黄土丘陵区土壤有机碳组成及周转对土地利用变化的响应

本项目将以位于黄土丘陵区的云雾山草原自然保护区和固原生态试验站黄家河小流域为研究对象，结合生态学、土壤学、植物学、环境科学等学科等的研究方法，借助碳同位素示踪技术，以深入认识土地利用变化条件下土壤有机碳演变规律为目标，系统研究黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤有机碳库组成及其时空变化，探明土地利用变化条件下土壤各组分有机碳库来源的变化、矿化特征及其与温度变化的关系，分析各组分有机碳对土壤有机碳矿化的贡献及在土壤有机碳周转中的作用，明确该区土壤-大气系统和土壤-植被系统碳交换过程及其对土地利用变化的响应特征，揭示黄土丘陵区土地利用与土壤有机碳演变的关系，为准确预测该区及黄土高原地区土壤有机碳变化趋势提供理论依据和基础资料，并为我国生态环境脆弱区生态屏障的维护和生态系统功能的改善提供理论指导。

项目围绕黄土丘陵区不同类型植被恢复和土地利用变化方式，全面分析了土壤有机碳库组成、来源变化、土壤有机碳的矿化特征、各组分有机碳对土壤总有机碳储量变化的贡献等因子对土地利用方式变化的响应特征。明确了黄土丘陵区草地封育后生态系统碳的积累特征，在封育17年后生态系统有机碳积累达到峰值，生态系统碳的积累主要体现在土壤有机碳的积累上；揭示了草地封育后不同活性组分土壤有机碳的变化，发现封育18年后土壤有机碳和不同组分活性有机碳累积速率逐渐变小，此时封育的效果不再显著；基于中活性有机碳的碳库管理指数对草地封育响应敏感，可以指示草地封育后土壤有机碳和主要土壤理化性质的变化；区分并阐明了弃耕地造林后土壤原有有机碳和新输入有机碳的动态特征，弃耕地造林后土壤有机碳的积累主要由新输入的有机碳引起，而且弃耕地造林对土壤原有有机碳有一定的保护作用。建立了定量描述土地利用变化后土壤团聚体数量变化和土壤团聚体有机碳含量变化对土壤有机碳储量变化贡献的方法；阐明了黄土丘陵区草地开垦和转为柠条林地后土壤团聚体有机碳损失与土壤总有机碳损失之间的关系；查明了该区林地开垦后土壤团聚体有机碳动态特征，发现林地开垦后土壤总有机碳和团聚体有机碳在开垦初期降低最快，之后趋于稳定；林地开垦后大团聚体有机碳储量显著降低，而微团聚体有机碳储量则有所增加，林地开垦后土壤有机碳的损失主要由大团聚体有机碳损失造成。查明了黄土丘陵区土壤有机碳的矿化特征，土壤类型对该区土壤有机碳矿化影响较大，不同土壤有机碳的日均矿化量、累积矿化量和矿化率具有显著或极显著的差异，但土层深度对有机碳矿化影响不显著；该区土壤有机碳潜在矿化势主要受土壤养分和理化性质的影响，而矿化速率不受这些因素的影响。这些研究结果表明，黄土丘陵区草地封育后生态系统碳素积累主要体现在土壤有机碳积累上；草地和林地土地利用变化后土壤有机碳的变化主要是由大团聚体有机碳变化引起的。