杉木人工林土壤不同粒级团聚体间碳矿化速率表现为:大团聚体>微团聚体>粉粘粒体,且各发育阶段大团聚体碳矿化速率均明显高于微团聚体和粉粘粒体。土壤有机碳分解释放的CO2-C累积量表现为随着林龄的增加先降低再升高的趋势,且0-10cm土壤层>10-20cm土壤层。杉木人工林土壤水稳性团聚体间微生物生物量碳表现为随着粒径的减小而降低,即大团聚体>微团聚体>粉粘粒体。相同粒级团聚体间微生物生物量碳表现为随着土壤深度的增加而降低。  (5)平均质量直径、>0.25mm的水稳性大团聚体含量和几何平均直径之间均具有极显著正相关关系,而与分形维数之间呈极显著负相关关系,表明>0.25mm水稳性大团聚体含量的增加,有利于提高杉木人工林土壤团聚体和土壤有机碳的稳定性。杉木人工林土壤有机碳含量与土壤水稳性大团聚体含量、几何平均直径以及平均质量直径呈极显著正相关,与分形维数呈极显著负相关。土壤有机碳储量与土壤累积矿化量、土壤微生物生物量碳、土壤有机碳含量呈极显著正相关关系。  通过对以上结果的分析,发现杉木人工林种植的年限越久,其土壤团聚体具有越良好的稳定性,并且更有利于土壤有机碳的固定。研究结果显示,在固碳过程中发挥最大作用的是>0.25mm的水稳性大团聚体,其含量的增加有利于增强土壤结构和有机碳的稳定性,说明减少人类活动的干扰、增加凋落物等外源有机碳的输入等对土壤大团聚体的形成有利的方式都可以增加杉木人工林土壤碳贮量,从而减缓温室效应。
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