黄土丘陵区不同退耕方式土壤有机碳密度的差异及其空间变化

比较退耕条件下流域间土壤有机碳密度(SOCD)的变化,有助于理解黄土高原区域土壤有机碳源/汇效应的变化机理。在黄土丘陵沟壑区,自北向南从砒沙岩区、风蚀水蚀交错区、水蚀区分别选取五分地沟、砖窑沟、燕沟三个典型治理小流域,研究了坡地退耕为林草地后SOCD变化及其影响因素。结果表明:(1)流域内,林草地SOCD显著大于坡耕地,表层0~10cm高于亚表层10~20cm,且差异显著(P0.05)。(2)流域间,同一土地利用方式SOCD因流域存在显著差异(P0.05)。从北到南,坡耕地和林地SOCD基本呈增加的趋势,坡耕地表层SOCD分别是0.54、0.56 kg·m-2和0.61 kg·m-2,林地SOCD依次为0.64、0.90 kg·m-2和1.05 kg·m-2;而草地先略有下降后又呈增加的趋势,分别为0.71、0.67kg·m-2和0.73kg·m-2。(3)相对于坡耕地,流域间同一退耕方式SOCD的增幅存在一定的空间分异。退耕还林方式下SOCD的增幅从北到南依次变大,由五分地沟流域表层的18.8%变化到燕沟流域的72.7%;退耕还草SOCD的增幅较小,从32.1%变化到20.1%。可见,在黄土丘陵沟壑区,退耕方式不仅影响流域内SOCD含量的变化,而且影响流域间SOCD增幅的变化,这一变化与南北流域的气候条件、生物因素(细根生物量)、土壤性质以及土壤侵蚀强度密切相关。     

黄土丘陵区人工林土壤有机碳的垂直分布特征

对黄土丘陵区刺槐和油松人工林的根系生物量、土壤有机碳含量及其土壤全氮进行了测定,分析了土壤有机碳和根系的垂直分布特征。结果表明,刺槐和油松人工林之间以及同一林分的不同林龄之间,根系生物量有明显差异。2种人工林表层土中有机碳含量不同,差值为{0.470%},10-20 cm土层有稍微差异,差值为0.075%,其他各层差别不明显,差值均小于0.023%。在不同林龄之间,除20 cm以上土层,幼林和成林之间的土壤有机碳含量有差异外,其他各层几乎没有差异。说明土壤有机碳的积累受诸多因素的影响,根系对土壤碳的积累有一定影响,但影响程度不大。人工林土壤全氮与土壤有机碳含量之间呈显著的线性正相关。     

地形因子与人工林土壤有机碳密度的关系——以晋西黄土丘陵区为例

为了探究晋西黄土丘陵区不同人工林下土壤有机碳密度的性质,在该区选取了4种典型人工林配置模式,对其土壤上层(0 ～20 cm)和下层(20 ～40 cm)的有机碳密度进行了测定和比较,分析了不同人工林下土壤有机碳密度分布的特性.借助普通最小二乘法(OLS),对地形因子与土壤有机碳密度之间的量化关系进行了分析.结果表明:土壤碳密度与全N、水解性N均在0.01水平上显著正相关.林下的土壤碳密度排序为针阔混交林＞人工针叶林＞人工阔叶林＞灌木林.土壤碳密度在不同地形条件下存在差异,但地形差异只能解释土壤碳密度差异的18.4％.土壤碳密度随着坡度的增大而减少,从阳坡到阴坡不断增加,坡面位置的分布特征则为坡顶＜坡面＜坡脚.     

黄土丘陵区几种退耕还林地土壤固存碳氮效应

探讨了黄土丘陵区退耕10a和30a的柠条、刺槐、油松及侧柏林地0～60cm不同土层有机碳、氮数量和分布的变化特征。结果表明:相比坡耕地,退耕还林10a后,仅侧柏与油松林地各土层有机碳、氮含量和密度显著提升。退耕还林30a与10a相比,各土层有机碳含量增幅表现为侧柏>油松>刺槐>柠条,总体0～60cm土层碳固存速率分别达到1.06、0.71、0.43、0.36mgC·hm-2·a-1;氮固存速率以刺槐最高,达到0.051mgN·hm-·2a-1,其他还林地固存氮速率接近,为0.014～0.026mgN·hm-·2a-1。30a还林有机碳的增加主要来自0～20cm土层,平均贡献达51.9%,而全氮增加除刺槐林地外,主要来自40～60cm土层,平均贡献达42.5%。各还林地C/N仅在0～20cm表层均有显著提高,但有机碳与氮均表现出显著的回归相关性。综上,长期退耕还林地能够固存碳氮,且以侧柏林地提升有机碳库较佳,而刺槐林地提升氮库较好。     

黄土丘陵区3种退耕灌木林生态系统碳密度的对比研究

【目的】比较宁夏隆德县3种灌木林生态系统的固碳能力,以便选择和发展固碳能力较强的灌木种。【方法】在宁夏隆德县退耕还林实施区,选择7年生沙棘(Hippophae rhamnoides)、柠条(Caragana korshinskii)和山毛桃(Prunus davidiana)灌木林,设置样地,测算灌木层、草本层的生物量,并取0~100cm土层土样,测定不同土层土壤体积质量,计算灌木层、草本层和土壤层的碳密度,分析3种灌木林各组分及土壤碳密度的变化。【结果】沙棘、柠条、山毛桃灌木林生态系统碳密度分别为63.29,52.82和77.78t/hm2,其碳密度的空间分布格局基本一致,即土壤层碳密度所占比例最大,分别为88.56%,87.79%和87.44%;其次为灌木层,所占比例分别为10.18%,11.25%和12.16%;草本层所占比例最小,分别为1.26%,0.97%和0.40%。在0~100cm土层,土壤层碳密度随着土层深度的增加总体呈下降趋势,且山毛桃林土壤层碳密度(68.01t/hm2)明显高于沙棘林(56.05t/hm2)和柠条林(46.37t/hm2)。【结论】与沙棘、柠条相比,山毛桃是一个固碳能力较强的灌木种,适度发展山毛桃在一定程度上有利于固定更多的碳。     

黄土丘陵区小流域横断面土壤水分的空间分布特征

以黄土丘陵区的纸坊沟小流域为研究对象,研究了横断面上土壤水分空间变化特征,得出如下规律:①从总体来看,土壤水分含量大致是阴坡高于阳坡,坡下高于坡上,地形起着决定性作用,但植被的影响也非常重要。②在小流域断面水分分布中,乔木林地的平均含水量最低,灌木林次之,草本植被最高。表明丘陵区最适宜的植被应是草本植被和灌木群落。③植被的生长弱化了断面地形变化的影响,刺槐的阴阳坡、上下坡的土壤水分含量趋于接近,柠条的生长良好时的大耗水量也使阴坡和坡下的水分优势减弱,长势良好的草本群落使梁峁坡上的土壤水分状况优于其他坡位。④纸坊沟小流域除阴坡草本植被外,全部有土壤干层的存在,但并不影响植被的正常生长,因此,在植被恢复良好的地区,干层的产生是正常的。     

基于辅助环境变量的土壤有机碳空间插值——以黄土丘陵区小流域为例

利用普通克里格法(OK)、反距离加权法(IDW)、径向基函数法(RBF)、基于土地利用类型修正的普通克里格法(OK_LU)4种插值方法,对黄土丘陵羊圈沟小流域的土壤有机碳含量进行空间插值。预测结果的准确性通过Pearson相关系数(R),平均绝对误差(MAE),均方根误差(RMSE),准确度(AC)来评价。研究结果表明:(1)在前3种常规空间插值方法中,OK对刻画区域土壤有机碳的空间分布趋势效果最佳,其预测MAE值和RMSE值均为最小,Pearson相关系数(R)和准确度(AC)最大,说明其预测结果的准确性最好、预测的极端误差也最小;其次为RBF;IDW预测的效果最差。(2)OK_LU在空间特征表达方面能够更好地反映复杂地形区的局部变异,其插值结果的精度相比OK有一定程度的提高,其平均绝对误差(MAE)从0.900%降到了0.567%,均方根误差(RMSE)从1.101%降到了0.777%,Pearson相关系数(R)从0.4026提高到0.5589,准确度(AC)从0.9081提高到0.9505。综合比较,在黄土丘陵地区,OK_LU能使插值结果的精度有较大提高,是土壤有机碳空间制图的有效途径。     

黄土丘陵区封禁对土壤活性有机碳与碳库管理指数的影响

采用时空互代法,以典型侵蚀环境纸坊沟流域不同封禁年限的狼牙刺群落和杂灌群落为研究对象,选取放牧地和天然次生林为参照,分析了植被恢复过程中土壤有机碳(TOC)、活性有机碳(LOC)、非活性有机碳(NLOC)及碳库管理指数的演变特征.结果表明,封禁后土壤碳库各组分含量和管理指数随封禁年限的延长变化显著,阳坡随封禁年限增加TOC、LOC和NLOC逐渐增加,25 a时较对照放牧地增加到110%、336%和120%,仅为侧柏林的39 %、37 %、57%和24%,显著高于天然狼牙刺群落;阴坡封禁5 a后各组分较封禁前显著增加,随后逐渐增加,15 a后增幅减缓,封禁25 a后TOC、LOC和NLOC较封禁前分别增加为200%、326%和105 %,但明显低于天然杂灌丛群落和辽东栎林.相同封禁年限阴坡土壤碳库各组分含量要显著高于阳坡.不论阳坡还是阴坡,碳库指数和碳库管理指数随封禁年限逐渐增加,25 a阳坡较放牧地增加5.87倍,是天然狼牙刺群落的2.73倍,为侧柏林的93%;阴坡较放牧地增长6.25倍,高出天然杂灌丛和辽东栎林63%和48%.表明放牧地封禁后,土壤管理经营更趋于健康科学,阴坡因为水分条件改善作用更加明显.相关性分析说明有机碳、活性有机碳、非活性有机碳、碳库指数、碳库管理指数与土壤主要肥力因子相关性显著,可以作为反映生态恢复过程土壤质量演变的指标.     

黄土丘陵区不同恢复年限退耕林地土壤碳氮差异及其影响因素

【目的】研究黄土丘陵区不同退耕年限林地有机碳及全氮的差异性,分析全氮及有机碳与环境和土壤因子的关系,为该区域生态恢复与土壤质量评价提供科学参考。【方法】结合野外调查和室内分析,运用统计分析及冗余分析方法(RDA),以耕地(CL)为对照,对黄土丘陵区退耕种植25,35,40年的柠条(Caragana korshinskii Lam.,CK)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.,RP)林地(以下分别用CK25a、CK35a、CK40a、RP25a、RP35a、RP40a表示)为研究对象,分别采集各样地0~10,10~20,20~30cm土层的土样,研究0~30cm土层有机碳、全氮含量及有机碳密度、全氮密度、微生物生物量碳、微生物生物量氮随退耕年限的变化特征,最后分析了土壤有机碳、全氮含量及有机碳密度、全氮密度与环境因子、土壤因子的关系。【结果】与耕地相比,不同退耕年限刺槐、柠条林地0~30cm土层土壤有机碳、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮含量及有机碳密度、全氮密度显著增加,在0~30cm土层,有机碳、全氮、微生物生物量碳和微生物生物量氮含量由大到小依次为RP40aRP35aRP25aCL;有机碳密度从高到低依次为CK35aCK40aCK25aCL;全氮密度由大到小依次是CK35aCK25aCK40aCL。对于不同退耕年限的刺槐和柠条林地,环境因子中的植被盖度、退耕年限、坡度均与土壤有机碳、全氮及有机碳密度、全氮密度呈正相关,坡向、海拔、土壤体积质量、pH均与其呈负相关。而土壤因子中的微生物生物量碳、微生物生物量氮、总孔隙度均与有机碳、全氮及有机碳密度、全氮密度呈正相关,土壤体积质量、pH均与其呈负相关。【结论】土壤有机碳及全氮含量变化与退耕年限、植被盖度、坡度及土壤因子存在密切关系,且植被恢复使土壤质量得到了极大改良。     

黄土丘陵区刺槐林土壤碳通量模拟研究

【目的】研究黄土丘陵区刺槐林不同土层土壤碳通量,以准确评估该区域土壤碳排放量。【方法】以坡耕地(对照)以及10,20,30和40年生的刺槐(Robinia pseudoacacia)林为研究对象,用气体井法测定CO2浓度,使用Fick扩散法(5种扩散系数模型)计算0~200cm土层土壤剖面碳通量,并用Li-8100腔室法对表层土壤碳通量进行实地监测,最后将黄土丘陵区刺槐林地不同深度土层土壤碳通量的估算结果与实测值进行对比分析。【结果】1)5种扩散系数模型对土壤剖面碳通量的模拟结果有较大差异,其中Penman模型计算结果与实测值差异最大,Moldrup模型计算值与实测值差异最小。2)5种扩散系数模型计算的土壤碳通量均大于实测值,但与实测值均具有显著相关性(P0.05)。3)在黄土丘陵区刺槐林地0~20,80~140,200cm土层估算土壤碳通量的最佳扩散系数模型分别为Moldrup-2000、Moldrup-1997和Millington模型。4)在黄绵土0,20,80,140,200cm土层,土壤CO2扩散系数分别为0.15,0.14,0.20,0.22和0.27,据此计算的各土层土壤碳通量分别为0.72,0.32,0.30,0.24和0.17μmol/(m2·s),可见随着土层深度的增加,土壤碳通量逐渐降低。【结论】黄土丘陵区不同刺槐林地各土层的环境因子有一定差异,所以估算不同深度土壤碳通量的最佳模型有所区别;研究确定的黄土区不同土层碳通量估算模型和气体扩散系数模型中的各种参数,对于准确评估区域土壤碳排放具有重要参考价值。     

面向亚热带丘陵区小流域土壤有机碳空间预测的四种模型构建及性能比较

土壤是陆地生态系统最大的碳库,在提升生态系统服务功能和调节气候变化等方面发挥关键作用。对复杂多变环境下土壤有机碳(SOC)含量的精确预测将有助于正确评估区域土壤质量和碳汇功能。本研究以亚热带丘陵区一个典型小流域为研究对象,以地形、气候和植被三类环境变量为驱动因子,分析支持向量机回归(SVR)、随机森林(RF)、极端梯度提升算法(XGBoost)和轻量级梯度提升机(LightGBM)四种不同的机器学习算法在土壤(0~20 cm)SOC含量预测中的精度差异,并筛选影响SOC分布的主要环境影响因素。结果表明,RF模型、XGBoost模型和LightGBM模型均能较好预测SOC含量,以RF模型的表现相对最佳(R^(2)=0.540),其预测精度优于XGBoost(R^(2)=0.528)和LightGBM模型(R^(2)=0.504)。而SVR模型的预测精度(R^(2)=0.427)低于模型预测精度的最低可接受值0.50,并不适用于亚热带丘陵地貌SOC含量的预测。相关分析表明,在亚热带丘陵地貌区,地形(主要为海拔)对几种模型预测的贡献最大,是预测SOC的重要环境变量。基于四种模型预测的SOC数字制图显示,SOC空间分布趋势总体相似,均表现为北部区域、西南和东南边缘区域SOC含量较高,而中部区域SOC含量普遍偏低。     

渭北黄土高原沟壑区土地整治中新增耕地土壤养分现状分析

【目的】以渭北黄土高原沟壑区为例,研究土地整治中新增耕地的土壤养分特征,为判别新增耕地能否实现可持续利用提供参考。【方法】以位于渭北黄土高原沟壑区的白水、蒲城和富平3县新增耕地为研究对象,每20 ha新增耕地作为一个采样单元,采集0~30 cm耕层土壤,共采集土样30个,测定土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量及土样质地等指标,分析土壤养分状况。【结果】渭北黄土高原沟壑区新增耕地土壤质地均为粉壤土,有机质、全氮、有效磷及速效钾平均含量分别为16.69 g/kg、0.67 g/kg、15.79 mg/kg和173.28 mg/kg;有机质和速效钾含量表现为白水县>富平县>蒲城县;全氮含量表现为蒲城县>白水县=富平县;有效磷含量表现为白水县>蒲城县>富平县。相关性分析结果表明,土壤有机质含量与全氮含量呈显著正相关(P<0.05),与有效磷、速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01,下同);有效磷含量与速效钾含量呈极显著正相关。除全氮外,其他土壤养分含量与砂粒含量呈正相关,与黏粒和粉粒含量呈负相关。参照黄土高原养分分级指标对渭北黄土高原沟壑区新增耕地的土壤养分进行分级评价,土壤有机质含量整体处于中等水平,全氮含量较低,有效磷和速效钾含量较高。【结论】渭北黄土高原沟壑区不同采样县新增耕地土壤养分存在地区差异性。土壤有机质含量对土壤养分含量影响较大。     

宁夏南部半干旱黄土丘陵区草地土壤水分物理特性研究

在宁夏南部半干旱黄土丘陵区,选择具有典型代表性的人工草地和天然草地,采用野外调查采样与室内分析相结合法,分析在植被生态恢复过程中土壤水分特征的变化．结果表明：土壤容质量人工草地〉天然草地,饱和含水量、田间持水量和毛管持水量等天然草地〉人工草地;在土壤蓄水性能方面表现为天然草地在涵蓄降水量、有效涵蓄量2方面优于人工草地;用O～100cm土壤水分无论人工草地还是天然草地（1—10月）都表现有亏缺状态．     

福建省表层土壤有机碳密度空间分布及影响因素分析

为准确估算福建省表层土壤有机碳密度,确定其空间分布和影响因素,基于2016—2019年采集的4 350个表层土壤样本,利用地统计学方法与ArcGIS技术分析土壤有机碳密度空间分布,并通过随机森林模型分析影响土壤有机碳密度的重要因素。结果表明：福建省表层土壤有机碳密度范围为0.03~14.68 kg·m^-2,平均值为4.06 kg·m^-2。全省表层土壤有机碳密度在空间上聚集分布,具有中等程度空间自相关性,空间变异主要由结构性因素主导,呈现自南向北、从沿海向内陆山地逐渐升高的空间分布格局。降雨量、海拔、土壤质地和土壤pH是影响有机碳储量的主要因素,地貌类型、土壤类型和作物类型影响相对较弱,且随着化肥（磷肥和钾肥）施用量的增加,表层土壤有机碳密度显著降低。研究表明,福建省表层土壤有机碳密度不高,空间分布聚集,自然气候变化、地形因子和人类活动都会影响土壤有机碳密度,其中降雨量、海拔、土壤质地和土壤pH为主导因素。     

黄土高原旱地保护性耕作农田土壤团聚体特性变化研究

以春玉米品种沈玉17为材料,设置保护性耕作（NT）、传统耕作＋秸秆还田（TS）和传统耕作（CT）3种耕作方式,通过多年定位试验,研究黄土高原旱塬地保护性耕作农田土壤有机质及团聚体特性的变化。结果表明,NT与TS和CT相比能显著提高土壤有机质含量。干筛法分析结果表明,0-30 cm深度,NT处理粒径〉0.25mm的大团聚体含量、平均重量直径（mean weight diameter,MWD）均显著高于TS和CT处理。湿筛法分析结果表明,水稳性团聚体MWD在0-10 cm深度为NT〉TS〉CT,处理间差异显著（P〈0.05）;0-20 cm深度,NT处理土壤团聚体破坏率均低于CT处理。保护性耕作能促进土壤团聚体的形成,提高团聚体的稳定性,而传统耕作则由于人为扰乱土层结构,降低了土壤团聚体数量和稳定性。     

陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究

为探究黄土高原植被恢复对深层土壤碳库的影响,选取退耕还林第一县陕北吴起县金佛坪流域5种植被恢复类型（山杏林（Armeniaca sibrica）,油松林（Pinus tabulaeformis）、沙棘林（Hippophae rhamnoides）、刺槐林（Robinia pseudoacacia）、小叶杨林（Populus simonii））和以自然恢复为主的荒草地为研究对象,通过调查0～1 000 cm土层土壤有机碳含量,并计算土壤有机碳储量,分析不同植被类型的土壤有机碳剖面分布和差异。结果表明：在总体上,土壤有机碳在0～60 cm出现快速下降,60～1 000 cm出现不明显的波动变化,其中40～260 cm土层,小叶杨林地土壤有机碳含量明显最高。不同植被恢复都具有固碳效益,且不同植被土壤有机碳含量差异显著（P＜0.05）。不同植被土壤有机碳储量：小叶杨（18年）（301.51 t·hm^-2）＞刺槐（19 年）（249.86 t·hm^-2）＞沙棘（18年）（242.14 t·hm^-2）＞山杏（8年）（226.08 t·hm^-2）＞油松（5年）（182.91 t·hm^-2）＞荒草地（160.45 t·hm^-2）,这可能是由于不同树龄和植被类型导致的结果。深层（100～1 000 cm）土壤有机碳储量占0～1 000 cm剖面有机碳储量的73%～84%。深层土壤有机碳含量颇丰,在今后碳汇评估中不容忽视。     

黄花甸子流域人工林土壤有机碳密度分布特征

【目的】分析内蒙古黄花甸子流域不同人工林土壤有机碳密度分布特征,为该地区人工林生态系统的碳汇管理提供理论依据。【方法】以内蒙古赤峰市敖汉旗黄花甸子流域内山杏×油松混交林、山杏林、小叶杨林、柠条林4种典型人工林为研究对象,选取典型样区,探讨了0~100cm土层不同林分土壤有机碳密度的变化。【结果】4种林分土壤平均有机碳密度为0.85~1.07kg/m2;土壤有机碳密度呈现出混交林明显高于纯林,乔木林明显高于灌木林的特征,土壤平均有机碳密度由大到小表现为山杏×油松混交林山杏林小叶杨林柠条林。土壤有机碳富集在0~20cm土层中,并随土层深度的增加,土壤有机碳密度明显降低。【结论】在研究区的造林实践中,建议增加混交林造林面积,减少人类活动对森林表层土壤的干扰和破坏。     

黄土丘陵沟壑区农户生态产业系统经营模式评价

以黄土丘陵沟壑区的典型流域-甘肃省定西市(峻)口镇龙滩流域为对象,采用系统抽样与随机抽样、一般调查与重点调查相结合的研究方法,应用组分优势度、结构优势度和复合生态系统稳定性指数等综合分析指标,对黄土丘陵沟壑区农户生态产业系统的结构现状及其经营模式进行评价研究.结果表明:2007和2009年度,流域内高收入家庭占调查总户...     

放牧强度对黄土丘陵沟壑区生物土壤结皮分布格局的影响

【目的】明确放牧强度对生物土壤结皮（生物结皮）分布格局的影响。【方法】以黄土丘陵沟壑区4个典型的退耕还林（草）县（市）的退耕草地为对象,以单位面积羊粪球数(羊粪球密度)表征放牧强度,将放牧强度划分为轻度（羊粪球数0~10个/m²）、中度（羊粪球数＞10~20个/m²）、重度（羊粪球数＞20个/m²）3个强度,分别记作G1、G2、G3,以退耕封禁草地为对照(G0),基于景观生态学方法,通过拍照和GIS图像处理,采用景观格局指数定量分析了生物结皮分布格局的变化。【结果】放牧影响退耕草地生物结皮的盖度及组成,其中G2和G3处理藓结皮盖度显著低于G0和G1处理;藻结皮盖度随放牧强度的增加呈增大趋势,地衣结皮盖度无显著变化。放牧降低了生物结皮厚度,其中G3处理生物结皮厚度显著低于G0和G1处理。随着放牧强度的增加,藻生物量呈增大趋势,但各处理间差异不显著;而藓生物量呈降低趋势。与G0处理相比,放牧显著降低了生物结皮斑块的连结度,而增加了分离度,其中G3处理斑块连结度显著降低,而分离度显著增加。随着放牧强度的增加,生物结皮斑块密度变化不显著,斑块盖度、斑块连结度降低,而景观形状指数、分离度增加。放牧强度与生物结皮斑块盖度、斑块连结度、斑块分离度之间显著相关,拟合结果显示均呈二次函数关系。【结论】中度和重度放牧强度（羊粪球数>10个/m²）导致生物结皮斑块破碎化及退化。